双馈风力发电机高渗透率对电力系统转子角稳定性的影响
摘要：随着风电并入电力系统的不断增加，风电高度渗透对电力系统稳定性的影响成为一个非常重要的问题。本文研究了双馈感应发电机控制和运行对转子角度稳定性的影响。针对双馈感应发电机的转子侧转换器（RSC）和电网侧转换器（GSC）的控制策略被提出以减轻双馈感应发电机对系统稳定性的影响。利用双馈感应发电机的电网侧转换器作为静态同步补偿器（STATCOM）进行控制，以在电网故障期间提供无功功率支持。此外，在双馈感应发电机的转子侧转换器的无功功率控制回路中运用了电力系统稳定器（PSS）。所提出的方法在小型和大型干扰下均在切实的西方系统协调委员会（WSCC）电力系统上进行仿真。仿真结果表明了双馈感应发电机的电网侧转换器控制策略和电力系统稳定器增强电力系统转子角稳定性的有效性和稳健性。
关键词：双馈感应发电机（DFIG），电力系统稳定器（PSS），转子角度稳定性，静态同步补偿器（STATCOM）。
1.引言
由于逐渐成为我们社会中主要问题的环境和经济问题，我们将更致力于用可再生能源发电。 在正在开发的可再生能源技术中，风力涡轮机技术是世界上增长最快的技术之一。 采用双馈感应发电机的变速风力发电机（VSWT）是目前安装的风力发电机中最流行的技术[1]，[2]。 随着双馈风力发电机组普及率的不断提高，电力系统稳定性成为一个需要深入研究的重要问题。
大量的研究工作致力于解决风电一体化问题。 参考文献[3]表明，通过使用电力电子变流器，双馈感应发电机能够控制其自身的无功功率以在给定的功率因数（PF）下运行或控制发电机端电压。 然而，由于其功率转换器的容量有限，双馈感应发电机电压控制（VC）的能力不能与同步发电机（SG）的能力相匹配。 因此，电力系统的稳定性在电压控制需求超出双馈感应发电机能力中受到影响[4]。 双馈感应发电机的无功功率可以通过增加转换器尺寸来增强。 然而，这种解决方案增加了整体成本，这是双馈风机相对于全功率变流器风力涡轮机的主要优势之一[5]。
在文献[6]中，研究了由风力产生的无功功率对转子角度稳定性的影响。该研究得出的结论是，如果风力发电的终端电压得到控制，暂态稳定性可以得到改善，并且振荡衰减得更快。此外，同步发电机转子角度直接受到风力发电所使用的无功功率控制策略的影响。然而，文献[6]中使用的扰动不足以触发双馈电机保护系统，这会导致更严重的电压跌落[7]。由于在暂态电网故障期间保持双馈感应发电机连接是一个网格代码要求，一些已发表的文献[8] [9]提出了各种策略来确保双馈感应发电机的连续运行。在[10]中，提出了一种解耦故障穿越策略来改善双馈感应发电机的无功功率响应和无功功率能力。结果表明，双馈感应发电机的电网侧转换器可用于提高电网故障期间的电压。一旦端子电压下降到预定电压电平以下，[10]中使用的策略优先考虑通过直流电压控制的电网侧转换器的无功功率控制。此外，所用电网侧转换器的额定值大于实际额定值，通常为发电机额定功率的30％[11]。全功率变流器风力发电机组的电网侧转换器也可以用作静态同步补偿器[2]，[12]。这可以在非常低的风速下或在故障期间使用附加设备来吸收产生的有功功率。
双馈感应发电机的电力电子变流器充当了双馈感应发电机发电机和电网之间的接口。因此，随着双馈感应发电机的渗透率的增加，系统的有效惯性将减小[13]。因此，由于双馈感应发电机不同步耦合到电力系统，风力涡轮机不参与机电振荡[14]。相反，由于参与电力系统振荡的同步发电机数量减少，风电的渗透将产生阻尼效应。然而，风力发电机对小信号稳定性的影响取决于风力发电机及其控制器的类型[2]。参考文献[14]指出双馈感应发电机在弱系统中能够比同步发电机更好地改善功率振荡。而且，变速风力发电机能够控制有功功率和无功功率，并且两者都可用于改善小信号稳定性。参考文献[15] - [17]表明，在有功功率控制回路内配备电力系统稳定器（电力系统稳定器）的双馈感应发电机可以有效抑制电力系统振荡。因此，带有电力系统稳定器的双馈电机比带有电力系统稳定器控制的同步发电机更有效地促成振荡阻尼。
在[15]和[17]中使用的控制方案基于通量幅度和角度控制（FMAC），而商用双馈感应发电机的通用控制方案基于标准的去耦d-q矢量控制机制[18]。有源功率调制的使用可以降低双馈感应发电机轴模的阻尼[19]。这增加了双馈感应发电机转子轴上的应力并缩短了机械系统的使用寿命。此外，参考文献[20]报道，有功功率调制的电力系统稳定器受到塔影影响的扭矩变化的不利影响。此外，如果使用双馈感应发电机无功功率来控制电网电压，那么可以降低具有有功功率调制的电力系统稳定器的有效性[21]。关于双馈感应发电机无功功率用于振荡阻尼的文章只有少部分已经发表[19]，[22]，[23]。而且，它们中没有一个在失去有功和无功功率的控制以及吸收大量无功功率时考虑到撬棒系统的影响。
