李國(guó)慶，王 鶴，2，李鴻鵬

（1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206）

0 引言

風(fēng)能是一種分布廣泛的清潔能源，隨著風(fēng)電設(shè)備成本的降低和可靠性的提高，風(fēng)力發(fā)電可以作為微電網(wǎng)中優(yōu)先選擇的分布式電源[1-3]。微電網(wǎng)是較薄弱的小型發(fā)配電網(wǎng)絡(luò)，風(fēng)力發(fā)電的接入會(huì)對(duì)微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成影響，風(fēng)速的隨機(jī)變化會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電功率的明顯波動(dòng)和電能質(zhì)量的下降[4-6]。采用雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī) DFIG（Doubly Fed Induction Generator）的變速恒頻發(fā)電機(jī)組是當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電的主流機(jī)型，所以對(duì)微電網(wǎng)中DFIG發(fā)電系統(tǒng)控制方法的研究具有重要的意義[7-8]。文獻(xiàn)[9] 利用DFIG對(duì)微電網(wǎng)的頻率和電壓進(jìn)行管理，提高了微電網(wǎng)從并網(wǎng)向孤島運(yùn)行方式過渡過程中的動(dòng)態(tài)性能。文獻(xiàn)[10] 提出了一種將由DFIG組成的風(fēng)電場(chǎng)并入微電網(wǎng)的控制方法，特別適合以風(fēng)力發(fā)電作為主要電源的微電網(wǎng)使用。文獻(xiàn)[11] 提出了一種基于DFIG的無功功率管理方法，能夠有效地維持系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定。

微電網(wǎng)的并網(wǎng)和孤島2種運(yùn)行方式存在很大區(qū)別，本文針對(duì)微電網(wǎng)的并網(wǎng)及孤島運(yùn)行狀態(tài)，分別提出了相應(yīng)的DFIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制方法。微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)DFIG捕獲最大風(fēng)能，并且計(jì)及微電網(wǎng)線路中電阻參數(shù)所占比重較大導(dǎo)致風(fēng)功率變化引起的電壓波動(dòng)，采用靈敏度分析的方法根據(jù)有功功率變化調(diào)整輸出的無功功率來穩(wěn)定微電網(wǎng)的電壓。微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，DFIG采用變槳距角控制并結(jié)合儲(chǔ)能裝置限制風(fēng)電功率，使DFIG以頻率和電壓可控的方式工作，通過模擬下垂特性與其他逆變器電源一起協(xié)調(diào)控制微電網(wǎng)的頻率和電壓。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文提出的微電網(wǎng)中DFIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制方法能夠有效地解決風(fēng)力發(fā)電向微電網(wǎng)中的集成。

1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與組成

本文選擇DFIG風(fēng)力發(fā)電、微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池和光伏發(fā)電作為分布式電源，使用蓄電池作為儲(chǔ)能裝置，并結(jié)合負(fù)荷、電力電子接口設(shè)備和相應(yīng)的控制裝置構(gòu)成微電網(wǎng)的主體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。在整體控制策略上，本文采用微電網(wǎng)的分層控制結(jié)構(gòu)[12]。微電網(wǎng)中心控制器MGCC（MicroGrid Central Controller）和負(fù)荷控制器 LC（Load Controller）、微電源控制器MC（Microsource Controller）之間需要建立可靠的通信連接。MGCC安裝在中壓-低壓變電站對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一的協(xié)調(diào)控制；LC和MC從屬于MGCC，分別對(duì)具體的負(fù)荷和微電源進(jìn)行控制。

