薛靜瑋, 林 毅, 唐雨晨, 魏 鑫, 王永杰, 薛安成
(1.國網(wǎng)福建省電力有限公司 經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,福建 福州 350012;2.華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102206)
大力發(fā)展風(fēng)能等新能源發(fā)電,實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)轉(zhuǎn)型,已成為國內(nèi)外應(yīng)對能源問題的共識[1]。然而,隨著高比例風(fēng)電的接入,電力系統(tǒng)出現(xiàn)了新型次同步振蕩[2],亟需抑制。目前,從控制方法的角度,對含風(fēng)電的電力系統(tǒng)次同步振蕩抑制措施,可以分為附加阻尼控制、優(yōu)化系統(tǒng)控制以及增設(shè)輔助設(shè)備三類。
在附加阻尼控制方面,從控制接入的位置看,現(xiàn)有研究大多借助變流器環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)控制。文獻(xiàn)[3-4]通過在雙饋風(fēng)機(jī)(DFIG)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器(RSC)引入阻尼控制實(shí)現(xiàn)次同步振蕩抑制。文獻(xiàn)[5-6]分別提出了DFIG和直驅(qū)風(fēng)機(jī)的電網(wǎng)側(cè)變流器(GSC)附加阻尼控制方法。文獻(xiàn)[7]對比了分別在DFIG的RSC與GSC中采用附加阻尼控制時對系統(tǒng)中次同步振蕩的抑制效果。而從選取的控制信號看,又可分為轉(zhuǎn)速信號[8]和電流/電壓信號[9]。在優(yōu)化系統(tǒng)控制方面,文獻(xiàn)[10-11]針對風(fēng)電場經(jīng)柔直送出系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化,進(jìn)而抑制次同步控制相互作用(SSCI)。在增設(shè)輔助設(shè)備方面,目前大多基于柔性交流輸電系統(tǒng)(FACTS)或其他裝置,如通過統(tǒng)一潮流控制器[12]、靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償[13]和電力系統(tǒng)穩(wěn)定器[14-15]實(shí)現(xiàn)振蕩抑制。
另一方面,從數(shù)學(xué)的角度看,對于風(fēng)電次同步振蕩抑制的研究對象,主要是負(fù)阻尼振蕩和光滑的強(qiáng)迫振蕩[16]。其中,針對負(fù)阻尼振蕩的抑制措施[17-19]主要通過抵償控制器中的擾動信號或整定控制參數(shù),進(jìn)而改善系統(tǒng)平衡點(diǎn)的阻尼,實(shí)現(xiàn)對振蕩的抑制。而針對光滑的強(qiáng)迫振蕩的抑制措施[20-21]主要通過準(zhǔn)確定位并切除擾動源,從而增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。上述研究通過判斷局部平衡點(diǎn)的穩(wěn)定性,針對小擾動下的振蕩抑制效果進(jìn)行了驗(yàn)證。然而在大擾動下,風(fēng)機(jī)內(nèi)部如限幅等非線性切換環(huán)節(jié)作用,會使得系統(tǒng)出現(xiàn)與以往不同的切換型振蕩[22-23],目前對該類振蕩的抑制鮮見報道。
此外,非線性控制中,通過恰當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換和狀態(tài)反饋,將系統(tǒng)化為線性系統(tǒng),從而利用線性控制實(shí)現(xiàn)鎮(zhèn)定,稱之為反饋線性化控制(FLC)。與傳統(tǒng)控制方法相比,F(xiàn)LC可在一個足夠大的狀態(tài)空間中,對非線性系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)解耦控制,更加適合強(qiáng)非線性強(qiáng)耦合的含靜止無功發(fā)生器(SVG)雙饋系統(tǒng)。然而,現(xiàn)有FLC研究中,較少考慮SVG對系統(tǒng)控制的影響,主要集中于不含SVG的雙饋/直驅(qū)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)[24-25]。
