（电力系统及其自动化专业论文）分布式发电系统并网协调控制研究.pdf

a b s t r a c t 分布式发电系统并网协调控制研究 a b s t r a c t c e n t r a l i z e dp o w e rs u p p l y , l a r g ep o w e r 鲥di n t e r c o n n e c t i o nu n i f i e d ，l o n g - d i s t a n c e t r a n s m i s s i o n ，l a r g ep o w e ru n i t sh a v eb e c o m et h em a i nf o r mo fp o w e rs y s t e m b u tt h e r e a r es o m ed e f i c i e n c i e si nt h i sf o r m ，s u c h 舔t h el o wm a n a g e m e n tl e v e l ，t h el o wl e v e lo f e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ns u b s t a n d a r d ，a n dt h el i m i t e da b i l i t yt ot r a c kl o a d e n h a n c i n g e n e r g yp r o d u c t i o na n dd e v e l o p i n gr e l i a b l en e we n e r g ym u s tb ef a c e di nt h ep r o c e s so f e c o n o m i cd e v e l o p m e n t w i t ht h ea p p e a r a n c eo fn e wm o d ep o w e rs u p p l y - d i s t r i b u t e d g e n e r a t i o n ，l a r g ep o w e ru n i tc o m b i n e dw i n lad i s t r i b u t e ds y s t e mi sa b l et oi n c r e a s e r e l i a b i l i t ya n db e c o m et h ed i r e c t i o no fw o r l d sp o w e ri n d u s t r yd e v e l o p m e n ti nt h e21s t c e n t u r y t h i sp a p e rs t u d i e s t h ed i s t r i b u t e dg e n e r a t i o ns y s t e r n ，a n dt h es t a b i l i t yc o n t r o lo f n e t w o r kw h i c hi n c l u d e sa s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r sa n dp o w e re l e c t r o n i cc o n v e r t e r sf o r m s o fd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o nh a sb e e ns t u d i e dp a r t i c u l a r l y t h em a t h e m a t i c a lm o d e l so f a s y n c h r o n o u sw i n dt u r b i n e s ，f u e lc e l ls y s t e m sa n ds m e sa r ee s t a b l i s h e d s m e sc a n m a i n t a i ns y s t e ma b i l i t yi nt h ef i e l do f 鲥ds t a b i l i t ya n df a i l u r ec o n d i t i o n s t h i sp a p e r i m p r o v e si n v e r t e ra n dn e t w o r kc o n t r o ls t r a t e g i e s ，a n ds y s t e mw h i c hh a v ee x t e r n a lf a u l t ， v o l t a g ed r o pa n dl o a dd i s t u r b a n c ea r es i m u l a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g nm e t h o d c a ne f f e c