雙饋風電機組次同步振蕩自主學習控制方法設計

李宗澤，胡桂軍

（河北新天科創(chuàng)新能源技術有限公司，張家口 075000）

引言

國內的用電量每年大幅度攀升，為了提高電力功率的開發(fā)，增加電力傳輸?shù)木嚯x，近年來逐漸開始實行風電并網(wǎng)，不僅能大大提高輸電能力，還能在一定程度上減少網(wǎng)損率，滿足大量的電力需求。經過多方實踐和研究證明，風能作為一種清潔能源，在與電力系統(tǒng)融合時，能有效地改變電力的逆向分布特征，同時改善傳統(tǒng)發(fā)電帶來的環(huán)境污染。利用雙饋風電機組實現(xiàn)風電并網(wǎng)，能提升電能輸送能力，但存在的弊端則是很容易產生次同步振蕩，影響風電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對電網(wǎng)產生一定的危害，因此有效地控制次同步振蕩是必要的。相關學者一直深耕該領域，也取得了一些較好的辦法。

吳熙等人[1]在研究雙饋機并網(wǎng)過程中產生的次同步振蕩控制方法時，提出自適應控制方法，建立精度控制模型，通過對參數(shù)結構的有效固定，通過改變附加阻尼的實時強度，在動態(tài)線性環(huán)境相愛，通過輸入雙饋風電機組的數(shù)據(jù)特征，完成動態(tài)控通過制；馬天輝等人[2]在研究中電平換流器實現(xiàn)對風電機組的柔性輸電，建立協(xié)同控制策略，在柔性直流輸電條件下，有效地增加針對次同步振蕩的控制能力，搭建風電場的阻尼控制方案，實現(xiàn)對次同步振蕩的有效控制。

上述方法缺少一定的自主學習能力，雖然也能取得一定的控制效果，但是對次同步振蕩的控制參數(shù)的關聯(lián)性分析，還缺少一定的理論支持。本文提出一種雙饋風電機組次同步振蕩自主學習控制方法，力圖在傳統(tǒng)研究的基礎上，給出優(yōu)化解決方案。

1 雙饋風電機次同步振蕩問題的提出

考慮到雙饋機組中風能的分布特征，風電場通常建于較為偏遠的區(qū)域，這導致輸電線路相對較長，在研究雙饋風電機的次同步振蕩問題過程中，需要將線路電感考慮進去，線路長短直接影響輸出端電壓，為了抵消線路感抗，增加相應的串聯(lián)補償電容，研究中假設額定功率為1.5 MW 的雙饋風電機共有n臺，并組成機組與電網(wǎng)對接[3]。

為了有效地分析雙饋風電機組運行過程中產生的次同步振蕩問題，在這一節(jié)首先分析次同步頻段內的振蕩等效電路機理：

通常情況下雙饋風電機運行支路對應的等效阻抗為正，對應的變化幅值大于定轉子運行支路阻抗，此時運行支路對諧振頻率的影響極小，可以暫時忽略。因此在雙饋風機的分析中，將運行支路視為開路[4]。建立簡化后的雙饋風機對應阻抗[5]：

式中

Zdfi—雙饋風電機的運行等效阻抗；

ωp—諧振電流的振動角頻率；

ωs—定子角頻率；

ωr—轉子角頻率；

Rs、Rr—定子和轉子的電阻；

Lls、Llr—定子和轉子的運行漏感；

Kip、Kii—短路電阻電流內部調節(jié)器的調節(jié)比例和調節(jié)系數(shù)；

Kd—d、q軸之間存在的交叉耦合項；

σp—雙饋風電機的次同步轉差率[6]。

將雙饋風電機的電阻和電感表示為Rd、sLd，這有利于在復頻域條件下對風電機串聯(lián)補償?shù)难芯?，這種條件下獲取的等效阻抗電路圖為圖1。

圖1 等效阻抗電路圖

根據(jù)圖1 可知，R g、Lg對應的是線路的電阻和電感，C表示雙饋風電機的串聯(lián)補償電容，Isub(s)表示雙饋機的次同步電流，U(s)表示幅頻域條件下與同步電流對應的總電壓。

