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        一種構(gòu)造雙饋風(fēng)機(jī)虛擬慣性的自適應(yīng)風(fēng)功率跟蹤策略

        2017-10-13 21:35:07周凌輝谷志華彭曉濤
        船電技術(shù) 2017年3期

        周凌輝,谷志華,彭曉濤

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        一種構(gòu)造雙饋風(fēng)機(jī)虛擬慣性的自適應(yīng)風(fēng)功率跟蹤策略

        周凌輝1,谷志華2,彭曉濤2

        (1.武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所,武漢430064;2.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院,武漢 430072)

        風(fēng)電機(jī)組的虛擬慣性對(duì)于改善風(fēng)電系統(tǒng)的頻率動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性具有重要作用。本文首先分析了雙饋風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制器跟蹤最大風(fēng)功率的工作原理,在此基礎(chǔ)上分析了最大風(fēng)功率跟蹤對(duì)并網(wǎng)風(fēng)機(jī)的頻率響應(yīng)特性及對(duì)雙饋風(fēng)機(jī)常規(guī)附加虛擬慣性控制的影響。接著,研究了雙饋風(fēng)機(jī)基于最大風(fēng)功率跟蹤曲線線性調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方法及其特點(diǎn)。同時(shí)利用轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程推導(dǎo)了聯(lián)系電網(wǎng)頻率與雙饋風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能的虛擬慣性表達(dá)式,在此基礎(chǔ)上提出了雙饋風(fēng)機(jī)基于風(fēng)功率跟蹤自適應(yīng)調(diào)節(jié)的虛擬慣性控制策略。最后,通過(guò)仿真驗(yàn)證了該控制策略的有效性。

        雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī) 最大風(fēng)功率跟蹤 虛擬慣性 頻率響應(yīng)

        0 引言

        本文在分析雙饋風(fēng)機(jī)跟蹤最大風(fēng)功率的轉(zhuǎn)速控制原理及其對(duì)附加虛擬慣性控制影響的基礎(chǔ)上,研究了雙饋風(fēng)機(jī)基于最大風(fēng)功率跟蹤曲線線性調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)子調(diào)速方法,進(jìn)而根據(jù)雙饋風(fēng)電機(jī)組的虛擬慣量表達(dá)式,提出了構(gòu)建雙饋風(fēng)電機(jī)組虛擬慣性的風(fēng)功率跟蹤自適應(yīng)控制策略。該控制策略能夠根據(jù)頻率偏差動(dòng)態(tài)調(diào)整雙饋風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速,從而為虛擬慣性構(gòu)建提供額外的轉(zhuǎn)子動(dòng)能。最后利用仿真驗(yàn)證了所提出虛擬慣性控制策略的合理有效性。

        1 雙饋風(fēng)機(jī)跟蹤最大風(fēng)功率的轉(zhuǎn)速控制

        1.1 雙饋風(fēng)機(jī)跟蹤最大風(fēng)功率的轉(zhuǎn)速控制原理

        如圖1所示,并網(wǎng)運(yùn)行雙饋風(fēng)機(jī)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通過(guò)齒輪箱與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子耦合,同時(shí),轉(zhuǎn)子的三相對(duì)稱繞組通過(guò)雙向PWM變流器RSC和GSC與電網(wǎng)連接,定子三相對(duì)稱繞組則與電網(wǎng)直接連接。

        圖1 DFIG的并網(wǎng)運(yùn)行原理圖

        P為風(fēng)機(jī)輸入雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)DFIG的機(jī)械功率;ω為DFIG的轉(zhuǎn)子角速度;J為風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子的固有機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;=(ω-ω)/ ω,為ω與電網(wǎng)同步電角速度ω(ω=2πff為電網(wǎng)頻率)的轉(zhuǎn)差率;SP為雙饋風(fēng)機(jī)經(jīng)雙向變流器向DFIG轉(zhuǎn)子三相繞組輸入的轉(zhuǎn)差頻率功率。若忽略DFIG定子的電阻和磁鏈變化,同時(shí)將RSC矢量控制的坐標(biāo)系的軸定向在定子磁鏈上,則由定子側(cè)有功、無(wú)功和電磁轉(zhuǎn)矩方程可知,DFIG可通過(guò)轉(zhuǎn)子電流的i分量控制定子側(cè)電磁功率P,通過(guò)轉(zhuǎn)子電流的i分量控制定子側(cè)無(wú)功,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組有功無(wú)功的解耦控制[23]。

