電力系統穩定器對風電系統低頻振蕩抑制研究

汪玉鳳， 李曉博

(遼寧工程技術大學 電氣與控制工程學院，遼寧 葫蘆島125105)

0 引 言

風電系統的低頻振蕩問題是影響系統穩定性和電能質量的一個重要部分，電力系統通過輸電線路向負載輸送功率，當系統受到小的擾動時，電網中出現一定的電能質量波動現象，電力系統在正常運行時振蕩頻率在0.1～2.5 Hz的不穩定振蕩現象叫做電力系統低頻振蕩，低頻振蕩不僅會對并網之后負載獲得的功率、電流和電壓的穩定性造成影響，還會對輸電安全產生威脅。

目前，常用的抑制低頻振蕩現象的措施主要有：使用柔性交流輸電系統(flexible AC transmission system,FACTS)，采用增強網架結構，加裝直流小信號調制等方式。在上述措施中，使用FACTS[1]是一種通用的提高電力系統穩定性的方法，主要是針對電力系統的機械穩定控制裝置可控性差、穩定水平低等缺點提出的，但是其存在諧波含量高，功率因數低等缺點，采用增強網架結構[2]是一種通過改變輸電系統布線安裝的方式以減少轉子角頻率差，從而為系統提供額外的阻尼力矩，減少系統低頻振蕩的方法，其在特定的系統中可能會通過改變高功率輸電線的距離達到一定的效果，但是這種方法由于需要大規模的電力規劃，會導致實際操作起來非常困難，沒有泛化性；在交、直流并聯運行的系統中，可以采用加裝直流小信號調制器[3]的方法，增加系統的阻尼，但是有可能會出現由于各個線路的小信號調制裝置不匹配而導致的新的低頻振蕩的情況，因此直流小信號調制器的使用還需要一定的理論完善和應用經驗。

本文提出了在雙饋感應發電機(doubly-fed induction generator,DFIG)的變流器控制系統中加入電力系統穩定器(power system stabilizer,PSS)的方法抑制風電并網的低頻振蕩現象，PSS的結構簡單，控制作用明顯，具有較強的適應性和可操作性，穩定性相對來說比其他裝置高，并且具備泛化能力和二次開發的空間，因此本文選擇電力系統穩定器增加并網系統的阻尼，抑制系統的低頻振蕩。

1 風電機建模

DFIG風力機的模型主要包括機械部分、發電機部分和變流器控制部分。原理框圖如圖1所示。風力機的機械部分主要利用風葉捕獲風能；發電機的作用就是利用葉片的轉動提供給轉子機械能；與轉子側相連的變流器既可以為發電機提供勵磁電壓，又可以對發電機輸出的電能質量進行一定的控制。

圖1 DFIG原理框圖

1.1 機械部分模型

DFIG的機械部分模型包括風力機模型、槳距角控制模型和機械傳動控制模型3個部分[4]。只考慮穩態意義下功率的性質時，風電機組的風力機的功率特性方程為PT=0.5ρACP(λ,β)v3。

1.2 DFIG模型

DFIG是一種轉子式異步發電機[5]，是目前風電場主要使用的發電機組，其微分方程為

(1)

1.3 變流器控制模型

變流器控制器不僅可以調節DFIG輸出的有功功率和無功功率，并且可以保證發電機輸出恒定電壓和電流，DFIG機轉子側變流器的控制方程為

(2)

DFIG勵磁控制系統采用雙閉環控制系統，每個閉環系統配有2個PI控制器，共4個PI調節器，即轉子側直軸、交軸電流調節器和轉子側直軸、交軸電壓調節器，變流器的控制框圖如圖2所示。

圖2 變流器勵磁控制框圖

2 安裝PSS抑制低頻振蕩

2.1 低頻振蕩產生與抑制原理分析

根據負阻尼振蕩機理可知，電力系統發生低頻振蕩的主要原因是風電接入后系統的阻尼偏低造成的，因此抑制電力系統的低頻振蕩現象的根本措施就是有效增大整個并網系統的正阻尼。

