发电系统、用于抑制次同步振荡的系统以及用于控制功率系
统运行的方法
技术领域
[0001] 本
发明大体涉及次同步振荡阻尼的领域，尤其涉及一种发电系统、一种用于抑制次同步振荡的系统以及一种用于控制功率系统运行的方法。
背景技术
[0002] 发电系统通常包括功率变换器，其用于将输入功率转换成适合应用到负载的功率，负载例如发
电机、
电动机、
电网或其他合适的负载。在许多情况下，发电系统可能位于离它所服务的负载很遥远的区域。通常，这种发电系统通过包括很长传输线的电
力系统连接到电网。这种传输线经常包括一个或多个
串联补偿元件(例如一个或多个电容)，从而有利于降低在传输线中的无功损耗，因此增加了传输线的功率传递能力。然而，不幸的是，当发电系统连接到这种串联补偿的传输线时，会在低于发电系统的发电机的同步
频率下导致功率-
电压振荡，这被称为次同步振荡(Sub-Synchronous Oscillation，SSO)，发电系统可能会存在次同步不
稳定性问题。次同步振荡会使得系统意外的出错，导致发电系统的发电机和其他设备的损坏，并且，降低了发电系统的运行可靠性。次同步振荡特别对于基于双馈入感应发电机(Double-Fed Induction Generator，DFIG)的发电系统的威胁更大，其原因是由DFIG的运动-感应效应所导致的在次同步频率下的负阻尼所致。在这种情况下，电力系统将无法提供足够的阻尼，因此导致发电系统出现不稳定性问题。
[0003] 因此，有鉴于此，一种如何防止次同步振荡的需求正变得越来越迫切。
发明内容
[0004] 本发明的一个方面在于提供一种发电系统。所述发电系统包括双馈入感应发电机、功率变换器及
控制器。所述双馈入感应发电机包括
转子与耦合到电网的
定子。所述功率变换器包括耦合到所述发电机的所述转子上的转子侧变换器、耦合到所述电网的电网侧变换器及耦合在所述转子侧变换器和所述电网侧变换器之间的直流
母线。所述控制器包括用于对所述转子侧变换器进行控制的转子侧控制器和用于对所述电网侧变换器进行控制的电网侧控制器。所述转子侧控制器包括补偿器，所述补偿器具有传递函数并且被配置用于对抗所述发电机的负阻效应以抑制次同步振荡。所述传递函数在同步
坐标系下被表达为如下：
[0005]
[0006] 其中，K代表所述传递函数、s代表拉普拉斯算子、j代表虚数单元、ω0代表所述发电机的定子侧的同步频率、ωr代表所述转子的转速、以及σ1和σ2代表用来增强所述发电系统内部稳定性的阻尼参数，并且，σ1和σ2基于所述控制器的原始控制能力、所述发电系统的控制对象参数、外部扰动以及所述发电系统的动态响应需求中的一个或多个来确定。
[0007] 本发明的另一个方面在于提供一种用于抑制次同步振荡的系统。所述系统包括感应电机、功率变换器和控制器。所述功率变换器包括耦合到所述感应电机的第一变换器和耦合到电网的第二变换器。所述控制器包括用于对所述第一变换器进行控制的第一控制器和用于对所述第二变换器进行控制的第二控制器。所述第一控制器包括补偿器，所述补偿器具有传递函数并且被配置用于对抗所述感应电机的负阻效应以抑制次同步振荡，其中，所述传递函数在同步坐标系下被表达为如下：
[0008]
[0009] 其中，K代表所述传递函数、s代表拉普拉斯算子、j代表虚数单元、ω0代表所述感应电机的定子侧的同步频率、ωr代表所述感应电机的转子的转速、以及σ1和σ2代表用来增强所述系统内部稳定性的阻尼参数，并且，σ1和σ2基于所述控制器的原始控制能力、所述系统的控制对象参数、外部扰动以及所述系统的动态响应需求中的一个或多个来确定。
[0010] 本发明的又一个方面在于提供一种用于控制功率系统运行的方法。所述方法包括：通过功率系统的功率变换器将第一交流功率转换为直流功率，其中所述功率变换器包括耦合到感应电机的第一变换器和耦合到电网的第二变换器；通过所述功率变换器将所述直流功率转换为第二交流功率；以及通过使用传递函数的控制器对所述第一变换器进行控制来对抗所述感应电机的负阻效应以抑制次同步振荡，其中，所述传递函数在同步坐标系下被表达为如下：