圖1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of microgrid

微型燃?xì)廨啓C(jī)能夠提供25～500 kW的穩(wěn)定功率輸出，具有高燃料利用效率、低廢氣排放水平、低初始安裝費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)。本文選擇高速單軸結(jié)構(gòu)的微型燃?xì)廨啓C(jī) SSMT（Single-Shaft MicroTurbine），使用文獻(xiàn)[13] 中給出的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。單軸微型燃?xì)廨啓C(jī)可以直接驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)發(fā)電，發(fā)出的高頻交流電經(jīng)過整流和逆變之后向電網(wǎng)或者負(fù)荷供電。固體氧化物燃料電池SOFC（Solid Oxide Fuel Cell）是一種在中高溫下直接將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的新型發(fā)電裝置，屬于第3代燃料電池技術(shù)，具有燃料適應(yīng)性廣、能量轉(zhuǎn)換效率高、零污染、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)。本文采用文獻(xiàn)[14] 中的數(shù)學(xué)模型，并在SOFC電池組輸出端接入Buck-Boost直流變換電路，最終通過逆變器將Buck-Boost電路輸出的直流電壓逆變成交流電壓向電網(wǎng)或者負(fù)荷供電。光伏發(fā)電是另一種具有廣泛應(yīng)用前景的分布式電源，具有可再生、無污染、方便靈活、可與建筑集成等優(yōu)點(diǎn)。本文采用文獻(xiàn)[15] 中的光伏發(fā)電模型，使用擾動(dòng)觀察法來進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤，在給定的溫度和光照條件下，保證光伏發(fā)電系統(tǒng)一直運(yùn)行在最大功率點(diǎn)附近。此外，本文選擇蓄電池作為儲(chǔ)能裝置，并采用文獻(xiàn)[16] 中的三階動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，其較精確地反映了蓄電池的充放電特性。

2 微電網(wǎng)中DFIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制方法

2.1 DFIG數(shù)學(xué)模型

本文采用計(jì)及定子勵(lì)磁電流變化的DFIG數(shù)學(xué)模型來研究其在微電網(wǎng)不同運(yùn)行狀態(tài)下的控制方法。在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，DFIG的電壓和磁鏈方程如下[17]：

其中，Us、Ur、Is、Ir、Ψs、Ψr分別是定子和轉(zhuǎn)子電壓、電流和磁鏈?zhǔn)噶浚籖s、Rr、Ls、Lr分別是定子和轉(zhuǎn)子電阻和繞組自感；Lm是定子和轉(zhuǎn)子之間的互感；ωe是同步電角速度；ωer是轉(zhuǎn)子電角速度。

計(jì)及定子勵(lì)磁電流變化，令I(lǐng)mo=LsIs／Lm+Ir，則有下述DFIG數(shù)學(xué)模型：

其中，定子和轉(zhuǎn)子間漏磁系數(shù) σ=1-L2m／（LrLs），轉(zhuǎn)差電角速度ω1=ωe-ωer。

2.2 微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)DFIG控制方法

為了減小風(fēng)速波動(dòng)對(duì)微電網(wǎng)的影響，本文在DFIG出口處并聯(lián)了由超級(jí)電容和蓄電池組成的混合儲(chǔ)能裝置。微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，DFIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制原理如圖2所示，控制方法由轉(zhuǎn)子變流器控制、最大功率點(diǎn)跟蹤、網(wǎng)側(cè)變流器控制、儲(chǔ)能系統(tǒng)控制和功率協(xié)調(diào)控制組成。

圖2 微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)DFIG控制Fig.2 DFIG control of grid-connected microgrid

DFIG轉(zhuǎn)子變流器控制采用定子磁鏈定向的矢量控制方法，并且計(jì)及定子勵(lì)磁電流的變化，在較精確的模型下實(shí)現(xiàn)了有功功率和無功功率的解耦控制。對(duì)轉(zhuǎn)子變流器，考慮Us和Ψs的動(dòng)態(tài)過程，由式（2）可得：

選擇定子磁鏈定向，下標(biāo)d、q分別表示各變量的d軸和q軸分量。在dq坐標(biāo)下，有，式（3）可以寫成：

可以根據(jù)式（4）對(duì)DFIG的有功功率和無功功率進(jìn)行解耦控制，定子有功功率和無功功率控制閉環(huán)產(chǎn)生轉(zhuǎn)子q軸和d軸參考電流I*rq和I*rd，具體的控制原理可參考文獻(xiàn)[18] 。轉(zhuǎn)子變流器有功功率參考值Pr*由最大功率點(diǎn)跟蹤方法給出，無功功率參考值Qr*由功率協(xié)調(diào)控制給出。

