CN112993991A - 一种风机双通道阻尼控制低频振荡广域阻尼控制方法 - Google Patents

一种风机双通道阻尼控制低频振荡广域阻尼控制方法 Download PDF

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Abstract

一种风机双通道阻尼控制低频振荡广域阻尼控制方法，属于电力系统稳定控制技术领域，采用发电机功角作为反馈信号，构建的优化约束条件应使得故障后系统发电机的功角振荡快速衰减，尽早回归稳态。在参数优化过程中，主要目标是抑制功率振荡并保持系统的整体稳定性，其次兼顾非机电振荡，为了优化风机的整体动态性能，满足友好型并网，减少轴系扭振与系统的交互，目标函数中考虑风机的电磁转矩特性来加以约束，稳定风机的动态特性。本发明利用粒子群算法对控制器参数寻优，具有不依赖被控对象的数学模型，具有更强的适应性和鲁棒性，为抑制电力系统低频振荡提供了一个新的途径，同时可以兼顾风机的轴系稳定。

Description

一种风机双通道阻尼控制低频振荡广域阻尼控制方法
技术领域
本发明属于电力系统稳定控制技术领域，特别是涉及到一种利用风机抑制低频振荡同时兼顾自身特性的多通道附加阻尼控制方法。
背景技术
风力发电是可再生能源技术中最成熟的一种技术，随着一次能源的枯竭，风力发电因其环保清洁，无污染等优点受到世界各国的大力发展。双馈风电机组DFIG因控制灵活等被广泛使用。然而，随着风电场规模的增大，风电机组出力的波动性、随机性以及长距离输电导致含高渗透率风电场的电力系统容易发生区域间低频振荡现象，从而阻碍区域间功率传输，且严重威胁系统稳定。通过改进风电机组的控制策略，增加其对系统功率振荡的抑制能力，将对风电渗透率较高的区域电网的安全稳定运行具有重要意义。
通过有功调制直接调节有功功率或电磁转矩，风机可以快速调节并抑制机电振荡，仿真实验中发现同样的抑制效果下，观察到无功功率调制比有功功率调制需要更大的增益。然而有功与风电机组传动轴系统的扭转振荡强相关。无功调制抑制区域间振荡的有效性依赖于无功注入位置和负荷的电压特性，因此某些情况下仅依靠无功调制可能无法达到期望的系统阻尼。本发明提出一种包含有功调制与无功调制的双通道阻尼控制策略，并用粒子群算法优化控制器参数。在使双馈风机机组力所能及地参与抑制系统振荡的同时，也降低了对风电机组本身的轴系振荡稳定性的不利影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种风机双通道阻尼控制低频振荡广域阻尼控制方法，利用粒子群算法对控制器参数寻优，具有不依赖被控对象的数学模型，具有更强的适应性和鲁棒性，为抑制电力系统低频振荡提供了一个新的途径，同时可以兼顾风机的轴系稳定。
一种风机双通道阻尼控制低频振荡广域阻尼控制方法，其特征是：包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，
步骤一、将双机群区域间功率振荡，等值为分析区域间振荡的两机系统，建立无风电场接入时的等值两机系统动态模型，以及风电场接入其中一个区域时的系统动态模型，DFIG风机模型输出的动态有功功率或动态无功功率与系统振荡时的同步机组转子角速度偏差同相位或反相位，DFIG风机模型动态功率输出阻尼系统的区域间低频振荡；
步骤二、采用电力系统仿真计算软件MATLAB 2016a/Simulink，建立含双馈风电机组的并网电力系统仿真模型；
建立双馈风力发电机的有功和无功定子功率为：
Figure BDA0002967122440000021
Figure BDA0002967122440000022
其中，Ps为双馈风机的有功输出，Qs为双馈风机的无功输出，Xm为d、q坐标系中定、转子同轴等效绕组间的互感抗，Xs为定子侧感抗，iqr为转子侧q轴分量，idr为转子侧d轴分量，Vds为定子侧d轴分量，Vqs为定子侧q轴分量，V为母线电压，X电力系统等效电抗；
