／華銳風電科技（集團）股份有限公司 汪鋒／

雙饋風機慣性響應控制系統(tǒng)研究

／華銳風電科技（集團）股份有限公司 汪鋒／

本文介紹了多種針對雙饋風力發(fā)電機組的慣性響應控制算法。當風電場電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時，風力發(fā)電機組可利用其慣性調(diào)節(jié)其有功或力矩輸出，實現(xiàn)對于電網(wǎng)頻率的有效暫態(tài)控制，并提供短時有功功率支撐，有助于電力系統(tǒng)恢復和電網(wǎng)穩(wěn)定運行。

風機慣性響應；頻率特性

0 引言

近年來，隨著新能源行業(yè)的高速發(fā)展，國內(nèi)的風電裝機無論在數(shù)量和速度上都創(chuàng)造了新的世界奇跡，然而，風力發(fā)電在向人類貢獻著大量清潔能源的同時，也給電網(wǎng)運行帶來了一定的困難，主要體現(xiàn)在以下兩個方面：一方面，風資源具有一定的波動性和不確定性，如夏天的風速普遍比夏天的偏小，白天的風速普遍比晚上偏小，而正是由于這種不確定性，導致了在電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程之中，需要使用其他的電源，如火電，水電等對其進行調(diào)峰調(diào)頻，且由于當前風資源的預測技術還不夠完善，導致這種調(diào)峰、調(diào)頻難度較大；另一方面，隨著風電并網(wǎng)運行滲透率的逐步增大，利用風電參與電網(wǎng)頻率調(diào)整，增大系統(tǒng)穩(wěn)定性已成為發(fā)展趨勢和主要研究方向。同時，由于風機自身的特點，風電場代替常規(guī)電源后會導致電力系統(tǒng)慣量減小，當出現(xiàn)因電源發(fā)生故障脫網(wǎng)或者因負荷發(fā)生突變出現(xiàn)擾動等情況時，電力系統(tǒng)會出現(xiàn)更大的頻率偏差和更快的頻率下降速度。

雙饋異步風電機組可通過實現(xiàn)虛擬慣量控制，來提高電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。虛擬慣量響應控制策略主要分為兩種實現(xiàn)方式：

1）由于雙饋機組實現(xiàn)了有功和無功控制的解耦，當發(fā)生頻率擾動時，可通過改變機組有功功率控制參考值，來實現(xiàn)有功功率的暫態(tài)調(diào)節(jié)；

2）在風機的最優(yōu)力矩控制策略中引入頻率偏差或頻率的微分項，通過PID控制器環(huán)節(jié)，調(diào)節(jié)力矩參考值，從而實現(xiàn)有功功率的暫態(tài)調(diào)整。

本文將從有功控制策略和力矩控制策略兩個方面入手展開具體研究工作，比較不同控制策略之間的優(yōu)劣，為后續(xù)具體實施提供理論參考。需要說明的是，在本仿真實驗中，為了方便對比分析，設定了風速保持不變的原則。

1 風機的頻率響應特性

1.1 建立風電場模型

在DIgSILENT/PowerFactory軟件下搭建小型電力系統(tǒng)模型，該風場含150臺1.5MW等值雙饋風機、1臺50MW同步發(fā)電機、270MW的等效負荷，接著，設置同步發(fā)電機為SL節(jié)點，圖1為該仿真模型對應的單線圖，圖2為不加負荷擾動和任何控制策略時的風場運行情況。

圖1 系統(tǒng)單線圖

從圖2中可以看出該系統(tǒng)在不加任何擾動和控制策略時，系統(tǒng)頻率保持50Hz不變，風機實際出力與轉速也保持不變，系統(tǒng)處于穩(wěn)定運行狀態(tài)。

1.2 功率波動下的風機頻率響應

為研究雙饋風機對系統(tǒng)頻率波動的響應情況，在上述仿真中的20s時增加20MW的負荷功率，同時，觀察當負荷功率波動時，系統(tǒng)主要參數(shù)（如有功、轉速等）的變化情況，仿真結果如圖3所示。