有鑒于此,本文以含SVG的DFIG系統(tǒng)為研究對象,結(jié)合反饋線性化原理,提出了一種針對DFIG RSC的控制方法。首先,推導(dǎo)了含SVG的雙饋系統(tǒng)22階時域模型,并針對轉(zhuǎn)子側(cè)變流器內(nèi)環(huán)進(jìn)行反饋線性化控制。其次采用特征值法和時域仿真,驗(yàn)證了控制方法在小擾動下的優(yōu)越性。最后,結(jié)合二維相圖截面分析了控制方法在大擾動下的有效性。
含SVG的DFIG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。大功率DFIG經(jīng)箱式變壓器接入?yún)R流母線,同時,系統(tǒng)中配備有經(jīng)變壓器接入的SVG提供無功支撐。整個風(fēng)電并網(wǎng)單元經(jīng)升壓變壓器和110 kV串補(bǔ)輸電線路接入外部電網(wǎng)。下面推導(dǎo)各部分時域狀態(tài)空間模型。
圖1 含SVG的雙饋風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
DFIG模型主要包括傳動軸、異步發(fā)電機(jī)、換流器以及外部電路組成。DFIG的機(jī)械傳動部分采用兩質(zhì)量塊模型,如圖2所示,即將DFIG的機(jī)械部分等效為一個質(zhì)量塊,異步發(fā)電機(jī)部分等效為另一質(zhì)量塊,二者之間通過傳動軸連接。
圖2 DFIG兩質(zhì)量塊等效模型示意圖
該部分的微分方程可表示為
(1)
式中:Ht、Hg分別為風(fēng)力機(jī)機(jī)械部分質(zhì)量塊和異步發(fā)電機(jī)質(zhì)量塊的慣性系數(shù);ωt、ωr分別為風(fēng)力機(jī)機(jī)械部分和異步發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角速度;Dt、Dg分別為兩質(zhì)量塊的自阻尼系數(shù);Dtg、Ktg分別為兩質(zhì)量塊間的互阻尼系數(shù)和剛性系數(shù);θB為等效風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子間的夾角;Tin、Tout分別為風(fēng)力機(jī)輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩和發(fā)電機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩;ωB=2πf為系統(tǒng)同步角速度。
異步發(fā)電機(jī)部分可通過dq坐標(biāo)系中的發(fā)電機(jī)磁鏈方程與電壓方程表示為
式中:ψsd、ψsq、ψrd、ψrq分別為定/轉(zhuǎn)子磁鏈的d、q軸分量;Ls、Lr分別為定/轉(zhuǎn)子自感抗;Lm為互感抗;Rs、Rr分別為定/轉(zhuǎn)子電阻;isd、isq、ird、irq分別為定/轉(zhuǎn)子電流的d、q軸分量;usd、usq、urd、urq分別為定/轉(zhuǎn)子電壓的d、q軸分量;ω1為定子角速度。
本文中,DFIG的功率解耦控制主要通過轉(zhuǎn)子側(cè)變流器實(shí)現(xiàn),并忽略直流母線電壓的動態(tài)過程,即忽略電網(wǎng)側(cè)變流器的控制作用。同時考慮內(nèi)環(huán)電壓限幅,忽略脈沖寬度調(diào)制(PWM)。轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制框圖如圖3所示。