步骤三、利用广域测量系统WAMS和同步相量测量装置PMU获取振荡信息，在风机侧换流器内，添加同步机的PSS发电机磁力控制器，根据双馈风力发电机组机侧换流器功率外环的扰动信号与风电场连接点处频率偏差和电压偏差的动态响应变化，获得其有功和无功的输出响应抑制电力系统的低频振荡，
Figure BDA0002967122440000023
其中，uin为控制器的输入，uPSS是控制器的输出，KPSS为增益，TW为复位环节时间常数，T1到T4是相位补偿环节的时间常数，S＝jwn，其中j是复数单位，wn为系统的额定角速度；
步骤四、构建优化约束条件目标函数
Figure BDA0002967122440000031
其中，t是总仿真时间，δk(t)是t时刻第K台发电机转子角度，δj(t)是t时刻第j台发电机转子角度，Te为风机的电磁转矩，T0为电磁转矩稳态值，α为相应的权重系数；
采用发电机功角作为反馈信号，通过优化约束条件应将故障后系统发电机的功角振荡快速衰减，回归稳态；
步骤五、对电网施加大扰动，将附加阻尼控制附加在双馈风机机侧有功环和无功环，并设计控制器参数
Figure BDA0002967122440000032
T1 min≤T1≤T1 max
Figure BDA0002967122440000033
Figure BDA0002967122440000034
Figure BDA0002967122440000035
其中，Ks表示阻尼信号的增益，T1，T2，T3，T4是阻尼控制器中超前滞后块的时间常数，其范围为0～40s，滤波环节Tw取为10s；
利用粒子群优化算法对控制器参数进行寻优校核，通过设计的控制参数进行控制器参数寻优；
至此，一种混合双通道阻尼控制抑制机电振荡的方法完成。
所述步骤一中，无风电场接入时的等值两机系统动态模型为
Figure BDA0002967122440000036
其中，ω为发电机的转子角速度，δ为发电机的转子角，δ12＝δ1-δ2为两区域转子角速度差，ω12＝ω1-ω2为两区域转子角度差，H1为区域1的等效惯性时间常数，H2为区域2的等效惯性时间常数，Pm1为发电机1的机械功率，Pm2为发电机2的机械功率，V1为母线1的电压，V2为母线2的电压；
风电场接入其中一个区域时的系统动态模型为
Figure BDA0002967122440000041
其中，PW为风电场注入系统功率。
所述步骤三中，PSS发电机磁力控制器包括放大环节、复位环节以及相位补偿环节，所述复位环节用于将控制器在稳态时输出为零，使PSS发电机磁力控制器在动态中起作用；所述相位补偿环节包括1个～2个超前环节，每个超前环节可以校正30～40的电角度。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：一种风机双通道阻尼控制低频振荡广域阻尼控制方法，利用粒子群算法对控制器参数寻优，具有不依赖被控对象的数学模型，具有更强的适应性和鲁棒性，为抑制电力系统低频振荡提供了一个新的途径，同时可以兼顾风机的轴系稳定。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
图1为本发明一种风机双通道阻尼控制低频振荡广域阻尼控制方法电力系统等值模型图。
图2为本发明一种风机双通道阻尼控制低频振荡广域阻尼控制方法附加双通道附加阻尼控制器结构框图。
图3为本发明一种风机双通道阻尼控制低频振荡广域阻尼控制方法DFIG风机模型转子侧变流器的控制结构。
图4为本发明一种风机双通道阻尼控制低频振荡广域阻尼控制方法四机两区含风机系统单线图。
图5为本发明一种风机双通道阻尼控制低频振荡广域阻尼控制方法实施例对比三种控制下的联络线功率仿真示意图。
具体实施方式
