FACTS控制器对含双馈式风力发电机的电力系统稳定性的影响讲课讲稿.doc

Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。FACTS控制器对含双馈式风力发电机的电力系统稳定性的影响-FACTS控制器对含双馈式风力发电机的电力系统稳定性的影响N.SenthilKumar*,J.GokulakrishnanB.S阿卜杜勒·拉赫曼大学电气与电子工程系（印度）摘要：不断增长的电力需求促使了新技术的进步，这些技术将对未来能源市场的大局产生重大影响。从环境约束的角度来看，并网型风电机在提高电力系统稳定性上很有前景。本文研究了FACTS控制器对含风能转换系统的电力系统稳定性的影响。本文的风力机采用变速双馈式感应发电机模型。对稳定性的评估最初是通过对比三相短路情况下不采用FACT控制器的电网和采用控制器的电网来进行的。本文通过动态仿真得到如下信息：（1）短路对感应发电机/风轮运行情况的影响（2）FACTS控制器的暂态额定值对提高感应发电机的转速稳定和同步发电机功角稳定性的影响。本文采用EUROSTAG来进行动态仿真。关键词：风能转换系统双馈式风力发电机柔性交流输电系统转子角稳定性转速稳定性-1.引言随着电网之间的互联，人们发现各区域的的发电系统很容易产生电磁振荡。世界上很多地区的电网已经监测到了这些振荡。电能传输总量的增长只依靠现有的越来越脆弱的电网互联，负荷的特性也同时加重了产生同振荡的问题。这些振荡可能仅发生在单个发电机或者电站（本地振荡，1.0-2Hz）。或者牵连到不同区域的很多发电机（区域间模式振荡0.2-0.8Hz ）。如果控制不当，这些振荡可能导致整体或部分的电力中断1。风能的发展对消费者和环境都是友好的，它的建设时间更短，成本更有竞争力。风能成为了最有竞争力的可再生能源。然而，风电也有它的不足。大多数的风电机是感应发电机。感应发电机在正常运行状况下会吸收无功功率。这可能会导致系统电压降低和动态不稳定2。现在有两种发电机被广泛应用：鼠笼式感应发电机和双馈式感应发电机。目前，人们采用双馈式异步感应机来进行动态仿真，因为它相对于定速异步机有很多优点：（i）更先进的能量捕获（ii）更好的电能质量（iii）更小的机械应力。对通过单机无穷大系统的动态稳定性研究是通过建立一个不同负载条件下的线性化电力系统模型3。文献4北欧电力系统中不同短时故障下的风轮的作用。文献5提出了恒速感应机的转速稳定的新的定义。这篇文章测试了并网型双馈式异步发电机的动态特性。文献6研究了的高风电穿透功率的电力系统振荡稳定性的影响。风能功率的振荡作用通过逐步取代系统中的同步发电机的功率产生的恒速或变速涡轮机的功率的研究。文献7提出了一种针对于所有四种工作模式下转子侧和网侧变流器的有效的降阶双馈式风力发电机模型。本文采用参考文献7中建立的转子侧电流控制器模型来控制DIFG。文献8讨论了风能转换系统中基于传输控制器的电压源变流器的应用。文献9讨论了应用含蓄电池储能装置的STATCOM来平滑含定速风机的风场的线功率。文献10讨论了应用PSS/E进行电压稳定性分析和采用SVC提高电压稳定性的大型海上风电场的模型。文献11研究了DFIG的动态响应和故障穿越特性。电网故障期间双馈机的动态响应是通过DIgSILENT来仿真和评估。当前的工作对象是研究FACTS控制器对含双馈式风力发电机的风电场接入的电力系统的动态特性的影响。系统动态稳定性的研究是用EUROSTAG软件通过有无FACTS控制器的情况下进行时域仿真来进行。