楊 悅 李國慶(1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 北京 1006.東北電力大學(xué)電力系統(tǒng)安全運行與節(jié)能技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室 吉林 1301)
?
基于VSC-HVDC的海上風(fēng)電小干擾穩(wěn)定控制
楊悅1,2李國慶2
(1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院北京102206
2.東北電力大學(xué)電力系統(tǒng)安全運行與節(jié)能技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室吉林132012)
建立了海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流輸電VSC-HVDC并網(wǎng)數(shù)學(xué)模型,對系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定進行特征根分析。提出了對VSC-HVDC換流站控制進行改進:將電磁功率增量ΔPe引入到風(fēng)電場并網(wǎng)側(cè)換流站控制系統(tǒng)中,增加了阻尼控制,并采用模態(tài)控制理論對阻尼控制環(huán)節(jié)參數(shù)進行設(shè)計。最后,分別對系統(tǒng)故障和風(fēng)速擾動兩種運行情況下的海上風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)進行了時域仿真分析,結(jié)果表明提出的阻尼控制能夠有效阻尼同步發(fā)電機的功角振蕩和海上風(fēng)電場出力的波動,提高了海上風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性。
柔性直流輸電海上風(fēng)電小干擾穩(wěn)定阻尼控制模態(tài)控制理論
由于海上風(fēng)資源豐富,且海上風(fēng)電具有發(fā)電量大、不占用土地、可大規(guī)模開發(fā)等優(yōu)勢,大力開發(fā)海上風(fēng)電成為電力行業(yè)發(fā)展的新趨勢之一。針對海上風(fēng)電并網(wǎng),目前的研究已提出了應(yīng)用高壓交流(High Voltage Alternating Current,HVAC)技術(shù)、傳統(tǒng)直流輸電(LCC-High Voltage Direct Current,LCC-HVDC)技術(shù)和柔性直流輸電(VSC-High Voltage Direct Current,VSC-HVDC)技術(shù)。而研究結(jié)果表明VSC-HVDC已成為海上風(fēng)電傳輸和陸上并網(wǎng)的首選方案[1-3]。
海上風(fēng)電并網(wǎng)給系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來一定的影響,其中對系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定的影響是一個重要方面,應(yīng)受到重視。VSC-HVDC的直流輸電部分割斷了海上風(fēng)電場和并網(wǎng)電力系統(tǒng)兩個交流系統(tǒng)的有功功率交換,使得兩個交流系統(tǒng)可以獨立控制,滿足各自的無功功率需求。但直流輸電部分傳輸有功功率,若一端交流系統(tǒng)受到擾動仍能對另一端交流系統(tǒng)造成影響。如何能在故障時同時提高兩側(cè)交流系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性,從而提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性,因此具有重要研究意義。
近年來,很多學(xué)者通過對風(fēng)力發(fā)電機組引入附加控制來提高含風(fēng)電場的系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定。然而對單個風(fēng)力發(fā)電機組進行控制造成風(fēng)力發(fā)電機組之間相互影響,若計及該影響,對系統(tǒng)的分析會十分復(fù)雜,容易出現(xiàn)始料未及的問題。因此,提出通過對換流站的控制進行改進來提高整個交直流系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性,具有重要的研究價值和意義。文獻[4]分析了基于LCC-HVDC的海上風(fēng)電系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定問題,通對對整流側(cè)控制器的改進加強了系統(tǒng)抗小干擾的能力。文獻[5]分析了基于HVAC輸電技術(shù)的含海上風(fēng)電的系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定問題,在海上風(fēng)電場的公共耦合連接點PCC接入改進的SVC裝置,并采用基于自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模糊推理系統(tǒng)確定控制器的參數(shù),以提高系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性。文獻[6]分析了由永磁同步電機建立的基于LCC-HVDC的海上風(fēng)電系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定,對逆變側(cè)的控制器進行改進提高小干擾穩(wěn)定性。目前針對基于VSC-HVDC的海上風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性分析比較少。
