基于改进线性自抗扰控制器的直驱风机次同步振荡抑制及阻抗稳定性分析

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.23076

发电技术 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (6): 1135-1145.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.23076

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基于改进线性自抗扰控制器的直驱风机次同步振荡抑制及阻抗稳定性分析

任蓓蕾¹, 郭昆丽¹, 蔡维正², 李博浩¹, 朱婷华¹, 李玲陶¹

^1.西安工程大学电子信息学院，陕西省西安市 710048
^2.国网四川省电力公司乐山供电公司，四川省乐山市 614000

收稿日期:2023-09-23 修回日期:2024-01-08 出版日期:2024-12-31 发布日期:2024-12-30
通讯作者: 郭昆丽
作者简介:任蓓蕾(1999)，女，硕士研究生，从事新能源并网次同步振荡研究，Renblnn@163.com；
郭昆丽(1974)，女，硕士，副教授，从事电力系统运行与控制技术研究，本文通信作者，guokunli@xpu.edu.cn。
基金资助:
陕西省自然科学基础研究计划项目(2023-JC-QN-0391)

Subsynchronous Oscillation Suppression of Direct-Drive Wind Turbines Based on Improved Linear Active Disturbance Rejection Control and Analysis of Impedance Stability

Beilei REN¹, Kunli GUO¹, Weizheng CAI², Bohao LI¹, Tinghua ZHU¹, Lingtao LI¹

^1.School of Electronics and Information, Xi’an Polytechnic University, Xi’an 710048, Shaanxi Province, China
^2.State Grid Sichuan Electric Power Company, Leshan 614000, Sichuan Province, China

Received:2023-09-23 Revised:2024-01-08 Published:2024-12-31 Online:2024-12-30
Contact: Kunli GUO
Supported by:
Natural Science Basic Research Program of Shaanxi Province(2023-JC-QN-0391)

摘要/Abstract

摘要：

目的针对弱电网背景下直驱风机网侧电流内环PI控制器带宽影响并网系统稳定性，诱发次同步振荡(subsynchronous oscillation，SSO)现象，提出改进线性状态误差反馈(linear state error feedback，LSEF)控制律的线性自抗扰控制器(linear active disturbance rejection control，LADRC)替换电流内环的PI控制器去抑制SSO。方法首先，对LADRC控制器的LSEF进行改进，并对其跟踪误差、抗扰性能进行分析。然后，推导出计及频率耦合影响的系统阻抗模型，并且利用Nyquist判据分析线路阻抗值对于网侧变流器并网系统稳定性的影响。最后，通过PSCAD/EMTDC仿真软件进行分析验证。结果相较于传统LADRC，改进LADRC使直流侧电压波动范围减少了85%，有功功率波动范围减少了89%。结论与传统LADRC控制器相比，改进LADRC控制器可以更好地缩小功率波动范围及直流侧电压波动范围，减小跟踪误差。

关键词: 风电, 次同步振荡(SSO), 线性自抗扰控制器(LADRC), 阻抗模型, 直驱式风机, 弱电网, 并网

Abstract:

Objectives In response to the impact of the bandwidth of the current inner loop PI controller on the stability of the grid connected system of direct drive wind turbines under the background of weak electricity network, which leads to the induction of sub synchronous oscillation (SSO) phenomenon, a linear active disturbance rejection control (LADRC) was proposed to replace the current inner loop PI controller with an improved linear state error feedback control law (LSEF) to suppress SSO. Methods Firstly, the LSEF of the LADRC controller was improved, and the tracking errors and anti-interference capabilities were studied. Moreover, an impedance model for the system considering frequency coupling effects was developed, and the Nyquist criterion was employed to assess the impact of line impedance values on the stability of the grid-connected converter system. Finally, the analysis and validation were performed using PSCAD/EMTDC simulation software. Results Compared with traditional LADRC, the improved LADRC can reduce the DC side voltage fluctuation range by 85% and the active power fluctuation range by 89%. Conclusions Compared with traditional LADRC controllers, improved LADRC controllers can better reduce the range of power fluctuations, DC side voltage fluctuations, and tracking errors.

