基于事件觸發(fā)的DFIG次同步附加阻尼控制方法曹澄沙1，肖湘寧1，張劍2 (1.華北電力大學電氣與電子工程學院，北京市 102206；2. 電力規(guī)劃設計總院，北京市 100120) 摘 要：為快速、準確判斷和有效抑制雙饋感應發(fā)電機(double fed induction generator, DFIG)并網經串補輸電系統(tǒng)送出發(fā)生的次同步控制互作用(sub-synchronous control interaction, SSCI)問題，首先分析了DFIG經串補送出系統(tǒng)SSCI的作用路徑，并經數(shù)學推導給出了SSCI發(fā)生判據(jù)。然后，基于該判據(jù)，進一步提出了一種基于SSCI事件觸發(fā)的DFIG次同步附加阻尼控制方法，提出了適用于快速檢測需求的次同步頻率提取方法；引入了遲滯環(huán)節(jié)來解決電機參數(shù)不確定導致的誤判問題，提高方法的魯棒性；設計了相頻特性平滑的帶通濾波器，增強了控制方法對頻率變化SSCI問題的適用性。最后，進行PSCAD/EMTDC仿真驗證，結果表明所提控制方法能夠在風速變化、串補度變化及風機參數(shù)不確定情況下較好地阻尼SSCI，且由于引入了SSCI事件判斷機制，附加控制在未出現(xiàn)SSCI風險時退出運行，不影響風機變流器的主控制功能。與已有的附加阻尼控制方法相比，所提控制方法在較高串補度下仍然具有較好的抑制效果。 關鍵詞：雙饋感應發(fā)電機(DFIG)；串補輸電系統(tǒng)；次同步控制互作用(SSCI)；事件觸發(fā)；附加阻尼控制 0 引 言風電的大規(guī)模建設和并網以及適用于風電遠距離輸送的串補輸電線路的廣泛建設使得系統(tǒng)的次同步振蕩問題越發(fā)突出和嚴重[1-5]。2009年，美國德克薩斯州的某風電場由于一條送出線路發(fā)生接地故障并斷開，導致雙饋感應發(fā)電機(double fed induction generator, DFIG)直接經串補度為75%的輻射狀輸電線路送出，線路中的電壓和電流出現(xiàn)了持續(xù)增幅的振蕩現(xiàn)象，造成了風機損壞[6-7]。經分析，該問題由DFIG變流器控制系統(tǒng)和串補輸電線路相互作用產生，稱為次同步控制互作用(sub-synchronous control interaction,SSCI)[8]。我國河北沽源地區(qū)的風電場也出現(xiàn)過類似問題。 關于該次同步振蕩問題的機制，目前的研究已經逐漸成熟，而如何對SSCI進行有效的抑制成為亟待解決的問題。針對SSCI問題的抑制措施，國內外學者展開了一些研究，總結出3類主要的抑制措施。第1類是通過優(yōu)化變流器控制參數(shù)進行抑制，如文獻[9]提出了在DFIG轉子側變流器中優(yōu)化控制器參數(shù)；文獻[10]提出了在風速較低或發(fā)現(xiàn)次同步諧振(subsynchrous resonance，SSR)存在時切除固定串補和調整DFIG變換器控制參數(shù)2種方案。該類方法無須附加額外的設備和控制環(huán)節(jié),但要保證變流器在正常工作情況下運行，參數(shù)優(yōu)化抑制能力有限。第2類是基于柔性交流輸電系統(tǒng)(flexible alternative current transmission systems，F(xiàn)ACTS)裝置的無功補償設備附加阻尼控制，如文獻[11]提出在風機端并聯(lián)的靜止無功補償器(static var compensator，SVC)中附加阻尼控制。該類方法對于風電場出口已經安裝了無功補償設備的情況來說成本相對較低，但抑制時需占用一部分無功補償容量。