t i v e l ym a i n t a i nt h es t a b i l i t yo f t h es y s t e mo p e r a t i o na n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e t h ef u z z yn e u r a ln e t w o r ki sa p p l i c a b l et ot h ec o o r d i n a t e dc o n t r o lo fd i s t r i b u t e d g e n e r a t i o n , a n df u z z yc o o r d i n a t e dc o n t r o ls t r a t e g yi se s t a b l i s h e d t h ea s y n c h r o n o u sw i n d p o w e rs y s t e m sa n df u dc e l ln e t w o r ks y s t e ma r es i m u l a t e dr e s p e c t i v e l y c o m p a r e dw i t h c o n v e n t i o n a lc o n t r 0 1m o d e ，t h er e s u l t ss h o wt h a tc o o r d i n a t e dc o n t r 0 1c a r lb eb e t t e rt o m a i n t a i nt h es t a b l eo p e r a t i o no ft h es t a t ea n di m p r o v et h eu n i t so p e r a t i n gc o n d i t i o n s u n d e rf a u l tc o n d i t i o n s i th a sag o o dd y n a m i cr e s p o n s e ，a n do b t a i n sb e t t e rc o n t r o l p e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ，g r i dc o n t r o l ，w i n dt u r b i n e s ，f u e lc e l l ，s t a b i l i t y c o n t r o l ，f u z z yn e u r a ln e t w o r k , c o o r d i n a t e dc o n t r o l i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：趣缸 五卜年氟弘 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 塾色 洳陋日 硕士学位论文分布式发电系统并网协调控制研究 1 绪论 1 1 课题研究的目的和意义 随着社会经济的全面快速发展以及人民生活水平的普遍提高，对能源的需求也 在不断递增。满足能源需求的最根本有效途径就是能源的多样化和可循环的开发利 用。分布式电源及其应用是2 l 世纪最受重视的高科技领域之一，是电力系统的一个 新的发展和研究方向【l j 。 分布式发电( d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ，d g ) 正是基于以上原因成为电力系统新 的研究方向，并在未来电力系统中发挥重大作用【2 1 。但是，d g 并不是简单的发电 技术，可以在电力系统中无条件的使用，只有在满足一些技术约束的条件和情况下， 对其接入系统的容量、设施进行合理规划和设计，通过选择相应的类型在需要的时 候和位置正确的应用前提下，才能发挥其经济作用、环境性能以及使系统获得更优 更好的可靠性p 圳。另外，分布式发电机组在发挥优势的同时，会给电力系统的正常 运行和稳定性带来许多问题和挑战。因此，针对分布式发电机组对电力系统的不良 影响，研究并且解决不良问题的具体可行方法，为分布式发电机组与传统电力系统 机组相协调运行，发挥它对传统电力系统的补充优势也有重要的理论指导意义和实 际应用价值p 剖。 1 2 分布式发电系统并网协调控制国内外现状 1 2 1 简介 分布式机组并入大电网，则由其所组成的微网可看作是具有独特特性的发电机 组，并网运行时可以向大电网供电也可以吸收电能。与一般传统发电机组并网运行 相似，分布式发电机组并网运行也同样需要满足电压、频率和相位等条件。但由于 分布式电源的种类比较多以及特点不同，比如光伏发电、风力发电等机组具有明显 的随机性和不确定性，还有微网中的一些负荷也具有随机性，所以并网时需要采取 一些特定的协调控制方式才可能满足运行条件【7 1 。微网作为自治系统，具有脱离大 电网独自运行的能力，此时为了满足负荷对系统功率、电压和频率等需求，跟踪负 荷的变化，也需要专门针对分布式机组采取相关的协调控制措施，增加相关储能和 补偿装置【8 1 。