應(yīng)用DFIG-PSS改善電力系統(tǒng)低頻振蕩

邊曉燕, 耿艷

(上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院, 上海200090)

摘要:在雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中加裝電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(DFIG-PSS)以提高系統(tǒng)阻尼,并分析了DFIG-PSS抑制低頻振蕩的原理,總結(jié)了4種典型的PSS模型和不同DFIG的控制方案下DFIG-PSS的輸出接口位置，以及DFIG-PSS的輸入信號(hào).通過(guò)在含DFIG風(fēng)電場(chǎng)的3機(jī)9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中的仿真分析,表明DFIG-PSS對(duì)區(qū)域內(nèi)振蕩和區(qū)間振蕩均有改善效果,且DFIG-PSS安裝位置的不同,對(duì)低頻振蕩的改善程度也存在差異.

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng); 穩(wěn)定器; 低頻振蕩

收稿日期：2014-09-24

作者簡(jiǎn)介：通訊耿艷(1989-),女,在讀碩士,吉林長(zhǎng)春人.主要研究方向?yàn)楹L(fēng)電場(chǎng)電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定,低頻振蕩.E-mail:gfx19891025@163.com.

中圖分類(lèi)號(hào)：TM712文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

ApplicationofDFIG-PSStoImprovingLow-frequencyOscillationinPowerSystem

BIANXiaoyan,GENGYan

(School of Electrical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai200090, China)

Abstract:A power system stabilizer is installed in doubly-fed induction generator for improving power system damping.The principle of suppressing low frequency oscillation of DFIG-PSS is analyzed.Four kinds of typical PSS model as well as output interface location of DFIG-PSS under different control scheme of DFIG and input signals of the DFIG-PSS are summed up.Finally,through the simulation analysis,the intra-area oscillation and inter-area oscillation are improved through DFIG-PSS being verified,and various installation positions of DFIG-PSS have different degrees of improvement for low-frequency oscillation.

Keywords:powersystem;stabilizer;lowfrequencyoscillation

近年來(lái),我國(guó)的風(fēng)電發(fā)展迅速,由于風(fēng)電機(jī)組出力具有隨機(jī)性和波動(dòng)性等特點(diǎn),使得電力系統(tǒng)低頻振蕩成為影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定的重要問(wèn)題之一.

眾所周知,低頻振蕩問(wèn)題是由于系統(tǒng)缺乏阻尼造成的,在傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)中安裝電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PowerSystemStabilizer,PSS)可以改善系統(tǒng)的阻尼,風(fēng)電機(jī)組的大規(guī)模接入,要求風(fēng)電機(jī)組自身為電力系統(tǒng)提供阻尼.

在傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)組中,勵(lì)磁控制系統(tǒng)只能控制轉(zhuǎn)子磁鏈相量的幅值,不能控制轉(zhuǎn)子磁鏈相量的位置,而雙饋感應(yīng)電機(jī)(DoubleFedInductionGeberator,DFIG)風(fēng)電機(jī)組可以控制轉(zhuǎn)子磁鏈相量的幅值和位置,因此DFIG風(fēng)電機(jī)組比同步發(fā)電機(jī)組擁有更大的控制能力.通過(guò)在風(fēng)電機(jī)組的合適位置安裝電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的控制環(huán),并適當(dāng)?shù)剡x取輸入信號(hào),然后進(jìn)行調(diào)節(jié),可以大幅增加系統(tǒng)的阻尼.DFIG風(fēng)電機(jī)組采用的控制方案對(duì)其提供阻尼的能力具有重大作用.[1]

本文對(duì)DFIG風(fēng)電機(jī)組的控制方案進(jìn)行了總結(jié),指出了在不同的控制方案中DFIG-PSS輸出接口的位置,并歸納了DFIG-PSS的輸入信號(hào).最后,通過(guò)算例分析表明了DFIG-PSS對(duì)區(qū)內(nèi)振蕩和區(qū)間振蕩均有明顯的改善,并且DFIG-PSS接入位置的不同,其改善效果也有區(qū)別.

1DFIG-PSS抑制低頻振蕩的原理

在DFIG的控制方案中加入輔助的PSS控制環(huán),可以大大加強(qiáng)系統(tǒng)的阻尼.

