双馈风电场并网抑制频率振荡控制策略
Control Strategies for Suppressing Frequency Oscillation of Doubly-Fed Wind Farms Connected to Grid
通讯作者: 曾 龙,男,在站博士后;E-mail:zenglong2404@qq.com.
责任编辑: 石易文
收稿日期: 2021-11-1
基金资助: |
|
Received: 2021-11-1
作者简介 About authors
刘新宇(1976-),男,河南省南阳市人,副教授,从事控制理论与控制工程、新能源发电与智能电网、模式识别与智能系统研究.
针对大型风电场跨区输送电能时引起的低频振荡问题,提出了一种阻尼系统低频振荡的单神经元自适应比例积分微分(PID)附加阻尼控制策略.通过对双馈风电机组的动态频率响应特性进行分析,构建了一种在单神经元自适应PID控制算法中引入二次型性能指标的风电场阻尼系统振荡控制器.通过对励磁变频器进行自适应调节,促使风电场快速发出有功功率,产生最大正阻尼,抑制系统低频振荡.利用MATLAB搭建含风电场的四机两区域电力系统仿真模型,通过对比验证了所提方法能够在系统发生低频振荡时有效抑制同步发电机功角的摇摆,改善系统惯性响应,降低电网发生低频振荡的风险.
关键词:
Aimed at the problem of low-frequency oscillations caused by cross-region power transmissioin of large-scale wind farms, a single neuron adaptive proportion integration differentiation (PID) additional damping control strategy for low-frequency oscillations of the damping system is proposed in this paper. By analyzing the dynamic frequency response characteristics of doubly-fed wind turbines, a wind farm damping system oscillation controller is constructed by introducing quadratic performance indicators into the single neuron adaptive PID control algorithm. By adaptively adjusting the excitation frequency converter, the wind farm can quickly generate active power and the maximum positive damping, and suppress the low-frequency oscillation of the damping system. MATLAB is used to build a four-machine two-region power system simulation model with a wind farm. The comparison verifies that the method proposed in this paper can effectively suppress the swing of the power angle of the synchronous generator when low-frequency oscillation occurs in the system, improve the inertial response of the system, and reduce the risk of low-frequency oscillation in the power grid.
Keywords:
本文引用格式
刘新宇, 逯芯妍, 曾龙, 郝正航, 赵起放, 李现伟, 郝同盟.
LIU Xinyu, LU Xinyan, ZENG Long, HAO Zhenghang, ZHAO Qifang, LI Xianwei, HAO Tongmeng.
对于风电场并网后系统阻尼特性的研究,文献[3,4]认为在风电机组类型确定的情况下, 接入距离越近、风电渗透率越低,阻尼效果越好.文献[5]分析了虚拟惯量控制对风电并网系统阻尼特性的影响,提出利用风电场中配置的静止同步补偿器增强系统动态稳定的控制策略.文献[6,7]提出了引入反映同步发电机阻尼绕组特性的暂态阻尼环节的解决方法,解决一次调频与传统阻尼特性的相互影响问题.文献[8,9]分析了实施惯量控制的风电场在弱电网条件下会参与系统低频振荡并引入新弱阻尼振荡,以此提出了一种双层阻尼控制体系来增强风电场的阻尼特性.文献[10]提出了一种基于附加电压控制器的阻尼控制方法,该阻尼控制器可以充分抵消延时影响,从而可以改善阻尼频率振荡.
在增强含风电场电力系统阻尼的控制策略方面,文献[11]提出以系统频率偏差为输入, 在双馈风机上设计了附加阻尼控制器,为系统注入正阻尼.文献[12]提出了一种在DFIG转子侧增加阻尼控制器的混合模型高级控制策略,该策略可以有效地提高风机的故障穿越能力.文献[13,14]提出了一种基于全维状态空间反馈的附加阻尼控制器,调节各换流站的有功功率, 从而抑制系统的振荡.文献[15]提出一种基于史密斯预估-自抗扰控制的双馈风电场广域附加阻尼控制器,能够有效地抑制区间低频振荡.文献[16]提出通过将混合的多个有源阻尼回路分别集成到有功和无功功率控制器中,可以同时改善所有振荡模式的阻尼控制.文献[17]基于二次最优控制原理设计了多频段高压直流附加控制器,可抑制交流系统中因功率不平衡引起的振荡.
