張建良, 齊冬蓮, 吳 越, 韓 濤, 陸玲霞

(浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 浙江 杭州 310027)

雙饋感應(yīng)風(fēng)機虛擬慣量控制器的設(shè)計及仿真實驗研究

張建良, 齊冬蓮, 吳 越, 韓 濤, 陸玲霞

(浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 浙江 杭州 310027)

采用雙饋感應(yīng)風(fēng)電機組的虛擬慣量控制改善電網(wǎng)頻率響應(yīng)特性,提出了一種綜合最大功率捕獲(MPPT)控制和比例控制器的系統(tǒng)虛擬慣量控制策略,并對風(fēng)機的系統(tǒng)慣量支撐能力進行了定性和定量描述。利用電力系統(tǒng)仿真軟件DIgSILENT/PowerFactory搭建系統(tǒng)仿真平臺,驗證了在系統(tǒng)受擾情況下,所提出的虛擬慣量控制器可以有效提高系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。

雙饋感應(yīng)風(fēng)機； 比例控制器； 仿真實驗

在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中,以雙饋感應(yīng)風(fēng)機為代表的變速風(fēng)機因其內(nèi)置換流器單元,造成了輸出功率與系統(tǒng)頻率之間的解耦,使大規(guī)模風(fēng)電場無法參與系統(tǒng)調(diào)頻。隨著風(fēng)電機組的大規(guī)模接入,電力系統(tǒng)的有效旋轉(zhuǎn)慣量逐漸減少,電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定水平降低,系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟運行將面臨著很大的風(fēng)險。

雙饋感應(yīng)發(fā)電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速具有較大范圍的可行運行區(qū)間(通常為同步轉(zhuǎn)速的±25%),不但可緩解風(fēng)速波動對風(fēng)機軸系的沖擊以保護風(fēng)機,而且更重要的是可以最大限度地捕獲風(fēng)能并部分轉(zhuǎn)換成葉片動能,從而在電網(wǎng)擾動的情況下,可以有效利用儲存在轉(zhuǎn)子中的動能，為電網(wǎng)提供短暫的頻率支撐[1-5]和一定的系統(tǒng)慣量支撐。

要提高雙饋感應(yīng)風(fēng)機頻率調(diào)節(jié)能力,最直接的方法是通過一定的控制策略來人工耦合系統(tǒng)頻率和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系[6-8]。例如：

(1) 采用一種系統(tǒng)慣量提供策略,配合利用一定的熱備用,使得雙饋式感應(yīng)風(fēng)機具有一定的頻率支撐能力[6]；

(2) 獲取電網(wǎng)頻率的微分和偏差信號,并通過低通和高通濾波單元來控制實現(xiàn)雙饋感應(yīng)風(fēng)機的有功出力,以提供虛擬慣量支撐[8-10]；

(3) 通過槳距角控制和有功出力的輔助控制,實現(xiàn)風(fēng)電機組的頻率調(diào)節(jié)[7-9]；

(4) 針對不同風(fēng)速條件下雙饋感應(yīng)風(fēng)機的頻率支撐能力,通過額外施加一定的頻率控制環(huán)以獲得期望的頻率調(diào)節(jié)特性[10-15]。

然而，現(xiàn)有利用風(fēng)機實現(xiàn)系統(tǒng)輔助調(diào)頻的方法,普遍缺乏對所提供系統(tǒng)慣量大小的描述和對系統(tǒng)慣量支撐影響因素的研究。

本文研究了雙饋感應(yīng)風(fēng)機在電網(wǎng)系統(tǒng)的頻率支撐能力,提出了基于最大功率捕獲(MPPT)控制和比例控制器的虛擬慣量綜合控制器,分析所設(shè)計的控制器在系統(tǒng)慣量支撐能力上的特性差異,驗證控制器在系統(tǒng)受擾下實現(xiàn)頻率穩(wěn)定方面的有效性。

1 雙饋感應(yīng)風(fēng)機虛擬慣量控制器

1.1 雙饋感應(yīng)風(fēng)機虛擬慣量控制器結(jié)構(gòu)