第3類是在DFIG的轉子側或網側變流器中附加阻尼控制，如文獻[12]提出了轉子側變流器附加阻尼控制的二自由度的優(yōu)化策略；文獻[13]提出了DFIG網側變流器無功控制回路附加阻尼控制的控制策略；文獻[14]提出了一種網側變流器與轉子側變流器同時附加阻尼控制的綜合控制方法；文獻[15]推導了風電串補輸電系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，提出了附加于網側和轉子側變流器的阻尼控制方法；文獻[16]針對DFIG經基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電(modular multilevel converter based high voltage direct current，MMC-HVDC)系統(tǒng)送出可能出現(xiàn)的次同步振蕩問題，提出了MMC-HVDC整流側控制器附加阻尼控制方法，此方法與傳統(tǒng)電網換相換流器高壓直流輸電(line commutated converter based high voltage direct current, LCC-HVDC)系統(tǒng)的附加次同步振蕩阻尼控制器(supplementary sub-synchronous oscillation damping controller, SSDC)相類似。該類方法無須附加額外的設備，優(yōu)化設計后阻尼能力較強，但文獻中的附加控制中缺少對SSCI發(fā)生的精確判斷環(huán)節(jié)，占用變流器容量的同時還有可能干擾DFIG的主控制功能。從現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)來看，DFIG的SSCI引起的次同步頻率電流具有一定的頻變特性[17]，而當串補度發(fā)生變化時，該頻率變化范圍可能更大，現(xiàn)有文獻都是針對固定次同步頻率的抑制措施，亟需研究出一種快速檢測和適應頻率變化的抑制策略。 為解決上述問題，本文首先根據(jù)SSCI的作用路徑，通過數(shù)學推導給出SSCI發(fā)生的條件判據(jù)，基于此判定條件分析風速、轉子側變流器參數(shù)對SSCI的影響。進而提出一種基于SSCI觸發(fā)條件的SSCI附加阻尼控制方法，并進行參數(shù)設計。最后通過仿真驗證該方法抑制次同步振蕩的有效性。 1 次同步控制互作用發(fā)生條件文獻[9]和[18]詳細分析了SSCI的機制。根據(jù)其機制，可以給出SSCI的作用路徑，如圖1所示。  圖1 SSCI的作用路徑 在圖1中，實線為功率輸送的單相路徑，虛線為測量、控制信號傳遞路徑。當串補輸電系統(tǒng)中出現(xiàn)次同步頻率為ωn的擾動電流isa_sub時，其一方面會引起頻率為ωs-ωn的功率波動Δps和Δqs(其中ωs為同步角頻率)，從而進入轉子側變流器的外環(huán)，影響控制系統(tǒng)的輸出；另一方面，定子擾動電流形成的旋轉磁場切割轉子繞組，感應出轉子電動勢從而產生相應的電流，其d、q軸分量為Δird和Δirq，頻率為ωs-ωn，該電流進入轉子側變流器內環(huán)對控制系統(tǒng)產生影響，二者的共同影響通過控制器的反饋控制作用于轉子側變流器的輸出電壓，并向感應發(fā)電機的轉子中注入頻率為ωr-ωn的次同步電流擾動ira_sub (其中ωr為轉子電氣角頻率)，最終再感應到定子側與原有擾動疊加。如果疊加后的電流幅值大于原有擾動電流的幅值，其就會助增原有的擾動，形成發(fā)散型的次同步振蕩。 DFIG主要通過定子送出功率，同時由于轉子側變流器與網側變流器之間通過直流側電容耦合連接，因此電網中的諧振電流由網側變流器經直流電容進入轉子側變流器，對發(fā)電機轉子的影響較小，可以忽略。據(jù)此，本文在建立DFIG的數(shù)學模型中，不考慮網側變流器的影響。 建立DFIG的數(shù)學模型同文獻[19]。圖2為DFIG轉子側變流器的控制框圖。采用dq解耦的雙閉環(huán)控制，d軸采用定無功功率Qref控制，q軸采用最大功率跟蹤控制。  圖2 DFIG轉子側變流器控制框圖 圖中：ird、irq分別為轉子電流的d、q軸增量；Δps、Δqs分別為DFIG輸出的瞬時有功及無功功率變化量；kg1、ki1、kg2、ki2為控制器的外環(huán)與內環(huán)PI控制器參數(shù)；a1=-Lm/Ls； 圖3為DFIG經固定串補線路送至無窮大系統(tǒng)的示意圖。  圖3 雙饋感應風機系統(tǒng)示意圖 假設DFIG的機端電壓為三相對稱的基波正弦函數(shù)，設a相電壓為： usa= (1) 式中：ωs為定子的電氣角頻率；Us、φus分別為基波電壓的有效值和初相位。 