已有的研究为风电场阻尼电力系统奠定了理论基础,也提出了许多解决问题的方法.然而,对于风电场提供正阻尼还是负阻尼的条件并没有给出明确的理论依据.本文在研究双馈风电场对系统振荡阻尼作用的基础上,推导出风电场提供正阻尼的解析条件,并以此提出了一种变增益神经元自适应控制方法,以提高双馈风电场并网抑制低频振荡的动态品质.
1 风电场并网的阻尼特性机理分析
1.1 不含风电场的电力系统固有阻尼特性
考虑到电力系统拓扑结构复杂性及风电接入电网形式多样性,为简化分析过程,本文重点研究风电经“风火打捆”系统,并考虑由远距离高压输电线路并入大电网的典型情况,其结构图如图1所示.其中:H1为同步发电机,代表常规电站;风电场代表风电场群;P1为H1输出的有功功率;PW为风电场输出的有功功率;QW为风电场输出的无功功率;E为H1的内电势;δ_1 为E的相角;U_A 、U_B 分别为节点A、B的电压幅值;δ_A 为节点A电压相角;X_1 和X_2为输电线路的电抗.
图1
当图1中不包含风电场,且假设H1的机械输入功率为常值,则可以得到小信号作用下H1的转子运动方程:
式中:ΔP1为电磁功率增量;Δδ1为电压相角增量;T1为H1惯性时间常数;D1为H1的阻尼系数.
在不考虑励磁系统作用且假定E恒定的情况下,可得:
式中:
将式(3)代入式(1)得到:
对比典型二阶系统特征方程的系数可知,系数
1.2 包含风电场的电力系统阻尼性质
式中:
ΔPW(jω)=Δω1(jω)G(jω)
其中:
将式(8)代入式(1)得到含风电场的转子运动方程:
对比式(4)、式(11)可以看出,当风电场切入电网后,系统阻尼增加了
1.3 风电场并网产生阻尼特性分析
由1.2节的讨论可知: 当
2 利用风电场阻尼系统振荡控制器的设计
2.1 单神经元自适应比例积分微分控制原理
单神经元自适应比例积分微分(PID)控制系统的结构图如图2所示.其中:
图2
图2
单神经元自适应PID控制系统结构图
Fig.2
Structure diagram of single neuron PID adaptive control
在tk时刻,增量式PID控制算法可表示为
式中:kp、ki、kd为单神经元的加权值,并设其为
则单神经元自适应PID控制器的输出为
K值的选择很重要.K值越大,则快速性越好,但也会导致超调量大,可能会导致系统的不稳定;K值选择过小,则快速性变差.
2.2 励磁变频器的阻尼控制策略
通过改变风电场的动态频率特性,可以影响系统阻尼特性,便可使风电场为系统提供更多的正阻尼.由此提出阻尼控制的基本思路:根据产生最大正阻尼的条件,通过智能附加控制,采集H1的转子角频率微变量Δω1(转子小值振荡期间,点A处频率增量与
根据上述思路,在转子侧变频器的常规双闭环比例积分(PI)调节的基础上加入附加阻尼控制环节,如图3所示.其中
图3
图3
带有附加阻尼控制的励磁控制器结构图
Fig.3
Structure diagram of excitation controller with additional damping control
单神经元自适应PID控制原理见2.1节.为了实现输出误差和控制增量的同时约束控制,本文将采用一种基于二次型性能指标的学习算法[20].引入的二次型性能指标通过使输出误差和控制增量加权平方和为最小来调整加权系数,从而可以间接实现对二者的约束控制.