根據(jù)風(fēng)速的不同情況,雙饋感應(yīng)風(fēng)機通常采用不同的控制方式,以實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲能力和系統(tǒng)穩(wěn)定運行。當(dāng)風(fēng)速大于風(fēng)機的啟動風(fēng)速而低于額定風(fēng)速時,機組采用最大功率跟蹤(MPPT)控制算法以獲得有功出力參考值；而當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時,機組將控制槳距角以保護風(fēng)機安全運行,并將有功出力水平限制在額定功率值。雙饋感應(yīng)風(fēng)機的傳統(tǒng)控制策略如圖1所示。

圖1 雙饋感應(yīng)風(fēng)機的傳統(tǒng)有功功率控制

利用系統(tǒng)頻率偏差信號,可以實現(xiàn)雙饋感應(yīng)風(fēng)機對虛擬慣量的支撐。風(fēng)機的轉(zhuǎn)子運動方程為

(1)

其中,ωD為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,HD是風(fēng)機慣性時間常數(shù),Pwind、Pref分別為風(fēng)機捕獲的風(fēng)能和由MPPT控制所得的風(fēng)機有功功率參考值。

為響應(yīng)交流電網(wǎng)頻率變化以提供相應(yīng)的頻率調(diào)節(jié)能力,風(fēng)電場必須實現(xiàn)有功功率的靈活調(diào)節(jié)。通過利用電網(wǎng)頻率偏差信號實施輔助功率Pad控制,則風(fēng)機的功率控制律變?yōu)?/p>

這里ΔfWF是系統(tǒng)頻率偏差信號,PWF為傳遞到交流系統(tǒng)的有功功率值,Pad為反映由頻率偏差產(chǎn)生的輔助功率調(diào)節(jié)量。由于風(fēng)機轉(zhuǎn)子側(cè)的換流器可以快速跟蹤有功指令,故PWF可認(rèn)為是風(fēng)機發(fā)出的有功功率。

實際上,有多種控制方法可以實現(xiàn)由于頻率偏差產(chǎn)生的輔助功率調(diào)節(jié)量Pad。本文基于實現(xiàn)控制的方便性、穩(wěn)定性和成本因素,采取比例控制器(P控制器)實現(xiàn)風(fēng)機對系統(tǒng)頻率波動的輔助功率Pad控制。電力系統(tǒng)調(diào)頻主要依靠具有特殊功能的調(diào)頻發(fā)電廠；而變速風(fēng)機最大的優(yōu)勢在于變換轉(zhuǎn)速。因此,可通過轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)動能的吸收或釋放實現(xiàn)對系統(tǒng)暫時的頻率支撐能力,從而避免傳統(tǒng)頻率無差調(diào)節(jié)過程中風(fēng)能的浪費。本文提出的虛擬慣量綜合控制器如圖2所示。

圖2 虛擬慣量綜合控制器

1.2 風(fēng)機虛擬慣量支撐能力的定性分析

根據(jù)1.1節(jié)的內(nèi)容,在虛擬慣量綜合控制器作用下,可以將式(1)中的風(fēng)機有功功率輸出值Pref用PWF代替:

(4)

通過模擬同步發(fā)電機的有效慣量,可得:

(5)

這里HW為風(fēng)電場提供的虛擬有效慣量。假定風(fēng)速恒定并且不啟動槳距角控制,那么在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化的動態(tài)過程中,Pwind的變化很小，基本可以忽略,從而轉(zhuǎn)子動能可全部用于系統(tǒng)的慣性支撐,可得

(6)

將上式兩邊積分,并在轉(zhuǎn)子起始轉(zhuǎn)速ωD0處利用Taylor展開為

(7)

可以看出,風(fēng)場慣量支撐能力的大小與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有關(guān):轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速偏差越大,風(fēng)場所提供的慣量越大。同時可知，風(fēng)機的起始轉(zhuǎn)速對慣量支撐能力也有很大的影響:起始轉(zhuǎn)速越大,風(fēng)場所提供的慣量也越大。

1.3 風(fēng)機虛擬慣量支撐能力的定量分析

綜合式(1)、式(2)與式(6)可得

(8)

其中PWF0為風(fēng)電場起始有功功率。將(8)的兩端積分后可得

(9)

從而可得風(fēng)場所能提供的有效虛擬慣量HW的表達式為

(10)

