雙饋風(fēng)機(jī)并網(wǎng)次同步振蕩機(jī)理分析及控制措施

李 亮，湯進(jìn)能，汪 龍

(瀘西縣云能投風(fēng)電開發(fā)有限公司，云南 紅河 652499)

針對(duì)日益嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，傳統(tǒng)能源在實(shí)際生產(chǎn)中所造成的的社會(huì)問(wèn)題，效能及污染問(wèn)題已日益嚴(yán)峻，當(dāng)前世界各國(guó)都在關(guān)注并持續(xù)性加大對(duì)新能源領(lǐng)域的研究開發(fā)。太陽(yáng)能、風(fēng)能以及其他一系列新興能源作為一種環(huán)境友好的可再生能源，愈發(fā)受到各國(guó)的重視，其開發(fā)勢(shì)能，裝機(jī)容量都在持續(xù)性增長(zhǎng)，由此帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益，社會(huì)效益成果顯著。然而，新型能源在其利用及相關(guān)開發(fā)模式上始終受到諸多方面的局限，也因其應(yīng)用條件和環(huán)境存在一定的限制性以及復(fù)雜的動(dòng)態(tài)特性為風(fēng)能并網(wǎng)和可持續(xù)運(yùn)營(yíng)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。通過(guò)對(duì)風(fēng)能并網(wǎng)時(shí)雙饋風(fēng)機(jī)次同步振蕩機(jī)理進(jìn)行分析，集合國(guó)內(nèi)其他專業(yè)人員提出的解決方案，提出了一種抑制雙饋風(fēng)機(jī)并網(wǎng)次同步振蕩的方案。通過(guò)應(yīng)用帶通濾波器，控制轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制環(huán)，獲得次同步震蕩頻率下的最大增益，在移相環(huán)節(jié)的應(yīng)用后獲得最大阻尼，最終滿足雙饋風(fēng)機(jī)并網(wǎng)次同步振蕩的最佳抑制效果，最大限度的保障風(fēng)能源發(fā)電系統(tǒng)的可持續(xù)運(yùn)營(yíng)。

1 關(guān)于風(fēng)電場(chǎng)次同步振蕩的機(jī)理分析

由轉(zhuǎn)速變化引起的電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時(shí)，可以通過(guò)定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩分析轉(zhuǎn)子及定子的電磁矩變化量。通過(guò)計(jì)算定子和轉(zhuǎn)子的電磁矩變化后的大小與轉(zhuǎn)速變化的大小之間的關(guān)系，分析傳遞函數(shù)來(lái)進(jìn)一步掌握系統(tǒng)的特性，此適用于本文研究的雙饋風(fēng)力系統(tǒng)機(jī)組中由并入電網(wǎng)時(shí)引起的次同步振蕩問(wèn)題。通過(guò)轉(zhuǎn)速變化與轉(zhuǎn)矩量之間變化的關(guān)聯(lián)傳遞函數(shù)，分析傳遞函數(shù)獲得幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)、轉(zhuǎn)矩變化量對(duì)阻尼的影響，然后分析風(fēng)電場(chǎng)次同步振蕩的機(jī)理。

雙饋電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可由下式獲得：

Te*=-npLm*(isq*ird*-isd*irq*)

(1)

式中：np為極對(duì)數(shù)；isd*、ird*為定子的兩向軸電流；ird*、irq*為轉(zhuǎn)子的兩向軸電流。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化會(huì)帶動(dòng)定子、轉(zhuǎn)子電磁轉(zhuǎn)矩變化，變化量分別用ΔTer*和ΔTes*表示，將公式進(jìn)行線性化處理，進(jìn)而可以對(duì)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩變化量進(jìn)行計(jì)算，可以將其定義為：

ΔTer*=-npLm*(isq0*Δird0*-isd0*Δirq*)

(2)

為了確保能有效控制雙饋風(fēng)力機(jī)組轉(zhuǎn)子側(cè)變流器，一般采用雙閉環(huán)系統(tǒng)裝置。d、q軸分別對(duì)轉(zhuǎn)子、定子的轉(zhuǎn)速及無(wú)功功率進(jìn)行跟蹤，完成符合機(jī)組控制目標(biāo)的追蹤。由于控制器的固定內(nèi)環(huán)時(shí)間常數(shù)比控制器的外環(huán)時(shí)間常數(shù)小很多，這里省略外環(huán)時(shí)間常數(shù)的影響，并認(rèn)定變流器的輸出電壓與控制目標(biāo)參考電壓相一致，進(jìn)而通過(guò)計(jì)算可以得到在轉(zhuǎn)速變化誘因下的轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的電壓變化情況。