本文在Matlab/Simulink下建立了基于VSC-HVDC的海上風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)模型,提出對換流站的控制進行改進,并采用模態(tài)控制理論確定阻尼控制環(huán)節(jié)參數(shù),提高海上風(fēng)電并網(wǎng)交流系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性。本文分別對系統(tǒng)故障和風(fēng)速擾動兩種運行情況下的海上風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)進行了仿真分析,結(jié)果表明改進后的控制能有效阻尼系統(tǒng)有功功率振蕩,提高了系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性。
1.1雙饋風(fēng)力發(fā)電機組數(shù)學(xué)模型
1.1.1風(fēng)力發(fā)電機軸模型
由于風(fēng)力發(fā)電機軸的剛性明顯地低于火電廠中汽輪發(fā)電機軸的剛性,所以在分析雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性時考慮風(fēng)力發(fā)電機的軸系是十分必要的[7]。本文假設(shè)雙饋發(fā)電機組的換流器控制能夠跟隨軸系動態(tài)響應(yīng),所以建立的軸系模型是單質(zhì)塊軸系模型,其數(shù)學(xué)表達式為
式中,ωm為軸系角速度;Hm為軸系慣性時間常數(shù);Tm為風(fēng)力發(fā)電機機械轉(zhuǎn)矩;Te為發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩。
1.1.2槳距角控制模型
當(dāng)風(fēng)速變化時,為更有效地利用風(fēng)能,風(fēng)力發(fā)電機運行點將發(fā)生相應(yīng)的變化,為保證風(fēng)力發(fā)電機的輸出平穩(wěn),需要對風(fēng)力發(fā)電機的槳距角進行調(diào)整[8]。槳距角控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為
式中,θp為槳距角;θp0為槳距角初始值;Tp為槳距角控制系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)。
1.1.3電機模型
雙饋感應(yīng)發(fā)電機換流器能夠快速對機電暫態(tài)過程做出響應(yīng),所以本文只考慮控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和機端電壓的轉(zhuǎn)子電流iqr、idr的變化,將發(fā)電機模型高度簡化為
式中,Pw0為風(fēng)力發(fā)電機機械功率初始值;V0為機端電壓初始值;V為機端電壓。
1.1.4轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制模型
為實現(xiàn)對雙饋感應(yīng)發(fā)電機有功功率(電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速)和無功功率(轉(zhuǎn)子勵磁電流)的解耦,轉(zhuǎn)子側(cè)變換器采用基于定子磁鏈定向的矢量控制[9],其控制結(jié)構(gòu)見文獻[10],其動態(tài)模型為
式中,上標φ表示該變量在定子磁鏈定向的參考坐標系下;KPu、KPidr、KPω、KPiqr分別為轉(zhuǎn)子側(cè)變換器各控制器的比例系數(shù);TIu、TIidr、TIω、TIiqr分別為轉(zhuǎn)子側(cè)變換器各控制器的積分時間常數(shù)。
1.1.5網(wǎng)側(cè)變換器
為實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)變換器與電網(wǎng)間流動的有功和無功功率的解耦,網(wǎng)側(cè)變換器采用基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制。網(wǎng)側(cè)變換器電感電流的狀態(tài)方程為
網(wǎng)側(cè)變換器控制結(jié)構(gòu)見文獻[11],其數(shù)學(xué)模型為
式中,上標ε表示該變量是在電網(wǎng)電壓定向的參考坐標系下;KPv、KPiL分別為網(wǎng)側(cè)變換器各控制器的比例系數(shù);TIv、TIiL分別為網(wǎng)側(cè)變換器各控制器的積分時間常數(shù)。
