本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)振蕩抑制，具體為基于自適應(yīng)阻尼控制器的風(fēng)電并網(wǎng)振蕩抑制方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、基于風(fēng)能的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)具有資源分布廣泛、能源利用高效、裝備技術(shù)成熟等優(yōu)點，其在電力系統(tǒng)中的地位正從輔助電源轉(zhuǎn)變?yōu)橹髁﹄娫?。然而，風(fēng)電的遠距離送出或直流送出導(dǎo)致風(fēng)電接入的電網(wǎng)特征從單機無窮大系統(tǒng)演變?yōu)槿蹼娋W(wǎng)特征或電力電子化特征，風(fēng)電系統(tǒng)與電網(wǎng)產(chǎn)生的交互作用會共同影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2、頻繁發(fā)生的低頻振蕩、次/超同步振蕩事故進一步引起了研究人員對風(fēng)電機組和電網(wǎng)之間高頻交互作用問題的重視，準(zhǔn)確、快速地發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)振蕩現(xiàn)象并采取振蕩抑制措施是電網(wǎng)安全運行的基礎(chǔ)；然而針對振蕩抑制技術(shù)，當(dāng)前研究存在一些實際性問題尚未考慮。

3、振蕩頻率具有時變特征，例如不同的電網(wǎng)并聯(lián)補償電容下，系統(tǒng)振蕩頻率可能會發(fā)生偏移，而現(xiàn)有振蕩抑制技術(shù)只能針對實現(xiàn)設(shè)計的頻率點進行阻尼提升。盡管可通過頻率在線檢測或自適應(yīng)鎖頻環(huán)進行頻率獲取，傳統(tǒng)的頻率在線檢測包括傅里葉算法、小波分析法、自適應(yīng)窗函數(shù)法等，存在計算量大檢測跟隨行差等問題，基于自適應(yīng)陷波器鎖頻環(huán)的諧振頻率檢測動態(tài)跟隨時存在準(zhǔn)確性和快速性難以兼顧的矛盾，為此，本發(fā)明提出基于自適應(yīng)阻尼控制器的風(fēng)電并網(wǎng)振蕩抑制方法及系統(tǒng)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供基于自適應(yīng)阻尼控制器的風(fēng)電并網(wǎng)振蕩抑制方法及系統(tǒng)，能夠在不同振蕩頻段和電網(wǎng)條件下有效抑制振蕩，具備良好的適應(yīng)性和實用性。

2、根據(jù)本發(fā)明的第一方面，為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：基于自適應(yīng)阻尼控制器的風(fēng)電并網(wǎng)振蕩抑制方法，包括以下步驟：

3、基于阻尼控制器結(jié)構(gòu)中引入振蕩頻率辨識模塊及移相參數(shù)計算模塊，構(gòu)建得到自適應(yīng)阻尼控制器，分析風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的阻尼特性并完成自適應(yīng)阻尼控制器的參數(shù)整定；

4、構(gòu)建風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型并進行參數(shù)設(shè)計；

5、接收風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型采集得到的電壓信號，利用快速傅里葉變換處理信號以辨識振蕩頻率，判斷風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)是否存在不穩(wěn)定振蕩模式，若存在不穩(wěn)定振蕩，在風(fēng)電場側(cè)與電網(wǎng)側(cè)之間接入自適應(yīng)阻尼控制器；

6、自適應(yīng)阻尼控制器過濾出引起風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)振蕩的信號分量，并進行相位調(diào)制后注入電網(wǎng)，與原有信號抵消，實現(xiàn)振蕩的抑制。

7、進一步地，基于阻尼控制器結(jié)構(gòu)中引入振蕩頻率辨識模塊及移相參數(shù)計算模塊，構(gòu)建得到自適應(yīng)阻尼控制器，具體如下：

8、（21）分析風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的阻尼特性，從而得到阻尼控制器接入的振蕩抑制機理，具體如下：

9、（21.1）將自適應(yīng)阻尼控制器等效為一個以電場母線電壓 u和線路電流 i為反饋信號的可控阻抗，基于fft的信號處理方法辨識出振蕩頻率，獲得振蕩模式阻尼，通過接入自適應(yīng)阻尼控制器，生成三相電流注入電網(wǎng)，從而調(diào)整系統(tǒng)在振蕩頻率點的阻尼特性，以實現(xiàn)寬頻振蕩抑制；

10、（21.2）自適應(yīng)阻尼控制器接入系統(tǒng)后，系統(tǒng)總阻抗為：

11、

12、式中： zw為風(fēng)電場側(cè)的等效阻抗； zn為電網(wǎng)側(cè)的等效阻抗； hi和 hu分別為電流反饋信號 i和電壓反饋信號 u的傳遞函數(shù)；

