一种DFIG与SSSC协调电力系统广域阻尼控制方法与流程

本发明属于电力系统互联电网阻尼控制技术领域，特别是涉及到一种dfig与sssc协调电力系统广域阻尼控制方法。

背景技术：

随着新能源发电蓬勃发展，风电大量并网，双馈感应风机(dfig)得到广泛应用，如此带来的问题就是大规模的风电接入电网，可能会引起大量机组脱网等一系列严重问题，若不及时有效地处理，将会对电网公司和风电场造成巨大的损失。与此同时，静止同步串联补偿器(sssc)也能为电网提供电压调控，sssc并联在经串联补偿线路联网的风电场出口母线处，通过调节母线电压来达到控制线路潮流的目的。dfig与sssc在电网中的比重与容量逐步增加，也使得互联电网特性变得更为复杂，对电力系统功率振荡分析与抑制带来极大挑战，一旦发生功率振荡将会对电力系统造成巨大影响，所以如何改善系统阻尼特性，抑制功率振荡值得研究。传统同步机采用电力系统稳定器(pss)进行阻尼控制，得到了广泛应用，也有学者将pss控制环节结合dfig或sssc单独提供阻尼，但是对于含dfig和sssc的电网，如果可以在dfig或sssc中附加阻尼作用，特别是当dfig或sssc单独提供阻尼作用有限情况下，可能提供阻尼有限并且弱化振荡抑制效果，因此可利用dfig和sssc协调的广域阻尼控制方法为系统提供阻尼并抑制功率振荡提供一个新途径。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种dfig与sssc协调电力系统广域阻尼控制方法用于解决大规模的风电接入电网，对电力系统功率振荡分析与抑制带来极大挑战的技术问题。

一种dfig与sssc协调电力系统广域阻尼控制方法，包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行，

步骤一、选取发电机转子角速度信号并利用矩阵束方法辨识并获得电力系统振荡频率f和阻尼比ξ；

步骤二、选取振荡的两个不同区域内发电机转速差δω13作为dfig与sssc协调的电力系统广域阻尼控制器的输入信号；

步骤三、建立sssc双馈感应电机无功调制机理的模糊阻尼控制器；

步骤四、建立dfig静止同步串联补偿器有功调制机理的pss阻尼控制器；

步骤五、制定dfig和sssc结合的协调广域阻尼控制方法；

①、设定阻尼比阈值ε；

②、根据电力系统的特征根公式和阻尼比公式计算并获得阻尼比ξ，将阻尼比ξ与设定的阻尼比阈值ε进行比较；

ξ＞ε，系统阻尼充足，电力系统维持现状；

ξ＜ε，首先开启步骤三建立的sssc模糊控制器对系统进行阻尼调控，重复步骤②，再次获得系统的阻尼比ξ并与阻尼比阈值ε进行比较，

ξ＞ε，系统阻尼充足，停止调控，

ξ＜ε，开启步骤四建立的dfig静止同步串联补偿器有功调制机理的pss阻尼控制器进行振荡抑制，调整有功调制环节增益k确定新的阻尼比ξ，再与阻尼比阈值ε进行比较，直至有功调制环节增益k确定的新的阻尼比ξ满足ξ＞ε。

所述步骤一中辨识并获得电力系统振荡频率f和阻尼比ξ的方法为：

将电力系统用常微分方程表示，

相应特征根为

其中，d为特征根的实部、ω为特征根的虚部；a、b、c为常数；

振荡频率为：

f＝2πω(3)

阻尼比为：

电力系统受到扰动后激发的系统振荡频率和阻尼比由矩阵束方法求得，n个模态的指数函数线性组合形式如下：

其中，y(t)是在实际观测中的包含噪声的响应；x(t)是不含噪声的响应；m(t)是系统噪声；t不大于最大观测时间t；bi是第i个模态的振荡幅值；λi＝d±jωλi是电力系统用常微分方程表示时所对应的特征根，d为特征根的实部、ω为特征根的虚部；

由采样序列y(g)，(g＝0,1，2...，m-1)构造hankel汉克尔矩阵：

其中，m为最大采点数；k为矩阵束约束参数，k的取值范围在m/4～m/3之间；

y1和y2由系统不含噪声的响应x(t)获得，构建y1和y2矩阵如下：

构造矩阵束y2-βy1，计算并获得矩阵束广义特征根，获得特征根的虚部ω，将求解矩阵束广义特征值转化为求解矩阵q的特征值：

q＝y1⁺y2(9)

其中，y1⁺是y1的伪逆矩阵，q为控制器的无功功率；

q存在n个非0特征值，设为βi(i＝1，2，…，n)，

其中，ts为采样周期，di为特征根的实部；ωi为特征根的虚部；

根据式(3)和式(4)分别获得振荡频率和阻尼比。

所述步骤三中建立的sssc双馈感应电机无功调制机理的模糊阻尼控制器，通过调节输入信号，使控制器的无功功率q含有阻尼转矩分量，以便无功调制具有阻尼抑制作用，通过调节无功功率实现电力系统功率振荡抑制。