1.1.6直流母線電容電壓狀態(tài)方程
根據(jù)功率流動關(guān)系,可得直流母線電容電壓的狀態(tài)方程為
式中,Cdc為直流母線電容值;Pa和Pr分別為流經(jīng)網(wǎng)側(cè)變換器和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的功率。
1.2同步發(fā)電機數(shù)學(xué)模型
單機-無窮大系統(tǒng)中的同步發(fā)電機采用E'恒定的二階經(jīng)典模型,且設(shè)其機械功率Pm為常數(shù)不變,建立的同步發(fā)電機模型數(shù)學(xué)表達式為
式中,δ為功角;ωs為電氣角速度;ω0為額定電氣角速度;HG為慣性時間常數(shù);Pm為機械功率;PG為電磁功率;D為阻尼系數(shù)。
1.3VSC-HVDC數(shù)學(xué)模型
利用輸出輸入法建立兩端柔性直流輸電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,且只考慮輸出電壓的基波分量而忽略諧波分量,得到三相靜止坐標系下的兩端柔性直流系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。應(yīng)用三相靜止坐標系中與在d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標中的關(guān)系,等量Park變換矩陣P,變換得到d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標下的7階狀態(tài)常系數(shù)微分數(shù)學(xué)模型[9]為
式中,i1d、i1q、i2d、i2q分別為換流站1、2交流電流的d、q軸分量;ud1、ud2分別為換流站1、2的正負極直流母線間電壓;K1、K2分別為換流站1、2直流電壓利用系數(shù);δ1、δ2分別為換流站1、2輸出電壓與系統(tǒng)電壓的夾角;ω1、ω2分別為交流系統(tǒng)1、2的基波角頻率;id為換流站1、2間傳輸?shù)闹绷麟娏鳌?/p>
2.1VSC-HVDC換流站控制
2.1.1風(fēng)電場側(cè)換流站控制
本文中風(fēng)電場側(cè)換流站控制采用定直流電壓和定無功功率控制,如圖1所示。直流電壓檢測值Vdc與直流電壓參考值Vdc_ref進行比較,其偏差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后作為內(nèi)環(huán) d軸電流參考指令值ids_ref;無功功率參考值偏差Qs-Qs_ref轉(zhuǎn)換為q軸電流參考值iqs_ref。網(wǎng)側(cè)三相電流ia、ib、ic經(jīng)坐標變換后得到d、q軸電流分量ids、iqs,并與已得到的ids_ref、iqs_ref進行比較,其偏差進行PI調(diào)節(jié)和Park變換后送入PWM發(fā)生器以驅(qū)動觸發(fā)功率開關(guān)管,從而實現(xiàn)直流電壓和無功功率的穩(wěn)定控制。
圖1 定直流電壓和定無功功率控制Fig.1 Constant dc voltage and reactive power control
2.1.2風(fēng)電場并網(wǎng)側(cè)換流站控制
本文中風(fēng)電場并網(wǎng)側(cè)換流站控制采用定有功功率和定無功功率控制,如圖2所示。功率偏差Ps-Ps_ref被饋送入有功功率控制器,輸出網(wǎng)側(cè)電流d軸分量的參考值id_ref,以下控制過程原理與定直流電壓控制相同[12]。同理,無功功率也如此調(diào)節(jié)。
圖2 定有功功率和定無功功率控制Fig.2 Constant active and reactive power control
2.2換流站附加阻尼控制原理
風(fēng)電場并網(wǎng)側(cè)換流站控制主要考慮的是抑制風(fēng)電場側(cè)輸出的有功功率隨風(fēng)速變化對系統(tǒng)穩(wěn)定造成的影響,沒有計及并網(wǎng)側(cè)擾動對系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定的影響。若并網(wǎng)側(cè)交流系統(tǒng)受到擾動,對另一端風(fēng)電場側(cè)交流系統(tǒng)造成影響,從而影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為抑制并網(wǎng)側(cè)擾動對系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定的影響,本文對風(fēng)電場并網(wǎng)側(cè)換流站控制進行改進,增加輔助阻尼控制,向控制系統(tǒng)注入阻尼控制信號,使電力系統(tǒng)動力學(xué)性能得以改善,提高系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性。
