本發(fā)明涉及電力輸送，是一種直驅(qū)風(fēng)電機組次同步振蕩抑制方法。

背景技術(shù)：

1、隨著風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)模的增加，風(fēng)電機組振蕩現(xiàn)象頻繁發(fā)生。2015年7月，哈密地區(qū)直驅(qū)風(fēng)電機組發(fā)生多起次同步振蕩事故，振蕩頻率約為20-80hz，持續(xù)的功率振蕩甚至激發(fā)300km外的發(fā)電機組軸系扭振保護動作跳閘，嚴重危及系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。因此，研究直驅(qū)風(fēng)電機組的次同步振蕩抑制措施，對于確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定具有重要意義。

2、在抑制風(fēng)電機組振蕩方面，國內(nèi)外研究學(xué)者主要從吸收振蕩能量和破壞振蕩條件兩個角度展開研究。吸收振蕩能量方法需要在風(fēng)電機組鄰近的電力電子裝置施加附加控制來實現(xiàn)，或者通過引入調(diào)相機使得振蕩頻率下的直驅(qū)風(fēng)電機組的阻尼特性得到改善，有效抑制直驅(qū)風(fēng)電機組的次同步振蕩；破壞振蕩條件方法主要是通過優(yōu)化機組控制參數(shù)或者優(yōu)化機組控制策略來實現(xiàn)。

3、在現(xiàn)有技術(shù)中，風(fēng)電機組次同步振蕩抑制方法多針對于雙饋風(fēng)電機組接入串補系統(tǒng)，而對于直驅(qū)風(fēng)電機組接入弱交流電網(wǎng)的研究仍較為稀缺。有學(xué)者提出優(yōu)化鎖相環(huán)參數(shù)，提高直驅(qū)風(fēng)電機組的運行穩(wěn)定性。該研究工作僅聚焦于鎖相環(huán)模式穩(wěn)定問題，缺少對于內(nèi)環(huán)控制參數(shù)主導(dǎo)的穩(wěn)定問題分析。因此，如何抑制直驅(qū)風(fēng)電機組次同步振蕩問題以及控制器參數(shù)優(yōu)化仍需要進一步的改進。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，創(chuàng)造性構(gòu)思了一種直驅(qū)風(fēng)電機組次同步振蕩抑制方法，在直驅(qū)風(fēng)電機組控制系統(tǒng)中引入附加阻尼穩(wěn)定控制器，利用粒子群算法對阻尼穩(wěn)定控制器參數(shù)進行優(yōu)化，通過計算阻尼系數(shù)來驗證抑制方法的有效性，技術(shù)方案如下：

2、一種直驅(qū)風(fēng)電機組次同步振蕩抑制方法，包括：

3、構(gòu)建直驅(qū)風(fēng)電機組接入弱交流系統(tǒng)的仿真模型，其中仿真模型包括直驅(qū)風(fēng)電機組的主電路、控制系統(tǒng)以及交流電網(wǎng)三部分構(gòu)成，直驅(qū)風(fēng)電機組包括：風(fēng)力機、永磁同步發(fā)電機、機側(cè)變流器、網(wǎng)側(cè)變流器；

4、利用構(gòu)建的直驅(qū)風(fēng)電機組仿真模型，在直驅(qū)風(fēng)電機組的網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)中引入附加阻尼穩(wěn)定控制器；

5、針對阻尼穩(wěn)定控制器，利用粒子群算法對比例系數(shù)kp、超前常數(shù)t1、滯后常數(shù)t2進行優(yōu)化；

6、對優(yōu)化后的阻尼穩(wěn)定控制器，計算阻尼系數(shù)，并在次同步及超同步頻段進行掃頻，得到阻尼系數(shù)在響應(yīng)頻段上的曲線，驗證抑制方法有效性。

7、更進一步的，所述阻尼穩(wěn)定控制器的輸入量是直驅(qū)風(fēng)電機組d軸輸出電流igd，輸出量是阻尼穩(wěn)定控制系統(tǒng)輸出電壓增量ussdc，輸入量與輸出量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系表達式如下：

8、

9、式中，gssdc(s)為阻尼控制傳遞函數(shù)；kp為比例系數(shù)；tw為隔直環(huán)節(jié)的時間常數(shù)；t1為超前常數(shù)；t2為滯后常數(shù)。

