基于TS模糊控制的双馈风力发电机低电压穿越技术研究

第39卷第12期2011年6月16日电力系统保护与控制POWERSYSTEMPROTECTIONANDCONTROLV_0L39NO12JUN16，2011基于TS模糊控制的双馈风力发电机低电压穿越技术研究王兴贵，夏岩，马呈霞，郑伟1兰州理工大学，甘肃兰州730050；2甘肃电力科学研究院，甘肃兰州730050摘要建立了变速恒频双馈感应风力发电机数学模型。为提高双馈感应发电机DOUBLEFEDINDUCTIONGENEATOR，DFIG机组的低电压穿越LVRT能力，设计了TAKAGISUGENOTS模糊PI控制器。以某风电场为对象建立了DFIG多机互联仿真模型。仿真结果表明，相比传统PI控制器，TS模糊PI控制器可以有效抑制电网故障时DFIG有功功率和变流器直流母线电压震荡，从而提高系统的低电压穿越能力。关键词风力发电；双馈感应发电机；低电压穿越；TS模糊控制器；仿真RESEARCHONLVIF0RWINDTURBINEWITHDFIGBASEDONTSFUZZYCONTROLLERWANGXINGGUI，XIAYAN，MACHENGXIA2，ZHENGWIF1LANZHOUUNIVERSITYOFTECHNOLOGY，LANZHOU730050，CHINA；2GANSUELECTRICPOWERRESEARCHINSTITUTE，LANZHOU730050，CHINAABSTRACTMODLEOFVARIABLESPEEDCONSTANTFREQUENCYDOUBLEFEDWINDPOWERSYSTEMISESTABLISHEDTHEAPPLICATIONOFTAKAGISUGENOTSFUZZYCONTROLLERSFORIMPROVINGITRCAPACITYOFDFIGISPROPOSEDTHEMUITIMACHINEDFIGSIMULATIONMODELOFAPRACTICALWINDFARMISBUILTTHESIMULATIONRESULTSSHOWTHEEFFECTIVENESSOFTHETSFUZZYCONTROLLERBYRESTRAININGOSCILLATIONSOFTHEACTIVEPOWEROUTPUTANDDCBUSCAPACITORVOLTAGEINCONDITIONOFLARGEEXTERNALVOLTAGEDIPTHEPROPOSEDTSFUZZYCONTROLLERCANIREPROVETHELOWVOLTAGERIDETHROUGHCAPABILITYOFPOWERSYSTEMCOMPAREDWITH1ECONVENTIONA1PICONTROLLERKEYWORDSWINDPOWER；DFIGLVTRTSFUZZYCONTROLLER；SIMULATION中图分类号TM315文献标识码A文章编号167434152011120007040引言1DFLG风力发电系统模型近几年风力发电成为备受关注的新能源技术，其发展速度越来越快。双馈感应电机由于可变速运行、变流器容量较少等优点，已成为应用最广泛的风力发电机之一【LJ。但是双馈感应风力发电机定子直接和电网相连，而且由于变流器容量较小，使得其对电网故障很敏感【2。】。电网发生故障时，DFIG机端电压降低，无法正常向电网输送电能，此时风力机吸收的风能有一部分被风力发电系统消化吸收。这些因素会造成电机定、转子电流和变流器直流母线电压快速升高，电机转速和电磁转矩震荡等问题，严重时会损坏设备。本文首先讨论DFIG风力发电系统的模型和控制策略，简单介绍TS模糊控制，然后设计TS模糊PI控制器，最后用仿真验证了这种控制器的有效一L生。11DFIG数学模型DFIG风力发电系统原理图如图1所示。DFIG模型常见的有8阶、5阶和3阶模型【5J，因为本文研究重点是机组的电气特征，传动部分可以采用单一质量块来表示，而且本文研究重点是TS模糊控制对定子磁通暂态的影响，所以本文采用5阶数学模型。图1DFIG发电系统原理图FIG1ILLUSTRATIONOFDFIGPOWERSYSTEM电力系统保护与控制定子侧电压、电流正方向取发电机惯例，转子侧电压、电流正方向取电动机惯例，在DQ坐标下，双馈感应发电机的5阶数学模型为一TO2出、式中J一LS。IDLFDRJ。一LS。IQ。LMIQI一LMID。LRRFDRL一LMIQ。LRRLQR【FD一FQ4其中U，分别是电压、电流、磁链；P是微分算子；F为电机极对数，、为电阻和电感；一，、分别是定子同步电角速度和转子电角速度；L是互感；下标和分别表示发MSR电机定子侧和转子侧；下标D和Q表示D轴和Q轴；。