对于在两个机群之间发生的区域间功率振荡，可以将这两个机群视为用于分析区域间振荡的等值两机系统。如图1所示的简单电力系统模型解释DFIG风机模型附加阻尼控制器提高系统阻尼的原理，图中所示两个区域均具有本地负载并通过传输线连接。基于DFIG风机模型的风电场集成在区域1。
没有风力场接入时的等值两机系统的动态模型可以用式表示，
Figure BDA0002967122440000051
其中，ω和δ分别为发电机的转子角速度和转子角。δ12＝δ1-δ2和ω12＝ω1-ω2分别为两区域转子角速度差与转子角度差，H1和H2为区域1与区域2的等效惯性时间常数。Pm1和Pm2是发电机1与发电机2的机械功率，V1和V2分别为母线1和母线2的电压。
当风电场接入区域1时，系统动态行为可以描述为式
Figure BDA0002967122440000052
其中，PW是风电场注入系统功率，如公式所示，通过在DFIG风机模型上附加辅助功率控制，DFIG风机模型可以向系统注入动态阻尼功率，从而抑制电力系统的机电振荡。
低频振荡也受到母线电压的影响，电压幅度受无功功率传输的影响，该等式如下：
Figure BDA0002967122440000053
其中，Qt是从区域1传输到区域2的无功功率，Qg是注入DFIG风机模型的无功功率，Q1是同步发电机G1产生的无功功率，X是传输线的总阻抗。通过无功功率控制调制总线电压可以改善功率阻尼。
因此在风机无功环附加辅助功率控制，增加和减少风机的无功功率将影响母线电压的上升或下降，电压的变化反过来调节发电机的转速。因此，根据动态有功功率注入和动态无功功率注入对系统的阻尼的原理分析，如果DFIG风机模型输出的动态有功功率或动态无功功率能够与系统振荡时的同步机组转子角速度偏差同相位或反相位，则DFIG风机模型动态功率输出能够阻尼系统的区域间低频振荡。
一种风机双通道阻尼控制低频振荡广域阻尼控制方法，
采用电力系统仿真计算软件MATLAB 2016a/Simulink，建立含双馈风电机组的并网电力系统仿真模型；
建立双馈风力发电机的有功和无功定子功率为：
Figure BDA0002967122440000061
Figure BDA0002967122440000062
其中，Ps为双馈风机的有功输出，Qs为双馈风机的无功输出，Xm为d、q坐标系中定、转子同轴等效绕组间的互感抗，Xs为定子侧感抗，iqr为转子侧q轴分量，idr为转子侧d轴分量，Vds为定子侧d轴分量，Vqs为定子侧q轴分量，V为母线电压，X电力系统等效电抗；
如图2所示，利用广域量测系统，设计类似同步机的PSS发电机磁力控制器，附加在风机侧换流器内。如图3所示，依据双馈风力发电机组机侧换流器功率外环的扰动信号和风电场连接点处频率偏差和电压偏差的动态响应变化，影响其有功和无功的输出来响应抑制电力系统的低频振荡。
Figure BDA0002967122440000063
其中，uin和uPSS是控制器的输入和输出，KPSS为增益，TW为复位环节时间常数，T1到T4是相位补偿环节的时间常数，S＝jwn，其中j是复数单位，wn为系统的额定角速度。
采用发电机功角作为反馈信号，构建目标函数入下式所示：
Figure BDA0002967122440000071
其中t是总仿真时间，δk(t)是t时刻第K台发电机转子角度，δj(t)是t时刻第j台发电机转子角度，Te为风机的电磁转矩，T0为电磁转矩稳态值。α为相应的权重系数，本发明取值为0.35。构建的优化约束条件应使得故障后系统发电机的功角振荡快速衰减，尽早回归稳态。在参数优化过程中，主要目标是抑制功率振荡并保持系统的整体稳定性，其次兼顾非机电振荡，为了优化风机的整体动态性能，满足友好型并网，减少轴系扭振与系统的交互，目标函数中考虑风机的电磁转矩特性来加以约束，稳定风机的动态特性。
对电网施加大扰动，将附加阻尼控制附加在双馈风机机侧有功环和无功环，并设计控制器参数
Figure BDA0002967122440000072
