新能源发电场站宽频带振荡抑制装备及其控制方法

摘要

本发明公开了一种新能源发电场站宽频带振荡抑制装备及其控制方法，该装备主要包括阻抗特性分析单元、三相级联型多电平变换器和10kV/35kV耦合变压器。阻抗特性分析单元用于分析新能源发电场站和电网的阻抗特性，通过阻抗分析方法诊断出新能源发电场站容易与电网交互而发生振荡的阻抗频段，并得到三相级联型多电平变换器的期望输出阻抗。三相级联型多电平变换器通过10kV/35kV耦合变压器接到新能源发电场站的35kV母线上，其采用直流侧电压外环PI控制、子模块均压控制和电流内环准PR控制。本发明可提高新能源发电场站的稳定性能，降低电力系统弃风弃光率，促进新能源的消纳。

权利要求

1.一种新能源发电场站宽频带振荡抑制装备的控制方法，新能源发电场站宽频带振荡抑制装备，包括阻抗特性分析单元；所述阻抗特性分析单元与三相级联型多电平变换器连接；所述三相级联型多电平变换器每相输出端各通过一个滤波模块与耦合变压器的原边连接，所述耦合变压器的副边接到新能源发电场站的35kV母线上；所述三相级联型多电平变换器每一相包括n个级联的单相H桥DC/AC变换器；其特征在于，包括以下步骤：

1)在每个采样周期的起始点，对三相级联型多电平变换器的交流侧三相电压ua、ub、uc和三相输出电流iLa、iLb、iLc，以及对三相级联型多电平变换器的各单相H桥DC/AC变换器的直流侧电压uAx、uBx、uCx分别进行采样，其中下标A、B和C分别表示A相、B相和C相，下标x表示单相H桥DC/AC变换器的序号，x＝1…n，n为各相的单相H桥DC/AC变换器的数量；

2)计算各相的各单相H桥DC/AC变换器的直流侧电压平均值uavga、uavgb、uavgc，将直流侧电压指令信号 分别与uavga、uavgb、uavgc作差，并将所得差值送入到PI控制器，得到三相的有功电流幅值指令

3)将三相的有功电流幅值指令 分别对应与sinθPLL、sin(θPLL‑2π/3)、sin(θPLL+2π/3)相乘，得到三相的有功电流瞬时值指令 其中θPLL为电压ua的相位；

4)将电压ua、ub、uc分别除以 得到三相虚拟阻抗支路的电流瞬时值指令将 分别和 相加得到三相级联型多电平变换器的三相输出电流指令

5)将三相输出电流指令 分别与三相输出电流iLa、iLb、iLc作差，并将所得差值送入到准PR控制器，得到三相的调制波信号ura、urb、urc；

6)将三相的各单相H桥DC/AC变换器的直流侧电压平均值uavga、uavgb、uavgc分别与三相的各单相H桥DC/AC变换器的直流侧电压uAx、uBx、uCx作差，并将所得差值分别乘以比例系数K，然后将乘积分别乘以三相输出电流iLa、iLb、iLc得到三相的各单相H桥DC/AC变换器直流侧电压均分的调制波信号ΔuAx、ΔuBx、ΔuCx；

7)将ura、urb、urc和ΔuAx、ΔuBx、ΔuCx分别对应相加，得到三相的各单相H桥DC/AC变换器的调制波信号urax、urbx、urcx；

8)对urax、urbx、urcx和三角载波进行载波移相多电平调制，得到三相的各单相H桥DC/AC变换器中开关管的PWM信号，控制开关管的开通与关断。

2.根据权利要求1所述新能源发电场站宽频带振荡抑制装备的控制方法，其特征在于，所述阻抗特性分析单元采用阻抗分析方法，根据新能源发电场站和电网的阻抗特性得到三相级联型多电平变换器的期望输出阻抗

3.根据权利要求1所述新能源发电场站宽频带振荡抑制装备的控制方法，其特征在于，n＝15～40。

4.根据权利要求1所述的新能源发电场站宽频带振荡抑制装备的控制方法，其特征在于，所述耦合变压器为10kV/35kV的Y‑Y型耦合变压器。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中，PI控制器的传递函数为：其中Kpi_p为PI控制器的比例系数，Kpi_i为PI控制器的积分系数。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，Kpi_p取0.01～50，Kpi_i取0.1～200。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5)中，准PR控制器的传递函数为：其中Kp为准PR控制的比例系数，Ki为准PR控制的积分系数，ωc为谐振带宽，ω0为电网角频率。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，Kp取0.1～10，Ki取1～200，ωc取0.1～