[0011]
[0012] 其中，K代表所述传递函数、s代表拉普拉斯算子、j代表虚数单元、ω0代表所述感应电机的定子侧的同步频率、ωr代表所述感应电机的转子的转速、以及σ1和σ2代表用来增强所述功率系统内部稳定性的阻尼参数，并且，σ1和σ2基于所述控制器的原始控制能力、所述功率系统的控制对象参数、外部扰动以及所述功率系统的动态响应需求中的一个或多个来确定。
附图说明
[0013] 当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面及优点将变得更好理解，在附图中，相同的元件标号在全部附图中用于表示相同的部件，其中：
[0014] 图1是根据本发明的一个具体实施方式的发电系统的示意图；
[0015] 图2是图1的发电系统的转子侧控制器的原理性
框图；
[0016] 图3至图7示出图2的补偿器位于转子侧控制器中的不同
位置；
[0017] 图8是在发电系统不具有补偿器的情况下从图1的第一方向和第二方向观察到的等效电导的图示；
[0018] 图9是在发电系统具有补偿器的情况下从图1的第一方向和第二方向观察到的等效电导的图示；
[0019] 图10是在发电系统不具有补偿器的情况下发电系统的
直流母线电压、公共连接点处的电压以及转子
电流反馈的图示；
[0020] 图11是在发电系统具有补偿器的情况下发电系统的直流母线电压、公共连接点处的电压以及转子电流反馈的图示；
[0021] 图12是根据本发明的另一个具体实施方式的供电系统的示意图；
[0022] 图13是根据本发明的又一个具体实施方式的用于抑制次同步振荡的系统的示意图；
[0023] 图14是根据本发明的一个具体实施方式的用于控制功率系统运行的方法的
流程图；及
[0024] 图15示出图14中如何对第一变换器进行控制来对抗感应电机的负阻效应的详细步骤。
具体实施方式
[0025] 为帮助本领域的技术人员能够确切地理解本发明所要求保护的主题，下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式。在以下对这些具体实施方式的详细描述中，本
说明书对一些公知的功能或构造不做详细描述以避免不必要的细节而影响到本发明的披露。
[0026] 除非另作定义，本
权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。此外，指示特
定位置的术语，例如“顶”、“底”、“左”及“右”等，仅仅只是参考特定附图所做的描述。本发明所披露的各个具体实施方式可以是以本发明附图所示的不同方式放置。因此，在本文中所使用的位置术语并不应局限于特定具体实施方式所示的位置。
[0027] 发电系统
[0028] 图1示出根据本发明的一个具体实施方式的示例性发电系统1的示意图。如图1所示，为了描述的目的，在本具体实施方式中的发电系统1作为一个示例被显示为
风力发电系统1。
风力发电系统1包括双馈入感应发电机(DFIG)10、功率变换器20、控制器30和
变压器40。
[0029] DFIG 10包括转子11与定子12。定子12通过变压器40耦合到电网50。转子11通过转子轴14耦合到风力
涡轮机13。风力
涡轮机13被配置用于响应于风力涡轮机13接收的
风能而旋转以驱动DFIG 10，从而DFIG 10输出交流(Alternating Current，AC)功率。
[0030] 功率变换器20包括转子侧变换器21、电网侧变换器22及耦合在转子侧变换器21和电网侧变换器22之间的直流母线(DC Link)23。转子侧变换器21电性耦合到DFIG 10的转子11，并且被配置用于将来自DFIG 10的转子11的交流功率转换为直流(Direct Current，DC)功率。电网侧变换器22通过变压器40电性耦合到电网50，并且被配置用于将该直流功率转换为与电网50兼容的频率下的交流功率。