        正常運(yùn)行時(shí),功率外環(huán)控制中的有功指令由圖2所示雙饋風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制器按照最大風(fēng)功率跟蹤控制確定。圖2所示轉(zhuǎn)速控制包括兩個(gè)過(guò)程:一個(gè)是P指令的產(chǎn)生過(guò)程,該控制利用實(shí)測(cè)P根據(jù)最大風(fēng)功率跟蹤曲線的擬合函數(shù)ω=AP+BP+、ωωω確定轉(zhuǎn)速參考值ω,通過(guò)ω和實(shí)際反饋轉(zhuǎn)速ω的比較,經(jīng)電磁轉(zhuǎn)矩PI調(diào)節(jié)器確定消除ωω偏差,產(chǎn)生電磁功率指令P;另一個(gè)是i的產(chǎn)生過(guò)程,該控制利用指令P和實(shí)測(cè)P的比較偏差,經(jīng)電磁功率PI調(diào)節(jié)器確定使P跟蹤Pi。

        1.2 雙饋風(fēng)機(jī)跟蹤最大風(fēng)功率的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過(guò)程

        雙饋風(fēng)機(jī)最大風(fēng)功率跟蹤的目標(biāo)就是通過(guò)調(diào)節(jié)i使P趨于P。其利用轉(zhuǎn)速控制器實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)功率跟蹤的過(guò)程可由圖3分析。圖中,ωω分別為雙饋風(fēng)機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍的下限和上限;PP分別為最大風(fēng)功率跟蹤曲線擬合函數(shù)中對(duì)應(yīng)ωωP取值下限和上限;P為風(fēng)電機(jī)組的額定輸出功率。曲線為風(fēng)電機(jī)組在額定風(fēng)速內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)功率跟蹤的運(yùn)行區(qū)間。曲線上的、、分別風(fēng)電機(jī)組在風(fēng)速v3、v2和v1下跟蹤最大風(fēng)功率的穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)。

        圖2 雙饋風(fēng)機(jī)跟蹤最大風(fēng)功率的轉(zhuǎn)速控制原理

        假設(shè)風(fēng)機(jī)初始最優(yōu)運(yùn)行點(diǎn)為,若風(fēng)速突然由v2改變?yōu)関1,則風(fēng)機(jī)輸出機(jī)械功率將由曲線v2的點(diǎn)風(fēng)功率P突變?yōu)榍€v1的點(diǎn)風(fēng)功率P。由于P大于風(fēng)機(jī)在初始運(yùn)行點(diǎn)b的電磁功率P,因此轉(zhuǎn)速ω增加,并大于由P依據(jù)擬合函數(shù)確定的轉(zhuǎn)速指令ω=ω。ωω的偏差將進(jìn)一步引起P增加,并通過(guò)調(diào)節(jié)i增加P,進(jìn)而使P趨于P。由于雙饋風(fēng)機(jī)在v1曲線段輸入的P大于最大風(fēng)功率跟蹤曲線段所對(duì)應(yīng)P,因此,轉(zhuǎn)速控制器沿著曲線不斷增大風(fēng)機(jī)的Pω,直至使P等于P的運(yùn)行點(diǎn)處。同理可分析風(fēng)速由v2改變?yōu)関3時(shí),風(fēng)電機(jī)組由穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)改變至點(diǎn)的最大風(fēng)功率跟蹤過(guò)程。