受電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(Power System Stabilizer,PSS)的啟發(fā),引入能產(chǎn)生正阻尼功率的調(diào)節(jié)信號——同步發(fā)電機的輸出電磁功率增量ΔPe,以改善電力系統(tǒng)動態(tài)性能,如圖3所示。電磁功率增量ΔPe經(jīng)過隔直環(huán)節(jié)和PID控制環(huán)節(jié)產(chǎn)生阻尼控制信號Id,阻尼系統(tǒng)振蕩,使電力系統(tǒng)動力學(xué)性能得以改善,提高系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性。
圖3 附加阻尼控制的風(fēng)電場并網(wǎng)側(cè)換流站控制Fig.3 Wind power grid-side converter station control with additional damping control
針對改進后的控制部分,應(yīng)用自動控制理論原理分析,輸出信號為
輸入信號為
根據(jù)式(12)、式(13)可知,改進部分的傳遞函數(shù)為
式中,Tk為隔直環(huán)節(jié)的時間常數(shù);KP、KI、KD分別為比例增益、積分增益和微分增益。
2.3換流站阻尼控制環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)計
采用模態(tài)控制理論確定阻尼控制環(huán)節(jié)參數(shù)[13-15],依據(jù)系統(tǒng)實際特征根值與理想特征根值,對阻尼控制環(huán)節(jié)參數(shù)作自適應(yīng)調(diào)整。
考慮線性、時不變、連續(xù)系統(tǒng),其狀態(tài)方程為
式中,x為狀態(tài)變量;u為輸入變量;y為輸出變量;A、B、C分別為各變量的系數(shù)矩陣。電力系統(tǒng)小擾動分析需要將狀態(tài)方程在初始運行點處進行線性化,如式(16)所示。
式中,Δx由3部分組成,分別為雙饋風(fēng)力發(fā)電機組部分狀態(tài)變量 ΔxDFIG=[Δωm,Δθp,Δiqr,Δidr,Δxus,Δxidr,Δxω,Δxiqr,ΔidL,ΔiqL,Δxv,ΔxidL,ΔxiqL,ΔUdc]T、同步發(fā)電機狀態(tài)變量ΔxOMIB=[Δδ,Δωs]T和柔性直流輸電部分狀態(tài)變量 ΔxHVDC=[Δi1d,Δi1q,Δi2d,Δi2q,Δud1,Δud2,Δid]T。且從控制框圖可知
未增加阻尼控制器的開環(huán)系統(tǒng)特征方程為
求解特征方程得到特征根,如表1中第三列所示,其中Λ12和Λ13為機電模態(tài)。
聯(lián)合式(16)~式(19),得到增加阻尼控制后閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程為
增加阻尼控制后,特征方程式(20)增加了 Tk、KP、KI、KD4個未知數(shù)。增加阻尼控制目的是給系統(tǒng)增加阻尼,提高小干擾穩(wěn)定性。因此,將確定兩個機電模式特征根,將兩個特征根向左移動,再將新的特征根代回式(20),求解得到阻尼控制環(huán)節(jié)參數(shù)Tk、KP、KI、KD。模態(tài)控制理論確定阻尼控制參數(shù)的具體計算步驟如圖4所示。
圖4 模態(tài)控制理論確定阻尼控制環(huán)節(jié)流程Fig.4 Algorithm process of the modal control theory to determine the damping control
3.1基于VSC-HVDC的海上風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本文研究的基于VSC-HVDC的海上風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示[6]。海上風(fēng)電場由60臺1.5 MW的雙饋感應(yīng)發(fā)電機組成,本文以一臺等效的雙饋風(fēng)力發(fā)電機組DFIG表示。VSC-HVDC的一端連接著海上風(fēng)電場,另一端連接著陸上交流系統(tǒng),本文以單機-無窮大母線表示陸上交流系統(tǒng)。
表1為基于VSC-HVDC的海上風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)狀態(tài)矩陣特征根計算結(jié)果。確定機電振蕩模態(tài)Λ12和Λ13的理想特征根值,本文設(shè)為-0.5±j4.621和-0.4± j3.482,確定阻尼控制環(huán)節(jié)參數(shù) Tk、KP、KI、KD的值,見表2。
表2 阻尼控制參數(shù)Tab.2 The damping control parameters
計算考慮阻尼控制環(huán)節(jié)的系統(tǒng)狀態(tài)矩陣特征根,見表1中第4列。從表中可以看出,若阻尼控制環(huán)節(jié)參數(shù)按照表2中的結(jié)果設(shè)定,同步特征根值均在0的左側(cè),保持穩(wěn)定。且除了Λ2、Λ4、Λ7三個特征根略微向右移動,其他特征根均呈現(xiàn)向左移動或保持基本不變的趨勢。
圖5 基于VSC-HVDC的海上風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)Fig.5 The offshore wind power system based on VSC-HVDC model
3.2系統(tǒng)故障
