文摘

改进模糊控制器故障度过(FRT)能力的变速风力涡轮机(WTs)配备双馈感应发电机(DFIG)。控制器的目的是为了补偿电压的公共连接点(PCC)通过调节所产生的无功和有功功率出世。控制器的性能评估在一些案例研究考虑不同数量的风力发电机组在不同的位置。进行模拟,一个真正的37-bus意大利疲弱的分销系统,证实,该控制器可以提高FRT能力在许多情况下。

1。介绍

风力涡轮机(WTs)通常位于偏远和农村地区。在这些领域,在中压馈线长和运营水平的特点是高R / X比和不平衡电压的情况。此外,弱电网通常被称为“低短路水平”或“低故障率水平。“弱网络真实和无功功率的变化会引起相当大的电压的变化。依靠网络的力量和影响输出功率的出世1]。WTs融入弱电网会造成稳态电压电平出去的可接受的极限。因此,它可以限制风能资源的开发。另一个约束相关的影响所产生的力量WTs电压质量。电压水平的局限性和准确控制系统需要控制的电压变化以及提高电压质量(2],变速出世可以作为无功电压控制。

近年来,许多研究已经在这个领域进行。基于一个比例积分(PI)控制算法来控制无功功率产生的出世已经提议在3]。在[4),作者提出了一个数学模型的双馈感应发电机(DFIG)分析的活跃和风电场的无功功率表演(WF)。在[5),无功和有功功率之间的关系来维持DFIG的操作在最大的转子和定子电流进行了研究。在[6),作者提出了一个模糊控制器来管理操作的飞轮储能系统(ESS)连接到直流总线。

但是最近,渗透到网格增加,和出世的性能缺点已成为一个重要的问题,尤其是对DFIGs。几个网格编码规定,但是事实上,应该保持连接到网络的期间和之后的缺点。出世的能力保持连接到电网故障期间和电压变化定义为故障度过(FRT)能力(7]。常见的FRT能力改进的解决方案之一是建立一根撬棍在转子电路终端(8]。另一个常见的方法是插入一个ESS (9),如电池或超级电容器直流总线在转子侧变换器(RSC)。控制策略改善FRT功能通过使用灵活交流输电系统(事实)设备,提出了ESS (10]。在[11),作者提出了一种新的前馈瞬态电流控制(FFTCC)应用于RSC改善FRT能力。在[12),一个模糊控制器来管理转子速度振荡和DFIG的直流环节电压的变化提出了。

本文的模糊控制器改善风电场FRT变速出世的能力。控制器的目的是为了补偿电压的公共连接点(PCC)通过控制WFs所产生的无功和有功功率。在以前的研究工作,其他作者调查了FRT能力提高只考虑电压凹陷,而本文的电压膨胀效应也被认为是调查FRT根据丹麦网格代码能力提高。提出了模糊控制器的新颖性在于同时考虑积极和无功功率调节。特别是,如果电压时膨胀,吸收无功功率不足够低的电压PCC的法定范围内,积极的参考信号电力生产减少了模糊控制器。在这种情况下,WT不会产生最大有功功率根据其功率系数,但这将决定两个电压调节的积极影响PCC:首先,由于规模有限的电力转换器DFIGs,有功功率减少将使最大吸收无功功率,可以增加出世;此外,在中压弱网络长喂以高R / X比,有功功率的减少也可以增加喂食器上的电压降在PCC从而导致较低的电压。

控制器的性能分析电压跌落和膨胀考虑不同的负载值。不同位置已经被假定为WFs和模拟进行了实际37-bus弱分销网络。丹麦的电压低于100千伏电网代码的使用是为了评估FRT能力改进。

本文的组织结构如下:网格代码需求和FRT能力提出了部分2。WT发电机系统和模糊控制器的设计进行了部分3和4,分别。案例研究和仿真结果讨论了部分5。

2。网格代码需求和FRT能力

但是近年来,越来越多的渗透到电力系统导致电力系统运营商开发新的网格代码要求WTs在许多国家。这些需求强加出世运营商处理某些方面如FRT能力,无功功率控制和电压控制。这意味着,只要一看到WTs连接到配电系统需要协调与电压和无功功率控制。一些国家提供了不同的网格编码根据其系统特征和操作标准,如E的代码。Netz德国,丹麦,比利时,英国,西班牙,荷兰,美国,和加拿大的hydro - quebec (TSO13]。从Nordel北欧电网代码(14)指定新出世的技术要求应该为了连接传输网络和提供可接受的安全运行和可靠性。比利时网格代码(15),提供的比利时TSO,伊利亚,适用于电网电压水平30 - 70千伏和150 - 380千伏。这段代码是不同的电压扰动的歧视。德国从E网格代码。在德国Netz [16)适用于电网110千伏的电压水平,220 kV、380 kV (17]。

