李現(xiàn)偉 蔣劉興 劉 鵬 王宇軒

（1、華北水利水電大學(xué)電力學(xué)院，河南 鄭州450011 2、雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都610000）

近年來，隨著風(fēng)力發(fā)電裝機容量不斷增大，建設(shè)百萬千瓦級風(fēng)電場（風(fēng)電基地）和實現(xiàn)大規(guī)模風(fēng)電跨區(qū)遠送成為風(fēng)電發(fā)展的戰(zhàn)略重點[1]。我國的大型風(fēng)電場通常分布在偏遠的地區(qū)，它們遠離電力負荷中心，因此其輸電線往往具有長距離和重負荷的特點[2-3]。隨著基于DFIG 的風(fēng)電場在電力系統(tǒng)中的普及程度的提高，在系統(tǒng)穩(wěn)定性和振蕩阻尼相關(guān)的研究開始變成社會熱點。

為了解決這個問題，本文通過研究DFIG 的有功無功調(diào)節(jié)能力，在DFIG 的有功控制環(huán)上設(shè)計了輔助阻尼控制器?？刂破鞑捎脗鬏斁€的有功功率作為反饋信號，使用模糊邏輯方法設(shè)計了一種最優(yōu)阻尼控制器。模糊控制器的主要優(yōu)點是它們不需要系統(tǒng)的詳細數(shù)學(xué)建模，模糊方法還可以克服系統(tǒng)的非線性和不確定性，并在十分廣泛的工作條件和瞬態(tài)事件中提供強大的性能。

此外，在本文中，為了易于設(shè)計和實現(xiàn)，在使用合適的系數(shù)縮放模糊控制器的輸入和輸出時，使用了標(biāo)準(zhǔn)化的模糊隸屬函數(shù)。

1 雙饋風(fēng)機數(shù)學(xué)模型

為簡單計算，雙饋風(fēng)電場采用單機等值模型。雙饋風(fēng)電場獲取風(fēng)的動能并以旋轉(zhuǎn)的機械轉(zhuǎn)矩的形式傳遞，如公式（1）所示，

風(fēng)力機提取的機械扭矩通過傳動系統(tǒng)傳輸?shù)桨l(fā)電機的轉(zhuǎn)子。動力傳動系統(tǒng)動力學(xué)通常由兩個質(zhì)量模型描述，如公式（2）至公式（4）所示，

在DFIG 中，發(fā)電機是繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)發(fā)電機，定子和轉(zhuǎn)子繞組都連接到網(wǎng)絡(luò)。對于電力系統(tǒng)穩(wěn)定性研究，通常會忽略定子的非?？斓碾娝矐B(tài)，并且以瞬態(tài)電抗后面的電壓源的形式對系統(tǒng)進行建模。在這種情況下，d-q 參考系內(nèi)的轉(zhuǎn)子電動力學(xué)描述如下。

2 模糊阻尼控制器設(shè)計

傳統(tǒng)上，DFIG 的有功功率輸出是通過最大功率點跟蹤（MPPT）策略確定的。

但是，由于MPPT 控制無法使DFIG 產(chǎn)生慣性響應(yīng)，故而有功功率控制與電力系統(tǒng)動力學(xué)無關(guān)。另一方面，風(fēng)電場的慣性響應(yīng)會增加電力系統(tǒng)的振蕩阻尼。

本文在DFIG 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的有功功率控制回路中提出了一個附加的阻尼控制器，以改善電力系統(tǒng)的振蕩。圖1 表示RSC 控制器的總體結(jié)構(gòu)以及所提出的阻尼控制器，該阻尼控制器修改了DFIG 有功功率的參考值。

圖1 轉(zhuǎn)子側(cè)控制器結(jié)構(gòu)圖

在本節(jié)中，將使用模糊邏輯方法設(shè)計所提出的阻尼控制器。模糊控制器通常接收兩個輸入作為控制反饋信號的誤差和誤差變化率。

首先，將輸入信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模糊值。在本文中，為了便于設(shè)計和實現(xiàn)模糊隸屬度函數(shù)（MFs），將輸入信號按增益K1 和K2 在[-1，1]范圍內(nèi)進行縮放。

其次，通過將MFs 進行歸一化確定輸入變量對模糊集的隸屬度。對于每個輸入和輸出變量，將考慮七個模糊值，例如：NB=負大，NM=負中，NS=負小，ZR=零，PB=正大，PM=正中，PS=正小。

下一步，模糊推理系統(tǒng)基于可用的模糊規(guī)則和模糊推理引擎，推導(dǎo)適當(dāng)?shù)哪：刂啤?/p>

最后一步是進行模糊化處理，即是將模糊值轉(zhuǎn)換為準(zhǔn)確值的過程。在這里，根據(jù)控制范圍將輸出值在[-0.15+0.15]的范圍內(nèi)縮放，增益取K3。

3 仿真結(jié)果分析

在本文中，為測試控制方法的有效性，選擇標(biāo)準(zhǔn)的四機兩區(qū)域系統(tǒng)作為測試系統(tǒng)，四機兩區(qū)域系統(tǒng)參數(shù)見文獻[4]。將雙饋風(fēng)電場接入到該系統(tǒng)區(qū)域1 中，風(fēng)電場由75 臺2MW 的雙饋風(fēng)電機組構(gòu)成。

在MATLAB / Simulink 軟件中對測試系統(tǒng)進行了仿真，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖

為了驗證附加阻尼控制器的有效性，在系統(tǒng)運行至15s 時，在兩區(qū)域系統(tǒng)傳輸線上設(shè)置三相短路故障，故障持續(xù)時間為0.1s。為了分析風(fēng)電場有功附加阻尼控制器的效果，將系統(tǒng)在沒有附加控制，常規(guī)PSS 附加控制和改進的附加阻尼控制三種情況下的仿真結(jié)果進行對比，觀察系統(tǒng)15s 至30s 的系統(tǒng)性能，分析其控制性能。

圖3 所示為系統(tǒng)低頻振蕩情況下三種環(huán)境下的傳輸線有功功率振蕩曲線仿真結(jié)果，圖4 所示為發(fā)電機組1 與發(fā)電機組4 之間的振蕩模式。

通過圖3 可以看出，在風(fēng)電機組采用有功功率附加阻尼控制器的情況下，傳輸線有功功率的動態(tài)特性能夠更快的達到穩(wěn)定狀態(tài)，減少系統(tǒng)的振蕩時間。通過三種不同方法的仿真情況對比可以看出，采用改進附加阻尼控制器得到的系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)效果明顯優(yōu)于另外兩種情況，系統(tǒng)低頻振蕩情況得到了明顯改善。

圖3 三種情況下傳輸線有功功率振蕩曲線

圖4 三種情況下發(fā)電機組1 與發(fā)電機組4 振蕩模式曲線

4 結(jié)論

本文提出了一種采用模糊邏輯方法的雙饋風(fēng)力發(fā)電機組的最優(yōu)魯棒阻尼控制器。該控制器采用電力系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線的有功功率作為輸入信號，在系統(tǒng)發(fā)生低頻振蕩期間，通過雙饋風(fēng)電場的有功功率調(diào)節(jié)能力，為電力系統(tǒng)產(chǎn)生阻尼。通過在四機兩區(qū)域系統(tǒng)測試下可以看出，與常規(guī)PSS 附加阻尼控制器相比，其能夠減少小擾動下的電力系統(tǒng)低頻振蕩。該控制器通過為系統(tǒng)提供阻尼保障了電力系統(tǒng)的安全運行。