附加阻尼控制器的抑制原理為通過超前滯后環節的相位補償增加振蕩模態的阻尼，以此抑制次同步振蕩。發電機的電磁轉矩增量為ΔTe=KeΔδ+DeΔω。電磁轉矩增量的矢量圖如圖3所示。

圖3 電磁轉矩增量的矢量

2.2 PSS結構及參數計算

由于風力發電機在接入電網過程中阻尼減小甚至出現負阻尼現象是引起低頻振蕩的重要因素[6]。因此，本文提出在DFIG 的變流器控制系統中的雙閉環PI控制器加入PSS以引入一個附加的阻尼力矩，即通過在風電機接入電網的轉子側變流器中增加阻尼以抑制系統的低頻振蕩，加入PSS后的轉子側變流器控制模型如圖4所示。

圖4 加入PSS的變流器勵磁控制框圖

PSS添加到雙饋風機的勵磁控制系統[7]中可以補償電力系統在低頻帶中的相位滯后，經過限幅環節后得到的信號再作用到勵磁調節器上，這樣便可以使DFIG輸出的電磁轉矩中產生一個增量，此增量可以抑制系統的低頻振蕩。PSS的傳遞函數

(3)

PSS由放大、濾波、相位補償和限幅4個部分組成[8]。其中，K為放大環節的放大倍數，影響系統幅頻特性；濾波環節濾去輸入量的直流分量[9]，使得PSS不會因為輸入信號穩定狀態的值不同而導致輸出值不穩定；T1,T2,T3,T4為相位補償環節時間常數，相位補償環節是一個超前環節，用于補償機側變換器引起的相位滯后；Usmax,Usmin為電壓限幅環節，作用是在發生大干擾時限制阻尼控制器輸出量的幅值。

加入PSS后系統的傳遞函數

(4)

式中 系統輸入量為轉子角速度差Δω，輸出量為有功功率差ΔPs，以ΔPs作為反饋量引入負反饋調節控制Δω，改變原有系統的傳遞函數，增加系統的阻尼，從而抑制低頻振蕩。

因此，反饋補償環節H(s)在s=λ0處的幅值和相角可以通過原系統傳遞函數G(s)在s=λ0處的幅值和相角求得。實際情況下，每個超前滯后環節補償量最大限制為60°，在本文中，PSS使用了2個超前滯后環節，可取第1個超前滯后環節補償全部補償相角的60 %，第2個超前滯后環節補償全部補償相角的40 %。

3 仿真實驗

在MATLAB/SIMULINK環境中進行了仿真驗證，搭建了一個單機無窮大系統[10]，其中，風力發電機為DFIG風電機組，共6臺DFIG，單機最大額定功率為1.65MW。系統的仿真圖如圖5所示，本文首先進行了時域仿真[11]，并編寫程序進行了特征值分析法的分析。

圖5 風電并網的時域仿真

這個模型中，系統的觀測時間長達50 s。起始時風速為8 m/s，在第5 s時風速變為14 m/s，輸電線路可以采用形等值電路[12]，電源側輸電線路距離為50 km，DFIG側輸電線路距離為10 km，其它參數均采用默認值。2個變壓器分別為足夠大容量的120 kV/25 kV和25 kV/575 V降壓變壓器，其它參數采用默認值，DFIG側加入一個500 kW的恒定功率負載，電網中還接入一個凸極式同步發電機作為穩定出力電源[13]。

3.1 低頻振蕩抑制效果的時域分析

使用上文搭建的系統進行仿真，在仿真進行到30 s時，將負載接入到系統中。

如圖6(a)和(b)為在風電機組接入帶有負載的電網中以后，DFIG和線路上輸送有功功率的變化情況，可以觀察到：功率存在明顯的波動，系統發生低頻振蕩現象。據此分析可知，DFIG參與組成風電并網系統[14]不利于系統的穩定運行，使系統產生了低頻振蕩現象。