丹麦网格代码(17)与出世连接到电网的电压低于100千伏。图1说明了丹麦的FRT要求网格代码。除了FRT需求如图1,WFs必须断开如果电压增加1.2 p.u之上。

3所示。模糊控制器的描述

由于电力系统的非线性和线性化问题,控制变量的风速WTs与传统控制方法不能正确执行。例如,一个比例积分(PI)控制器设计需要识别WT传递函数,网络的线性模型,并定义一个精确的优化过程。

使用模糊控制器能克服这些问题,平衡系统的非线性以及时间方差控制不需要一个精确的模型。出世的控制,例如,不准确的气动计算,宽容在安装涡轮机,叶片上的污垢或冰,时变气动参数,可以使模糊逻辑控制和其他不可预测的参数变化比如果与传统控制方法相比18]。

该模糊控制器提出了许多优点如果比PI控制器(19,20.]:很容易获得变量收益取决于错误;这是简单的在解决问题受到不确定的模型,它给快速收敛,参数不敏感,接受嘈杂和不准确的信号。

积极的考虑,对于一个给定的组合和无功功率,最大吸收的无功功率,可以注入/ WT取决于电源转换器的大小和生成的有功功率,最大无功功率WT可以注入/吸收可以增加减少生成的有功功率按照下列公式: 在哪里电源转换器的大小,给出最大视在功率,和分别生成的活性和无功功率。提出了控制器设计是为了补偿电压在PCC注射/吸收所产生的无功功率的电网侧变换器(GSC)和RSC以及通过调节有功功率调制器用于减少生成的有功功率的电压会膨胀。

特别是,当吸收无功功率达到最大值的80%和测量的电压超过参考价值,有功功率却降低了由模糊控制器以增加最大WT能吸收的无功功率。此外,它与保护系统相结合用于断开时从电网出世控制器无法补偿的电压变化。

模糊控制器,如图2提出了三个输入:错误,的积分误差,测量无功功率在PCC和两个输出无功功率参考信号的参考价值(),不同的范围内(−1 1)和有功功率调制器的参考信号,不同区间[0,1],两个模糊控制器发送的WT本地控制器。

错误被定义为参考电压之间的差异(PCC)和测量电压。

第三个输入,在PCC无功功率测量,以确定使用需要有功功率调制器时由模糊控制器。

无功功率参考信号()是由模糊控制器发送出世的本地控制器以注入/吸收无功功率。有功功率调制器是参考信号发送的有功功率生产和模糊控制器出世的本地控制器以降低注入有功功率,目的是增加吸收无功功率根据(1)。

模糊控制器的实现需要一个足够的知识基础和能力改变后者在一组模糊规则。知识库已经编码的语言组成的一组规则语句连接有限数量的条件和有限数量的结论。这样一个可以收集和由人类专家知识和表达的有限数量(启发式的多输入单输出(味噌)模糊规则,写成以下形式: 在哪里,,语言变量的值(条件),在宇宙中定义的话语:分别为,是独立的语言变量的值在论域。

在所有相关的参数方法,隶属度函数(MFs)有显性效应改变其性能。

MFs的类型通常是选择符合预期的输入数据分布或集群和可以影响跟踪精度和执行时间。三角形、梯形和高斯隶属度函数是常见的选择即使任何凸形状都可以采用。尽管大多数研究人员倾向于设计输入/输出模糊集会员使用相等的数学函数,这些并不总是保证最好的解决方案。

在拟议的方法中,选择最好的隶属度函数已经完成的基础上的先验知识和实验系统及其动力学。特别是,三角形和高斯隶属度函数相比。此外,为了设计一个方法,减少跨MFs选择:这保证顺畅的结果用更少的振荡,大型和快速控制行动,当系统状态设置点,和温和而缓慢调整设定值附近时。因此,当系统更接近设定值,模糊MFs,对于那些特定的语言条件,有狭窄的跨度。

模糊集的输入和输出假设以下名称::,:,:,:泽:0,等等。9个三角形隶属度函数被选中的输入和输出。输入和输出的隶属度函数图所示3。

推理规则的控制器可以控制表面和一些表提供了这些规则1。86规则是为了设计模糊控制器。Mamdani-based系统架构实现;不等式性质和质心方法用于推理引擎和去模糊化过程,分别。