本文进行了详细分析，以研究取代传统同步发电机s等效双馈风力发电场对电力系统转子角稳定性的影响。 两种控制策略利用可用的双馈感应发电机无功功率来减小双馈感应发电机对现有同步发电机s的转子角度稳定性的影响。 具有成本效益的解决方案是在电网故障期间将现有双馈感应发电机-电网侧转换器作为无功功率源运行。 此外，为了克服电力系统稳定器功率调制的影响，本文设计了考虑到撬棒系统影响的无功功率调制电力系统稳定器。 结果表明，所提出的技术是通过利用可用的双馈感应发电机无功功率来提高转子角度稳定性的有效和有效的方式。 随着风力渗透水平的提高，这种控制方案的好处可能变得更加重要。
此篇文章的结构如下。 第二节描述了本文使用的方法。 第三部分描述了双馈电机的建模和控制。 第四节描述了测试系统。 第五部分概述了一些情景的结果和讨论。最后，第六部分总结了结论。
2.方法
在本节中，将开发一种方法来研究双馈感应发电机对电力系统转子角度稳定性及其改进的影响。
为了研究并网双馈风力发电机对转子角度稳定性的影响，在西部系统协调委员会（西方系统协调委员会）测试电力系统中，其中一个同步发电机被装备有双馈感应发电机的风电场取代。 风电场输出电压相当于被替换的同步发电机，并产生与被替换的同步发电机相同的电量。 风电场测试系统的拓扑结构和运行条件在同步发电机替换之前是相同的。 此外，为了评估系统瞬态响应以及双馈感应发电机的高渗透率，与同步发电机案例相同的故障被应用于测试系统。
2.1小信号稳定性分析
小信号稳定性问题通常是由于系统转子振荡之一的阻尼不足导致的。小信号稳定性分析可以检测系统模式，这是由电力系统同步发电机之间的机电交互产生的。 由于双馈风力发电机风力发电机不同步耦合到电力系统，风力涡轮机不参与机电振荡。 然而，双馈感应发电机电力电子转换器有可能改变机电阻尼性能[10]。 以下步骤描述了小信号稳定性的方法：
1）在0.1-2Hz的频率范围内进行小信号稳定性分析;
2）确定阻尼系数最低的主模式;
3）在主模式下确定具有主要状态变量和参与因子的主导机器;
4）分析对应于转子速度状态的模式形状以识别彼此振荡的发电机;
5）针对不同的场景重复前面的步骤。
2.2 暂态稳定分析
要进行暂态稳定分析，系统必须承受诸如三相短路故障之类的大扰动。 为了进行暂态稳定性研究，必须仔细选择干扰的位置。 可以根据小信号稳定性研究的结果进行选择。 阻尼系数较低的模式可能因较大的干扰而加剧。 因此，故障必须靠近在指定模式下参与系数最高的机器。
当故障期间同步发电机s电气转矩低于机械转矩时，转子将加速，从而导致转子角度位置更高。 但是，对于双馈感应发电机，由于其异步操作，扭矩角特性不存在。 因此，双馈感应发电机对系统扰动的动态响应与同步发电机不同[24]。
互连同步发电机的转子角将用于评估电力系统的稳定性。 瞬态稳定性可以通过暂态稳定指数（TSI）来测量，其定义如下[25]：
（1）
其中eta;和rho;max分别是TSI符号和系统中任何两个同步发电机在同一时间内的最大角度分离度（以度为单位）。 如果eta;的值大于零，则电力系统被认为是稳定的。
双燃料控制策略的建模
3.1 转子侧转换器和电网侧转换器的建模
转子侧变流器的主要目标是独立调节定子侧的有功和无功功率。 通过转子侧转换器控制定子无功功率可以调节双馈感应发电机定子电压达到一定的极限。 电压控制外环在图1中以黑色虚线标记。转子侧功率变换器可以建模为电流控制电压源换流器[11]。 双馈感应发电机定子有功功率Ps和无功功率Qs的控制是通过控制d-q参考系中的转子电流irabc来实现的。 本文采用的转子侧转换器的详细模型可以在[26]和[27]中找到。
图1.具有电压控制（黑色虚线）和电力系统稳定器（红色虚线）的双馈感应发电机-转子侧转换器的整体矢量控制方案。
图2.电网侧转换器和同步补偿器模式的整体矢量控制方案用红色虚线表示。
电网侧转换器的主要目标是控制直流链路的电压，使其保持在一定的限度内。 但是，它可以调节电网侧转换器与电网交换的无功功率，并且可以用作无功功率支持[28]。
