基于dfig-fmac-pss控制的風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性改善方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了基于DFIG-FMAC-PSS控制的風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性改善方法。首先在DFIG裝設(shè)AVR和PSS裝置，由AVR進(jìn)行轉(zhuǎn)子電壓幅值調(diào)整，由PSS進(jìn)行其角度調(diào)整，并選用DFIG定子電功率作為PSS輸入信號，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FMAC控制。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該方法經(jīng)濟(jì)可行，能提供電壓控制、促進(jìn)阻尼作用和提高風(fēng)電并網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。比FMAC控制方法的效果更好；且在并網(wǎng)系統(tǒng)中SG被切斷以調(diào)節(jié)風(fēng)力，其阻尼作用會喪失，若在DFIG設(shè)置AVR和PSS并進(jìn)行DFIG-FMAC-PSS控制，則可為并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性改善提供一個(gè)經(jīng)濟(jì)有效的方法。
【專利說明】基于DFIG-FMAC-PSS控制的風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性改善方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性改善方法，特別是一種基于DFIG-FMAC-PSS控制的風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性改善方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，由風(fēng)力發(fā)電和大電力系統(tǒng)組成的風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)，具有充分利用可再生能源、提高環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性等諸多優(yōu)點(diǎn)，在可持續(xù)發(fā)展和降低環(huán)境污染方面起到越來越重要的作用。但風(fēng)電并網(wǎng)后會對系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生影響，會影響到系統(tǒng)電壓的波動和電能質(zhì)量，還會造成諧波污染，其中由風(fēng)電并網(wǎng)產(chǎn)生的電壓波動和閃變是主要負(fù)面影響。如何消除負(fù)面影響、保證系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性不降低是當(dāng)前需解決的問題。在并網(wǎng)系統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)(SG)裝設(shè)自動電壓調(diào)節(jié)器(AVR)和電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)可保持系統(tǒng)穩(wěn)定，但當(dāng)SG被切斷以調(diào)節(jié)風(fēng)力，其阻尼作用會喪失。解決這一問題經(jīng)濟(jì)可行的辦法是在并網(wǎng)系統(tǒng)的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(DFIG)裝設(shè)這些裝置并進(jìn)行DFIG-FMAC-PSS控制。2005年第4期的《IEEE Transactionon Power Systems》中《Control of DFIG-Based Wind Generation for Power NetworkSupport》一文提出采用轉(zhuǎn)子磁鏈幅值和相角控制(FMAC)方案，其優(yōu)點(diǎn)是可減少功率控制環(huán)和電壓控制環(huán)間相互影響，使故障后系統(tǒng)阻尼和電壓恢復(fù)加強(qiáng)，但該文沒有考慮將FMAC和PSS控制相結(jié)合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種基于DFIG-FMAC-PSS控制的風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性改善方法。該方法能較好地提供電壓控制、促進(jìn)阻尼作用和提高風(fēng)電并網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，通過DFIG裝設(shè)的AVR進(jìn)行轉(zhuǎn)子電壓幅值調(diào)整，PSS進(jìn)行角度調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)對發(fā)電機(jī)的端電壓和輸出功率的FMAC控制。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能大大減少功角、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，故障后的系統(tǒng)迅速恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。
[0004]為達(dá)到上述目的本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:基于DFIG-FMAC-PSS控制的風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性改善方法，包括建立DFIG數(shù)學(xué)模型(I)、形成DFIG的FMAC控制方法(2)、形成DFIG的FMAC-PSS控制方法(3)、DFIG-FMAC-PSS控制方法的實(shí)施(4)。
[0005]所述的建立DFIG數(shù)學(xué)模型(I)是通過派克方程推導(dǎo)而來，使用動態(tài)模型來描述風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)，采用暫態(tài)后的電勢來表示DFIG的動態(tài)模型。
