雙饋風機并網次同步振蕩機理分析及控制措施

李 亮，湯進能，汪 龍

(瀘西縣云能投風電開發有限公司，云南 紅河 652499)

針對日益嚴重的環境問題，傳統能源在實際生產中所造成的的社會問題，效能及污染問題已日益嚴峻，當前世界各國都在關注并持續性加大對新能源領域的研究開發。太陽能、風能以及其他一系列新興能源作為一種環境友好的可再生能源，愈發受到各國的重視，其開發勢能，裝機容量都在持續性增長，由此帶來的經濟效益，社會效益成果顯著。然而，新型能源在其利用及相關開發模式上始終受到諸多方面的局限，也因其應用條件和環境存在一定的限制性以及復雜的動態特性為風能并網和可持續運營帶來了新的挑戰。通過對風能并網時雙饋風機次同步振蕩機理進行分析，集合國內其他專業人員提出的解決方案，提出了一種抑制雙饋風機并網次同步振蕩的方案。通過應用帶通濾波器，控制轉子側變流器控制環，獲得次同步震蕩頻率下的最大增益，在移相環節的應用后獲得最大阻尼，最終滿足雙饋風機并網次同步振蕩的最佳抑制效果，最大限度的保障風能源發電系統的可持續運營。

1 關于風電場次同步振蕩的機理分析

由轉速變化引起的電磁轉矩發生變化時，可以通過定轉子轉矩分析轉子及定子的電磁矩變化量。通過計算定子和轉子的電磁矩變化后的大小與轉速變化的大小之間的關系，分析傳遞函數來進一步掌握系統的特性，此適用于本文研究的雙饋風力系統機組中由并入電網時引起的次同步振蕩問題。通過轉速變化與轉矩量之間變化的關聯傳遞函數，分析傳遞函數獲得幅頻響應和相頻響應、轉矩變化量對阻尼的影響，然后分析風電場次同步振蕩的機理。

雙饋電機的電磁轉矩可由下式獲得：

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

(1)

式中：np為極對數；isd*、ird*為定子的兩向軸電流；ird*、irq*為轉子的兩向軸電流。風機轉速變化會帶動定子、轉子電磁轉矩變化，變化量分別用ΔTer*和ΔTes*表示，將公式進行線性化處理，進而可以對轉子的轉矩變化量進行計算，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力機組轉子側變流器，一般采用雙閉環系統裝置。d、q軸分別對轉子、定子的轉速及無功功率進行跟蹤，完成符合機組控制目標的追蹤。由于控制器的固定內環時間常數比控制器的外環時間常數小很多，這里省略外環時間常數的影響，并認定變流器的輸出電壓與控制目標參考電壓相一致，進而通過計算可以得到在轉速變化誘因下的轉子側變流器的電壓變化情況。

關于轉子的d軸和q軸電流變化與轉速變化之間的量值關系計算：

ΔIrd*(s)=Gird(s)Δωr*(s)

(3)

ΔIrq*(s)=Girq(s)Δωr*(s)

(4)

式中：Gird(s)為傳遞函數，表示轉子d軸的電流變化量與轉速變化量的關聯；同理，Girq表示與q軸的關系。

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

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

(5)

式中：|GTe|為該工況下的轉子電磁轉矩變化量；φTer為相位變化；GTex為轉子電磁轉矩變化量的實部；GTey為轉子電磁轉矩變化量的虛部。

通過GTe(jH)傳遞函數來分析轉矩變化量與風電場振蕩阻尼具體的影響關系，設定初始Δωr*相位角為0°。轉子電磁轉矩與角速度變化關聯情況，具體如圖1所示。

圖1 轉子電磁轉矩與角速度變化關聯情況Fig.1 Correlation between rotor electromagnetic torqueand angular speed change

由圖1可知，當GTer處在第Ⅰ、Ⅳ象限時，GTex大于0，轉子電磁轉矩變化量正相關轉速變化量，實部方向與Δωr*一致；因此，電磁轉矩的變化負相關風電場次同步振蕩阻尼，同時轉矩增加得越快，負阻尼作用越強。當GTer處在第Ⅱ、Ⅲ象限時，GTex小于0，實部方向與Δωr*相異；因此，電磁轉矩的變化正相關風電場次同步振蕩阻尼，且當夾角越小時作用越強。

同理，當GTes處在第Ⅰ、Ⅳ象限時，定子電磁轉矩變化量負相關阻尼變化量，當與x軸夾角越小時其作用越強。當GTes處在第Ⅰ、Ⅲ象限時，定子電磁轉矩變化量正相關阻尼變化量，當與x軸夾角越大時(<180°)作用越強。

2 附加阻尼控制次同步振蕩控制

在轉子側進行附加的阻尼控制，可以有效抑制風電場次同步振蕩。基于上述對次同步振蕩機制的分析，控制附加阻尼的目的是引起與轉速變化相反的電磁轉矩變化，通過各項條件保障風電場次同步振蕩的最大正阻尼，從而改善其并網性能。本節基于對雙饋風力機組轉子側變流器轉速及無功功率的控制，抑制風電場的次同步振蕩情況。將轉速偏差量作為輸入，在對控制連接進行濾波和平衡后，會由于轉速變化引起的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生變化，并且需要進行額外的阻尼控制；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；GYd(s)、GYq(s)為移相傳遞函數。

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

給定轉速變化量為Δωr*，在d軸和q軸的轉子側變流器控制環節，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，由附加阻尼產生的電壓變化量Vdr、Vqr會有附加電流生產，進而通過附加轉矩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FFT分析風電場系統的次同步振蕩得到振蕩頻率。當系統次同步振蕩頻率小于180°時，GTer(s)提供的增益尚未處于最佳振蕩抑制狀態，若要進一步提高正阻尼，則需要根據振蕩頻率求出在2個控制環中通過濾波器特征角頻率。

ωc=2πfssr

(11)

取阻尼系數ξ= 0.02，可計算傳遞函數GLd(s)、GLq(s)：

(12)

(13)

在GLd(s)=Gdr(s)的情況下，通過帶通濾波器調控附加阻尼控制濾波器，轉子的附加轉矩變化量與轉速變化量函數GTer(s)于次同步振蕩頻率處獲得最大增益；但相位增益未必會達到180°獲得最大正阻尼。這種情況下需要調整相位，發揮移相控制環節的功用，在附加阻尼控制環中加入移相環節GYd(s)、GYq(s)。

(14)

(15)

將轉速控制環和無功控制環添加到移相控制時，在附加的阻尼控制環中d軸傳遞函數為：Gdr(s)=GLd(s)×GYd(s)；q軸傳遞函數為：Gqr(s)=GLq(s)×GYq(s)；轉子的附加轉矩變化量與轉速變化量函數GTer(s)相位增益可以達到180°，正阻尼獲得最大值。

3 結語

憑借清潔、無污染、低成本和可再生的天然優勢，風能已成為全球所關注的重點循環可再生開發能源。我國因其廣博的疆域優勢和種類多變的多地貌特征，風能資源豐富，國家對于相關技術的開發應用始終給與了大力支持。近年來，我國風能資源開發利用規模顯著擴大，相關技術發展迅速；但諸多大型風電場由于其特性限制，建設于遠離負荷的偏遠地區。串聯補償電容器技術對改善風電網穩定性具有重要作用。本文提出了一種抑制雙饋風機并網次同步振蕩的方法，通過應用帶通濾波器，控制轉子側變流器控制環，獲得次同步震蕩頻率下的最大增益，在移相環節的應用后獲得最大阻尼，最終滿足雙饋風機并網次同步振蕩的最佳抑制效果。