為了提高微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的風(fēng)能利用效率，需要進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤。假設(shè)風(fēng)速為v，則風(fēng)輪機(jī)能夠捕獲的最大功率可以表示為：

其中，ρ是空氣密度；S是風(fēng)輪掃風(fēng)面積，在最大功率點(diǎn)跟蹤算法中都可以看成常數(shù)；Cp（λ，β）是風(fēng)能利用系數(shù)，其是葉尖速比λ和槳距角β的函數(shù)，文中將其簡(jiǎn)寫為Cp，Pw只與Cp有關(guān)。本文利用DFIG輸出總功率的單峰特性，采用搜索的方法實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤[19]。

網(wǎng)側(cè)變流器控制采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制方法，如果網(wǎng)側(cè)變流器通過一個(gè)變壓器與交流電網(wǎng)相連，則：

其中，Ugd是電網(wǎng)電壓Ug的d軸分量；Igd、Igq分別是電網(wǎng)電流Ig的d軸、q軸分量；R和L分別是變壓器的等效電阻和電感；ed、eq分別是變流器輸入控制電壓的d軸和q軸分量。由于采用電網(wǎng)電壓定向Ugd=0，Igd和Igq分別代表了變流器的有功電流分量和無功電流分量，可以實(shí)現(xiàn)功率的解耦控制。其d軸參考電流I*gd由直流電壓Udc控制閉環(huán)產(chǎn)生，為轉(zhuǎn)子變流器提供穩(wěn)定的直流電壓，q軸參考電流Ig*q由無功功率Qg控制閉環(huán)產(chǎn)生，其參考值Q*g由功率協(xié)調(diào)控制給出。

混合儲(chǔ)能裝置中逆變器和雙向DC-DC變換器的控制方法參考文獻(xiàn)[20] ，逆變器采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制方法實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率的解耦控制。儲(chǔ)能裝置的有功功率和無功功率參考值PC*、QC*均由功率協(xié)調(diào)控制給出。微電網(wǎng)并網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，由大電網(wǎng)幫助維持功率平衡，儲(chǔ)能裝置有功功率設(shè)定值PC*=0。

微電網(wǎng)線路的電阻參數(shù)較大，風(fēng)力發(fā)電有功功率的隨機(jī)變化將會(huì)導(dǎo)致電壓的明顯波動(dòng)。本文中的功率協(xié)調(diào)控制采用靈敏度分析的方法，根據(jù)捕獲的最大功率Pr*調(diào)節(jié)DFIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的無功功率Q來穩(wěn)定電壓，并將無功功率在定子側(cè)（轉(zhuǎn)子變流器控制）、網(wǎng)側(cè)變流器和儲(chǔ)能裝置之間分配。

首先確定Q值，考慮并網(wǎng)接口節(jié)點(diǎn)處的潮流方程，在運(yùn)行點(diǎn)處將潮流方程線性化：

其中，P是DFIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的有功功率，U、θ分別是并網(wǎng)接口處電壓的幅值和相角。假設(shè)潮流方程的雅可比矩陣是非奇異的，則靈敏度矩陣方程為：

其中，SθP、SθQ、SUP、SUQ均是靈敏度矩陣中的元素，下標(biāo)中的2個(gè)字母代表靈敏度關(guān)聯(lián)的2個(gè)量。由上式可得由DFIG有功功率和無功功率變化引起的并網(wǎng)接口處的電壓偏移：

為了調(diào)節(jié)微電網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)接口處電壓與大電網(wǎng)側(cè)電壓近似一致，DFIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)該發(fā)出的無功功率為：

其中，P0、Q0分別是運(yùn)行點(diǎn)處的有功功率和無功功率，ΔU0是運(yùn)行點(diǎn)處電壓與微電網(wǎng)并網(wǎng)電壓之間的差值。

由網(wǎng)側(cè)變流器優(yōu)先承擔(dān)系統(tǒng)要發(fā)出或吸收的無功功率。當(dāng)網(wǎng)側(cè)變流器能力不足時(shí)，由定子側(cè)補(bǔ)充，這一優(yōu)先順序考慮了定子側(cè)發(fā)出無功功率時(shí)定子電流增加所造成的損耗。當(dāng)DFIG本身發(fā)出或吸收的無功功率不能滿足電壓管理要求時(shí)，由儲(chǔ)能裝置提供支持。