[0006]所述的形成DFIG的FMAC控制方法(2)是由兩個(gè)截然不同的電壓控制環(huán)和功率控制環(huán)構(gòu)成，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，當(dāng)FMAC控制DFIG時(shí)，占優(yōu)特征值會隨著發(fā)電機(jī)容量的增加慢慢向左半平面移動。
[0007]所述的形成DFIG的FMAC-PSS控制方法(3)是在DFIG的FMAC基本控制方案中加入輔助的PSS控制環(huán)。在DFIG采用FMAC控制的同時(shí)，也在DFIG中，使用定子電功率作為PSS輸入信號，PSS的輸出信號被引入到FMAC基本控制方案中，即將PSS加入到FMAC功率環(huán)外加點(diǎn)處的參考設(shè)定點(diǎn)上?；谔卣髦捣椒ㄔO(shè)計(jì)的PSS回路輸入信號最初通過消除環(huán)節(jié)進(jìn)行高通濾波處理，然后通過補(bǔ)償器反饋，這樣可提供合適的增益和相位移，以確保適當(dāng)?shù)目刂菩阅芎蛯ο到y(tǒng)的正阻尼作用。
[0008]所述的DFIG-FMAC-PSS控制方法的實(shí)施(4)是通過DFIG設(shè)置的AVR對轉(zhuǎn)子電壓幅值進(jìn)行調(diào)整，PSS對角度進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對發(fā)電機(jī)的端電壓和輸出功率的FMAC控制，從而將與系統(tǒng)振蕩有關(guān)的特征值移動到指定的位置，同時(shí)保持系統(tǒng)的其他特征值在復(fù)平面可接受的范圍。
[0009]綜上所述，DFIG-FMAC-PSS控制方案經(jīng)濟(jì)可行，能提供電壓控制、促進(jìn)阻尼作用和提高風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)并網(wǎng)系統(tǒng)中SG被切斷以調(diào)節(jié)風(fēng)力，失去阻尼作用，若在DFIG設(shè)置AVR和PSS并進(jìn)行DFIG-FMAC-PSS控制，則可為風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性改善提供一個(gè)經(jīng)濟(jì)有效的方法。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1DFIG-FAMC-PSS 控制方法。
[0011]圖2風(fēng)電并網(wǎng)測試系統(tǒng)。
[0012]圖3無FMAC和PSS控制的DFIG風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)波形。
[0013]圖4有FMAC控制的DFIG風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)波形。
[0014]圖5有SG-PSS控制的DFIG風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)波形。
[0015]圖6有DFIG-FMAC-PSS控制的DFIG風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)波形。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明專利進(jìn)一步說明。
[0017]圖1中，基于DFIG-FMAC-PSS控制的風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性改善方法由FMAC、PSS、DFIG三大模塊和電壓、功率兩大比較環(huán)節(jié)組成。
[0018]圖1中FMAC模塊是由AVR補(bǔ)償器，功率補(bǔ)償器，控制器A和坐標(biāo)變換模塊組成。FMAC控制通過調(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，由電壓控制環(huán)進(jìn)行端電壓控制，功率控制環(huán)進(jìn)行發(fā)電機(jī)輸出功率控制。在電壓控制環(huán)中，端電壓幅值Ks和參考值的偏差作為誤差信號輸入到AVR補(bǔ)償器中，可得到DFIG內(nèi)電勢矢量的幅值參考值誤。在功率控制環(huán)中，功率參考值由風(fēng)力機(jī)的最大功率捕獲特性曲線確定。將發(fā)電機(jī)的輸出功率慫與其參考值之間的偏差值作為基本誤差信號輸入到補(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δDngref。
[0019]圖1中控制器A根據(jù)參考值信號Ellfigref和δDngrefr銀子電壓矢量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)定域度。最后通過坐標(biāo)變換模塊將轉(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
和tv，并用于PWM發(fā)生器以控制轉(zhuǎn)子側(cè)的開關(guān)狀態(tài)。Vr的改變會導(dǎo)致暫態(tài)電抗后電勢E0fig的改變，E0fig是在定子中產(chǎn)生的，這樣，就會影響DFIG的機(jī)端電壓和輸出功率，E0fig對I改變的影響是非常迅速的。
[0020]圖1中PSS模塊采用基于特征值的方法來設(shè)計(jì)的，由隔直環(huán)節(jié)和相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)組成，隔直環(huán)節(jié)用來消除穩(wěn)態(tài)偏差量，相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)為PSS的輸出信號提供所需的相位補(bǔ)償以改善阻尼。選定子電功率作為PSS的輸入信號，PSS的輸出信號被引入到FMAC基本控制方案中，即將其加入到功率環(huán)外加點(diǎn)處的參考設(shè)定點(diǎn)上。PSS回路輸入信號最初通過消除環(huán)節(jié)進(jìn)行高通濾波處理，然后通過補(bǔ)償器反饋，這樣可提供合適的增益和相位移，以確保適當(dāng)?shù)目刂菩阅芎蛯ο到y(tǒng)的正阻尼作用。
