基于DFIG稳态有功功率下限和电网小扰动稳定灵敏度的DFIG有功功率备用容量范围.pdf
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1、第 17 卷 第 8 期2023 年 8 月南方电网技术SOUTHERN POWER SYSTEM TECHNOLOGYVol.17,No.8Aug.2023基于DFIG稳态有功功率下限和电网小扰动稳定灵敏度的DFIG有功功率备用容量范围李生虎1,2,陈东1,2,齐楠1,2,夏伟健1,2(1.合肥工业大学电气与自动化工程学院,合肥 230009;2.新能源利用与节能安徽省重点实验室,合肥 230009)摘要:随着风电并网的快速增加,要求风电机组如双馈感应风电机组(doubly-fed induction generator,DFIG)参与电网有功平衡和频率稳定,为此需要确定其有功功率备用容量范
2、围。提出了超速模式下确定DFIG有功功率备用容量范围的方法。建立了并网 DFIG的潮流模型,计及转速与转子侧变流器(rotor-side converter,RSC)的容量约束,确定了DFIG稳态有功功率下限。在此运行方式下,对电网进行了特征值分析以发现危险模式。考虑转差率影响初值和状态矩阵,拓展了潮流雅可比矩阵,建立了危险模式对转差率灵敏度的解析表达。根据上述灵敏度,筛选出与转差率强相关的危险模式,通过调节PI参数或/和转差率以消除危险模式。最后根据转差率取值确定出DFIG有功功率的备用容量范围。算例仿真结果验证了所提算法的正确性和控制效果。关键词:双馈感应发电机;有功功率备用容量范围;稳态
3、有功功率下限;特征值灵敏度;小扰动稳定约束Active Power Reserve Capacity Range of DFIG Based on the Lower Limit of Steady-State Active Power of DFIG and Small-Disturbance Stability Sensitivity of Power SystemLI Shenghu1,2,CHEN Dong1,2,QI Nan1,2,XIA Weijian1,2(1.School of Electrical Engineering and Automation,Hefei Univer
4、sity of Technology,Hefei 230009,China;2.Anhui Province Key Laboratory of Renewable Energy Utilization and Energy Saving,Hefei 230009,China)Abstract:With the rapid increase of wind power intergration,wind turbines such as doubly-fed induction generator(DFIG),are required to participate in active powe
5、r balance and frequency stability of power system.Therefore,it is necessary to determine the active reserve capacity range of DFIGs.A method is proposed to determine the range of active reserve capacity of DFIGs in overspeed mode.The power flow model of grid-connected DFIGs is established,which take
6、s into account speed and rotor-side converter(RSC)capacity constraints,and determines the lower limit of DFIG steady-state active power.Under this operation mode,the eigenvalue analysis to the power system is performed to find the dangerous modes.Since the slip rate affects the initial value and the
