陳宏文， 彭靜， 胡九龍， 蘭宇， 李鵬， 譚劍中

(株洲供電公司， 湖南 株洲 412000)

雙饋風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率阻尼控制策略

陳宏文， 彭靜， 胡九龍， 蘭宇， 李鵬， 譚劍中

(株洲供電公司， 湖南 株洲 412000)

基于暫態(tài)能量函數(shù)分析方法，提出雙饋風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功功率附加阻尼控制策略。以削減區(qū)域間暫態(tài)振蕩能量為目標(biāo)，分析調(diào)節(jié)風(fēng)電場(chǎng)輸出無(wú)功功率能抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩的可行性。基于常規(guī)PSS控制方法，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率阻尼控制的效果進(jìn)行分析。為進(jìn)一步提高阻尼控制效果，提出基于暫態(tài)能量函數(shù)方法的雙饋風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率模糊阻尼控制策略。仿真結(jié)果表明基于模糊控制的風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率阻尼控制調(diào)節(jié)策略比常規(guī)PSS控制策略能更好抑制低頻振蕩。

電力系統(tǒng)；雙饋發(fā)電機(jī)；低頻振蕩；無(wú)功功率；阻尼控制

0 引 言

風(fēng)力發(fā)電是當(dāng)今世界上發(fā)展最快的新能源發(fā)電技術(shù)，隨著風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的增大，風(fēng)電機(jī)組出力的波動(dòng)性、隨機(jī)性以及長(zhǎng)距離輸電將增加電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題發(fā)生的可能性，特別是低頻振蕩事故[1]。當(dāng)?shù)皖l振蕩事故發(fā)生后，不僅會(huì)阻礙區(qū)域間功率的傳輸，同時(shí)也會(huì)增加風(fēng)電機(jī)組軸系振蕩從而影響風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行。

為了抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩，各種PSS穩(wěn)定控制方法相繼提出，但是這些方法常常用于傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的控制，隨著風(fēng)電容量在電力系統(tǒng)所占比例的增加，非常有必要研究風(fēng)電機(jī)組阻尼電力系統(tǒng)低頻振蕩的能力。文獻(xiàn)[2-3]設(shè)計(jì)了雙饋風(fēng)電場(chǎng)的附加阻尼控制使得低頻振蕩得到較好的抑制，但是當(dāng)風(fēng)電機(jī)組有功功率功率環(huán)附加PSS控制時(shí)會(huì)使風(fēng)電機(jī)組本身軸系發(fā)生更大的波動(dòng)，并且以上文獻(xiàn)很少考慮到常規(guī)PSS線性控制方法很難適應(yīng)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行方式復(fù)雜多變的實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況。一方面考慮模糊控制技術(shù)由于具有抗干擾能力強(qiáng)、設(shè)計(jì)過(guò)程不需要被控對(duì)象的模型參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，可能會(huì)很好地解決風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行方式復(fù)雜多變的實(shí)際問(wèn)題；另一方面電力系統(tǒng)是一個(gè)能量產(chǎn)生、傳輸和消耗的非線性復(fù)雜系統(tǒng)，其能量平衡在整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行中起至關(guān)重要的作用，已有相關(guān)研究將暫態(tài)能量函數(shù)方法應(yīng)用到SVC、HVDC阻尼控制中[4]，其中通過(guò)調(diào)節(jié)SVC的無(wú)功功率輸出對(duì)低頻振蕩的抑制效果非常明顯，而其應(yīng)用到風(fēng)電場(chǎng)附加阻尼控制中還比較少見(jiàn)?；诖?，本文從抑制低頻振蕩效果和對(duì)風(fēng)電機(jī)組軸系扭振的影響兩個(gè)角度，基于暫態(tài)能量函數(shù)方法，提出了雙饋風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率附加阻尼控制策略。

1 風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率阻尼控制的機(jī)理分析

1.1 含風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)暫態(tài)能量振蕩分析

針對(duì)含風(fēng)電場(chǎng)的兩區(qū)域電力系統(tǒng)，如圖1所示，可定義系統(tǒng)暫態(tài)能量函數(shù)為：

V=VK+VP

(1)

(2)

(3)

圖1 含風(fēng)電場(chǎng)的兩區(qū)域電力系統(tǒng)

式中δ12=δ120，ω120=0為該系統(tǒng)穩(wěn)定平衡點(diǎn)，δ12、ω12為區(qū)域1、2的功角角度差和角速度轉(zhuǎn)差，V為該系統(tǒng)總暫態(tài)能量，VK、VP分別為該系統(tǒng)暫態(tài)振蕩動(dòng)能和勢(shì)能，P1、P2為母線A、B處的傳輸線有功功率，M1、M2分別為區(qū)域1、2慣性常數(shù)，Meq為等值慣性時(shí)間常數(shù)，P10、P20為區(qū)域1、2所有發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率，Pω為風(fēng)電場(chǎng)有功功率。