10、阻尼穩(wěn)定控制器的控制效果表達式如下：

11、

12、式中，f為性能函數(shù)；σj為閉環(huán)模態(tài)阻尼；λj為閉環(huán)極點；

13、對阻尼穩(wěn)定控制器的控制參數(shù)進行適當(dāng)限制，表達式如下：

14、

15、式中，gk為增益系數(shù)；tk為時間常數(shù)；gub,k為增益絕對值的上限，通常設(shè)置為10；tub,k為時間常數(shù)上限值，通常設(shè)置為0.1s。

16、計算阻尼系數(shù)的表達式如下：

17、

18、式中，δpe為直驅(qū)風(fēng)電機組輸出功率增量；δudc為直驅(qū)風(fēng)電機組直流電壓增量。

19、更進一步的，所述機側(cè)變流器的主電路表達式如下：

20、

21、

22、式中：ωpr為永磁同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；rps為定子繞組電阻；upsd、upsq分別為dq軸定子繞組電壓；ipsd、ipsq分別為dq軸定子電流；ψpsd、ψpsq、ψpf分別為dq軸定子磁鏈和永磁體磁鏈；ls為定子繞組電感。

23、網(wǎng)側(cè)變流器的主電路表達式如下：

24、

25、式中：lf網(wǎng)側(cè)變流器濾波電感；ipgd、ipgq分別為變流器輸出電流的d軸和q軸分量；upgd、upgq分別為電流控制器輸出的調(diào)制電壓d軸和q軸分量。

26、更進一步的，機側(cè)變流器控制目標(biāo)在于實現(xiàn)最大功率追蹤，網(wǎng)側(cè)變流器控制目標(biāo)在于實現(xiàn)直流母線電壓的穩(wěn)定，同時調(diào)節(jié)并網(wǎng)有功和無功功率，所述控制系統(tǒng)表達式如下：

27、

28、

29、式中：xp1、xp2、xp3、xp4、xp5、xp6為pi控制器的狀態(tài)變量；kpp1、kpp2、kpp3、kpp4、kpp5、kpp6分別為轉(zhuǎn)速環(huán)控制器、機側(cè)電流內(nèi)環(huán)控制器、直流電壓環(huán)控制器以及網(wǎng)側(cè)電流內(nèi)環(huán)控制器的比例系數(shù)；kpi1、kpi2、kpi3、kpi4、kpi5、kpi6分別為轉(zhuǎn)速環(huán)控制器、機側(cè)電流內(nèi)環(huán)控制器、直流電壓環(huán)控制器以及網(wǎng)側(cè)電流內(nèi)環(huán)控制器的積分系數(shù)；upgd、upgq分別為網(wǎng)側(cè)電流控制器輸出的調(diào)制電壓d軸和q軸分量。

30、更進一步的，直驅(qū)風(fēng)電機組通過輸電線路連接至電網(wǎng)，交流電網(wǎng)表達式如下：

31、

32、式中：lg為輸電線路電感；utx、uty為xy軸并網(wǎng)點電壓；ugx、ugy為dq軸電網(wǎng)電壓增量；igx、igy分為xy軸電網(wǎng)電流；ω為額定轉(zhuǎn)速。

33、更進一步的，所述粒子群算法步驟如下：

34、粒子群算法初始化，設(shè)定最大迭代次數(shù)genmax＝50，慣性權(quán)重系數(shù)wmax＝0.9,wmin＝0.4,加速系數(shù)c1＝2，c2＝2；設(shè)定初始慣性權(quán)重系數(shù)w(0)，初始化粒子位置和最優(yōu)位置，隨機初始化粒子群；

35、迭代次數(shù)更新：更新迭代次數(shù)t＝t+1,更新慣性權(quán)重系數(shù)w(t)＝αw(t-1)；

36、速度更新：在第k維的第j個粒子的速度更新，并檢查速度是否超過最大值vmax或最小值vmin，如果超出該范圍，將速度限制為該極值，表達式如下：

37、

38、式中，r1和r2是[0，1]中均勻分布的隨機數(shù)；xj,k(t-1)和vj,k(t-1)分別為粒子j在第t-1次迭代時第k維的位置和速度；x*j,k(t-1)為第t-1次迭代后，粒子j第k維最優(yōu)點的位置；x**j,k(t-1)為第t-1次迭代后，整個群，第k維全局最優(yōu)點的位置；vj,k(t)為粒子j在第t次迭代時第k維的速度；

39、基于更新的速度，每個粒子根據(jù)更新位置，表達式如下：

40、xj,k(t)＝vj,k(t-1)+xj,k(t-1)?(12)