本文設(shè)0 s在母線B6上設(shè)置發(fā)生三相短路故障,故障持續(xù)0.1 s,切除線路L2中的第一條支路,清除三相短路故障,對整個海上并網(wǎng)風(fēng)電場系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性進行研究。圖6a為加入阻尼控制前后同步發(fā)電機功角變化曲線。從圖中可以看出加入阻尼控制后,同步發(fā)電機功角曲線振蕩幅度明顯減小,較快地進入穩(wěn)定狀態(tài)。圖6b、圖6c分別為加入阻尼控制前后同步發(fā)電機輸出有功功率和無功功率的變化曲線。從圖中可以看出,海上風(fēng)電場并網(wǎng)側(cè)換流站采用阻尼控制后有效阻尼了功率振蕩,使輸出的有功功率和無功功率較快速地進入穩(wěn)定狀態(tài)。圖6d、圖6e分別為加入阻尼控制前后雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機組輸出的有功功率和無功功率變化曲線。從圖中可以看出,加入阻尼控制后,DFIG輸出的有功功率和無功功率振蕩幅度同樣減小,說明增加阻尼控制后同樣可以削弱由于陸上并網(wǎng)側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生故障對海上風(fēng)電場側(cè)輸出功率的影響,使風(fēng)電場發(fā)出的有功功率和無功功率較快速地趨于穩(wěn)定。圖6f為加入阻尼控制前后DFIG機端電壓變化曲線。從圖中可以看出,加入阻尼控制后使機端電壓波動幅度減小,使海上風(fēng)電場的機端電壓相對保持穩(wěn)定。綜上所述,當(dāng)陸上并網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生故障,采用阻尼控制分別提高了海上風(fēng)電場和陸上單機無窮大系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性。
圖6 采用阻尼控制和未采用阻尼控制系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)Fig.6 Dynamic responses of the power system with damping control and without damping control
3.3風(fēng)速變化
設(shè)置海上風(fēng)電場側(cè)風(fēng)速為12 m/s,0 s加入大風(fēng)速擾動,持續(xù)0.1 s,對整個海上并網(wǎng)風(fēng)電場系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性進行研究。圖7a是加入阻尼控制前后同步發(fā)電機功角變化曲線。從圖中可以看出,加入阻尼控制后,有效抑制了振蕩幅值,使同步發(fā)電機功角較快速趨于穩(wěn)定狀態(tài)。圖7b、圖7c分別為同步發(fā)電機輸出的有功功率和無功功率變化曲線。從圖中可以看出,加入阻尼控制后,有效阻尼了功率振蕩,振蕩幅度明顯減小。圖7d、圖7e分別為加入阻尼控制前后DFIG輸出的有功功率和無功功率的變化曲線。從圖中可以看出,加入阻尼控制后,風(fēng)電場輸出功率波動減小,加強了海上風(fēng)電場側(cè)抗干擾能力。圖7f為加入阻尼控制前后DFIG機端電壓變化曲線。加入阻尼控制后使機端電壓波動幅度減小,海上風(fēng)電場的機端電壓相對保持穩(wěn)定。綜上所述,當(dāng)海上風(fēng)電場受到擾動,采用阻尼控制分別提高了海上風(fēng)電場和陸上單機-無窮大系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性。
圖7 采用阻尼控制和未采用阻尼控制系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)Fig.7 Dynamic responses of the power system with damping control and without damping control
本文針對基于VSC-HVDC海上風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定問題進行了分析,提出對并網(wǎng)側(cè)換流站控制進行改進,在海上風(fēng)電場側(cè)的換流站增加阻尼控制,應(yīng)用模態(tài)控制理論確定阻尼控制環(huán)節(jié)參數(shù)。設(shè)置陸上交流系統(tǒng)故障和海上風(fēng)電場擾動,對系統(tǒng)進行時域仿真分析,結(jié)果表明本文提出的改進控制有效阻尼了海上風(fēng)電場并網(wǎng)系統(tǒng)的各動態(tài)響應(yīng)振蕩,提高了海上風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性,且該控制并不需要額外設(shè)備和占用土地資源,具有較高的經(jīng)濟性和可行性。
[1]李爽,王志新,王國強,等.三電平海上風(fēng)電柔性直流輸電變流器的PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)滑??刂疲跩].中國電機工程學(xué)報,2012,32(4):20-28.