[0031] 变压器40被配置用于提供来自功率变换器20的功率及来自DFIG 10的定子12的功率的电压或电流变换，并且提供在功率变换器20和电网50之间以及在DFIG 10和电网50之间的隔离。变压器40被配置用于将从电网侧变换器22及DFIG 10的定子12输出的交流电压幅值升高以匹配电网50。
[0032] 在一个可选的具体实施方式中，DFIG 10的定子12和电网侧变换器22，特别是变压器40，可以通过包括串联补偿装置60的传输线(即串联补偿传输线)耦合到电网50。或者，串联补偿装置60可以与
开关70并联连接。即，串联补偿装置60和开关70并联连接在电网50和变压器40之间的传输线中。因此，发电系统1能够选择性地连接到包括串联补偿装置60的传输线。
[0033] 控制器30被配置用于对转子侧变换器21和电网侧变换器22的运行进行控制。控制器30可以包括一个或多个合适的可编程
电路或设备，例如数字
信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、现场可编程
门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)、可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)以及
专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)。控制器30可以
硬件、
软件或软硬件结合的方式来实现。
[0034] 在图1的具体实施方式中，控制器30包括转子侧控制器31和电网侧控制器32。转子侧控制器31被配置用于对转子侧变换器21进行控制，并且包括运动-感应(Motion-Induction，M-I)补偿器313。M-I补偿器313可以对抗发电机10的负阻效应以抑制次同步振荡。电网侧控制器32被配置用于对电网侧变换器22进行控制。
[0035] 图2示出转子侧控制器31的原理性框图。参照图2，转子侧控制器31包括电流调节器311和
调制器312。M-I补偿器313被引入到电流调节器311中。转子侧控制器31还可以包括减法器314。减法器314可以接收转子11的转子电流指令Icmd1和转子的转子电流反馈Ifbk1，并且输出转子电流指令Icmd1和转子电流反馈Ifbk1之间的转子电流误差Ierror1，如以下公式所示：
[0036] Ierror1＝Icmd1-Ifbk1 (1)
[0037] 电流调节器311可以基于转子电流误差Ierror1来生成转子11的转子电压指令Ucmd。M-I补偿器313可以对转子电压指令Ucmd进行补偿，从而生成补偿后的转子电压指令Ucmd1。调制器312可以接收补偿后的转子电压指令Ucmd1，并可以基于补偿后的转子电压指令Ucmd1来生成
脉宽调制信号SPWM并将脉宽调制信号SPWM提供给转子侧变换器21。
[0038] 如图3所示，在一个具体实施方式中，电流调节器311包括比例-积分(Proportional-Integral，PI)调节器。PI调节器具有比例控制器3111和积分控制器3112。比例控制器3111和积分控制器3112均接收转子电流误差Ierror1，并且，比例控制器3111和积分控制器
3112的输出通过加法器315被加总以获得转子电压指令Ucmd。具体地，转子电压指令Ucmd可以被获得如下：
[0039]
[0040] 在公式(2)中，Kp和Ki分别代表比例系数和积分系数。
[0041] 在图3的具体实施方式中，M-I补偿器313位于比例控制器3111和积分控制器3112的下游。M-I补偿器313可以对转子电压指令Ucmd进行补偿，从而生成补偿后的转子电压指令Ucmd1。M-I补偿器313接收转子11的转速ωr，并具有与转子11的转速ωr相关的传递函数。
[0042] 在一个具体实施方式中，M-I补偿器313的传递函数在同步坐标系下可以被表达为如下：
[0043]
[0044] 在公式(3)中，K代表传递函数、s代表拉普拉斯算子、j代表虚数单元、ω0代表DFIG 10的定子侧的同步频率(因为DFIG 10的定子电性耦合到电网50，因此，DFIG 10的定子侧的同步频率即电网50的频率)、以及ωr代表转子11的转速。