由于分布式发电机组其设备种类繁多、运行方式各种各样、可采取控 制的程度和方式不同( 例如，集中控制、分散控制等) ，故分布式电源的协调控制问 题相当复杂p j 。 1 绪论硕士学位论文 1 2 2 微网运行的协调控制 目前对于微网中分布式机组控制的研究主要在以下几个方面： 1 ) 一些含有电力电子变换器装置的电压和功率控制 一般都是通过对硬件的调节和控制来实现解决对电能质量和稳定性问题，这中 间用的大多数为含有电力电子变换器的装置【l 3 1 。在有些文献中指出，一种提高负 荷侧的电能质量的方法是在负荷侧使用直流转换器，同时可以避免这个负荷发生的 故障对其他负荷和设备产生影响；另外还有些文献指出可以提高电压稳定性并消去 谐波影响的一种方法可以使用并联有源滤波器和储能设备；另有还有很多文章提到 了各种分布式电源的的电力电子层面的设计和控制问题【1 4 6 1 。以上这些控制方法为 微网中分布式机组的综合控制打下了很好的基础，并能够最大化的简化能量管理系 统的繁冗工作。 2 ) 微网中分布式机组的综合控制及它们之间协调控制 微网中分布式机组的综合控制是指对于微网的机组运行方式的控制，并且在不 论并网运行，还是孤岛运行以及其他任何较为特殊方式下运行时，如何协调各个微 电源的出力和控制，以及在一些故障和扰动情况下，如何保证微网的稳定运行和积 极有效的控制方法【1 7 。2 1 1 。文献 2 2 】讨论了微电源的多种连接方式，并指出了它们控 制方式的益处，并指出要使微网具有更好的稳定性的一种较好的方法就是拥有多种 连接方式的，并且在严重故障发生时时，及时变换微网的连接和控制方式可以保持 整个系统的稳定性。 微网中运行的各种分布式机组具有相对比较强的独立性和各自运行的特点，其 常规的控制可以由它们的控制器独自较好的完成。但是在现代电力市场的环境下， 如果要让微网中各分布式机组、多样的负荷以及它们的能量管理系统等组成部分实 现统一的智能化分布控制，可最大化的达到负荷分配的最优化，另外同样可以使微 网同大电网之间电能交换的最优化，微网所包含的各种分布式机组必须与大电网间 进行较好而且有效的协调控制f 2 3 】。m u l t i a g e n t 系统的应用特点正好可以应用于这种 既具有较强的独立运行的特点，又需要协调配合的网络特性。因此，有人提出过一 种基于m u l t i a g e n t 技术的分布式发电系统协调控制策略。 3 ) 微网的智能综合控制 微网智能综合控制是微网控制的一个重要发展方向，目前的研究尚不是太多 2 4 川】。多a g e n t 的研究方法是现有研究涉及这方面控制不多的智能控制方法之一。 这种方法能够将传统电力系统中的多代理技术应用于分布式发电机组所在的微网 控制系统中。微网中分布式机组分散控制的需要正好满足代理的自治特性、响应能 力和自发行为等多种特点，这样也就提供了一个方式能够嵌入系统中，这种响应系 统中含有较好的各种控制效果而且又无需管理者经常出现。但是目前多代理a g e n t 2 硕士学位论文 分布式发电系统并网协调控制研究 技术在微网中的应用并不是很多，主要集中于市场交易的协调和对能量进行管理方 面的协调，还没有真正深入到对整个系统的频率、电压等进行全面控制的层面。要 使它在微网控制系统中发挥更大而且更有效的作用，仍然要做大量的工作。 1 2 3 风电的运行控制以及与电网的协调控制影响 ( 1 )风电的运行控制 风力机工作的环境是暴露在露天自然风场中，周围的工作环境较为恶劣。自然 风速的强弱以及风向随时间不断随机变化，有的时候还会出现剧烈变化的阵风。风 轮机的工作环境则更为复杂多变，因为整个风场要受到诸如风轮机的尾流、塔影、 垂直风速变化等众多其他因素的影响。此外，风轮机的工作环境还受到其它因素的 干扰，比如，怎样进行桨距角的调节也就是调节方式的选择、异步发电机及电力电 子变换器的接口类型、选择孤立运行或并网运行等。 风能有效密度较低，发电机组装机容量不是很大，整个风力发电系统运行要求 实现无人值守。因此，实现风力发电系统的综合有效控制是一项艰巨而复杂的任务。 根据风电场控制装置的多种特点，可以将其划分为：( 1 ) 基本控制装置；( 2 ) 安全紧急 控制装置；( 3 ) 电能质量和速度控制；( 4 ) 监控和安全运行装置 3 2 3 ”。 对于需要进行变桨距调节控制的风轮机，桨距的调节机构是一个较为复杂系 统，一般自己都有控制装置，而且其控制特性的好坏将决定对整个风轮机系统影响 的大小。如果风力发电机组采用的是鼠笼式异步发电机，为了使它并网时尽量对电 网的冲击电流和转矩的控制在一个较小合理的范围，一般要进行软并网控制【3 4 】；如 果采用的是双馈感应发电机组，则使用变频器，通过它的控制在并网前提供合适的 机端电压【3 孓3 6 】。风力发电系统整个安全紧急控制装置是在风轮机发生突然故障，或 者是当外界风速高于切出风速时，风轮机紧急停机时所必备的方法。