[0021]圖2是用仿真軟件MATLAB建立風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型，對無FMAC和PSS時(shí)、有FMAC時(shí)、有SG-PSS時(shí)、有DFIG-FMAC -PSS時(shí)的風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)四種情況進(jìn)行了仿真。系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)I和2為汽輪機(jī)驅(qū)動的同步發(fā)電機(jī)，皆配有調(diào)速器和勵磁控制，兩同步發(fā)電機(jī)都有AVR控制的靜態(tài)勵磁方案，發(fā)電機(jī)3為DFIG，裝有PSS。發(fā)電機(jī)I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10臺額定容量為6MVA的DFIG發(fā)電機(jī)組組成。在母線2和3處分別接有負(fù)載I和負(fù)載2，并網(wǎng)系統(tǒng)的電壓等級為66kV。假設(shè)故障發(fā)生在靠近發(fā)電機(jī)I處的線路112上，在丨=1.5?1.658發(fā)生三相短路，在同步發(fā)電機(jī)I和2間的功角差大于3X360°時(shí)風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真停止。
[0022]圖3中從左到右的三個(gè)波形圖依次為無FMAC和PSS時(shí)母線1、2、3的電壓和母線I處傳輸功率波形，發(fā)電機(jī)1、2間功角、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、定子電壓波形，風(fēng)電場的端電壓和傳輸功率波形。在短路故障切除后，當(dāng)兩同步發(fā)電機(jī)間的功角大于3X360°時(shí)系統(tǒng)仿真停止，發(fā)電機(jī)I與發(fā)電機(jī)2失去同步，風(fēng)電場不能實(shí)現(xiàn)故障穿越，線路功率大幅擺動，這表明沒有FMAC和PSS的DFIG風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)在故障后經(jīng)過一段時(shí)間的振蕩就會失去穩(wěn)定。
[0023]圖4中從左到右的三個(gè)波形圖依次為有FMAC時(shí)母線1、2、3的電壓和母線I處傳輸功率波形，發(fā)電機(jī)1、2間功角、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、定子電壓波形，風(fēng)電場的端電壓和傳輸功率波形。故障切除后，兩同步發(fā)電機(jī)經(jīng)過短時(shí)振蕩后相互保持同步，系統(tǒng)保持穩(wěn)定。這表明FMAC控制方案故障后能提供較好的阻尼。
[0024]圖5中從左到右的三個(gè)波形圖依次為有SG-PSS時(shí)母線1、2、3的電壓和母線I處傳輸功率波形，發(fā)電機(jī)1、2間功角、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、定子電壓波形，風(fēng)電場的端電壓和傳輸功率波形。很顯然，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FMAC和PSS控制的仿真結(jié)果對比可知:在SG設(shè)置PSS能使系統(tǒng)故障后電壓逐步恢復(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SG-PSS可使風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性得以改善。
[0025]圖6中從左到右的三個(gè)波形圖依次為有DFIG-FMAC-PSS時(shí)母線1、2、3的電壓和母線I處傳輸功率波形，發(fā)電機(jī)1、2間功角、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、定子電壓波形，風(fēng)電場的端電壓和傳輸功率波形。與有SG-PSS的情形對比可知:在DFIG中使用FMAC加PSS控制方案，在故障切除后系統(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)合的控制策略能大幅減少功角、電壓波動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)。
[0026]本發(fā)明提出了基于DFIG-FMAC-PSS控制的風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性改善方法，并成功應(yīng)用于風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性改善。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法通過適當(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已得到進(jìn)一步發(fā)展，但調(diào)節(jié)安裝在DFIG里的PSS這個(gè)方法更直接；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SG的PSS解決方案比，DFIG-FMAC-PSS的控制策略能更好地提供電壓控制、促進(jìn)阻尼作用和改善分布式風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定。
【權(quán)利要求】
1.基于DFIG-FMAC-PSS控制的風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性改善方法，其特征在于:包括建立DFIG數(shù)學(xué)模型(I )、形成DFIG的FMAC控制方法(2)、形成DFIG的FMAC-PSS控制方法(3)、DFIG-FMAC-PSS控制方法的實(shí)施(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DFIG-FMAC-PSS控制的風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性改善方法，其特征在于所述的建立DFIG數(shù)學(xué)模型(I)是用暫態(tài)后的電勢來表示DFIG的動態(tài)模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DFIG-FMAC-PSS控制的風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性改善方法，其特征在于所述的形成DFIG的FMAC-PSS控制方法(3)由DFIG的FMAC基本控制方案中加入輔助的PSS控制環(huán)組成。
【文檔編號】H02J3/38GK103812132SQ201310712823
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年12月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月23日
【發(fā)明者】匡洪海, 李圣清 申請人:湖南工業(yè)大學(xué)