CN103812132A - 基于dfig-fmac-pss控制的风电并网系统暂态稳定性改善方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了基于DFIG-FMAC-PSS控制的风电并网系统暂态稳定性改善方法。首先在DFIG装设AVR和PSS装置，由AVR进行转子电压幅值调整，由PSS进行其角度调整，并选用DFIG定子电功率作为PSS输入信号，通过调节DFIG转子磁链矢量的幅值和相角对发电机的端电压和输出功率进行FMAC控制。仿真和实验结果表明：该方法经济可行，能提供电压控制、促进阻尼作用和提高风电并网的暂态稳定性。比FMAC控制方法的效果更好；且在并网系统中SG被切断以调节风力，其阻尼作用会丧失，若在DFIG设置AVR和PSS并进行DFIG-FMAC-PSS控制，则可为并网系统暂态稳定性改善提供一个经济有效的方法。

Description

基于DFIG-FMAC-PSS控制的风电并网系统暂态稳定性改善方法
技术领域
本发明涉及一种风电并网系统的暂态稳定性改善方法，特别是一种基于DFIG-FMAC-PSS控制的风电并网系统暂态稳定性改善方法。 
背景技术
目前，由风力发电和大电力系统组成的风电并网系统，具有充分利用可再生能源、提高环保性和经济性等诸多优点，在可持续发展和降低环境污染方面起到越来越重要的作用。但风电并网后会对系统的稳定运行产生影响，会影响到系统电压的波动和电能质量，还会造成谐波污染，其中由风电并网产生的电压波动和闪变是主要负面影响。如何消除负面影响、保证系统暂态稳定性不降低是当前需解决的问题。在并网系统的同步发电机（SG）装设自动电压调节器（AVR）和电力系统稳定器（PSS）可保持系统稳定，但当SG被切断以调节风力，其阻尼作用会丧失。解决这一问题经济可行的办法是在并网系统的双馈感应发电机（DFIG）装设这些装置并进行DFIG-FMAC-PSS控制。2005年第4期的《IEEE Transaction on Power Systems》中《Control of DFIG-Based Wind Generation for Power Network Support》一文提出采用转子磁链幅值和相角控制（FMAC）方案，其优点是可减少功率控制环和电压控制环间相互影响，使故障后系统阻尼和电压恢复加强，但该文没有考虑将FMAC和PSS控制相结合。 
发明内容
本发明的目的是提供一种基于DFIG-FMAC-PSS控制的风电并网系统暂态稳定性改善方法。该方法能较好地提供电压控制、促进阻尼作用和提高风电并网的暂态稳定性，通过DFIG装设的AVR进行转子电压幅值调整，PSS进行角度调整，可实现对发电机的端电压和输出功率的FMAC控制。仿真和实验结果表明，该方法能大大减少功角、电压波形以及输出功率的振荡，使DFIG风电并网系统的暂态稳定性大大提高，故障后的系统迅速恢复到稳定状态。 
为达到上述目的本发明采用的技术方案是：基于DFIG-FMAC-PSS控制的风电并网系统暂态稳定性改善方法，包括建立DFIG数学模型（1）、形成DFIG的FMAC控制方法(2)、形成DFIG的FMAC-PSS控制方法(3) 、DFIG-FMAC-PSS控制方法的实施(4)。 
所述的建立DFIG数学模型（1）是通过派克方程推导而来，使用动态模型来描述风力涡轮发电机，采用暂态后的电势来表示DFIG的动态模型。 
所述的形成DFIG的FMAC控制方法(2) 是由两个截然不同的电压控制环和功率控制环构成，通过调节转子磁链矢量的幅值和相角来对发电机的端电压和输出功率进行控制，当FMAC控制DFIG时，占优特征值会随着发电机容量的增加慢慢向左半平面移动。 