7、 state matrix,the Jacobian matrix is extended to establish the analytical expression of the sensitivities of the dangerous mode to slip rate.Based on the above sensitivity,power flow for hazard modes strongly related to slip rate is screened,and adjust PI parameters or/and slip rate are adjusted to
8、eliminate the dangerous mode.Finally,the range of DFIG active reserve capacity is determined based on the slip rate value.The simulation results of the example verify the correctness and control effectiveness of the proposed algorithm.Key words:doubly-fed induction generator(DFIG);active power reser
9、ve capacity range;lower limit of steady-state active power;eigenvalue sensitivity;small-disturbance stability constraint文章编号:1674-0629(2023)08-0001-10 中图分类号:TM712;TM614文献标志码:ADOI:10.13648/ki.issn1674-0629.2023.08.001基金项目:国家自然科学基金资助项目(51877061)。Foundation item:Supported by the National Natural Scienc
10、e Foundation of China(51877061).南方电网技术第 17 卷0引言随着新能源并网容量快速增加,要求风电机组如双馈感应风电机组(doubly-fed induction generator,DFIG)主 动 参 与 电 网 有 功 平 衡 和 频 率 控制1-5,为此需要确定其有功功率可调范围。桨距角调节6-9与转子超速10-12是DFIG减载运行的常见手段。前者增加叶片机械应力、响应速度慢,不能及时提供频率响应13-16,因此多与超速模式转速结合启用。当DFIG远离最大功率点(maximum power point,MPP)实现减载运行,增加了风电机组有功功率储备1
11、7。现有研究多关注DFIG超速运行参与调频控制策略及调频效果,对有功功率备用容量范围研究极少。文献 18 通过转子转速控制提供运行备用和频率调节,在超速环节仅保留5%有功功率备用。文献 19 在风速为10 m/s时分别按照10%和20%进行有功功率备用。文献 20 认为DFIG减载水平应为20%33%。文献 21 设置超速控制环节,机组通过超速控制工作在10%减载状态。文献 22 认为额定风速以下均可通过超速减载预留备用。文献 23设定减载功率为 MPP 模式的 20%。文献 24 研究DFIG出力变化对系统特征值的影响,发现稳定需求可能降低有功功率备用容量。上述文献均在DFIG最大出力基础上
12、设置减载比例,未考虑该备用比例是否可实现。为了充分利用DFIG调频能力,分析与掌握DFIG有功功率出力下限是解决DFIG参与调频的首要任务。超速模式有功功率下限不仅与转子转速有关,随着有功功率备用容量的增加,DFIG 转子侧变流器(rotor-side converter,RSC)功率随之增加,甚至可能越限。在衡量DFIG稳态有功功率下限时,应综合考虑转速与RSC容量。文献 25 将MPP模式下DFIG最优转速为最大转速作为超速模式区间,并对不同风速下有功功率备用容量进行量化分析,但只给出了低风速下的有功功率下限,且只考虑风机转速限制,忽略了RSC容量限制。超速模式可以为系统提供有功功率备用,