Li Shuang,Wang Zhixin,Wang Guoqiang,et al.PID neural network sliding-mode controller for three-leveloffshorewindpowerVSC-HVDCconverter[J]. Proceedings of the CSEE,2012,32(4):20-28.
[2]魏曉光,湯廣福,魏曉云,等.VSC-HVDC控制器抑制風(fēng)電場電壓波動的研究[J].電工技術(shù)學(xué)報,2007,22(4):150-156.
Wei Xiaoguang,Tang Guangfu,Wei Xiaoyun,et al. StudyofVSC-HVDCcontrollertomitigatevoltage fluctuationcausedbywindfarmintegration[J]. Transactions of China Electrotechnical Society,2007,22(4):150-156.
[3]朱曉東,周克亮,程明,等.大規(guī)模近海風(fēng)電場VSC-HVDC并網(wǎng)拓撲及其控制[J].電網(wǎng)技術(shù),2009,33(18):17-24.
Zhu Xiaodong,Zhou Keliang,Cheng Ming,et al. Topologies and control of VSC-HVDC systems for gridcnnection of lrge-sale offshore wind farms[J].Power System Technology,2009,33(18):17-24.
[4]Wang Li,Wang Kuohua.Dynamic stability analysis of a DFIG-based offshore wind farm connected to a power grid through an HVDC link[J].IEEE Transactions on Power System,2011,26(3):1501-1510.
[5]Wang Li,Truong D N.Stability enhancement of a power system with a PMSG-based and a DFIG-based offshore wind farm using a SVC with an adaptive-networkbased fuzzy inference system[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2013,60(7):2799-2805.
[6]Wang Li,Thi M S N.Stability analysis of four PMSG-based offshore wind farms fed to an SG-based power systemthroughanLCC-HVDClink[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2013,60(6): 2392-2400.
[7]Akhmatov V.Induction generators for wind power[M]. Brentwood,UK:Multi-science Publishing Co.Ltd.,2005:74.
[8]關(guān)宏亮,遲永寧,戴慧珠,等.異步風(fēng)電機組接入系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定及控制[J].電力系統(tǒng)自動化,2008,32(4):54-58.
Guan Hongliang,Chi Yongning,Dai Huizhu,et al. Small signal stability and control of wind turbine with asynchronous generator integration into power system[J]. Automation of Electric Power Systems,2008,32(4): 54-58.
[9]湯廣福.基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術(shù)[M].北京:中國電力出版社,2010.
[10]Wu F,Zhang X P,Godfrey K,et al.Small signal stability analysis and optimal control of a wind turbine with doubly fed induction generator[J].IET Generation, Transmission&Distribution,2007,1(5):751-760.
[11]Pena R,Clare J C,Asher G M.Doubly fed induction generator using back-to-back PWM converters and its application to variable speed wind-energy generation[J]. IEE Proceedings Electric Power Applications,1996,143(3):231-241.
[12]Liang Jun,Jing Tianjun,Oriol G B,et al.Operation and control of multiterminal HVDC transmission for offshore wind farms[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2011,26(4):2596-2604.
[13]Hsu Y Y,Wang L.Damping of a parallel AC-DC power system using PID power system stabilizers and rectifier current regulators[J].IEEETransactionsonEnergy Conversation,1988,3(3):540-549.
[14]Hsu Y Y,Wang L.Modal control design of an HVDC system for the damping of subsynchronous oscillations [J].IEE Proceedings C-Generation,Transmission and Distribution,1989,136(2):76-86.
[15]Wang L.A comparative study of damping schemes on damping generator oscillations[J].IEEE Transactions on Power System,1993,8(2):613-619.