所述步骤三中建立的sssc双馈感应电机无功调制机理的模糊阻尼控制器中设置模糊控制器；采用三角形隶属度函数作控制器的输入和输出，定义模糊集，并选取模糊规则；在电压波动允许范围内，进行广域阻尼控制，向系统提供无功功率，抑制功率振荡。

所述步骤四中建立的dfig静止同步串联补偿器有功调制机理的pss阻尼控制器通过基于比例积分环节pi的电力系统稳定器pss提供阻尼转矩进行振荡抑制。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：

本发明提出的一种dfig与sssc协调电力系统广域阻尼控制方法，首先，辨识系统振荡参数判别系统阻尼情况，其次，选取阻尼控制器的广域输入信号。再根据阻尼比设定目标，在sssc中通过结合模糊控制原则利用无功调制进行功率振荡抑制；在dfig中通过基于pi的pss环节来提供阻尼转矩从而进行振荡抑制，而后协调二者实现电力系统广域阻尼控制。仿真结果表明，该方法简单有效，所提广域阻尼控制具有较强鲁棒性，并可有效增强互联电网功率振荡抑制能力。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：

图1是传统pss阻尼控制器设计框图。

图2是本发明中模糊阻尼控制器设计框图。

图3是本发明中模糊控制器模糊集输入输出函数e的隶属度。

图4是本发明中模糊控制器模糊集输入输出函数ec的隶属度。

图5是本发明中模糊控制器模糊集输入输出函数δu的隶属度。

图6是本发明中dfig与sssc结合的阻尼控制策略流程图。

图7是本发明的实施例中含dfig和sssc四机两区域系统图。

图8是本发明的实施例中系统三相短路联络线有功功率对比结果。

图9是本发明的实施例中系统三相短路发电机g3有功功率对比结果。

具体实施方式

如图所示，一种dfig与sssc协调的电力系统广域阻尼控制策略，它包括以下步骤：

1)选取发电机转子角速度信号并利用矩阵束方法辨识电力系统振荡情况，判别电力系统振荡频率f和阻尼比ξ；

由于电力系统可看作一个常微分方程，故设系统常微分方程

相应特征根为

其中，d为特征根的实部、ω为特征根的虚部；a、b、c为常数；

振荡频率为：

f＝2πω(3)

阻尼比为：

电力系统受到扰动后激发的系统振荡频率和阻尼比由矩阵束方法求得，n个模态的指数函数线性组合形式如下：

其中，y(t)是在实际观测中的包含噪声的响应；x(t)是不含噪声的响应；m(t)是系统噪声；t不大于最大观测时间t；bi是第i个模态的振荡幅值；λi＝d±jωλi是电力系统用常微分方程表示时所对应的特征根，d为特征根的实部、ω为特征根的虚部；

由采样序列y(g)，(g＝0,1，2...，m-1)构造hankel汉克尔矩阵：

其中，m为最大采点数；k为矩阵束约束参数，k的取值范围在m/4～m/3之间；

y1和y2由系统不含噪声的响应x(t)获得，构建y1和y2矩阵如下：

构造矩阵束y2-βy1，计算并获得矩阵束广义特征根，获得特征根的虚部ω，将求解矩阵束广义特征值转化为求解矩阵q的特征值：

q＝y1⁺y2(9)

其中，y1⁺是y1的伪逆矩阵，q为控制器的无功功率；

q存在n个非0特征值，设为βi(i＝1，2，…，n)，

其中，ts为采样周期，di为特征根的实部；ωi为特征根的虚部；

根据式(3)和式(4)即可求得振荡频率和阻尼比。

2)选取振荡的两个不同区域内发电机转速差δω13作为广域阻尼控制器的输入信号；

3)设计sssc无功调制机理的模糊阻尼控制器；

在电网发生功率振荡时，可通过在sssc中配置附加阻尼控制环节，通过无功调节弥补功率振荡缺乏阻尼的不足；

sssc的阻尼环节输入信号一般采用δω或δδ，通过调节输入信号，使得控制器的无功功率q含有阻尼转矩分量，以便无功调制具有阻尼抑制作用，起到无功支撑作用，通过调节无功功率可实现系统功率振荡抑制。无功装置为电力系统提供附加阻尼。在电压波动允许范围内，sssc可向系统快速提供无功，更快抑制功率振荡。

模糊控制器是基于人为经验的处理非线性过程的控制方法，也可以认为是改善闭环系统运行的启发式方法。合理设计模糊控制器具有很强的鲁棒性，并且参数扰动、外部扰动和负荷变化都能较好适应。模糊阻尼控制器的设计框图如图2所示。