其中,最大功率跟蹤(MPPT)控制對HW的影響表示為

(11)

而比例控制器對HW的影響表示為

(12)

2 最大功率跟蹤控制器對虛擬慣量的影響

根據(jù)MPPT控制算法,不同風(fēng)速下的風(fēng)機有功參考值Pref具有不同的數(shù)值,從而對風(fēng)機慣量水平HW的影響是不同的。圖3是風(fēng)機最大功率跟蹤曲線。

圖3 風(fēng)機最大功率跟蹤曲線

2.1 中等風(fēng)速下MPPT控制對虛擬慣量支撐的影響

為了響應(yīng)交流系統(tǒng)頻率下降事件,風(fēng)機將通過比例控制器來增大PWF,結(jié)果將使風(fēng)機轉(zhuǎn)速ωD下降,并將導(dǎo)致Pref的下降(圖3中D-B段),故F1中的分子為正值,F1的表達式為負(fù)。從而可知在中等風(fēng)速區(qū)域,MPPT控制將對風(fēng)場慣量支撐產(chǎn)生不利的影響。

2.2 低風(fēng)速下MPPT控制對虛擬慣量支撐的影響

在低風(fēng)速條件下,MPPT曲線斜率比較陡峭,因此轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的微小變化將造成有功參考值Pref的大范圍變化(圖3中AB段)?？紤]到MPPT控制對系統(tǒng)慣量的不利影響較大,導(dǎo)致不能抵消由比例控制器的引入所造成的Pad的增加,因此在此區(qū)域內(nèi)P控制器的影響可忽略。由于低風(fēng)速下轉(zhuǎn)速變化很小,HW≈0,即風(fēng)機在低風(fēng)速下基本不提供慣性支撐。

2.3 高風(fēng)速下MPPT控制對虛擬慣量支撐的影響

在高風(fēng)速條件下,風(fēng)機的有功出力Pref被鉗制在額定功率處(圖3中DE段)。當(dāng)電網(wǎng)頻率跌落事故發(fā)生時,由于風(fēng)機出力不能高于額定值,比例控制器并不起作用,因此風(fēng)場不能提供任何慣性支撐能力。當(dāng)電網(wǎng)頻率出現(xiàn)上升事件時,將啟動槳距角控制以阻止轉(zhuǎn)速持續(xù)上升,因此MPPT控制對系統(tǒng)慣量支撐沒有不利影響,而風(fēng)場提供的慣量僅僅來自于比例控制器。

3 比例控制器對系統(tǒng)虛擬慣量的影響分析

比例控制器通過改變Pad而改變F2的不同表達形式,從而最終實現(xiàn)對風(fēng)場慣量支撐能力產(chǎn)生影響。

利用比例控制器可以追蹤系統(tǒng)頻率的波動,并實現(xiàn)對風(fēng)機有功功率的調(diào)節(jié)。在比例控制器作用下的虛擬慣量部分F2為

(13)

favg表示從t0到t時間內(nèi)電網(wǎng)頻率平均變化量。在MPPT控制中,考慮到有功輸出與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速具有三次方關(guān)系,故F1表達式可表示為

(14)

其中,CW為與風(fēng)機相關(guān)的常數(shù)。在比例控制器作用下系統(tǒng)虛擬慣量為

(15)

4 仿真實驗及結(jié)果分析

利用電力系統(tǒng)仿真軟件DIgSILENT/PowerFactory搭建如圖4所示的測試平臺,用以驗證所設(shè)計的虛擬慣量控制器對系統(tǒng)頻率的影響。該測試平臺包括一個300 MW的風(fēng)場和一個弱交流系統(tǒng)。風(fēng)場由150臺容量為2 MW的雙饋感應(yīng)風(fēng)機組成,弱交流系統(tǒng)只含有1臺同步電機及相關(guān)負(fù)載,同步電機與風(fēng)電場共同向弱交流系統(tǒng)輸送電能。同步電機及系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

