风电系统电压稳定性与低电压穿越能力的模糊控制方案研究

工程科学与技术，国际期刊22（2019）827完整文章基于模糊控制的SVC提高风电系统电压稳定性和低电压穿越能力Hamid Rezaiea， Mohammed Hossein Kazemi-Rahbarba伊朗德黑兰Amirkabir技术大学电气工程系b伊朗德黑兰沙希德大学电气工程系阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2018年2018年11月11日修订2018年12月29日接受在线提供2019年保留字：电压稳定低电压穿越风电静止无功补偿器模糊控制A B S T R A C T静止无功补偿器（SVC）在电力系统的电压调节和提高稳定性方面有着广泛的应用。研究了风电场双馈感应发电机（DFIG）单机无穷大系统中SVC的性能。静止无功补偿器（SVC）的应用提高了系统的电压稳定性和风电场的低电压穿越能力。为了提高SVC的有效性，一个补充的模糊控制器（FC）的建议，并集成到SVC控制器。建议FC的使用导致增加的SVC控制器的精度，从而改善其性能在瞬态和稳态。通过使用所提出的控制器，提高了稳态电压和故障情况下的最大压降减小。故障发生后，使用建议的FC的电压降较小的结果，提高了低电压穿越能力，使风电场能够满足电网的要求，在更大范围内的负荷变化的系统。通过MATLAB/ Simulink仿真，验证了该方法在提高电压稳定性和低电压穿越能力方面的有效性，并研究了其对双馈风力发电机组性能的在三种不同的情况下进行了系统仿真研究，其中通过使用所提出的FC，在负载母线上的稳态电压误差和发电机（风电场）母线故障发生后的最大电压降平均分别减少了74.44%和25.16%©2018 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍近年来，全球变暖问题已成为人类关注的主要问题之一。为了解决这一问题，已经做出了巨大努力来减少由化石燃料发电引起的温室气体排放量。为此，除了在发电调度中考虑污染物排放外[1]，增加可再生能源（RERs）在电力系统中的渗透是最有效的策略之一。然而，由于大多数RERs的间歇性，其渗透率的增加会在电力系统的稳定性和可靠性方面引起在这方面，已经进行了许多研究工作，以通过适当的调度和控制与RERs集成的电力系统来应对这些挑战，例如[2风能是增长最快的RERs之一，因此近年来其稳定性，可靠性和安全性非常重要那里*通讯作者。电子邮件地址：h. aut.ac.ir（H. Rezaie）。由Karabuk大学负责进行同行审查是用于将电能源连接到电网的几种技术规范，称为风力发电的风力发电机在连接到电网时应该能够满足这些要求[7，8]。GCR由两部分组成：a）静态和b）动态。静态部分回顾了系统的稳态性能，如频率和电压调节，以及无功和有功功率控制。动态部分与故障情况和干扰下的系统性能有关在电网规范的动态部分中，关于风力发电的最重要的审查主题是低电压穿越（LVRT）。能力。以前，风力发电场像其他分布式发电（DG）被允许在故障情况下从网络断开。最近，由于风力发电量的增加，在故障期间断开风电场与网络的连接会导致更多的电压下降并增加电压崩溃的风险[9]。在这方面，在几个现代国家，系统运营商通过确定一个业务https://doi.org/10.1016/j.jestch.2018.12.0182215-0986/©2018 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestch828H. Rezaie，M.H. Kazemi-Rahbar/工程科学与技术，国际期刊22（2019）827风力发电场的行为，其具有类似于为常规发电单元定义的若干控制任务。风电场的故障穿越（FRT）能力是控制任务之一，根据该控制任务，风力涡轮发电机（WTG）在故障情况下应保持与电网的连接并且具有LVRT能力。它们规定了LVRT特性，明确定义了故障情况下的电压水平及其持续时间，其中WTG应保持连接到网络。关于该主题的更多信息可以在[10]中找到，[10]提供了基于DFIG的风电场的FRT能力的非线性动态模型，随后进行了详细的相应模拟和讨论。 图图1显示了典型的LVRT特性。考虑到风力发电量和电网稳定性，不同国家的低电压穿越GCR是不同的。表1给出了几个国家的LVRT特性[11]。[12]中简要介绍了提高风电场LVRT性能的激励方法。除了本文综述的技术外，在过去的十年中，使用灵活的交流输电系统（FACTS）设备和储能系统（ESS）（如飞轮、超级电容器和电池）来增强风电场的LVRT能力也引起了很多关注。例如，在[13]中，通过在基于DFIG的风电场所连接的总线处放置静止同步补偿器（STATCOM）-超级电容器系统来研究LVRT能力增强，在[14]中，为此目的，在DFIG的DC链路处采用超级电容器型ESS。值得一提的是，ESS在WTG的功率控制中也有广泛的应用[15在本文中，低电压穿越能力的提高，提出了一种新的基于模糊控制器的静止无功补偿器（SVC），以提高电压稳定性。