李 亮，湯進能，汪 龍

(瀘西縣云能投風電開發(fā)有限公司，云南 紅河 652499)

針對日益嚴重的環(huán)境問題，傳統(tǒng)能源在實際生產(chǎn)中所造成的的社會問題，效能及污染問題已日益嚴峻，當前世界各國都在關注并持續(xù)性加大對新能源領域的研究開發(fā)。太陽能、風能以及其他一系列新興能源作為一種環(huán)境友好的可再生能源，愈發(fā)受到各國的重視，其開發(fā)勢能，裝機容量都在持續(xù)性增長，由此帶來的經(jīng)濟效益，社會效益成果顯著。然而，新型能源在其利用及相關開發(fā)模式上始終受到諸多方面的局限，也因其應用條件和環(huán)境存在一定的限制性以及復雜的動態(tài)特性為風能并網(wǎng)和可持續(xù)運營帶來了新的挑戰(zhàn)。通過對風能并網(wǎng)時雙饋風機次同步振蕩機理進行分析，集合國內(nèi)其他專業(yè)人員提出的解決方案，提出了一種抑制雙饋風機并網(wǎng)次同步振蕩的方案。通過應用帶通濾波器，控制轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制環(huán)，獲得次同步震蕩頻率下的最大增益，在移相環(huán)節(jié)的應用后獲得最大阻尼，最終滿足雙饋風機并網(wǎng)次同步振蕩的最佳抑制效果，最大限度的保障風能源發(fā)電系統(tǒng)的可持續(xù)運營。

1 關于風電場次同步振蕩的機理分析

由轉(zhuǎn)速變化引起的電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時，可以通過定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩分析轉(zhuǎn)子及定子的電磁矩變化量。通過計算定子和轉(zhuǎn)子的電磁矩變化后的大小與轉(zhuǎn)速變化的大小之間的關系，分析傳遞函數(shù)來進一步掌握系統(tǒng)的特性，此適用于本文研究的雙饋風力系統(tǒng)機組中由并入電網(wǎng)時引起的次同步振蕩問題。通過轉(zhuǎn)速變化與轉(zhuǎn)矩量之間變化的關聯(lián)傳遞函數(shù)，分析傳遞函數(shù)獲得幅頻響應和相頻響應、轉(zhuǎn)矩變化量對阻尼的影響，然后分析風電場次同步振蕩的機理。

雙饋電機的電磁轉(zhuǎn)矩可由下式獲得：

Te*=-npLm*(isq*ird*-isd*irq*)

(1)

式中：np為極對數(shù)；isd*、ird*為定子的兩向軸電流；ird*、irq*為轉(zhuǎn)子的兩向軸電流。風機轉(zhuǎn)速變化會帶動定子、轉(zhuǎn)子電磁轉(zhuǎn)矩變化，變化量分別用ΔTer*和ΔTes*表示，將公式進行線性化處理，進而可以對轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩變化量進行計算，可以將其定義為：

ΔTer*=-npLm*(isq0*Δird0*-isd0*Δirq*)

(2)

為了確保能有效控制雙饋風力機組轉(zhuǎn)子側(cè)變流器，一般采用雙閉環(huán)系統(tǒng)裝置。d、q軸分別對轉(zhuǎn)子、定子的轉(zhuǎn)速及無功功率進行跟蹤，完成符合機組控制目標的追蹤。由于控制器的固定內(nèi)環(huán)時間常數(shù)比控制器的外環(huán)時間常數(shù)小很多，這里省略外環(huán)時間常數(shù)的影響，并認定變流器的輸出電壓與控制目標參考電壓相一致，進而通過計算可以得到在轉(zhuǎn)速變化誘因下的轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的電壓變化情況。

關于轉(zhuǎn)子的d軸和q軸電流變化與轉(zhuǎn)速變化之間的量值關系計算：

ΔIrd*(s)=Gird(s)Δωr*(s)

(3)

ΔIrq*(s)=Girq(s)Δωr*(s)

(4)

式中：Gird(s)為傳遞函數(shù)，表示轉(zhuǎn)子d軸的電流變化量與轉(zhuǎn)速變化量的關聯(lián)；同理，Girq表示與q軸的關系。

通過將式(4)的電流變化帶入式(2)中，計算可得轉(zhuǎn)子電磁轉(zhuǎn)矩的變化量。設定工作頻率為H，可獲得該工況下的轉(zhuǎn)子電磁轉(zhuǎn)矩的具體變化量情況，具體計算公式：

GTe(jH)=|GTer|cosφTe+j|GTe|sinφTer=GTex+jGTey

(5)

式中：|GTe|為該工況下的轉(zhuǎn)子電磁轉(zhuǎn)矩變化量；φTer為相位變化；GTex為轉(zhuǎn)子電磁轉(zhuǎn)矩變化量的實部；GTey為轉(zhuǎn)子電磁轉(zhuǎn)矩變化量的虛部。

通過GTe(jH)傳遞函數(shù)來分析轉(zhuǎn)矩變化量與風電場振蕩阻尼具體的影響關系，設定初始Δωr*相位角為0°。轉(zhuǎn)子電磁轉(zhuǎn)矩與角速度變化關聯(lián)情況，具體如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子電磁轉(zhuǎn)矩與角速度變化關聯(lián)情況Fig.1 Correlation between rotor electromagnetic torqueand angular speed change

