基于PSAT的电力系统低频振荡分析论文外文翻译

1、院 系：电气与电子工程学院 专业班级：电气0913学生姓名：裴子霞 指导教师：薛安成学 号：1091181305 译文成绩：华北电力大学毕业设计（论文）译文部分原文著作（期刊）名称：Supplementary Control for Damping Power Oscillations due to Increased Penetration of Doubly Fed Induction Generators in Large Power Systems作 者：Durga Gautam原文出版单位：Power System Engineering Research Center原文出版时间：

2、2011原文出版地点：美国大型电力系统中由于双馈感应发电机的渗透增加引起的阻尼功率振荡的辅助控制摘 要本文主要研究在一个大型互联电力系统中双馈感应发电机（DFIGs）的增加渗透对机电振荡模式的影响。这项工作提出了一种控制机制，旨在为一个类似双馈感应发电机（DFIG）的同步机的PSS设计一个电力系统稳定器（PSS）。风力发电机的功率输出作为PSS的输入。有功功率命令是对电力系统振荡的相位相反的调制，被馈送到双馈感应发电机的有功功率控制回路，以双馈感应发电机的端电压为PSS输入的一个额外控制信号被馈送到的无功功率控制环路。该机制的作用是提高采用特征值分析验证临界模式的阻尼。这项工作还比较了两种不同

3、的控制机制可以采用的阻尼低频跨区域振荡模式。后者考虑到电网频率变化以修改的双馈感应发电机的转矩设定点的想法为基础。该篇文章所提出的技术会在一个代表着美国中西部互联部分的大的测试系统上进行测试。关键词：双馈感应发电机，风力发电机组，暂态稳定，小信号稳定，灵敏性，惯性第1章 简介环境问题的日益严重，人类试图减少对化石燃料的依赖，使可再生能源成为电力行业的主流。在各种可再生资源中，风力发电拥有最有利的技术和经济前景1。当按传统的小规模部署时，风力涡轮发电机（风力发电机组）对电力系统稳定性的影响是最小的。然而，当发电机的渗透水平的增加时，电力系统的动态性能很可能会受到影响。在几种风力发电技术中，利用双

4、馈感应发电机（DFIGs）的变速风力涡轮机的使用在电力行业越来越突出。因为它的性能在很大程度上由转换器和与之相关的控制决定，所以可以认为一台双馈反应发电机是一台异步机，它们主要通过以下的四个机制（他们本身不影响机电模式）影响机电模式的阻尼：1、 取代同步电机，从而影响机电模式；2、 通过影响重大的路径流动，从而影响同步机的转速；3、 取代装有电力系统稳定器的同步电机，从而影响机电模式；4、 双馈反应发电机的控制与附近的大型同步发电机的阻尼力矩相互作用，从而影响机电模式。双馈感应发电机中心的电力电子变换器控制着发电机的性能，是发电机和电网之间的接口。应用传统的控制，转子电流始终会提取最大的风能，

5、因此，双馈反应发电机风力发电场的渗透增加，系统的有效惯性将会减小，大扰动后系统的可靠性将会受到显著影响。为了提高系统基于风电场DFIG的高渗透力的阻尼，最近在文献中已经引入了辅助PSS回路的双馈感应发电机的概念。在 2 提出的辅助PSS回路可以改变双馈反应发电机的定子电流，从而增加了系统中的同步发电机的阻尼转矩。采用的控制理念类似的同步发电机的PSS，由一个冲洗块，PSS增益和相位补偿组成，输入信号是来自DFIG定子电功率。在 3 中，由频率偏差引起的一个辅助信号作为PSS的输入，该文中提出的测试系统中，应该同时改善区域振荡阻尼和与之相关建议的PSS。在 4 中，来源于端子电压的辅助控制信号作

6、为PSS的输入，在有源电力控制回路中，稳定的信号被馈送到转子正交电压，以便提供附加阻尼。到目前为止，在文献中提出的控制机制只局限于小型试验系统，而在大型电网中由于双馈反应发电机的显著渗透使得控制机制的要求有所改变。本文的主要目的是在大型电网中为变速恒频双馈风力农场的实施开发一个辅助控制策略。具体而言，当系统容易受到小扰动影响时，作用于功率转换器的有率和无功命令由正常运行条件和补充控制回路中的与最大跟踪功率相结合的要求来确定。该方法涉及到一个相当大的系统使用商业级软件的详细分析。本文由六个部分组成。第二部分是在以上提到的概念和机制下介绍风机的特点和建模；第三部分论述与双馈感应发电机的渗透相关的小