2.3 微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)DFIG控制方法

當(dāng)微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，與大電網(wǎng)的連接斷開。為了維持微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，需要對(duì)DFIG的輸出功率進(jìn)行限制。此時(shí)，DFIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制原理如圖3所示，控制方法由轉(zhuǎn)子變流器控制、槳距角控制、網(wǎng)側(cè)變流器控制、儲(chǔ)能系統(tǒng)控制和功率協(xié)調(diào)控制組成。其中網(wǎng)側(cè)變流器控制和儲(chǔ)能系統(tǒng)控制采用的方法與微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)相同，不再介紹。轉(zhuǎn)子變流器仍然采用定子磁鏈定向的矢量控制方法，但是定子磁鏈Ψs不再由定子側(cè)電壓Us決定，而是受勵(lì)磁電流幅值Imo控制。Ψs的相位角θs不再通過觀測(cè)Us得到，而是通過對(duì)定子電壓頻率參考值f*s的積分得到。DFIG不再捕捉最大風(fēng)功率，而是表現(xiàn)為一個(gè)電壓和頻率可控的交流電源[21]。

圖3 微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)DFIG控制Fig.3 DFIG control of islanded microgrid

從上式可以看出，在dq坐標(biāo)系下，定子磁鏈可以通過勵(lì)磁電流Imo控制，并且為了實(shí)現(xiàn)定子磁鏈定向，Irq需要根據(jù)Isq進(jìn)行調(diào)整，故選擇參考值如下：

其中，fs是DFIG定子側(cè)電壓頻率，U*s是定子側(cè)電壓幅值的參考值。

由式（2），考慮Ψsq=0，可以將定子側(cè)電壓方程簡(jiǎn)化為：

令定子時(shí)間常數(shù) τms=Ls／Rs，定子漏磁系數(shù)σs=（Ls-Lm）／Lm，有：

由上式，考慮到微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)Us變化較小，Imo可以通過定子d軸電流Isd控制。

由式（11）—（14），通過上述定子磁鏈定向的矢量控制方法，DFIG可以看作是一個(gè)頻率和電壓可控的交流電源。該方法最大的缺點(diǎn)是不能夠直接控制DFIG的轉(zhuǎn)矩，因?yàn)镮sq由負(fù)載決定，Irq必須跟蹤Isq的變化而不能用來控制轉(zhuǎn)矩。

本文采用槳距角控制來間接控制DFIG的轉(zhuǎn)矩，式（5）中風(fēng)能利用系數(shù)由下式確定：

其中，N是齒輪比，ωr是軸角速度。則槳距角控制的參考值為：

其中，Pn是設(shè)定的負(fù)荷有功功率需求，C*p、λ*、β*、ω*r分別是各變量的參考值。將上式線性化，用下標(biāo)0表示線性化的點(diǎn)，符號(hào)δ表示變量在線性化點(diǎn)附近的微小增量，得到：

DFIG的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速由下式?jīng)Q定：

其中，Tm和Te分別是DFIG的機(jī)械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩，J是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。同樣將上式線性化，有：

進(jìn)一步整理，得：

其中，M1—M8、N1—N3是計(jì)算的中間變量。設(shè) τβ是槳距角變化的時(shí)間常數(shù)，則槳距角的動(dòng)態(tài)變化滿足如下關(guān)系：

由槳距角和轉(zhuǎn)速構(gòu)成狀態(tài)變量，由式（21）和式（23）可以得出狀態(tài)方程為：

式（24）中狀態(tài)變量、輸入變量和擾動(dòng)分別為：

系數(shù)矩陣分別為：

槳距角控制的最大調(diào)節(jié)速度受機(jī)械調(diào)整部件的限制，本文中限制最大調(diào)節(jié)速度為±3°／s，所以槳距角控制需要具有良好的阻尼。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文選擇閉環(huán)極點(diǎn)為-0.15和-1.5，此時(shí)系統(tǒng)為過阻尼狀態(tài)，阻尼比為1.7。該閉環(huán)極點(diǎn)設(shè)置能夠同時(shí)滿足限制最大調(diào)節(jié)速度和較快速響應(yīng)的要求。根據(jù)閉環(huán)極點(diǎn)的設(shè)置方法，此時(shí)相應(yīng)的反饋系數(shù)為kf1=0.65，kf2=-0.88。綜合上述分析，槳距角控制的輸入信號(hào)由下式產(chǎn)生：