1.1　 DFIG對(duì)系統(tǒng)阻尼的影響

為便于分析,對(duì)通用測(cè)試系統(tǒng)[2]中DFIG采用轉(zhuǎn)子磁鏈幅值和相角控制方案進(jìn)行考察,并假定母線電壓的模值是恒定的,這樣,輸電線路的功率變化僅與相角的變化有關(guān).[1]在DFIG中,通過(guò)控制轉(zhuǎn)子電壓的模值和相位來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓和輸出功率的控制.

轉(zhuǎn)子磁鏈的dq分量分別為(以下均為標(biāo)么值)

ψqr=Lrriqr-Lmiqs

式中:ψdr,ψqr——轉(zhuǎn)子磁鏈d軸和q軸分量;

idr,iqr——轉(zhuǎn)子電流的d軸和q軸分量;

ids,iqs——發(fā)電機(jī)定子注入電流的d軸和q軸分量;

Lr——轉(zhuǎn)子的漏感;

Lm——定子和轉(zhuǎn)子之間的互感.

因此,轉(zhuǎn)子電流dq分量的表達(dá)式為:

(1)

(2)

轉(zhuǎn)子電壓的dq分量分別為:

(3)

(4)

式中:udr,uqr——轉(zhuǎn)子電壓d軸和q軸分量;

ωs——同步轉(zhuǎn)速;

ωb——轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)值;

rr——轉(zhuǎn)子電阻;

s——轉(zhuǎn)差.

將式(1)和式(2)代入式(3)和式(4),得到:

(5)

(6)

暫態(tài)電抗后電勢(shì)的dq分量定義為:

(7)

(8)

式中:ed,eq——暫態(tài)電抗后電勢(shì)的d軸和q軸分量.

(9)

(10)

式中: Ls——定子漏感;

X——開(kāi)路電抗,X=ωsLss，Lss=Ls+Lm;

X′——DFIG的暫態(tài)電抗.

結(jié)合式(9)和式(10),內(nèi)電勢(shì)的矢量微分方程可以表示為:

式中:

Is=ids+jiqs

也即:

(11)

在式(11)中,Eg為暫態(tài)電抗后電勢(shì)的矢量(發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢(shì)),其幅值由轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶喀穜的幅值決定.Ψr可以通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電壓矢量Ur進(jìn)行控制.由式(11)可以看出,Ur的改變會(huì)導(dǎo)致暫態(tài)電抗后電勢(shì)Eg的改變,而Eg是在定子中產(chǎn)生的,這樣就會(huì)影響DFIG的機(jī)端電壓和輸出功率.此外,T0=2.5 s,且由于ωs=2πf,等式的右邊起主導(dǎo)作用的是后面兩項(xiàng).

假設(shè)Eg對(duì)Ur改變的響應(yīng)非常快速,因此:

假定轉(zhuǎn)子電壓Ur的相角δr的改變會(huì)瞬時(shí)改變暫態(tài)電抗后電勢(shì)Eg的相角δg.由于功率控制環(huán)中PI環(huán)節(jié)的積分項(xiàng)在系統(tǒng)振蕩頻率下對(duì)控制器的輸出具有相對(duì)較小的影響,因此可以忽略不計(jì).為了阻尼分析,功率環(huán)的傳遞函數(shù)可以近似為kpp+(kip/s)≈Kp,kpa+(kia/s)≈K，且ga(s)≈1/(1+sT),暫態(tài)電抗后電勢(shì)的相角δg可以近似為δg≈δr.

由控制器作用而引起的發(fā)電機(jī)輸出功率的變化為:

線性化得到:

由轉(zhuǎn)差率變化引起的功率變化為:

式中:

1.2　 DFIG- PSS抑制低頻振蕩的原理

圖1為轉(zhuǎn)子磁鏈幅值和相角控制方案的功率控制環(huán).

圖1　 轉(zhuǎn)子磁鏈幅值和相角控制方案

功率環(huán)中所包含的滯后環(huán)節(jié)保證了DFIG具有小的正阻尼作用.對(duì)于通用測(cè)試系統(tǒng),圖2所示的矢量圖表明,如果PSS的作用是放大功率矢量ΔPe2并將其沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn),那么DFIG對(duì)系統(tǒng)阻尼的作用就會(huì)增大.功率矢量沿負(fù)虛軸方向的分量ΔPe2ω增大,從而使得發(fā)電機(jī)1功率矢量沿正虛軸方向的分量ΔPe1ω也增大.從同步發(fā)電機(jī)的觀點(diǎn)來(lái)看,這表示與轉(zhuǎn)子速度振蕩同相位的功率分量增大了,因而阻尼功率也增大了.在振蕩狀態(tài)下,DFIG注入系統(tǒng)的功率變化可以激發(fā)出同步發(fā)電機(jī)的附加阻尼.