T1 min≤T1≤T1 max
Figure BDA0002967122440000073
Figure BDA0002967122440000074
Figure BDA0002967122440000075
其中，Ks表示阻尼信号的增益，T1，T2，T3，T4是阻尼控制器中超前滞后块的时间常数，其范围为0s～40s，滤波环节Tw取为10s；
利用粒子群优化算法对控制器参数进行寻优校核，通过设计的控制参数进行控制器参数寻优。
具体的，选用含风电的4机(发电机G1、G2、G3、G4)两区域系统进行验证，如图4所示，图4中数字1～11，分别表示母线1～母线11，PMU(phasor measurement unit)为同步相量测量装置，WAMS(Wide Area Measurement System)为广域测量系统。在区域1中有两个同步发电机，每台发电机的额定功率为719MW，区域2的两台同步发电机的额定功率为800MW，两区域之间的传输功率为408MW。母线6处接入容量为200MW的双馈风机组成的风电场，为简化起见，单机模型被用作风电场的集总模型，以取代整个风电场。双馈风机组运行在最大功率追踪有功控制模式，无功采用单位功率因数控制模式，并假设每台双馈风机运行状况与参数相同。在t＝10s时，母线7处发生三相短路故障，在10.1s后故障切除。仿真用的含风电场的电力系统有如下几个固有振荡频率：
(1)本地机组固有机电振荡频率为1.2Hz；
(2)区间机电振荡固有频率为0.65Hz；
(3)风电机组轴系扭振频率为1.82Hz。
按上述步骤寻优得到单一有功、单一无功与双通道调制三种控制器参数，如下表所示：
表1不同控制方式调制阻尼控制器参数
Figure BDA0002967122440000081
图5显示了不同控制方式下母线7～母线9的传输功率的动态响应图。如图5所示，可以看出，双通道功率调制提供的阻尼能力强于有功功附加控制。单一无功附加阻尼提供较弱的阻尼能力。而在双通道功率调制的作用下，减小了振荡幅度和衰减时间，验证了本设计控制器的有效性。
上述比较表明，有功功率附加阻尼控制对系统的区域间振荡具有更好的抑制效果。随着有功附加阻尼控制器信号的增益增加，抑制效果显着。随着阻尼信号的增益增加，同时也使得风电机组在轴系扭振频率1.82Hz附近的振荡幅值有所增加。DFIG风机模型中存在固有的风力涡轮机轴系振荡模式。显然，有功功率调制加剧了振荡的幅度。扭转振荡的波动影响通过轴系的电磁转矩波动，这又导致DFIG风机模型的有功输出值的波动增加。当双馈风力发电机的输出功率注入电网时，由于不稳定，风电场的输出功率出现大约1.82Hz的振荡分量，这一频率与电力系统0.1Hz～2.5Hz的低频振荡有所重叠。随着风能渗透率的持续增加，风力机有功输出的波动与电力系统将可能发生不利的相互作用并且威胁到电力系统的稳定性。利用风电机组参与抑制低频振荡的同时兼顾风电机组轴系扭振具有较大意义。
图4所示系统阶数较高，难以列写解析数学模型，本文采用Matlab的控制设计工具箱来求解包括风电机组轴系扭振模式在内的系统特征值。根据特征值分析得到不同运行状态下区域间振荡模式和扭转振荡模式的阻尼比如表2所示。
表2不同运行状态和不同调制方式下区间模式和轴系振荡模式的阻尼比
Figure BDA0002967122440000091
通过仿真结果表明，混合双通道阻尼控制与无功附加阻尼控制相比，具有更好的抑制机电振荡的能力。与有功附加阻尼控制相比，在抑制机电振荡能力相似的情况下，可以兼顾轴系扭振，同时不会造成机组轴系扭矩更大的波动，保持风机良好的动态特性。

Claims (3)

1.一种风机双通道阻尼控制低频振荡广域阻尼控制方法，其特征是：包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，
