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弱电网中风电的稳定控制
尹力，IEEE学生会员、 范玲玲，IEEE高级会员、 苗志鑫，IEEE高级会员
摘要:在实际风力发电场中，在电网连接较弱的情况下，观测到4hz和30hz的振荡。这种稳定性问题限制了风电的输送。在3型风和4型风中，本文提出的机械力反馈控制策略适用于基于电压源变换器的矢量控制，以提高系统的整体稳定性。利用一个简化的线性模型，我们首先证明了弱电网稳定性问题的根本原因是在共耦合(PCC)点，功率输出和电压存在耦合关系。增加功率输出导致PCC电压降低。这种关系建立了一种机制，可能会使弱电网中出现不稳定场景。所提出的控制策略减少了功率与电压之间的耦合。以d轴电流和PCC电压作为输入信号的两种反馈控制策略，可以分别调节功率级和直流母线电压级。控制策略在分析模型和MATLAB/SimPowerSystems 3型风和4型风试验台上进行了测试。PCC电压反馈控制具有良好的稳定性增强能力。采用该控制方法，风力发电能力将得到显著提高。
关键词：反馈控制，稳定性，风力，弱电网。
我的介绍
在文献中，如[1]-[3]，研究了弱电网中由于风引起的稳定性问题。在实际运行中，德州风力发电场处于较弱的电网中，其振荡频率为4hz，中国西部地区为30hz。在我们之前的工作[6]-[8]中，分析了失稳的机理和关键影响因素。综上所述，我们从[6]-[8]中获得了以下知识。
1)由于vsc采用了矢量控制，增加有功功率会导致PCC电压降低。该机制引入了一个潜在的不稳定反馈回路[6]。
2)当变换器处于功率控制模式时，高带宽的锁相环(PLL)更利于稳定 [7] 。
3)当变频器处于功率控制模式时，以低频振荡为主。当变频器处于直流环节电压控制模式时，有低频振荡模式和次同步振荡(SSO) 模式存在。
2018年6月30日收到稿件;2018年9月22日修订;2018年10月25日。2018年10月30日出版;当前版本的日期为2019年9月18日。纸没有。支线- 00626 - 2018。(通讯作者:范玲玲)
作者就职于美国佛罗里达州坦帕市南佛罗里达大学电气工程系，邮编33420(电子邮箱:yin@mail.usf.edu;linglingfan @usf.edu;zhixin.miao@ieee.org)。
本文中一个或多个人物的彩色版本可以在http://ieeexplore.ieee.org网站上找到。
数字对象标识符10.1109/TSTE.2018.2878745
锁相环在决定哪种模式占主导地位[8]中起作用[8]。
4)与dc-link电压控制模型相比，功率控制模式下的VSC可以在较弱的电网中运行[8]。换句话说，功率控制模式在弱电网运行时较直流链路电压控制方式具有优势。
本文的目的是进一步探讨转换器的控制策略，以提高转换器的稳定性。在文献或行业实践中，有四类策略来提高VSC在弱电网中运行的稳定性。在第一类中，在电网中使用设备来提高稳定裕度。例如，对ERCOT的研究表明，采用并联无功补偿可以增强风电弱网运行[9]。
第二类涉及转换器控制结构。4型风的并网侧变换器(GSC)要么处于dc-link电压控制模式，要么处于有功功率控制模式[10](Chapter 9)。根据[11]，小型4型风对GSC采用dc-link电压控制，而大型风更倾向于将GSC作为电压源。西门子的一项电网动态研究[12]表明，4型大型风力发电机组通常处于功率控制模式。这一事实与我们的发现相一致，即在弱电网运行时，功率控制模式的VSC比直流链路电压控制模式有优势。
第三类是放弃矢量控制和锁相环。相反，转换器控制被设计成模拟同步发电机[13]，[14]。
