DFIG-FMAC-PSS控制对风电并网系统的暂态稳定性改善

匡洪海，吴政球，李圣清，李军军

(1．湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南株洲412007; 2．湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙410082)

DFIG-FMAC-PSS控制对风电并网系统的暂态稳定性改善

匡洪海1，2，吴政球2，李圣清1，李军军1

(1．湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南株洲412007; 2．湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙410082)

风电并网会对电力系统的稳定运行产生影响。为此本文考虑在双馈感应发电机(DFIG)上装设电力系统稳定器(PSS)，提出DFIG转子磁链幅值和相角控制(FMAC)加PSS的控制方案。选用DFIG定子电功率作为PSS输入信号，通过调节DFIG转子磁链矢量的幅值和相角对发电机的端电压和输出功率进行控制，在大扰动的情况下对风电并网系统的稳定性进行研究。研究表明所提DFIG-FMAC-PSS的控制方案经济可行，在提供电压控制、促进阻尼作用和提高风电并网的暂态稳定性方面优于基于同步发电机的PSS解决方案。

双馈感应发电机;暂态稳定;电力系统稳定器;风电并网系统;磁链幅值和相角控制

1 引言

风电并网对电力系统的稳定运行会产生影响，当风电场接入系统时，如何保证系统暂态性能不降低，小信号稳定得以改善是急需解决的问题［1］。在同步发电机的励磁电压调节器(AVR)中装设电力系统稳定器(PSS)是提供额外阻尼的最经济解决方案之一，但在含有风电的系统中这些装置可能不再提供额外阻尼。比如若装有这些装置的同步发电机被切断来调节风力，其阻尼作用很明显就丧失了。因此可考虑在双馈感应发电机(DFIG)上安装PSS并进行适当调节，这样风力发电就可为增加机电振荡阻尼提供一个经济有效的方法。

电力系统暂态稳定问题常通过考虑同步发电机的转子角稳定性来评估［2，3］。风力发电机对转子角稳定和功率振荡的作用在文献［4，5］中提及。大多数风电场使用的是感应发电机，而感应发电机可能会带来其他附加问题，比如电压不稳定［6］等。通过模型分析和动态仿真可知在小信号扰动条件下电力系统中风场的并入将改善电力系统的角度行为，但可能会降低大扰动条件下的电压稳定［7］。因此要全面评估系统稳定，不仅要考虑同步发电机转子角稳定，也要考虑当风力发电机消耗高无功功率时可能导致电压不稳定。这就需要对风电并网系统进行详细的暂态稳定研究，目前在这方面的研究较少。文献［8］提出在DFIG安装PSS的想法，但没有进行进一步的研究工作。

为全面评估系统稳定，本文考虑用转子角稳定和电压稳定来检查风电并网系统的暂态稳定，提出DFIG的转子磁链幅值和相角控制(FMAC)加PSS的控制方案。

2 DFIG数学模型

为进行研究，DFIG必须使用一个合适的模型，DFIG的数学模型可以通过派克方程推导而来，这是计算仿真和构建DFIG矢量控制系统的基础。为分析、仿真和控制而描述DFIG最多的方法是按照交直轴系形成一个与定子磁通矢量同步旋转的坐标系统，本文使用dq坐标轴系下的动态五阶DFIG模型来描述风力涡轮发电机，五阶函数模型如下［9］:

式中，d轴和q轴随同步转速ωs旋转;下标s和r表示定子和转子。

3 DFIG控制

DFIG的出现会对电网阻尼产生影响，为适应电网振荡，由DFIG注入电网的电流变化将导致同步发电机负载电流变化，会引起其阻尼绕组的电流增加以及相应阻尼转矩的增加。通过DFIG转子磁通或内电压角度的适当控制，系统同步发电机增加阻尼转矩的能力可进一步提高。用角度控制方法，则PSS需要处理转子磁通矢量相对定子磁通矢量的角坐标问题，以便DFIG定子电流变化可增加电网中同步发电机的阻尼转矩。