圖3 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制示意圖
由控制框圖3可得其狀態(tài)方程為
(4)
式中:x1、x2、x3、x4為中間變量;Pref和Qref分別為有功和無功功率的參考值;Pmeas和Qmeas分別為有功和無功功率的測量值;ud_ref、uq_ref分別為RSCd、q軸電壓參考值;Kp1、Kp2分別為RSCd、q軸外環(huán)比例系數(shù);Kp3、Kp4分別為RSCd、q軸內(nèi)環(huán)比例系數(shù);Ki1、Ki2分別為RSCd、q軸外環(huán)積分系數(shù);Ki3、Ki4分別為RSCd、q軸內(nèi)環(huán)積分系數(shù)。
DFIG外部電路結(jié)構(gòu)如圖4所示,采用典型的RLC串聯(lián)結(jié)構(gòu),外部電網(wǎng)等值為電壓幅值不變的無窮大節(jié)點(diǎn),變壓器和送出線合并考慮,采用電磁暫態(tài)模型。
圖4 DFIG外部電路結(jié)構(gòu)圖
根據(jù)各元件間的電氣關(guān)系,可得外部電路結(jié)構(gòu)在dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型:
(5)
式中:ucd、ucq為串補(bǔ)電容兩端電壓的d、q軸分量;id、iq為系統(tǒng)輸出電流的d、q軸分量;ugd、ugq為外部電網(wǎng)電壓的d、q軸分量;CL、XL、RL分別為線路電容、電感、電阻。
SVG可等效為幅值和相位可控的電壓源,在不同情況下,起到發(fā)出或吸收無功的作用。其中,SVG的一次回路經(jīng)變壓器接入三相電網(wǎng)。同時從直流電容采集直流電壓,從變壓器低壓側(cè)采集交流電壓,以實(shí)現(xiàn)d、q軸的解耦控制,具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5 SVG外部電路結(jié)構(gòu)圖
其在dq坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程可表示為
(6)
式中:Lsvg、Rsvg、Csvg分別為SVG的濾波電感、輸出線路電阻、直流電容;idsvg、iqsvg和udsvg、uqsvg分別為SVG輸出的d、q軸電流分量和電壓分量;udc為直流電容電壓。
SVG采用定電壓控制方式,即用直流電壓調(diào)制d軸電流信號,以控制有功功率,穩(wěn)定直流電容電壓;用交流電壓調(diào)制q軸電流信號,以控制無功功率,穩(wěn)定并網(wǎng)點(diǎn)電壓,調(diào)整功率因數(shù),SVG控制環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。
圖6 SVG控制環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)圖
由圖6可知,SVG控制環(huán)節(jié)的狀態(tài)方程為
(7)
式中:udcref為SVG直流電容電壓參考值;xs1、xs2、xs3、xs4為SVG控制器模型的中間變量;Ksp1為SVGd軸外環(huán)比例系數(shù);Ksi1為SVGd軸外環(huán)積分系數(shù);Qsvgref為SVG輸出無功率參考值;Qsvg為SVG輸出的無功功率。
聯(lián)立式(1)~式(7),可得含SVG的雙饋發(fā)電系統(tǒng)的22階狀態(tài)空間模型:
(8)
式中:系統(tǒng)的狀態(tài)變量x=[ωt,ωr,θB,isd,isq,ird,irq,x1,x2,x3,x4,ucd,ucq,id,iq,idsvg,iqsvg,udc,xs1,xs2,xs3,xs4]T;系統(tǒng)的代數(shù)變量u=[usd,usq,urd,urq]T;A、B分別為狀態(tài)和代數(shù)變量系數(shù)矩陣。
利用MATLAB可得系統(tǒng)特征值,其6組振蕩模式如表1所示。
表1 系統(tǒng)振蕩模式及其特征值