        此外,當(dāng)風(fēng)速下降使ω小于ω,風(fēng)機(jī)的最大風(fēng)功率跟蹤將運(yùn)行在曲線所示的低風(fēng)速恒轉(zhuǎn)速區(qū)間,此時(shí)ω恒等于ω,風(fēng)電機(jī)組通過(guò)降低P使ω趨于ω;當(dāng)風(fēng)速上升使ω大于ω,風(fēng)機(jī)將運(yùn)行在曲線所示的高風(fēng)速恒轉(zhuǎn)速區(qū)間,此區(qū)間ω恒等于ω,風(fēng)機(jī)通過(guò)增加P使ω趨于ω,當(dāng)風(fēng)速增大到使P≥P時(shí),為了能繼續(xù)使ω趨于ω,且P≤P,需要通過(guò)調(diào)節(jié)槳距角以減小風(fēng)功率輸入。

        2 最大風(fēng)功率跟蹤對(duì)雙饋風(fēng)機(jī)頻率響應(yīng)的影響

        雙饋風(fēng)機(jī)并網(wǎng)后,當(dāng)忽略同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的阻尼作用,同步發(fā)電機(jī)的頻率動(dòng)態(tài)特性和風(fēng)電系統(tǒng)的有功平衡可由式(1)表示:

        式中,PPH分別為同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率、電磁功率和慣量常數(shù);n、n分別為風(fēng)電系統(tǒng)中同步發(fā)電機(jī)和風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)數(shù)量;P為風(fēng)機(jī)輸出的電磁功率;∑P和∑P分別表示風(fēng)電系統(tǒng)的有功需求和有功損耗。

        若不考慮同步發(fā)電機(jī)的一次調(diào)頻,當(dāng)系統(tǒng)有功需求變化△P,則由式(1)可知:

        式中,△P為同步發(fā)電機(jī)的電磁功率增量;△P為風(fēng)機(jī)的電磁功率增量。對(duì)式(2-1)積分可得有功需求變化所導(dǎo)致的系統(tǒng)頻率偏差:

        (3)

        依據(jù)式(3)可知,隨著風(fēng)電滲透率的增加,系統(tǒng)中同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)數(shù)量n下降,系統(tǒng)慣性時(shí)間常數(shù)總和也將下降。同時(shí),由風(fēng)機(jī)的最大風(fēng)功率跟蹤原理可知,其輸出功率P由最大風(fēng)功率跟蹤曲線與風(fēng)功率曲線的交點(diǎn)確定,與電網(wǎng)頻率的變化無(wú)關(guān)。因此當(dāng)f變化時(shí),由于△P=0,頻率偏差f將隨著風(fēng)電滲透率的增加而增大。

        圖4 雙饋風(fēng)電機(jī)組的附加虛擬慣性控制

        若按圖4在最大風(fēng)功率跟蹤指令值上附加與df/成正比的有功調(diào)節(jié)指令△P,由式(1)和式(3)分析可知該附加有功調(diào)節(jié)指令將使風(fēng)機(jī)提供阻尼系統(tǒng)頻率變化的虛擬慣性。但由最大風(fēng)功率跟蹤的轉(zhuǎn)速控制原理可知,當(dāng)f變化,附加虛擬慣性控制雖然會(huì)改變P輸出,并使ω改變,但變化的P又將使ωω改變的反方向逐漸變化,則ωω之間的增大偏差將反作用P,使其變化減小并逐漸恢復(fù)至初始狀態(tài),從而影響用于改善風(fēng)機(jī)頻率響應(yīng)特性的調(diào)頻有功輸出。圖5通過(guò)仿真圖4所示并網(wǎng)雙饋風(fēng)機(jī)在△P等于正負(fù)0.5MW階躍指令作用下的電磁功率和轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程,驗(yàn)證了最大風(fēng)功率跟蹤對(duì)附加虛擬慣性控制的制約作用。

        3 基于自適應(yīng)跟蹤風(fēng)功率的虛擬慣性控制

        3.1 最大風(fēng)功率跟蹤曲線的線性調(diào)節(jié)

        對(duì)圖3所示最大風(fēng)功率跟蹤曲線進(jìn)行比例調(diào)節(jié):若比例調(diào)節(jié)系數(shù)滿足βx≥>1時(shí),則曲線將會(huì)改變?yōu)閳D6中;若比例調(diào)節(jié)系數(shù)滿足:

        β≤<1,則曲線將會(huì)改變?yōu)閳D6中。β是使曲線與線段相交的最小比例調(diào)節(jié)值;βx則是使曲線與線段相交且與線段無(wú)交點(diǎn)的最大比例調(diào)節(jié)值。如果在最大風(fēng)功率跟蹤穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)c,將最大風(fēng)功率跟蹤曲線通過(guò)比例調(diào)節(jié)改變?yōu)榍€,則轉(zhuǎn)速控制器的ω將突然改變?yōu)?i>ω。由于ω小于實(shí)際轉(zhuǎn)速ω,因此它們的比較偏差將使P突然增加,從而使轉(zhuǎn)速控制器增加P,以使ω增加。同時(shí),由于逐漸增大的P大于曲線對(duì)應(yīng)的風(fēng)功率,因此ω會(huì)由ω不斷下降,這個(gè)過(guò)程中P隨之減小,當(dāng)P減小到使P大于P,在轉(zhuǎn)速控制器的作用下,風(fēng)機(jī)將開始逐漸減小P。由于電磁功率大于風(fēng)功率,所以持續(xù)下降的ω將使轉(zhuǎn)速控制器持續(xù)減小電磁功率直至點(diǎn),此時(shí),ω=ωP=P,風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行在點(diǎn)。同理,如果在最優(yōu)運(yùn)行點(diǎn)c處,最大風(fēng)功率跟蹤曲線通過(guò)比例調(diào)節(jié)改變?yōu)?,則轉(zhuǎn)速控制器的ω將突然改變?yōu)?i>ω。由于ω大于實(shí)際轉(zhuǎn)速ω,因此它們的比較偏差將使Peref突然減小,從而使得轉(zhuǎn)速控制器減小P,以使ω減小。同時(shí),由于逐漸減小的P大于曲線對(duì)應(yīng)的風(fēng)功率,因此ω會(huì)由ω沿曲線上升,這個(gè)過(guò)程中P不斷增加,當(dāng)P增加到使P小于P,在轉(zhuǎn)速控制器的作用下,風(fēng)機(jī)將開始逐漸增加P。由于電磁功率小于風(fēng)功率,所以持續(xù)上升的ω將使轉(zhuǎn)速控制器持續(xù)增加電磁功率直至點(diǎn),此時(shí),ω=ω,P=P,風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行在點(diǎn)。

        設(shè)ω=ω,P= P,對(duì)上述調(diào)節(jié)過(guò)程的運(yùn)行點(diǎn)進(jìn)行分析可知,穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)和處的轉(zhuǎn)速和電磁功率分別滿足:

        式中,xx為方程AP+BP+=0的根。設(shè)P=P-ε,ω=ω+ω,則由式(4)可得比例系數(shù)β表達(dá)式:

        (5)

        式中,ε是調(diào)速前后兩個(gè)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)之間電磁功率偏差??紤]風(fēng)電機(jī)組風(fēng)功率在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的較小漸變特點(diǎn),因此若忽略轉(zhuǎn)速變化ω內(nèi)的功率偏差ε,則可得β近似表達(dá)式:

        將式(6)和P=P-ε分別代入式(4)可得:

        因此,利用β近似表達(dá)式進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)所產(chǎn)生的調(diào)速誤差ε為:

        依照個(gè)體選擇概率對(duì)所有個(gè)體進(jìn)行排序,根據(jù)精英保留法直接復(fù)制遺傳選擇概率最優(yōu)的個(gè)體,產(chǎn)生符合[0,1]范圍的隨機(jī)數(shù)與重組概率Pc比較。當(dāng)前研究多用概率設(shè)置算子設(shè)置重組概率[18],過(guò)度保護(hù)了高適應(yīng)度個(gè)體。本文基于自適應(yīng)原理改進(jìn)概率設(shè)置算子,將高適應(yīng)度個(gè)體賦予較高的重組概率,以遺傳更多高質(zhì)量基因:

        式(8)表明,利用式(6)對(duì)最大風(fēng)功率跟蹤曲線進(jìn)行調(diào)節(jié),可在保證風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的前提下實(shí)現(xiàn)調(diào)速。雖然調(diào)速存在誤差,但隨著比例調(diào)節(jié)系數(shù)接近1,由于調(diào)速前后穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)之間的功率偏差減小,因此調(diào)速誤差也將減小。此外,即使調(diào)速前后穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)間的功率偏差較大,比例調(diào)節(jié)系數(shù)的減小也將起到衰減轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)誤差的作用。同理可分析穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)。

        圖7通過(guò)仿真圖2所示并網(wǎng)雙饋風(fēng)機(jī)在=1.05和=0.95時(shí)的電磁功率和轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程,驗(yàn)證了上述雙饋風(fēng)機(jī)對(duì)線性調(diào)節(jié)最大風(fēng)功率跟蹤曲線的響應(yīng)分析。對(duì)比圖7所示雙饋風(fēng)機(jī)電磁功率和轉(zhuǎn)速的初始穩(wěn)態(tài)和最終穩(wěn)態(tài)可知,即使風(fēng)速不變,由于最大風(fēng)功率跟蹤曲線發(fā)生變化,因此雙饋風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)發(fā)生改變,不僅使風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速和輸出功率發(fā)生改變,而且對(duì)比圖5的輸出功率暫態(tài)響應(yīng)過(guò)程可知,系統(tǒng)頻率變化時(shí),通過(guò)線性調(diào)節(jié)最大風(fēng)功率曲線能夠更好改善雙饋風(fēng)機(jī)的頻率響應(yīng)特性。

        3.2 構(gòu)建虛擬慣性的自適應(yīng)風(fēng)功率跟蹤控制策略

        若忽略圖1中風(fēng)機(jī)和DFIG間傳動(dòng)齒輪的功率損耗,則由動(dòng)力學(xué)原理可得雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程:

        對(duì)上式積分可得:

        (10)

        式中,tt分別是積分結(jié)束和起始時(shí)刻。雖然雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子的ω與電網(wǎng)ω被其雙向PWM變流器解耦,但是通過(guò)假設(shè)風(fēng)電機(jī)組的虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J,可建立系統(tǒng)頻率與其轉(zhuǎn)子動(dòng)能的聯(lián)系,即:

        假設(shè)t為虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量控制的起始時(shí)刻,t為虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量控制的當(dāng)前時(shí)刻,對(duì)式(11)進(jìn)行積分,則依據(jù)式(10)可得:

        (12)

        J/J=,則由式(12)可得當(dāng)前虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量控制的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)目標(biāo):

        式中,ω(t)ω(t)分別為虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量控制初始時(shí)刻的風(fēng)電系統(tǒng)同步電角速度和風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子角速度。若令ω(t)= ωω(t)= ω,同時(shí)令當(dāng)前檢測(cè)的電網(wǎng)同步電角速度ω(t)= ω(t),則可確定當(dāng)前虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量控制的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)目標(biāo)值ω(t),進(jìn)而依據(jù)式(6)可得實(shí)現(xiàn)當(dāng)前虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量控制的最大風(fēng)功率跟蹤曲線比例調(diào)節(jié)系數(shù):

        (14)

        考慮系統(tǒng)頻率向上波動(dòng)和向下波動(dòng)情況相似,且向上波動(dòng)的范圍小于向下波動(dòng),因此可通過(guò)分析頻率向下波動(dòng)的情況,確定式中的取值范圍。

        J=αJ代入式(12)可得:

        進(jìn)一步整理式(15)可得:

        (16)

        一般電力系統(tǒng)頻率安全運(yùn)行下限為48Hz,在調(diào)頻過(guò)程中同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化范圍通常為0.96~1p.u.,則-0.0392ωω(t)-ω≤0。忽略初始轉(zhuǎn)差率S,且為了減小調(diào)速誤差令1≥,則依據(jù)式(16)可得取值范圍為0≤2.42。

