張建良， 齊冬蓮， 吳 越

(浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，杭州 310027)

一種風(fēng)機(jī)頻率穩(wěn)定控制器的設(shè)計(jì)及仿真實(shí)驗(yàn)

張建良， 齊冬蓮， 吳 越

(浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，杭州 310027)

提出了基于最大功率跟蹤控制和微分控制的頻率穩(wěn)定控制器，建立了電網(wǎng)系統(tǒng)頻率和風(fēng)機(jī)有功調(diào)節(jié)能力之間的聯(lián)系，并針對(duì)所設(shè)計(jì)的控制器在系統(tǒng)頻率穩(wěn)定方面的影響進(jìn)行了分析。利用電力系統(tǒng)仿真軟件DIgSILENT/PowerFactory搭建了系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證了在系統(tǒng)受擾情況下，所提出的頻率穩(wěn)定控制器可以有效提高系統(tǒng)的頻率響應(yīng)性能。

雙饋感應(yīng)風(fēng)機(jī)； 微分控制器； 最大功率跟蹤控制； 頻率支撐

0 引 言

近年來，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到了迅猛發(fā)展。雙饋感應(yīng)風(fēng)機(jī)通過利用電力電子變流器實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤(MPPT)控制，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大化利用。然而在這樣的傳統(tǒng)控制方式下，風(fēng)機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率之間完全解耦，風(fēng)機(jī)無法靈活調(diào)節(jié)自身功率以響應(yīng)系統(tǒng)頻率的變化，從而導(dǎo)致風(fēng)機(jī)不具備與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)類似的慣性響應(yīng)能力[1-5]。

隨著風(fēng)電滲透率的不斷提高，風(fēng)能的波動(dòng)性和不確定性加劇了系統(tǒng)的功率擾動(dòng)，而在最大功率跟蹤控制下，風(fēng)機(jī)卻無法利用自身的轉(zhuǎn)子動(dòng)能為系統(tǒng)提供慣量支撐能力，從而加劇了頻率的波動(dòng)性，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了嚴(yán)重的影響。因此，如何通過在風(fēng)機(jī)和電網(wǎng)之間構(gòu)造合適的頻率控制器，以有效利用風(fēng)機(jī)自身的旋轉(zhuǎn)慣量參與系統(tǒng)功率的調(diào)節(jié)控制，研究和實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)在系統(tǒng)頻率穩(wěn)定方面的積極作用已成為學(xué)術(shù)和工業(yè)界亟待解決的問題[6-9]。

在文獻(xiàn)[10]中，通過附加頻率控制環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子側(cè)換流器的功率控制，使得風(fēng)機(jī)通過提供一定的慣量支撐以實(shí)現(xiàn)頻率響應(yīng)能力。文獻(xiàn) [11]中分別利用電網(wǎng)頻率的微分和偏差信號(hào)構(gòu)建風(fēng)機(jī)的有功功率控制，以提供虛擬慣量支撐。文獻(xiàn)[12]中通過綜合虛擬慣量控制與槳距角備用功率控制，配合傳統(tǒng)機(jī)組實(shí)現(xiàn)對(duì)微電網(wǎng)內(nèi)頻率跌落的抑制作用。文獻(xiàn)[13]中基于風(fēng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型和虛擬慣量控制，搭建模擬風(fēng)電并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并進(jìn)行測(cè)試，取得了良好的效果。文獻(xiàn)[14-15]中研究了不同風(fēng)速條件下雙饋感應(yīng)風(fēng)機(jī)的頻率支撐水平，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的頻率控制策略實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)目標(biāo)。然而，現(xiàn)有利用風(fēng)力機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輔助調(diào)頻的方法，普遍缺乏對(duì)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)慣量支撐能力的定量和定性分析，以及對(duì)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定影響因素的討論。

本文主要針對(duì)雙饋感應(yīng)風(fēng)機(jī)的調(diào)頻能力展開研究，首先提出了基于最大功率跟蹤控制和微分控制器的頻率穩(wěn)定控制器，建立了系統(tǒng)頻率和有功調(diào)節(jié)之間的聯(lián)系，并對(duì)風(fēng)機(jī)的慣量支撐能力進(jìn)行定性和定量描述。然后深入分析了所設(shè)計(jì)的控制器對(duì)系統(tǒng)慣量支撐能力的影響。最后利用電力系統(tǒng)仿真軟件DIgSILENT/PowerFactory環(huán)境搭建了系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并對(duì)受擾條件下所設(shè)計(jì)控制器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定方面的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 雙饋感應(yīng)風(fēng)機(jī)頻率穩(wěn)定控制器

1.1雙饋感應(yīng)風(fēng)機(jī)模型

雙饋感應(yīng)風(fēng)機(jī)的組成包括風(fēng)力機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、雙饋異步發(fā)電機(jī)(DFIG)、背靠背變流器(RSC和GSC)以及MPPT控制系統(tǒng)等部分，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙饋感應(yīng)風(fēng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