模糊控制器的两个控制面图提供4。根据图4(一)在电压凹陷的情况下(错误是积极的)由模糊控制器发送到本地控制器的出世,以注入无功功率在电压的情况下膨胀(误差为负),当不足以补偿电压膨胀效果,发送的有功功率调制器是模糊控制器的本地控制器WTs为了降低有功功率,根据(1),并因此增加吸收无功功率。

正如从图4 (b),当吸收无功功率达到最大值的80%和测量的电压超过参考价值,有功功率却降低了由模糊控制器以增加最大WT能吸收的无功功率。此外,它与保护系统相结合用于断开时从电网出世控制器无法补偿的电压变化。

一个容易理解的模糊控制器可以概括为以下方面的考虑。(1)如果错误是积极和积分误差是积极的和无功功率测量的PCC是正的,那么应该注入无功功率的出世。(2)如果错误是负误差和积分为负,无功功率测量的PCC不是NVB,那么应该出世吸收无功功率和有功功率调制器是零。注意,在这种情况下,吸收无功功率足够为了降低电压膨胀效应也不需要调节有功功率。(3)如果错误是负误差和积分为负,无功功率以PCC NVB,无功和有功功率调节以降低电压膨胀效果。

4所示。风力涡轮发电机系统

DFIG是绕线转子异步发电机定子直接连接到电网和转子通过一个连续的转换器连接到网络。的示意图DFIG-based WT图所示5。RSC的目的是控制自主活动和无功功率在电网,而GSC直流环节电压维持在一组值。

风速和空气动力力矩之间的关系在WT可由以下方程描述: 在哪里和是权力和气动转矩提取风(W, N / m),分别。是空气密度(公斤/米³),风力涡轮机转子半径(米),相当于风速(米/秒),是螺旋角的风力涡轮机叶片(度),就是速度比率,在哪里转子转速的WT (rad / s)和转子的空气动力效率。可以表示为一个函数的尖端速度比()和螺旋角()由以下方程: 在哪里定义如下:

异步发电机的权力被WT转换成电能并将其传输到电网。AC / DC / AC变换器由RSC GSC。RSC和GSC都是电压源转换器(vsc)使用强制转换电力电子设备合成一个交流电压的直流电压源。控制系统的详细描述转换器和螺旋角命令可以在找到21]。

4.1。能力曲线

总DFIG送入电网的有功功率是定子和转子有功功率的总和。 考虑到 在哪里是总DFIG送入电网的有功功率,定子有功功率,转子有功功率。总无功功率送入电网无功功率之和GSC和RSC。通常,这些逆变器与功率因数统一,因此,总无功功率等于定子的无功功率:

活动和定子无功功率可以表示为一个函数的最大允许电流的转子和定子22]:

方程(10)代表为中心的周长等于定子额定视在功率。方程(9)代表一个周长为中心在[,0)。用(8)和(9)(10)和(11)可以表示为

根据(DFIG能力限制12)和(13)可以通过考虑到定子和转子最大电流和,分别。然而,交付给电网的无功功率受到限制的转换器和表达为转子电流限制,以避免过度加热的转换器,转子销售和刷子。定子无功功率极限依赖于定子有功功率,定子电压,最大的转子电流。它是表达如下:

方程(14)表达的最大无功功率可以交付给电网。

5。案例研究和仿真结果

一个DFIG-based WT,如图5,被认为是23]。为了测试该控制器,三个9兆瓦WFs (6×1.5 MW WTs)连接到一个真正的25 kV配电系统在公交车12疲弱,16日,如图35被认为是6。网络的特点是线高电阻和低X / R比率。功率和电压的基值9/0.9 MVA和575 V,分别。据认为WFs的能力曲线,极限的WT能吸收的无功功率或注入8兆乏和2.50兆乏,分别。真正的风力数据集被风工程研究实验室24被认为是。风速时间由17500年历史观测与采样率50秒钟间隔内25 Hz。

为了测试WFs的FRT能力赋予该模糊控制器考虑最小和最大负荷,研究了四种不同的场景为负载条件如下,共有八个案例:(1)案例研究1:30%的电压凹陷的持续时间1秒开始,考虑到(我)三个WFs公交车12、16和35岁的(2)两个WFs公交车16 - 35。(2)案例研究2:电压增加15%的持续时间1秒开始,考虑到(我)三个WFs公交车12、16和35岁的(2)两个WFs公交车16 - 35。