电网侧转换器的整体矢量控制方案如图2所示，其中同步旋转参考系中的定子电流igabc用于控制直流电压（vdc）和无功功率Qg。 在本文中使用的双馈感应发电机-电网侧转换器的详细模型可以在[26]和[27]中找到。
3.2 作为静态同步补偿器的电网侧转换器建模
当双馈感应发电机的端电压迅速下降到低电平时，机器磁通被迫突然改变，导致高转子电流。 这些电流可能会损坏双馈感应发电机-转子侧转换器。 因此，在现代风力涡轮机中，当转子绕组中存在过电流时，启动双馈电机撬棒系统。 撬棒系统由一组连接到转子绕组的三相串联电阻组成[10]。
短路之后，撬棒将被激活，因此双馈感应发电机将作为鼠笼式感应发电机工作。 在这种情况下，感应发电机会从电网吸收大量的无功功率。 撬棒电阻应足够高以限制短路转子电流，并应足够低以避免转子电路中的电压过高。 因此，必须仔细选择撬棒电阻。 故障清除后，需要60到120 ms的延迟时间，以使机器磁通瞬态衰减。 然后，撬棒可以关闭，转子侧转换器返回来控制双馈感应发电机 [29]。
图3.将双馈感应发电机-电网侧转换器建模为同步补偿器的一般结构。
由于转子侧转换器在大瞬变干扰期间被停用，电网侧转换器可用作同步补偿器，如图3所示，可产生无功功率。 电网侧转换器类似于传统的基于电压源换流器（VSC）的同步补偿器，它由一个VSC和一个直流电容器组成。 STACOM的控制系统基于标准的d-q矢量控制方案。 同步补偿器控制电路的主要目标是保持直流电容器的电压不变，并调节变流器和电网之间交换的无功功率。 同步补偿器的详细模型可以在[30]和[31]中找到。 同步补偿器的控制电路与已经安装在电网侧转换器中的控制电路非常相似。保持电网侧转换器中直流电压恒定的同一个直流电压控制回路可以不经任何修改就保持同步补偿器的直流电压恒定。控制电网和电网侧转换器之间无功功率的无功功率控制回路可以不加任何改变而产生电网侧转换器的最大无功功率。当开关（SW）位于图2中的位置2时，它也可用于调节双馈感应发电机端子电压。
在正常运行条件下，转子侧转换器独立控制定子有功和无功功率，而电网侧转换器独立控制直流电压和电网侧转换器和电网之间的无功功率交换。 电网侧转换器通常以单位功率因数运行，以允许额定转子滑差功率通过转换器进行交换。当撬棒激活时，转子绕组通过撬棒阻抗短路，转子侧转换器被禁用。由于电网侧转换器与转子绕组解耦，因此无需将其禁用，因此只要转子侧转换器被禁用，就可以用作同步补偿器。 转子侧转换器被阻止的必要时间可能少于1 ms [2]。因此，一旦撬棍被触发，电网侧转换器无功功率（Q * g）的设定值可以改为1 p.u.输出其最大无功功率或将开关的位置改变到位置2以调节端子电压。可从同步补偿器模式提供的无功功率受电网侧转换器额定值的限制，大约为双馈感应发电机额定值的30％。 转子侧转换器的同步可以在故障发生后和撬棍活动时间内建立。当消弧器停用时，转子侧转换器被激活，并且电网侧转换器无功功率的设定值被设置回零或者在正常运行条件下将开关位置改回1。
3.3 电力系统稳定器建模
本节的目的是为基于双馈风力发电的风力发电场建立电力系统稳定器模型，以提高测试系统的稳定性并抑制转子角度振荡。 为双馈感应发电机设计电力系统稳定器必须考虑到双馈感应发电机不会为系统引入任何新的振荡模式。 电力系统稳定器的主要功能是抑制0.1-2 Hz范围内的低频振荡，这被称为区域间或局部模式。 电力系统稳定器的输入信号可以是任何受振荡影响的信号，如机器速度，电网频率，端子电压和振荡功率。 在这项研究中，本地信号被仔细选择为电力系统稳定器输入信号，以避免使用广域通信。
测量点的位置对于控制器非常重要。 风电场的公共耦合点（PCC）是避免电网与风电场之间变压器滤波效应的有利选择点。 在[32]中报告的最佳输入信号是电压和频率。 相反，其他信号对系统振荡较不敏感，因此不能提供有关电力系统稳定器阻尼的振荡模式的足够信息。 传统的带先导滞后控制器的电力系统稳定器由式（2）表示[33]，其中uin和u电力系统稳定器分别是控制输入和输出信号，K电力系统稳定器是控制器增益，Tw是冲刷时间常数（s）， T1 - T4是超前滞后时间常数（s）。
（2）
由于双馈感应发电机通过部分额定转换器部分脱离电网，因此功率和转速信号对电网振荡不太敏感。而且，这些信号受塔架阴影引起的转矩变化的影响。因此，使用残差分析检查可用的本地信号，如本地总线电压和频率。特定模式的残留可以提供模式对所选电力系统稳定器输入信号的灵敏度的明确测量。基于残
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