匡洪海，吳政球，李圣清，李軍軍

(1．湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南株洲412007; 2．湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長沙410082)

DFIG-FMAC-PSS控制對風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性改善

匡洪海1，2，吳政球2，李圣清1，李軍軍1

(1．湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南株洲412007; 2．湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長沙410082)

風(fēng)電并網(wǎng)會(huì)對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生影響。為此本文考慮在雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(DFIG)上裝設(shè)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)，提出DFIG轉(zhuǎn)子磁鏈幅值和相角控制(FMAC)加PSS的控制方案。選用DFIG定子電功率作為PSS輸入信號(hào)，通過調(diào)節(jié)DFIG轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康姆岛拖嘟菍Πl(fā)電機(jī)的端電壓和輸出功率進(jìn)行控制，在大擾動(dòng)的情況下對風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。研究表明所提DFIG-FMAC-PSS的控制方案經(jīng)濟(jì)可行，在提供電壓控制、促進(jìn)阻尼作用和提高風(fēng)電并網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性方面優(yōu)于基于同步發(fā)電機(jī)的PSS解決方案。

雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī);暫態(tài)穩(wěn)定;電力系統(tǒng)穩(wěn)定器;風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng);磁鏈幅值和相角控制

1 引言

風(fēng)電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生影響，當(dāng)風(fēng)電場接入系統(tǒng)時(shí)，如何保證系統(tǒng)暫態(tài)性能不降低，小信號(hào)穩(wěn)定得以改善是急需解決的問題［1］。在同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電壓調(diào)節(jié)器(AVR)中裝設(shè)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)是提供額外阻尼的最經(jīng)濟(jì)解決方案之一，但在含有風(fēng)電的系統(tǒng)中這些裝置可能不再提供額外阻尼。比如若裝有這些裝置的同步發(fā)電機(jī)被切斷來調(diào)節(jié)風(fēng)力，其阻尼作用很明顯就喪失了。因此可考慮在雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(DFIG)上安裝PSS并進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，這樣風(fēng)力發(fā)電就可為增加機(jī)電振蕩阻尼提供一個(gè)經(jīng)濟(jì)有效的方法。

電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定問題常通過考慮同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子角穩(wěn)定性來評估［2，3］。風(fēng)力發(fā)電機(jī)對轉(zhuǎn)子角穩(wěn)定和功率振蕩的作用在文獻(xiàn)［4，5］中提及。大多數(shù)風(fēng)電場使用的是感應(yīng)發(fā)電機(jī)，而感應(yīng)發(fā)電機(jī)可能會(huì)帶來其他附加問題，比如電壓不穩(wěn)定［6］等。通過模型分析和動(dòng)態(tài)仿真可知在小信號(hào)擾動(dòng)條件下電力系統(tǒng)中風(fēng)場的并入將改善電力系統(tǒng)的角度行為，但可能會(huì)降低大擾動(dòng)條件下的電壓穩(wěn)定［7］。因此要全面評估系統(tǒng)穩(wěn)定，不僅要考慮同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角穩(wěn)定，也要考慮當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)消耗高無功功率時(shí)可能導(dǎo)致電壓不穩(wěn)定。這就需要對風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的暫態(tài)穩(wěn)定研究，目前在這方面的研究較少。文獻(xiàn)［8］提出在DFIG安裝PSS的想法，但沒有進(jìn)行進(jìn)一步的研究工作。

為全面評估系統(tǒng)穩(wěn)定，本文考慮用轉(zhuǎn)子角穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定來檢查風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定，提出DFIG的轉(zhuǎn)子磁鏈幅值和相角控制(FMAC)加PSS的控制方案。

2 DFIG數(shù)學(xué)模型

為進(jìn)行研究，DFIG必須使用一個(gè)合適的模型，DFIG的數(shù)學(xué)模型可以通過派克方程推導(dǎo)而來，這是計(jì)算仿真和構(gòu)建DFIG矢量控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。為分析、仿真和控制而描述DFIG最多的方法是按照交直軸系形成一個(gè)與定子磁通矢量同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系統(tǒng)，本文使用dq坐標(biāo)軸系下的動(dòng)態(tài)五階DFIG模型來描述風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)，五階函數(shù)模型如下［9］:

式中，d軸和q軸隨同步轉(zhuǎn)速ωs旋轉(zhuǎn);下標(biāo)s和r表示定子和轉(zhuǎn)子。

3 DFIG控制

DFIG的出現(xiàn)會(huì)對電網(wǎng)阻尼產(chǎn)生影響，為適應(yīng)電網(wǎng)振蕩，由DFIG注入電網(wǎng)的電流變化將導(dǎo)致同步發(fā)電機(jī)負(fù)載電流變化，會(huì)引起其阻尼繞組的電流增加以及相應(yīng)阻尼轉(zhuǎn)矩的增加。通過DFIG轉(zhuǎn)子磁通或內(nèi)電壓角度的適當(dāng)控制，系統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)增加阻尼轉(zhuǎn)矩的能力可進(jìn)一步提高。用角度控制方法，則PSS需要處理轉(zhuǎn)子磁通矢量相對定子磁通矢量的角坐標(biāo)問題，以便DFIG定子電流變化可增加電網(wǎng)中同步發(fā)電機(jī)的阻尼轉(zhuǎn)矩。

為了實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)端電壓的控制和其相位角的調(diào)整以及對電功率的控制，本文采用的FMAC方案控制思路是進(jìn)行轉(zhuǎn)子電壓矢量幅值的調(diào)整。對DFIG所裝設(shè)的AVR和PSS裝置而言，AVR進(jìn)行轉(zhuǎn)子電壓幅值調(diào)整，PSS進(jìn)行其角度調(diào)整，因此兩個(gè)控制輸出是獨(dú)立可用的。

3.1 FMAC方案

傳統(tǒng)的商標(biāo)侵權(quán)只涉及混淆行為，但隨著商標(biāo)反淡化理論與實(shí)踐的發(fā)展，商標(biāo)戲仿即便不具有混淆可能性，也有可能對馳名商標(biāo)產(chǎn)生淡化。所謂馳名商標(biāo)的淡化，可分為模糊性淡化和貶損性聲譽(yù)形成影響，即弱化和丑化。淡化導(dǎo)致同一商標(biāo)能指向多個(gè)所指，模糊了商標(biāo)所傳遞的出處信息。? 彭學(xué)龍著：《商標(biāo)法的符號(hào)學(xué)分析》，法律出版社2007年版，第317頁。商標(biāo)戲仿行為是否可能構(gòu)成淡化，這一問題值得探討。

風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)如圖1所示，當(dāng)發(fā)電機(jī)3是FMAC控制的DFIG時(shí)，占優(yōu)特征值會(huì)隨著發(fā)電機(jī)容量的增加慢慢向左半平面移動(dòng)。因此FMAC控制方案與電流模式(PVdq)控制方案不同，該控制方案對同步發(fā)電機(jī)1的阻尼是有幫助的，這說明FMAC控制方案在提供阻尼上起了主要作用。下面對DFIG中采用FMAC的控制方案進(jìn)行分析。

若用暫態(tài)電抗后的電勢來表示DFIG的動(dòng)態(tài)模型，則內(nèi)電勢EDfig的矢量微分方程可表示為:

圖1 風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)Fig．1 Wind power integrated system

FMAC控制方法通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康姆岛拖嘟莵韺Πl(fā)電機(jī)的端電壓和輸出功率進(jìn)行控制，其優(yōu)點(diǎn)是功率控制環(huán)和電壓控制環(huán)之間的相互影響較小，并且故障后的系統(tǒng)阻尼和電壓恢復(fù)能夠得到加強(qiáng)［10］，F(xiàn)MAC的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 DFIG的FMAC加PSS控制方案Fig．2 DFIG-FMAC-PSS control scheme

圖2中δDfig為內(nèi)電勢EDfig和定子端電壓Vs的夾角，由發(fā)電機(jī)的輸出功率決定。因內(nèi)電勢EDfig和轉(zhuǎn)子磁鏈正交，故轉(zhuǎn)子磁鏈與d軸間的夾角也為δDfig。