13、（22）設(shè)計阻尼計算器結(jié)構(gòu)，具體包括帶阻濾波器、帶通濾波器、比例移相環(huán)節(jié)、限幅環(huán)節(jié)，利用阻尼計算器根據(jù)反饋信號生成用于抑制寬頻振蕩的參考信號；

14、（23）設(shè)計電流發(fā)生器結(jié)構(gòu)，具體包括級聯(lián)式變流器、控制器和升壓變壓器，電流發(fā)生器接收阻尼計算器提供的參考信號，通過變流器控制三相電流的生成，并將其注入電網(wǎng)；

15、（24）在阻尼控制器的基礎(chǔ)上，通過振蕩頻率辨識模塊動態(tài)監(jiān)測電流信號，捕捉電網(wǎng)中的振蕩頻率，隨后用于移相參數(shù)計算模塊，以動態(tài)調(diào)整控制器的時間常數(shù)，實現(xiàn)對比例移相環(huán)節(jié)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，具體如下：

16、（24.1）直流電壓給定值 udc_ref為輸入信號，經(jīng)外環(huán)的比例增益 kp_out與積分增益 ki_out計算得到電網(wǎng)側(cè) d軸電流給定值ig d_ref，與電網(wǎng)側(cè) d軸電流分量 ig d比對，過濾出振蕩信號 iabc；

17、（24.2） udc為自適應(yīng)阻尼控制器的輸入信號，先通過濾波器過濾出引起系統(tǒng)振蕩的信號成分，隨后將信號通過比例移相環(huán)節(jié)進行精確的相位調(diào)整，確保其與系統(tǒng)振蕩頻率同步，得到后注入進電網(wǎng)，與原有的振蕩信號抵消，完成振蕩抑制過程；

18、（25）對阻尼控制器進行參數(shù)設(shè)計，包括確定帶通濾波器的傳遞函數(shù)以及比例移相環(huán)節(jié)的參數(shù)整定；

19、（26）構(gòu)建風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)等效rlc電路，根據(jù)等效阻抗大小完成移相參數(shù)計算環(huán)節(jié)的設(shè)計，構(gòu)建出完整的自適應(yīng)阻尼控制器。

20、進一步地，利用阻尼計算器根據(jù)反饋信號生成用于抑制寬頻振蕩的參考信號，具體如下：

21、（31）利用帶阻濾波器和帶通濾波器過濾反饋信號中的工頻分量，實現(xiàn)信號的提取，然后利用比例移相環(huán)節(jié)對信號進行處理，并通過加法器合成所需的電流參考信號；

22、（31）阻尼計算器的輸出、輸入信號的關(guān)系為：

23、

24、

25、

26、式中： i表示電流輸入信號； u表示電壓輸入信號；表示電流頻率信號的增益；表示電流頻率信號的相移；表示電壓頻率信號的增益；表示電壓頻率信號的相移；傳遞函數(shù) hi( s)表示電流振蕩信號的增益和相移；傳遞函數(shù) hu( s)表示電壓振蕩信號的增益和相移； fs( s)為帶阻濾波器的傳遞函數(shù)； fp( s)為帶通濾波器的傳遞函數(shù)。

27、進一步地，對阻尼控制器進行參數(shù)設(shè)計，包括確定帶通濾波器的傳遞函數(shù)以及比例移相環(huán)節(jié)的參數(shù)整定，具體如下：

28、確定阻尼控制器中的帶通濾波器的傳遞函數(shù)，需要滿足以下條件：保留振蕩信號的幅值；使得振蕩信號相位無差；確保所選擇的帶寬范圍與需求相契合；

29、（41）帶通濾波器由高通濾波器 ghigh( s)與低通濾波器 glow( s)構(gòu)成，其傳遞函數(shù) gband( s)為：

30、

31、設(shè)定移相器為滯后網(wǎng)絡(luò)，則移相器的傳遞函數(shù) gphase(s)為：

32、

33、式中： α為一個大于1的系數(shù)，用于調(diào)整移相器的特性； s是拉普拉斯變換中的復(fù)頻率變量；t為時間常數(shù)；

34、（42）根據(jù)所需的移相角度和特定頻率，配置移相器：

35、

36、

37、式中：為滯后網(wǎng)絡(luò)最大滯后角；為最大滯后角的頻率；t為時間常數(shù)；。

38、進一步地，構(gòu)建風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)等效rlc電路，根據(jù)等效阻抗大小完成移相參數(shù)計算環(huán)節(jié)的設(shè)計，構(gòu)建出完整的自適應(yīng)阻尼控制器，具體如下：