为了实现发电机端电压的控制和其相位角的调整以及对电功率的控制，本文采用的FMAC方案控制思路是进行转子电压矢量幅值的调整。对DFIG所装设的AVR和PSS装置而言，AVR进行转子电压幅值调整，PSS进行其角度调整，因此两个控制输出是独立可用的。

3.1 FMAC方案

传统的商标侵权只涉及混淆行为，但随着商标反淡化理论与实践的发展，商标戏仿即便不具有混淆可能性，也有可能对驰名商标产生淡化。所谓驰名商标的淡化，可分为模糊性淡化和贬损性声誉形成影响，即弱化和丑化。淡化导致同一商标能指向多个所指，模糊了商标所传递的出处信息。㉙ 彭学龙著：《商标法的符号学分析》，法律出版社2007年版，第317页。商标戏仿行为是否可能构成淡化，这一问题值得探讨。

风电并网系统如图1所示，当发电机3是FMAC控制的DFIG时，占优特征值会随着发电机容量的增加慢慢向左半平面移动。因此FMAC控制方案与电流模式(PVdq)控制方案不同，该控制方案对同步发电机1的阻尼是有帮助的，这说明FMAC控制方案在提供阻尼上起了主要作用。下面对DFIG中采用FMAC的控制方案进行分析。

若用暂态电抗后的电势来表示DFIG的动态模型，则内电势EDfig的矢量微分方程可表示为:

图1 风电并网系统Fig．1 Wind power integrated system

FMAC控制方法通过调节转子磁链矢量的幅值和相角来对发电机的端电压和输出功率进行控制，其优点是功率控制环和电压控制环之间的相互影响较小，并且故障后的系统阻尼和电压恢复能够得到加强［10］，FMAC的结构如图2所示。

图2 DFIG的FMAC加PSS控制方案Fig．2 DFIG-FMAC-PSS control scheme

图2中δDfig为内电势EDfig和定子端电压Vs的夹角，由发电机的输出功率决定。因内电势EDfig和转子磁链正交，故转子磁链与d轴间的夹角也为δDfig。

控制方案由两个不同的环构成，一个用于控制电压，一个用于控制发电机的输出功率。在电压控制环中，端电压幅值Vs和参考值Vsref的偏差作为误差信号输入到AVR补偿器中，可得到DFIG内电势矢量的幅值参考值误差EDfigref。在功率控制环中，功率参考值Peref由风力机的最大功率捕获特性曲线确定。将发电机的输出功率Pe与其参考值Peref之间的偏差值作为基本误差信号输入到补偿器，以产生控制矢量相对于定子电压矢量的相角参考值δDfigref［9］。

电压控制环和功率控制环采用PI控制器，其中电压控制环中增加了额外的超前滞后补偿环节，以保证合适的闭环稳定域度。

控制器A根据参考值信号EDfigref和δDfigref产生转子电压矢量Vr的幅值和相角，具有额外超前-滞后补偿环节的PI控制器为各自的闭环提供了合适的响应速度和稳定裕度。最后将转子电压矢量Vr从极坐标转换到dq直角坐标系以得到Vdr和Vqr，并用于PWM发生器以控制转子侧的开关状态［9］。

3.2 FMAC加PSS控制方案

当DFIG采用FMAC控制时，功率环中所包含的滞后环节保证了DFIG具有小的正阻尼作用。图1中代表风电场的发电机3为DFIG，在前述FMAC基本控制方案中加入辅助的PSS控制环，这样阻尼的作用可大大加强。在系统振荡状态下，DFIG注入系统的变化功率可以激发出系统中同步发电机的附加阻尼。理论上PSS的输入信号可以是DFIG对系统振荡有影响的任一测量控制输出信号，比如DFIG转速、滑差、定子电功率或电网频率。PSS的输出信号被引入到基本控制方案中，即将其加入到功率环的参考设定点上。