關(guān)于轉(zhuǎn)子的d軸和q軸電流變化與轉(zhuǎn)速變化之間的量值關(guān)系計(jì)算：

ΔIrd*(s)=Gird(s)Δωr*(s)

(3)

ΔIrq*(s)=Girq(s)Δωr*(s)

(4)

式中：Gird(s)為傳遞函數(shù)，表示轉(zhuǎn)子d軸的電流變化量與轉(zhuǎn)速變化量的關(guān)聯(lián)；同理，Girq表示與q軸的關(guān)系。

通過(guò)將式(4)的電流變化帶入式(2)中，計(jì)算可得轉(zhuǎn)子電磁轉(zhuǎn)矩的變化量。設(shè)定工作頻率為H，可獲得該工況下的轉(zhuǎn)子電磁轉(zhuǎn)矩的具體變化量情況，具體計(jì)算公式：

GTe(jH)=|GTer|cosφTe+j|GTe|sinφTer=GTex+jGTey

(5)

式中：|GTe|為該工況下的轉(zhuǎn)子電磁轉(zhuǎn)矩變化量；φTer為相位變化；GTex為轉(zhuǎn)子電磁轉(zhuǎn)矩變化量的實(shí)部；GTey為轉(zhuǎn)子電磁轉(zhuǎn)矩變化量的虛部。

通過(guò)GTe(jH)傳遞函數(shù)來(lái)分析轉(zhuǎn)矩變化量與風(fēng)電場(chǎng)振蕩阻尼具體的影響關(guān)系，設(shè)定初始Δωr*相位角為0°。轉(zhuǎn)子電磁轉(zhuǎn)矩與角速度變化關(guān)聯(lián)情況，具體如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子電磁轉(zhuǎn)矩與角速度變化關(guān)聯(lián)情況Fig.1 Correlation between rotor electromagnetic torqueand angular speed change

由圖1可知，當(dāng)GTer處在第Ⅰ、Ⅳ象限時(shí)，GTex大于0，轉(zhuǎn)子電磁轉(zhuǎn)矩變化量正相關(guān)轉(zhuǎn)速變化量，實(shí)部方向與Δωr*一致；因此，電磁轉(zhuǎn)矩的變化負(fù)相關(guān)風(fēng)電場(chǎng)次同步振蕩阻尼，同時(shí)轉(zhuǎn)矩增加得越快，負(fù)阻尼作用越強(qiáng)。當(dāng)GTer處在第Ⅱ、Ⅲ象限時(shí)，GTex小于0，實(shí)部方向與Δωr*相異；因此，電磁轉(zhuǎn)矩的變化正相關(guān)風(fēng)電場(chǎng)次同步振蕩阻尼，且當(dāng)夾角越小時(shí)作用越強(qiáng)。

同理，當(dāng)GTes處在第Ⅰ、Ⅳ象限時(shí)，定子電磁轉(zhuǎn)矩變化量負(fù)相關(guān)阻尼變化量，當(dāng)與x軸夾角越小時(shí)其作用越強(qiáng)。當(dāng)GTes處在第Ⅰ、Ⅲ象限時(shí)，定子電磁轉(zhuǎn)矩變化量正相關(guān)阻尼變化量，當(dāng)與x軸夾角越大時(shí)(<180°)作用越強(qiáng)。

2 附加阻尼控制次同步振蕩控制

在轉(zhuǎn)子側(cè)進(jìn)行附加的阻尼控制，可以有效抑制風(fēng)電場(chǎng)次同步振蕩?；谏鲜鰧?duì)次同步振蕩機(jī)制的分析，控制附加阻尼的目的是引起與轉(zhuǎn)速變化相反的電磁轉(zhuǎn)矩變化，通過(guò)各項(xiàng)條件保障風(fēng)電場(chǎng)次同步振蕩的最大正阻尼，從而改善其并網(wǎng)性能。本節(jié)基于對(duì)雙饋風(fēng)力機(jī)組轉(zhuǎn)子側(cè)變流器轉(zhuǎn)速及無(wú)功功率的控制，抑制風(fēng)電場(chǎng)的次同步振蕩情況。將轉(zhuǎn)速偏差量作為輸入，在對(duì)控制連接進(jìn)行濾波和平衡后，會(huì)由于轉(zhuǎn)速變化引起的d、q軸向參考電壓變化，并將其添加到原始參考電壓中影響參考電流發(fā)生變化，并且需要進(jìn)行額外的阻尼控制；控制方案如圖2所示。GLd(s)和GLq(s)分別為d、q軸濾波傳遞函數(shù)；GYd(s)、GYq(s)為移相傳遞函數(shù)。