41、式中，xj,k(t)為粒子j在第t次迭代時第k維的位置；

42、個體最優(yōu)更新：根據(jù)表達式(3)所示目標(biāo)函數(shù)計算粒子更新位置后的適應(yīng)度值fj，對每個粒子進行評估，如果則個體最優(yōu)更新為：最優(yōu)位置xj*(t)＝xj(t),最優(yōu)適應(yīng)度值

43、全局最優(yōu)更新：中搜尋最小值fmin，如果fmin<f**，則全局最優(yōu)更新為：最優(yōu)位置x**＝xmin(t),最優(yōu)適應(yīng)度值f**＝fmin；

44、當(dāng)前種群性能難以明顯改進或達到最大迭代次數(shù)genmax，終止算法并輸出控制參數(shù)，否則繼續(xù)執(zhí)行迭代次數(shù)更新步驟。

45、直驅(qū)風(fēng)電機組次同步振蕩抑制裝置，包括：

46、仿真模型構(gòu)建模塊，用于構(gòu)建直驅(qū)風(fēng)電機組接入弱交流系統(tǒng)的仿真模型，其中所述仿真模型包括直驅(qū)風(fēng)電機組的主電路、控制系統(tǒng)以及交流電網(wǎng)，所述直驅(qū)風(fēng)電機組包括：風(fēng)力機、永磁同步發(fā)電機、機側(cè)變流器、網(wǎng)側(cè)變流器；

47、引入模塊，用于利用構(gòu)建的直驅(qū)風(fēng)電機組仿真模型，在直驅(qū)風(fēng)電機組的網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)中引入附加阻尼穩(wěn)定控制器；

48、優(yōu)化模塊，用于針對阻尼穩(wěn)定控制器，利用粒子群算法對比例系數(shù)kp、超前常數(shù)t1、滯后常數(shù)t2進行優(yōu)化；

49、計算和驗證模塊，用于對優(yōu)化后的阻尼穩(wěn)定控制器，計算阻尼系數(shù)，并在次同步及超同步頻段進行掃頻，得到阻尼系數(shù)在響應(yīng)頻段上的曲線，驗證抑制方法有效性。

50、更進一步的，所述阻尼穩(wěn)定控制器的輸入量是直驅(qū)風(fēng)電機組d軸輸出電流igd，輸出量是阻尼穩(wěn)定控制系統(tǒng)輸出電壓增量ussdc，輸入量與輸出量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系表達式如下：

51、

52、式中，gssdc(s)為阻尼控制傳遞函數(shù)；kp為比例系數(shù)；tw為隔直環(huán)節(jié)的時間常數(shù)；t1為超前常數(shù)；t2為滯后常數(shù)；

53、所述阻尼穩(wěn)定控制器的控制效果表達式如下：

54、

55、式中，f為性能函數(shù)；σj為閉環(huán)模態(tài)阻尼；λj為閉環(huán)極點；

56、對阻尼穩(wěn)定控制器的控制參數(shù)進行適當(dāng)限制，表達式如下：

57、

58、式中，gk為增益系數(shù)；tk為時間常數(shù)；gub,k為增益絕對值的上限，通常設(shè)置為10；tub,k為時間常數(shù)上限值，通常設(shè)置為0.1s；

59、所述計算阻尼系數(shù)的表達式如下：

60、

61、式中，δpe為直驅(qū)風(fēng)電機組輸出功率增量；δudc為直驅(qū)風(fēng)電機組直流電壓增量；

62、所述機側(cè)變流器的主電路表達式如下：

63、

64、

65、式中：ωpr為永磁同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；rps為定子繞組電阻；upsd、upsq分別為dq軸定子繞組電壓；ipsd、ipsq分別為dq軸定子電流；ψpsd、ψpsq、ψpf分別為dq軸定子磁鏈和永磁體磁鏈；ls為定子繞組電感；

66、所述網(wǎng)側(cè)變流器的主電路表達式如下：

67、

68、式中：lf網(wǎng)側(cè)變流器濾波電感；ipgd、ipgq分別為變流器輸出電流的d軸和q軸分量；upgd、upgq分別為電流控制器輸出的調(diào)制電壓d軸和q軸分量；