5.1。最小负载

总网络负载18千瓦和12.5兆乏认为最低负载。

5.1.1。案例研究A1(电压凹陷)

(i)当电压下降30%,每个WF注入无功电压凹陷,以帮助在电压增加到0.725,0.730,和0.741 p.u。分别WF2、WF1和WF3(见图7)。约2.25兆乏之间注入无功功率变化WF3约2.40兆乏WF2根据电压在公交车的连接。根据丹麦网格代码,所有WFs能够成功实现FRT要求,因此,保持连接到电网。

为了评估提出的控制器的有效性,这两种情况下没有任何控制器和与经典PI控制器设计(25)评估。结果在表2。可以证明,模糊控制器,所有WFs能够成功实现FRT要求并保持与PI控制器连接到电网的,而只有WF3能成功满足FRT要求并保持连接到电网而WF1和WF2断开。此外,没有任何控制器,所有WFs断开连接。

(2)在这种情况下,只有WF1和WF3考虑。WFs的反应力量注入增加如果相比之前的情况,只有WF3能够满足网格代码需求并保持连接到网格(见表3)。

5.1.2中。案例研究A2(电压膨胀)

(我)考虑三个WFs 15%电压膨胀,他们吸收无功功率,以帮助降低电压。电压,如图8(一个)在公交车16日,12日和35约1.060,1.070,和1.076 p.u。,分别。之间的吸收无功功率的变化对7兆乏WF1 WF3 8兆乏,如图8 (b)根据电压在总线的连接。此外,当吸收无功功率达到最大值的80%和补偿电压的变化是不够的,有功功率调制器是监管为了减少生成的有功功率,从而提高无功功率吸收WFs(见图8 (c))。根据出世的能力曲线和规模有限的电源转换器,WFs不能吸收无功功率超过8个兆乏。

根据模糊控制器的表面图4 (b),如图8 (c),它可以观察到,有功功率调制器监管开始。活动和无功功率的综合监管WFs允许减少电压所产生的膨胀效果。根据丹麦网格代码,所有WFs能够成功实现FRT要求,因此,保持连接到电网。为了评估的有效性提出了控制器,模糊控制器的性能比较与PI控制器的设计(25),没有任何控制器。如表所示4比例积分控制器,WF1 WF2可以成功实现FRT要求并保持连接到电网,WF3断开;此外,没有任何控制器,WFs都断开连接。

(2)在考虑只有WF1和WF3时,可以观察到WFs的吸收反应力量增加如果比前一情况,同时更有功功率降低。

例如,WF3,吸收无功功率约为7.8兆乏,以防(i)而减少约55%的有功功率。(2),而这些值约8兆乏和62%,分别。根据表5WF1和WF3能够成功实现网格代码需求并保持连接到电网。它可以得出结论,通过增加WFs的数量,剩下的连接的概率增加。

5.2。最大负载

总共24兆瓦的最大负载和15兆乏已经假定。同样的案例研究调查部分5.1最低负荷也研究了最大负载。

5.2.1。案例研究B1(电压凹陷)

(我)当电压下降30%,每个WF注入无功电压凹陷,以帮助在提高电压。约2.35兆乏之间注入无功功率变化WF3约2.50兆乏WF2 PCC根据电压。对应的最大负载,电压在PCC减少和活性力量注入WFs增加相比,如果最小负荷的情况下。如图9,所有WFs可以满足网格代码需求,可以保持连接到电网。

(2)通过减少WFs连接到网格的数量注入活性增加。根据表6,WF3可以实现网格,代码要求并保持连接到电网而WF1从电网断开。

5.2.2。案例研究B2(电压膨胀)

(我)考虑三个WFs 15%电压膨胀,吸收的无功功率变化之间大约6兆乏WF1约7 WF3兆乏。减少约28%和46%的有功功率达到WF1和WF3分别。根据丹麦网格代码,所有WFs可以成功完成FRT需求,因此,保持连接到电网。

(2)在这种情况下,WF1和WF3可以实现网格代码要求并保持连接到电网。

6。结论

摘要模糊控制器对提高变速的FRT能力WTs提出。控制器的目的是为了补偿电压跌落和膨胀通过调节活性和WFs所产生的无功功率。提出了控制器的性能评估在几个案例研究考虑与WFs 37-bus意大利疲弱的分销网络在不同的位置。仿真结果证明,该控制器可以提高出世的FRT在中压弱网络能力在许多情况下,从而提高风能开发。