，LRL，L、L是转子侧和定子侧漏感；、为电磁转矩和机械转矩。12变流器控制原理双馈感应风力发电系统采用双PWM变流器。其电路拓扑结构图如图2、图3所示。图中0表示转子电角度，符号“表示参考值。网侧变换器采用电流内环和直流电压外环配合运行的方式，转子侧变换器采用转速、电流双闭环矢量控制的方式8J。在额定风速以下，风力发电系统控制转速，来跟踪最大功率曲线，以获得最大能量。当风速超过额定值，采用恒功率控制以保护设备【9。图2网侧变流器控制原理FIG2THECONTROLDIAGRAMOFGRIDSIDECONVERTER侧器图3转子侧变流器控制原理FIG3THECONTROLDIAGRAMOFROTORSIDECONVERTER2TS模糊控制器设计图2、图3所示的PI控制器目前多为传统的线性控制器，在稳态时可以获得满意的控制性能，但当电网发生故障，发电机组端电压骤降时，传统PI控制器无法有效应对发电机有功功率和变流器直流母线电压震荡的问题，可能造成保护装置将发电机组从电网切除，甚至有可能损害设备器件，所以有必要对其改进。TS模糊控制与MAMDANI模糊控制不同之处在规则后部，主要差别在于输出隶属函数的形式M。因为TS模糊控制的规则后部可变，所以很适合于大范围可变非线性场合。将图3和图4的PI控制器改为TS模糊PI控制器，可有效应对电网故障时风力发电系统各变量剧变的问题。定义正、负两个模糊输入集合，其隶属度函数如式5。10，置LL5L1，葺L式中I1，2；P、分别代表正和负；是第七采样时刻模糊控制器的输入；X1K为参考值与比较值之差，即七P尼一P或。REF一。，尼REK。足足尼辟以，出Q一卜一卜PPIIII，、王兴贵，等基于TS模糊控制的双馈风力发电机低电压穿越技术研究9图4为TS模糊控制原理图，表示参考量。图4TS模糊控制原理图FIG4TSFUZZYCONTROLSCHEME在本文中，控制器采用下面四条简化规则1213LR1若，2和都为正，则U1K1ALX1NAZXZN6R2若XLN为正，并且为负，则217R3若，Z为负，并且为正，则U3，ZL8R4若XLN和X2R都为负，则1419其中4是TS模糊控制器的规则后部，TS模糊控制器的输出为4AJVJN上JL10只要合理选择岛I1，2，3，4，可达到输出分段线性化的目的，便可应对电网故障时发电系统各变量剧变的问题。3算例仿真仿真系统为甘肃省某风电场，如图5所示。L10KV母线所连为无穷大电网；风电场经过变电站和架空传输线与110KV母线相连；35KV母线接有区域小负荷，风电场内有3条馈线，每条馈线容量都为15MW，风机为单机容量为15MW的双馈感应风电机组。在仿真中，用一个单机容量为9MW的DFIG代替馈线L，仿真参数为DFIG的定子额定电压690V，额定频率50HZ，额定转速为L500RMIN，变流器直流侧母线额定电压为L200V，功率因数为1。风速恒定为11MS，此时发电机工作在超同步工况。TS模糊控制器参数为有功控制器KL24，2，如12，缸04，直流母线电压控制器七11，O6，如45，幻46。1馈线15MW1馈线15MW1馈线15MW图5算例系统FIG5TESTSYSTEM50一02S电压跌落仿真结果见图6、图7。PITSPI。F。V图6发电机发出的有功波动FIG6VARIATIONINACTIVEPOWEROUTPUTJTSPI久；VF，S图7直流母线电压波动FIG7DCBUSVOLTAGEVARIATION85一O2S电压跌落仿真结果见图8、图9。由仿真结果可知，电网电压跌落时，发电机发出的有功和直流母线电压都发生了明显的震荡，且电压跌落越严重，震荡越明显。其根本原因是故障时由于定子电压突降，产生了定子磁通暂态直流分量【J。当1002S电网电压恢复正常时，定子侧电压突然升高，也会产生震荡。在50O2S电压跌落情况下，图6中，对使用传统PI控制器的系统，发电机发出的有功在268MW之间震荡，直流母线电压在10201320V之间震荡，而对TS模糊控制系统，如图7所示，有功功率和直流母线电压分别在226MW和在118O1260V之间震荡。765432L褂薄替忙，10电力系统保护与控制在85一02S电压跌落情况下，如图8和图9所示，对使用传统PI控制器的系统，发电机发出的有功在一4118MW之间震荡，直流母线电压在一200L700V之间震荡，而对TS模糊控制系统，有功功率和直流母线电压分别在0958MW和在4001400V之间震荡。M斟L5OO之；1000螺时500魅删0图8发电机发出的有功波动FIG8VARIATIONINACTIVEPOWEROUTPUT、ISPI八。