[0045] 在另一个具体实施方式中，为了增强发电系统1的内部稳定性，M-I补偿器313的传递函数在同步坐标系下可以进一步地被表达为如下：
[0046]
[0047] 在公式(4)中，σ1和σ2代表用来增强发电系统1内部稳定性的阻尼参数。值σ1和σ2可以等于0。当在公式(4)中的值σ1和σ2等于0时，可以得到公式(3)。值σ1和σ2可以基于控制器30的原始控制能力、发电系统1的控制对象参数、外部扰动以及发电系统1的动态响应需求中的一个或多个来确定。例如，当控制器30的原始控制能力较强时，则值σ1和/或σ2可以较小，而当控制器30的原始控制能力较弱时，则值σ1和/或σ2可以较大。当外部扰动较小时，则值σ1和/或σ2可以较小，而外部扰动较大时，则值σ1和/或σ2可以较大。
[0048] 继续参照图3，转子电压指令Ucmd可以与M-I补偿器313的传递函数相乘来获得补偿后的转子电压指令Ucmd1。
[0049] 可选地，电流调节器311还可以包括解耦控制器3113。解耦控制器3113可以改善发电系统1的电流响应性能。作为一个示例，在本发明的图示中，解耦控制器3113接收转子电流反馈Ifbk1并输出解耦后的电压Ud。然而，本发明的解耦控制器3113并不限于仅接收转子电流反馈Ifbk1。事实上，本发明的解耦控制器3113可以接收转子电流反馈Ifbk1、转子电流指令Icmd1和转子电流误差Ierror1中的任一个。在具有图3所示的解耦控制器3113的具体实施方式中，M-I补偿器313的输出和解耦后的电压Ud进一步通过加法器316的加总，从而获得补偿后的转子电压指令Ucmd1。在这种情况下，补偿后的转子电压指令Ucmd1包括解耦后的电压Ud。
[0050] 而且，M-I补偿器313也可以设置在电流调节器311的其他不同位置。如图4所示，M-I补偿器313可以位于比例控制器3111和积分控制器3112的上游。在图4的具体实施方式中，补偿后的转子电压指令Ucmd1包括解耦后的电压Ud。如图5所示，M-I补偿器313可以位于比例控制器3111的下游。在图5的具体实施方式中，补偿后的转子电压指令Ucmd1包括解耦后的电压Ud。如图6所示，M-I补偿器313可以位于比例控制器3111的上游。在图6的具体实施方式中，补偿后的转子电压指令Ucmd1包括解耦后的电压Ud。如图7所示，M-I补偿器313可以位于比例控制器3111、积分控制器3112和解耦控制器3113的下游。在图7的具体实施方式中，加法器315的输出和解耦后的电压Ud进一步通过加法器316的加总，从而获得转子电压指令Ucmd。在这种情况下，转子电压指令Ucmd包括解耦后的电压Ud。
[0051] 在本发明的发电系统1中，M-I补偿器313可以一直被使能。或者，M-I补偿器313可以选择性地被使能。例如，在一个具体实施方式中，当发电系统1通过包括串联补偿装置60的传输线连接到电网50时，则M-I补偿器313被使能。在另一个具体实施方式中，当发电机10中的交流成分的频率f低于转子11的转速ωr时，则M-I补偿器313被使能。在又一个具体实施方式中，在发电系统1具有串联补偿装置60并且当发电机10中的交流成分的频率f低于转子11的转速ωr时，则M-I补偿器313被使能。
[0052] 图8示出在发电系统不具有M-I补偿器313的情况下从图1的第一方向D1和第二方向D2观察到的等效电导的图示，图9示出在发电系统1具有补偿器313的情况下从图1的第一方向D1和第二方向D2观察到的等效电导的图示。为了图示的清楚显示，在图8和图9中，
水平轴代表发电系统1的发电机10的交流成分的频率f，垂直轴代表导纳的
实部，即电导G。此外，从图1的第一方向D1观察到的等效电导代表从DFIG 10的定子侧方向观察到的等效电导，从图1的第二方向D2观察到的等效电导代表风力发电系统的总电导。如图8所示，当发电系统不具有M-I补偿器313时，则从图1的第一方向D1和第二方向D2观察到的等效电导均为负值。然而，当M-I补偿器313被引入到发电系统1中，如图9所示，从图1的第一方向D1和第二方向D2观察到的负的电导可以通过M-I补偿器313被移除，特别是在低频的情况下。
