李宗澤，胡桂軍

（河北新天科創(chuàng)新能源技術(shù)有限公司，張家口 075000）

引言

國內(nèi)的用電量每年大幅度攀升，為了提高電力功率的開發(fā)，增加電力傳輸?shù)木嚯x，近年來逐漸開始實(shí)行風(fēng)電并網(wǎng)，不僅能大大提高輸電能力，還能在一定程度上減少網(wǎng)損率，滿足大量的電力需求。經(jīng)過多方實(shí)踐和研究證明，風(fēng)能作為一種清潔能源，在與電力系統(tǒng)融合時，能有效地改變電力的逆向分布特征，同時改善傳統(tǒng)發(fā)電帶來的環(huán)境污染。利用雙饋風(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)風(fēng)電并網(wǎng)，能提升電能輸送能力，但存在的弊端則是很容易產(chǎn)生次同步振蕩，影響風(fēng)電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對電網(wǎng)產(chǎn)生一定的危害，因此有效地控制次同步振蕩是必要的。相關(guān)學(xué)者一直深耕該領(lǐng)域，也取得了一些較好的辦法。

吳熙等人[1]在研究雙饋機(jī)并網(wǎng)過程中產(chǎn)生的次同步振蕩控制方法時，提出自適應(yīng)控制方法，建立精度控制模型，通過對參數(shù)結(jié)構(gòu)的有效固定，通過改變附加阻尼的實(shí)時強(qiáng)度，在動態(tài)線性環(huán)境相愛，通過輸入雙饋風(fēng)電機(jī)組的數(shù)據(jù)特征，完成動態(tài)控通過制；馬天輝等人[2]在研究中電平換流器實(shí)現(xiàn)對風(fēng)電機(jī)組的柔性輸電，建立協(xié)同控制策略，在柔性直流輸電條件下，有效地增加針對次同步振蕩的控制能力，搭建風(fēng)電場的阻尼控制方案，實(shí)現(xiàn)對次同步振蕩的有效控制。

上述方法缺少一定的自主學(xué)習(xí)能力，雖然也能取得一定的控制效果，但是對次同步振蕩的控制參數(shù)的關(guān)聯(lián)性分析，還缺少一定的理論支持。本文提出一種雙饋風(fēng)電機(jī)組次同步振蕩自主學(xué)習(xí)控制方法，力圖在傳統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，給出優(yōu)化解決方案。

1 雙饋風(fēng)電機(jī)次同步振蕩問題的提出

考慮到雙饋機(jī)組中風(fēng)能的分布特征，風(fēng)電場通常建于較為偏遠(yuǎn)的區(qū)域，這導(dǎo)致輸電線路相對較長，在研究雙饋風(fēng)電機(jī)的次同步振蕩問題過程中，需要將線路電感考慮進(jìn)去，線路長短直接影響輸出端電壓，為了抵消線路感抗，增加相應(yīng)的串聯(lián)補(bǔ)償電容，研究中假設(shè)額定功率為1.5 MW 的雙饋風(fēng)電機(jī)共有n臺，并組成機(jī)組與電網(wǎng)對接[3]。

為了有效地分析雙饋風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中產(chǎn)生的次同步振蕩問題，在這一節(jié)首先分析次同步頻段內(nèi)的振蕩等效電路機(jī)理：

通常情況下雙饋風(fēng)電機(jī)運(yùn)行支路對應(yīng)的等效阻抗為正，對應(yīng)的變化幅值大于定轉(zhuǎn)子運(yùn)行支路阻抗，此時運(yùn)行支路對諧振頻率的影響極小，可以暫時忽略。因此在雙饋風(fēng)機(jī)的分析中，將運(yùn)行支路視為開路[4]。建立簡化后的雙饋風(fēng)機(jī)對應(yīng)阻抗[5]：