DFIG的功率協(xié)調(diào)控制負(fù)責(zé)配合槳距角控制維持DFIG的功率平衡。當(dāng)可用風(fēng)功率Pw＜Pn時(shí)，不進(jìn)行槳距角調(diào)整，使β=0，功率協(xié)調(diào)控制設(shè)定儲(chǔ)能系統(tǒng)來補(bǔ)充風(fēng)功率的不足。當(dāng)Pw＞Pn時(shí)，由風(fēng)功率提供全部Pn，并且優(yōu)先通過槳距角控制調(diào)整DFIG輸出的有功功率。由于槳距角控制響應(yīng)較慢，當(dāng)調(diào)節(jié)能力不足時(shí)，由儲(chǔ)能裝置配合調(diào)節(jié)。本文通過設(shè)定槳距角控制中轉(zhuǎn)子角速度ωr的上、下限ωrh和ωrl與儲(chǔ)能裝置協(xié)調(diào)，即令：

當(dāng)風(fēng)速增加，槳距角控制不滿足要求，轉(zhuǎn)子角速度ωr＞ωrh時(shí)，功率協(xié)調(diào)控制通過設(shè)定儲(chǔ)能系統(tǒng)的PC*來吸收額外的功率；當(dāng)風(fēng)速降低，轉(zhuǎn)子速度ωr＜ωrl時(shí)，功率協(xié)調(diào)控制設(shè)定PC*來補(bǔ)充不足的功率需求。在孤島運(yùn)行時(shí)，本文選擇儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)先發(fā)出或吸收無功功率。

微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，DFIG的有功功率和無功功率需求Pn和Qn由下垂特性給出。本文中DFIG采取可變的下垂系數(shù)，當(dāng)風(fēng)速變化較大時(shí)，可以通過改變下垂系數(shù)來修改Pn，既降低了儲(chǔ)能裝置的充放電次數(shù)，又避免了風(fēng)電功率與需求功率差額較大時(shí)儲(chǔ)能裝置的能力不足。

可變下垂系數(shù)由預(yù)先設(shè)定好的幾組不連續(xù)下垂系數(shù)組成。每組中所有分布式電源的下垂系數(shù)之和相等，這樣能夠保證微電網(wǎng)頻率和電壓的單位調(diào)節(jié)功率是固定的，下垂系數(shù)調(diào)整的結(jié)果是使負(fù)荷在各個(gè)分布式電源中重新分配。在其他分布式電源容量允許的情況下，幾組下垂系數(shù)按照DFIG承擔(dān)的負(fù)荷比例從大到小順序排列。設(shè)定DFIG可用風(fēng)電功率Pw和需求功率Pn之間差額的閾值，當(dāng)Pw-Pn＜0時(shí)，將下垂系數(shù)調(diào)整為后一組，減少DFIG承擔(dān)的負(fù)荷比例，即減少 Pn和 Qn；反之，當(dāng) Pw-Pn＞0.2 p.u.時(shí)，將下垂系數(shù)調(diào)整為前一組，增加Pn和Qn。

因?yàn)轱L(fēng)功率具有隨機(jī)性，下垂系數(shù)的修改不能是連續(xù)實(shí)時(shí)的，否則會(huì)因下垂系數(shù)的頻繁變化影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行?？梢栽O(shè)定每間隔一段時(shí)間檢測(cè)一次，如果調(diào)整的閾值條件滿足并保持2 s，則對(duì)下垂系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