在本文搭建DFIG的轉子側控制器中加入PSS，再次接入電網，在30 s時加入負載，如圖6(c)和(d)為加入PSS之后DFIG和線路上輸送有功功率的變化情況，可以觀察到：系統的低頻振蕩在45 s左右已經完全消除，相比于沒有使用PSS的系統有明顯的改善，驗證本文提出方法的正確性，在DFIG中使用PSS可以對其在接入電網產生的低頻振蕩有明顯的抑制效果，振蕩由原來的增幅振蕩變為減幅振蕩，在一定時間內可以完全消除。

圖6 加入PSS前后DFIG和線路傳輸的有功功率

本文對3種信號(單位階躍、單位脈沖、正弦信號)作用下原系統和加入PSS后的系統中的輸出響應進行了比較，其對比圖如圖7、圖8所示，表1是原系統和加入PSS后的系統的單位階躍響應的詳細對比信息。

圖7 單位階躍響應和單位脈沖響應對比

圖8 正弦響應對比

參數原系統加PSS后的系統峰值0.54540.3002峰值時間0.11540.0876穩態值-0.0033-2.2930×10-4最大超調量0.54860.3005

由圖和表可以看出：在DFIG變流器控制系統中加入PSS后，系統的單位階躍響應的振蕩程度大大減弱(峰值、峰值時間和最大超調量大大減小)，系統的單位脈沖響應的振蕩程度也有了明顯的衰減，進入穩態的時間也提前了0.3 s左右，系統的正弦響應相比于原正弦信號減小的幅度，遠大于原系統的正弦響應相比于原正弦信號減小的幅度，系統穩定性得到提高[15]，即系統的低頻振蕩得到明顯改善。

3.2 低頻振蕩抑制效果的特征值分析

參閱文獻[16]中特征值分析的方法并結合前文總結的數學模型，利用李雅普諾夫線性化法將DFIG的微分方程式(1)化為穩定運行點處的線性微分方程式(5)

(5)

將式(5)改寫為系統的標準表達式(6)

(6)

對前文搭建的模型，首先求出系統的狀態矩陣，然后用特征值分析法對其進行特征值分析，再利用得到的特征值、振蕩頻率等結果，選取適當的目標特征值和振蕩頻率，對加入到雙饋風機的PSS參數進行設置，K為1.755 0，Tw為2，T1為1.923 2，T2為1.981 9，T3為1.932 8，T4為1.972 0。表2、表3分別為原系統和加入PSS系統的極點信息。

表2 原系統極點信息

表3 加入PSS系統極點信息

分析表明：在原系統的參數下，矩陣所有特征值中的4個實部為正，線性化后的系統處于不穩定狀態，原系統在其穩態運行點附近不是處于穩定狀態，會發生低頻振蕩現象；加入PSS后系統11個特征值的實部均為負，由此可見，使用PSS可以有效地增加系統的穩定性；由表2、表3計算系統的阻尼，原系統的總阻尼為0.094 24，使用PSS的總阻尼為6.471 7，系統的阻尼明顯增大，穩定性大大增強，可以抑制電力系統低頻振蕩。

4 結 論

建立含DFIG的并網系統，在MATLAB/SIMULINK中對DFIG組進行了數學建模與仿真，通過時域分析法和特征值分析法對含PSS的風電并網系統進行仿真驗證。時域分析法得到結論，在DFIG中使用PSS對其在接入電網產生的低頻振蕩有明顯的抑制效果。振蕩由原來的增幅振蕩變為減幅振蕩，在一定時間內可以完全消除；特征值分析法得到結論，在DFIG變流器控制系統中加入PSS后，系統由原來的不穩定狀態變為穩定狀態，在3種典型信號作用下，系統的輸出響應得到明顯的改善。