7、信号稳定性；第四部分详细阐述了小信号稳定性下，可以减轻双馈反应发电机渗透增加的改进方法；第五部分则在一个大的测试系统中实施辅助控制分析；第六部分从分析中得出结论。第2章 双馈反应发电机的控制与建模双馈反应发电机是一台绕线转子异步发电机，电压源转换器连接在转子的滑环上，参考文献5，6提供了双馈感应发电机的操作的详细描述。下面的部分讨论了稳态及动态分析下的双馈感应发电机的建模。2.1 稳态分析和建模将一个农场内的风力发电机组合并成一个单元，其容量是所有单个机组容量之和。风电场的大型电源在单个变电站处接入电网。由于双馈反应发电机组有发出无功功率的能力，在稳态分析 5 中，风电场建模为有适当无功限制的

8、PV母线。2.2 动态分析和建模潮流提供了动态模拟的初始条件，风电场的建模为一个单一的等效机。一个考虑了大量的风力涡轮机的完整的风电场模型必然会提高计算的负担。此外，由于建模时考虑的电源系统很大，建模目的是观察风电场的外部网络，而不是内部的渗透作用，这种假设是很合理的。以下一一列举了几个影响双馈反应发电机动态特性的因素及其作用分析 5 ：1、涡轮空气动力学；2、涡轮机械控制（也叫桨距控制）控制传递到轴的机械功率；3、轴动力学模拟成两个质量轴，一个表示转子/涡轮叶片，另一个代表第发电机；4、发电机的电特性由于转子侧变换器对转子电流的驱动非常快，忽视转子的磁通动力学，其模型表现为一个受控电流源；5

9、、电气控制常用的控制器有三种，频率/有功功率控制，电压/无功功率控制及俯仰角/机械动力控制。三个主要的控制器提供以上三种控制。此外，我们也考虑了一个基于功率输出（Pe）计算转子相对转速（ref）的模型。额定风速下，转子的相对转速为正常值1.2pu，但输出电压低于75时，转子相对转速按下式计算6： ( （21）双馈感应发电机的有功功率和桨距角控制器的示意图如在图2-1。涡轮的空气动力学与机械功率从风中提取一个给定的俯仰角和叶尖速比（汽轮机的转速风速度比）。风力发电模型计算从风中提取的机械功率计算如下 7 ： ( （22）其中，：从风中提取的机械功率；：空气密度；：转子叶片所扫过的面积；：风速；

10、：功率因素； ：叶尖速比；：螺距角。如图2-1所示的风力发电模型的输入是风速（），螺距角（）和涡轮转速（）和涡轮转速（）进行评估转子相对转速的偏差（）可以同时驱动桨距角控制器和转矩控制模块。除了可以驱动桨距角控制器的响应速度误差（）外，双馈感应发电机具有一个额外的模块，称为“螺距补偿”，它可以提供桨距角由于测定时输出功率的偏差引起的的误差信号。当输出功率超过额定值时，螺距补偿器使桨距角增加，从而使功率达到到额定值。运用转矩指令（）来计算功率（），从而为转子侧变换器提供励磁电流。从控制器得到的最大有功功率（）受到图1所示的有功功率限位块的约束。有功电流指令（）的计算通过用发电机的端电压（）除以从

11、风力涡轮机模型得到的中而得。短期有功电流转换器的能力（）限制有功电流的大小。图1 双馈反应电机的有功功率和俯仰角控制器示意图第三章 对小信号稳定性的影响在一个相互关联的系统中，在电磁转矩和机械转矩之间保持稳定的能力由每台同步机的转子角的稳定性决定。因此，系统中异步发电机数量的增加会影响网络的动态特性。变速风力发电机组的设计要考虑到电力电子转换器对系统的动态性能的重大影响。在一个扰动下，同步电机的电磁转矩的变化可以分解为两个转矩分量，即同步转矩分量和阻尼转矩分量。本文的工作主要是考虑到阻尼转矩分量存在的情况下，对系统小信号稳定性的影响。一般情况下，由于没有足够的阻尼力矩，转子中振荡振幅 8 增加