69、所述控制系統(tǒng)表達式如下：

70、

71、

72、式中：xp1、xp2、xp3、xp4、xp5、xp6為pi控制器的狀態(tài)變量；kpp1、kpp2、kpp3、kpp4、kpp5、kpp6分別為轉(zhuǎn)速環(huán)控制器、機側(cè)電流內(nèi)環(huán)控制器、直流電壓環(huán)控制器以及網(wǎng)側(cè)電流內(nèi)環(huán)控制器的比例系數(shù)；kpi1、kpi2、kpi3、kpi4、kpi5、kpi6分別為轉(zhuǎn)速環(huán)控制器、機側(cè)電流內(nèi)環(huán)控制器、直流電壓環(huán)控制器以及網(wǎng)側(cè)電流內(nèi)環(huán)控制器的積分系數(shù)；upgd、upgq分別為網(wǎng)側(cè)電流控制器輸出的調(diào)制電壓d軸和q軸分量；

73、所述交流電網(wǎng)表達式如下：

74、

75、式中：lg為輸電線路電感；utx、uty為xy軸并網(wǎng)點電壓；ugx、ugy為dq軸電網(wǎng)電壓增量；igx、igy分為xy軸電網(wǎng)電流；ω為額定轉(zhuǎn)速；

76、所述粒子群算法步驟如下：

77、粒子群算法初始化，設(shè)定最大迭代次數(shù)genmax＝50，慣性權(quán)重系數(shù)wmax＝0.9,wmin＝0.4,加速系數(shù)c1＝2，c2＝2；設(shè)定初始慣性權(quán)重系數(shù)w(0)，初始化粒子位置和最優(yōu)位置，隨機初始化粒子群；

78、迭代次數(shù)更新：更新迭代次數(shù)t＝t+1,更新慣性權(quán)重系數(shù)w(t)＝αw(t-1)；

79、速度更新：在第k維的第j個粒子的速度更新，并檢查速度是否超過最大值vmax或最小值vmin，如果超出該范圍，將速度限制為該極值，表達式如下：

80、

81、式中，r1和r2是[0，1]中均勻分布的隨機數(shù)；xj,k(t-1)和vj,k(t-1)分別為粒子j在第t-1次迭代時第k維的位置和速度；x*j,k(t-1)為第t-1次迭代后，粒子j第k維最優(yōu)點的位置；x**j,k(t-1)為第t-1次迭代后，整個群，第k維全局最優(yōu)點的位置；vj,k(t)為粒子j在第t次迭代時第k維的速度；

82、基于更新的速度，每個粒子根據(jù)更新位置，表達式如下：

83、xj,k(t)＝vj,k(t-1)+xj,k(t-1)??(12)

84、式中，xj,k(t)為粒子j在第t次迭代時第k維的位置；

85、個體最優(yōu)更新：根據(jù)表達式(3)所示目標(biāo)函數(shù)計算粒子更新位置后的適應(yīng)度值fj，對每個粒子進行評估，如果fj<fj*,j＝1,2,…,n，則個體最優(yōu)更新為：最優(yōu)位置xj*(t)＝xj(t),最優(yōu)適應(yīng)度值fj*＝fj；

86、全局最優(yōu)更新：fj*中搜尋最小值fmin，如果fmin<f**，則全局最優(yōu)更新為：最優(yōu)位置x**＝xmin(t),最優(yōu)適應(yīng)度值f**＝fmin；

87、當(dāng)前種群性能難以明顯改進或達到最大迭代次數(shù)genmax，終止算法并輸出控制參數(shù)，否則繼續(xù)執(zhí)行迭代次數(shù)更新步驟。

88、一種計算機設(shè)備，包括存儲介質(zhì)、處理器及存儲在存儲介質(zhì)上并可在處理器上運行的計算機程序，所述處理器執(zhí)行所述計算機程序時實現(xiàn)任一所述的直驅(qū)風(fēng)電機組次同步振蕩抑制方法的步驟。

89、一種存儲介質(zhì)，所述存儲介質(zhì)存儲有計算機程序，所述計算機程序被處理器執(zhí)行任一所述的直驅(qū)風(fēng)電機組次同步振蕩抑制方法的步驟。

90、與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果在于：通過在直驅(qū)風(fēng)電機組網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)中引入附加阻尼穩(wěn)定控制器，基于粒子群算法優(yōu)化阻尼穩(wěn)定控制器參數(shù)，達到抑制振蕩的目的；清楚定量闡述直驅(qū)風(fēng)電機組次同步振蕩抑制機理，有效地解決了以往研究方法無法抑制的次同步振蕩的問題，具有科學(xué)合理，適用性好，機理清晰等優(yōu)點。