當(dāng)系統(tǒng)串補(bǔ)度為60%時,雙饋系統(tǒng)含有5對共軛特征值。其中,系統(tǒng)次同步振蕩模式對應(yīng)的特征值λ5,6=2.54±j223.67,由特征值虛部可知,系統(tǒng)發(fā)生頻率為35.60 Hz的次同步振蕩。當(dāng)系統(tǒng)串補(bǔ)度為60%時,在小擾動下,輸出的有功功率波形圖及頻譜分析如圖7和圖8所示。圖8表明,系統(tǒng)的輸出有功功率中含有36.36 Hz的次同步振蕩分量,與特征值分析結(jié)果一致。
圖7 系統(tǒng)輸出有功功率波形圖
圖8 有功功率頻譜分析圖
參與因子可確定該振蕩模式下的主要參與變量,如表2所示。表2表明,該振蕩模式主要由RSC內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)(x2,x4)、串聯(lián)補(bǔ)償輸電線路(id,iq)以及SVG的內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)(xs2,xs4)參與。其中,RSC內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)影響程度最大,因此考慮對RSC內(nèi)環(huán)進(jìn)行反饋線性化控制。
表2 振蕩主要參與變量及其參與因子
反饋線性化主要設(shè)計方法[26]簡述如下。
仿射非線性系統(tǒng)如下所示:
(9)
式中:x為系統(tǒng)的狀態(tài)量;u、y分別為系統(tǒng)的控制和輸出向量;f(x)、g(x)和h(x)為相應(yīng)的函數(shù)表達(dá)式。
當(dāng)輸出函數(shù)h(x)對系統(tǒng)的相對階r小于或等于系統(tǒng)的階數(shù)(即系統(tǒng)狀態(tài)量的個數(shù))時,存在一坐標(biāo)變換z=φ(x),可將仿射非線性系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為以下標(biāo)準(zhǔn)形式:
(10)
式中:z、v分別為新的狀態(tài)向量和控制向量;A、B為相應(yīng)的常系數(shù)矩陣。
RSC是利用轉(zhuǎn)子電流的dq分量,解耦控制風(fēng)機(jī)輸出的有功功率和無功功率。因此,選取ird、irq作為狀態(tài)變量,Pmeas-Pref、Qmeas-Qref作為輸出變量,推導(dǎo)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的仿射非線性模型。
考慮定子電壓定向條件下,由異步發(fā)電機(jī)的磁鏈方程可得:
(11)
將式(11)代入異步發(fā)電機(jī)的電壓方程,可得:
(12)
式中:Us為定子電壓;ωslip為定轉(zhuǎn)子間的轉(zhuǎn)差,ωslip=ω1-ωr。
進(jìn)一步整理可得轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的仿射非線性模型,其形式與式(9)相同。
x=[irdirq]T
(13)
(14)
(15)
式中:I2×2為2階單位矩陣。
u=[urdurq]T
(16)
(17)
結(jié)合精確線性化條件,對轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的仿射非線性模型進(jìn)行驗(yàn)證。其向量的相對階計算如下:
(18)
由式(18)可知,RSC仿射非線性模型的相對階為r1+r2=1+1=2等于其階數(shù),且矩陣為非奇異矩陣,故可以進(jìn)行精確線性化。
在系統(tǒng)滿足精確線性化的條件下,可通過坐標(biāo)映射z=φ(x),將原系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為z描述的標(biāo)準(zhǔn)線性系統(tǒng)。取坐標(biāo)映射z=φ(x)為
(19)
進(jìn)而有:
(20)
根據(jù)式(19)~式(20)可得由z描述的標(biāo)準(zhǔn)線性系統(tǒng),其形式與式(10)相同。
最后,確定原控制變量u與新控制變量v之間的關(guān)系,由式(10)、式(20)可得:
(21)
其中,系統(tǒng)的新控制變量v可設(shè)定為
(22)
結(jié)合式(21)和式(22),可得轉(zhuǎn)子側(cè)變流器在反饋線性化控制下的模型:
(23)
相應(yīng)的控制框圖如圖9所示。
圖9 RSC反饋線性化控制結(jié)構(gòu)圖
本節(jié)通過分析小擾動,采用不同控制策略時,系統(tǒng)的特征值軌跡及時域仿真波形,對比不同控制策略對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。
4.1.1 不同串補(bǔ)度
保持系統(tǒng)其他參數(shù)不變,分別在采用PI控制和反饋線性化控制的系統(tǒng)中,設(shè)置不同的線路串補(bǔ)度(從10%開始,每次增加10%~80%),可得不同串補(bǔ)度下,振蕩模式根軌跡如圖10所示。
圖10 不同串補(bǔ)度下振蕩模式的根軌跡
由圖10可知,隨著串補(bǔ)度增加,PI控制的系統(tǒng)阻尼快速下降。當(dāng)串補(bǔ)度高于40%時,采用PI控制的系統(tǒng)阻尼為負(fù),而采用反饋線性化控制的系統(tǒng)始終保持正阻尼。因此,與PI控制相比,反饋線性化控制對系統(tǒng)阻尼起到的增強(qiáng)效果更好。
對采用不同控制策略的系統(tǒng)進(jìn)行時域仿真分析,可得線路串補(bǔ)度分別為10%、50%、80%時,系統(tǒng)輸出有功功率如圖11所示。
圖11 不同串補(bǔ)度下系統(tǒng)的輸出有功功率
圖11表明,當(dāng)線路串補(bǔ)度為10%時,兩種控制方式下系統(tǒng)均穩(wěn)定,采用反饋線性化控制的系統(tǒng),振蕩衰減的速度快于采用PI控制的系統(tǒng);當(dāng)線路串補(bǔ)度為50%及80%時,PI控制下的系統(tǒng)功率振蕩發(fā)散,而采用反饋線性化控制的系統(tǒng)仍然穩(wěn)定。以上現(xiàn)象均與特征值分析結(jié)果相符合。
4.1.2 不同風(fēng)速
保持系統(tǒng)其他參數(shù)不變,設(shè)定串補(bǔ)度為60%,且分別在采用PI控制和反饋線性化控制的系統(tǒng)中,設(shè)置不同的輸入風(fēng)速(從5 m/s開始,步長1 m/s,至12 m/s),可得不同風(fēng)速下,振蕩模式的根軌跡如圖12所示。
圖12 不同風(fēng)速下振蕩模式的根軌跡
由圖12可知,隨著風(fēng)速減小,系統(tǒng)阻尼迅速下降。當(dāng)風(fēng)速為11 m/s及以下時,采用PI控制的系統(tǒng)阻尼為負(fù)。與采用PI控制的系統(tǒng)相比,采用反饋線性化控制的系統(tǒng)均有效增強(qiáng)了系統(tǒng)振蕩模式的阻尼。
分別在風(fēng)速為12 m/s、7 m/s以及5 m/s的條件下,對采用不同控制策略的系統(tǒng)進(jìn)行時域仿真,所得系統(tǒng)的輸出有功功率如圖13所示。
圖13 不同風(fēng)速下系統(tǒng)的輸出有功功率
圖13表明,當(dāng)風(fēng)速為12 m/s時,即高風(fēng)速條件下,采用兩種控制策略的系統(tǒng)經(jīng)暫態(tài)過程后,均穩(wěn)定收斂,但反饋線性化控制收斂速度明顯快于PI控制。而風(fēng)速為7 m/s或5 m/s時,PI控制策略下的系統(tǒng)振蕩失穩(wěn),采用反饋線性化控制的系統(tǒng)仍然保持穩(wěn)定。以上現(xiàn)象均與特征值分析結(jié)果相符合。
在大擾動下,對比PI控制與反饋線性化控制對非線性環(huán)節(jié)的優(yōu)化控制效果。調(diào)整風(fēng)速為8 m/s、串補(bǔ)度為40%,此時系統(tǒng)為正阻尼系統(tǒng)。通過改變系統(tǒng)初值,使其遠(yuǎn)離平衡點(diǎn)的方式,可以模擬大擾動后系統(tǒng)的運(yùn)行情況。
4.2.1 PI控制下的穩(wěn)定性分析