圖2　 PSS提高發(fā)電機(jī)1阻尼時(shí)的系統(tǒng)矢量示意

24種典型的PSS模型

到目前為止,共有4種典型的PSS模型,[3]分別為CPSS模型、單神經(jīng)元PSS模型、自適應(yīng)PSS模型和多頻帶PSS模型,其中多頻帶PSS模型如圖3所示.

圖3　多頻帶 PSS模型

由于多頻帶PSS模型對(duì)阻尼比概率分布函數(shù)的改善效果較為明顯,[3]并具有簡(jiǎn)單易懂的優(yōu)點(diǎn),因此本文在算例分析中采用了多頻帶PSS模型.

3DFIG的控制方案及DFIG-PSS的安裝位置

3.1　電流模式控制

在電流模式控制中,轉(zhuǎn)子電流的q軸分量用于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩,d軸分量用于調(diào)節(jié)功率因數(shù)或機(jī)端電壓.

3.1.1轉(zhuǎn)矩控制

轉(zhuǎn)矩控制器的目標(biāo)是根據(jù)風(fēng)速的變化來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩,使得風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在期望的參考點(diǎn)上.

3.1.2電壓控制

電壓控制方案一般采用轉(zhuǎn)子側(cè)變流器來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)端的電壓控制或功率因數(shù)控制，也可以通過(guò)網(wǎng)側(cè)變流器實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率注入,但更傾向于采用轉(zhuǎn)子側(cè)變流器來(lái)實(shí)現(xiàn)DFIG的電壓控制.主要原因如下.

通過(guò)轉(zhuǎn)子的無(wú)功功率為:

當(dāng)Qr歸算到定子側(cè)時(shí)有:

(12)

由式(12)可以看出,注入轉(zhuǎn)子電路的無(wú)功功率被有效地放大了1/s倍.

3.2　轉(zhuǎn)子磁鏈幅值和相角控制

該控制方法通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康姆岛拖嘟莵?lái)對(duì)發(fā)電機(jī)的端電壓和輸出功率進(jìn)行控制,其結(jié)構(gòu)如圖4所示.從圖4可以看出,轉(zhuǎn)子磁鏈幅值和相角控制器由兩個(gè)不同的環(huán)組成:一個(gè)用于控制端電壓,而另一個(gè)用于控制發(fā)電機(jī)的輸出功率.其優(yōu)點(diǎn)是功率控制環(huán)與電壓控制環(huán)之間的相互影響較小.

功率控制環(huán)中,功率參考值Pe_ref是由風(fēng)力機(jī)的最大功率捕獲特性曲線(功率-轉(zhuǎn)速特性)決定的.電壓控制環(huán)和功率控制環(huán)都采用PI控制器,其中電壓控制環(huán)中還增加了額外的超前-滯后補(bǔ)償環(huán)節(jié),以保證合適的閉環(huán)穩(wěn)定裕度.

圖4　轉(zhuǎn)子磁鏈幅值和相角控制器模塊示意

3.3　轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制

轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制包括轉(zhuǎn)子磁鏈幅值和相角控制以及電流模式控制中的電壓控制.轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器的一般控制框圖及PSS的接入位置見(jiàn)圖5.

圖5　轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制框示意

圖5中,idr_ref和iqr_ref分別表示轉(zhuǎn)子電流控制參考值,Pref是有功功率控制參考值,其他為比例和積分系數(shù).在DFIG-PSS的輸出接口位置1和位置3時(shí),采用合適的方法調(diào)節(jié)DFIG-PSS的參數(shù),可以適當(dāng)增大系統(tǒng)的阻尼,抑制電力系統(tǒng)振蕩.文獻(xiàn)[4]基于暫態(tài)能量函數(shù)分析原理,提出雙饋風(fēng)電場(chǎng)模糊附加阻尼控制策略,結(jié)果表明,風(fēng)電機(jī)組無(wú)功功率環(huán)模糊附加阻尼控制在抑制傳輸線有功功率振蕩的同時(shí)，會(huì)顯著改善風(fēng)電機(jī)組軸系扭矩的振蕩,使電力系統(tǒng)區(qū)間低頻振蕩與風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈軸系扭振都受益.