安全紧急控制 装置一般是通过继电器为主的器件组成的硬件逻辑系统实现，以利于确保控制装置 的可靠性、有效性和安全性【3 7 1 。 风力发电系统安全、高效运行的基础是对功率和转速的控制。风机系统的功率 控制包括几个主要方面：当转子在额定风速以上运行时，为了限制转子而获得的 风功率，为了防止风轮机、发电机还有电力电子变换器等运行装置超过其承载能力， 通常采用的控制方式有以下几种：被动失速控制、桨距控制 3 8 】；转子在额定风速 以下运行时获得的最大风功率【3 9 1 ，应用于这种控制一般都是用于需要变桨距和变速 运行的风轮机。这样，风轮机的桨距角就为一固定值，通过异步风力发电机的转矩 控制就可以顺利而有效的调整转子转速，使风力机获得最大气动功率。转速控制或 最大最好的功率控制基础就是怎样更优的控制发电机转矩，这方面的研究文献有很 纠4 0 】。 3 l 绪论 硕士学位论文 此外，应用于风力发电系统一些现代控制方法包括：变结构控制、以鲁棒控 制和自适应控制等方法。风力机通常工作于正常速度和失速两种状态下，文献 4 1 】 以感应发电机系统为研究对象，以输出功率相对偏差作为切换面，对两种状态分别 采取了不同的滑模控制结构，实现了在风速扰动和多种不确定条件下，比如电气、 机械系统不确定参数等，频率的无差跟踪和风能最大捕获。文献 4 2 将风电系统线 性化处理，这个系统包含气动特性、变桨距执行机构和柔性传动装置，动态的估计 出非线性项的上界，将其认作为不确定项来处理，实现了风电系统在建模条件下但 是在不确定性条件下的最大风能捕捉，并使转子轴转矩振动幅值减小了整整一个数 量级，大大改善了系统稳定特性。文献 4 3 4 4 2 依据风力发电机组特有的的机械和电 气动态属性，提出了非线性自适应控制。在遇到大干扰和电网电压、频率不稳定时 自适应控制器l g p i 控制器有许多好处，但是其一个主要的缺点就是对实时参数的估 计，因为它需要花费大量的计算时间。 ( 2 ) 风电系统与电网的协调控制影响 随着风力发电技术的不断发展，风力发电已经进入了一个快速发展期，随之而 来的一个问题就是怎样将风力发电机组融入诺大的电网中，与其他机组稳定而经济 有效地协调运行，这是目前各国主要考虑的问题。 风力发电系统所产生的电能受到外界环境的影响所以是随机波动的，对电网的 影响、冲击是很大的，怎样使电网电压幅值和频率的波动在理想的范围内，即使是 在考虑了风力发电系统和负载波动情况下，怎样如何保证电网在动态稳定性，是风 力发电系统经济、高效和安全运行对电网的最主要要求。在整个电网电能生产中， 风力发电所占比例很小的时候，这些情况和问题并不突出，但是当风力发电所占的 比例达到了相当的比例而且不可忽略的情况下，这些问题是必须考虑的、要面对和 要积极解决的，否则会对整个风力发电事业产生不利的影响，影响到其正常健康的 发展。 另外，电网对风力发电系统的可靠运行也有影响和要求。在风力发电占整个电 网生产电能比例较小的时候，如果电网出现故障、扰动的情况下，可以将风力发电 系统立刻从电网解列，对电网的恢复稳定不会有不良的有影响，但是一旦风力发电 所占的比例逐步加大时，则当电网出现大扰动和故障时，如果风力发电系统不是立 即从电网解列的情况下，非常容易引起更大的故障和扰动，也不利于整个电网的稳 定恢复和经济运行，而是风力发电系统应当具有不间断运行的能力，或者至少在轻 度故障和扰动时具有不间断长时间运行的能力。怎样提高风力发电系统在电网故障 和扰动下的经济运行、可靠安全保障以及不间断运行的能力，目前己成为国外学者 研究的热点【4 5 柳】。 4 硕士学位论文 分布式发电系统并网协调控制研究 1 2 4 燃料电池并网控制 美国能源变换公司与弗吉尼亚理工学院未来能源中心联合研制了l k w p e m f c 供电系统j ，p e m f c 燃料电池、d c d c 变换器、逆变器和两组超级电容器组成了 这个系统，其中d c d c 变换器采用推挽变换器，逆变器采取的结构是为全桥结构。 两组超级电容器组使得这个系统具有很不错的动态特性。但是由于超级电容连接方 式不好，直接并联在母线上，这样会使它的充放电电流得不到有效控制，当负载突 变时，可能会严重损坏超级电容。 文献 4 9 和 5 0 提出了一个最大功率为1 4 0 w 的燃料电池和蓄电池复合式供电 系统。整个系统采用数字化控制，通过调节d c d c 变换器，这样就可以使系统可以 比较容易的在燃料电池限流、蓄电池充放电限流及蓄电池限压状态之间切换。蓄电 池组理论上可以提供比较高的功率，因此系统的承担过载能力将会大有提高。因为 对蓄电池组的充放电电流进行有效地限制，这样可以在一定程度上可以保护蓄电 池。但是因为负载端电压并不为恒值，在过载时恐怕会跌落很多，因此不适合用于 电压恒定输出的场合。 文献 5 1 提出了一个最大功率为3 3 0 w 的燃料电池蓄电池和超级电容器联合供 电系统，在这个系统中燃料电池组、蓄电池和超级电容器分别和不同的变换器连接 然后才与直流母线相连，蓄电池和超级电容器它们能够使得系统的动态响应和承载 能力大幅度的提高，而直流母线上的电压也很稳定。 