Key words: wind power, subsynchronous oscillation (SSO), linear active disturbance rejection control (LADRC), impedance model, direct-drive wind turbine, weak grid, connection to grid

中图分类号:

TK 83

任蓓蕾, 郭昆丽, 蔡维正, 李博浩, 朱婷华, 李玲陶. 基于改进线性自抗扰控制器的直驱风机次同步振荡抑制及阻抗稳定性分析[J]. 发电技术, 2024, 45(6): 1135-1145.

Beilei REN, Kunli GUO, Weizheng CAI, Bohao LI, Tinghua ZHU, Lingtao LI. Subsynchronous Oscillation Suppression of Direct-Drive Wind Turbines Based on Improved Linear Active Disturbance Rejection Control and Analysis of Impedance Stability[J]. Power Generation Technology, 2024, 45(6): 1135-1145.

图/表 18

图1 网侧变流器控制结构图

Fig. 1 Control structure of grid side converter

图2 改进LADRC控制框图

Fig. 2 Improved LADRC control block diagram

图3 系统扰动项伯德图

Fig. 3 Bode diagram of system disturbance term

图4 传统LADRC与改进LADRC暂态性能对比图

Fig. 4 Comparison of transient performance between traditional LADRC and improved LADRC

表1 暂态特性对比

Tab.1 Comparison of transient characteristics

控制类型	调节时间/s	超调量/%
传统LADRC	0.08	9.37
改进LADRC	0.02	7.98

图5 改进LADRC网侧变流器导纳模型验证

Fig. 5 Verification of the admittance model of the improved LADRC network side converter

图6 改进LADRC控制下Nyquist曲线

Fig. 6 Nyquist curve under the control of improved LADRC

图7 传统LADRC阻抗伯德图

Fig. 7 Traditional LADRC impedance Bode diagram

图8 改进LADRC阻抗伯德图

Fig. 8 Improved LADRC impedance Bode diagram

表2 系统主要参数

Tab. 2 Main parameters of the system

参数	数值	参数	数值
额定功率P_N/MW	1.5	电压外环比例系数K_pu	2
网侧电压U_dc/kV	3	电压外环积分系数K_iu	50
直流侧母线参考电压U_dcref/kV	5	电流内环比例系数K_pi	0.6
线路电感L₁/mH	0.002 3	电流内环积分系数K_ii	4
滤波电感L/mH	2	LESO参数 $ω 0$	900
直流侧电容C_z/μH	8 000	LSEF参数 $ω c$	750

表2 系统主要参数

Tab. 2 Main parameters of the system

参数	数值	参数	数值
额定功率P_N/MW	1.5	电压外环比例系数K_pu	2
网侧电压U_dc/kV	3	电压外环积分系数K_iu	50
直流侧母线参考电压U_dcref/kV	5	电流内环比例系数K_pi	0.6
线路电感L₁/mH	0.002 3	电流内环积分系数K_ii	4
滤波电感L/mH	2	LESO参数 $ω 0$	900
直流侧电容C_z/μH	8 000	LSEF参数 $ω c$	750

图9 SCR为1.9时对比图

Fig. 9 Comparison chart when SCR is 1.9

图10 SCR为2.9时3种控制对比图SCR is 2.9

Fig. 10 Comparison chart of three controls when

表3 风速为7.5 m/s时不同SCR数据波动范围

Tab. 3 Fluctuation range of different SCR data when wind speed is 7.5 m/s

参数		直流侧电压/kV		有功功率/MW
参数		波动峰值	波动范围	波动峰值	波动范围
SCR为1.9	传统LADRC	4.990 4~5.009 5	0.019 1	0.704 3~0.737 1	0.032 8
SCR为1.9	改进LADRC	4.999 2~5.001 3	0.002 1	0.712 2~0.715 7	0.003 5
SCR为2.9	传统LADRC	4.995 3~5.006 5	0.011 2	0.710 0~0.726 2	0.016 2
SCR为2.9	改进LADRC	4.999 4~5.001 1	0.001 7	0.717 3~0.719 9	0.002 6