式中

Zdfi—雙饋風(fēng)電機(jī)的運(yùn)行等效阻抗；

ωp—諧振電流的振動角頻率；

ωs—定子角頻率；

ωr—轉(zhuǎn)子角頻率；

Rs、Rr—定子和轉(zhuǎn)子的電阻；

Lls、Llr—定子和轉(zhuǎn)子的運(yùn)行漏感；

Kip、Kii—短路電阻電流內(nèi)部調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)比例和調(diào)節(jié)系數(shù)；

Kd—d、q軸之間存在的交叉耦合項(xiàng)；

σp—雙饋風(fēng)電機(jī)的次同步轉(zhuǎn)差率[6]。

將雙饋風(fēng)電機(jī)的電阻和電感表示為Rd、sLd，這有利于在復(fù)頻域條件下對風(fēng)電機(jī)串聯(lián)補(bǔ)償?shù)难芯?，這種條件下獲取的等效阻抗電路圖為圖1。

圖1 等效阻抗電路圖

根據(jù)圖1 可知，R g、Lg對應(yīng)的是線路的電阻和電感，C表示雙饋風(fēng)電機(jī)的串聯(lián)補(bǔ)償電容，Isub(s)表示雙饋機(jī)的次同步電流，U(s)表示幅頻域條件下與同步電流對應(yīng)的總電壓。

式中：

sLg—風(fēng)電機(jī)組電感。

雙饋風(fēng)電機(jī)正常運(yùn)行狀態(tài)下，發(fā)生諧振頻率時對應(yīng)的容抗和感抗之和應(yīng)為0，考慮到這一點(diǎn)可以得到正常運(yùn)行狀態(tài)下諧振點(diǎn)的等效阻抗[7]：

當(dāng)Rd+Rg＜ 0時，諧振電流受到負(fù)電阻影響，逐漸放大后導(dǎo)致發(fā)生功率次同步振蕩。通過分析簡化的雙饋風(fēng)機(jī)對應(yīng)阻抗和等效阻抗電路圖，描述了雙饋風(fēng)電機(jī)的運(yùn)行等效阻抗、諧振電流、串聯(lián)補(bǔ)償電容等參數(shù)。并且指出了在正常運(yùn)行狀態(tài)下，諧振點(diǎn)的等效阻抗應(yīng)為0，但由于諧振電流受到負(fù)電阻影響，逐漸放大后會導(dǎo)致發(fā)生功率次同步振蕩。因此，阻抗調(diào)整是解決次同步振蕩的主要方法。

2 雙饋風(fēng)電機(jī)次同步振蕩控制中的轉(zhuǎn)差率約束關(guān)系分析

通過上一章節(jié)可以看出，當(dāng)雙饋風(fēng)電機(jī)在完成串聯(lián)補(bǔ)償時，可能會發(fā)生電氣的自激振蕩情況，雙饋風(fēng)電機(jī)整體的次同步振蕩將會增加，由于其中包含了感應(yīng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)的振蕩路徑，此時，次同步振蕩頻率受到多方面因素的影響：其中包括串聯(lián)補(bǔ)償效應(yīng)、變壓器狀態(tài)以及線路的等效容感參數(shù)，為了使次同步振蕩的控制能更加全面，需要準(zhǔn)確掌握次同步振蕩中，這些參數(shù)存在耦合關(guān)系，不能同時作為約束條件，帶入到控制方法中。本文以轉(zhuǎn)差率作為約束條件，下面證明其可行性：

雙饋風(fēng)電機(jī)的次同步振蕩轉(zhuǎn)差率為：

式中：

fs—風(fēng)電機(jī)定子側(cè)三相電壓對應(yīng)的頻率；

fm—轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)動頻率[8]。

考慮到同步振蕩轉(zhuǎn)差率中存在的振蕩分量，假設(shè)對應(yīng)的交流頻率在7 Hz 左右，那么此時雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子范圍在（40～60）Hz 范圍內(nèi)，次同步轉(zhuǎn)差率的數(shù)值均為負(fù)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時，相對應(yīng)的fm值也會較小，此時獲得的R rσp絕對值則會變大，間接使雙饋風(fēng)電機(jī)組中的電阻成分更容易被抵消，導(dǎo)致風(fēng)電網(wǎng)中的弱阻抗現(xiàn)象更加嚴(yán)重[9]。