控制方案由兩個(gè)不同的環(huán)構(gòu)成，一個(gè)用于控制電壓，一個(gè)用于控制發(fā)電機(jī)的輸出功率。在電壓控制環(huán)中，端電壓幅值Vs和參考值Vsref的偏差作為誤差信號(hào)輸入到AVR補(bǔ)償器中，可得到DFIG內(nèi)電勢矢量的幅值參考值誤差EDfigref。在功率控制環(huán)中，功率參考值Peref由風(fēng)力機(jī)的最大功率捕獲特性曲線確定。將發(fā)電機(jī)的輸出功率Pe與其參考值Peref之間的偏差值作為基本誤差信號(hào)輸入到補(bǔ)償器，以產(chǎn)生控制矢量相對于定子電壓矢量的相角參考值δDfigref［9］。

電壓控制環(huán)和功率控制環(huán)采用PI控制器，其中電壓控制環(huán)中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)定域度。

控制器A根據(jù)參考值信號(hào)EDfigref和δDfigref產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電壓矢量Vr的幅值和相角，具有額外超前-滯后補(bǔ)償環(huán)節(jié)的PI控制器為各自的閉環(huán)提供了合適的響應(yīng)速度和穩(wěn)定裕度。最后將轉(zhuǎn)子電壓矢量Vr從極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到dq直角坐標(biāo)系以得到Vdr和Vqr，并用于PWM發(fā)生器以控制轉(zhuǎn)子側(cè)的開關(guān)狀態(tài)［9］。

3.2 FMAC加PSS控制方案

當(dāng)DFIG采用FMAC控制時(shí)，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。圖1中代表風(fēng)電場的發(fā)電機(jī)3為DFIG，在前述FMAC基本控制方案中加入輔助的PSS控制環(huán)，這樣阻尼的作用可大大加強(qiáng)。在系統(tǒng)振蕩狀態(tài)下，DFIG注入系統(tǒng)的變化功率可以激發(fā)出系統(tǒng)中同步發(fā)電機(jī)的附加阻尼。理論上PSS的輸入信號(hào)可以是DFIG對系統(tǒng)振蕩有影響的任一測量控制輸出信號(hào)，比如DFIG轉(zhuǎn)速、滑差、定子電功率或電網(wǎng)頻率。PSS的輸出信號(hào)被引入到基本控制方案中，即將其加入到功率環(huán)的參考設(shè)定點(diǎn)上。

本文采用DFIG定子電功率作為PSS測量輸入信號(hào)。定子電功率易于測量，廣泛用于同步發(fā)電機(jī)的PSS。在DFIG中，使用定子功率作為輸入信號(hào)跟使用滑差或電網(wǎng)頻率比，PSS的相位補(bǔ)償條件更簡單，盡管定子電功率隨渦輪機(jī)轉(zhuǎn)矩變化，但所用滯后補(bǔ)償器的低增益特性可確保PSS輸出信號(hào)變化相對較小，因此選用定子電功率作為最合適的PSS輸入信號(hào)。

PSS輸出信號(hào)可置于圖2功率環(huán)內(nèi)相加點(diǎn)(1)或外相加點(diǎn)(2)處［11］。在DFIG控制方案中一般常將外相加點(diǎn)(2)選做PSS運(yùn)行場合，因外相加點(diǎn)(2)在基本控制器A的外面，故本文選外相加點(diǎn)(2)處作為PSS的信號(hào)接入點(diǎn)。

PSS輸入信號(hào)首先通過高通濾波的消除環(huán)節(jié)處理，然后通過補(bǔ)償器反饋，這樣可提供合適的增益和相位補(bǔ)償以確保適當(dāng)?shù)目刂菩阅芎蛯ο到y(tǒng)的正阻尼作用。

圖2中FMAC控制器和PSS的控制參數(shù)和傳遞函數(shù)如下［9］:

4 風(fēng)電并網(wǎng)測試系統(tǒng)