圖2 附加阻尼控制Fig.2 Additional damping control

給定轉(zhuǎn)速變化量為Δωr*，在d軸和q軸的轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制環(huán)節(jié)，具體的參考電壓變化量：

(6)

ΔV'qrref*=ΔVqrref*+VqrΔVqrref*+Gqr(s)Δφr*

(7)

可知，Gdr(s)=GLd(s)×GYd(s)，Gqr(s)=GLq(s)×GYq(s)。基于疊加定理，由附加阻尼產(chǎn)生的電壓變化量Vdr、Vqr會(huì)有附加電流生產(chǎn)，進(jìn)而通過(guò)附加轉(zhuǎn)矩ΔTerd及ΔTerq改變阻尼抑制振蕩。

ΔTerd=GTerd(s)·Δωr*(s)

(8)

ΔTerq=GTerq(s)·Δωr*(s)

(9)

ΔTer=GTer*(s)·Δωr*(s)

(10)

通過(guò)FFT分析風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)的次同步振蕩得到振蕩頻率。當(dāng)系統(tǒng)次同步振蕩頻率小于180°時(shí)，GTer(s)提供的增益尚未處于最佳振蕩抑制狀態(tài)，若要進(jìn)一步提高正阻尼，則需要根據(jù)振蕩頻率求出在2個(gè)控制環(huán)中通過(guò)濾波器特征角頻率。

ωc=2πfssr

(11)

取阻尼系數(shù)ξ= 0.02，可計(jì)算傳遞函數(shù)GLd(s)、GLq(s)：

(12)

(13)

在GLd(s)=Gdr(s)的情況下，通過(guò)帶通濾波器調(diào)控附加阻尼控制濾波器，轉(zhuǎn)子的附加轉(zhuǎn)矩變化量與轉(zhuǎn)速變化量函數(shù)GTer(s)于次同步振蕩頻率處獲得最大增益；但相位增益未必會(huì)達(dá)到180°獲得最大正阻尼。這種情況下需要調(diào)整相位，發(fā)揮移相控制環(huán)節(jié)的功用，在附加阻尼控制環(huán)中加入移相環(huán)節(jié)GYd(s)、GYq(s)。

(14)

(15)

將轉(zhuǎn)速控制環(huán)和無(wú)功控制環(huán)添加到移相控制時(shí)，在附加的阻尼控制環(huán)中d軸傳遞函數(shù)為：Gdr(s)=GLd(s)×GYd(s)；q軸傳遞函數(shù)為：Gqr(s)=GLq(s)×GYq(s)；轉(zhuǎn)子的附加轉(zhuǎn)矩變化量與轉(zhuǎn)速變化量函數(shù)GTer(s)相位增益可以達(dá)到180°，正阻尼獲得最大值。

3 結(jié)語(yǔ)

憑借清潔、無(wú)污染、低成本和可再生的天然優(yōu)勢(shì)，風(fēng)能已成為全球所關(guān)注的重點(diǎn)循環(huán)可再生開發(fā)能源。我國(guó)因其廣博的疆域優(yōu)勢(shì)和種類多變的多地貌特征，風(fēng)能資源豐富，國(guó)家對(duì)于相關(guān)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用始終給與了大力支持。近年來(lái)，我國(guó)風(fēng)能資源開發(fā)利用規(guī)模顯著擴(kuò)大，相關(guān)技術(shù)發(fā)展迅速；但諸多大型風(fēng)電場(chǎng)由于其特性限制，建設(shè)于遠(yuǎn)離負(fù)荷的偏遠(yuǎn)地區(qū)。串聯(lián)補(bǔ)償電容器技術(shù)對(duì)改善風(fēng)電網(wǎng)穩(wěn)定性具有重要作用。本文提出了一種抑制雙饋風(fēng)機(jī)并網(wǎng)次同步振蕩的方法，通過(guò)應(yīng)用帶通濾波器，控制轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制環(huán)，獲得次同步震蕩頻率下的最大增益，在移相環(huán)節(jié)的應(yīng)用后獲得最大阻尼，最終滿足雙饋風(fēng)機(jī)并網(wǎng)次同步振蕩的最佳抑制效果。