【《利用风电场阻尼系统振荡控制器设计与算例分析案例》2800字（论文）】

利用风电场阻尼系统振荡控制器设计与算例分析案例1利用风电场阻尼系统振荡控制器设计1.1单神经元自适应PID控制算法设计单神元自适应PID控制系统的结构图如图2所示。系统中的单神经元控制器通过学习，持续对PID参数进行实时调整，从而实现自适应控制。由于其结构简单、鲁棒性较强，单神经元自适应控制在一些特殊控制领域应用较广。图2单神经元自适应PID控制系统结构图Fig.2SingleneuronPIDadaptivecontrolstructurediagram增量式PID控制算法可表示为 (21)这里定义 (22)将、、表示为单神经元的加权值，并设其为，同时引进比例系数K，可得 (23)则单神经元自适应PID控制器的输出为(24)式中，。为了实现输出误差和控制增量的同时约束控制，本文将采用一种基于二次型性能指标的学习算法[20]。这里取系统性能指标表达式如下：(25)其中，P、Q为事先设定的加权系数，和为k采样时刻的系统的参考输入和输出。为了实现系统的误差逐渐减小，应该使与误差的负梯度成正比，即(26)式中，为正常数。则误差梯度表达式为 (27)将式(27)代入式(26)，可得： (28)又有可得： (29)式中，b0为系统输出响应的首值，则可以得到： (30)至此，式（23）~（30）就是单神经元自适应PID控制算法。1.2励磁变频器的阻尼控制策略若希望风电场提供更多的正阻尼，只需要设法改变风电场的动态频率特性即可实现。故本文提出阻尼控制的基本思路为：通过智能附加控制，自适应校正各风电机组的，使机电特征频率处的尽可能接近180°，使其在不影响机组自身稳定和过载的前提下尽可能快速增大。为此，在常规双闭环PI调节的基础上增加附加控制环节，如图3所示。图3中虚线框部分为智能附加阻尼控制器，由变增益单神经元环节组成。根据输入量，通过智能控制器自适应调节kp、ki、kd参数，自动进行相位补偿和放大增益调整，以保证校正后的接近于180°；放大环节的增益尽可能大。图3带有附加阻尼控制的励磁控制器结构图Fig.3Structurediagramofexcitationcontrollerwithadditionaldampingcontrol2算例验证本文运用Matlab/Simulink软件建立含风电机组的区域电力系统模型，区域电力系统模型采用IEEE四机两区域系统，四机两区域系统区域1与区域2分别包含两个同步发电机组，同步发电机组的额定容量都为900MW，且四台机组参数相同，参数参考文献[21]，双馈风机接入容量为150MW，本文假设所有风机具有相同的工作状态，所以采用单机等值模型，即运用100台1.5MW的风机代替，风电场通过10km长的输电线接入四机两区域系统的母线1处。系统的结构图如图4所示。为了对比突出本文所设计控制器的有效性，设计DFIG-PSS附加控制器进行对比。该控制器借用PSS控制理论，引入PSS控制结构进入DFIG的有功功率控制环节中，其系统控制框图如图5所示。图4风电接入的四机两区域电力系统模型Fig.4Four-machinetwo-regionpowersystemmodelwithwindpowerintegration（a）转子侧变流器控制结构框图（b）附加控制器传递函数图5DFIG-PSS附加控制框图Fig.5DFIG-PSSadditionalcontrolblockdiagram2.1抑制三相短路故障诱发的低频振荡分析首先测试附加阻尼控制器在三相短路故障下抑制系统低频振荡的情况，在图4所示的区域电力系统进行仿真实验，系统运行至20s时，在系统中的母线3处设置一个持续时长为0.1s的三相短路故障，从而诱发系统出现低频振荡。通过示波器观测系统中各变化量，将单神经元附加控制器与无附加控制、DFIG-PSS附加控制的情况进行对比，判断单神经元附加控制策略抑制系统低频振荡的有效性，系统中各变化量如下图所示。图6为区域1同步机相对区域2的同步发电机组的相对转子角的响应曲线。