采用如下的FACTS控制器进行动态仿真分析：（1）静止无功补偿器（SVC）（2）静止补偿器（STATCOM）（3）晶闸管控制串联电容器（TCSC）（4）统一潮流控制器（UPFC）本文结构如下：第2节建立了含FACTS控制器的电力系统和风力机模型；第3节介绍了系统发生三相瞬时故障下有无FACTS控制器的动态仿真结果；第4节介绍了实验结果并针对仿真结果进行讨论；第5节得出了结论。2.电力系统和风力机的建模通常我们对电力系统稳定性飞分析是通过采用一系列的微分和代数方程对电力系统建模，这些方程是：其中，xRn是一个和发电机动态状态、负载以及其他控制器有关的状态向量。yRm是一个和由小扰动（多数负载电压向量的幅值和相角）导致的稳态下的波动有关的代数向量。Rl是一系列的不可控参数，如负载的有功和无功功率的波动。pRl是一系列的可控参数，如变压器的参数、AVR设置和FACTS的参考电压等。2.1风轮机概念和建模通常来说，风轮机向旋转轴提供机械转矩，连在同一根轴上的发电机被控制发出电磁转矩。风轮机的能量和转矩方程如下：其中为空气密度（1.22km/m³）；A为叶片的扫风面积（）。Cp代表风轮效率的风能利用系数（捕获功率/风功率）。V为风速（m/s）；P为风轮机的输出功率；为风轮机的转速；为叶尖速比Vt/V，即叶尖的速度Vt比风接触叶片之前的速度V（m/s）。为以度数为单位的桨距角。附录中给出了建模系统的参数。风轮机和有关的控制系统是通过使用EUROSTAG软件建模的12（TractableEngineering，2004）。主要控制单元模型如图1所示。主控制器管理所有的控制函数，桨距角和功率控制是其附属单元。用来仿真的风能转换系统包含一台双馈式风力发电机（转子侧通过变流器连到电网上）。变流器调整转子提供的电流的频率来实现变速运行（如图2所示）。2.2双馈式感应发电机的建模双馈式感应发电机是最常用的风力发电机。转子侧提供频率和幅值变化的对称三相电压。其动态方程组如下：其中，v为电压（V），R为电阻（单位），i为电流（单位A）s为转子的电角频率（单位rad/s），磁链（Vs），s为转子滑差率13。上面一系列的动态方程中，d和q分别代表直轴和交轴部分。s和r分别代表定子和转子量。d-q轴的参考坐标系是以同步转速旋转的，q轴超前d轴90°。方程7中的磁链可以用如下的方程组分解：方程组8中，Lm为互感，相应的Ls和Lr分别为定子和转子漏抗。发电机转速的改变引起的电磁转矩和机械转矩的不平衡可以用发电机运动方程计算：其中H为惯性常量，Tm为电磁转矩。Te为双馈机输出的电磁转矩：变流器用电流源代替，则当前的设定点等于转子电流。当前的设定点来自有功和无功功率的设定点。有功功率的设定点由基于当前转速值的转速控制器控制。无功功率的设定点由基于当前终端电压或者功率因数的终端电压控制器或者功率因数控制器控制。2.3同步发电机用于动态分析的同步发电机模型是含四个状态变量的两轴模型14：其中，状态变量Ed是滞后于暂态电抗的电压的直轴分量，Eq是滞后于暂态电抗的电压的交轴分量。为转子角速度，为转子角度。2.4静止无功补偿器（SVC）SVC基本上是并联连接的静态无功发生器/吸收器，其输出被调节交流电容或电感的电流，以维持或控制特定的电源系统变量。通常控制变量是SVC的母线电压。安装SVC的一个主要原因是改善动态电压控制，从而增加系统负载能力。在瞬时故障和干扰情况下，可以提供一个额外的稳定信号，叠加在一个SVC电压控制回路的辅助控制系统的振荡的阻尼（ 如图3）16。SVC的状态方程可以写为：其中，Bsvc为SVC的电纳，u为稳态回路输出。这里，Vref为1.0p.u，Vmeas为公共连接点电压。2.5静止同步补偿器静止同步补偿器在某些方面类似于同步调相机，但是内部结构不同。STATCOM的基本电子模块是电压源变流器（VSC），就是把输入的直流电压变成可控幅值和相角的基本频率输出的交流电压。是VSC交流电压和它的总线电压的相角。