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辅助的PSS控制环。在DFIG采用FMAC控制的同时，也在DFIG中，使用定子电功率作为PSS输入信号，PSS的输出信号被引入到FMAC基本控制方案中，即将PSS加入到FMAC  功率环外加点处的参考设定点上。基于特征值方法设计的PSS回路输入信号最初通过消除环节进行高通滤波处理，然后通过补偿器反馈，这样可提供合适的增益和相位移，以确保适当的控制性能和对系统的正阻尼作用。 
所述的DFIG-FMAC-PSS控制方法的实施(4) 是通过DFIG设置的AVR对转子电压幅值进行调整，PSS对角度进行调整，实现对发电机的端电压和输出功率的FMAC控制，从而将与系统振荡有关的特征值移动到指定的位置，同时保持系统的其他特征值在复平面可接受的范围。 
综上所述，DFIG-FMAC-PSS控制方案经济可行，能提供电压控制、促进阻尼作用和提高风电并网系统的稳定性。当并网系统中SG被切断以调节风力，失去阻尼作用，若在DFIG设置AVR和PSS并进行DFIG-FMAC-PSS控制，则可为风电并网系统暂态稳定性改善提供一个经济有效的方法。 
附图说明
图1  DFIG-FAMC-PSS控制方法。 
图2  风电并网测试系统。 
图3  无FMAC和PSS控制的DFIG风电并网系统波形。 
图4  有FMAC控制的DFIG风电并网系统波形。 
图5  有SG-PSS控制的DFIG风电并网系统波形。 
图6  有DFIG-FMAC-PSS控制的DFIG风电并网系统波形。 
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明专利进一步说明。 
图1中，基于DFIG-FMAC-PSS控制的风电并网系统暂态稳定性改善方法由FMAC、PSS、DFIG三大模块和电压、功率两大比较环节组成。 
图1中FMAC模块是由AVR补偿器，功率补偿器，控制器A和坐标变换模块组成。FMAC控制通过调节转子磁链矢量的幅值和相角来对发电机的端电压和输出功率进行控制，由电压控制环进行端电压控制，功率控制环进行发电机输出功率控制。在电压控制环中，端电压幅值V s和参考值V sref 的偏差作为误差信号输入到AVR补偿器中，可得到DFIG内电势矢量的幅值参考值误差E Dfigref  。在功率控制环中，功率参考值P eref由风力机的最大功率捕获特性曲线确定。将发电机的输出功率P e与其参考值P eref 之间的偏差值作为基本误差信号输入到补偿器，以产生控制矢量相对于定子电压矢量的相角参考值δ Dfigref  。 
图1中控制器A根据参考值信号E Dfigref 和δ Dfigref 产生转子电压矢量 V r 的幅值和相角，具有额外超前-滞后补偿环节的PI控制器为各自的闭环提供了合适的响应速度和稳定域度。最后通过坐标变换模块将转子电压矢量 V r 从极坐标转换到dq直角坐标系以得到v dr 和v qr ，并用于PWM发生器以控制转子侧的开关状态。 V r 的改变会导致暂态电抗后电势 E Dfig 的改变， E Dfig 是在定子中产生的，这样，就会影响DFIG的机端电压和输出功率， E Dfig 对 V r 改变的影响是非常迅速的。 
图1中PSS模块采用基于特征值的方法来设计的，由隔直环节和相位补偿环节组成，隔直环节用来消除稳态偏差量，相位补偿环节为PSS的输出信号提供所需的相位补偿以改善阻尼。选定子电功率作为PSS的输入信号，PSS的输出信号被引入到FMAC基本控制方案中，即将其加入到功率环外加点处的参考设定点上。PSS回路输入信号最初通过消除环节进行高通滤波处理，然后通过补偿器反馈，这样可提供合适的增益和相位移，以确保适当的控制性能和对系统的正阻尼作用。 