圖2 不加任何擾動和控制策略

圖3 增加負荷擾動時的風機響應特征

從圖3所顯示的仿真結果可以看出，當系統(tǒng)負荷功率增加，頻率發(fā)生波動時，雙饋風力發(fā)電機的有功功率基本保持不變，其轉速也維持恒定不變，這表明如果不添加任何頻率輔助控制措施時，雙饋風力發(fā)電機無法對系統(tǒng)頻率波動做出任何響應。

2 雙饋機組慣性響應控制策略研究

2.1 慣性控制原理

常規(guī)同步發(fā)電機的轉速與頻率存在耦合關系，當電網(wǎng)頻率波動時，轉子轉速會隨頻率自動改變，進而轉子動能改變，通過吸收或釋放轉子動能阻止系統(tǒng)頻率的快速變化。而雙饋風電機組采用電力電子變換器能夠靈活的調(diào)節(jié)有功、無功，為了實現(xiàn)最大風能捕獲，追蹤最大功率點運行，使風機轉速和電網(wǎng)頻率之間不存在耦合關系，導致風電機組無法響應頻率的變化，失去了常規(guī)發(fā)電機組所具備的慣性響應能力。

雖然雙饋發(fā)電機頻率與轉速之間不存在耦合關系，但雙饋風機發(fā)電機相比常規(guī)同步發(fā)電機而言，釋放動能的潛力巨大，對系統(tǒng)轉動慣量的影響一樣存在。因此，在研究頻率響應時采用了慣量控制。

慣量控制原理主要是指為了實現(xiàn)轉子轉速和電網(wǎng)頻率變化的同步，在風機原有的控制策略基礎上，通過引入頻率變化率df／dt，相當于轉子轉速變化率dw／dt（因 f =ω／2π），進而獲得慣性響應對應的力矩補償控制值Tsc（Tsc=2Hdf／dt）或有功補償控制值 Psc= kpdf／dt，將其附加在風電機組的力矩控制目標值或有功控制目標上，能夠有效利用轉子動能實現(xiàn)慣量響應。引入△f，也可以實現(xiàn)模擬慣量響應 Tsc= 2Hd 或 Psc= kpdf／dt = kp（f - fref）。

圖4為風機整體控制框圖。

圖4 風機整體控制框圖

2.2 有功功率補償控制

在本章節(jié)中，主要是通過仿真，采用補充有功功率補償控制實現(xiàn)慣量響應時，觀察風機的響應特征和系統(tǒng)頻率變化，在圖4紅色框中，對于風機有功-頻特性所對應的基本模型中增加補充控制，圖5為其控制框圖。

分別開展詳細的對比工作，下面分別對不加任何控制、只引入△f，只引入df／dt、引入△f和df／dt的情況進行了仿真。

圖6為引入△f控制回路和不加任何控制仿真結果。

從圖6的仿真結果可以看出，擾動最初的幾秒內(nèi)，系統(tǒng)頻率變化較小，頻率跌落最低點被抬高。這說明有慣性控制環(huán)節(jié)的DFIG機組對系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)有一定的支撐作用，但是對系統(tǒng)頻率最終穩(wěn)態(tài)值并沒有改變（虛擬慣量控制是通過調(diào)整轉子轉速釋放轉子部分動能增大風機輸出功率，并不能調(diào)整輸入的能量值，因此只能提供短暫的有功支撐，不能改變最終的穩(wěn)態(tài)值。）。

