許?寅，王佳璇，吳翔宇，王思家，陳?剛

水光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)超低頻振蕩抑制控制策略研究

許?寅1，王佳璇1，吳翔宇1，王思家1，陳?剛2

(1. 北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京 100044；2. 國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，成都 610041)

針對水電高占比的水光互補(bǔ)系統(tǒng)中存在的振蕩頻率低于0.1Hz的超低頻振蕩問題，提出了兩種振蕩抑制控制策略．首先，對由水輪機(jī)和調(diào)速器構(gòu)成的開環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了阻尼轉(zhuǎn)矩分析，得出水輪機(jī)和調(diào)速器的負(fù)阻尼效應(yīng)是造成超低頻振蕩的主要原因．其次，為了補(bǔ)償負(fù)阻尼效應(yīng)造成的相位滯后，提出水電機(jī)組調(diào)速器串聯(lián)校正控制方法，并通過阻尼轉(zhuǎn)矩分析證明串聯(lián)校正可以有效改善超低頻段的阻尼特性；構(gòu)建了串聯(lián)校正控制參數(shù)優(yōu)化整定模型，利用粒子群優(yōu)化算法求解控制參數(shù)．然后，利用光伏有功功率對系統(tǒng)頻率的調(diào)節(jié)能力，提出了光伏有功附加控制器，并通過理論分析證明了光伏附加控制可以提升系統(tǒng)阻尼；考慮到光伏出力的間歇性和波動性，進(jìn)一步設(shè)計了自適應(yīng)調(diào)節(jié)系數(shù)以適應(yīng)光伏特性．最后，通過基于PSCAD/EMTDC平臺構(gòu)建的四川省某地區(qū)水光互補(bǔ)系統(tǒng)仿真模型對控制方法進(jìn)行了測試：在水電機(jī)組中加入串聯(lián)校正環(huán)節(jié)，對系統(tǒng)頻率進(jìn)行對比分析，驗證了串聯(lián)校正控制對超低頻振蕩的抑制效果；在光伏中加入有功附加控制器，對比分析了光伏預(yù)留不同比例出力的情況下對超低頻振蕩的抑制效果，預(yù)留比例越大時抑制效果越好，但需要兼顧光伏發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性以充分利用光伏容量．仿真結(jié)果表明，本文所提的兩種控制方法對超低頻振蕩均有較好的抑制效果．

水光互補(bǔ)；振蕩抑制；阻尼轉(zhuǎn)矩分析；超低頻振蕩；水錘效應(yīng)

隨著清潔能源的迅速發(fā)展，分布式光伏大量接入電網(wǎng)，然而受光照和溫度的影響，其出力的隨機(jī)性和波動性對光伏消納和系統(tǒng)穩(wěn)定運行提出挑戰(zhàn)．我國的水能資源十分豐富，水電裝機(jī)容量世界第一，其中小水電機(jī)組約占23.5%．水力發(fā)電具有靈活啟動、快速調(diào)節(jié)的特點[1]，在小水電流域內(nèi)安裝分布式光伏發(fā)電，形成分布式光伏與小水電互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)(簡稱水光互補(bǔ)系統(tǒng))，可利用水電的靈活調(diào)節(jié)特性平抑光伏的出力波動，對提升光伏消納能力、增強(qiáng)系統(tǒng)總體可調(diào)度能力、實現(xiàn)多時間尺度多能互補(bǔ)具有重要意義[2].

然而，在高比例水電系統(tǒng)中，由于水電機(jī)組的“水錘效應(yīng)”和調(diào)速器的參數(shù)設(shè)置不合理，水電機(jī)組將會向系統(tǒng)提供負(fù)阻尼，從而引發(fā)超低頻振蕩[3]．超低頻振蕩是指振蕩頻率低于0.1Hz的頻率振蕩現(xiàn)象，區(qū)別于傳統(tǒng)的低頻振蕩，此現(xiàn)象是全網(wǎng)頻率的同步振蕩[4]．2016年4月，在南方電網(wǎng)和云南電網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)的實驗中，發(fā)生了長達(dá)半個小時的嚴(yán)重超低頻振蕩事故，在解除水輪機(jī)的一次調(diào)頻功能后，振蕩逐漸消失[5]．此外，2011年哥倫比亞電網(wǎng)[6]、2012年錦蘇直流送端孤島系統(tǒng)[7]、2017年云廣特高壓直流孤島系統(tǒng)[8]等都發(fā)生了超低頻振蕩事故．對于水光互補(bǔ)系統(tǒng)，光伏隨機(jī)波動進(jìn)一步惡化了穩(wěn)定問題，超低頻振蕩成為制約水電與光伏消納和送出的重要因素，因此研究水光互補(bǔ)系統(tǒng)的超低頻振蕩抑制控制措施具有重要意義．