998991001112131曲4100510O6S图9直流母线电压波动FIG9DCBUSVOLTAGEVARIATION345E6由上述仿真结果可知，相比传统的PI控制器，TS模糊控制器改善了电网发生故障时的发电机定子侧输出有功和直流母线电压震荡过程，减小了震荡峰值。震荡峰值越小，保护装置将发电机从电网切除的可能性越小，这样就提高了系统应对电压跌落的能力。另外，在实际系统中出现如此高的电压峰值是不容许的，必须有相应的保护措施，如变桨距机构等来I；IN过电压，否则如此高的电压会损坏设备。4结论本文设计了双馈感应风力发电机组并网模型和简化规则的TS模糊PI控制器。从仿真结果可知，相比传统PI控制器，TS模糊PI控制器改善了电网电压跌落时发电机组有功功率和变流器直流母线电压震荡过程，这样不仅减小了发电机组和变流器的压力，保护了设备，而且增强了系统应对低电压故障的能力。参考文献1冯希科，邰能灵，宋凯风力发电机对配电网影响的比较分析J电力系统保护与控制，2009，37212530FENGXIKE，TAINENG1ING，SONGKAICOMPARATIVEANALYSISONTHEIMPACTOFTHEWINDGENERATORCONNECTEDTOTHEDISTRIBUTIONNETWORJPOWERSYSTEMPROTECTIONANDCONTROL，2009，37212530蔡帜，刘建政，梅红明，等双馈风力发电机在电网电压小幅骤降时的保护策略FJ1电力系统保护与控制，2009，372114144CAIZHI，LIUJIANZHENG，MEIHONGMING，ETA1PROTECTIONSTRATEGYOFDFIGUNDERGRIDVOLTAGENARROWDIPJPOWERSYSTEMPROTECTIONANDCONTROL，2009，37214144杨之俊，吴红斌，丁明，等故障时双馈风力发电系统的控制策略研究【J】电力系统保护与控制，2010，3811418YANGZHIJUN，WUHONGBIN，DINGMING，ETA1CONTROLSTRATEGYOFDOUBLYFEDWINDGENERATIONSYSTEMFORPOWERGRIDFAULTJPOWERSYSTEMPROTECTIONANDCONTROL，2010，3811418李建林，许洪华风力发电中的电力电子变流技术M】北京机械工业出版社，2008尹明，李庚银，周明双馈感应风力发电机组动态模型的分析与比较J1电力系统自动化，2006，30132227YINMING，LIGENGYIN，ZHOUMINGANALYSISANDCOMPARISONOFDYNAMICMODELSFORTHEDOUBLYFEDINDUCTIONGENERATORWINDTURBINEJAUTOMATIONOFELECTRICPOWERSYSTEM，2006，30132227胡家兵，孙丹，贺益康，等电网电压骤降下双馈风力发电机建模与控制J电力系统自动化，2006，3082126HUJIABING，SUNDAN，HEYIKANG，ETA1MODELINGANDCONTROLOFDFIGWINDENERGYGENERATIONSYSTEMUNDERGRIDVOLTAGEDIPJAUTOMATIONOFELECTRICPOWERSYSTEM，2006，3082126李晶，宋家骅，王伟胜大型变速恒频风力发电机组建模与仿真JJ中国电机工程学报，2004，2461O0105LIJING，SONGJIAHUA，WANGWEISHENGMODLINGANDDYNAMICSIMULATIONOFVARIABLESPEEDWINDTURBINEWITHLARGERCAPACITYJPROCEEDINGSOFTHECSEE，2004，246100105梁亮，李建林，许洪华电网故障下双馈感应式风力发电系统的无功功率控制策略J电网技术，2008，3211、7073LIANGLIANG，LIJIANLIN，XUHONGHUAREACTIVEPOWERCONTROLSTRATEGYFORDOUBLYFEDINDUCTIONWINDPOWERGENERATIONSYSTEMUNDERFAULTINPOWERNETWORKJ】POWERSYSTEMTECHNOLOGY，2008，321117073下转第16页CONTINUEDONPAGE1616电力系统保护与控制TCSCJIEEETRANSACTIONSONPOWERSYSTEMS，2004，19149950