步骤一、将双机群区域间功率振荡，等值为分析区域间振荡的两机系统，建立无风电场接入时的等值两机系统动态模型，以及风电场接入其中一个区域时的系统动态模型，DFIG风机模型输出的动态有功功率或动态无功功率与系统振荡时的同步机组转子角速度偏差同相位或反相位，DFIG风机模型动态功率输出阻尼系统的区域间低频振荡；
步骤二、采用电力系统仿真计算软件MATLAB 2016a/Simulink，建立含双馈风电机组的并网电力系统仿真模型；
建立双馈风力发电机的有功和无功定子功率为：
Figure FDA0002967122430000011
Figure FDA0002967122430000012
其中，Ps为双馈风机的有功输出，Qs为双馈风机的无功输出，Xm为d、q坐标系中定、转子同轴等效绕组间的互感抗，Xs为定子侧感抗，iqr为转子侧q轴分量，idr为转子侧d轴分量，Vds为定子侧d轴分量，Vqs为定子侧q轴分量，V为母线电压，X电力系统等效电抗；
步骤三、利用广域测量系统WAMS和同步相量测量装置PMU获取振荡信息，在风机侧换流器内，添加同步机的PSS发电机磁力控制器，根据双馈风力发电机组机侧换流器功率外环的扰动信号与风电场连接点处频率偏差和电压偏差的动态响应变化，获得其有功和无功的输出响应抑制电力系统的低频振荡
Figure FDA0002967122430000013
其中，uin为控制器的输入，uPSS是控制器的输出，KPSS为增益，TW为复位环节时间常数，T1到T4是相位补偿环节的时间常数，S＝jwn，其中j是复数单位，wn为系统的额定角速度；
步骤四、采用发电机功角作为反馈信号，构建优化约束条件目标函数
Figure FDA0002967122430000021
其中，t是总仿真时间，δk(t)是t时刻第K台发电机转子角度，δj(t)是t时刻第j台发电机转子角度，Te为风机的电磁转矩，T0为电磁转矩稳态值，α为相应的权重系数；
通过优化约束条件应将故障后系统发电机的功角振荡快速衰减，回归稳态；
步骤五、对电网施加大扰动，将附加阻尼控制附加在双馈风机机侧有功环和无功环，并设计控制器参数
Figure FDA0002967122430000022
T1 min≤T1≤T1 max
Figure FDA0002967122430000023
Figure FDA0002967122430000024
Figure FDA0002967122430000025
其中，Ks表示阻尼信号的增益，T1，T2，T3，T4是阻尼控制器中超前滞后块的时间常数，其范围为0～40s，滤波环节Tw取为10s；
利用粒子群优化算法对控制器参数进行寻优校核，通过设计的控制参数进行控制器参数寻优；
至此，一种混合双通道阻尼控制抑制机电振荡的方法完成。
2.根据权利要求1所述的一种风机双通道阻尼控制低频振荡广域阻尼控制方法，其特征是：所述步骤一中，无风电场接入时的等值两机系统动态模型为
Figure FDA0002967122430000031
其中，ω为发电机的转子角速度，δ为发电机的转子角，δ12＝δ1-δ2为两区域转子角速度差，ω12＝ω1-ω2为两区域转子角度差，H1为区域1的等效惯性时间常数，H2为区域2的等效惯性时间常数，Pm1为发电机1的机械功率，Pm2为发电机2的机械功率，V1为母线1的电压，V2为母线2的电压；
风电场接入其中一个区域时的系统动态模型为
Figure FDA0002967122430000032
其中，PW为风电场注入系统功率。
3.根据权利要求1所述的一种风机双通道阻尼控制低频振荡广域阻尼控制方法，其特征是：所述步骤三中，PSS发电机磁力控制器包括放大环节、复位环节以及相位补偿环节，所述复位环节用于将控制器在稳态时输出为零，使PSS发电机磁力控制器在动态中起作用；所述相位补偿环节包括1个～2个超前环节，每个超前环节可以校正30～40的电角度。
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