當串補線路中出現(xiàn)諧振角頻率為ωn的電流擾動時，不考慮諧波影響，DFIG輸出的a相電流可以表示為： isa= (2) 式中：Is、φis分別為基波電流isa0的有效值和初相位；In、ωn、φin分別為次同步電流isa_sub的有效值、角頻率和初相位。 串補線路中的擾動電流isa_sub通過前文所述的SSCI 2種作用路徑共同反作用于轉子繞組，在轉子上施加頻率為ωs-ωn的次同步電壓d、q軸分量，產生新的次同步電流，并感應到定子側。根據(jù)這一作用機制，文獻[19]通過數(shù)學描述給出了SSCI發(fā)生的判別條件為： cosφ (3) 式中：φ為判別相位；h為判別有效值。 φ和h均與風機轉速、轉子電阻、定子和轉子等效電感、轉子側變流器PI控制器參數(shù)以及系統(tǒng)諧振頻率相關。 基于表1給出的感應發(fā)電機的參數(shù)和表2給出的DFIG轉子側變流器控制的相關參數(shù)，分析不同風速、轉子側變流器PI控制器不同外環(huán)和內環(huán)增益下SSCI產生條件cosφ-|h|/2隨系統(tǒng)擾動頻率變化的特性，如圖4(a)、(b)和(c)所示。 表1 雙饋感應發(fā)電機參數(shù)  表2 轉子側變流器的PI參數(shù)  由圖4可以得到如下結論： (1)擾動電流的次同步頻率越高，即系統(tǒng)的串補度越大，cosφ-|h|/2越趨于負值，即DFIG越容易發(fā)生次同步控制互作用問題；  圖4 cosφ-|h|/2隨諧振頻率變化曲線 (2)隨著風速的下降，cosφ-|h|/2整體減小，表明DFIG發(fā)生次同步控制互作用的風險越大； (3)DFIG轉子側變流器控制的外環(huán)和內環(huán)增益的增大也會使得cosφ-|h|/2整體減小，表明DFIG發(fā)生次同步控制互作用的風險增大，其中內環(huán)增益的影響更明顯。 文獻[19]在相同參數(shù)下采用時域仿真法驗證了所提判據(jù)的有效性和準確性。 2 基于SSCI觸發(fā)的附加阻尼控制從上節(jié)對SSCI特性的分析可知，適當減小DFIG轉子側變流器PI控制器的內外環(huán)增益能夠在一定程度上緩解SSCI。但當SSCI嚴重時，PI控制器由于本身需完成其相應的主控制功能，變化范圍和作用都會受到一定的限制。 本文基于推導出的SSCI判據(jù)，提出SSCI事件觸發(fā)的SSCI附加阻尼控制方法，如圖5所示。該控制策略主要包括次同步頻率提取環(huán)節(jié)、SSCI事件觸發(fā)判斷環(huán)節(jié)以及附加于轉子側變流器和網側變流器PI控制器的附加阻尼控制環(huán)節(jié)，各部分主要功能詳述于后。 2.1 次同步頻率提取環(huán)節(jié) 本文針對串補線路中僅存在單一諧振頻率的情況，提出一種適用于快速檢測需求的諧振頻率提取方法，如圖5所示。首先檢測DFIG定子的有功功率，通過高通濾波器濾除恒定有功分量，從而提取出其中的次同步頻率有功分量Δps。根據(jù)式(1)和(2)，在dq坐標系下計算可得: Δps=3UsIncos[(ωs-ωn)t+φi] (4) 式中φi=φus-φin。 對上述次同步有功分量及其導數(shù)分別求取方均根值，可得:
(5)
3UsIn(ωs-ωn) (6) 式中T=2π/(ωs-ωn )。 將式(6)和(5)的計算結果相除，即可得到諧振角頻率的互補角頻率ωs-ωn。再與同步角頻率ωs相減便可得到相應的諧振角頻率ωn。 2.2 SSCI事件觸發(fā)判斷環(huán)節(jié) 獲得系統(tǒng)諧振頻率后，在已知DFIG轉速和相關參數(shù)的條件下，可根據(jù)式(3)來判斷轉子側變流器和網側變流器PI控制器中附加阻尼控制是否啟動。由于在推導過程中的一些假設以及風機相應參數(shù)可能存在一定的不確定性，會導致判斷存在一定的誤差。因此在判斷SSCI的過程中，本文引入了遲滯環(huán)節(jié)，如圖5所示。遲滯環(huán)節(jié)包括2個輸入限值環(huán)節(jié)γmin和γmax。