風(fēng)電并網(wǎng)抑制系統(tǒng)振蕩控制策略研究

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(kāi)發(fā)有限公司，四川 成都610000）

近年來(lái)，隨著風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量不斷增大，建設(shè)百萬(wàn)千瓦級(jí)風(fēng)電場(chǎng)（風(fēng)電基地）和實(shí)現(xiàn)大規(guī)模風(fēng)電跨區(qū)遠(yuǎn)送成為風(fēng)電發(fā)展的戰(zhàn)略重點(diǎn)[1]。我國(guó)的大型風(fēng)電場(chǎng)通常分布在偏遠(yuǎn)的地區(qū)，它們遠(yuǎn)離電力負(fù)荷中心，因此其輸電線(xiàn)往往具有長(zhǎng)距離和重負(fù)荷的特點(diǎn)[2-3]。隨著基于DFIG 的風(fēng)電場(chǎng)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(kāi)始變成社會(huì)熱點(diǎn)。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，本文通過(guò)研究DFIG 的有功無(wú)功調(diào)節(jié)能力，在DFIG 的有功控制環(huán)上設(shè)計(jì)了輔助阻尼控制器。控制器采用傳輸線(xiàn)的有功功率作為反饋信號(hào)，使用模糊邏輯方法設(shè)計(jì)了一種最優(yōu)阻尼控制器。模糊控制器的主要優(yōu)點(diǎn)是它們不需要系統(tǒng)的詳細(xì)數(shù)學(xué)建模，模糊方法還可以克服系統(tǒng)的非線(xiàn)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(qiáng)大的性能。

此外，在本文中，為了易于設(shè)計(jì)和實(shí)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(shí)，使用了標(biāo)準(zhǔn)化的模糊隸屬函數(shù)。

1 雙饋風(fēng)機(jī)數(shù)學(xué)模型

為簡(jiǎn)單計(jì)算，雙饋風(fēng)電場(chǎng)采用單機(jī)等值模型。雙饋風(fēng)電場(chǎng)獲取風(fēng)的動(dòng)能并以旋轉(zhuǎn)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩的形式傳遞，如公式（1）所示，

風(fēng)力機(jī)提取的機(jī)械扭矩通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)傳輸?shù)桨l(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子。動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)通常由兩個(gè)質(zhì)量模型描述，如公式（2）至公式（4）所示，

在DFIG 中，發(fā)電機(jī)是繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子感應(yīng)發(fā)電機(jī)，定子和轉(zhuǎn)子繞組都連接到網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于電力系統(tǒng)穩(wěn)定性研究，通常會(huì)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模。在這種情況下，d-q 參考系內(nèi)的轉(zhuǎn)子電動(dòng)力學(xué)描述如下。

2 模糊阻尼控制器設(shè)計(jì)

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

但是，由于MPPT 控制無(wú)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(dòng)力學(xué)無(wú)關(guān)。另一方面，風(fēng)電場(chǎng)的慣性響應(yīng)會(huì)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(gè)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(jì)所提出的阻尼控制器。模糊控制器通常接收兩個(gè)輸入作為控制反饋信號(hào)的誤差和誤差變化率。

首先，將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模糊值。在本文中，為了便于設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)模糊隸屬度函數(shù)（MFs），將輸入信號(hào)按增益K1 和K2 在[-1，1]范圍內(nèi)進(jìn)行縮放。

其次，通過(guò)將MFs 進(jìn)行歸一化確定輸入變量對(duì)模糊集的隸屬度。對(duì)于每個(gè)輸入和輸出變量，將考慮七個(gè)模糊值，例如：NB=負(fù)大，NM=負(fù)中，NS=負(fù)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(jìn)行模糊化處理，即是將模糊值轉(zhuǎn)換為準(zhǔn)確值的過(guò)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(cè)試控制方法的有效性，選擇標(biāo)準(zhǔn)的四機(jī)兩區(qū)域系統(tǒng)作為測(cè)試系統(tǒng)，四機(jī)兩區(qū)域系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[4]。將雙饋風(fēng)電場(chǎng)接入到該系統(tǒng)區(qū)域1 中，風(fēng)電場(chǎng)由75 臺(tái)2MW 的雙饋風(fēng)電機(jī)組構(gòu)成。

在MATLAB / Simulink 軟件中對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)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(yàn)證附加阻尼控制器的有效性，在系統(tǒng)運(yùn)行至15s 時(shí)，在兩區(qū)域系統(tǒng)傳輸線(xiàn)上設(shè)置三相短路故障，故障持續(xù)時(shí)間為0.1s。為了分析風(fēng)電場(chǎng)有功附加阻尼控制器的效果，將系統(tǒng)在沒(méi)有附加控制，常規(guī)PSS 附加控制和改進(jìn)的附加阻尼控制三種情況下的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(xiàn)有功功率振蕩曲線(xiàn)仿真結(jié)果，圖4 所示為發(fā)電機(jī)組1 與發(fā)電機(jī)組4 之間的振蕩模式。

通過(guò)圖3 可以看出，在風(fēng)電機(jī)組采用有功功率附加阻尼控制器的情況下，傳輸線(xiàn)有功功率的動(dòng)態(tài)特性能夠更快的達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，減少系統(tǒng)的振蕩時(shí)間。通過(guò)三種不同方法的仿真情況對(duì)比可以看出，采用改進(jìn)附加阻尼控制器得到的系統(tǒng)動(dòng)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(xiàn)有功功率振蕩曲線(xiàn)

圖4 三種情況下發(fā)電機(jī)組1 與發(fā)電機(jī)組4 振蕩模式曲線(xiàn)

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(jī)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(xiàn)的有功功率作為輸入信號(hào)，在系統(tǒng)發(fā)生低頻振蕩期間，通過(guò)雙饋風(fēng)電場(chǎng)的有功功率調(diào)節(jié)能力，為電力系統(tǒng)產(chǎn)生阻尼。通過(guò)在四機(jī)兩區(qū)域系統(tǒng)測(cè)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(dòng)下的電力系統(tǒng)低頻振蕩。該控制器通過(guò)為系統(tǒng)提供阻尼保障了電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。