1000。

说明书

新能源发电场站宽频带振荡抑制装备及其控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及新能源发电中的小扰动稳定控制领域，特别是一种新能源发电场站宽频带振荡抑制装备及其控制方法。

背景技术

[0002] 随着化石能源的日益枯竭，以及全球变暖等环境问题加剧，新能源的开发和利用成为人们寻求能源结构调整、实现可持续发展的最佳选择。在分析新能源发电场站接入电
网时，电网的阻抗特性对新能源发电场站中风力、光伏并网逆变器等电力电子装备的稳定
运行和控制产生重要影响。理想情况下，电网应该表现为理想的电压源，新能源发电装备应
控制为理想的电流源，以避免任何阻抗交互耦合问题。然而实际中，我国大容量的新能源发
电场站多建立在沙漠、草原和山区等偏远地区，距离主网较远，电网呈现高阻抗的弱电网特
征。这将导致弱电网的阻抗和新能源发电装备的阻抗发生交互耦合，影响新能源发电系统
的稳定运行，严重制约新能源的大规模发展与应用。

[0003] 研究新能源发电场站接入电网系统的小扰动稳定性问题具有重要的现实意义。目前，新能源发电场站接入电网发生宽频带振荡问题时，工程上最常见的做法就是切掉新能
源发电装备来保证电力系统的安全。但这种方法不能本质上解决问题，会造成新能源的大
量浪费，而且随着新能源发电装机容量的进一步增大，该方法将不能适用，也就限制了新能
源发电的渗透率提高。另外还有一种常见的抑制措施就是改变新能源发电场站中新能源电
力电子装备的控制方法，对新能源电力电子装备的输出阻抗进行重构，使得新能源发电场
站接入电网的等效环路增益满足奈奎斯特稳定性判据，从而保证系统的安全稳定稳运行。
理论上来说，该方法相当有效。但在实际工程实践中，由于新能源发电已经得到快速发展，
已有新能源电力电子装备装机容量数量巨大，且种类繁多，如果对每台电力电子装备进行
控制改造，那么成本巨大且难度非常大。因此，已有的针对新能源发电场站接入电网系统的
小扰动稳定性问题的解决方法存在不足，难以解决实际的振荡问题，亟需突破一种宽频带
振荡抑制效果优良，工程实践简单的新能源发电场站宽频带振荡抑制方法。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种新能源发电场站宽频带振荡抑制装备及其控制方法，以满足新能源发电场站稳定运行的要求，弥补在新能源
发电场站宽频带振荡专用外挂装备与控制方法上的空白。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种新能源发电场站宽频带振荡抑制装备，包括阻抗特性分析单元；所述阻抗特性分析单元与三相级联型多电平变换
器连接；所述三相级联型多电平变换器每相输出端各通过一个滤波模块与耦合变压器的原
边连接，所述耦合变压器的副边接到新能源发电场站的35kV母线上；所述三相级联型多电
平变换器每一相包括n个级联的单相H桥DC/AC变换器。

[0006] 所述阻抗特性分析单元采用阻抗分析方法，根据新能源发电场站和电网的阻抗特性得到三相级联型多电平变换器的期望输出阻抗

[0007] 本发明中，n＝15～40。

[0008] 所述耦合变压器为10kV/35kV的Y‑Y型耦合变压器。

[0009] 相应的，本发明还提供了一种上述新能源发电场站宽频带振荡抑制装备的控制方法，其包括以下步骤：

[0010] 1)在每个采样周期的起始点，对三相级联型多电平变换器的交流侧三相电压ua、ub、uc和三相输出电流iLa、iLb、iLc，以及对三相级联型多电平变换器的各单相H桥DC/AC变换
器的直流侧电压uAx、uBx、uCx分别进行采样，其中下标A、B和C分别表示A相、B相和C相，下标x
表示单相H桥DC/AC变换器的序号，x＝1…n，n为各相的单相H桥DC/AC变换器的数量；