文献 5 2 介绍了中科院电工所研究的7 5 k w - p e m f c 分布式燃料电池供电系统。 燃料电池的输出电压大致为为2 0 0 4 0 0 v d c ，系统使用单向全桥变换器将直流母线 的电压稳定在3 8 0 v d c ，同时给负载供电。蓄电池和超级电容器分别通过双向变换 器与直流母线直接相联接，同样可以提高系统的动态特性。 在以上的研究现状中，分布式机组并网协调控制研究成果较少，诸多文献仅限 于微网、风力发电机组和燃料电池机组本身的控制，比如微网的功率电压控制、综 合控制等，风力机的变桨距控制、偏航控制、功率和速度控制，燃料电池的系统结 构、以及与电网互联所需的电力电子变换器控制等；还有一些文献应用了现代控制 理论和智能控制的方法，比如说变结构控制、鲁棒控制、自适应控制和多代理a g e n t 技术等。这些文献基本上没有考虑到分布式机组并网后，与传统机组的协调运行和 控制问题，如果将分布式机组当做扰动源，并网后对电网的稳定影响，以及怎样与 传统发电机组间相互协调运行控制将是本文的研究重点。 1 3 论文的主要工作 论文针对分布式发电系统并网协调控制的研究现状以及存在的问题，依据d g l 绪论硕士学位论文 机组与电网互联的形式【5 3 1 ，主要研究了异步发电机形式和电力电子变换器形式的 d g 并网协调控制，并做了以下几个方面的工作： 1 ) 建立了风速、风力机、异步发电机组的模型，研究在风速变化的情况下， 整个系统的稳定性情况。另外，建立超导储能装置( s m e s ) 的模型，研究了s m e s 改善风电场输出功率和系统稳定性的情况，并用m a t l a b 软件进行了数值仿真，结果 表明在设定的风速条件下，系统发生短路故障时，含s m e s 的系统能较好的改善系 统动态稳定性，具有优良的动态特性。 2 ) 研究了燃料电池的输出特性曲线并分别建立了d c d c 变换器、d c a c 变换器 等系统模型，提出了燃料电池并网后的控制策略，并研究了系统在短路、电压跌落和 负载突变的情况下，系统和燃料电池稳定运行的情况，并用m a t l a b 软件进行了数值仿 真，结果表明所设计的燃料电池并网控制策略在三种故障情况下，能够使得燃料电池 系统稳定运行，并保持输出电压的稳定，具有较好的动态响应能力。 3 ) 将模糊神经网络应用于异步风力发电机组并网控制和燃料电池组并网控制中， 研究了在系统发生故障时，普通机组和d g 机组之间的协调控制并进行了仿真，结果 说明基于模糊神经网络的协调控制方法能够增强系统稳定性，具有良好的动态特性。 6 硕士学位论文分布式发电系统并网协调控制研究 2 异步发电机形式的d g 并网控制 2 1 引言 d g 与电网互联一般有三种形式 5 3 】：同步发电机、异步发电机和电力电子变换 器的形式。在现有的分布式发电应用中，采用异步发电机形式的典型d g 技术就是 风力发电。因为风力发电具有随机性、间歇性等特点，同时随着风电机组单机容量 和风电场规模的不断扩大，急需研究风电机组并网后对传统电网造成的影响。 建立系统合理的数学模型并进行有效地仿真计算，则能够正确分析风力发电并 网的动态特性。文中主要研究对象为异步风力发电系统，分析并网后的风力发电机 组的运行特性，重点研究风机并网后对电网的稳定性和电压稳定性的影响。 2 2 同步发电机系统建模 同步发电机系统包括同步发电机组、励磁系统等，下面逐一介绍其数学模型。 2 2 1 同步发电机的数学模型 同步发电机采用三阶实用模型剐： um2 x q t lq i r t im u q i = e q ! 一x 也一r a i l g i d = 国t 一国 畦：卺一鲁2 哆二一告匕 q j 或，：一士t ，+ 上 其中，巴= e ；i q i 一( x 毋一，) 厶厶，日，= e ；+ ( k x 讲) 如；为励磁系统的 输出电压；岛为原动机输出机械功率，匕= c o n s t ：日为发电机q 轴暂态电势；乃。 为d 轴暂态短路时间常数；为励磁调节器的输出电压；万为发电机转子q 轴与以 同步转速旋转的系统参考轴x 间的电角度；缈为发电机转子角速度；兄，定子各项 绕组的电阻；x q i 为q 轴同步电抗；为d 轴暂态电抗；另外，和分别为定 子电压的d 轴和q 轴分量；l 定子电流的q 轴分量。 7 2 异步发电机形式的d g 并网控制硕士学位论文 2 2 2 励磁系统的数学模型 如图2 1 所示，它是一种母线供电的可控硅励磁系统，具有自动电压调节器和 电力系统稳定器，其中巧是没有暂态增益下降或微分反馈的高励磁器增益。 缈 图2 1 可控硅励磁系统 对于母线供电( 电势源) 的晶闸管励磁器，其电压随发电机端电压巨和励磁器 输出电流而变的。可将上图写成以下数学模型【5 5 】： f碗= 毒( 巨一k ) 卜脑一专圪 眨2 ， l 吃= 专( 五唬+ 呸一k ) = 巧( 一k + 圪) ，e ，一砟幽。 2 3 异步风力发电机系统建模 随着风电规模的不断扩大，以及风能的随机性、间歇性等特点，对电网的稳定 运行和电压波动带来了新的问题。