已有研究表明，超低頻振蕩與水電機(jī)組的一次調(diào)頻過程強(qiáng)相關(guān)，因此超低頻振蕩的抑制措施大多采用優(yōu)化水輪機(jī)調(diào)速器控制參數(shù)的方法．文獻(xiàn)[9]使用PSO優(yōu)化算法整定調(diào)速器參數(shù)從而提高阻尼轉(zhuǎn)矩抑制超低頻振蕩；文獻(xiàn)[10]基于阻尼轉(zhuǎn)矩法，分析出比例參數(shù)和積分參數(shù)比值過小從而導(dǎo)致阻尼系數(shù)小是發(fā)生超低頻振蕩的內(nèi)在原因，并提出最優(yōu)PID參數(shù)的整定方法；文獻(xiàn)[11]的分析結(jié)果表明，永態(tài)差值系數(shù)和水錘系數(shù)過小會造成負(fù)阻尼，并提出GA-PSO 優(yōu)化算法進(jìn)行參數(shù)整定；文獻(xiàn)[12]提出了一種考慮多方式魯棒穩(wěn)定約束條件下最大化系統(tǒng)跟蹤性能的調(diào)速器參數(shù)優(yōu)化方法；文獻(xiàn)[13]使用狀態(tài)子空間辨識算法和改進(jìn)粒子群算法用于調(diào)速器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計．以上研究主要通過適當(dāng)調(diào)整調(diào)速器控制參數(shù)抑制超低頻振蕩，然而，超低頻振蕩抑制與一次調(diào)頻對調(diào)速器控制參數(shù)的要求存在矛盾，為了抑制超低頻振蕩將犧牲一次調(diào)頻性能，會導(dǎo)致頻率調(diào)節(jié)速度可能無法滿足要求．因此，亟待研究兼顧超低頻振蕩抑制和一次調(diào)頻性能的水電側(cè)超低頻振蕩抑制控制方法．

此外，分布式光伏具有靈活的控制能力，可為振蕩抑制提供更多的靈活控制資源．但目前對于利用光伏抑制振蕩的研究主要聚焦在低頻振蕩方面，通過在光伏逆變器的控制環(huán)中引入附加阻尼控制以抑制低頻振蕩．文獻(xiàn)[14]基于相關(guān)辨識法提出光伏廣域阻尼控制器；文獻(xiàn)[15-16]提出使用全部的有功功率調(diào)節(jié)能力用于阻尼控制或者留出一半的有功出力以便為阻尼控制提供充足的裕度；文獻(xiàn)[17]提出了基于自抗擾控制的光伏電站有功附加阻尼控制；文獻(xiàn)[18]使用綜合功率調(diào)制設(shè)計光伏廣域附加阻尼控制器．然而，如何設(shè)計光伏逆變器的阻尼控制器，以抑制超低頻振蕩現(xiàn)象，目前極少有文獻(xiàn)研究．

為此，本文針對水光互補(bǔ)系統(tǒng)存在的超低頻振蕩問題，分別從水電機(jī)組和分布式光伏發(fā)電出發(fā)，提出了兩種超低頻振蕩抑制控制策略．首先對水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行阻尼轉(zhuǎn)矩分析，揭示超低頻振蕩的基本機(jī)理和影響因素；其次，對于水電機(jī)組通過在調(diào)速側(cè)采用串聯(lián)校正環(huán)節(jié)，補(bǔ)償調(diào)速器和水輪機(jī)產(chǎn)生的滯后相位，改善水電機(jī)組的阻尼特性，能夠在不犧牲一次調(diào)頻性能的前提下抑制超低頻振蕩；然后，對于光伏提出了有功附加控制方法，根據(jù)頻率的偏差動態(tài)調(diào)整有功出力，為系統(tǒng)振蕩提供正阻尼，并設(shè)計控制參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法以應(yīng)對光伏出力的波動特性；最后，對四川某地區(qū)的實際水光互補(bǔ)系統(tǒng)構(gòu)建時域仿真模型，驗證所提出控制方法的有效性．