图11 风速为7.3 m/s时对比图

Fig.11 Comparison chart when wind speed is 7.3 m/s

图12 风速为8.5 m/s时对比图

Fig. 12 Comparison chart when wind speed is 8.5 m/s

表4 SCR为2.5时不同风速数据波动范围

Tab. 4 Fluctuation range of different wind speed data when SCR is 2.5

参数		直流侧电压/kV		有功功率/MW
参数		波动峰值	波动范围	波动峰值	波动范围
风速为7.3 m/s	传统LADRC	4.993 4~5.004 7	0.011 3	0.658 0~0.674 0	0.016
风速为7.3 m/s	改进LADRC	4.998 4~5.000 3	0.001 9	0.663 0~0.665 1	0.002 1
风速为8.5 m/s	传统LADRC	4.994 4~5.005 8	0.011 4	1.039 5~1.059 0	0.019 5
风速为8.5 m/s	改进LADRC	4.999 3~5.001 4	0.002 1	1.049 5~1.053 2	0.003 7

图13 改进LADRC控制FFT分析

Fig. 13 Improved LADRC control FFT analysis

图14 PI控制FFT分析

Fig. 14 PI control FFT analysis

参考文献 26

1	于永军，王利超，张明远，等．基于阻抗特性多项式拟合的直驱风电机组次同步振荡稳定判据[J]．发电技术，2020，41(4)：429-436． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.19140
	YU Y J， WANG L C， ZHANG M Y，et al ．Stability criterion of subsynchronous oscillation of direct drive permanent magnet synchronous generator based on impedance polynomial fitting[J]．Power Generation Technology，2020，41(4)：429-436． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.19140
2	康佳乐，余浩，段瑶，等．风电场次同步振荡等值建模方法研究[J]．发电技术，2022，43(6)：880-891． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.21121
	KANG J L， YU H， DUAN Y，et al ．Equivalent modeling method of sub-synchronous oscillation in wind farm[J]．Power Generation Technology，2022，43(6)：880-891． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.21121
3	王俊茜，贾祺，刘侃，等．混合风电场接入含固定串补系统的次同步振荡特性分析[J]．可再生能源，2022，40(5)：651-659．
	WANG J X， JIA Q， LIU K，et al ．Analysis of subsynchronous oscillation characteristics of hybrid-based wind farm connected with fixed series compensation system[J]．Renewable Energy Resources，2022，40(5)：651-659．
4	李博浩，郭昆丽，吕家君，等．次同步电流双通道附加阻尼抑制次同步振荡策略及阻抗模型分析[J]．分布式能源，2023，8(6)：1-10．
	LI B H， GUO K L， LÜ J J，et al ．Subsynchronous current dual channel additional damping suppression subsynchronous oscillation strategy and impedance model analysis[J]．Distributed Energy，2023，8(6)：1-10．
5	戴礼国，杨浩，陈力，等．基于深度强化学习的风电柔直并网系统次同步振荡抑制方法[J]．智慧电力，2023，51(4)：1-7．
	DAI L G， YANG H， CHEN L，et al ．Subsynchronous oscillation suppression method for flexible direct grid-connected wind power system based on deep reinforcement learning[J]．Smart Power，2023，51(4)：1-7．
6	LIU H， BI T， CHANG X，et al ．Impacts of subsynchronous and supersynchronous frequency components on synchrophasor measurements[J]．Journal of Modern Power Systems and Clean Energy，2016，4(3)：362-369． doi:10.1007/s40565-016-0225-4
7	高本锋，刘晋，李忍，等．风电机组的次同步控制相互作用研究综述[J]．电工技术学报，2015，30(16)：154-161．
	GAO B F， LIU J， LI R，et al ．Studies of sub-synchronous control interaction in wind turbine generators[J]．Transactions of China Electrotechnical Society，2015，30(16)：154-161．
8	VIRULKAR V B， GOTMARE G V ．Sub-synchronous resonance in series compensated wind farm：a review[J]．Renewable and Sustainable Energy Reviews，2016，55：1010-1029． doi:10.1016/j.rser.2015.11.012
9	HUANG B Y， SUN H S， LIU Y M ．Study on subsynchronous oscillation in D-PMSGs-based wind farm integrated to power system[J]．IET Renewable Power Gener，2019，13(1)：16-26． doi:10.1049/iet-rpg.2018.5051
10	陈晨，杜文娟，王海风．风电场接入引发电力系统次同步振荡机理综述[J]．南方电网技术，2018，12(1)：84-93．
	CHEN C， DU W J， WANG H F ．A review of the subsynchronous oscillation mechanism of the power system caused by the connection of wind farms[J]．China Southern Power Grid Technology，2018，12(1)：84-93．
11	LIU H， XIE X， HE J，et al ．Subsynchronous interaction between direct-drive PMSG based wind farms and weak AC networks[J]．IEEE Transactions on Power Systems，2017，32(6)：4708-4720． doi:10.1109/tpwrs.2017.2682197