12、从而引起小信号稳定性的问题。系统矩阵的特征值表征了系统的稳定性8。系统中引入几个双馈反应发电机风电场必然可能改变的系统的机电阻尼特性。这是由于系统的惯性减少，从而易于影响的惯性系统的振荡模式。第4章 提出的控制策略本节为双馈反应发电机提出类似于常规同步机PSS的辅助控制。为了确保提出的机制的有效性，已经完成了文献9中控制机构的比较。4.1 特征值灵敏度在本文研究的基础的前提下，风电场中双馈反应发电机渗透的增加，将会使得系统的有效惯性的减少。在这方面，渗透增加对研究系统的行为的影响时，第一步便是研究小信号稳定如何随惯性的变化而变化。因此，该方法旨在评估发电机的惯性特征值与灵敏度。评估对于小扰动时

13、系统的响应，一般采取以下几个步骤：1、用同等额定功率的传统的同步发电机代替所有的双馈反应发电机，以便反应评估结果的基本情况；3、 评估特征值的灵敏性时，要对比于传统的同步发电机，其目的针对转动惯量对动态性能的影响观察特征值的灵敏度。4、进行特征值分析后，便可将现有的以及计划的双馈反应发电机引入风电场系统中。4.2 双馈感应发电机PSS和振荡阻尼本文中提到的应用于双馈反应发电机的PSS以风力发电机的功率输出作为其输入。有功功率命令是对电力系统振荡的相位相反的调制，被馈送到由图1所示的双馈感应发电机的有功功率控制回路中，控制的示意性如图3所示。以双馈感应发电机的端电压为PSS输入的一个额外控制信号

14、被馈送到的无功功率控制环路，各信号随后反馈至一个冲刷块，它的作用是一个高通滤波器，以消除任何稳态条件下的控制信号。控制信号通过补偿器，然后提供适当的增益和有助于系统稳定性的阻尼。图3 双馈反应发电机PSS示意图发电机的电气性能和转换器是一个电流调节电压源转换器，发电机的传统性能，如内部角和激励电压等是无关紧要的。因此，通过转换器的信号中不会存在很大的滞后。这样当调节的双馈感应发电机励磁以提高阻尼时，便排除了增加相位补偿块的需要。4.3 转矩设定点的修正（）这一战略最初提出的9是基于改变双馈感应发电机的转矩设定点以改变电网频率的想法。由于双馈感应发电机的增加渗透降低了系统的转动惯量，它会影响常规

15、同步电机的惯性模式。最初的想法是通过同步电机的惯性模式，提供惯性支持和提高频率最低点，以便提供阻尼。辅助控制的示意图为图2。从图中可以看出，扭矩设定点（）有代数增量，它是附加控制信号引起的，转矩设定点增加时，电网频率以1 p.u下降。附加控制器的输入是在总母线处的频率偏差，从双馈反应发电机处取得的支持取决于存储在涡轮机叶片上的动能。而这种涡轮机转动惯量是有限的，由它的额定容量决定。因此，要根据风电场的频率偏差和额定容量，去调整辅助控制块的增益。计算式如下： （3）其中，G代表该辅助控制回路的增益；代表风电场双馈反应发电机的额定容量；代表系统的容量基准；代表所有的风电场互连点间电网频率的最大偏差

16、。在电网频率的最大偏差时模拟一系列的大扰动产生的条件，使得该系统可以承受而不会瞬时不稳定。图2 辅助控制信号示意图第5章 仿真结果与讨论这项研究在一个超过22000个节点，3104台发电机，总发电量为580611兆瓦的大型系统上进行试验。分析中，所有提供的建模数据都被保留在了数据集中，这包括在了常规发电机建模的总和。在这个大系统内，发电机的渗透大量增加，研究区域内系统总装机容量为4730.91MW。本文的分析考虑到了现有和计划要增加的所有的渗透信息的总和。当以双馈反应发电机建模时，一共有14个风电场，范围从14兆瓦到200兆瓦，总装机容量为1460兆瓦。该系统传输的电压等级为69千伏，161千