39、設(shè)定 rc和 lc表示自適應(yīng)阻尼控制器的并聯(lián)阻抗，自適應(yīng)阻尼控制器采用電壓為反饋信號，在振蕩頻率范圍內(nèi)，風(fēng)電場側(cè)等效為負(fù)電阻 rw和電感 lw，電網(wǎng)側(cè)等效為正電阻 rg和電容 cg，自適應(yīng)阻尼控制器等效為一個可控阻抗，以動態(tài)優(yōu)化系統(tǒng)阻尼；

40、（51）等效電路的特征值表示如下：

41、

42、式中：；

43、因此特征值實部為正，表明系統(tǒng)不穩(wěn)定，特征值虛部為振蕩角頻率；

44、（52）此時三階電路的狀態(tài)矩陣為：

45、

46、調(diào)整自適應(yīng)阻尼控制器的阻抗角及阻抗大小，計算得到振蕩模式下的特征值實部；

47、阻抗 zc的幅值直接關(guān)聯(lián)阻尼控制回路的增益，即裝置容量，裝置容量的設(shè)計依據(jù)以下公式：

48、

49、式中： imax代表振蕩最大情況下的電流幅值； urms為電壓有效值； km為裕度值；

50、阻抗 zc的相角反映阻尼控制回路的總相移，相角在；

51、控制器采用二階超前滯后環(huán)節(jié)來精確調(diào)整相位移動，傳遞函數(shù)如下：

52、

53、式中： tu為移相環(huán)節(jié)的時間常數(shù)； s為拉普拉斯變換中的復(fù)頻率變量；是增益系數(shù)，用于調(diào)整系統(tǒng)的響應(yīng)強度。

54、（53）設(shè)定目標(biāo)阻抗角，范圍在范圍內(nèi)，根據(jù)振蕩頻率，對移相環(huán)節(jié)的參數(shù)配置進行適應(yīng)性調(diào)整，移相環(huán)節(jié)的時間常數(shù)調(diào)整為：

55、

56、式中：為帶通濾波器在振蕩頻率下的相移之和。

57、進一步地，構(gòu)建風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型并進行參數(shù)設(shè)計，具體如下：

58、（61）風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型采用直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機，通過機側(cè)變流器進行pwm控制，經(jīng)過boost升壓斬波器后，輸出到逆變器，網(wǎng)側(cè)變流器采用雙閉環(huán)有功無功控制，控制當(dāng)前鎖相環(huán)頻率，鎖相環(huán)頻率控制當(dāng)前逆變器，逆變器輸出到并網(wǎng)側(cè)的三相電流和三相電壓；

59、（62）仿真模型參數(shù)設(shè)計包括風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的核心組件參數(shù)、電網(wǎng)參數(shù)、濾波器參數(shù)、控制策略參數(shù)：

60、網(wǎng)側(cè)變流器為lcl型濾波器，變流器側(cè)與電網(wǎng)側(cè)的電感分別設(shè)定為4mh和0.8mh，濾波電容及其電阻的參數(shù)設(shè)定為3μf和0.1ω；并補電網(wǎng)的等效電感值為2mh，等效電阻值為0.2ω。

61、進一步地，接收風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型采集得到的電壓信號，利用快速傅里葉變換處理信號以辨識振蕩頻率，判斷風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)是否存在不穩(wěn)定振蕩模式，若存在不穩(wěn)定振蕩，在風(fēng)電場側(cè)與電網(wǎng)側(cè)之間接入自適應(yīng)阻尼控制器，具體如下：

62、（71）對三相電壓源與風(fēng)電機組之間的交互施加擾動，觀察并分析擾動響應(yīng)下的電壓和電流變化；

63、（72）利用快速傅里葉變換處理方法辨識出振蕩頻率；

64、（72.1）收集擾動響應(yīng)下的電壓信號數(shù)據(jù)，將收集到的信號數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，包括濾波、去噪和歸一化；

65、（72.2）對預(yù)處理后的信號數(shù)據(jù)應(yīng)用fft算法，將時域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號；

66、（72.3）分析fft結(jié)果，識別出頻譜中幅值顯著的頻率成分，即為系統(tǒng)的振蕩頻率；

67、（72.4）根據(jù)識別出的振蕩頻率，進一步分析系統(tǒng)的動態(tài)特性和穩(wěn)定性；

68、（73）針對系統(tǒng)的振蕩情況，搭建自適應(yīng)阻尼控制器，確定高通濾波器與低通濾波器的截止頻率并構(gòu)建出帶通濾波器，完成帶通濾波器的輸入輸出測試。