        基于上述分析,當(dāng)不考慮風(fēng)功率變化,由式(11)可知,通過(guò)對(duì)最大風(fēng)功率跟蹤曲線進(jìn)行比例調(diào)節(jié),能夠通過(guò)調(diào)節(jié)雙饋風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速改變電磁功率輸出,進(jìn)而為雙饋風(fēng)機(jī)提供構(gòu)建頻率慣性的率慣性特性的調(diào)頻有功。由此,本文提出了圖8所示的雙饋風(fēng)機(jī)基于風(fēng)功率跟蹤自適應(yīng)調(diào)節(jié)的虛擬慣性控制策略。由圖可見,該策略通過(guò)檢測(cè)當(dāng)前系統(tǒng)同步電角速度,根據(jù)風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子初始角速度和式(14)確定修正最大風(fēng)功率跟蹤曲線的比例調(diào)節(jié)系數(shù)得以實(shí)現(xiàn)。

        4 仿真分析

        利用圖9所示仿真模型對(duì)比研究G1不采用虛擬慣性控制、采用附加虛擬慣性控制、采用基于自適應(yīng)風(fēng)功率跟蹤的虛擬慣性控制時(shí),系統(tǒng)狀態(tài)對(duì)頻率變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。圖中,雙饋風(fēng)機(jī)G1為100 MW風(fēng)電場(chǎng),分別與額定功率200MW的同步發(fā)電機(jī)G2和額定功率150 MW的同步發(fā)電機(jī)G3連接,L1為100 MW有功負(fù)荷,可經(jīng)開關(guān)CB1進(jìn)行投切控制,L2為200MW有功負(fù)荷。仿真中,風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速設(shè)為9 m/s,雙饋風(fēng)機(jī)最大風(fēng)功率跟蹤曲線擬合公式為:ω=0.8669P+1.916P+0.3298、ω=0.67ω=1.5,P=20MW、P=100MW,圖8中=2,圖4中k=50,通過(guò)在2s時(shí)刻操作開關(guān)CB1接入負(fù)荷L1和切除L1設(shè)置系統(tǒng)頻率擾動(dòng)。兩種頻率擾動(dòng)下的系統(tǒng)狀態(tài)響應(yīng)如圖10和圖11所示。

        對(duì)比圖10(a)和圖11(a)的可知,采用所提虛擬慣性控制,發(fā)生負(fù)荷增加擾動(dòng)時(shí),頻率的最大下降幅度由無(wú)慣性控制時(shí)的49.87Hz上升到49.93Hz,降低幅度減少46.15%;切除負(fù)荷擾動(dòng)時(shí),頻率的最大上升速幅度由無(wú)慣性控制的50.14Hz下降到50.08 Hz,上升幅度減少42.86%。

        同時(shí),對(duì)比圖中系統(tǒng)頻率在兩種虛擬慣性控制作用下的響應(yīng)可知,所提虛擬慣性控制能夠更好改善系統(tǒng)的頻率慣性,減小系統(tǒng)頻率偏差幅度。對(duì)比圖10(b)、圖10(c)和圖11(b)、圖11(c)可知,當(dāng)雙饋風(fēng)機(jī)G1采用無(wú)虛擬慣性控制時(shí),風(fēng)電場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)頻率變化幾乎沒有響應(yīng);當(dāng)采用虛擬慣性控制后,對(duì)于系統(tǒng)頻率擾動(dòng)可以通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,存儲(chǔ)或釋放轉(zhuǎn)子動(dòng)能為系統(tǒng)提供一定的調(diào)頻有功支持,有效減小系統(tǒng)的頻率變化。

        注:實(shí)線(黑色)-無(wú)慣性;虛線(藍(lán)色)-附加虛擬慣性控制; 點(diǎn)化線(紅色)-風(fēng)功率跟蹤自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