3 仿真分析

本文采用PSCAD／EMTDC仿真軟件搭建了微電網(wǎng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。本文共有2個(gè)算例，采用圖1中的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，DFIG、微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、光伏發(fā)電和蓄電池5條線路都是380 V線路，參數(shù)為R1=0.641ω ／km，X1=0.101ω ／km，5 條線路長(zhǎng)度分別為200 m、400 m、200 m、200 m和20 m。大電網(wǎng)側(cè)線路為10 kV線路，參數(shù)為 R2=0.347ω ／km，X2=0.2345ω ／km，線路長(zhǎng)度為 1000 m。此外，DFIG、微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池和光伏發(fā)電的主要參數(shù)詳見參考文獻(xiàn)[13-17] 。

算例1：微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池和光伏發(fā)電都采用PQ控制，DFIG跟蹤最大風(fēng)功率，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4（a）中轉(zhuǎn)速、直流側(cè)電壓及轉(zhuǎn)矩為標(biāo)幺值。從圖中可看出，仿真實(shí)驗(yàn)采用的風(fēng)速在10～12.5 m／s之間變化。通過最大風(fēng)功率跟蹤，DFIG轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化。當(dāng)風(fēng)速變化較慢時(shí)，轉(zhuǎn)速的實(shí)際值與控制的設(shè)定值基本保持一致；當(dāng)風(fēng)速發(fā)生突變時(shí)，轉(zhuǎn)速的實(shí)際值會(huì)短時(shí)偏離設(shè)定值，并逐漸跟蹤設(shè)定值的變化。在整個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)過程中，DFIG直流側(cè)電壓保持穩(wěn)定，DFIG的電磁轉(zhuǎn)矩Te和機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tm保持平衡，與捕獲的風(fēng)功率變化相一致。

圖4 微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行DFIG仿真結(jié)果Fig.4 Simulative results of DFIG control for grid-connected microgrid

圖4（b）中縱軸均為標(biāo)幺值，前2幅圖分別給出了采用單位功率因數(shù)控制和采用靈敏度分析方法控制無功功率時(shí)DFIG的功率仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。2種情況下DFIG的有功功率P相同，都捕獲了最大的風(fēng)能。單位功率因數(shù)控制時(shí)DFIG不發(fā)出無功功率，Q=0，采用靈敏度分析方法控制時(shí)發(fā)出的無功功率Q隨有功功率P變化而不斷調(diào)整。第3幅圖中Qg和Qs分別表示采用靈敏度分析方法時(shí)網(wǎng)側(cè)變流器和定子側(cè)發(fā)出的無功功率，從圖中可以看出Q優(yōu)先由網(wǎng)側(cè)變流器承擔(dān)，當(dāng)網(wǎng)側(cè)變流器能力不足時(shí)才由定子側(cè)負(fù)責(zé)承擔(dān)。第4幅圖給出了2種情況下并網(wǎng)接口處節(jié)點(diǎn)電壓的比較，可以看出采用單位功率因數(shù)控制時(shí)電壓Urms1受DFIG有功功率變化的影響有明顯的波動(dòng)，而采用靈敏度分析方法控制DFIG的無功功率后電壓Urms2得到改善。

算例2：微電網(wǎng)孤島運(yùn)行，光伏發(fā)電采用PQ控制，跟蹤最大功率約16 kW，微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池和DFIG都模擬下垂特性，仿真開始時(shí)微型燃?xì)廨啓C(jī)和燃料電池下垂系數(shù)選擇為kP1=100 kW／Hz、kQ1=1.31579 kvar／V，運(yùn)行點(diǎn)為 40 kW、380 V，DFIG 下垂系數(shù)選擇為 kP2=200 kW／Hz、kQ2=1.31579 kvar／V，運(yùn)行點(diǎn)為80 kW、380 V?？勺兿麓瓜禂?shù)采用較簡(jiǎn)單的情況，只在10 s時(shí)刻進(jìn)行一次檢測(cè)，并且只采用2組下垂系數(shù)。除初始下垂系數(shù)之外，另一組下垂系數(shù)設(shè)置為 kP1=150 kW ／Hz、kQ1=1.315 79 kvar／V ，kP2=100 kW／Hz、kQ2=1.315 79 kvar／V。負(fù)荷參數(shù)為 P1=45 kW，Q1=8 kvar，P2=55 kW，Q2=6 kvar，P3=40 kW，Q3=6 kvar，在10 s時(shí)刻有功負(fù)荷突然增至P1=85 kW，P2=85 kW，P3=90 kW，在20 s時(shí)刻，有功負(fù)荷突然增加到P1=120 kW，P2=125 kW，P3=95 kW。采用恒定下垂系數(shù)和可變下垂系數(shù)2種情況下的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5（a）中可用風(fēng)功率為標(biāo)幺值，由圖可見仿真實(shí)驗(yàn)使用的風(fēng)速與算例1相同。從圖中可以看出，可用的最大風(fēng)功率隨風(fēng)速不斷變化，而且2種情況下系統(tǒng)的頻率變化基本相同。這是因?yàn)橄麓瓜禂?shù)的調(diào)整中保證微電網(wǎng)頻率和電壓的單位調(diào)節(jié)功率不變，雖然下垂系數(shù)發(fā)生了變化，但整體上相同的功率變化引起的頻率變化相同，只是負(fù)荷在分布式電源之間進(jìn)行了重新分配。