裝有PSS的DFIG組成的風(fēng)電場在電力系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)行為可用圖1所示的簡單風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)來研究。并網(wǎng)系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)1和2為汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的同步發(fā)電機(jī)，皆配有調(diào)速器和勵(lì)磁控制，使用標(biāo)準(zhǔn)6階模型來描述，兩同步發(fā)電機(jī)都有AVR控制的靜態(tài)勵(lì)磁方案;發(fā)電機(jī)3為DFIG，裝有PSS。發(fā)電機(jī)1模擬額定容量為800MVA的地區(qū)火力發(fā)電廠;發(fā)電機(jī)2模擬額定容量為4000MVA的系統(tǒng);發(fā)電機(jī)3模擬額定容量為60MVA的DFIG風(fēng)電場，由6臺(tái)額定容量為10MVA的DFIG發(fā)電機(jī)組組成。在母線2和3處分別接有負(fù)載1和負(fù)載2，并網(wǎng)系統(tǒng)的電壓等級(jí)為500kV。假設(shè)故障發(fā)生在靠近發(fā)電機(jī)1處的線路L12上，在t=3.0～3.15s發(fā)生三相短路，在同步發(fā)電機(jī)1和2間的功角差大于3×360°時(shí)風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真停止。

下面對風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)在以下幾種情況下的穩(wěn)定性進(jìn)行研究分析。

(1)情形1:無PSS控制的DFIG風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)

仿真結(jié)果如圖3～圖5所示。同許多FACTS控制器一樣，DFIG通過調(diào)節(jié)其功率輸出也可改善機(jī)電振蕩模式的阻尼。但在FACTS的情況下要實(shí)現(xiàn)這并不容易，因?yàn)殡娮釉O(shè)備不直接參與機(jī)電振蕩。盡管DFIG有提供額外阻尼的能力，使用DFIG可提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，但從圖3～圖5可看出在短路故障切除后，當(dāng)兩同步發(fā)電機(jī)的功角差大于3 ×360°時(shí)系統(tǒng)仿真停止，發(fā)電機(jī)1與發(fā)電機(jī)2失去同步，風(fēng)電發(fā)電機(jī)組3不能實(shí)現(xiàn)故障穿越，線路功率大幅擺動(dòng)。這表明沒有安裝PSS的DFIG風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)在故障后經(jīng)過一段時(shí)間的振蕩就會(huì)失去穩(wěn)定。

(2)情形2:有PSS控制的DFIG風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)

情形2時(shí)在DFIG風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)中裝設(shè)PSS，圖6～圖8為情形2在t=3.0～3.15s時(shí)線路L12發(fā)生三相短路以及故障切除后的仿真結(jié)果。很顯然在情形2下，由于PSS的引入可避免風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)組失去同步，與無PSS控制的情形1仿真結(jié)果對比可知:在同步發(fā)電機(jī)裝設(shè)PSS能使系統(tǒng)故障切除后電壓逐步恢復(fù)到穩(wěn)定值，兩同步發(fā)電機(jī)間的功角差也趨于恒定值，風(fēng)電機(jī)組可實(shí)現(xiàn)故障穿越，系統(tǒng)最終趨于穩(wěn)定，因此PSS可使風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性得以改善。

圖3 情形1母線1、2、3的電壓和母線1處傳輸功率Fig．3 Voltage of bus 1，2，3 and power at bus 1 under condition 1

圖4 情形1發(fā)電機(jī)1、2的功角差、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、定子電壓Fig．4 Power angle difference，rotor speed，stator voltage of generator 1 and 2 under condition 1

圖5 情形1風(fēng)電場的端電壓和傳輸功率Fig．5 Voltage and power ofwind farm under condition 1

圖6 情形2母線1、2、3的電壓和母線1處傳輸功率Fig．6 Voltage of bus 1，2，3 and power at bus 1 under condition 2

圖7 情形2發(fā)電機(jī)1、2的功角差、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、定子電壓Fig．7 Power angle difference，rotor speed，stator voltage of generator 1 and 2 under condition 2

(3)情形3:DFIG-FMAC-PSS控制的DFIG風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)

情形3是在情形2的基礎(chǔ)上增加了FMAC的控制方案，即DFIG采用FMAC控制，但PSS裝設(shè)在DFIG中，PSS的輸入信號(hào)為定子功率，而PSS的輸出信號(hào)加在DFIG功率控制環(huán)的參考值設(shè)定點(diǎn)上，即前文圖2所示的相加點(diǎn)(2)處。