其中，低限值γmin主要用于防止參數(shù)不確定性可能誘發(fā)的SSCI阻尼控制觸發(fā)拒動問題，因此必須滿足γmin>0。此外，適當?shù)倪x擇滯環(huán)的環(huán)寬γmax-γmin可以有效避免SSCI阻尼控制啟停在邊緣環(huán)節(jié)的頻繁動作。 當滿足SSCI發(fā)生條件時，即cosφ-|h|/2γmin，通過將K置1啟動轉子側和網側變流器的附加阻尼控制回路；當串補度、風速等系統(tǒng)運行條件發(fā)生改變時，SSCI可能不滿足發(fā)生條件cosφ-|h|/2>γmax， 圖5 SSCI事件觸發(fā)的附加阻尼控制策略 通過將K置0閉鎖轉子側和網側變流器的附加阻尼控制回路，阻尼控制退出運行。采用這種方式，在SSCI未發(fā)生時，阻尼控制由于閉鎖而不會干擾DFIG的主控制功能。 2.3 附加阻尼控制環(huán)節(jié) 轉子側變流器的SSCI附加阻尼控制選擇DFIG定子輸出有功和無功功率分別作為阻尼控制的輸入，經帶通濾波器后分別作為d、q軸內環(huán)電流的參考值之一。 網側變流器的SSCI附加阻尼控制選擇DFIG和網側變流器的總輸出有功和無功功率分別作為阻尼控制的輸入，經帶通濾波器后分別作為d、q軸內環(huán)電流的參考值之一。 3 阻尼控制策略仿真分析仍然基于圖3的電磁暫態(tài)仿真模型和表1、2的參數(shù)對上述所提的基于SSCI事件觸發(fā)的附加阻尼控制策略進行仿真驗證。DFIG的轉子側變流器和網側變流器均采用dq解耦控制。其中，轉子側變流器采用磁鏈定向，q軸采用最大功率跟蹤控制，d軸為定無功功率控制；網側變流器d軸采用定直流電壓控制，q軸采用定無功功率控制。通過投切電容器Ⅰ和Ⅱ的方式激發(fā)DFIG的次同步振蕩。阻尼控制的參數(shù)如表3所示。 表3 所提阻尼控制器參數(shù) 為了使SSCI的觸發(fā)條件判定和附加阻尼控制能在一定程度上適應電網運行狀態(tài)變化引起的頻率變動，必須采用上文所提的方法進行諧振頻率在線測量。在這種情況下，為了使本文所提控制策略能夠在較寬的次同步頻帶內具有較好的抑制效果，在設計阻尼控制的帶通濾波器時，采用四階巴特沃斯濾波器，通過合理設計參數(shù)使得其在較寬的頻帶范圍內的相頻特性盡可能平滑，其幅頻和相頻特性如圖6所示，中心頻率按照系統(tǒng)常態(tài)運行時采用的串補度對應的系統(tǒng)諧振頻率的互補頻率設置。 此外，為了進一步提高阻尼能力，在不影響DFIG轉子側和網側變流器主控制功能的前提下，盡可能提高附加阻尼控制環(huán)節(jié)的增益，參數(shù)如表3所示。 圖6 帶通濾波器的波特圖 圖7(a)給出了風速變化以及電容器I投入過程中，無抑制措施的DFIG輸出功率的振蕩曲線以及SSCI判斷條件cosφ-|h|/2的變化曲線。當風速為11 m/s時，cosφ-|h|/2遠大于0，表明無SSCI風險。因此，在10 s電容器I投入時，擾動激發(fā)的次同步振蕩收斂，系統(tǒng)穩(wěn)定。隨著風速的減小，DFIG輸出的有功功率也逐漸減小，此時cosφ也逐漸減小。當滿足cosφ-|h|/2γmin時，表明系統(tǒng)存在SSCI不穩(wěn)定的風險，此時相應DFIG輸出有功和無功功率逐漸發(fā)散。 圖7(b)給出了相應圖7(a)情況，采取本文所提阻尼控制策略后的DFIG輸出功率的振蕩曲線、SSCI判斷條件cosφ-|h|/2的變化曲線、阻尼控制啟動情況以及系統(tǒng)諧振頻率檢測結果。同樣在10 s電容器I投入時，由于不滿足SSCI發(fā)生條件，K維持狀態(tài)0，附加阻尼控制并未啟動，發(fā)生擾動后系統(tǒng)穩(wěn)定，此時檢測到振蕩頻率為11 Hz，與快速傅里葉變換(fast fourier transformation，F(xiàn)FT)分析結果一致。當滿足cosφ-|h|/2γmin時，表明系統(tǒng)存在SSCI不穩(wěn)定的風險，K置1，附加阻尼控制啟動，可以看出DFIG輸出的有功和無功功率穩(wěn)定，無振蕩發(fā)散現(xiàn)象。當cosφ-|h|/2>γmax時，無SSCI發(fā)散的風險，K置0，附加阻尼控制閉鎖。 