[0011] 2)计算各相的各单相H桥DC/AC变换器的直流侧电压平均值uavga、uavgb、uavgc，将直流侧电压指令信号 分别与uavga、uavgb、uavgc作差，并将所得差值送入到PI控制器，得到三
相的有功电流幅值指令

[0012] 3)将三相的有功电流幅值指令 分别对应与sinθPLL、sin(θPLL‑2π/3)、sin(θPLL+2π/3)相乘，得到三相的有功电流瞬时值指令 其中θPLL为电压ua的相
位；

[0013] 4)将电压ua、ub、uc分别除以 得到三相虚拟阻抗支路的电流瞬时值指令将 分别和 相加得到三相级联型多电平变换器的三
相输出电流指令

[0014] 5)将三相输出电流指令 分别与三相输出电流iLa、iLb、iLc作差，并将所得差值送入到准PR控制器，得到三相的调制波信号ura、urb、urc；

[0015] 6)将三相的各单相H桥DC/AC变换器的直流侧电压平均值uavga、uavgb、uavgc分别与三相的各单相H桥DC/AC变换器的直流侧电压uAx、uBx、uCx作差，并将所得差值分别乘以比例系
数K，然后将乘积分别乘以三相输出电流iLa、iLb、iLc得到三相的各单相H桥DC/AC变换器直流
侧电压均分的调制波信号ΔuAx、ΔuBx、ΔuCx；

[0016] 7)将ura、urb、urc和ΔuAx、ΔuBx、ΔuCx分别对应相加，得到三相的各单相H桥DC/AC变换器的调制波信号urax、urbx、urcx；

[0017] 8)对urax、urbx、urcx和三角载波进行载波移相多电平调制，得到三相的各单相H桥DC/AC变换器中开关管的PWM信号，控制开关管的开通与关断。

[0018] 步骤2)中，PI控制器的传递函数为： 其中Kpi_p为PI控制器的比例系数，Kpi_i为PI控制器的积分系数，Kpi_p取0.01～50，Kpi_i取0.1～200。

[0019] 步骤5)中，准PR控制器的传递函数为： 其中Kp为准PR控制的比例系数，Ki为准PR控制的积分系数，ωc为谐振带宽，ω0为电网角频率，Kp取0.1～
10，Ki取1～200，ωc取0.1～1000。

[0020] 与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明满足了新能源发电场站稳定接入弱电网的要求，简单实用，弥补在新能源发电场站宽频带振荡专用外挂装备与控制
方法上的空白；本发明的装备可主动调节整个新能源发电场站的阻抗特性，使得新能源发
电场站接入电网的等效环路增益满足奈奎斯特稳定性判据，从而抑制新能源发电场站的宽
频带振荡问题。本发明可提高新能源发电场站的稳定性能，降低电力系统弃风弃光率，促进
新能源的消纳。

附图说明

[0021] 图1为本发明一实施例新能源发电场站宽频带振荡抑制专用装备系统结构图；

[0022] 图2为本发明一实施例新能源发电场站宽频带振荡抑制专用装备的控制框图；

[0023] 图3为新能源场站投入新能源发电场站宽频带振荡抑制专用装备后的并网电流仿真波形图。

[0024] 图4为新能源场站投入新能源发电场站宽频带振荡抑制专用装备后的并网电压仿真波形图。

具体实施方式

[0025] 如图1所示，本发明实施例新能源发电场站宽频带振荡抑制专用装备系统结构图包括阻抗特性分析单元、三相级联型多电平变换器和10kV/35kV耦合变压器。所述阻抗特性
分析单元采用阻抗分析方法，根据新能源发电场站和电网的阻抗特性得到三相级联型多电
平变换器的期望输出阻抗 所述三相级联型多电平变换器的每一相包括n个级联的
单相H桥DC/AC变换器；SMA1、SMA2…SMAn分别表示三相级联型多电平变换器A相的第1个到第n
个单相H桥DC/AC变换器；SMB1、SMB2…SMBn分别表示三相级联型多电平变换器B相的第1个到
第n个单相H桥DC/AC变换器；SMC1、SMC2…SMCn分别表示三相级联型多电平变换器C相的第1个
到第n个单相H桥DC/AC变换器。所述单相H桥DC/AC变换器的拓扑结果主要有4个IGBT功率管
和直流侧电容构成。三相级联型多电平变换器的每一相输出接电感滤波模块Lf。电感滤波
模块Lf通过10kV/35kV耦合变压器将新能源发电场站宽频带振荡抑制专用装备接入到35kV
母线上。新能源发电场站既可以是风电场也可以是光伏电站，或者是其它的新能源场站。
ua、ub、uc为三相级联型多电平变换器的交流侧三相电压；iLa、iLb、iLc为三相级联型多电平变
换器的交流侧三相输出电流。