13、相较于MPP模式,特征值发生变化,在衡量DFIG有功功率备用容量范围时,应考虑系统稳定性。对于由有功功率备用造成的危险模式,依次调节PI参数、转差率以确保系统不会因有功功率备用造成稳定性威胁。对于风电并网系统,有功功率备用容量确定范围难点如下。1)衡量不同风速下DFIG有功功率下限的主要约束。DFIG有功功率下限往往与DFIG运行工况相关,不同工况下有功功率下限约束条件往往不同。文献 26 基于 DFIG 单机模型研究有功功率下限,未考虑DFIG并网条件下有功功率下限对系统稳定性的影响且未给出不同风速下DFIG有功功率备用容量范围。2)解特征值对转差率灵敏度解析表达。无法直接通过雅可比矩阵求逆
14、得到系统电压对转差率的灵敏度,且转差率不仅出现在状态矩阵中,还通过影响系统潮流进而影响状态矩阵。因连续修改参数较为繁琐,尤其系统阶数较多时,快速筛选与转差率强相关危险模式比较困难。灵敏度可直接反映特征值与参数之间的关系27,因此有必要建立危险模式对DFIG参数灵敏度的解析表达式。3)考虑系统稳定性最终确定DFIG有功功率备用容量范围。有功功率备用状态下,DFIG系统稳定性发生变化,需要在保证系统不会因有功功率备用稳定性下降的条件下,确定有功功率备用容量范围。本文提出了基于稳态有功功率下限和小扰动稳定灵敏度确定DFIG有功功率备用容量的方法。计及转速与RSC容量约束,计算稳态有功功率下限。针对D
15、FIG转速变化间接影响节点电压和系统特征值,解出电压与转差率的联系,建立特征值和阻尼比对DFIG转差率灵敏度,验证超速模式对系统稳定性影响。基于上述灵敏度,调节PI参数或者转差率参数,消除因运行于稳态有功功率下限产生的危险模式,确定转差率进而得到DFIG有功功率备用容量范围。1DFIG稳态有功功率下限1.1DFIG结构图1给出DFIG结构,其中下标WT表示风力机组,下标dc表示直流。P为有功功率,V、I分别为电压、电流,L为电感元件,C为电容器。下标s、r分别代表定子、转子侧,GSC为网侧变流器(grid-side converter,GSC),RSC为转子侧变流器(rotor-side co
16、nverter,RSC)。采用定子电压定向d轴,以2第 8 期李生虎,等:基于DFIG稳态有功功率下限和电网小扰动稳定灵敏度的DFIG有功功率备用容量范围实现dq轴解耦控制。风机捕获功率PWT如下。PWT=Av3w2SBc1()c2i-c3-c4c5-c6e-c7i1i=1+c8-c93+1=WTw(1)式中:为空气密度;A为扫风面积;cn为空气动力学 CP系数,n=19;vw为风速;i为中间变量;为叶尖速比;为桨距角;为风机半径;SB为基准视在功率;为转速。1.2DFIG并网潮流模型DFIG并网后需要补充约束方程。给定风速下DFIG 有功损耗与 Vs有关,后者与电网潮流有关,在得到潮流解之前
17、无法确定定子出力,因此需联立DFIG定子对内、对外有功功率约束。给出对内无功功率约束式(2)。补充转矩平衡方程式(3)以约束转子电压相角。激磁回路功率平衡方程如式(4)(5)所示、GSC 功率平衡方程如(6)(7)所示。Qs=-QDFIG,set-Qs,m-Qs,g=0(2)T=-PWT1-s-Pem=0(3)Pm=-Pm,s-Pm,r=0(4)Qm=-Qm,s-Qm,m-Qm,r=0(5)Pg=-Pr,m-Pg,s=0(6)Qg=Qg,set-Qg,s=0(7)式中:Qs为定子无功功率不平衡量;QDFIG,set为DFIG无功功率设定值;Qs,m为定子励磁无功功率;Qs,g为网侧定子无功功率
18、;T为转矩不平衡量;T为转矩;Pem为DFIG电磁功率;Pm为励磁功率不平衡量;Pm,s为定子励磁功率;Pm,r为转子励磁功率;Qm为励磁无功功率不平衡量;Qm,s为定子励磁无功功率;Qm,m为励磁支路无功功率;Qm,r为转子励磁无功功率;Pg为网侧有功功率不平衡量;Pr,m为转子励磁功率;Pg,s为网侧定子绕组有功功率;Qg为网侧无功功率不平衡量;Qg,set为网侧无功功率设定值;Qg,s为网侧定子无功功率。由此得到DFIG并网电网潮流方程如下。PsysQsysPmQmTQsPgQg+JsysUsysmUmrUrgUg=00000000(8)式中:U、分别为DFIG电压幅值和相角;J为雅可比
19、矩阵;下标sys代表电网节点。为了提高潮流的收敛能力,可根据文献 28 设置 r、Ur的初始值。式(8)收敛后,可以计算DFIG有功功率出力。PDFIG=-Ps,m-Ps,g(9)1.3并网DFIG稳态有功功率出力下限为了保护 WT 和感应发电机,防止机械损坏或转子过电压,在高、低风速下 DFIG 均具有转速限制。求解出力下限过程中,DFIG 转速限制是不可忽略的重要限制因素。超速模式下 SRSC随着 有 功 功 率 预 留 容 量 大 小 而 变 化,若 只 考 虑DFIG 转速限制,在一定情况下,可能会造成 SRSC越限。因此在衡量 DFIG 有功功率备用容量时,需考虑SRSC限制。求解稳