[16] 楊悅,李國慶,李江,等.雙饋風(fēng)電機組電力系統(tǒng)低頻振蕩阻尼特性[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2013,35(1):25-30.
Yang Yue,Li Guoqing,Li Jiang,et al.Low frequency oscillation damping characteristics of power system with DFIG[J].JournalofShenyangUniversityof Technology,2013,35(1):25-30.
[17] 張祥宇,付媛,王毅,等.含虛擬慣性與阻尼控制的變速風(fēng)電機組綜合 PSS控制器[J].電工技術(shù)學(xué)報,2015,30(1):159-169.
Zhang Xiangyu,F(xiàn)u Yuan,Wang Yi,et al.Integrated PSS controller of variable speed wind turbines with virtual inertia and damping control[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2015,30(1):159-169.
[18] 張琛,李征,蔡旭,等.雙饋風(fēng)電機組軸系扭振的穩(wěn)定與控制[J].電工技術(shù)學(xué)報,2015,30(10): 301-310.
Zhang Chen,Li Zheng,Cai Xu,et al.Stability and control of shaft torsional oscillation for doubly-fed wind power generator[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2015,30(10):301-310.
[19] 黃晟,王輝,廖武,等.基于VSC-HVDC海上串聯(lián)拓撲風(fēng)電場低電壓穿越控制策略研究[J].電工技術(shù)學(xué)報,2015,30(14):362-369.
Huang Sheng,Wang Hui,Liao Wu,et al.Control strategy based on VSC-HVDC series topology offshorewind farm for low voltage ride through[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2015,30(14):362-369.
[20]王境彪,希望·阿不都瓦依提,晁勤,等.雙饋風(fēng)電場接入交流或交直流混合系統(tǒng)低頻振蕩模態(tài)對比分析[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2015,43(13): 23-29.
Wang Jingbiao,Xiwang Abuduwayiti,Chao Qin,et al. Modal contrastive analysis of the low-frequency oscillation of AC and AC/DC hybrid system integrated by DFIG-based wind farms[J].Power System Protection and Control,2015,43(13):23-29.
[21]汪璐,邵如平,王雅璐.基于海上大型風(fēng)電場VSCHVDC系統(tǒng)電網(wǎng)側(cè)控制器的設(shè)計[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2015,43(17):107-112.
WangLu,ShaoRuping,WangYalu.Gridside controller design of VSC-HVDC system based on large offshore wind farm[J].Power System Protection and Control,2015,43(17):107-112.
楊悅女,1985年生,博士研究生,講師,研究方向為新能源電力系統(tǒng)安全性與穩(wěn)定性。
E-mail:yangyue@mail.nedu.edu.cn
李國慶男,1964年生,博士,教授,研究方向為電力系統(tǒng)安全性與穩(wěn)定性。
E-mail:lgq@mail.nedu.edu.cn(通信作者)
The Small Signal Stability Control of Offshore Wind Farm Based on VSC-HVDC
Yang Yue1,2Li Guoqing2
(1.School of Electrical&Electronic EngineeringNorth China Electric Power UniversityBeijing102206China
2.National-Local Joint Engineering Laboratory for Power SystemSecurity Operation and Energy Saving Technology Northeast Dianli UniversityJilin132012China)
The model of the offshore wind power farm based on the voltage source converter high voltage direct current(VSC-HVDC)system is established,and the small signal stability of the system has been analyzed by the characteristic root method.The improvement on the converter of the VSC-HVDC is proposed:The electromagnetic power increment ΔPeis introduced to the converter control system of the wind power's grid side,the damping control is utilized,and the parameters of the damping control are determined by the modal control theory.The stability in the cases of the power system short circuit and the wind disturbances of the offshore wind power farm are all simulated in the time domain.The results show that the proposed damping control can effectively inhibit the power angle oscillations and the output power fluctuation of the offshore wind power farm,and thus improve the small signal stability of the onshore grid system.
VSC-HVDC,offshorewindfarm,smallsignalstability,dampingcontrol,modal control theory
TM712
國家自然科學(xué)基金(51377016)和吉林省科技發(fā)展計劃項目(20130206038GX)資助。
2015-05-15改稿日期 2015-07-10