圖7(c)為風速變化以及電容器I和Ⅱ投切過程中，采取本文所提阻尼控制策略后的DFIG輸出功率的振蕩曲線和SSCI判斷條件。同樣，當風速為11 m/s時，cosφ-|h|/2遠大于0，此時無SSCI發(fā)散的風險，在10 s時電容器I投入后，輸出功率振蕩收斂，系統(tǒng)穩(wěn)定。隨著風速下降，條件cosφ-|h|/2γmin滿足，K置1，附加阻尼控制啟動，DFIG輸出的有功和無功功率穩(wěn)定，無振蕩發(fā)散現(xiàn)象。當15 s電容器Ⅱ投入時，由于線路的串補度增加，系統(tǒng)SSCI不穩(wěn)定的風險加大，但在附加阻尼控制投入的情況下，DFIG輸出的有功和無功功率在擾動下的振蕩仍然收斂。其后，隨著電容器Ⅱ的退出以及風速的再一次增大，逐漸滿足條件cosφ-|h|/2>γmax，SSCI的風險消失，K置0，附加阻尼控制閉鎖。 圖7 基于SSCI事件觸發(fā)的附加阻尼控制抑制效果對比 綜上可見，本文所提方法能夠有效判斷SSCI的發(fā)生，并能夠在風速變化、串補度變化的情況下起到較好的阻尼效果，抑制能力明顯。 為進一步驗證本文所提方法對DFIG參數(shù)不確定或不準確的適應性，對所提控制方法進行敏感性測試，即分別增加和減少DFIG定、轉子10%的漏抗，觀察其對SSCI判斷條件以及附加阻尼控制阻尼效果的影響，結果如圖8和9所示。 圖8 漏抗變化對觸發(fā)準則的影響 圖9 漏抗變化對阻尼控制的影響 圖8表明，DFIG定、轉子漏抗的變化對SSCI判斷條件的影響有限，在控制策略中采用了滯環(huán)判斷以后，該影響可以忽略，因此由圖9可以看出，DFIG定、轉子漏抗的變化并未影響到所提出的基于SSCI事件觸發(fā)的附加阻尼控制方法的阻尼能力。 圖10(a)給出了已有文獻中普遍采用的基于窄帶通濾波方式的附加阻尼控制的抑制效果，可以看出，在串補度為40%時，其抑制效果較好。但從圖10(b)給出的串補度增加到60%時的抑制效果對比可以看出，采用該方法抑制能力有限，功率振蕩仍然發(fā)散，而本文所提方法在串補度提高時仍然具有較好的抑制效果，抑制能力較強。 4 結 論針對DFIG經串補輸電系統(tǒng)送出的次同步控制互作用問題，本文基于推導和分析的SSCI發(fā)生判據(jù)，提出了一種基于事件觸發(fā)的次同步控制互作用附加阻尼控制方法，PSCAD/EMTDC仿真結果驗證了所提方法的有效性與優(yōu)越性，并得到以下結論： 圖10 抑制效果對比 (1)所設計的次同步頻率提取環(huán)節(jié)能夠快速準確地提取出系統(tǒng)中的次同步頻率。 (2)所提基于SSCI事件觸發(fā)的次同步附加阻尼控制方法能夠在風速變化、串補度變化的情況下提供較好的阻尼效果，抑制作用明顯，與已有的附加阻尼控制方法相比，在較高串補度下仍具有較好的抑制效果。 (3)所提控制方法在雙饋感應風機定轉子漏抗參數(shù)不確定情況下仍可有效阻尼次同步控制互作用，具有較好的魯棒性。 5 參考文獻： [1]劉新東，方科，陳煥遠，等.利用合理棄風提高大規(guī)模風電消納能力的理論研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2012，40(6)：35-39. 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Electric Power Planning & Engineering Institute, Beijing 100120, China) ABSTRACT：To fast and accurately estimate, and effectively mitigate sub-synchronous control interaction (SSCI) problems which occurs when the doubly-fed induction generator (DFIG) is connected to series compensation transmission system, this paper firstly analyzes the function path of SSCI and presents