这里取系统性能指标表达式如下:
式中:M、N分别为事先设定的输出误差和控制增量的加权系数;
为了实现系统的误差逐渐减小,应该使wi与误差的负梯度成正比,即:
式中:η为正常数.则误差梯度表达式为
式中:b0为调整系数;z(tk)为tk采样时刻的教师信号.将式(18)代入式(17),可得:
又由
式中:ηP、ηI、ηD分别为比例、积分、微分下的正常数.则可以得到:
式中:
至此,式(16)~(21)就是基于二次型性能指标学习算法的单神经元自适应PID控制算法.相比于2.1节的增量式PID控制算法,采用二次型性能指标学习算法来计算控制律可以得到更优的控制效果.将此算法运用至附加阻尼控制器,为使算法具有更强的自适应能力,对引进的比例系数K进行优化.令:
式中:λ为一个正实数.当Δω1=0时,sgn
由图3可知,在附加阻尼控制环节,根据输入量Δω1,通过智能控制器自适应调节比例系数K及kp、ki、kd参数,自动进行相位补偿和放大增益调整,以保证校正后的
3 算例验证
3.1 仿真参数
本文运用MATLAB/Simulink软件建立含风电机组的区域电力系统模型,区域电力系统模型采用IEEE四机两区域系统,系统的结构图如图4所示.
图4
图4
风电接入的四机两区域电力系统模型
Fig.4
Four-machine two-region power system model with wind power integration
区域1包含H1、H2两个同步发电机组,区域2包含H3、H4两个同步发电机组,L1、L2为联络线所带重负荷,同步发电机组的额定容量都为900 MW,且4台机组规格相同,参数如表1和2所示.其中:
表1 四机两区域系统中同步机的参数
Tab.1
参数 | 取值 | 参数 | 取值 |
---|---|---|---|
Xd(p.u.) | 1.80 | X″d(p.u.) | 0.25 |
Xq(p.u.) | 1.70 | X″q(p.u.) | 0.25 |
XL(p.u.) | 0.20 | Ra(p.u.) | 0.0025 |
X'd(p.u.) | 0.30 | T'd0/s | 8.0 |
X'q(p.u.) | 0.55 | T'q0/s | 0.4 |
T″d0/s | 0.03 | T1/s | 6.5 |
T″q0/s | 0.05 | T2/s | 6.175 |
Sb/(MV·A) | 900 | Ub/kV | 20 |
表2 同步机的功率输出参数
Tab.2
同步机 | 电压(p.u.) | 有功功率/MW | 无功功率/MVar |
---|---|---|---|
H1 | 1.03∠20.0° | 700 | 185 |
H2 | 1.01∠10.5° | 700 | 235 |
H3 | 1.03∠-6.8° | 719 | 176 |
H4 | 1.01∠-17.0° | 700 | 202 |
3.2 DFIG-PSS附加控制器
为了突出本文所提控制器的有效性,通过设计电力系统稳定器(PSS)附加控制器进行对比.该控制器采用PSS控制理论,引入PSS控制结构到DFIG的有功功率控制环节中,其控制框图如图5所示, 其中:T3、T4为时间常数.
图5
3.3 仿真分析
3.3.1 三相短路故障情形 为测试所设计的控制器是否能有效抑制低频振荡,设置了三相短路故障.在如图4所示区域的电力系统进行仿真实验,系统运行至20 s时,在系统中母线3处设置一个持续时长为0.1 s的三相短路故障,从而诱发系统出现低频振荡.通过示波器观测系统中各变化量,将单神经元附加控制器与无附加控制、DFIG-PSS附加控制的情况进行对比,判断单神经元附加控制策略抑制系统低频振荡的有效性.
图6
图6
三相短路故障下两区域相对转子角变化曲线
Fig.6
Relative rotor angle change curves of two regions under three-phase short circuit fault
图7
图7
三相短路故障下联络线有功功率振荡响应曲线
Fig.7
Tie line active power oscillation response curves under three-phase short circuit fault
图8
图8
三相短路故障下双馈风电机组有功功率的响应曲线
Fig.8
Response curve of active power of DFIG under three-phase short circuit fault
图9
图9
三相短路故障下转子响应曲线
Fig.9
Rotor response curves under three-phase short circuit fault
3.3.2 机端扰动情形 为了进一步测试双馈风电机组转子侧有功控制环附加阻尼控制器的有效性,本节利用发电机机端扰动特例为四机两区域电力系统制造系统低频振荡工况.具体实施方案如下:在四机两区域电力系统中,当系统运行至20 s时,在同步发电机2的励磁参考电压处加入一个10%的阶跃响应,使输入值由1.0 (p.u.)突降至0.9 (p.u.),系统运行至20.6 s时,扰动源去除,系统恢复正常,观察系统各项变量变化曲线,如图10所示.