式中：

sLg—風電機組電感。

雙饋風電機正常運行狀態(tài)下，發(fā)生諧振頻率時對應的容抗和感抗之和應為0，考慮到這一點可以得到正常運行狀態(tài)下諧振點的等效阻抗[7]：

當Rd+Rg＜ 0時，諧振電流受到負電阻影響，逐漸放大后導致發(fā)生功率次同步振蕩。通過分析簡化的雙饋風機對應阻抗和等效阻抗電路圖，描述了雙饋風電機的運行等效阻抗、諧振電流、串聯(lián)補償電容等參數(shù)。并且指出了在正常運行狀態(tài)下，諧振點的等效阻抗應為0，但由于諧振電流受到負電阻影響，逐漸放大后會導致發(fā)生功率次同步振蕩。因此，阻抗調整是解決次同步振蕩的主要方法。

2 雙饋風電機次同步振蕩控制中的轉差率約束關系分析

通過上一章節(jié)可以看出，當雙饋風電機在完成串聯(lián)補償時，可能會發(fā)生電氣的自激振蕩情況，雙饋風電機整體的次同步振蕩將會增加，由于其中包含了感應發(fā)電機效應的振蕩路徑，此時，次同步振蕩頻率受到多方面因素的影響：其中包括串聯(lián)補償效應、變壓器狀態(tài)以及線路的等效容感參數(shù)，為了使次同步振蕩的控制能更加全面，需要準確掌握次同步振蕩中，這些參數(shù)存在耦合關系，不能同時作為約束條件，帶入到控制方法中。本文以轉差率作為約束條件，下面證明其可行性：

雙饋風電機的次同步振蕩轉差率為：

式中：

fs—風電機定子側三相電壓對應的頻率；

fm—轉子的機械轉動頻率[8]。

考慮到同步振蕩轉差率中存在的振蕩分量，假設對應的交流頻率在7 Hz 左右，那么此時雙饋風電機組的轉子范圍在（40～60）Hz 范圍內，次同步轉差率的數(shù)值均為負，風機轉速較低時，相對應的fm值也會較小，此時獲得的R rσp絕對值則會變大，間接使雙饋風電機組中的電阻成分更容易被抵消，導致風電網(wǎng)中的弱阻抗現(xiàn)象更加嚴重[9]。

在風電網(wǎng)的回路中，如果存在一定程度的次同步轉差率分量，那么雙饋風電機組中將會產生擾動電流，此時導致的變流器的輸出電壓發(fā)生波動[10]：

式中：

n—風電網(wǎng)的回路數(shù)量；

Δis—諧振頻率變化量；

Kp—雙饋逆變器的電路回流比例次數(shù)。

在雙饋風電機組的運行中，產生的激磁電抗相對于定轉子漏抗[11]會更多，此時可以得到總等效電阻并表示為：

式中：

Rr—轉子電阻；

Rs—定子電阻；

R—風電機組的實施變化電阻。

根據(jù)公式（7）中對總等效電阻的求解，在其中增加了一定的負阻尼，表明逆變器額實際作用對象為感應發(fā)電機效應產生的次同步振蕩，而振蕩中的具體成分受到變流器控制后，逐漸形成正反饋，次同步電流在這個過程中逐漸增大，形成雙饋風電機正向激勵，當感應發(fā)電機效應不再產生振蕩時，風電網(wǎng)的運行振蕩也會更快發(fā)散，雙饋電機的負阻尼大小跟隨風電機的轉速而發(fā)生實時變化，轉速越低時負阻尼的絕對值會越大，此時雙饋風電機組系統(tǒng)的阻尼相對薄弱，考慮到次同步成分在轉子電壓上的作用情況，獲得定轉子之間的電壓關系[12]：