[0053] 图10示出在发电系统不具有M-I补偿器313的情况下发电系统的直流母线电压、公共连接点(Point of Common Connection，PCC)P处的电压以及转子电流反馈的图示。参照图10，在T0时刻，将串联补偿装置60插入到用于连接不具有M-I补偿器313的发电系统和电网的传输线中。从图10可以看出，在串联补偿装置60被插入到传输线中后，发电系统的直流母线电压、公共连接点P处的电压以及转子电流反馈由于DFIG 10的M-I效应而呈现震荡。因此，为了抑制发电系统的次同步振荡，可以将本发明的M-I补偿器313引入到发电系统1中。图11示出在发电系统1具有M-I补偿器313的情况下发电系统1的直流母线电压、公共连接点P处的电压以及转子电流反馈的图示。从图11可以看出，M-I补偿器313在串联补偿装置60被插入到传输线中之后可以使得发电系统1变得更加稳定。
[0054] 通过将M-I补偿器313引入到电流调节器中，本发明的发电系统1能够直接对抗DFIG 10的M-I效应，因此，能够有效抑制次同步振荡，确保系统的稳定性。
[0055] 供电系统
[0056] 图12示出根据本发明的另一个具体实施方式的示例性供电系统2的示意图。与图1的发电系统1所不同的是，图12的供电系统2包括电动机10b，例如鼠笼电动机。图12的供电系统2也包括功率变换器20b和控制器30b。
[0057] 在图12的供电系统2中，功率变换器20b耦合在电动机10b的定子12b和电网50之间，并包括定子侧变换器21b、电网侧变换器22b、以及耦合在定子侧变换器21b和电网侧变换器22b之间的直流母线23b。定子侧变换器21b电性耦合至电动机10b的定子12b。控制器30b包括用于对定子侧变换器21b进行控制的定子侧控制器31b和用于对电网侧变换器22b进行控制的电网侧控制器32b。定子侧控制器31b接收定子12b的定子电流指令Icmd2和定子
12b的定子电流反馈Ifbk2，并且基于定子电流指令Icmd2和定子电流反馈Ifbk2之间的定子电流误差，生成定子12b的定子电压指令。为了补偿电动机10b的负阻效应，M-I补偿器313b被引入到定子侧控制器31b中。M-I补偿器313b可以对定子电压指令进行补偿以生成补偿后的定子电压指令，从而来抑制次同步振荡。定子侧控制器31b可以基于补偿后的定子电压指令来生成脉宽调制信号SPWM并将脉宽调制信号SPWM提供给定子侧变换器21b。图12的供电系统2的M-I补偿器313b具有与图1的发电系统1的M-I补偿器313相类似的传递函数和位置设置。
[0058] 可以理解的是，由于图12的供电系统2使用电动机10b来代替图1的发电系统1的发电机10，因此，在供电系统2的M-I补偿器313b的传递函数中，ω0和ωr分别代表电动机10b的定子侧的同步频率和电动机10b的转子11b的转速。
[0059] 用于抑制次同步振荡的系统
[0060] 本发明的M-I补偿器不仅可以适用于带有发电机的发电系统和带有电动机的供电系统。事实上，本发明的M-I补偿器可以适用于任何具有感应电机并被配置用于抑制次同步振荡的系统。例如，图13示出根据本发明的又一个具体实施方式的用于抑制次同步振荡的示例性系统3的示意图。图13的系统3包括感应电机10c、功率变换器20c及控制器30c。
[0061] 在图13的系统3中，功率变换器20c耦合在感应电机10c和电网50之间，并包括耦合至感应电机10c的第一变换器21c、耦合至电网50的第二变换器22c、以及耦合在第一变换器21c和第二变换器22c之间的直流母线23c。控制器30c包括用于对第一变换器21c进行控制的第一控制器31c和用于对第二变换器22c进行控制的第二控制器32c。第一控制器31c包括用于对抗感应电机10c的负阻效应以抑制次同步振荡的M-I补偿器313c。