图10
图10
机端扰动情况下两区域相对转子角变化曲线
Fig.10
Relative rotor angle change curves of two regions in terminal disturbance
图11
图11
机端扰动情况下联络线有功功率振荡响应曲线
Fig.11
Tie line active power oscillation response curves in terminal disturbance
图12
图12
机端扰动情况下双馈风电机组有功功率响应曲线
Fig.12
Response curves of active power of DFIG in terminal disturbance
图13
从以上仿真效果可以看出,机端扰动系统环境与三相短路故障相似,当系统发生低频振荡故障时,单神经元附加控制器可以使双馈风电机组有功功率控制环快速发出有功功率参与系统振荡调节.并且由于单神经元附加控制器的优越性,其可以使系统更快达到稳定状态.
4 结语
本文围绕双馈风电场的有功调节抑制电力系统频率振荡问题展开研究,在双馈发电机的机侧转速环上引入了以增加电力系统阻尼为目标的单神经元自适应PID附加阻尼控制器.仿真测试与实验结果表明,在电力系统出现频率振荡故障期时,采用本文提出的控制策略可以使风电场快速发出有功功率,以增加系统阻尼,抑制系统出现的频率振荡,并且改进的控制策略不会对风机和系统造成负面影响,具有参考价值.
参考文献
应用附加阻尼抑制风电接入后电网的低频振荡策略研究
[J].
Research on low frequency oscillation suppression strategy of grid connected with wind power by additional damping
[J].
双馈风电机组抑制电力系统低频振荡的非线性控制策略
[J].
Nonlinear control strategy for doubly-fed wind turbine to suppress low-frequency oscillation of power systems
[J].
Active-reactive additional damping control of a doubly-fed induction generator based on active disturbance rejection control
[J].DOI:10.3390/en11010001 URL [本文引用: 1]
基于阻耗系数的双馈风机系统阻尼控制研究
[J].
Damping control for grid connected DFIG system based on dissipated energy coefficient
[J].
Distributed inter-area oscillation damping control for power systems by using wind generators and load aggregators
[J].DOI:10.1016/j.ijepes.2020.106201 URL [本文引用: 1]
A coordinated dual-channel wide area damping control strategy for a doubly-fed induction generator used for suppressing inter-area oscillation
[J].DOI:10.3390/app9112353 URL [本文引用: 1]
基于双滑模的永磁同步电机直接转矩控制
[J].
Research on direct torque control for permanent magnet synchronous motor based on the double sliding mode
[J].
基于状态反馈附加阻尼控制的柔性直流电网抑制低频振荡
[J].
Low-frequency oscillation suppression using flexible DC grid based on state feedback supplementary damping control
[J].
Additional damping control of a hybrid multi-infeed DC system with a wind farm
[J].
Research on stability margin enhancement for low-voltage multi-terminal DC system based on additional damping control
[J].DOI:10.1049/gtd2.v13.15 URL [本文引用: 1]
Analysis on the influence of wind power participating in frequency modulation on low-frequency oscillation in Yunnan power grid
[J].DOI:10.1088/1742-6596/1748/5/052030 URL [本文引用: 1]
光伏电站附加阻尼控制器及控制参数优化设计
[J].
Optimal design of additional damping controller and control parameters for photovoltaic power station
[J].
Robust coordinated control for damping low frequency oscillations in high wind penetration power system
[J].
DFIG风电机组协同SVG抑制电网低频振荡方法
[J].
Method of DFIG cooperating with SVG to suppress low-frequency oscillation in power systems
[J].
高比例双馈风电并网电力系统机电振荡阻尼控制策略研究
[D].
Reseach on control strategy of doubly-fed induction generator to suppress electromechanical oscillation of power system
[D].
Mathematical modelling and stability analysis of PSS for damping LFOs of wind power system
[J].DOI:10.1049/rpg2.v13.1 URL [本文引用: 1]
A fuzzy control strategy for grid connected DFIG system based on dissipated energy coefficient
[C]//
双馈风电场损耗最小化的有功无功协调优化控制
[J].
Coordinated optimal control with loss minimization for active and reactive power of doubly fed induction generator-based wind farm
[J].
风电场阻尼电力系统振荡的机理及时滞影响
[J].
Mechanism of wind farm damping power system oscillation and time-delay influence
[J].
/
〈 |
|
〉 |