12	徐衍会，曹宇平．直驱风机网侧换流器引发次/超同步振荡机理研究[J]．电网技术，2018，42(5)：1556-1564．
	XU Y H， CAO Y P ．Research on mechanism of sub/sup-synchronous oscillation caused by GSC controller of direct-drive permanent magnetic synchronous generator[J]．Power System Technology，2018，42(5)：1556-1564．
13	易友川．直驱风电场接入弱交流电网的次同步振荡分析及抑制策略研究[D]．保定：华北电力大学，2021．
	YI Y C ．Sub-synchronous oscillation analysis and suppression strategy research of direct-driven wind farm connected to weak AC power grid[D]．Baoding：North China Electric Power University，2021．
14	杨霞．风电并网逆变器双闭环控制系统的研究[D]．天津：天津理工大学，2021．
	YANG X ．Research on double closed-loop control system of wind power grid-connected inverter[D]．Tianjin：Tianjin University of Technology，2021．
15	蔡维正，郭昆丽，刘璐雨，等．基于一阶LADRC控制的直驱风机次同步振荡抑制策略[J]．中国电力，2022，55(4)：175-184．
	CAI W Z， GUO K L， LIU L Y，et al ．Subsynchronous oscillation mitigation strategy based on first-order LADRC for direct-drive wind turbines[J]．Electric Power，2022，55(4)：175-184．
16	李博浩，郭昆丽，吕家君，等．弱电网下改进LADRC抑制直驱风机次同步振荡研究[J]．中国电力，2023，56(4)：56-67．
	LI B H， GUO K L， LÜ J J，et al ．Inhibition of subsynchronous oscillation of direct-drive wind turbine by improved LADRC in weak grids[J]．Electric Power，2023，56(4)：56-67．
17	郑国强．考虑频率耦合特性的并网逆变器阻抗特性与稳定性研究[D]．兰州：兰州理工大学，2021．
	ZHENG G Q ．Study on impedance characteristics and stability of grid-connected inverter considering frequency coupling characteristics[D]．Lanzhou：Lanzhou University of Technology，2021．
18	彭上．自抗扰并网逆变器宽频带阻抗建模与稳定性对比分析研究[D]．长沙：湖南大学，2020．
	PENG S ．Broadband impedance modeling and stability comparative analysis of ADRC grid-connected inverter[D]．Changsha：Hunan University，2020．
19	韩京清．自抗扰控制技术：估计补偿不确定因素的控制技术[M]．北京：国防工业出版社，2008．
	HAN J Q ．Active disturbance rejection control technique[M]．Beijing：National Defense Industry Press，2008．
20	CAO Y， ZHAO Q， YE Y，et al ．ADRC-based current control for grid-tied inverters：design，analysis，and verification[J]．IEEE Transactions on industrial electronics，2019，67(10)：8428-8437． doi:10.1109/tie.2019.2949513
21	苏步芸，王诗超．新型电力系统背景下新能源送出合理消纳率研究[J]．南方能源建设，2023，10(6)：43-50．
	SU B Y， WANG S C ．Research on reasonable consumption rate of new energy transmission under the new power system[J]．Southern Energy Construction，2023，10(6)：43-50．
22	VIETO I， SUN J ．Sequence impedance modeling and converter-grid resonance analysis considering DC bus dynamics and mirrored harmonics[C]∥Proceedings of 2018 IEEE 19th Workshop on Control and Modeling for Power Electronics (CO-MPEL) ．Padua，Italy：IEEE，2018：1-8． doi:10.1109/compel.2018.8458498
23	李光辉，王伟胜，刘纯，等．直驱风电场接入弱电网宽频带振荡机理与抑制方法(一)：宽频带阻抗特性与振荡机理分析[J]．中国电机工程学报，2019，39(22)：6547-6561．
	LI G H， WANG W S， LIU C，et al ．Mechanism analysis and suppression method of wideband oscillation of PMSG wind farms connected to weak grid (part Ⅰ)：analysis of wideband impedance characteristics and oscillation mechanism[J]．Proceedings of the CSEE，2019，39(22)：6547-6561．
24	范丽霞，蔡瑞强，张欢畅，等．电压型虚拟同步发电机控制策略下的双馈风电机组阻抗及次同步振荡特性[J]．发电技术，2019，40(5)：434-439．
	FAN L X， CAI R Q， ZHANG H C，et al ．Impedance and sub-synchronous oscillation characteristics of doubly-fed induction generators with control strategy of voltage virtual synchronous generator[J]．Power Generation Technology，2019，40(5)：434-439．
25	COMMITTEE D ． IEEE guide for planning DC links terminating at AC locations having low short circuit capacities [S]．IEEE Standards，1997：1204-1227．
26	王亮，谢小荣，姜齐荣，等．大规模双馈风电场次同步谐振的分析与抑制[J]．电力系统自动化，2014，38(22)：26-31．
	WANG L， XIE X R， JIANG Q R，et al ．Analysis and mitigation of SSR problems in large-scale wind farms with doubly-fed wind turbines[J]．Automation of Electric Power Systems，2014，38(22)：26-31．