由圖1可知，當GTer處在第Ⅰ、Ⅳ象限時，GTex大于0，轉(zhuǎn)子電磁轉(zhuǎn)矩變化量正相關轉(zhuǎn)速變化量，實部方向與Δωr*一致；因此，電磁轉(zhuǎn)矩的變化負相關風電場次同步振蕩阻尼，同時轉(zhuǎn)矩增加得越快，負阻尼作用越強。當GTer處在第Ⅱ、Ⅲ象限時，GTex小于0，實部方向與Δωr*相異；因此，電磁轉(zhuǎn)矩的變化正相關風電場次同步振蕩阻尼，且當夾角越小時作用越強。

同理，當GTes處在第Ⅰ、Ⅳ象限時，定子電磁轉(zhuǎn)矩變化量負相關阻尼變化量，當與x軸夾角越小時其作用越強。當GTes處在第Ⅰ、Ⅲ象限時，定子電磁轉(zhuǎn)矩變化量正相關阻尼變化量，當與x軸夾角越大時(<180°)作用越強。

2 附加阻尼控制次同步振蕩控制

在轉(zhuǎn)子側(cè)進行附加的阻尼控制，可以有效抑制風電場次同步振蕩?；谏鲜鰧Υ瓮秸袷帣C制的分析，控制附加阻尼的目的是引起與轉(zhuǎn)速變化相反的電磁轉(zhuǎn)矩變化，通過各項條件保障風電場次同步振蕩的最大正阻尼，從而改善其并網(wǎng)性能。本節(jié)基于對雙饋風力機組轉(zhuǎn)子側(cè)變流器轉(zhuǎn)速及無功功率的控制，抑制風電場的次同步振蕩情況。將轉(zhuǎn)速偏差量作為輸入，在對控制連接進行濾波和平衡后，會由于轉(zhuǎn)速變化引起的d、q軸向參考電壓變化，并將其添加到原始參考電壓中影響參考電流發(fā)生變化，并且需要進行額外的阻尼控制；控制方案如圖2所示。GLd(s)和GLq(s)分別為d、q軸濾波傳遞函數(shù)；GYd(s)、GYq(s)為移相傳遞函數(shù)。

圖2 附加阻尼控制Fig.2 Additional damping control

給定轉(zhuǎn)速變化量為Δωr*，在d軸和q軸的轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制環(huán)節(jié)，具體的參考電壓變化量：

(6)

ΔV'qrref*=ΔVqrref*+VqrΔVqrref*+Gqr(s)Δφr*

(7)

可知，Gdr(s)=GLd(s)×GYd(s)，Gqr(s)=GLq(s)×GYq(s)?；诏B加定理，由附加阻尼產(chǎn)生的電壓變化量Vdr、Vqr會有附加電流生產(chǎn)，進而通過附加轉(zhuǎn)矩ΔTerd及ΔTerq改變阻尼抑制振蕩。

ΔTerd=GTerd(s)·Δωr*(s)

(8)

ΔTerq=GTerq(s)·Δωr*(s)

(9)

ΔTer=GTer*(s)·Δωr*(s)

(10)

通過FFT分析風電場系統(tǒng)的次同步振蕩得到振蕩頻率。當系統(tǒng)次同步振蕩頻率小于180°時，GTer(s)提供的增益尚未處于最佳振蕩抑制狀態(tài)，若要進一步提高正阻尼，則需要根據(jù)振蕩頻率求出在2個控制環(huán)中通過濾波器特征角頻率。

ωc=2πfssr

(11)

取阻尼系數(shù)ξ= 0.02，可計算傳遞函數(shù)GLd(s)、GLq(s)：

(12)

(13)

在GLd(s)=Gdr(s)的情況下，通過帶通濾波器調(diào)控附加阻尼控制濾波器，轉(zhuǎn)子的附加轉(zhuǎn)矩變化量與轉(zhuǎn)速變化量函數(shù)GTer(s)于次同步振蕩頻率處獲得最大增益；但相位增益未必會達到180°獲得最大正阻尼。這種情況下需要調(diào)整相位，發(fā)揮移相控制環(huán)節(jié)的功用，在附加阻尼控制環(huán)中加入移相環(huán)節(jié)GYd(s)、GYq(s)。

(14)

(15)

將轉(zhuǎn)速控制環(huán)和無功控制環(huán)添加到移相控制時，在附加的阻尼控制環(huán)中d軸傳遞函數(shù)為：Gdr(s)=GLd(s)×GYd(s)；q軸傳遞函數(shù)為：Gqr(s)=GLq(s)×GYq(s)；轉(zhuǎn)子的附加轉(zhuǎn)矩變化量與轉(zhuǎn)速變化量函數(shù)GTer(s)相位增益可以達到180°，正阻尼獲得最大值。

3 結(jié)語

憑借清潔、無污染、低成本和可再生的天然優(yōu)勢，風能已成為全球所關注的重點循環(huán)可再生開發(fā)能源。我國因其廣博的疆域優(yōu)勢和種類多變的多地貌特征，風能資源豐富，國家對于相關技術的開發(fā)應用始終給與了大力支持。近年來，我國風能資源開發(fā)利用規(guī)模顯著擴大，相關技術發(fā)展迅速；但諸多大型風電場由于其特性限制，建設于遠離負荷的偏遠地區(qū)。串聯(lián)補償電容器技術對改善風電網(wǎng)穩(wěn)定性具有重要作用。本文提出了一種抑制雙饋風機并網(wǎng)次同步振蕩的方法，通過應用帶通濾波器，控制轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制環(huán)，獲得次同步震蕩頻率下的最大增益，在移相環(huán)節(jié)的應用后獲得最大阻尼，最終滿足雙饋風機并網(wǎng)次同步振蕩的最佳抑制效果。