模糊控制分为四个部分：模糊化模块，模糊推理，模糊推理规则表和解模糊。考虑到模糊控制对非线性具有鲁棒性且无系统模型精确要求，在sssc的无功环节设置模糊控制。采用三角形隶属度函数作控制器的输入和输出如图3～图5所示，然后定义模糊集，并选取模糊规则。在电压波动允许范围内，在sssc设计模糊控制器，进行广域阻尼控制可向系统快速提供无功，更快抑制功率振荡，对互联系统的广域功率振荡抑制具有重要意义。

4)设计dfig有功调制机理的pss阻尼控制器；

在电网发生功率振荡时，还可利用附加转矩实现阻尼控制环节，具体是由传统基于pi比例积分环节控制的pss环节实现，通过有功调节弥补功率振荡缺乏阻尼的不足；pss实际上是一种附加励磁控制，常用的输入信号是同步发电机轴的转速偏差δω,频率偏差δf和电磁功率偏差δpe，通过pss向系统提供阻尼转矩。pss包含增益环节、信号过滤环节、相位补偿环节和限幅环节。pss阻尼控制器的设计框图如图1所示。

5)设计dfig和sssc结合的协调广域阻尼控制策略；

由阻尼比的大小可以反应电力系统的振荡情况，目前电力系统普遍认为，当系统阻尼比小时，系统阻尼不足，需要加以调控，所以本发明可按需求设定阻尼比阈值ε。

dfig和sssc结合的目标是在满足系统阻尼要求的同时，采用模糊阻尼控制环节和pss阻尼控制环节相结合的方法来进行调控，具体步骤如下：

首先根据式(2)计算出系统的特征值λ，根据式(3)求出阻尼比ξ并将其与设定阻尼比阈值ε进行比较。当ξ＞ε时，系统阻尼充足，此时不需要进行调控；当ξ＜ε时，首先投入sssc模糊控制器对系统进行阻尼调控，再次计算系统的阻尼比ξ并与阻尼比阈值ε进行比较，若此时ξ＞ε，即达到了系统要求，停止调控。若此时ξ＜ε，说明仅有无功调控已经无法满足系统需要，此时投入dfig环节进行振荡抑制，调整有功调制环节增益k确定新的阻尼比ξ，再与阻尼比阈值ε进行比较。具体的工作流程如图6所示。

实施例：

选用如图7的含dfig和sssc的四机两区域系统验证。风场由10台额定容量为1.5mw双馈风机构成。sssc容量为100mva，具体参数配置如下：sssc中模糊参数为kp(s)＝1/(0.02s+1)，kq(s)＝280/(0.001s+1)。模糊集定义为：负大(nb)，负小(ns),零(zo)，正小(ps)，正大(pb)。dfig和sssc结合的阻尼控制方法，sssc的模糊控制参数为kp(s)＝1/(0.02s+1)，kq(s)＝280/(0.001s+1)。dfig的pss参数为k＝-50，t1＝0.5，t2＝0.2，t3＝8，t4＝2.4，vsmin＝-0.5，vsmax＝0.5。

表1模糊规则表

case1:大扰动三相短路下不同控制策略比较

假设联络线母线101处1s发生三相短路故障，故障持续0.2s。当dfig和sssc均不投入附加阻尼控制时，利用矩阵束算法对发电机g1的转子角速度信号辨识系统振荡参数，振荡频率为0.4369hz，阻尼比为0.2942，系统阻尼不强，若需要加强系统阻尼情况，可投入sssc中的附加模糊阻尼控制环节，设定阈值ε为0.3时，投入sssc的模糊阻尼控制环节后，再辨识系统的振荡参数可知，阻尼比变为0.3116，可知仅投入sssc的模糊阻尼控制即可达到要求。若对系统阻尼水平要求较高，sssc提供阻尼可能有限，则还需进一步投入dfig的pss附加阻尼控制环节，若设定阈值ε为0.31时，dfig和sssc的阻尼控制环节均投入，则辨识系统投入dfig和sssc结合的广域阻尼控制后，系统的阻尼比变为0.3296，可知系统阻尼提高。同时，dfig和sssc无附加阻尼控制、单sssc模糊控制以及dfig与sssc结合的广域阻尼控制三种情况下系统联络线有功功率，g3发电机有功功率对比情况，如图8和图9所示。

由图8和图9可知，在dfig与sssc结合的电力系统广域阻尼控制作用下区间联络线和同步机有功功率的振荡得到了有效抑制。功率恢复平滑，调整时间短，能够快速恢复到平稳状态。本文提出的广域阻尼控制方法控制够有效控制系统功率振荡，且控制效果好于sssc模糊单独作用的阻尼控制，使得系统振荡得到有效抑制。

经过不同方法计算比较和实例仿真验证表明，该控制方法是高效且实用的。