要研究和解决这些问题，对风电机组的建模则是 必不可少的。根据研究的侧重点不同，可以对一些次要的环节进行删减和简化处理， 从而得出所要研究的数学模型。 文中主要研究风力发电系统的动态分析，所以要建立相应的动态模型。动态模 型反应的是风力发电机组随风速、风向以及各种扰动的变化而得出的系统动态过 程。所以怎样建立一个既准确又能反映动态过程的数学模型尤其重要，以下将对风 力发电系统的各个环节依次介绍，并对其数学模型详细阐述。 s 硕士学位论文分布式发电系统并网协调控制研究 2 3 1 风速基本模型 风力发电机组是以风作为动力来源的，则风速将影响并决定了风电机组的动态 特性。为了研究风电机组的动态特性，必然要获取风速的相关动态数据。为了较为 准确的模拟风速的变化，并且能够反映风能的特点，风速变化模型可以用以下四种 成分来模拟：基本风、阵风、渐变风和噪声风。 ( 1 ) 基本风速【5 印 基本风在风力机组整个正常运行过程中都是存在，能够基本反映风电场平均风 速的变化过程。此风速可由威布尔分布参数近似确定，可表示为： = a - r ( 1 + 玄) 2 圪表示基本风速，a 和k 为威布尔分布的尺度参数和形状参数，r 表示伽马函 数。 ( 2 )阵风侈6 1 阵风描述的是风速突然变化的特点。在系统的动态仿真过程中，描述的是系统 在较大风速扰动下的动态品质。 lo ( t + ) 其中= ( m a x g 2 ) 1 - c o s2 x ( t t o ) - ( t l g 死) ) ，、五g 、乃、m a xg 分别 表示阵风的风速、开始时间、维持时间、峰值。 ( 3 )渐变风【5 6 】 用来表述风速变化的渐变特点，可以由下式表示。 = 其中砟= m a x r 1 - ( t - t 2 矗) ( 五月一互r ) 】，表示渐变风的风速、m a ) 【尺表示渐变 风的峰值、巧足表示渐变风的开始时间、互r 表示渐变风的结束时间、瓦表示渐变风 的维持时间。 ( 4 )随机风5 司 用来表述风速变化不确定性的特点，可以由下式表示。 9 乙 碌 ) + 月r ) ，劭 ，墟 + z f f r 五，因此可将所在支路移至首端， 可得电路图如图2 3 所示。 由电路关系可得， = 孝s ) 绥 ( 吃2 + 黾2 其中，气= 五+ x 2 ，g o 。 ( 2 1 5 ) 1 3 2 异步发电机形式的d g 并网控制 硕士学位论文 图2 3 异步发电机的简化等值电路 一生二巫霹 2 p e x k 2 缈：t a i l 一1 ( r 2 2 + x k ( x k + x = ) s 2 ) 吃s q = 垒型掣 r 2 s ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 其中，q o 表示异步发电机吸收无功功率。从( 2 1 6 ) 和( 2 1 8 ) 式可以看出 取值一定时，q 与5 和u 有关。 2 4 2 异步风电机组潮流计算步骤 在2 4 1 节中已经较为详细介绍了异步发电机的稳态数学模型，利用牛顿_ 拉 夫逊常规方法求解潮流计算，并充分考虑风电机组的特殊性，采用迭代法进行潮流 计算。具体步骤如下删： ( 1 ) 给出在设定风速情况下的风电场输出有功功率，设定风机节点电压初 值u o ： ( 2 ) 依据给定的和，根据( 2 1 4 ) 式计算滑差s ； ( 3 ) 由上一步得出的s 以及有功功率只，根据( 2 1 6 ) 式计算q ； ( 4 ) 将接有风电场的节点视作p q 节点，用常规潮流计算方法求解潮流方程， 可得到风机节点电压u ； ( 5 ) 如果u 1 u o ，则令砜= ( u o + u ) ，返回( 2 ) 继续执行，直到两次电压 硕士学位论文分布式发电系统并网协调控制研究 差保持在设定的范围内，即l 矾一砜l ( e - - 1 0 - 5 ) 。 2 4 3 潮流计算的程序实现 文中采用m a t l a b 软件编程实现潮流计算的过程，依据上述潮流计算的步骤，逐 步编程实现。程序流程图见图2 4 所示。 图2 4 含风电场的潮流计算流程图 1 5 2 异步发电机形式的d g 并网控制 硕士学位论文 2 5 异步风力发电系统并网动态仿真 2 5 1 引言 对含有异步风力发电机的电力系统，风电场的功率随着风速的改变而变化，相 当于对整个系统而言是一个大的扰动，所以需要关注在风速变化的情况下，系统的 稳定性情况，包括普通发电机的功角稳定、系统的暂态电压稳定等。另外，线路的 短路故障，也是整个电力系统中经常遇到的大扰动。因此有必要对风速扰动和线路 故障的共同作用下，研究电力系统的稳定性。 对于恒速风力发电机来说最主要的问题就是提供无功补偿。在风电场出口处安 装s m e s 补偿装置，可以利用其无功和有功的综合调节能力，稳定电压和减少输出 功率的波动，改善了电力系统的稳定运行状况。 2 5 2 超导储能装置( s m e s ) 的数学模型 按照装置的电路拓扑结构的不同，可以将s m e s 分成两类：电流源型( c s c ) 和电压源型( v s c ) ，主电路图如图2 5 和2 6 所示。 ( 1 ) 电流源型s m e s 建模【6 l 】 1 6 图2 5c s c 型s m e s 原理结构图 哮= 气一心部 c 鲁= 一& 么 ( 后6 c ) 一- 咖x 。- , 训, ，s k v k - - ( + 冠) 一气 ( 2 1 9 ) 硕士学位论文 分布式发电系统并网协调控制研究 式中，气( i | = 口，b ，c ) 电网电动势瞬时值；咋( 后- - a ，b ，c ) 交流侧相电压瞬时值； ( 尼= 口，b ，c ) 交流侧相电流瞬时值；k 、心为c s c 直流侧滤波电感参数：c 、l 、 r 为c s c 交流侧滤波电容、电感、电阻；屹直流侧输出电压瞬时值；s k ( k = d ，g ) 为 逻辑开关函数。 ( 2 ) 电压源型s m e s 建模【6 1 1 图2 6 v s c 型s m e s 原理结构图 基于同步旋转d q 坐标系的模型如下。 三鲁一+ 础i g + 白一“如 a z 言= - r 一础屯+ 一“出 ( 2 2 0 ) c 警= 3 ( i q 譬q + 一屯 式中，毛、i q 电网电流d 、q 分量；e d 、电网电压d 、q 分量；u d n 、屯直流侧 电压、电流；s k ( k = d ，g ) 为开关函数。 除此之外，在电力系统仿真计算中，根据模型输出量的不同可以将s m e s 模型 分为三种：电压源性、电流源型和功率源型。本文将采用类似于电流源模型的数学 模型 6 1 1 ，由以下式( 2 2 1 ) 所示。 1 7 2 异步发电机形式的d g 并网控制 硕士学位论文 ( 2 2 1 ) 其中，、为s m e s 注入系统的有功和无功电流：l l l 、u 2 为控制量；互、互 为惯性时间常数。 2 5 3 系统网络方程中异步发电机的节点处理i 砷l 系统的网络方程可表示为： i = 彤 ( 2 2 2 ) 其中，、u 分别表示节点的注入电流列向量和节点电压列向量；y 为节点导 纳矩阵。动态分析的关键主要在于怎样将各元件的注入系统电流表示出来。 图2 7 异步发电机与电网相连示意图 图2 7 所示异步发电机与电网相连，可以写出在同步坐标系下，定子电压方程， 用矩阵表示为： 令毛( ，i + 豇) = 彳+ 归 阡卧b - 瑚a j l i , 可解得( 2 2 5 ) 式，注入电流为： 阡击 j 二般 - 动 而虚拟注入电流为： 阱击 绷圈 将( 2 2 5 ) 式代入到网络方程( 2 2 2 ) 式中， ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 得出电压之后将结果代入( 2 2 4 ) 蜥 纵。 一五一互 + + 0 k ，一互一互互互 硕士学位论文分布式发电系统并网协调控制研究 2 5 4 仿真系统 系统的仿真模型如图2 8 所示，两个等值风电场通过两级变压器连接到系统上。 系统参数详见文献 6 2 所示，单台风力机组的数据见表2 1 所示。 图2 8 含风电场的系统模型 表2 1 单台风力发电机参数( 以额定容量为基准) 额定容量6 0 0 k w 额定输出电压6 9 0 v 定子电抗x l 0 0 9 9 8 5 定子电阻n0 0 0 8 3 3 转子电抗x 20 1 0 9 0 6 转子电阻r 20 0 0 3 7 3 励磁电抗x m3 5 4 7 0 8 额定转差s n0 0 0 4 出口升压变x t0 0 3 3 额定功率因数0 8 9 在实际仿真中，需要将多台风力发电机按照( 2 1 4 ) 式等值为一台机组。在节 点1 0 、1 1 分别接入2 7 5 台和2 5 0 台风力机组。 1 9 2 异步发电机形式的d g 并网控制 硕士学位论文 2 5 5 仿真程序设计 文中通过m a t l a b 软件采用数值编程方法实现对含有风电场的系统仿真要求，根 据仿真的需要，考虑到风电场的特性，编写系统的动态仿真框图如图2 9 所示。 原始数据输入 j i 含风电场的潮流计算 初值计算 i 形成节点导纳矩阵，并入负 l 荷阻抗及发电机暂态电抗 i t 0 2 o l - - t o + a t 1 r 一 解代数方程和 微分方程 二一调用故障前子程序 、 n 一 晦罩 同霖歹i ，【 v t 卜二一调用故障中子程序 n 1 审 解代数方程和 微分方程 j! yt 0 为学习率。 上村 = 竖矽型钟旦矽 m 树 = 堕秽 一 l i 3 承j 望铲监秽堕锻 。揣 = 堡孵 一酽 掣 蟹一 望鸭旦铲 = 丝鸭 铲 玎一驴一 望峨旦帮 = 堕峨 硕士学位论文分布式发电系统并网协调控制研究 4 3 协调控制策略 u q 模糊化 一-解模糊 模糊神 经网络 控制 模糊化 +- - - 解模糊 叽 a 图4 2 模糊神经网络控制器结构 由图4 2 所示，文中所用模糊神经网络结构为两输入两输出的多变量控制系统。 其中，u 为分布式发电机组并网节点电压偏差值，q 为与分布式机组相协调的 同步机组的无功功率输出偏差，为异步风力发电机组并网电压控制量( s m e s 端口电压控制量) 燃料电池逆变器无功给定值q 。