風(fēng)力機(jī)通過利用巨大的葉片將空氣動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)并發(fā)出有功功率。本文采用如下的靜態(tài)模型刻畫風(fēng)機(jī)捕獲的機(jī)械功率

式中：ρ是空氣密度；R是風(fēng)機(jī)葉片半徑；vw是實(shí)時(shí)風(fēng)速值；Cp是風(fēng)能利用系數(shù)；λ是葉尖速比；ωD是風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；θ是槳距角。通常情況下，如果Pwind低于額定功率值，槳距角一般保持在0°，這樣，風(fēng)能利用系數(shù)Cp是葉尖速比λ的函數(shù)。在槳距角一定的情況下，可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速到達(dá)最優(yōu)轉(zhuǎn)速值，以獲得風(fēng)能利用系數(shù)的最大值，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大捕獲，如圖2中的A所示。任何偏離最優(yōu)轉(zhuǎn)速值將導(dǎo)致捕獲風(fēng)能機(jī)械功率的下降，如圖2的B和C點(diǎn)所示。

圖2 風(fēng)機(jī)運(yùn)行曲線圖

1.2雙饋感應(yīng)風(fēng)機(jī)頻率穩(wěn)定控制器結(jié)構(gòu)

雙饋感應(yīng)風(fēng)機(jī)根據(jù)風(fēng)速的不同，采取不同的控制方式，以實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲能力和系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的目標(biāo)。具體的，當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，機(jī)組采取最大功率跟蹤控制算法以獲得最大有功出力；而當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，機(jī)組將啟動(dòng)槳距角控制以保護(hù)風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行，并限制有功出力水平在額定功率值。雙饋感應(yīng)風(fēng)機(jī)的傳統(tǒng)功率控制策略如圖3所示。

圖3 雙饋感應(yīng)風(fēng)機(jī)的傳統(tǒng)功率控制

電力系統(tǒng)調(diào)頻主要依靠具有特殊功能的調(diào)頻發(fā)電裝置，而變速風(fēng)機(jī)最大的優(yōu)勢(shì)在于變換轉(zhuǎn)速，因此可通過轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)動(dòng)能的吸收或釋放以提供虛擬慣量支撐，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)暫時(shí)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)能的大量浪費(fèi)。接下來將研究利用系統(tǒng)頻率偏差信號(hào)，實(shí)現(xiàn)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的慣量支撐能力。風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程表示如下:

(3)

式中：ωD為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速;HD是風(fēng)機(jī)慣性時(shí)間常數(shù)；Pwind、Pref分別為風(fēng)力機(jī)捕獲的風(fēng)能和由MPPT控制所得的風(fēng)機(jī)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(chǎng)必須實(shí)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(hào)實(shí)施輔助功率控制Pad，則風(fēng)機(jī)的功率控制律變?yōu)椋?/p>

PWF=Pad+Pref

(4)

(5)

式中：KD為微分控制器的比例參數(shù)；Δf是系統(tǒng)頻率偏差信號(hào)；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)生的功率調(diào)節(jié)值。一般來說，有很多種控制方法可以實(shí)現(xiàn)此處的功率調(diào)節(jié)值Pad，本文基于實(shí)現(xiàn)的方便性、穩(wěn)定性和成本問題，采取微分控制器(D控制器)實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)對(duì)系統(tǒng)頻率波動(dòng)的跟蹤控制Pad。本文提出的頻率穩(wěn)定控制器如圖4所示，其中LPF是低通濾波器，用作對(duì)微分環(huán)節(jié)下高頻噪聲的濾除。

圖4 頻率穩(wěn)定控制器

1.3風(fēng)機(jī)頻率穩(wěn)定能力的定性分析

通過1.2節(jié)內(nèi)容可知，在頻率穩(wěn)定控制器作用下，可以將等式(3)中風(fēng)機(jī)有功輸出值Pref用PWF代替：

(6)

通過模擬同步發(fā)電機(jī)的有效慣量，可得：

(7)

式中,HW為風(fēng)電場(chǎng)提供的虛擬有效慣量,為簡(jiǎn)便起見,下文中一律用f代替fWF表示系統(tǒng)頻率信號(hào)。假定風(fēng)速恒定并且槳距角并不啟動(dòng)，那么轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化動(dòng)態(tài)過程中，Pwind的變化很小基本可以忽略，從而轉(zhuǎn)子動(dòng)能可全部用于系統(tǒng)的慣性支撐，可得

(8)

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

(9)