Vref为设置的参考电压15。动态方程组包括电压复制控制器、相角控制器和STATCOM能量守恒的微分方程。下面的微分方程（标幺值）可以由图4a和4b中的框图写出:其中，Vx是交流电压的测量输出；Vdcx是直流电压的测量输出；控制单元的输出相角；msh可以从KMac和TMac获得，它们分别对应交流电压测量电路的的增益和时间常数。Vdcy是PI控制器的测量直流电压。这里，k为STATCOMPWMVSC输出电压的比例常数。2.6晶闸管控制串联电容器（TCSC）晶闸管控制串联电容一般采用一个晶闸管控制的电抗器和电容器并联来改变有效补偿电抗。为了便于分析，如果不考虑实际应用，TCSC可以简单的认为是一个连续可变的阻抗值在0和Xmax之间的电容器。TCSC的单线图如图5所示。TCSC的可变电抗模型如图6所示。TCSC的电抗参考值Xref是基于需要的补偿度来整定的。对于当前的工作，我们选取Xref的阻抗值为线感性阻抗的一半。Xc是由TCSC模块输入的可变电抗。Xref是TCSC电抗要输入的参考值；Xmeas是测量电抗；U为稳态信号；T是控制器的时间常数；Xmax和Xmin是电抗的最大和最小值。2.7统一潮流控制器（UPFC）统一潮流控制器（UPFC）是发展迅速的功能强大的柔性交流输电控制器，它具有电压调整、串联补偿和相角控制的功能。它由通过一般直流联系的两个电压源变流器耦合。它的单线图如图7所示。UPFC的有功功率和无功功率控制环如图8和图9所示。UPFC的稳定信号来自功率振荡阻尼模块，它用有功潮流（Pflow）作为输入信号。Pflow是UPFC连接的线路的有功潮流的参考值。这个值通过和UPFC相连线路的潮流计算得到。Vseq是正交成分的一系列注入电压与线电流。Qref是UPFC连接线路的无功潮流的参考设置，Qflow是线路的实际无功潮流。Vsep是与交流电压同相的线电流注入的组成部分。2.7.1FACTS控制器的参数调整由于FACTS的稳定作用依靠于控制器的增益，它的参数设调整是一个重要的问题。参数调整作为一个目标是按照期望值最小化PCC节点电压振荡的问题被提出，即：其中，Vref=1.0p.u，PI是PCC电压偏差的平方和。其中的优化问题通过MATLAB中的序列二次方程程序解决。3.动态仿真结果和稳定性研究含风电机接入的测试系统单线图如图10所示。这个测试系统是包括接入2台同步发电机G1和G2的6条总线的系统。这台双馈机（IG）通过一台双绕组变压器接入电网。IG为感应式发电机的终端节点。两台发电机的额定功率分别为1100MW（G1）和5500MW（G2）。风电场是由10台2MW的风机整合的模型表示。感应发电机在稳态下注入5.5MW的功率。系统在正常运行时全部的负载1500MW在线路4和5上。5和4是负载总线。在动态仿真中线路5上的负载是电感和与电压频率相关负载。动态仿真由线路1-2的第二条线上发生三相短路进行。系统在三相短路在五个周期恢复正常。并联FACTS控制器（SVC和STATCOM）装设在线路2附近。串联FACTS控制器在线路2-3的其中一条上。3.1有无风电场接入及FACTS控制器情况下同步发电机的转子角偏差图11为没有风电场接入时同步发电机的转子角响应。从图11可以看出故障后G1的发电机转子角有轻微的偏差，但是在故障清除后系统回到新的平衡角值。发电机G2给本地负载供电，距离暂态故障很远因此基本不受其影响。图12为含风电场接入的电网中同步发电机的转子角响应。从图12可以看出发电机G1的转子角在不停的振荡。这导致了系统的动态不稳定（转子角的持续振荡）。图13和图14为传输线上装设有并联和串联控制器时的同步发电机转子角响应。图13和图14对应高负载即负载提高40%情况下的运行状况。