第四类是针对弱电网运行，对矢量控制进行改进或增强，如[15]、[16]。[15]的目的是补偿PCC电压和锁相环输出之间的角度误差。[15]发现在dq坐标系中，转换器电流的偏差Delta;id和Delta;iq，分别与角度误差和PCC电压(Delta;VPCC)成线性关系。这一发现与我们之前的工作[7](Eq.(14)和(15))的发现一致。使用了两个补偿模块。第一个使用Delta;id作为输入和它的输出调节锁相环的角度。第二个使用Delta;iq作为输入和它的输出调节变换器电压大小顺序。当功率达到额定功率的60%时，改进的矢量控制可以在短路比(SCR)为1的情况下工作。在[16]中，作者发现只有在具备内部控制的情况下，在非常弱的电网(SCR = 1)中，VSC才是稳定的。在加入外部控制回路(功率控制和交流电压控制)后，由于非线性而出现失稳。因此，作者在外环中加入了解耦效应来克服非线性。增加的控制采用增益调度技术。在不同的操作条件下，分别计算增益。当短路比为1时，该控制可以在标称电平的89%处获得最大输出功率。
我们的方法属于第4类。我们的目标是通过基于矢量控制的VSC来增强稳定性。
1939 -3029copy;2018 IEEE。个人使用是允许的，但是重新发布/重新发布需要得到IEEE的许可。见http://www.ieee.org/publications标准/出版物/权利/索引。以获取更多信息。
LI等:弱电网中风的稳定性控制
图1 一个风电场电网集成系统
我们的贡献:所提出的反馈控制策略是基于对风力在弱电网稳定性中的作用机理进行深入理解后提出的。与[15]、[16]的设计相比，控制策略简单，易于实现。适用于不同参数、不同工况的系统。另外，在电网运行较弱的情况下，VSC的功率转移能力得到了明显的提高。我们的研究结果表明，与[16]和[15]相比，我们的电网运行能力较弱。对于功率控制模式下的vsc，可以实现接近稳态的极限功率输出。对于直流链路电压控制模式下的vsc，可提供0.97 pu功率。
在本研究中，控制验证不仅使用了两个分析模型，还使用了MATLAB/SimPowerSystems中的两个风电场试验台(Type-3和Type-4)。这两个试验田是基于平均模型，且包括实际风电场的全部细节。本文的验证验证了所提出的稳定性控制方法的实用性。
组织:论文的其余部分组织如下。在第二节中，基于一个简单的线性模型分析了失稳的机理，提出了稳定性增强策略的原理。在第三节中，在两个分析模型中实现了反馈控制，并利用特征值轨迹分析了其性能。第四部分，在SimPowerSystems试验台中实现了反馈控制策略。第五部分是本文的结论。
II.稳性增强原理
A.文献[6]综述
在[6]中，推导了一个简单的模型来解释弱电网中的风力失稳问题。
图1所示为通过电抗x表示的传输线与电网相连的风电场。假设风电场为-3型或-4型可控电流源。通用电气的通用风电场模型也采用了这一假设[17]。3型风有一个额外的分流导纳来代表双馈感应发电机的电路元件。
变换器的矢量控制以PCC电压为基础，即dq帧的d轴与PCC电压空间矢量对准。因此P = VPCCid, Q =minus;VPCCiq。对于给定的PCC电压，调节d轴电流可以调节有功功率P，但不影响稳态无功功率Q。同理，调节Q轴电流可以调节无功功率Q，但不影响P。变换器的外控制回路产生dq轴电流阶数，一阶时延表示电流控制效果。
风电场电流、PCC电压与电网电压的关系如下。
(1)
2095
图2 [6]中线性系统框图
假设 PCC与d轴对齐，则(1)可以重写成:
(2)
delta;是 PCC超前 g的角度，它的范围是[]。将 (2)中的两个方程合并得到:
(3)
其中c =
短路电流Vg/Xg。