圖2 δ12和ω12振蕩特性

發(fā)生區(qū)域間低頻振蕩時(shí)，功角角度差δ12和角速度轉(zhuǎn)差ω12振蕩特性一般如圖2所示[5]，t0、t1、t2、t3、t4分別對(duì)應(yīng)勢(shì)能和動(dòng)能的最大值和最小值，對(duì)于該系統(tǒng)故障前后總暫態(tài)振蕩能量V將保持不變。

由式(3)暫態(tài)振蕩勢(shì)能定義可知：

(4)

如圖2所示，在t0和t4時(shí)刻，暫態(tài)振蕩動(dòng)能VK(t0)、VK(t4)都為0，對(duì)于零阻尼情況時(shí)，暫態(tài)振蕩勢(shì)能VP(t0)、VP(t4)應(yīng)該為一個(gè)恒值。因此，

(5)

如果通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)電場(chǎng)使暫態(tài)振蕩能量差持續(xù)小于0，那么低頻振蕩就可以得到抑制。

1.2 無(wú)功功率阻尼低頻振蕩分析

假設(shè)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率可等值為一個(gè)無(wú)功接地電抗xw=-U12/Q，U1、U2為母線A、B的電壓，則傳輸線有功功率為P1=U1U2sinδ12/[x1+x2+xL+x1(x2+xL)/xw]，xL為傳輸線AB線路電抗，x1、x2分別為區(qū)域1、2等效電抗。若傳輸線有功功率可控增量?P12大于0，做如下調(diào)整：①t0～t2時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)輸出無(wú)功功率減小?Q，則傳輸線功率P1減小?P12；②t2～t4時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)輸出無(wú)功功率增加?Q，則傳輸線功率P1增加?P12，則：

(6)

將式(6)代入式(5)可得：

(7)

由圖2可知δ12(t2)<δ12(t0)，δ12(t2)<δ12(t4)，且ΔP12>0，因此ΔV恒小于0。通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)電場(chǎng)輸出無(wú)功功率可削減系統(tǒng)暫態(tài)能量，從而抑制低頻振蕩。

2 雙饋風(fēng)電場(chǎng)常規(guī)PSS無(wú)功功率阻尼控制

圖3 無(wú)功功率環(huán)附加阻尼控制圖

借鑒PSS控制方法，將傳輸線功率信號(hào)附加到雙饋風(fēng)電機(jī)組無(wú)功功率控制環(huán)中，如圖3所示。Pref、Qref為有功、無(wú)功功率參考值；ids、iqs、idr、iqr、udr、uqr、Lm、Lr為雙饋發(fā)電機(jī)d軸、q軸定、轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)子電壓、定轉(zhuǎn)子互感、轉(zhuǎn)子自感。圖3(b)中u1為反饋信號(hào)，Tw是微分時(shí)間常數(shù)，T為相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)參數(shù)，k為增益。

以雙饋風(fēng)電場(chǎng)接入IEEE兩區(qū)域四機(jī)系統(tǒng)的算例進(jìn)行仿真分析，如圖4所示。假設(shè)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)有200臺(tái)1.5 MW雙饋風(fēng)電機(jī)，單臺(tái)雙饋風(fēng)電機(jī)組參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。

圖4 含風(fēng)電場(chǎng)電力系統(tǒng)的仿真模型

在聯(lián)絡(luò)線上發(fā)生三相短路故障，故障持續(xù)時(shí)間為10 s-10.1 s，仿真結(jié)果如圖5所示，其中pu表示標(biāo)幺值。從圖5可以看出，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率的輸出可以抑制電力系統(tǒng)區(qū)域間低頻振蕩，且抑制效果隨著阻尼信號(hào)增益k的增大而增大，但其機(jī)組軸系扭矩基本不受影響。

圖5 不同增益下無(wú)功環(huán)附加阻尼控制時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)

3 雙饋風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率模糊附加阻尼控制

對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行方式復(fù)雜多變的實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況，這將進(jìn)一步增大阻尼增益參數(shù)優(yōu)化選取工作的難度?？紤]模糊控制技術(shù)由于具有抗干擾能力強(qiáng)、適合非線性條件下控制等優(yōu)點(diǎn)，本節(jié)研究了雙饋風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率模糊附加阻尼控制。反應(yīng)各個(gè)振蕩階段的相位β、幅值γ如下所示。