通过给出的目标函数方程来调整SVC/STATCOM控制器的来稳定振荡。从图13可以看出转子角的振荡在4秒后电网投入STATCOM时开始变小。振荡在STATCOM投入2秒后停止。这可能是由于STATCOM（基于FACTS控制器的电压源变流器）比SVC（不可控晶闸管开关电抗器/电容器）有更快的响应速度。从图14可以看出含UPFC的电网的同步发电机转子角没有发生振荡。从图15和图16为系统负载为第三部分所示的标准值时有串联和并联控制器的电网中同步发电机的转子角响应。通过优化TCSC和UPFC控制器的参数来提高系统的阻尼。从图15可以看出在7s时转子角振荡停止而在有UPFC时5s振荡5秒就可停止。这是UPFC在电网受到扰动之后通过并联桥向系统注入无功功率的原因。3.2双馈式风力发电机的转速偏差FACTS控制器的作用图17a说明了在扰动之后FACTS控制器对双馈机转速的影响。在动态仿真中电网中没有FACTS控制器感应机的转速会增大到最大值。在故障清除之后风机转速没有恢复到故障前的稳态值（1.1p.u）。正如参考文献6讨论的一样，故障后异步发电机转速的波动引起了系统中同步发电机的机转子速度不稳定。然而，随着SVC额外的动态无功功率支持和提供稳定的信号可以抑制异步发电机转子的转速振荡。从图17a-17d可以看出，含有UPFC控制器的电网没有明显的速度波动。这是由于UPFC和潮流控制器相连的阻尼控制器的作用，当然这和UPFC的并联无功输出有关。因此可以得出结论UPFC可以有效的减轻异步发电机和同步发电机转速和转子角的振荡。图17（d）显示了在发电机G1切出之后电网有无SVC情况下FACTS控制器对转子角稳定性的作用。与DFIG转子侧变流器相关的故障穿越功能在会引起感应机转速扰动的发电机紧急停机情况下的作用很小。3.3双馈式风力发电机的有功注入FACTS控制器的作用图18显示了在电网线路3附近的一条线路发生三相短路时风电机的有功注入。如果感应机端电压低于0.75p.u持续0.08s，则和感应发电机相连的转子保护系统从电网切出，因此转子侧有功输出将会变为0。注入的潮流的有功功率会从5.5MW的初始值变为0。等式2的功率计算是基于恒风速的。然而实际上通过叶片的风速的方向和程度是会轻微改变的。考虑到这种效应，风速的输入通过一个惯性环节连接到能量转换方程。这回对1s时扰动之前向电网输出的有功功率造成轻微的改变。图19为的作为向代数能量方程输入的风速模块。图20显示了含SVC/TCSC的电网发生暂态故障后风机注入电网的有功功率。从图中可以看出，在发生故障之后注入的有功功率在稳态时的注入值附近振荡，风机的输出功率在有SVC时没有变为0 。这是由于SVC/TCSC提供的的额外的动态无功支持提高了DFIG转子侧变流器的故障穿越能力。图21为投入STATCOM/UPFC情况下系统发生暂态故障后风电场注入的有功功率。从中可以看出由于STATCOM的快速暂态响应，注入的有功功率可以在2s内恢复稳态。可以看出在扰动之后感应发电机端没有明显振荡和功率波动。这是由于UPFC的并联和串联变流器提供的的额外的无功支持提高了DFIG转子侧变流器的故障穿越能力。3.4感应发电机端电压FACTS控制器的作用图22为电网中无FACTS控制器情况下暂态故障后感应发电机端电压的响应。如果定子端电压低于0.75p.u持续超过0.08s和风力机相连的低电压保护系统将会把定子侧和电网切断。图23和图24显示了含SVC/TCSC和STATCOM/UPFC感应发电机端电压的响应。可以得出结论，DFIG的端电压在0.1s后恢复到0.75p.u以上。对比图22-图24可以看出UPFC有效的提高了DIFG的故障穿越能力。3.5FACTS控制器的动态无功补偿风电场的动态无功补偿可以用多种方式组织。