系統(tǒng)RSC內(nèi)環(huán)采用PI控制時,控制器限幅環(huán)節(jié)設(shè)置與圖3一致。其中,ud_ref限幅上限值為2。通過MATLAB計算可得系統(tǒng)平衡點(diǎn)ud_ref值為1.46。當(dāng)ud_ref擾動后初值下降為1時,ud_ref及系統(tǒng)輸出的有功功率波形圖分別如圖14和圖15所示。
圖14 PI控制下保留限幅時的ud_ref波形圖
圖15 PI控制下保留限幅時的有功功率波形圖
由圖14可知,大擾動后,ud_ref電壓限幅持續(xù)飽和,而對應(yīng)正阻尼系統(tǒng)的輸出功率中則出現(xiàn)10.1 Hz的限幅參與的次同步振蕩(切換型振蕩)。
從分岔角度看,系統(tǒng)軌跡從初值點(diǎn)出發(fā)經(jīng)暫態(tài)過程,最終運(yùn)行在平衡點(diǎn)周圍的非光滑極限環(huán)(RSC限幅持續(xù)飽和),說明正阻尼系統(tǒng)在限幅參與下發(fā)生了切換型振蕩。
4.2.2 反饋線性化控制下的穩(wěn)定性分析
保持系統(tǒng)其他設(shè)置不變,當(dāng)系統(tǒng)RSC采用反饋線性化控制時,在RSC的d軸電壓參考值出口處設(shè)置與圖9相同的限幅環(huán)節(jié)。逐步下調(diào)ud_ref初值,所得部分ud_ref波形如圖16所示。
圖16 FLC下不同初值時的ud_ref波形圖
由圖16可知,當(dāng)ud_ref初值為1時,與PI控制時系統(tǒng)發(fā)生切換型振蕩相比,采用反饋線性化控制的系統(tǒng)經(jīng)暫態(tài)過程后并未發(fā)生振蕩。而進(jìn)一步下降ud_ref初值為0.8時,系統(tǒng)仍為收斂趨勢。最終,當(dāng)ud_ref初值下調(diào)至0.67時,系統(tǒng)發(fā)生切換型振蕩。與上述波形相應(yīng)的系統(tǒng)運(yùn)行軌跡如圖18所示(為直觀,忽略了部分暫態(tài)過程)。
圖17 FLC下不同初值時的iqsvgr-ud_ref相圖
從分岔角度分析,當(dāng)ud_ref初值大于0.67時,系統(tǒng)運(yùn)行軌跡從初值點(diǎn)出發(fā),經(jīng)暫態(tài)過程逐漸回歸平衡點(diǎn)(初值為1時對應(yīng)點(diǎn)線,初值為0.8時對應(yīng)虛線);當(dāng)初值小于0.67(系統(tǒng)軌跡對應(yīng)實(shí)線)時,系統(tǒng)運(yùn)行軌跡最終運(yùn)行在平衡點(diǎn)周圍的非光滑極限環(huán)(切換面為ud_ref限幅上限),對應(yīng)正阻尼系統(tǒng)出現(xiàn)切換型振蕩。
綜上,對于大擾動下的正阻尼系統(tǒng),采用PI控制時,初值為1即發(fā)生切換型振蕩。而采用反饋線性化時,初值降為0.67才發(fā)生切換型振蕩。這說明采用反饋線性化控制能有效增大平衡點(diǎn)的吸引域,從而增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
本文結(jié)合反饋線性化控制原理,設(shè)計了DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的反饋線性化控制策略。通過特征值分析和相圖分析,分別驗(yàn)證了系統(tǒng)小/大擾動下的控制效果,結(jié)果表明反饋線性化控制比傳統(tǒng)PI控制更優(yōu),主要結(jié)論如下:
(1) 反饋線性化控制有效減弱了控制環(huán)節(jié)中非線性帶來的影響,優(yōu)化了控制器的結(jié)構(gòu)。在不同運(yùn)行條件下,反饋線性化控制均對系統(tǒng)穩(wěn)定性起到了較好的增強(qiáng)效果。
(2) 對于小擾動下的系統(tǒng),在低風(fēng)速、高串補(bǔ)的條件下,反饋線性化控制均能有效增強(qiáng)系統(tǒng)阻尼,抑制次同步振蕩。
(3) 對于大擾動下的系統(tǒng),采用反饋線性化控制能有效增大系統(tǒng)平衡點(diǎn)的吸引域,從而使系統(tǒng)能承受更大的初值偏移,增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。