圖4 仿真測試平臺結(jié)構(gòu)圖

表1 測試系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

參數(shù)名稱參數(shù)大小風(fēng)場額定容量SWF300MW比例控制器參數(shù)KP-5固定負(fù)載PL1+jQL1400MW+100MVAR可變負(fù)載PL2+jQL240MW+10MVAR發(fā)電機額定容量Sg300MVA發(fā)電機機端電壓Vg13.8kV發(fā)電機慣性時間常數(shù)Hg4s原動機調(diào)差系數(shù)RP0.04原動機時間常數(shù)TW伺服電機時間常數(shù)8.405s0.5勵磁調(diào)節(jié)器增益勵磁時間常數(shù)400dB0.01

圖5是在虛擬慣量控制器作用下的風(fēng)場慣量水平和頻率響應(yīng)特性曲線。在t=5 s時(圖5中的點A),由于可變負(fù)載PL2+jQL2進入系統(tǒng),造成系統(tǒng)頻率的降低，并很快達到頻率最低點(圖5中的點B)。為了應(yīng)對頻率下降的影響,則需要啟動比例控制器,Pad一直增大，直至B點處達到最大值(見圖5(d))。點A,B和F所圍成的面積表示由比例控制器所激發(fā)的附加能量,如圖5(d)中的S1+S3面積所示。風(fēng)機產(chǎn)生的附加能量使ωD降低,如圖5(b)中陰影面積S1所示。根據(jù)圖5(a)中MPPT曲線的走勢,相應(yīng)地，Pref將降低。在MPPT運行條件下對風(fēng)機慣量產(chǎn)生的不利影響可以用點A、D和E所圍成的面積S3表示,由MPPT和比例控制器共同產(chǎn)生的綜合效應(yīng)則由點A、B和E圍成面積S1則表示。如果S1為正,則表明風(fēng)場為電力系統(tǒng)提供有利的系統(tǒng)慣量支撐。而圖5中的點C即為系統(tǒng)功率平衡點,在此處,PWF=Pref,同時轉(zhuǎn)速值在C點處達到最低。

綜上所述,在配合比例控制器的情況下,風(fēng)場具有更好的慣量支撐作用,主要是因為在頻率最低點,比例控制器能夠提供更大的附加功率(圖5(d)的點B)來消除傳統(tǒng)MPPT控制器帶來的不利影響。

圖5 虛擬慣量控制器作用下風(fēng)場慣量和頻率響應(yīng)特性

5 結(jié)語

通過對MPPT控制器和比例控制器的設(shè)計、分析和仿真實驗驗證說明：比例控制器能夠消除傳統(tǒng)MPPT單一控制對風(fēng)場慣量支撐的不利影響。隨著未來風(fēng)電在電網(wǎng)中的占有比例逐漸提高,研究以雙饋感應(yīng)風(fēng)機為代表的變風(fēng)速風(fēng)機虛擬慣量控制器問題,將對未來電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

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Research on design and simulation experiment of virtual inertia controller for doubly fed induction generator

Zhang Jianliang, Qi Donglian, Wu Yue, Han Tao, Lu Lingxia

(College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

The virtual inertia control of doubly fed induction generator is an effective way to improve the frequency response characteristics of power grid. In view of this, this paper analyzes the possibility of providing transient virtual inertial support for the power system by using variable speed wind turbines, and proposes a virtual inertia control strategy based on MPPT and proportional controllers, also the level of system inertia supporting capacity of wind turbine is qualitatively and quantitatively described. By means of power system simulation software DIgSILENT/PowerFactory, the system simulation platform is established, and it is proved that the proposed virtual inertia controller provides significance improvement for system frequency stability under the condition of system disturbance.

doubly fed induction generator; proportional controller; simulation experiment

10.16791/j.cnki.sjg.2017.05.028

2016-11-18

國家自然科學(xué)基金項目(U1509218,61503341)；浙江省自然科學(xué)基金項目(LY15E070001)；浙江省教育廳科研項目(Y201533326)；浙江大學(xué)實驗技術(shù)研究重點項目(SZD201501)；浙江大學(xué)本科實驗教學(xué)自制儀器設(shè)備項目(2016046)

張建良(1984—),男,河南新野,博士,講師,主要研究方向為信號分析與處理、復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)的分析與控制.

E-mail：jlzhang@zju.edu.cn

TM614

A

1002-4956(2017)5-0115-04