1?阻尼轉(zhuǎn)矩分析原理介紹

水電機(jī)組水輪機(jī)和調(diào)速器的模型見圖1．圖中的?m是原動機(jī)調(diào)速器機(jī)械功率的偏差值；?是轉(zhuǎn)速的偏差值；ref是轉(zhuǎn)速參考值．

圖1?水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)

水輪機(jī)的傳遞函數(shù)h()表達(dá)式為

式中W為水輪機(jī)的水錘系數(shù)，取值在滿載時一般為0.5～4s．

調(diào)速器的傳遞函數(shù)gov()表達(dá)式為

式中：PID()是PID型調(diào)速器的傳遞函數(shù)；G()是伺服系統(tǒng)的傳遞環(huán)數(shù)，它們的具體表達(dá)式為

式中：P、I、D分別是比例、積分、微分系數(shù)；p是調(diào)差系數(shù)；G是伺服系統(tǒng)的時間常數(shù)．

定義()＝gov()h()為調(diào)速系統(tǒng)傳遞函數(shù)．下面使用阻尼轉(zhuǎn)矩法，對水電調(diào)速系統(tǒng)的阻尼進(jìn)行分析[19]．發(fā)電機(jī)的運動方程為

式中：J是慣性時間常數(shù)；m是機(jī)械功率；e是電磁功率；是阻尼系數(shù)；0是基準(zhǔn)角頻率；是發(fā)電機(jī)相角．

當(dāng)系統(tǒng)振蕩角頻率為s時，令＝j(luò)s代入式(5)，則轉(zhuǎn)速偏差的表達(dá)式可以寫為

則s下的水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)傳遞函數(shù)可以寫為

將式(6)代入式(7)，得到

式中：DT是阻尼轉(zhuǎn)矩；ST是同步轉(zhuǎn)矩．轉(zhuǎn)矩之間的位置關(guān)系如圖2所示．

當(dāng)阻尼轉(zhuǎn)矩T＜0時，gov()和h()都是滯后環(huán)節(jié)，-m的相位滯后于?，水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)整體提供負(fù)阻尼，會導(dǎo)致超低頻振蕩的發(fā)生．因此，在抑制超低頻振蕩時，需要設(shè)計控制器補(bǔ)償系統(tǒng)滯后的相位，提高系統(tǒng)的阻尼系數(shù)．

2?水電機(jī)組串聯(lián)校正控制

2.1?控制結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了在滿足一次調(diào)頻性能的同時抑制超低頻振蕩，本文提出了一種使用超前校正的串聯(lián)校正環(huán)節(jié)，補(bǔ)償調(diào)速器和水輪機(jī)滯后的相位，將其加入到調(diào)速系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)框圖見圖3．

圖3?串聯(lián)校正控制框圖

串聯(lián)校正環(huán)節(jié)c()的表達(dá)式為

式中：1、2、3、4為時間常數(shù)；c為增益，各超前校正系數(shù)在整定時，一般需要滿足1＞2＞0，3＞4＞0，c＞0．

加入串聯(lián)校正環(huán)節(jié)后，產(chǎn)生超前的相位，阻尼轉(zhuǎn)矩由負(fù)變正，為系統(tǒng)提供正阻尼，可有效抑制超低頻振蕩．

圖4給出了有/無串聯(lián)校正時阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)對比.由圖4可以看出，對于無串聯(lián)校正控制器的水電機(jī)組，在超低頻段的負(fù)阻尼非常大，系統(tǒng)容易發(fā)生超低頻振蕩；當(dāng)加入串聯(lián)校正控制器后，系統(tǒng)在超低頻頻段的阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)有明顯改善，由此可說明：①水電機(jī)組產(chǎn)生的負(fù)阻尼是造成超低頻振蕩現(xiàn)象發(fā)生的重要原因；②在水電機(jī)組的調(diào)速側(cè)引入串聯(lián)校正控制器抑制超低頻振蕩具備可行性．

圖4?阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)比較

2.2?控制參數(shù)整定

為了優(yōu)化整定水電機(jī)組串聯(lián)校正環(huán)節(jié)的控制參數(shù)，定義反映調(diào)速側(cè)開環(huán)模型在超低頻段的阻尼水平指標(biāo)函數(shù)為