从图中可以看出，与无附加阻尼控制器相比，DFIG-PSS附加控制和单神经元附加控制两种情况振荡情况的稳定时间皆有提前。与DFIG-PSS附加控制相比，系统采用单神经元附加控制器的情况下系统的相对转子角的稳定时间明显的提前，振荡峰值也具有明显的下降。（a）G1相对于G3的相对转子角（b）G2相对于G3的相对转子角图6两区域相对转子角变化曲线Fig.6Relativerotoranglechangecurveoftworegions图7联络线有功功率振荡响应曲线Fig.7Tielineactivepoweroscillationresponsecurve图8双馈风电机组有功功率的响应曲线Fig.8ResponsecurveofactivepowerofDFIG（a）无附加控制（b）DFIG-PSS附加控制（c）单神经元附加控制图9转子响应曲线Fig.9Rotorresponsecurve图7所示为区域1至区域2的传输线有功功率的振荡曲线。从图中可以看出，加入单神经元附加控制器之后，传输线功率振幅明显减少，其在故障发生后，继续振荡3s之后趋于稳定，比DFIG-PSS控制提前了2s，证明了单神经元附加控制器在系统发生三相短路故障时比DFIG-PSS附加控制具有更明显的抑制系统低频振荡的作用，其在改善系统阻尼特性方面具有更好的鲁棒性。图8为双馈风电机组有功功率的响应曲线。从图中可以看出，若双馈风电机组没有采用附加装置的情况下，当系统发生三相短路故障时，双馈风电机组有功控制环在故障暂态之后并没有发生什么改变，此时系统的低频振荡持续时间较长，而考虑DFIG-PSS附加控制和单神经元附加控制策略之后，当系统发生故障后，双馈风电机组的有功控制环均参与了系统的调节，其有功功率随着系统的振荡而发出动态响应，进而起到抑制系统低频振荡的作用，并且单神经元附加控制器具有更明显的改善系统功率的能力。图9为三相短路故障下系统同步机转速曲线，从图中也可看出单神经元附加控制优越于DFIG-PSS附加控制。2.2抑制机端扰动引起的低频振荡分析为了进一步测试双馈风电机组转子侧有功控制环附加阻尼控制器的有效性，本节利用发电机机端扰动特例为四机两区域电力系统制造系统低频振荡工况。具体实施方案如下：在四机两区域电力系统中，当系统运行至20s时，在同步发电机2的励磁参考电压处加入一个10%的阶跃响应，使输入值由1.0pu突降至0.9pu，系统运行至20.6s时，扰动去除，系统恢复正常，观察系统各项变量变化曲线如下所示。（a）G1相对于G3的相对转子角（b）G2相对于G3的相对转子角图10两区域相对转子角变化曲线Fig.10Relativerotoranglechangecurveoftworegions图10为区域1同步机相对区域2的同步发电机组的相对转子角的响应曲线。从图中可以看出，对于机端扰动，系统采用单神经元附加控制器时，相对转子角相比于无附加阻尼控制器和DFIG-PSS附加控制能够更快趋于稳定，振荡峰值明显下降。图11联络线有功功率振荡响应曲线Fig.11Tielineactivepoweroscillationresponsecurve图11所示为区域1至区域2的传输线有功功率的振荡曲线。从图中可以看出，机端扰动诱发低频振荡故障时，加入单神经元附加控制器之后，功率振幅明显减小，出现扰动时，振荡3s之后趋于稳定，比DFIG-PSS控制提前了3s，证明了单神经元附加控制器在出现机端扰动时具有更明显的抑制系统低频振荡的作用。图12双馈风电机组有功功率响应曲线Fig.12ResponsecurveofactivepowerofDFIG图12为双馈风电机组有功功率的响应曲线。从图中可以看出，考虑单神经元附加控制策略之后，当系统出现机端扰动诱发的低频振荡时，双馈风电机组的有功控制环参与了系统的调节，发出动态响应，进而起到抑制系统低频振荡的作用，并且单神经元附加控制比DFIG-PSS控制具有更明显的改善系统功率的能力。（a）无附加控制（b）DFIG-PSS附加控制（c）单神经元附加控制图13转子转速响应曲线Fig.13Rotorresponse