69、進一步地，還包括振蕩抑制效果的檢測，具體如下：

70、（81）對比自適應(yīng)阻尼控制器接入前后的網(wǎng)側(cè)電壓電流波形、并網(wǎng)電壓電流的總諧波失真圖以及功率波形圖，驗證自適應(yīng)阻尼控制器接入后，系統(tǒng)的電能利用效率是否提高，電網(wǎng)的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量的負(fù)面影響是否得到控制；

71、（82）對比自適應(yīng)阻尼控制器對2mw風(fēng)電機組和1kw風(fēng)電機組的振蕩抑制效果，驗證自適應(yīng)阻尼控制器在無需調(diào)整參數(shù)的情況下，能夠?qū)Σ煌萘繖C組的阻抗相位進行一致性調(diào)整；

72、（83）改變電網(wǎng)并補電容條件，對不同機組在不同電網(wǎng)狀態(tài)下的運行性能進行綜合評估。

73、根據(jù)本發(fā)明的第二方面，本發(fā)明提供一種基于自適應(yīng)阻尼控制器的風(fēng)電并網(wǎng)振蕩抑制系統(tǒng)，用于實現(xiàn)上述的基于自適應(yīng)阻尼控制器的風(fēng)電并網(wǎng)振蕩抑制方法，包括：

74、自適應(yīng)阻尼控制器構(gòu)建模塊，用于基于阻尼控制器結(jié)構(gòu)中引入振蕩頻率辨識模塊及移相參數(shù)計算模塊，構(gòu)建得到自適應(yīng)阻尼控制器，分析風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的阻尼特性并完成自適應(yīng)阻尼控制器的參數(shù)整定；

75、仿真模型構(gòu)建模塊，用于構(gòu)建風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型并進行參數(shù)設(shè)計；

76、判斷模塊，用于接收風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型采集得到的電壓信號，利用快速傅里葉變換處理信號以辨識振蕩頻率，判斷風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)是否存在不穩(wěn)定振蕩模式，若存在不穩(wěn)定振蕩，在風(fēng)電場側(cè)與電網(wǎng)側(cè)之間接入自適應(yīng)阻尼控制器；

77、振蕩抑制模塊，用于自適應(yīng)阻尼控制器過濾出引起風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)振蕩的信號分量，并進行相位調(diào)制后注入電網(wǎng)，與原有信號抵消，實現(xiàn)振蕩的抑制。

78、根據(jù)本發(fā)明的第三方面，本發(fā)明提供一種終端設(shè)備，包括存儲器、處理器及存儲在存儲器中并能夠在處理器上運行的計算機程序，所述處理器加載并執(zhí)行計算機程序時，采用了上述的基于自適應(yīng)阻尼控制器的風(fēng)電并網(wǎng)振蕩抑制方法。

79、本發(fā)明至少具備以下有益效果：

80、1、本發(fā)明設(shè)計的自適應(yīng)阻尼控制器通過引入振蕩頻率辨識模塊和移相參數(shù)計算模塊，可以充分利用量測數(shù)據(jù)，根據(jù)振動頻率變化調(diào)整控制環(huán)節(jié)參數(shù)，無須事先知道系統(tǒng)模型或振蕩頻率。

81、2、本發(fā)明設(shè)計的自適應(yīng)阻尼控制器能適應(yīng)系統(tǒng)運行點變化，實現(xiàn)次同步振蕩的自適應(yīng)抑制，物理意義明確且便于實施，有望為工程實踐中解決風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的振蕩問題提供新的控制設(shè)備。

82、3、本發(fā)明搭建的仿真結(jié)構(gòu)，通過在matlab/simulink平臺上構(gòu)建風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)模型，復(fù)現(xiàn)了實際系統(tǒng)中的振蕩現(xiàn)象，為驗證所提出的自適應(yīng)阻尼控制器的有效性提供了可靠的測試平臺，其在精確復(fù)現(xiàn)振蕩現(xiàn)象、高效驗證控制策略、適應(yīng)多種電網(wǎng)狀態(tài)、對比評估性能優(yōu)勢以及降低研發(fā)成本與風(fēng)險等方面展現(xiàn)出顯著的有益效果，對于解決風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)中的振蕩問題具有重要的實際應(yīng)用價值和廣闊的發(fā)展前景。

83、當(dāng)然，實施本發(fā)明的任一產(chǎn)品并不一定需要同時達到以上所述的所有優(yōu)點。