圖5 微電網(wǎng)孤島運(yùn)行DFIG仿真結(jié)果Fig.5 Simulative results of DFIG control for islanded microgrid

圖5（b）中縱軸均為標(biāo)幺值，前2幅圖分別給出了2種情況下DFIG的有功功率設(shè)定值Pn和實(shí)際值Pw。第1幅圖采用恒定下垂系數(shù)時(shí)DFIG有功功率不能滿足下垂控制給出的設(shè)定值，第2幅圖在可變下垂系數(shù)情況下，DFIG基本可以承擔(dān)全部由下垂控制給出的有功功率設(shè)定值。后2幅圖分別是儲(chǔ)能裝置在2種情況下的有功功率和無功功率對(duì)比，下標(biāo)1表示恒定下垂系數(shù)，下標(biāo)2表示可變下垂系數(shù)。從圖中可以看出，無功功率下垂系數(shù)在調(diào)整時(shí)保持不變，所以2種情況下DFIG的無功功率基本相同。下垂系數(shù)控制模塊在10 s時(shí)刻檢測(cè)到Pw-Pn＜0，并保持2 s，滿足調(diào)整條件，將下垂系數(shù)調(diào)整為后一組。此時(shí)，kP2由 200 kW ／Hz 變?yōu)?100 kW ／Hz，Pn由 0.6 p.u.變成0.4 p.u.。原本DFIG風(fēng)功率無法滿足負(fù)荷功率需求，調(diào)整后能夠滿足。從后2幅圖中可以看出，恒定下垂系數(shù)時(shí)需要儲(chǔ)能裝置不斷配合平衡風(fēng)功率的變化，而采用可變下垂系數(shù)時(shí)通過改變Pn使負(fù)荷的需求主要由風(fēng)功率提供，避免了儲(chǔ)能裝置的頻繁動(dòng)作和能力不足。

圖5（c）是2種情況下DFIG轉(zhuǎn)速和槳距角的變化情況，槳距角控制的最大調(diào)節(jié)速度為±3°／s，圖中轉(zhuǎn)速為標(biāo)幺值。從圖中可以看出，采用可變下垂系數(shù)時(shí)DFIG的轉(zhuǎn)速和槳距角變化比恒定下垂系數(shù)時(shí)平緩得多，避免了短期的快速反復(fù)調(diào)節(jié)。

4 結(jié)論

本文提出了一種微電網(wǎng)中DFIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制方法，該方法充分考慮了微電網(wǎng)2種運(yùn)行方式的特點(diǎn)。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)通過最大功率跟蹤充分利用風(fēng)能，并且利用靈敏度分析方法穩(wěn)定風(fēng)功率變化引起的電壓波動(dòng)；孤島運(yùn)行時(shí)模仿下垂特性與其他分布式電源一起協(xié)調(diào)控制微電網(wǎng)的頻率和電壓，通過同步設(shè)置可變的下垂系數(shù)調(diào)整DFIG的有功需求，并通過槳距角控制和儲(chǔ)能裝置的支持調(diào)節(jié)DFIG的有功功率輸出。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文提出的方法能夠有效克服風(fēng)速變化對(duì)微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的高效可靠利用。