式中T()為調(diào)速系統(tǒng)傳遞函數(shù)()在關(guān)注頻率范圍內(nèi)的阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)代數(shù)之和．求解時頻率上限可取為0.1Hz，下限可取為0.01Hz．由此可以得到描述串聯(lián)校正參數(shù)優(yōu)化問題的優(yōu)化模型，見式(11)．

式中cmin、cmax、Tmin、Tmax(＝1，2，3，4)為相應(yīng)參數(shù)的上、下限．利用粒子群優(yōu)化算法[20]對上述參數(shù)優(yōu)化模型求解，可得到單臺水電機(jī)組的最優(yōu)串聯(lián)校正控制參數(shù)．粒子群優(yōu)化算法求解流程如圖5所示．

粒子群優(yōu)化算法是一種受動物種群行為得出的隨機(jī)優(yōu)化方法．首先生成一個速度和位置隨機(jī)的粒子種群，每個粒子從自身的起始位置開始，在有限的空間內(nèi)進(jìn)行搜索；以阻尼水平指標(biāo)函數(shù)作為對粒子位置的評價函數(shù)，然后通過每個粒子的移動和整個種群最優(yōu)值的更新來實現(xiàn)對最優(yōu)解的尋找．

圖5?粒子群優(yōu)化算法求解流程

3?光伏有功附加控制

本節(jié)設(shè)計了光伏的有功附加控制方法，抑制超頻振蕩．所設(shè)計控制方法的本質(zhì)是根據(jù)系統(tǒng)振蕩時產(chǎn)生的頻率偏差，動態(tài)調(diào)整有功出力，為系統(tǒng)提供正阻尼，參與頻率穩(wěn)定控制．本文提出的附加控制器結(jié)構(gòu)見圖6，其中光伏功率控制器結(jié)構(gòu)見圖7．

圖6?光伏附加控制器結(jié)構(gòu)

圖7?光伏功率控制器結(jié)構(gòu)

光伏附加控制器的表達(dá)式為

下面闡述所設(shè)計的光伏附加控制器的控制原理．根據(jù)系統(tǒng)功率平衡可得

式中：?e是電磁功率變化量；?PV是光伏出力變化量；?L是負(fù)荷的變化量，忽略負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)，即認(rèn)為?L＝0，可得

將式(14)與式(8)代入式(5)中，得到

根據(jù)式(15)可得到系統(tǒng)的阻尼比為

根據(jù)式(16)可以看出，附加控制器的控制系數(shù)影響阻尼比的變化．通過增大控制器系數(shù)，可以增大系統(tǒng)的阻尼，從而抑制超低頻振蕩．

然而，水光互補(bǔ)系統(tǒng)中一般存在多個光伏電站，它們分布在不同的地區(qū)，受到當(dāng)?shù)靥鞖獾挠绊?，出力并不能總是維持在最大功率，因此控制器的調(diào)節(jié)系數(shù)需要跟隨變化．為了實現(xiàn)多光伏機(jī)組對超低頻振蕩的協(xié)調(diào)控制，各機(jī)組承擔(dān)的控制任務(wù)應(yīng)該根據(jù)實際出力進(jìn)行合理調(diào)整．當(dāng)天氣條件好，光伏出力多時，要適當(dāng)增大控制系數(shù)；反之，則控制系數(shù)適當(dāng)減?。虼耍谂_光伏的自適應(yīng)調(diào)節(jié)系數(shù)K為

式中：是光伏容量；K是光伏按容量設(shè)置的原始調(diào)節(jié)系數(shù)；maxi是當(dāng)前環(huán)境條件下光伏的最大出力．

4?算例設(shè)計

本文基于PSCAD/EMTDC仿真平臺建立了四川省某地區(qū)水光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，對所提控制方法進(jìn)行對比驗證，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖8所示．該地位于川西高原，本地消納清潔能源的能力較差，大部分電能通過220kV雙回線路外送．當(dāng)災(zāi)害、檢修或故障發(fā)生時，該地電網(wǎng)將改為離網(wǎng)運行，高比例的水電導(dǎo)致該地極易發(fā)生超低頻振蕩現(xiàn)象．