(8)

(9)

其中：P0為低頻振蕩前傳輸線有功功率，ΔP=P1-P0。模糊控制結(jié)構(gòu)如圖6所示，相角輸入量EC、幅值輸入量E、輸出量U隸屬度函數(shù)均采用三角形分布。糊控制規(guī)則表如表1所示，PB、PM、PS、PL、ZE、NL、NS、NM、NB分別表示輸出正大、正中、正小、正微、近零、負(fù)微、負(fù)小、負(fù)中、負(fù)大。

圖6 模糊控制結(jié)構(gòu)圖

仍以雙饋風(fēng)電場(chǎng)接入IEEE兩區(qū)域四機(jī)系統(tǒng)的算例進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖7所示。

表1 模糊規(guī)則表

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了雙饋風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率阻尼控制策略。得到的主要結(jié)論有：

(1)雙饋風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率常規(guī)PSS附加阻尼控制能很好的抑制低頻振蕩，但是其阻尼增益系數(shù)對(duì)阻尼控制效果，甚至是系統(tǒng)穩(wěn)定性有重要影響。

圖7 不同附加阻尼控制時(shí)動(dòng)態(tài)效應(yīng)

(2)從抑制低頻振蕩和減少機(jī)組軸系扭振兩方面來(lái)看，風(fēng)電機(jī)組無(wú)功功率模糊附加阻尼控制要比常規(guī)PSS附加阻尼控制效果要好。為了既能抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩又能減少對(duì)風(fēng)電機(jī)組軸系扭振的影響，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率輸出的策略可能更加適合，特別是模糊阻尼控制的方法。

[1] 徐政 譯．風(fēng)力發(fā)電的模擬與控制[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[2] 張子泳，胡志堅(jiān)，李勇匯．并網(wǎng)型雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)廣域阻尼控制器設(shè)計(jì)[J]．高電壓技術(shù)，2011，37(1)：157-163．

[3] 郝正航，余貽鑫，曾沅．改善電力系統(tǒng)阻尼特性的雙饋風(fēng)電機(jī)組控制策略[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，35(15)：25-29．

[4] 楊曉東，房大中，劉長(zhǎng)勝，等．阻尼聯(lián)絡(luò)線低頻振蕩的SVC自適應(yīng)模糊控制器研究[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23(1)：55-59．

[5] 徐光虎，孫衡，陳陳．HVDC模糊協(xié)調(diào)阻尼控制器的設(shè)計(jì)[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2004，28(12)：18-23．

[6] 李輝，葉仁杰，高強(qiáng)，等．傳動(dòng)鏈模型參數(shù)對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組暫態(tài)性能的影響[J]．電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2010，14(3)：24-30．

Reactive Power Damping Control Strategy for the DFIG Wind Farm

CHEN Hong-wen, PENG Jing, HU Jiu-long, LAN Yu, LI Peng, TAN Jian-zhong

(Zhuzhou Power Supply Co., Zhuzhou Hunan 412000, China)

Based on the method for transient energy function analysis, this paper introduces a reactive power additional damping control strategy for the wind farm with doubly-fed induction generator(DFIG). Aiming at reducing transient oscillation energy between areas, it analyzes the feasibility of suppression of low frequency oscillation of the power system through regulation of the reactive power output from the wind farm. Based on regular power system stabilizer (PSS) control method, an analysis is made of the effect of reactive power damping control of the wind farm. For further improvement of damping effect, it proposes a fussy damping control strategy for the reactive power of DFIG wind farm based on transient energy function method. The simulation result indicates that fussy control-based reactive power damping control strategy for the wind farm can achieve better effect of low-frequency oscillation suppression than regular PSS control strategy.

power system; doubly fed induction generator; low-frequency oscillation; reactive power; damping control

10.3969/j·issn.1000-3886.2015.03.017

TM315

A

1000-3886(2015)03-0052-03

陳宏文(1986-)，男，湖南人，碩士，工程師，從事電網(wǎng)運(yùn)行方面工作。 彭靜(1978-)，女，湖南人，工程師，從事電網(wǎng)運(yùn)行方面工作。 胡九龍(1985-)，男，陜西人，工程師，從事電網(wǎng)運(yùn)行方面工作。 蘭宇(1973-)，男，湖南人，工程師，從事電網(wǎng)運(yùn)行方面工作。 李鵬(1988-)，男，湖南人，助理工程師，從事電網(wǎng)運(yùn)行方面工作。 譚劍中(1979-)，男，江西人，高級(jí)工程師，從事電網(wǎng)運(yùn)行方面工作。

定稿日期: 2014-08-02