[0026] 图2为新能源发电场站宽频带振荡抑制专用装备的控制框图，新能源发电场站宽频带振荡抑制专用装备的控制步骤如下：

[0027] 1)在每个采样周期的起始点，对三相级联型多电平变换器的交流侧三相电压ua、ub、uc和三相输出电流iLa、iLb、iLc，以及对三相的各单相H桥DC/AC变换器的直流侧电压uAx、
uBx、uCx分别进行采样，其中下标A、B和C分别表示A相、B相和C相，下标x表示单相H桥DC/AC变
换器的序号，x＝1…n，n为各相的单相H桥DC/AC变换器的数量；

[0028] 2)计算各相的各单相H桥DC/AC变换器的直流侧电压平均值uavga、uavgb、uavgc，将直流侧电压指令信号 与uavga、uavgb、uavgc作差，并将所得差值送入到PI控制器，得到三相的
有功电流幅值指令

[0029] 3)将三相的有功电流幅值指令 分别与sinθPLL、sin(θPLL‑2π/3)、sin(θPLL+2π/3)相乘得到三相的有功电流瞬时值指令 其中θPLL为电压ua的相位；

[0030] 4)将电压ua、ub、uc分别除以 得到三相虚拟阻抗支路的电流瞬时值指令将 分别和 相加得到三相级联型多电平变换器
的三相输出电流指令

[0031] 5)将三相输出电流指令 分别与三相输出电流iLa、iLb、iLc作差，并将所得差值送入到准PR控制器，得到三相的调制波信号ura、urb、urc；

[0032] 6)将三相的各单相H桥DC/AC变换器的直流侧电压平均值uavga、uavgb、uavgc分别与三相的各单相H桥DC/AC变换器的直流侧电压uAx、uBx、uCx作差，并将所得差值分别乘以比例系
数K，然后将乘积分别乘以三相输出电流iLa、iLb、iLc得到三相的各单相H桥DC/AC变换器直流
侧电压均分的调制波信号ΔuAx、ΔuBx、ΔuCx；

[0033] 7)将调制波信号ura、urb、urc和调制波信号ΔuAx、ΔuBx、ΔuCx分别相加得到三相的各单相H桥DC/AC变换器的调制波信号urax、urbx、urcx；

[0034] 8)对urax、urbx、urcx和三角载波进行载波移相多电平调制，得到三相的各单相H桥DC/AC变换器中开关管的PWM信号，控制开关管的开通与关断。

[0035] 1、所述控制方法的步骤2)中，PI控制的传递函数为： 其中Kpi_p为PI控制器的比例系数，Kpi_p取0.01～50，Kpi_i为PI控制器的积分系数，Kpi_i取0.1～200。

[0036] 2、所述控制方法的步骤5)中，准PR控制的传递函数为：其中Kp为准PR控制的比例系数，Kp取0.1～10，Ki为准PR控制的积分系数，Ki取1～200，ωc为
谐振带宽，ωc取0.1～1000，ω0为电网角频率。

[0037] 图3和图4分别为新能源场站投入新能源发电场站宽频带振荡抑制专用装备后的并网电流仿真波形图和并网电压仿真波形图。图中，iga、igb、igc为新能源发电场站的三相并
网电流；uga、ugb、ugc为新能源发电场站的三相并网电压；0.6秒时刻新能源发电场站宽频带
振荡抑制专用装备投入运行。从图中可知，新能源场站投入新能源发电场站宽频带振荡抑
制专用装备后，振荡现象能够得到彻底解决，证明了该整备及其控制方法的有效性。