圖8?四川某地區(qū)水光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)中包括CCB、MP、YJW、HJQ、MGQ 5個水電站和XNH和MX兩個光伏電站．水電總?cè)萘繛?80MW，光伏總?cè)萘繛?0MW．本地負(fù)荷為60MW+ 10Mvar．各個水電、光伏電站的裝機(jī)情況見表1．

表1?水光互補(bǔ)系統(tǒng)水電、光伏電站裝機(jī)情況

Tab.1 Installed hydropower and photovoltaic power sta-tions in the hydro-PV complementary system

系統(tǒng)中負(fù)荷模型采用恒阻抗模型，XNH和MX兩個光伏電站的出力分別為10MW和5MW，水電機(jī)組采用PID型調(diào)速器，相關(guān)參數(shù)設(shè)計參考實際數(shù)據(jù)，具體參數(shù)見表2．

表2?水電機(jī)組PID調(diào)速器參數(shù)

Tab.2 Parameters of PID governor of the hydroelectric unit

4.1?穩(wěn)態(tài)運行

水光互補(bǔ)系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運行時，各水電機(jī)組和光伏電站的有功出力見圖9，可見系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時能夠穩(wěn)定運行．

圖9?各水電、光伏有功出力

由圖9得出，穩(wěn)態(tài)運行時，各個電站出力如表3所示．

表3?水光互補(bǔ)系統(tǒng)水電、光伏電站出力情況

Tab.3 Output of hydropower and photovoltaic power stations in the hydro-PV complementary system

4.2?串聯(lián)校正控制方法驗證

將串聯(lián)校正控制器加入互補(bǔ)系統(tǒng)的水電機(jī)組中，由于各控制器之間具有解耦特性[9]，因此使用PSO算法對水電機(jī)組逐一進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化整定，各參數(shù)取值的上、下限如表4所示；各機(jī)組整定前后的阻尼水平指標(biāo)函數(shù)變化如表5所示，可見整定后各機(jī)組的阻尼水平有明顯提升；整定后的各機(jī)組串聯(lián)校正控制器參數(shù)如表6所示．

表4?控制參數(shù)整定范圍

Tab.4?Control parameter setting range

表5?整定前后阻尼水平指標(biāo)函數(shù)對比

Tab.5 Comparison of damping level index function be-fore and after setting

表6?水電機(jī)組串聯(lián)校正控制器參數(shù)

傳統(tǒng)控制方法通過優(yōu)化水電機(jī)組PID調(diào)速器的控制參數(shù)，也可以達(dá)到抑制超低頻振蕩的效果，但是會降低一次調(diào)頻的性能．使用傳統(tǒng)控制方法優(yōu)化后的調(diào)速器PID參數(shù)如表7所示．

表7?傳統(tǒng)方法優(yōu)化的水輪機(jī)調(diào)速器參數(shù)

Tab.7 Parameters of hydro turbine governor optimized by the traditional method

系統(tǒng)仿真時間設(shè)置為50s，在0s時投入30MW的負(fù)荷作為擾動，不同控制方法下系統(tǒng)頻率的振蕩曲線見圖10．當(dāng)偏差值小于0.1%認(rèn)為系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，各系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)整時間對比如表8所示．

圖10?增加串聯(lián)控制器前后系統(tǒng)的頻率對比

表8?各方法超調(diào)量和調(diào)整時間對比

Tab.8 Comparison of overshoot and adjustment time of each method

由圖10和表8可以看出，未使用串聯(lián)校正控制時，系統(tǒng)超低頻振蕩劇烈，衰減緩慢．在使用傳統(tǒng)控制方法即僅優(yōu)化水電機(jī)組調(diào)速器PID參數(shù)時，是在抑制超低頻振蕩與理想的一次調(diào)頻性能之間取折中，折中的結(jié)果是導(dǎo)致一次調(diào)頻性能也有一定犧牲，頻率調(diào)節(jié)速度偏慢．而使用串聯(lián)校正控制后，振蕩迅速平息，且頻率快速趨于平穩(wěn)，說明本文所提串聯(lián)校正控制方法能夠兼顧超低頻振蕩抑制和一次調(diào)頻性能．

4.3?光伏有功附加控制驗證

XNH光伏和MX光伏實際出力分別為10MW和5MW，控制系數(shù)均設(shè)置為150，由式(17)可知，此時自適應(yīng)調(diào)節(jié)系數(shù)*分別為150和75．