[0062] 第一控制器31c包括电流调节器和调制器。第一控制器31c接收感应电机10c的电流指令Icmd和感应电机10c的的电流反馈Ifbk。电流调节器可以基于感应电机10c的电流指令Icmd和感应电机10c的电流反馈Ifbk之间的电流误差，来生成感应电机10c的电压指令。M-I补偿器313c被引入到电流调节器并被配置用于对感应电机10c的电压指令进行补偿，从而产生补偿后的电压指令。调制器可以基于补偿后的电压指令来生成脉宽调制信号SPWM并将脉宽调制信号SPWM提供给第一变换器21c。图13的系统3的M-I补偿器313c具有与图1的发电系统1的M-I补偿器313相类似的传递函数和位置设置。
[0063] 可以理解的是，由于图13的系统3使用感应电机10c来代替图1的发电系统1的发电机10，因此，在系统3的M-I补偿器313c的传递函数中，ω0和ωr分别代表感应电机10c的定子侧的同步频率和感应电机10c的转子的转速。
[0064] 用于控制功率系统运行的方法
[0065] 图14示出了根据本发明的一个具体实施方式的用于控制功率系统运行的示例性方法的流程图。该控制方法可以包括如下步骤。
[0066] 如图14所示，在步骤B1中，通过功率系统的功率变换器将第一交流(AC)功率转换为直流(DC)功率。功率变换器包括耦合到感应电机的第一变换器和耦合到电网的第二变换器。当功率系统为发电系统，感应电机为发电机时，通过第一变换器将第一交流功率转换为直流功率。当功率系统为供电系统，感应电机为电动机时，通过第二变换器将第一交流功率转换为直流功率。
[0067] 在步骤B2中，通过功率变换器将直流(DC)功率转换为第二交流(AC)功率。当功率系统为发电系统，感应电机为发电机时，通过第二变换器将直流功率转换为第二交流功率。当功率系统为供电系统，感应电机为电动机时，通过第一变换器将直流功率转换为第二交流功率。
[0068] 在步骤B3中，通过使用上述类似的传递函数的控制器对第一变换器进行控制来对抗感应电机的负阻效应以抑制次同步振荡。
[0069] 以下将参照图15来详细描述在图14中的步骤B3中是如何通过控制器来对第一变换器进行控制的。
[0070] 在图15的步骤B30中，预先确定与感应电机的转子的转速相关联的传递函数。传递函数可以如上述公式(3)或(4)所示。
[0071] 在步骤B31中，接收感应电机的电流指令、感应电机的电流反馈及转子的转速。
[0072] 在步骤B32中，获得电流指令和电流反馈之间的电流误差。
[0073] 在步骤B33中，基于电流误差来生成感应电机的电压指令。
[0074] 在步骤B34中，使用在步骤B30中预先确定的传递函数和在步骤B31中接收到的转子的转速来对电压指令进行补偿，从而生成补偿后的电压指令。作为一个示例，当感应电机中的交流成分的频率低于转子的转速时，传递函数被用于补偿电压指令。
[0075] 在一个可选的具体实施方式中，本发明的方法可以包括基于电流反馈、电流指令和电流误差中的其中一个来输出解耦后的电压。在这种情况下，电压指令或补偿后的电压指令可以包括解耦后的电压。
[0076] 在步骤B35中，基于补偿后的电压指令来生成脉宽调制信号，并将脉宽调制信号提供给第一变换器。因此，可以对抗感应电机的负阻效应以抑制功率系统的次同步振荡。
[0077] 虽然根据本发明的具体实施方式的用于控制功率系统运行的方法的步骤被示出为功能
块，但是在图14和图15中所示的各个功能块的顺序和各个功能块之间的动作的分离并不意图是限制性的。例如，可以以不同的顺序来执行各个功能块，并且，与一个功能块相关联的动作可以与一个或者多个其它功能块相结合或者可以被细分成多个功能块。
[0078] 虽然结合特定的具体实施方式对本发明进行了详细说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多
修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于
覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。