图2是用仿真软件MATLAB建立风电并网系统仿真模型，对无FMAC和PSS时、有FMAC时、有SG-PSS时、有DFIG-FMAC -PSS时的风电并网系统四种情况进行了仿真。系统中发电机1和2为汽轮机驱动的同步发电机，皆配有调速器和励磁控制，两同步发电机都有AVR控制的静态励磁方案，发电机3为DFIG，装有PSS。发电机1模拟额定容量为800MVA的地区火力发电厂；发电机2模拟额定容量为4000MVA的系统；发电机3模拟额定容量为60MVA的DFIG风电场，由10台额定容量为6MVA的DFIG发电机组组成。在母线2和3处分别接有负载1和负载2，并网系统的电压等级为66kV。假设故障发生在靠近发电机1处的线路L12上，在t=1.5~1.65s发生三相短路，在同步发电机1和2间的功角差大于3×360°时风电并网系统的仿真停止。 
图3中从左到右的三个波形图依次为无FMAC和PSS时母线1、2、3的电压和母线1处传输功率波形，发电机1、2间功角、转子转速、定子电压波形，风电场的端电压和传输功率波形。在短路故障切除后，当两同步发电机间的功角大于3×360°时系统仿真停止，发电机1与发电机2失去同步，风电场不能实现故障穿越，线路功率大幅摆动，这表明没有FMAC和PSS的DFIG风电并网系统在故障后经过一段时间的振荡就会失去稳定。 
图4中从左到右的三个波形图依次为有FMAC时母线1、2、3的电压和母线1处传输功率波形，发电机1、2间功角、转子转速、定子电压波形，风电场的端电压和传输功率波形。故障切除后，两同步发电机经过短时振荡后相互保持同步，系统保持稳定。这表明FMAC控制方案故障后能提供较好的阻尼。 
图5中从左到右的三个波形图依次为有SG-PSS时母线1、2、3的电压和母线1处传输功率波形，发电机1、2间功角、转子转速、定子电压波形，风电场的端电压和传输功率波形。很显然，由于PSS的引入可避免风电并网系统的发电机组失去同步，与无FMAC和PSS控制的仿真结果对比可知：在SG设置PSS能使系统故障后电压逐步恢复到稳定值，两同步发电机间的功角差也趋于恒定值，风电机组可实现故障穿越，系统最终趋于稳定，因此SG-PSS可使风电并网系统的暂态稳定性得以改善。 
图6中从左到右的三个波形图依次为有DFIG-FMAC-PSS时母线1、2、3的电压和母线1处传输功率波形，发电机1、2间功角、转子转速、定子电压波形，风电场的端电压和传输功率波形。与有SG-PSS的情形对比可知：在DFIG中使用FMAC加PSS控制方案，在故障切除后系统经过短暂振荡能迅速恢复同步，可完美实现故障穿越。这表明FMAC和PSS结合的控制策略能大幅减少功角、电压波动以及输出功率的振荡，使DFIG风电并网系统的暂态稳定性大大提高，系统迅速恢复到稳定状态。 
本发明提出了基于DFIG-FMAC-PSS控制的风电并网系统暂态稳定性改善方法，并成功应用于风电并网系统暂态稳定性改善。仿真和实验结果表明，该方法通过适当调节安装在DFIG里PSS可增加机电振荡阻尼。尽管调节装在同步发电机里的PSS已得到进一步发展，但调节安装在DFIG里的PSS这个方法更直接；当DFIG采用FMAC控制时，功率环中的滞后环节保证了DFIG具有小的正阻尼作用；因此与基于SG的PSS 解决方案比，DFIG-FMAC-PSS的控制策略能更好地提供电压控制、促进阻尼作用和改善分布式风电并网系统的暂态稳定。 

Claims (3)

1.基于DFIG-FMAC-PSS控制的风电并网系统暂态稳定性改善方法，其特征在于：包括建立DFIG数学模型（1）、形成DFIG的FMAC控制方法(2)、形成DFIG的FMAC-PSS控制方法(3) 、DFIG-FMAC-PSS控制方法的实施(4)。
2.根据权利要求1所述的基于DFIG-FMAC-PSS控制的风电并网系统暂态稳定性改善方法，其特征在于所述的建立DFIG数学模型（1）是用暂态后的电势来表示DFIG的动态模型。
3.根据权利要求1所述的基于DFIG-FMAC-PSS控制的风电并网系统暂态稳定性改善方法，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辅助的PSS控制环组成。
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