控制量，a u g 为同步发电机组的 励磁电压控制量，k i 、k 2 为两个输入量的比例系数，k 3 、k 4 为两个输出量的比 例系数。 当q = q 一q 不断减小、u = u 一u 不断减小时，即同步发电机q 不断增大 和分布式机组并网节点电压u 不断增大时，应当分别减小和q 控制量；当 q = q 一q 不断减小、u - - u 一u 不断增大时，应当减小励磁电压控制量【，。和 增大并网节点电压控制量u ，以此类推。根据经验以及参考文献 8 川可得模糊控制 规则如表4 1 和4 2 所示。 表4 i 异步风力发电机组并网电压控制量燃料电池逆变器无功给定值q 控制量 吼 q n bn mn s 珏 p s p mp b n b n bn b n bn bn mn s征 n mn bn bn b n mn s z e p s un s n bn b n mn s冱p sp m z e n b n mn s征p sp mp b p sn mn s冱p sp mp bp b p mn s珏 p sp mp bp bp b p b 荭p s p mp b p b p bp b 4 3 4 基于模糊神经网络的协调控制研究 硕士学位论文 表4 2 同步发电机组的励磁控制量 战ga q n bn mn sz ep sp mp b n bn bn bn bn mn mn s压 n mn bn bn mn sn s冱p s un s n bn mn sn s 征 p s p m 征n bn sn sz ep sp sp b p sn mz ep sp sp mp mp b p m亚p sp sp m阳p bp b p bp sp mp mp bp bp bp b 在异步风力发电机仿真控制中，本文采用两台等值风力机组与同步发电机1 协 调控制，如图2 8 所示；在电力电子变换器的仿真控制中，本文采用燃料电池组与 发电机1 协调控制，如图3 5 所示。 4 4 模糊神经网络的训练 为了使神经网络符合模糊控制的规则特点，文中使用b p 算法训练神经网络学 习模糊规则。具体的学习算法见4 2 2 节，神经网络训练步骤为： ( 1 )将模糊控制规则表中的规则转化为神经网络中的一组输入和输出样本； ( 2 ) 将每一组输入样本送入神经网络进行学习，输出学习结果并与目标值进 行比较，得到训练误差然后再修改各层权值，修改隶属度函数表征参数， 如文中选取隶属度函数为高斯函数，即修改其中心值和宽度值； ( 3 )知道误差符合设计要求，然后送入下一组样本； ( 4 ) 重复以上几个步骤，知道所有样本训练完毕。 表4 3 输出变量的模糊量 输出变量模糊量 硕上学位论文 分布式发电系统并网协调控制研究 表4 4 输入变量的模糊量 输入变量 模糊量 n b 1 ，o 8 ，o 7 ，o 4 ，o 1 ，0 ，o ，o ，o ，o ，o ，0 ，0 1 n m o 2 ，o 7 ，l ，0 7 ，0 3 ，0 ，0 ，0 ，o ，o ，0 ，o ，0 1 n s 0 ，o 1 ，0 3 ，0 7 ，1 ，o 7 ，o 2 ，o ，o ，0 ，o ，0 ，0 1 蟛 z e 【0 ，o ，0 ，o ，o 1 ，0 6 ，l ，o 6 ，0 1 ，o ，0 ，0 ，0 1 p s 0 ，o ，0 ，o ，o ，o ，o 2 ，o 7 ，l ，o 7 ，0 3 ，0 1 ，0 1 p m 0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 2 ，0 7 ，l ，0 7 ，0 3 1 p b o ，0 ，0 ，o ，o ，0 ，0 ，o ，o 1 ，o 4 ，o 7 ，o 8 ，1 1 n b 【1 ，0 7 ，o 3 ，0 ，o ，0 ，o ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 1 n m o 3 ，0 7 ，l ，o 7 ，o 3 ，0 ，o ，o ，o ，0 ，0 ，o ，0 1 n s 【o ，o ，o 3 ，o 7 ，1 ，0 7 ，0 3 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 1 cze 【o 0 ，0 ，o ，0 3 ，o 7 ，l ，o 7 ，0 3 ，0 ，0 ，o ，0 1 p s o ，o ，0 ，0 ，o ，o ，0 3 ，0 7 ，l ，0 7 ，o 3 ，o ，0 1 p m c o ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 3 ，0 7 ，l ，0 7 ，0 3 1 p b 【0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 3 ，0 7 ，i i - - 。_ - - _ - - - _ - _ 一_ - _ _ _ _ _ - _ l _ - - - - - _ - _ _ -