在風(fēng)電網(wǎng)的回路中，如果存在一定程度的次同步轉(zhuǎn)差率分量，那么雙饋風(fēng)電機(jī)組中將會產(chǎn)生擾動電流，此時導(dǎo)致的變流器的輸出電壓發(fā)生波動[10]：

式中：

n—風(fēng)電網(wǎng)的回路數(shù)量；

Δis—諧振頻率變化量；

Kp—雙饋逆變器的電路回流比例次數(shù)。

在雙饋風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行中，產(chǎn)生的激磁電抗相對于定轉(zhuǎn)子漏抗[11]會更多，此時可以得到總等效電阻并表示為：

式中：

Rr—轉(zhuǎn)子電阻；

Rs—定子電阻；

R—風(fēng)電機(jī)組的實(shí)施變化電阻。

根據(jù)公式（7）中對總等效電阻的求解，在其中增加了一定的負(fù)阻尼，表明逆變器額實(shí)際作用對象為感應(yīng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)產(chǎn)生的次同步振蕩，而振蕩中的具體成分受到變流器控制后，逐漸形成正反饋，次同步電流在這個過程中逐漸增大，形成雙饋風(fēng)電機(jī)正向激勵，當(dāng)感應(yīng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)不再產(chǎn)生振蕩時，風(fēng)電網(wǎng)的運(yùn)行振蕩也會更快發(fā)散，雙饋電機(jī)的負(fù)阻尼大小跟隨風(fēng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速而發(fā)生實(shí)時變化，轉(zhuǎn)速越低時負(fù)阻尼的絕對值會越大，此時雙饋風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)的阻尼相對薄弱，考慮到次同步成分在轉(zhuǎn)子電壓上的作用情況，獲得定轉(zhuǎn)子之間的電壓關(guān)系[12]：

式中：

N—雙饋風(fēng)電機(jī)組的定轉(zhuǎn)子匝比；

ur—轉(zhuǎn)子電壓；

ur—定子電壓。

通過上述分析可知，正常運(yùn)行狀態(tài)下的雙饋風(fēng)電機(jī)組中轉(zhuǎn)子對應(yīng)的全頻率范圍在（40～60）Hz，實(shí)際的轉(zhuǎn)差率范圍在正負(fù)0.2 之間，而當(dāng)次同步范圍在7 Hz 時，實(shí)際的轉(zhuǎn)差率范圍在-7.5 到-4.6 之間，即使是微小的次同步分量，也會在雙饋風(fēng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的電壓壓力，在一定程度上增加風(fēng)電網(wǎng)的適應(yīng)難度。次同步頻率的高低，對轉(zhuǎn)差率有著一定的、影響，當(dāng)頻率越低時，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電壓的次同步成分越大。研究中得出次同步振蕩時針對轉(zhuǎn)差特性[13]的研究結(jié)果，如表1 所示。

表1 轉(zhuǎn)差特性放大效應(yīng)研究

通過分析雙饋風(fēng)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率、轉(zhuǎn)子電壓與定子電壓之間的關(guān)系，了解不同頻率范圍下次同步振蕩的特性和影響。在次同步頻率較低的情況下，轉(zhuǎn)差率范圍較大，導(dǎo)致雙饋風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓承受較大壓力，增加了風(fēng)電網(wǎng)的適應(yīng)難度。同時，表1 中給出了針對轉(zhuǎn)差特性的研究結(jié)果，進(jìn)一步揭示了次同步振蕩時的轉(zhuǎn)差率特性，因此，以轉(zhuǎn)差率作為控制約束，是可行的。

3 轉(zhuǎn)差率約束下次同步振蕩控制方法設(shè)計(jì)