611LIXY，NONLINEARCONTROLLERDESIGNOFTHYRISTORCONTROLLEDSERIESCOMPENSATLONTBRDAMPINGINTERAREAPOWEROSCILLATIONJELECTRICPOWERSYSTEMSRESEARCH，2006，7612L040104612CHATTERJEED，GHOSHATCSCCONTROLDESIGNFORTRANSIENTSTABILITYIMPROVEMENTOFAMULTIMACHINEPOWERSYSTEMUSINGTRAJECTORYSENSITIVITYJELECTRICPOWERSYSTEMSRESEARCH，2007，775647048313KAZEMIA，SOHRFOROUZANIMVPOWERSYSTEMDAMPINGUSINGFUZZYCONTROLLEDFACTSDEVICESJINTERNATIONALJOURNALOFELECTRICALPOWERENERGYSYSTEMS，2006，28534935714王铁强，贺仁睦，徐东杰，等PRONY算法分析低频振荡的有效性研究J中国电力，2001，34113841WANGTIEQIANG，HERENMU，XUDONGIE，ETA1THEVALIDITYSTUDYOFPRONYANALYSISFORLOWFREQUENCYOSCILLATIONINPOWERSYSTEMJELECTRICPOWER，2001，3411384115POUYANMICHAELJGIBBARDDAMPINGANDSYNCHRONIZINGTORQUESINDUCEDONGENERATORSBYFACTSSTABILIZERSINMULTIMACHINEPOWERSYSTEMSJIEEETRANSONPOWERSYSTEMS，1996，1141920192616WANGHFINTERACTIONSANDMULTIVARIABLEDESIGNOFSTATCOMACANDDCVOLTAGECONTROLJINTERNATIONALJOURNALOFELECTRICALPOWERENERGYSYSTEMS，2003，25538739417ROUCOLCOORDINATEDDESIGNOFMULTIPLECONTROLLERSFORDAMPINGPOWERSYSTEMOSCILLATIONSJINTERNATIONALJOURNALOFELECTRICALPOWERANDENERGYSYSTEM，2001，23751753018KAMWAI，TRUDELG，GERINLAJOIELROBUSTDESIGNANDCOORDINATIONOFMULTIPLEDAMPINGCONTROLLERSUSINGNONLINEARCONSTRAINEDOPTIMIZATIONJIEEETRANSONPOWERSYSTEMS，2000，1531084109219KUNDURPRABHA电力系统稳定与控制M】北京中国电力出版社，200220张靖，文劲宇，程时杰基于向量场正规形的电力系统动态分析J中国电机工程学报，2006，26164852ZHANGJING，WENJINGYU，CHENGSHIJIEPOWERSYSTEMDYNAMICCHARACTERISTICSANALYSISWITHTHENORMALFORMSOFVECTORFIELDSJPROCEEDINGSOFTHECSEE，2006，26164852收稿日期20100408；修回日期L20100515作者简介杨培宏198卜，男，讲师，主要从事电力系统运行与控制及可再生能源发电方面的研究；EMAILYANGPEIHONG1025163CORN刘文颖1955，女，教授，主要从事电力系统分析、运行与控制等方面的研究；EMAILLIUWENYINGLSSINACORNCN张继红1975，男，副教授，主要从事电力系统保护与控制等方面的研究。上接第10页CONTINUEDFROMPAGE109刘其辉，贺益康，赵仁德变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制J电力系统自动化，2003，27206267LIUQIHUI，HEYIKANG，ZHAORENDETHEMAXIMALWINDENERGYTRACINGCONTROLOFAVARIABLESPEEDCONSTANTFREQUENCYWINDPOWERGENERATIONSYETEMJAUTOMATIONOFELECTRICPOWERSYSTEM，