its occurrence criterion through the mathematical deduction. Then, based on this criterion, this paper puts forward a SSCI event-triggered based sub-synchronous supplementary damping control strategy of DFIG, and proposes the sub-synchronous frequency extraction method for rapid detection demand; adds hysteresis link to solve the misjudgment problems caused by generator parameter uncertainty and improve the robustness of the method; designs a band- pass filter for smoothing phase-frequency characteristics and improves the applicability of the control method to frequency varying SSCI problems. Finally, the simulation results from PSCAD/EMTDC indicate that the proposed control method still has good damping ability for SSCI when the wind speed or the series compensation degree changes, and even when the generator parameters are inaccurate. At the same time, when there is no SSCI risk, the supplementary damping control will quit operation according to the introduced SSCI event judging mechanism, so it will not influence the main control function of the DFIG inverter. Compared with the existing supplementary damping control methods, the proposed method still has better mitigation effect with higher compensation level. KEYWORDS：double fed induction generator(DFIG); series compensation transmission system; sub-synchronous control interaction(SSCI); event-triggered; supplementary damping control 基金項目：國家電網公司科技項目(SGXJ0000KXJS1500669) 中圖分類號：TM 732 文獻標志碼：A 文章編號：1000-7229(2017)09-0103-08 DOI：10.3969/j.issn.1000-7229.2017.09.015 收稿日期：2017-04-20 作者簡介： 曹澄沙(1993)，女，碩士研究生，主要從事電力系統(tǒng)運行與控制、電力系統(tǒng)次同步振蕩方面的研究工作； 肖湘寧(1953)，男，教授，博士生導師，主要從事電力系統(tǒng)電能質量、現(xiàn)代電力電子技術應用等方面的研究教學工作； 張劍(1986)，男，博士后，主要從事電力系統(tǒng)穩(wěn)定、FACTS技術、次同步振蕩分析與抑制等方面的研究工作。 |
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