17、伏至345千伏。69千伏级风力发电机组与电网相连。研究中使用的双馈感应发电机的模型是基于6中的模型。使用的软件由力成Labs公司开发的软件包DSATools。软件可以分析功率流和短路分析工具（PSAT），暂态安全评估工具（TSAT）和小信号分析工具（SSAT）。在暂态安全评估工具（TSAT）中，所有新的风电场均可使用TSAT GE 1.5 MW DFIG模型表示。5.1 场景描述本文就四种不同的情况进行了分析，每种情况的描述如下：1、情形A中，基本情况下在研究区域内，用额定容量相同的传统的圆形转子同步电机（GENROU）取代双馈感应发电机；2、情形B中，提供了所有现有的双馈反应发电机的原始情况

18、；3、情形C中，在研究区域内，增加了915兆瓦双馈反应发电机风力发电机组的渗透。研究区域内，负荷以2增长（预测负荷增长），过剩的发电量输出到附近区域。4、情形D包含这种情况，用相应的额定容量 GENROU代替了其中双馈反应发电机风电场增加的风渗透。因此这种情形下，所用的圆形转子同步电机（GENROU）的额定容量要大于情形A中的。该项研究中，出口处增加功率的目的，是为了保持系统的总发电量为常数。这就表示，研究区功率的输出增加，意味着相邻区域的输出的发电功率相同数量的减少。5.2 没有补充性控制的小信号稳定性分析本文在评估提出的控制策略的有效性之前，分析惯性和详细的特征值的灵敏性分析。1、计及惯性

19、的灵敏性分析我们将得到给定模式下，对用传统的同步发电机取代双馈反应发电机后的系统，计及发电机惯性作灵敏性分析。对灵敏度的评估，通过计算两个模型的得出，一个是基本情况下计及惯性的值，另一个是考虑到“扰动”后的计算。考虑扰动后，转动惯量增加了0.5。运用软件中的SSAT进行计算。此功能允许灵敏性评估中参数可以有相对较大的变化范围。在这种分析中，惯量作为灵敏度评估的参数。分析本质上组成了系统中风电场的插入点。这种分析只适用于情形A中在频率从0.1Hz2Hz的所有模式。因为一个模式的稳定性是由特征值的实部确定，因此对实部的灵敏度进行检测，则可以确定具有最大的实部变化的敏感度的模型。在几种振荡模式分析中

20、，具有显著不同的实数部分的灵敏度，与特征值的实部比较后结果表示于表中：表1 影响阻尼的主要不利因素对这一模式的14个风电场的发电机组，采用相同的额定容量的传统同步电机取代双馈反应发电机的实数部分的灵敏度值显示在表2中。表2 与特征值灵敏度相对应的影响阻尼的主要不利因素如表2所示的所有具有负值的实数部分的敏感性反映出，在这些点处，转动惯量的减少，特征值将朝着系统稳定的右半平面移动。2、计及双馈反应发电机渗透的特征值分析本文将会对案例A至D中，频率范围为0.1-2 Hz灵敏性分析的结果进行详细的特征值分析。表3显示了在表1中的数据计及了双馈感应发电机的渗透增加时，对系统造成不利的影响的情况下模式所

21、对应的特征值的分析。在所有四种情况下，都可观察到的临界模式。由于双馈反应发电机渗透率的增加引起的风机阻尼比的变化，准确地反映了敏感性分析的趋势。B和C的情况下，惯性降低是由于双馈反应发电机阻尼夹杂物的降低。A和D的情况下，其中风电场表示为传统的同步机，对应的同等级的阻尼更高。表3 对A、B、C、D四种情况影响阻尼的主要不利因素的总结5.3 采用惯性控制特征值分析同样的模式的情况下被认为是观察系统的阻尼性能的惯性控制器的控制效果。表IV显示了考虑到转动惯量控制器后特征值分析的结果。结果显示了没有辅助控制的情况下，改进与实施的转动惯量控制器的阻尼。表4 情形B和C中有惯性控制器时影响阻尼的主要不利因素5.4 特征值分析与双馈反应发电机的PSS在第四部分中，讨论了双馈反应发电机的PSS后对特征值进行分析。表5显示了与特征值分析的结果相对应的双馈感应发电机的PSS的实施，以及表1中所