20、态出力下限时,先判断潮流是否超过SRSC限制。若是,则在并网潮流模型上增加约束。SRSC=SRSC-SRSC,N=P2r,m+Q2r,m-SRSC,N=U4r-2sUmU3rcosr,m+s2U2mU2rR2r+s2R2r-SRSC,N(10)const()=-2f(1-s)pvw(11)const(i)=1i-1+c8+c93+1=0(12)式中:R为DFIG电阻;X为DFIG电抗;f为系统频率;为DFIG增速比;p为DFIG极对数;下标N表示额定值。增加DFIG的SRSC约束,电网潮流方程为:图1DFIG结构Fig.1Configuration of DFIG3南方电网技术第 17 卷 P
21、sysQsysPmQmTQsPgQgSRSCconst()const(i)+J sysUsysmUmrUrgUgsi=00000000000(13)若SRSC约束不会触发,则在PDFIG,set模型下确定稳态有功功率出力下限。在SRSC约束模型中将SRSC约束方程替换为PDFIG,set约束方程,如式(14)所示。Ps=-PDFIG,set-Ps,m-Ps,g=0(14)图2给出DFIG稳态有功功率下限计算步骤。1)基于MPP模式潮流解,计算SRSC约束模型,判断是否SRSC约束为有效约束。2)若 SRSC约束为有效约束,利用式(12)计算DFIG稳态有功功率下限;若SRSC约束为无效约束,则
22、需确定转差 s 范围,根据当前风速与 s 确定PDFIG,set数值。不断降低PDFIG,set,直至s越限或潮流不收敛,即可确定DFIG有功功率下限。2有功功率备用容量范围选取2.1计及出力下限的危险模式筛选同步发电机(SG)采用三阶实用模型,同时考虑励磁控制。本文DFIG模型采用18阶模型(图3),包括桨距角(2阶)、传动轴系(3阶)、感应电机(4阶)、背靠背变流器(9阶)。在潮流计算后,根据SG和DFIG结构与动态特性,得到DFIG并网系统微分-代数方程式(15)。x=Ax+By0=Cx+Dy(15)式中:x、y分别为状态变量与代数变量;A、B、C、D为系数矩阵,上标“”表示微分。消去代
23、数变量得:x=(A-BD-1C)x(16)由状态矩阵可求得特征值和左右特征向量。如图4所示,选择阻尼比min与max作为危险模式筛选条件,筛选危险模式。DFIG利用超速控制从MPP模式转为稳态有功功率下限模式,系统运行点发生变化,系统小干扰稳定性发生变化,传统超速模式未考虑DFIG处于有功功率下限时的系统稳定性。图5给出不同有功功率备用情况下系统特征值变化轨迹图。图3DFIG控制策略Fig.3Control strategy of DFIG图2DFIG稳态有功功率下限Fig.2Steady-state lower active power limit of DFIG4第 8 期李生虎,等:基于
24、DFIG稳态有功功率下限和电网小扰动稳定灵敏度的DFIG有功功率备用容量范围不同有功功率备用情况系统特征值发生变化,因此在考虑有功功率备用容量范围时必须考虑系统稳定性。为了从众多模式中选取受有功功率备用容量影响较大的模式,可利用特征值对s灵敏度实现该目标。2.2基于转差灵敏度的有功功率备用容量范围选取为得到危险模式对转差率的解析表达,需要计算节点电压对转差率的灵敏度。由于转差率未出现在DFIG并网潮流不平衡量中,因此需要对式(8)进行修正。F+JJs xs=0(17)式中:F为潮流约束不平衡矩阵;x为潮流修正矩阵;Js为潮流约束对s的偏导矩阵。将式(17)展开得式(18)。当潮流收敛时,F可视
25、为0,e即为节点电压对s的灵敏度,e=J1Js。x=es-J-1F(18)在交流电网中,电压幅值 Usys、相角 sys和DFIG内部变量XDFIG的变化均可改变状态矩阵。采用复合函数法,以 Usys、sys和 XDFIG作为中间变量,求解状态矩阵和特征值对s灵敏度。以转子电流为例,有:Irds=R2r+s2X2r(R2r+s2X2r)2 Rr(Urds-Umd-sUmds)+Xr(Urq-sUmq)+sXr(Urqs-Umq-sUmqs)-2sX2r(R2r+s2X2r)2 Rr(Urd-sUmd)+sXr(Urq-sUmq)(19)Irqs=R2r+s2X2r(R2r+s2X2r)2 Rr
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