由于光伏一般工作在最大功率點，此時僅能向下單向調(diào)節(jié)．為驗證光伏有功附加控制的有效性，分別對光伏機(jī)組全出力、預(yù)留10%出力和預(yù)留30%出力進(jìn)行對比驗證，系統(tǒng)頻率對比見圖11，光伏出力對比見圖12．當(dāng)偏差值小于0.1%認(rèn)為系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間對比見表9．

圖11?增加附加控制器前后系統(tǒng)頻率對比

圖12?光伏機(jī)組出力對比

表9?各方法超調(diào)量和調(diào)整時間對比

Tab.9 Comparison of overshoot and adjustment time of each method

由于光伏存在最大功率點，所以圖12(a)和(b)中有功出力均不能超過最大輸出10MW和5MW. 由圖11、圖12和表9得出，光伏附加控制在無預(yù)留的單向調(diào)節(jié)情況下依然能起到抑制超低頻振蕩的效果．而相比無預(yù)留的情況，有10%預(yù)留出力時抑制效果更好，而預(yù)留出力為30%時抑制效果又有一定提升，體現(xiàn)為超調(diào)量的進(jìn)一步降低和調(diào)整時間的進(jìn)一步減小，但是光伏機(jī)組的有功出力沒有得到充分利用．為了防止光伏容量的浪費，提升利用率，預(yù)留容量可以選擇10%．

4.4?水電＋光伏綜合控制驗證

水電機(jī)組串聯(lián)校正控制器和光伏機(jī)組有功附加控制器分別控制水電機(jī)組和光伏機(jī)組，兩種控制器共同服務(wù)于抑制超低頻振蕩這個相同的控制目標(biāo)，因此對兩種控制器的綜合控制效果進(jìn)行驗證，其中光伏采取10%的容量預(yù)留，系統(tǒng)頻率對比見圖13，系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間對比見表10．

圖13?增加控制器前后系統(tǒng)頻率對比

表10?增加控制器前后超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間對比

Tab.10 Comparison of overshoot and adjustment time before and after the controller

由圖13、表10的結(jié)果以及其同圖10、圖11(b)、表8、表9的結(jié)果進(jìn)行對比可知，水電＋光伏超低頻振蕩綜合控制的振蕩抑制效果良好，頻率快速穩(wěn)定在額定值，且比單獨的水電串聯(lián)校正控制或光伏有功附加控制效果更好．因此，說明了本文提出的兩種控制器方法的協(xié)同抑制效果更好．

4.5?考慮調(diào)節(jié)死區(qū)時的振蕩抑制控制效果驗證

同步發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)死區(qū)較多設(shè)置為±0.033Hz[21]．考慮死區(qū)后，僅采用水電機(jī)組串聯(lián)校正控制器，系統(tǒng)加入控制器前后的頻率對比見圖14．由結(jié)果可以看出，由于死區(qū)效應(yīng)，頻率振蕩波形穩(wěn)定在(1±0.00066)p.u.內(nèi)(0.00066＝0.033/50)，與未加入死區(qū)的圖10對比，串聯(lián)校正控制器的抑制振蕩效果并未受到影響．

在光伏機(jī)組中，死區(qū)環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)置和常規(guī)電源相同[22]，因此也設(shè)置為±0.033Hz．考慮死區(qū)后，僅采用光伏機(jī)組有功附加控制器，并且機(jī)組預(yù)留10%，系統(tǒng)加入控制器前后的頻率對比見圖15．由結(jié)果可以看出，由于死區(qū)效應(yīng)，頻率振蕩波形穩(wěn)定在(1±0.00066)p.u.內(nèi)，與未加入死區(qū)的圖11(b)對比，光伏有功附加控制器的抑制振蕩效果并未受到影響．

圖14?考慮死區(qū)時增加串聯(lián)控制器前后系統(tǒng)的頻率對比

圖15 考慮死區(qū)時增加有功附加控制器前后系統(tǒng)頻率對比

同時，將兩種控制器投入使用，加入控制器前后互補(bǔ)系統(tǒng)頻率波形進(jìn)行對比，見圖16．

圖16?考慮死區(qū)時增加控制器前后系統(tǒng)頻率對比

與文中未考慮死區(qū)情況的圖13做對比，可以發(fā)現(xiàn)，加入死區(qū)后，控制器的抑制振蕩效果依然良好，可以使頻率穩(wěn)定在死區(qū)范圍(1±0.00066)p.u.內(nèi).