SVC是FACTS装置的并联类型之一，在电力系统的稳定性改善和电压调节方面发挥重要作用[18]。SVC可以通过注入足够的无功功率来控制电压分布每个静态无功系统由Fig. 1. 典型的LVRT特性。表1不同国家的LVRT特性。国家最低电压（U1）t1（毫秒）t2（毫秒）最终电压（U2）丹麦2010075075美国15625300090英格兰15150120080意大利2050080075西班牙20500100080一种或几种基本类型的无功功率控制元件。这些元件包括晶闸管开关电容器（TSC）、晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管开关电抗器（ TSR ） 、 饱 和 电 抗 器 （ SR ） 、 晶 闸 管 控 制 Transformer（TCT ）、自换向转换器（SCC ）和线路换向转换器（LCC）[19]。为了改善SVC的性能，在文献[20-28]等多项研究中，人们对其传统控制系统进行了智能化改造在[22]中，采用基于模糊的控制器（FC）来提高SVC的有效性。在SVC常规控制系统的基础上加入FC，实现了区域间振荡的阻尼和暂态稳定性的改善。在文献[25]中，在SVC控制器中加入了自适应模糊逻辑控制器，该控制器是基于振荡能量下降策略设计的，以提高系统在暂态过程中的稳定性在[26]中，研究了具有风力涡轮机的电力系统中的SVC性能在这项工作中，辅助控制信号产生的自适应网络模糊推理系统（ANFIS）被添加到控制器，以提高系统的稳定性。在[27]中，基于ANFIS架构设计了SVC复合控制器。本文提出的控制技术使SVC能够控制电力系统的电压崩溃和混沌振荡值得一提的是，在[26，27]中建议的方法中使用ANFIS架构使其实现比基于纯模糊系统建议和设计的其他智能控制技术更加复杂。本文研究了基于双馈风力发电机的单机无穷大系统中SVC的性能。本研究中采用的SVC单元由三个TSC部分和一个TCR部分组成为了提高SVC的性能，提出了一种新的FC，并将其集成到SVC控制器中，提高了其在暂态和稳态下的精度和性能。因此，在SVC控制系统中采用所提出的FC导致通过减小稳态电压误差和增加系统能力来改善系统的电压稳定性，以将电压幅度保持在可接受的范围内，尽管负载变化。 它还通过改善SVC对系统扰动的响应来增强系统的瞬态行为，从而降低故障发生后的最大电压降。因此，在SVC控制器中使用所提出的FC增强了其在提高风电场的LVRT能力方面的有效性，并增加了系统在更大范围的负荷变化中满足GCR的能力。此外，所提出的控制技术已经显示出对基于DFIG的风力涡轮机的性能的适当的副作用。此外，在本文中，除了解释建议FC的设计过程，它试图提供有关模糊逻辑的概念和应用，其优点和缺点，以及模糊控制器的广义设计过程的有益信息。本文其余部分的结构如下：第2介绍了整体系统建模，第3节介绍了拟议的FC设计在第4中，建议的技术，以提高稳态电压和增强LVRT能力的有效性进行了验证，使用Simulink软件中的系统仿真第5节提供了有关模糊控制器的概念讨论和对未来工作的一些建议2. 系统建模SMIB系统的模型在第2.1节中描述，在第2.2节中讨论SVC操作的原理，并且在第2.3中给出DFIG的动态模型。H. Rezaie，M.H. Kazemi-Rahbar/工程科学与技术，国际期刊22（2019）827829嗯，YmU（-m- /2）Yo乌奥（-o- /2）G1号线P、2号线k /（1+ST）M¼.Σ.C.V.C--refM2.1. SMIB系统SMIB系统的简单示意图如图2所示，其中包括一个发电机母线、一个无穷大母线、两个输电线路和一个负载母线。发电机模型的基本方程如下：d_m¼Dx1mmUUrefBMINB最大BSVDx_1/2Tm-Te-DDx_2T其中dm、Dx、M、Tm、Te和D分别是功率角、转子速度偏差、惯性常数、机械转矩、电转矩和阻尼常数。MDx_¼-DDxPmU2Ymsinhm图3.第三章。SVC的常规控制系统Bsvc¼BC-BL其中k、Uref、TS、BSVC、BC和BL分别是SVC增益、参考电压、SVC时间常数、SVC磁阻及其电容性和电感性磁阻其中使用的SVC本文由三个TSC单元和一个TCR单元组成BSVC确定Um UYmsinaidd-dm -hm式中Pm、Um、U、d、Ym、hm为发电机机械功率、发电机电压、负荷电压、负荷角、1号线导纳，TCR的触发角（α）和三个TSC分支的状态（关/开）a，其是TCR磁阻（BL）的函数，可以使用根据等式2形成的查找表来实现（八）：角，分别。在这项研究中，负载总线馈送恒定的PQ负载和BL2p-asin2apð8Þ感应电动机并联。负荷模型由方程表示。（4）和（5）。P/P0P1kp wd_kp u.UTU_4其中BL是根据TCR的额定无功功率的每单位值由于使用查找表来获得a，B SVC应当被限制在为查找表的输入定义的范围内（B min

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