本文采用DFIG定子电功率作为PSS测量输入信号。定子电功率易于测量，广泛用于同步发电机的PSS。在DFIG中，使用定子功率作为输入信号跟使用滑差或电网频率比，PSS的相位补偿条件更简单，尽管定子电功率随涡轮机转矩变化，但所用滞后补偿器的低增益特性可确保PSS输出信号变化相对较小，因此选用定子电功率作为最合适的PSS输入信号。

PSS输出信号可置于图2功率环内相加点(1)或外相加点(2)处［11］。在DFIG控制方案中一般常将外相加点(2)选做PSS运行场合，因外相加点(2)在基本控制器A的外面，故本文选外相加点(2)处作为PSS的信号接入点。

PSS输入信号首先通过高通滤波的消除环节处理，然后通过补偿器反馈，这样可提供合适的增益和相位补偿以确保适当的控制性能和对系统的正阻尼作用。

图2中FMAC控制器和PSS的控制参数和传递函数如下［9］:

4 风电并网测试系统

装有PSS的DFIG组成的风电场在电力系统中的动态行为可用图1所示的简单风电并网系统来研究。并网系统中发电机1和2为汽轮机驱动的同步发电机，皆配有调速器和励磁控制，使用标准6阶模型来描述，两同步发电机都有AVR控制的静态励磁方案;发电机3为DFIG，装有PSS。发电机1模拟额定容量为800MVA的地区火力发电厂;发电机2模拟额定容量为4000MVA的系统;发电机3模拟额定容量为60MVA的DFIG风电场，由6台额定容量为10MVA的DFIG发电机组组成。在母线2和3处分别接有负载1和负载2，并网系统的电压等级为500kV。假设故障发生在靠近发电机1处的线路L12上，在t=3.0～3.15s发生三相短路，在同步发电机1和2间的功角差大于3×360°时风电并网系统的仿真停止。

下面对风电并网系统在以下几种情况下的稳定性进行研究分析。

(1)情形1:无PSS控制的DFIG风电并网系统

仿真结果如图3～图5所示。同许多FACTS控制器一样，DFIG通过调节其功率输出也可改善机电振荡模式的阻尼。但在FACTS的情况下要实现这并不容易，因为电子设备不直接参与机电振荡。尽管DFIG有提供额外阻尼的能力，使用DFIG可提高电力系统的暂态稳定性，但从图3～图5可看出在短路故障切除后，当两同步发电机的功角差大于3 ×360°时系统仿真停止，发电机1与发电机2失去同步，风电发电机组3不能实现故障穿越，线路功率大幅摆动。这表明没有安装PSS的DFIG风电并网系统在故障后经过一段时间的振荡就会失去稳定。

(2)情形2:有PSS控制的DFIG风电并网系统

情形2时在DFIG风电并网系统的同步发电机中装设PSS，图6～图8为情形2在t=3.0～3.15s时线路L12发生三相短路以及故障切除后的仿真结果。很显然在情形2下，由于PSS的引入可避免风电并网系统的发电机组失去同步，与无PSS控制的情形1仿真结果对比可知:在同步发电机装设PSS能使系统故障切除后电压逐步恢复到稳定值，两同步发电机间的功角差也趋于恒定值，风电机组可实现故障穿越，系统最终趋于稳定，因此PSS可使风电并网系统的暂态稳定性得以改善。

图3 情形1母线1、2、3的电压和母线1处传输功率Fig．3 Voltage of bus 1，2，3 and power at bus 1 under condition 1

图4 情形1发电机1、2的功角差、转子转速、定子电压Fig．4 Power angle difference，rotor speed，stator voltage of generator 1 and 2 under condition 1

图5 情形1风电场的端电压和传输功率Fig．5 Voltage and power ofwind farm under condition 1

图6 情形2母线1、2、3的电压和母线1处传输功率Fig．6 Voltage of bus 1，2，3 and power at bus 1 under condition 2