[1]	易海, 吕宙安, 张伶俐, 陈希, 柳典, 黄雨薇, 韩星星, 许昌. 基于改进模糊C-均值聚类的陆上风电场集电线路回路划分与拓扑结构优化[J]. 发电技术, 2024, 45(4): 675-683.
[2]	王耀函, 张扬帆, 赵庆旭, 王晓东, 梁恺, 王玙. 低电压穿越过程中风电机组载荷特性联合仿真研究[J]. 发电技术, 2024, 45(4): 705-715.
[3]	张崇, 李博, 李笑宇, 刘洪波, 刘永发. 基于虚拟同步机控制参数自适应调节的储能系统调频方法[J]. 发电技术, 2024, 45(4): 772-780.
[4]	李军徽, 陈国航, 马腾, 李翠萍, 朱星旭, 贾晨. 高风电渗透率下液流电池储能系统调峰优化控制策略[J]. 发电技术, 2024, 45(3): 434-447.
[5]	张小莲, 孙啊传, 郝思鹏, 许乐妍, 武启川. 风电场参与电网调频的多机协同控制策略[J]. 发电技术, 2024, 45(3): 448-457.
[6]	王放放, 杨鹏威, 赵光金, 李琦, 刘晓娜, 马双忱. 新型电力系统下火电机组灵活性运行技术发展及挑战[J]. 发电技术, 2024, 45(2): 189-198.
[7]	樊昂, 李录平, 刘瑞, 欧阳敏南, 陈尚年. 不同风速对单桩式海上风电机组塔筒动态特性的影响[J]. 发电技术, 2024, 45(2): 312-322.
[8]	严新荣, 张宁宁, 马奎超, 魏超, 杨帅, 潘彬彬. 我国海上风电发展现状与趋势综述[J]. 发电技术, 2024, 45(1): 1-12.
[9]	许帅, 杨羽霏, 刚傲, 谢越韬, 张晓明, 刘功鹏. 中欧漂浮式海上风电关键技术与产业链合作路径研究[J]. 发电技术, 2024, 45(1): 13-23.
[10]	方健, 李辉. 基于状态重构准谐振扩张状态观测器的LCL型并网逆变器电流控制策略研究[J]. 发电技术, 2024, 45(1): 170-179.
[11]	王进钊, 严干贵, 刘侃. 基于交替方向隐式平衡截断法的直驱风电场次同步振荡分析的模型降阶研究[J]. 发电技术, 2023, 44(6): 850-858.
[12]	孙财新, 张波, 唐巍, 周昳鸣, 付明志, 秦猛, 郭小江. 海上风电机组国产化研究与实践[J]. 发电技术, 2023, 44(5): 696-702.
[13]	贾文虎, 徐群杰. 海上风电设施防腐蚀技术研究进展[J]. 发电技术, 2023, 44(5): 703-711.
[14]	杨健, 柳玉, 黄坤鹏, 罗亚洲, 牛四清, 王伟, 环加飞, 张雷, 张沛, 李华伟. 考虑发电工况和站内损耗的风电场可用发电功率估算方法[J]. 发电技术, 2023, 44(2): 235-243.
[15]	楚帅, 王爱华, 葛维春, 李音璇, 崔岱. 电网调控集中式储热降低弃风率分析方法[J]. 发电技术, 2023, 44(1): 18-24.

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