綜上說明，本文提出的控制器振蕩抑制效果并未受到死區(qū)的影響，考慮死區(qū)后，依然可以起到良好的超低頻振蕩抑制效果．

5?結(jié)?論

本文針對水光互補(bǔ)系統(tǒng)存在的超低頻振蕩現(xiàn)象，分別提出了水電機(jī)組和光伏逆變器的超低頻振蕩抑制控制方法，結(jié)論如下．

(1) 基于阻尼轉(zhuǎn)矩分析法，計算了水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)，得出水輪機(jī)和調(diào)速器的負(fù)阻尼效應(yīng)是產(chǎn)生超低頻振蕩的主要原因．

(2) 針對水電機(jī)組提出了串聯(lián)校正控制方法，可以改善水電機(jī)組的阻尼特性，提升超低頻段的阻尼；針對光伏提出了有功附加控制器，可以通過調(diào)節(jié)光伏出力實現(xiàn)超低頻振蕩的抑制．

(3) 在基于PSCAD/EMTDC仿真平臺的四川某地區(qū)的實際水光互補(bǔ)系統(tǒng)算例中，對提出的兩種控制方法進(jìn)行了測試．仿真結(jié)果表明，在水電機(jī)組中加入串聯(lián)校正控制能夠改善水電機(jī)組的負(fù)阻尼效應(yīng)，有效抑制超低頻振蕩；在光伏中加入有功附加控制同樣可以起到抑制振蕩的作用，且光伏用于調(diào)節(jié)的預(yù)留出力越大，振蕩抑制效果越好．

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Suppression Control Strategy of Ultra-Low Frequency Oscillation in Hydro-PV Complementary Generation System

Xu Yin1，Wang Jiaxuan1，Wu Xiangyu1，Wang Sijia1，Chen Gang2

(1. School of Electrical Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China；2. State Grid Sichuan Electric Power Research Institute，Chengdu 610041，China)

To solve the ultra-low frequency oscillation problem(less than 0.1Hz)in hydro-PV complementary systems with a high proportion of hydropower，two oscillation suppression strategies are proposed. First，a damping torque analysis was conducted for the open-loop model of the turbine and governor，where it was concluded that the negative damping effect of the turbine and governor is the leading cause of ultra-low frequency oscillation. Second，to compensate for the negative-damping induced lagging，a series correction control method for the governor of the hydropower units is proposed. The damping torque analysis proved that series correction could improve the damping characteristics of the ultra-low frequency band. A series-correction optimal control parameter tuning model was developed by employing particle swarm optimization for finding the control parameters. Next，based on the ability of active photovoltaic power to regulate the system frequency，an additional photovoltaic active power controller is proposed. The motion equation and damping torque analysis of the generator showed that the additional photovoltaic control could increase the damping of the system frequency oscillation. Owing to the fluctuation of photovoltaic outputs，the local adaptive adjustment coefficient was designed to adapt to the fluctuation characteristics of the photovoltaic. Finally，the actual hydro-PV complementary system simulation in PSCAD/EMTDC at a particular Sichuan Province area was considered a test case. A series correction link was added to the hydropower units to compare and analyze the system frequency. The suppression effect of the series-correction control on the ultra-low frequency oscillation was discussed. By employing an additional active power controller to the photovoltaic system，the suppression effect on ultra-low frequency oscillation was compared and analyzed under different proportions of reserved photovoltaic output. The larger the reserved proportion，the better the suppression effect. However，the economics of photovoltaic power generation should be considered to avoid wastage. The simulation results showed that the two control methods presented in this paper have an excellent suppression effect on ultra-low frequency oscillation.

hydro-PV complementary；oscillation suppression；damping torque analysis；ultra-low frequency oscillation；water hammer effect

10.11784/tdxbz202105002

TM622

A

0493-2137(2021)12-1248-10

2021-05-01；

2021-06-17.

許?寅（1986—??），男，博士，教授，xuyin@bjtu.edu.cn.Email：m_bigm@tju.edu.cn

吳翔宇，wuxiangyu@bjtu.edus.cn.

國家重點研發(fā)計劃資助項目(2018YFB0905200)；國家自然科學(xué)基金資助項目(51807005)．

the National Key R & D Program of China(No.2018YFB0905200)，the National Natural Science Foundation of China (No.51807005).

(責(zé)任編輯：樊素英)