        圖10(d)、圖10(e)和圖11(d)、圖11(e)描述了風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)中同步發(fā)電機(jī)G2和G3的有功動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程。如圖,當(dāng)風(fēng)電機(jī)組G1不采用虛擬慣性控制,由于G1對(duì)系統(tǒng)頻率變化不能提供有功支持,并且同步發(fā)電機(jī)G2和G3的調(diào)速器調(diào)節(jié)較慢,因此負(fù)荷的突然變化將導(dǎo)致G2和G3電磁功率的迅速變化,進(jìn)而使同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速迅速發(fā)生變化并導(dǎo)致系統(tǒng)頻率的快速變化。而當(dāng)G1采用虛擬慣性控制時(shí),對(duì)于負(fù)荷變化引起的系統(tǒng)頻率變化,G1通過(guò)虛擬慣性控制調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子速度,利用轉(zhuǎn)子動(dòng)能的儲(chǔ)存或釋放補(bǔ)償系統(tǒng)有功缺額,因此G2和G3電磁功率的變化在頻率變化初期有所減小,進(jìn)而減小了同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速變化并使系統(tǒng)頻率變化減小。同時(shí),對(duì)比G1轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、電磁功率和G2、G3電磁功率在兩種虛擬慣性控制作用下的響應(yīng)可知,所提虛擬慣性控制由于克服了最大風(fēng)功率跟蹤對(duì)風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)的約束,因此較附加虛擬慣性控制能夠?qū)崿F(xiàn)更大范圍的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和阻尼頻率變化的有功輸出。

        (a)增加L 1負(fù)荷時(shí)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及其指令值

        (b)切除L 1負(fù)荷時(shí)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及其指令值

        上述仿真中ω的指令值、實(shí)際值和最大風(fēng)功率跟蹤曲線比例調(diào)節(jié)系數(shù)的變化過(guò)程如圖12所示。圖12(c)仿真結(jié)果表明,與頻率偏差變化保持同步,當(dāng)頻率偏差不為零,也將偏離穩(wěn)態(tài)值1,若>1則轉(zhuǎn)速上升、功率減小,若<1則轉(zhuǎn)速下降、功率增加,當(dāng)頻率恢復(fù)初始穩(wěn)態(tài)值,則=1,風(fēng)電機(jī)組恢復(fù)最大風(fēng)功率跟蹤運(yùn)行方式。同時(shí),的變化范圍和取值驗(yàn)證了所提出參數(shù)設(shè)計(jì)方法的合理性。圖12(a)、(b)的仿真結(jié)果則表明所提調(diào)速方法存在調(diào)速誤差,并且調(diào)速誤差隨著比例調(diào)節(jié)系數(shù)的增大而增加、減小而減少,因此可通過(guò)參數(shù)的選擇,適當(dāng)限制比例調(diào)節(jié)系數(shù)的變化范圍,進(jìn)而降低調(diào)速誤差的范圍。

        5 結(jié)論

        本文從充分利用雙饋風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能改善其頻率響應(yīng)特性的角度出發(fā),研究了雙饋風(fēng)機(jī)的非最大風(fēng)功率跟蹤的調(diào)速方法,并基于此提出了雙饋風(fēng)機(jī)基于自適應(yīng)風(fēng)功率跟蹤的虛擬慣性控制策略。通過(guò)研究和仿真得到如下結(jié)論:

        1)風(fēng)電滲透率的增加,電網(wǎng)的頻率慣性將下降,暫態(tài)響應(yīng)的頻率偏差將增大;

        2)所研究虛擬慣性控制策略有效克服了最大風(fēng)功率跟蹤對(duì)雙饋風(fēng)機(jī)附加虛擬慣性控制的影響,并且能夠在改變風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)的前提下,通過(guò)大范圍調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子速度構(gòu)建風(fēng)機(jī)的虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,從而使風(fēng)電機(jī)組具備響應(yīng)頻率變化的虛擬慣性;

        3)所研究虛擬慣性控制策略具有控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于工程實(shí)現(xiàn)、控制器參數(shù)少且便于設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。

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        An Adaptive Wind Power Tracking Strategy for Constructing Virtual Inertia of Doubly-fed Induction Generator-based Wind Turbine

        Zhou Linghui1, Gu Zhihua2, Peng Xiaotao2

        (1.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064,China; 2.School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

        TM614

        A

        1003-4862(2017)03-0051-07

        2016-09-15

        周凌輝(1977-),男,高級(jí)工程師。研究方向:船舶電力推進(jìn)、電力電子技術(shù)。

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