式中：

N—雙饋風電機組的定轉子匝比；

ur—轉子電壓；

ur—定子電壓。

通過上述分析可知，正常運行狀態(tài)下的雙饋風電機組中轉子對應的全頻率范圍在（40～60）Hz，實際的轉差率范圍在正負0.2 之間，而當次同步范圍在7 Hz 時，實際的轉差率范圍在-7.5 到-4.6 之間，即使是微小的次同步分量，也會在雙饋風電機的轉子側產生較為嚴重的電壓壓力，在一定程度上增加風電網(wǎng)的適應難度。次同步頻率的高低，對轉差率有著一定的、影響，當頻率越低時，導致轉子電壓的次同步成分越大。研究中得出次同步振蕩時針對轉差特性[13]的研究結果，如表1 所示。

表1 轉差特性放大效應研究

通過分析雙饋風電機的轉差率、轉子電壓與定子電壓之間的關系，了解不同頻率范圍下次同步振蕩的特性和影響。在次同步頻率較低的情況下，轉差率范圍較大，導致雙饋風電機轉子電壓承受較大壓力，增加了風電網(wǎng)的適應難度。同時，表1 中給出了針對轉差特性的研究結果，進一步揭示了次同步振蕩時的轉差率特性，因此，以轉差率作為控制約束，是可行的。

3 轉差率約束下次同步振蕩控制方法設計

基于上述的雙饋風電機次同步振蕩機理與特性分析結果，文中選擇利用多目標深度學習進行次同步振蕩控制，由于深度學習具備較強的自適應分析能力，能通過簡單的結構完成難度較大的訓練，由于雙饋風電機組的數(shù)據(jù)較多，因此深度學習模型中，除了基礎的輸入層、隱含層和輸出層之外，將隱含層的數(shù)量設置為6 層。深度學習狀態(tài)可表示為：

式中：

w—深度學習迭代權重；

b—偏置條件；

f(· )—深度學習的激活函數(shù)；

a—學習層數(shù)；

wi—輸入層神經元；

xi—輸出層神經元；

j—深度學習狀態(tài)；

ym—針對雙饋風電機組的多目標深度學習目標；

wim—分析提取風電機組次同步振蕩所須的迭代權重；

bm—機組偏置[14]。

選擇合適的轉差率數(shù)據(jù)作為約束，將振蕩中的串聯(lián)補償效應、變壓器狀態(tài)以及線路的等效容感參數(shù)作為輸入，實現(xiàn)多目標深度學習訓練。具體的控制過程如下：

通過第一章節(jié)內容可知，在轉子側控制阻尼，這在一定程度上可以獲得與轉速變化相反的電磁轉矩[15]，保證次同步振蕩為正向阻尼，實現(xiàn)抑制控制效果，加強風電并網(wǎng)的的實時性能。因此，將雙饋風電機組的轉速偏差作為多目標深度學習的輸入約束量，經過隱含層的控制連接，完成對應的濾波平衡，當轉速變化在d、q軸上產生電壓變化時，則可以直接添加到原始的參考電壓中，實時進行阻尼控制。

