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+、ω≤ω≤ω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ω和ω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P的i。

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，ω和ω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；P和P分別為最大風(fēng)功率跟蹤曲線擬合函數(shù)中對(duì)應(yīng)ω和ω的P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。ω和ω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P和ω，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，P、P和H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ω向ω改變的反方向逐漸變化，則ω與ω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=ω，P=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，x和x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，t和t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)

令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)和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)= ω、ω(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。

將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-0.0392ω≤ω(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)。