圖5 有功補充控制框圖

圖6 對比引入△f控制回路和不加任何控制

圖7 對比引入df／dt控制回路和不加任何控制

圖8 幾種控制方式的對比結果

圖7為引入df／dt回路和不加任何控制的仿真結果。

從圖7可以看出，引入含df／dt回路的慣性控制后，頻率跌落點相比不加控制時被抬高，但對系統(tǒng)頻率的最終穩(wěn)定值也沒有影響。

圖8為不加控制、只含df／dt控制回路、只含△f控制回路、含df／dt和△f控制回路的對比仿真結果。

從圖8中可以看出，含△f和df／dt控制回路的慣性控制相比單一控制回路而言，會進一步提高頻率跌落點，頻率變化率最小。

綜上，增加慣性響應控制環(huán)節(jié)后，等效增大了系統(tǒng)慣量，使DFIG機組能夠向常規(guī)同步發(fā)電機一樣對系統(tǒng)頻率具有慣性響應能力，雖然這種具有慣性控制環(huán)節(jié)的DFIG機組對系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)具有一定的支撐作用，能夠減小系統(tǒng)頻率變化率，抬高頻率跌落點，但是不能改善頻率最終穩(wěn)態(tài)偏差，如果要改善系統(tǒng)的最終穩(wěn)態(tài)誤差，需要從風電場有功容量旋轉備用上入手，采用有功功率備用或風機變槳角度備用等方式來實現(xiàn)，本文將不作深入研究。

2.3 力矩補償控制

因 P=ωT，可以通過增加力矩T的方式增大功率，進而影響系統(tǒng)頻率的大小。即在圖4中藍色框所對應的一般模型補充力矩。圖9為力矩補充控制框圖。

圖9 力矩補充控制

分別對比了不加任何控制、只引入△f，只引入df／dt、引入△f和df／dt時的仿真結果。

圖10為引入控制回路和不加任何控制仿真結果。

圖10 只含△f回路的慣性控制和不加控制對比結果

從圖10的仿真結果可以看出，擾動最初的幾秒內(nèi)，系統(tǒng)頻率變化較小，頻率跌落最低點被抬高。這說明有慣性控制環(huán)節(jié)的DFIG機組對系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)有一定的支撐作用，但是對系統(tǒng)頻率最終穩(wěn)態(tài)值并沒有改變。

圖11為引入df／dt回路和不加任何控制的仿真結果。

圖11 只含df／dt回路的慣性控制和不加控制對比結果

從圖11可以看出，引入含df／dt回路的慣性控制后，頻率跌落點相比不加控制時被抬高，但對系統(tǒng)頻率的最終穩(wěn)定值也沒有影響。

圖12為不加控制、只含df／dt控制回路、只含△f控制回路、含df／dt和△f控制回路的對比仿真結果。

圖12 幾種控制方式的對比結果

圖10、圖11、圖12的分析結果同有功補充控制的分析結果，唯一不同之處在于有功補充控制的控制目標是功率P，力矩補充控制的控制目標是T。從圖12最終對比結果可以看出同時含△f和df／dt回路的慣性控制對頻率最低跌落點的提升能力最強。

3 慣性控制策略比較分析

針對上述所提到的有功功率控制和力矩控制策略，為了直觀清晰地看出不同算法之間的控制效果，開展了對比分析工作，圖13不加控制、只含df／dt控制回路、只含△f控制回路、含df／dt和△f控制回路的對比仿真結果，其中包括風機有功功率、系統(tǒng)頻率、力矩的變化情況。

從圖13可以看出df／dt和△f兩種控制方式結合相比只含△f或只含df／dt回路的控制效果都要好，兩種控制方式相結合能夠更快、更多地增大有功和力矩，更準確地響應負荷擾動。仿真結果顯示在負荷擾動時，有功功率和力矩瞬間被提升到最大值，頻率跌落點明顯升高。

從風機控制系統(tǒng)的實現(xiàn)角度來看，使用基于力矩控制的慣性控制策略難度較小，在原有的基于轉速的最優(yōu)力矩控制的基礎之上增加慣性力矩部分，從而將最終的力矩給定值交給變頻器執(zhí)行，控制效果高，穩(wěn)定好。

4 結束語

隨著國家新能源戰(zhàn)略的進一步推進和實施，風電的裝機將進一步增加，風電的滲漏率還將進一步提升，因此，開展風力發(fā)電機組參與暫態(tài)調(diào)頻的研究具有重要的價值和意義，由于現(xiàn)有的大部分風力發(fā)電機組不具備頻率響應能力，因此通過修改風機的控制策略，增加風機的針對電網(wǎng)頻率的響應能力，可以有效地抑制電網(wǎng)的頻率波動，維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定和電網(wǎng)安全。