設定風電機組的轉速變化量rωΔ ，在d、q軸上轉子側完成控制過程中，產生的電壓變化情況如下：

式中：

ΔVd、ΔVq—d、q軸上的轉子側控制變化過程中的電壓變化量；

Vd r、Vqr—附加阻尼條件下的電壓變化情況；

Gd r、Gqr—d、q軸上的阻尼分量；

Δφr—隱含層的變化分量。

利用d、q軸上的附加轉矩ΔTerd和ΔTerq可以實時改變阻尼，達到控制振蕩的效果。

4 實驗驗證分析

4.1 實驗環(huán)境

為了驗證出本文方法下雙饋風電機組次同步振蕩控制方法是否有效，進行測試實驗。實驗中設定基礎頻率為500 Hz，并在串聯(lián)補償中設定40 %的振蕩源，風電機組的串聯(lián)補償電容值設為35 uF，并在實驗的第8 s 發(fā)出振蕩源，文中研究的控制方法實時出發(fā)在轉子處。次同步振蕩的振源：發(fā)電設備（如發(fā)電機齒諧波（900～1 500）Hz）、輸配電系統(tǒng)用電設備（如晶閘管整流設備）存在寬頻帶諧波源；共振點：網(wǎng)架與風電并網(wǎng)系統(tǒng)構成的容感回路有固定的振蕩頻率。次同步振蕩種類為欠阻尼。本文設計的控制方法依托DSP 芯片，本文方法下的振蕩抑制電路如圖2 所示。

圖2 本文方法下設計的次同步振蕩抑制電路

在未投入任何控制措施下的雙饋風電機組次同步振蕩情況如圖3 中的波形所示。根據(jù)圖3 中放大后的波形可以看出，次同步振蕩發(fā)生在第8 s 的時候，經過1 s 之后，第9 s 后波形開始嚴重失穩(wěn)。

圖3 雙饋風電機組的次同步振蕩情況

4.2 實驗微觀指標

在雙饋風電機組的次同步振蕩控制中，較高的阻尼比可以表述抑制振蕩的有效性，并加速系統(tǒng)回到穩(wěn)態(tài)，降低振蕩幅值和頻率。表達式為：

式中：

ΔVd、ΔVq—阻尼系數(shù)；

Vd r、Vqr—雙饋風電機組轉動慣量；

Gd r、Gqr—雙饋風電機組的剛度。

4.3 實驗結果對比分析

在40 %的雙饋風電機組串聯(lián)補償度下，可以證明附加阻尼對次同步振蕩控制是有效的。接下來為進一步測試設計方法的實用性，采用文獻[1]方法、文獻[2]方法作為對比方法，則三種方法的控制結果如圖4 所示。

圖4 不同方法控制結果對比

對雙饋風電機組的次同步振蕩投入控制策略，根據(jù)圖4 中的實驗結果表明，設計方法能夠有效降低次同步振蕩的波動，而對比方法控制后的次同步振蕩波動仍較大，說明設計方法的控制效果較好，具有實用性。

為進一步驗證設計方法的控制效果，以阻尼比為實驗指標進行對比測試，測試結果如圖5 所示。

圖5 不同方法阻尼比

根據(jù)圖4 可以看出，本文方法的阻尼比明顯高于對比方法，最高時達到43.2 %，而文獻[1]方法的阻尼比最高達到了28.4 %，文獻[2]方法的阻尼比最高達到了18.7 %。由此可見本文方法的次同步振蕩控制效果較好。

為驗證設計方法的實效性，進行次同步振蕩控制時間測試，測試結果如表2 所示。

表2 測試結果

根據(jù)表2 可以看出，本文方法的次同步振蕩控制時間最高為14 ms；而對比方法的次同步振蕩控制時間明顯高于本文方法，文獻[1]方法的次同步振蕩控制時間最高達到了31 ms，文獻[2]方法的次同步振蕩控制時間最高達到了38 ms。由此可見，本文方法的控制效率較高，具有實用性。

5 結論

為提高雙饋風電機組在風電并網(wǎng)中的適應能力，提高并網(wǎng)性能，減少風電機組受到的次同步振蕩影響，在研究次同步振蕩控制方法的過程中，通過分析雙饋風電機次同步振蕩機理，進行次同步振蕩特征分析，基于多目標深度學習，構建輸入層、隱含層和輸出層，實現(xiàn)對次同步振蕩的特征提取和分析，實現(xiàn)迭代控制。實驗中驗證了投入控制策略的最佳時間，也證明通過控制附加阻尼能有效地實現(xiàn)次同步振蕩的控制。