这基于：（1）使电压恢复稳定的无功需求（2）控制能力和设备（3）成本。当补偿成功的标准是使电压恢复到之前定义的范围内，忽略不可控能力和电网的过电压，动态补偿可以是感性的或者容性的。只有风力机没有切除，与电网相连的感应发电机就吸收无功功率，则动态无功补偿就应该是容性的。FACTS控制器的动态无功补偿在控制感应发电机瞬时转子速度振荡中起到了至关重要的作用。图25和图26为并联FACTS控制器提供的无功功率补偿。比较这些数据，可以看出为了稳定转子角的振荡，SVC的补偿范围从-60MVAr到50MVAr时间浮动。用补偿能力小的SVC会导致电压不可控或者电压振荡阻尼失效。为了达到同样的补偿目标STATCOM的动态无功功率补偿容量只需要0.8MVAr。由此可以得出结论在稳定感应发电机转子角振荡方面STATCOM比SVC成本低。图27和图28对比了扰动后TCSC和UPFC的动态无功补偿。从图27可以看出TCSC支路注入的无功在50300MVAr波动。以看出在扰动后UPFC串联变流器注入的无功在400MVAr和800MVAr之间波动。这种高瞬时无功功率的需求会导致串联/并联变流器成本的增加。4.结果和讨论这次仿真研究中FACTS控制器增益和时间常数的调整是通过传统的优化程序，旨在最小化感应发电机的电压和转速的振荡。通过这个结果我们得出结论在这些并联FACTS控制器中STATCOM比SVC能提供更好的振荡阻尼。而且动态无功补偿（暂态率）的需求STATCOM比SVC少。这是由于STATCOM是基于并联控制器的电压源变流器，而SVC是并联连接的晶闸管开关电抗器/电容器。在串联FACTS控制器中，相对于TSCS，UPFC能更有效的对同步发电机的转子角振荡和感应发电机的转速振荡产生阻尼作用。这是由于系统受到扰动之后UPFC提供的并联无功支持。然而UPFC的无功输出率远比TCSC高。这表明在瞬时故障和扰动之后容量合适的STATCOM可以在有无电容器的情况下用来稳定双馈式变速感应发电机的转速振荡。5.结论因为风电穿透率增加了其在电力系统中产生的动态稳定性问题，风轮机和风电场模型的发展非常重要。针对目前的工作，我们采用了一个双馈式风力发电机的模型，也证明了风电场存在持续扰动。我们通过非线性仿真模型来对FACTS控制器进行建模。通过获得FACTS控制器的暂态率来稳定基于风能变换结构的双馈机的转速/转子角振荡。本文研究了发电机切除后含DFIG的电力系统的转速稳定性。从中可以看出DFIG在电网发生紧急故障时的低电压穿越能力很差，SVC等FACTS装置的使用可以提高它的高转速稳定性。致谢第一作者（ N.SenthilKumar博士）非常感谢在研究期间不断给予他支持和鼓励的父亲S.K.Natarajan先生和妻子Bhuvana女士。附录A.双馈式感应发电机的动态数据A.1参数系统的标幺基准值基准功率：100MVA基准电压：低压线路0.69kV，高压线路150kV。B.1线路数据B.2负载数据附录B.发电机的动态数据B.1.双馈式感应发电机额定视在功率：20MVA。转子惯量：3.527MWs/MVA。Rs（p.u.）=0.0693Xs（p.u.）=0.080823Rr（p.u.）=0.00906Xr（p.u.）=0.09935Xm（p.u.）=3.29同步转速：0.9p.u.最小转速：0.56p.u.最大转速：1.122p.u.B.2.FACTS控制器的增益参考文献N.SenthilKumar博士：目前是B.S阿卜杜勒·拉赫曼大学电气与电子工程系副教授。研究方向包括电力系统稳定性研究中FACTS装置和风能转换系统的的建模。J.Gokulakrishnan先生：B.S阿卜杜勒·拉赫曼大学电气与电子工程系研究生（电力系统工程）。