4DFIG-PSS的輸入信號(hào)

DFIG-PSS的輸入信號(hào)可以選取雙饋感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)差、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、定子電磁功率、系統(tǒng)頻率或終端電壓.文獻(xiàn)[5]采用雙饋感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)差為輸入信號(hào),以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電壓相角;文獻(xiàn)[6]采用終端電壓作為PSS的輸入信號(hào);文獻(xiàn)[7]采用定子電磁功率作為PSS的輸入信號(hào),指出使用定子電磁功率作為PSS的輸入信號(hào),相比使用滑差或者網(wǎng)絡(luò)頻率,PSS的相位補(bǔ)償要求更簡(jiǎn)單.

5算例分析

圖6為3機(jī)系統(tǒng)單線結(jié)構(gòu)示意，該系統(tǒng)是在IEEE3機(jī)9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)[8]的基礎(chǔ)上修改而來(lái)的,其中風(fēng)電場(chǎng)由66臺(tái)1.5MW單機(jī)容量的雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成,總?cè)萘繛?9MW,雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組參數(shù)見(jiàn)參考文獻(xiàn)[9]附錄,各節(jié)點(diǎn)編號(hào)標(biāo)于圖6中.

圖6　3機(jī)系統(tǒng)單線結(jié)構(gòu)示意

同步發(fā)電機(jī)組采用3階模型,其勵(lì)磁系統(tǒng)和原動(dòng)機(jī)采用文獻(xiàn)[10]所示模型,3個(gè)負(fù)荷的日負(fù)荷曲線、同步發(fā)電機(jī)的有功出力和電壓運(yùn)行曲線、平衡機(jī)的電壓運(yùn)行曲線見(jiàn)參考文獻(xiàn)[10].風(fēng)電場(chǎng)的有功和電壓運(yùn)行曲線如圖7所示.

為了防止同步發(fā)電機(jī)組中PSS與DFIG-PSS之間的負(fù)相互作用,同步發(fā)電機(jī)組中均不安裝PSS.利用Fortran編程,求得系統(tǒng)的特征根,原系統(tǒng)的部分特征根見(jiàn)表1,模態(tài)分析圖見(jiàn)圖8.

圖7　風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行曲線

從振蕩頻率和模態(tài)分析圖可以看出,模態(tài)1和模態(tài)2屬于區(qū)域內(nèi)振蕩模態(tài),模態(tài)3屬于區(qū)間振蕩模態(tài).

表1　原系統(tǒng)機(jī)電振蕩特征值

圖8　機(jī)電振蕩模式

將DFIG-PSS的輸出端接在圖5中的位置1和位置3,模型采用上述的多頻帶PSS模型,由于需要改善3個(gè)頻帶,因此頻帶數(shù)選為3.選擇定子電磁功率作為DFIG-PSS的輸入信號(hào).PSS參數(shù)的選取按文獻(xiàn)[3]中的方法.系統(tǒng)機(jī)電振蕩特征值分別如表2和表3所示.比較表2和表3可知,DFIG-PSS的輸出端接口所在位置不同,模態(tài)1、模態(tài)2和模態(tài)3的阻尼比雖然均有所提高,但改善效果不同；此外,DFIG-PSS對(duì)區(qū)域內(nèi)振蕩和區(qū)間振蕩均有改善效果.

表2　 DFIG- PSS接入位置1后系統(tǒng)機(jī)電振蕩特征值

表3　 DFIG- PSS接入位置3后系統(tǒng)機(jī)電振蕩特征值

6結(jié)語(yǔ)

本文在分析DFIG-PSS抑制低頻振蕩原理的基礎(chǔ)上,給出了在不同DFIG控制方案中DFIG-PSS的輸出接口位置以及DFIG-PSS的輸入信號(hào).通過(guò)仿真分析驗(yàn)證了DFIG-PSS對(duì)抑制低頻振蕩的作用,以及DFIG-PSS的輸出接口位置對(duì)改善低頻振蕩效果的影響.

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(編輯胡小萍)

DOI：10.3969/j.issn.1006-4729.2015.04.009