合肥工业大学电气与自动化工程学院的李生虎、张亚海、叶剑桥、李忆恺、陶帝文,在2023年第5期《电工技术学报》上撰文,从抑制功角振荡出发阻尼振荡,以SG转速为DFIG电力系统稳定器(PSS)输入信号,建立风电并网电力系统动态模型,提出基于轨迹灵敏度的RSC和DFIG-PSS参数协调优化方法。

阻尼振荡频率_阻尼振荡_阻尼振荡频率公式

蓝天白云下的风力发电站,大型风电设备,风叶在风中旋转。

研究背景

从稳态运行来说,风电随机波动、可预测性较差,增加了电网有功平衡和备用配置难度。从扰动后暂态过程来说,风电机组结构和控制特性,与火电、水电机组差异较大。风电机组不具有惯性调频和一次调频能力。大规模风电并网,减少火电机组并网容量从而改变电源暂态特性,可能引起风电机组和同步机组间动态交互和功角振荡,需要风电机组部分承担电网稳定控制任务。

基于小扰动的特征值分析、特征值灵敏度、控制参数优化,是基于特定断面线性化、忽略元件非线性,不能研究大扰动后控制效果。小扰动分析只能判断振荡衰减特性,不能量化一段时间内参数偏差,而功角振荡/失稳是基于参数偏差定义。

基于大扰动后轨迹仿真,轨迹灵敏度定量描述电网运行参数或结构变化后系统轨迹变化和动态性能。以轨迹灵敏度位梯度函数,可以优化控制参数以改善电网暂态功角稳定性,减缓功角振荡严重程度。

论文所解决的问题及意义

为降低DFIG并网对系统功角振荡影响,引入DFIG-PSS并借助轨迹灵敏度优化其控制参数以增强系统阻尼,其中难点在于:

(1) DFIG与SG间动态交互,不但改变系统阻尼,还增强系统参数耦合,需要对DFIG进行建模并与SG联立分析。(2) 微分方程中多状态变量的轨迹灵敏度相互耦合,且不能区分状态变量与代数变量的雅可比矩阵,无法借助其建立轨迹灵敏度的解析表达。(3) 在RSC有功外环引入DFIG-PSS,RSC原有控制参数控制效果可能被削弱。

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图1

论文方法及创新点

针对上述问题,本文考虑SG与DFIG动态交互,选择SG转速为DFIG-PSS输入信号,建立DFIG并网系统动态模型。引入中间变量修改微分方程,将状态变量轨迹灵敏度解耦,建立DFIG并网系统轨迹灵敏度的解析表达。

设定目标函数为SG功角偏差相对值对时间积分,按仿真步长累加功角对控制参数的轨迹灵敏度阻尼振荡,得到目标函数对控制参数的梯度信息。考虑DFIG-PSS通过RSC有功外环引入,且积分系数过大会削弱比例系数的控制效果,选择RSC比例控制参数为待优化变量。最后提出基于轨迹灵敏度优化RSC和DFIG-PSS参数,以提高系统阻尼振荡能力。

阻尼振荡_阻尼振荡频率公式_阻尼振荡频率

图2

阻尼振荡_阻尼振荡频率公式_阻尼振荡频率

图3

结论

本文以SG转速为DFIG-PSS输入信号,得到DFIG并网电力系统扰动后轨迹灵敏度的解析表达。为抑制SG功角振荡,取目标函数为SG功角差相对值平方的积分,基于轨迹灵敏度提供的梯度信息,优化DFIG控制参数。考虑DFIG-PSS可能弱化RSC控制效果,协调优化两者控制参数,得到以下结论:

1)轨迹灵敏度解析表达误差较小,可准确量化控制参数对系统功角振荡的影响。

2)相比于仅优化DFIG-PSS参数,同时优化DFIG-PSS参数与RSC比例系数,在减缓DFIG振荡同时,可增强系统阻尼,减小SG间功角差振幅。

3)RSC功率外环比例系数增大,电流内环比例系数减小,可有效调节DFIG输出功率,降低系统振荡风险。

团队介绍

合肥工业大学新能源电力系统运行与控制团队,包括教授、副教授、博士、硕士生近百人,近十余年来从事风电、光伏等新能源并网电力系统分析、控制研究,尤其专注于风电并网电力系统分析、控制和稳定性。第一作者课题组主持国家自然科学基金多项、安徽省优青基金、入选教育部新世纪人才计划,自2019年以来发表(录用)SCI和EI检索论文各20余篇,获省科学技术二等奖、三等奖。

本文编自2023年第5期《电工技术学报》,论文标题为“基于双馈风电机组控制参数优化的电网功角振荡控制”。本课题得到国家自然科学基金资助项目的支持。

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