風電并網抑制系統振蕩控制策略研究

李現偉 蔣劉興 劉 鵬 王宇軒

（1、華北水利水電大學電力學院，河南 鄭州450011 2、雅礱江流域水電開發有限公司，四川 成都610000）

近年來，隨著風力發電裝機容量不斷增大，建設百萬千瓦級風電場（風電基地）和實現大規模風電跨區遠送成為風電發展的戰略重點[1]。我國的大型風電場通常分布在偏遠的地區，它們遠離電力負荷中心，因此其輸電線往往具有長距離和重負荷的特點[2-3]。隨著基于DFIG 的風電場在電力系統中的普及程度的提高，在系統穩定性和振蕩阻尼相關的研究開始變成社會熱點。

為了解決這個問題，本文通過研究DFIG 的有功無功調節能力，在DFIG 的有功控制環上設計了輔助阻尼控制器。控制器采用傳輸線的有功功率作為反饋信號，使用模糊邏輯方法設計了一種最優阻尼控制器。模糊控制器的主要優點是它們不需要系統的詳細數學建模，模糊方法還可以克服系統的非線性和不確定性，并在十分廣泛的工作條件和瞬態事件中提供強大的性能。

此外，在本文中，為了易于設計和實現，在使用合適的系數縮放模糊控制器的輸入和輸出時，使用了標準化的模糊隸屬函數。

1 雙饋風機數學模型

為簡單計算，雙饋風電場采用單機等值模型。雙饋風電場獲取風的動能并以旋轉的機械轉矩的形式傳遞，如公式（1）所示，

風力機提取的機械扭矩通過傳動系統傳輸到發電機的轉子。動力傳動系統動力學通常由兩個質量模型描述，如公式（2）至公式（4）所示，

在DFIG 中，發電機是繞線轉子感應發電機，定子和轉子繞組都連接到網絡。對于電力系統穩定性研究，通常會忽略定子的非常快的電瞬態，并且以瞬態電抗后面的電壓源的形式對系統進行建模。在這種情況下，d-q 參考系內的轉子電動力學描述如下。

2 模糊阻尼控制器設計

傳統上，DFIG 的有功功率輸出是通過最大功率點跟蹤（MPPT）策略確定的。

但是，由于MPPT 控制無法使DFIG 產生慣性響應，故而有功功率控制與電力系統動力學無關。另一方面，風電場的慣性響應會增加電力系統的振蕩阻尼。

本文在DFIG 轉子側變流器的有功功率控制回路中提出了一個附加的阻尼控制器，以改善電力系統的振蕩。圖1 表示RSC 控制器的總體結構以及所提出的阻尼控制器，該阻尼控制器修改了DFIG 有功功率的參考值。

圖1 轉子側控制器結構圖

在本節中，將使用模糊邏輯方法設計所提出的阻尼控制器。模糊控制器通常接收兩個輸入作為控制反饋信號的誤差和誤差變化率。

首先，將輸入信號轉換為相應的模糊值。在本文中，為了便于設計和實現模糊隸屬度函數（MFs），將輸入信號按增益K1 和K2 在[-1，1]范圍內進行縮放。

其次，通過將MFs 進行歸一化確定輸入變量對模糊集的隸屬度。對于每個輸入和輸出變量，將考慮七個模糊值，例如：NB=負大，NM=負中，NS=負小，ZR=零，PB=正大，PM=正中，PS=正小。

下一步，模糊推理系統基于可用的模糊規則和模糊推理引擎，推導適當的模糊控制。

最后一步是進行模糊化處理，即是將模糊值轉換為準確值的過程。在這里，根據控制范圍將輸出值在[-0.15+0.15]的范圍內縮放，增益取K3。

3 仿真結果分析

在本文中，為測試控制方法的有效性，選擇標準的四機兩區域系統作為測試系統，四機兩區域系統參數見文獻[4]。將雙饋風電場接入到該系統區域1 中，風電場由75 臺2MW 的雙饋風電機組構成。

在MATLAB / Simulink 軟件中對測試系統進行了仿真，系統結構圖如圖2 所示。

圖2 系統仿真結構圖

為了驗證附加阻尼控制器的有效性，在系統運行至15s 時，在兩區域系統傳輸線上設置三相短路故障，故障持續時間為0.1s。為了分析風電場有功附加阻尼控制器的效果，將系統在沒有附加控制，常規PSS 附加控制和改進的附加阻尼控制三種情況下的仿真結果進行對比，觀察系統15s 至30s 的系統性能，分析其控制性能。

圖3 所示為系統低頻振蕩情況下三種環境下的傳輸線有功功率振蕩曲線仿真結果，圖4 所示為發電機組1 與發電機組4 之間的振蕩模式。

通過圖3 可以看出，在風電機組采用有功功率附加阻尼控制器的情況下，傳輸線有功功率的動態特性能夠更快的達到穩定狀態，減少系統的振蕩時間。通過三種不同方法的仿真情況對比可以看出，采用改進附加阻尼控制器得到的系統動態響應效果明顯優于另外兩種情況，系統低頻振蕩情況得到了明顯改善。

圖3 三種情況下傳輸線有功功率振蕩曲線

圖4 三種情況下發電機組1 與發電機組4 振蕩模式曲線

4 結論

本文提出了一種采用模糊邏輯方法的雙饋風力發電機組的最優魯棒阻尼控制器。該控制器采用電力系統聯絡線的有功功率作為輸入信號，在系統發生低頻振蕩期間，通過雙饋風電場的有功功率調節能力，為電力系統產生阻尼。通過在四機兩區域系統測試下可以看出，與常規PSS 附加阻尼控制器相比，其能夠減少小擾動下的電力系統低頻振蕩。該控制器通過為系統提供阻尼保障了電力系統的安全運行。