基于上述的雙饋風(fēng)電機(jī)次同步振蕩機(jī)理與特性分析結(jié)果，文中選擇利用多目標(biāo)深度學(xué)習(xí)進(jìn)行次同步振蕩控制，由于深度學(xué)習(xí)具備較強(qiáng)的自適應(yīng)分析能力，能通過簡單的結(jié)構(gòu)完成難度較大的訓(xùn)練，由于雙饋風(fēng)電機(jī)組的數(shù)據(jù)較多，因此深度學(xué)習(xí)模型中，除了基礎(chǔ)的輸入層、隱含層和輸出層之外，將隱含層的數(shù)量設(shè)置為6 層。深度學(xué)習(xí)狀態(tài)可表示為：

式中：

w—深度學(xué)習(xí)迭代權(quán)重；

b—偏置條件；

f(· )—深度學(xué)習(xí)的激活函數(shù)；

a—學(xué)習(xí)層數(shù)；

wi—輸入層神經(jīng)元；

xi—輸出層神經(jīng)元；

j—深度學(xué)習(xí)狀態(tài)；

ym—針對雙饋風(fēng)電機(jī)組的多目標(biāo)深度學(xué)習(xí)目標(biāo)；

wim—分析提取風(fēng)電機(jī)組次同步振蕩所須的迭代權(quán)重；

bm—機(jī)組偏置[14]。

選擇合適的轉(zhuǎn)差率數(shù)據(jù)作為約束，將振蕩中的串聯(lián)補(bǔ)償效應(yīng)、變壓器狀態(tài)以及線路的等效容感參數(shù)作為輸入，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練。具體的控制過程如下：

通過第一章節(jié)內(nèi)容可知，在轉(zhuǎn)子側(cè)控制阻尼，這在一定程度上可以獲得與轉(zhuǎn)速變化相反的電磁轉(zhuǎn)矩[15]，保證次同步振蕩為正向阻尼，實(shí)現(xiàn)抑制控制效果，加強(qiáng)風(fēng)電并網(wǎng)的的實(shí)時性能。因此，將雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速偏差作為多目標(biāo)深度學(xué)習(xí)的輸入約束量，經(jīng)過隱含層的控制連接，完成對應(yīng)的濾波平衡，當(dāng)轉(zhuǎn)速變化在d、q軸上產(chǎn)生電壓變化時，則可以直接添加到原始的參考電壓中，實(shí)時進(jìn)行阻尼控制。

設(shè)定風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速變化量rωΔ ，在d、q軸上轉(zhuǎn)子側(cè)完成控制過程中，產(chǎn)生的電壓變化情況如下：

式中：

ΔVd、ΔVq—d、q軸上的轉(zhuǎn)子側(cè)控制變化過程中的電壓變化量；

Vd r、Vqr—附加阻尼條件下的電壓變化情況；

Gd r、Gqr—d、q軸上的阻尼分量；

Δφr—隱含層的變化分量。

利用d、q軸上的附加轉(zhuǎn)矩ΔTerd和ΔTerq可以實(shí)時改變阻尼，達(dá)到控制振蕩的效果。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析

4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

為了驗(yàn)證出本文方法下雙饋風(fēng)電機(jī)組次同步振蕩控制方法是否有效，進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中設(shè)定基礎(chǔ)頻率為500 Hz，并在串聯(lián)補(bǔ)償中設(shè)定40 %的振蕩源，風(fēng)電機(jī)組的串聯(lián)補(bǔ)償電容值設(shè)為35 uF，并在實(shí)驗(yàn)的第8 s 發(fā)出振蕩源，文中研究的控制方法實(shí)時出發(fā)在轉(zhuǎn)子處。次同步振蕩的振源：發(fā)電設(shè)備（如發(fā)電機(jī)齒諧波（900～1 500）Hz）、輸配電系統(tǒng)用電設(shè)備（如晶閘管整流設(shè)備）存在寬頻帶諧波源；共振點(diǎn)：網(wǎng)架與風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)成的容感回路有固定的振蕩頻率。次同步振蕩種類為欠阻尼。本文設(shè)計(jì)的控制方法依托DSP 芯片，本文方法下的振蕩抑制電路如圖2 所示。