式(4)表明d轴电流的增加将导致PCC电压的降低。进一步，P与VPCC和id的线性表达式如下：
(5)
得到整个系统的线性模型，包括电路和矢量控制，如图2所示。
在[6]中，打开功率控制回路，根据功率阶数推导出功率测量的开环传递函数，如式(6)所示。
(6)
其中 。
研究发现，在高功率传输和弱电网条件下，开环传递函数在实轴右半平面（RHP）有零点，可能会导致低阻尼或无阻尼振荡。
B.失稳机理
[6]给出的解释采用了控制系统原理:开环系统中有一个RHP零点。在本小节中，将从转换器控制设计的角度来研究不稳定机制。
首先给出了一个数值例子来说明d轴电流()的增加将导致PCC电压(()的降低。 注意，如果dq轴与电网电压对齐，则d轴电流的增量应导致PCC电压的增量。因此，正是基于PCC电压的矢量控制引入了反直觉的现象。
2096
图3 ileads增加10%，VPCC减少20%
数值例子:假设电流控制到位，dq轴电流在稳态下遵循电流顺序。q轴电流保持不变，d轴电流增加10%。图3给出了基本情况和比较情况下的电网电压、dq轴电流和PCC电压的相量图。假设栅极电抗为0.866 pu，栅极电压为1 pu，基本情况下PCC电压为1 pu。同样，在基本情况下，1pu有功功率从风送到电网。这表明，PCC电压相位角是超前电网电压相位角60◦的。d轴与PCC电压相量重合，d轴电流id是1pu。 进一步得到q轴电流为- 0.5774。图3中相应的dq轴电流相量记为Id 和Iq 。
在比较的情况下(在图3中标注为上标(1))，id增加了10%。基于(2)中表明的KVL关系，PCC电压相位将增加到sin-1 ( )=72.3◦，iq将保持不变。然而，Iq的相位变化。 PCC电压的幅度下降了20%。的绝对值比例是2。
图3中的例子表明，由于矢量控制，如果q轴电流保持不变，或者没有电压/无功控制，功率的增加将转化为d轴电流的增加，进而导致PCC电压的降低。当可控硅整流器是1.15和更小的整流器是更大时，到达2时，这种效应不应被忽视。
注意,如果电网非常强大，及Delta;id的影响相对于Delta;VPCC来说可以忽略(c = 0),则系统总是稳定的。在电力电子变换器设计中，通常假定PCC电压为刚性(见[18]第8章)。因此，在变流器控制设计阶段，弱电网不稳定问题不能被捕捉到。一旦基于矢量控制的vsc连接到弱电网，就会出现稳定性问题。
电压和功率控制的效果:当G(s) = 1时，检查没有电压控制的情况。在图2中，从Delta;Delta;，再到Delta;的高亮显示路径引入了一个不稳定的机制。
《IEEE可持续能源汇刊》，第10卷，第1期。2019年10月4日,
图4 根轨迹为两组电压控制参数 左:情形1:慢压控制，() = (0.4, 40) ，右:情形2:更快的电压控制，() = (1,100)。
图5 线性方框图 (a)系统1 (b)系统2
如果gt; ，则系统不稳定。有了电压控制，G(s)可表示为
(7)
稳态时，G(s→0)= 0。如果G(s)的带宽非常高，那么在较低的频率范围内，G(s)可以视为0。因此，更快的电压控制将有利于稳定。这一点将由根轨迹图进一步证实。回路1的根轨迹如图4所示。参数为:Xg = 1或SCR= 1，= 0.9,= 0.05及 () = (0.25，25)。
比较了两组电压控制器的参数。
根轨迹图显示系统有四条轨迹，用四种不同的颜色表示。当增益从0变化到infin;时，两条轨迹向RHP移动，因为RHP中有一个零点。注意环路闭合时增益为1。情况1是不稳定的，因为临界增益是0.702。当增益为1时，RHP中有两个闭环极点。另一方面，情形2是稳定的，临界增益为1.33
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