在t=3.0～3.15s時(shí)，風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的線路L12發(fā)生三相短路，仿真結(jié)果如圖9～圖11所示。與情形2的仿真結(jié)果對比可知，使用FMAC加PSS控制方案，在故障切除后電壓系統(tǒng)經(jīng)過短暫振蕩能迅速恢復(fù)同步，可完美實(shí)現(xiàn)故障穿越。這表明FMAC和PSS結(jié)合的控制策略能大大減少功角、電壓波形以及輸出功率的振蕩，使DFIG風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性大大提高，系統(tǒng)迅速恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖8 情形2風(fēng)電的端電壓和傳輸功率Fig．8 Voltage and power ofwind farm under condition 2

圖9 情形3母線1、2、3的電壓和母線1處傳輸功率Fig．9 Voltage of bus 1，2，3 and power at bus 1 under condition 3

5 結(jié)論

研究表明適當(dāng)調(diào)節(jié)安裝在DFIG里PSS可增加機(jī)電振蕩阻尼。盡管調(diào)節(jié)裝在同步發(fā)電機(jī)里的PSS方法已得到充分發(fā)展，但調(diào)節(jié)裝在DFIG里的PSS這個(gè)方法相對更簡單。作為整體策略的一部分，PSS可與其他裝置配合調(diào)節(jié)，本文在DFIG中采用PSS和FMAC結(jié)合的方案，當(dāng)DFIG采用FMAC控制時(shí)，功率環(huán)中的滯后環(huán)節(jié)保證了DFIG具有小的正阻尼作用。因此與基于同步發(fā)電機(jī)的PSS解決方案相比，DFIG-FMAC-PSS的控制策略能更好地提供電壓控制，促進(jìn)阻尼作用，提高風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定。

圖10 情形3發(fā)電機(jī)1、2的功角差、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、定子電壓Fig．10 Power angle difference，rotor speed，stator voltage of generator 1 and 2 under condition 3

圖11 情形3風(fēng)電場的端電壓和傳輸功率Fig．11 Voltage and power ofwind farm under condition 3

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Transient stability im provement of w ind power integrated system based on DFIG-FMAC-PSS control

KUANG Hong-hai1，2，WU Zheng-qiu2，LISheng-qing1，LIJun-jun1
(1．College of Electrical and Information，Hunan University of Technology，Zhuzhou 412007，China; 2．College of Electrical and Information，Hunan University，Changsha 410082，China)

Wind power connected to the grid will have impact to safe and stable operation of electric power system．So power system stabilizer(PSS)installed in doubly-fed induction generator(DFIG)is considered，and the control scheme of PSS along with flux magnitude and angle controller(FMAC)used in DFIG is proposed in this paper．Stator electric power of DFIG is chosen as input signal of PSS，and output Power and voltage of the generator are controlled by adjusting rotor flux vectormagnitude and phase angle of DFIG．Under the situation of large disturbance，the stability ofwind power integrated system is researched，and the research results show that the proposed DFIG-FMAC-PSS scheme in this paper is economic and feasible．Moreover this solution scheme of DFIG-FMACPSS is superior to the PSS control scheme based on the conventional synchronous generator，and provides voltage control，promotes damping and improves transient stability performance of wind power integrated system．

Doubly-Fed Induction Generator(DFIG);transient stability;Power System Stabilizer(PSS);wind power integrated system;Flux Magnitude and Angle Controller(FMAC)

TM71

A

1003-3076(2015)01-0035-06

2012-12-13

國家自然科學(xué)基金(51077046)、湖南省教育廳科研項(xiàng)目(12C0054)、湖南工業(yè)大學(xué)自然科學(xué)基金(2011HZX08)資助項(xiàng)目

匡洪海(1972-)，女，湖南籍，副教授，博士研究生，研究方向?yàn)榉植际桨l(fā)電和停電管理;吳政球(1963-)，男，湖南籍，教授，博士，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析和穩(wěn)定控制。