圖2 本文方法下設(shè)計(jì)的次同步振蕩抑制電路

在未投入任何控制措施下的雙饋風(fēng)電機(jī)組次同步振蕩情況如圖3 中的波形所示。根據(jù)圖3 中放大后的波形可以看出，次同步振蕩發(fā)生在第8 s 的時候，經(jīng)過1 s 之后，第9 s 后波形開始嚴(yán)重失穩(wěn)。

圖3 雙饋風(fēng)電機(jī)組的次同步振蕩情況

4.2 實(shí)驗(yàn)微觀指標(biāo)

在雙饋風(fēng)電機(jī)組的次同步振蕩控制中，較高的阻尼比可以表述抑制振蕩的有效性，并加速系統(tǒng)回到穩(wěn)態(tài)，降低振蕩幅值和頻率。表達(dá)式為：

式中：

ΔVd、ΔVq—阻尼系數(shù)；

Vd r、Vqr—雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)動慣量；

Gd r、Gqr—雙饋風(fēng)電機(jī)組的剛度。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比分析

在40 %的雙饋風(fēng)電機(jī)組串聯(lián)補(bǔ)償度下，可以證明附加阻尼對次同步振蕩控制是有效的。接下來為進(jìn)一步測試設(shè)計(jì)方法的實(shí)用性，采用文獻(xiàn)[1]方法、文獻(xiàn)[2]方法作為對比方法，則三種方法的控制結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同方法控制結(jié)果對比

對雙饋風(fēng)電機(jī)組的次同步振蕩投入控制策略，根據(jù)圖4 中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)方法能夠有效降低次同步振蕩的波動，而對比方法控制后的次同步振蕩波動仍較大，說明設(shè)計(jì)方法的控制效果較好，具有實(shí)用性。

為進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的控制效果，以阻尼比為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行對比測試，測試結(jié)果如圖5 所示。

圖5 不同方法阻尼比

根據(jù)圖4 可以看出，本文方法的阻尼比明顯高于對比方法，最高時達(dá)到43.2 %，而文獻(xiàn)[1]方法的阻尼比最高達(dá)到了28.4 %，文獻(xiàn)[2]方法的阻尼比最高達(dá)到了18.7 %。由此可見本文方法的次同步振蕩控制效果較好。

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的實(shí)效性，進(jìn)行次同步振蕩控制時間測試，測試結(jié)果如表2 所示。

表2 測試結(jié)果

根據(jù)表2 可以看出，本文方法的次同步振蕩控制時間最高為14 ms；而對比方法的次同步振蕩控制時間明顯高于本文方法，文獻(xiàn)[1]方法的次同步振蕩控制時間最高達(dá)到了31 ms，文獻(xiàn)[2]方法的次同步振蕩控制時間最高達(dá)到了38 ms。由此可見，本文方法的控制效率較高，具有實(shí)用性。

5 結(jié)論

為提高雙饋風(fēng)電機(jī)組在風(fēng)電并網(wǎng)中的適應(yīng)能力，提高并網(wǎng)性能，減少風(fēng)電機(jī)組受到的次同步振蕩影響，在研究次同步振蕩控制方法的過程中，通過分析雙饋風(fēng)電機(jī)次同步振蕩機(jī)理，進(jìn)行次同步振蕩特征分析，基于多目標(biāo)深度學(xué)習(xí)，構(gòu)建輸入層、隱含層和輸出層，實(shí)現(xiàn)對次同步振蕩的特征提取和分析，實(shí)現(xiàn)迭代控制。實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了投入控制策略的最佳時間，也證明通過控制附加阻尼能有效地實(shí)現(xiàn)次同步振蕩的控制。