图7 情形2发电机1、2的功角差、转子转速、定子电压Fig．7 Power angle difference，rotor speed，stator voltage of generator 1 and 2 under condition 2

(3)情形3:DFIG-FMAC-PSS控制的DFIG风电并网系统

情形3是在情形2的基础上增加了FMAC的控制方案，即DFIG采用FMAC控制，但PSS装设在DFIG中，PSS的输入信号为定子功率，而PSS的输出信号加在DFIG功率控制环的参考值设定点上，即前文图2所示的相加点(2)处。

在t=3.0～3.15s时，风电并网系统的线路L12发生三相短路，仿真结果如图9～图11所示。与情形2的仿真结果对比可知，使用FMAC加PSS控制方案，在故障切除后电压系统经过短暂振荡能迅速恢复同步，可完美实现故障穿越。这表明FMAC和PSS结合的控制策略能大大减少功角、电压波形以及输出功率的振荡，使DFIG风电并网系统的暂态稳定性大大提高，系统迅速恢复到稳定状态。

图8 情形2风电的端电压和传输功率Fig．8 Voltage and power ofwind farm under condition 2

图9 情形3母线1、2、3的电压和母线1处传输功率Fig．9 Voltage of bus 1，2，3 and power at bus 1 under condition 3

5 结论

研究表明适当调节安装在DFIG里PSS可增加机电振荡阻尼。尽管调节装在同步发电机里的PSS方法已得到充分发展，但调节装在DFIG里的PSS这个方法相对更简单。作为整体策略的一部分，PSS可与其他装置配合调节，本文在DFIG中采用PSS和FMAC结合的方案，当DFIG采用FMAC控制时，功率环中的滞后环节保证了DFIG具有小的正阻尼作用。因此与基于同步发电机的PSS解决方案相比，DFIG-FMAC-PSS的控制策略能更好地提供电压控制，促进阻尼作用，提高风电并网系统的暂态稳定。

图10 情形3发电机1、2的功角差、转子转速、定子电压Fig．10 Power angle difference，rotor speed，stator voltage of generator 1 and 2 under condition 3

图11 情形3风电场的端电压和传输功率Fig．11 Voltage and power ofwind farm under condition 3

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Transient stability im provement of w ind power integrated system based on DFIG-FMAC-PSS control

KUANG Hong-hai1，2，WU Zheng-qiu2，LISheng-qing1，LIJun-jun1
(1．College of Electrical and Information，Hunan University of Technology，Zhuzhou 412007，China; 2．College of Electrical and Information，Hunan University，Changsha 410082，China)

Wind power connected to the grid will have impact to safe and stable operation of electric power system．So power system stabilizer(PSS)installed in doubly-fed induction generator(DFIG)is considered，and the control scheme of PSS along with flux magnitude and angle controller(FMAC)used in DFIG is proposed in this paper．Stator electric power of DFIG is chosen as input signal of PSS，and output Power and voltage of the generator are controlled by adjusting rotor flux vectormagnitude and phase angle of DFIG．Under the situation of large disturbance，the stability ofwind power integrated system is researched，and the research results show that the proposed DFIG-FMAC-PSS scheme in this paper is economic and feasible．Moreover this solution scheme of DFIG-FMACPSS is superior to the PSS control scheme based on the conventional synchronous generator，and provides voltage control，promotes damping and improves transient stability performance of wind power integrated system．

Doubly-Fed Induction Generator(DFIG);transient stability;Power System Stabilizer(PSS);wind power integrated system;Flux Magnitude and Angle Controller(FMAC)

TM71

A

1003-3076(2015)01-0035-06

2012-12-13

国家自然科学基金(51077046)、湖南省教育厅科研项目(12C0054)、湖南工业大学自然科学基金(2011HZX08)资助项目

匡洪海(1972-)，女，湖南籍，副教授，博士研究生，研究方向为分布式发电和停电管理;吴政球(1963-)，男，湖南籍，教授，博士，研究方向为电力系统分析和稳定控制。