從式(9)可知，風(fēng)場(chǎng)慣量支撐能力大小與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有關(guān)：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速偏差越大，風(fēng)場(chǎng)所提供的慣量越大，對(duì)系統(tǒng)頻率的支撐能力也越強(qiáng)。同時(shí)可知風(fēng)機(jī)的起始轉(zhuǎn)速對(duì)慣量支撐能力也有很大的影響：起始轉(zhuǎn)速越大，風(fēng)場(chǎng)所提供的慣量也越大，對(duì)系統(tǒng)頻率的支撐能力也越強(qiáng)。

1.4風(fēng)機(jī)頻率穩(wěn)定能力的定量分析

綜合表達(dá)式(3)～(5)可得：

(10)

式中,PWF0為風(fēng)電場(chǎng)起始有功功率。將式(10)的兩端積分后可得：

(11)

從而可得風(fēng)場(chǎng)所能提供的有效虛擬慣量HW的表達(dá)式為：

(12)

式中，最大功率跟蹤(MPPT)控制對(duì)HW的影響由下式表示:

(13)

而微分控制器對(duì)HW的影響由下式表示:

(14)

2 最大功率跟蹤控制器對(duì)頻率穩(wěn)定能力的影響分析

如圖2所示，根據(jù)MPPT控制算法，在不同風(fēng)速下風(fēng)機(jī)有功參考值Pref是不同的。連接不同風(fēng)速值下的最大功率點(diǎn)，便得到如圖5所示的風(fēng)機(jī)最大功率捕獲曲線，可以看到不同風(fēng)速條件對(duì)風(fēng)機(jī)慣量水平HW的影響是不同的，從而對(duì)系統(tǒng)頻率的支撐能力也是不同的?，F(xiàn)將具體分析不同風(fēng)速下的最大功率跟蹤控制對(duì)頻率穩(wěn)定能力的影響。

(1) 中等風(fēng)速下MPPT控制對(duì)頻率支撐的影響(圖5中B—D段)。為了響應(yīng)交流系統(tǒng)頻率下降事件，風(fēng)機(jī)將通過微分控制器來增大PWF，其后果將導(dǎo)致風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速ωD下降，從而引起Pref的下降，故F1中的分子為正值，因此F1的表達(dá)式為負(fù)。從而可知在中等風(fēng)速區(qū)域，MPPT控制將對(duì)頻率穩(wěn)定支撐具有不利的影響。

(2) 在低風(fēng)速下MPPT控制對(duì)頻率支撐的影響(圖5中A—B段)。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?？紤]到MPPT控制對(duì)系統(tǒng)頻率支撐能力的不利影響較大，導(dǎo)致不能抵消由微分控制器的引入所造成的Pad的增加，因此在此區(qū)域內(nèi)微分控制器的影響可忽略。由于低風(fēng)速下轉(zhuǎn)速變化很小，HW約等于0，即風(fēng)機(jī)在低風(fēng)速下基本不提供系統(tǒng)頻率的支撐。

(3) 在高風(fēng)速下MPPT控制對(duì)頻率支撐的影響(圖5中D—E段)。在高風(fēng)速條件下，風(fēng)機(jī)的有功出力Pref保持恒定額定功率處，因此當(dāng)電網(wǎng)頻率跌落事故發(fā)生時(shí)，由于風(fēng)機(jī)出力不能高于額定值，微分控制器并不起作用，故風(fēng)場(chǎng)不能提供任何頻率支撐能力；當(dāng)電網(wǎng)頻率出現(xiàn)上升事件時(shí)，將啟動(dòng)槳矩角控制以阻止轉(zhuǎn)速持續(xù)上升，因此,MPPT控制對(duì)系統(tǒng)頻率支撐沒有不利影響，而風(fēng)場(chǎng)提供的慣量?jī)H僅來自于微分控制器。

圖5 風(fēng)機(jī)最大功率跟蹤曲線

3 微分控制器對(duì)系統(tǒng)頻率支撐能力的影響分析

根據(jù)等式(5)和(14)可知，微分控制器通過改變Pad而使得F2具有特定的表達(dá)形式，從而最終實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率支撐能力產(chǎn)生影響。因此,利用微分控制器可以追蹤系統(tǒng)頻率的波動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)有功功率的調(diào)節(jié)，在微分控制器作用下的虛擬慣量部分為

F2=

(15)

同樣地，只有在KD為負(fù)值時(shí)，F(xiàn)2才為正值。同時(shí)可知,F2為恒定值并且不受系統(tǒng)頻率變化的影響，因此微分控制器作用下的HW為：

(16)

4 仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的控制器對(duì)系統(tǒng)頻率的支撐作用，在電力系統(tǒng)專業(yè)仿真環(huán)境DIgSILENT/PowerFactory中，搭建如圖6所示的系統(tǒng)頻率穩(wěn)定測(cè)試平臺(tái)。具體的，該測(cè)試平臺(tái)包括一個(gè)300 MW的風(fēng)場(chǎng)和一個(gè)弱交流系統(tǒng)。風(fēng)場(chǎng)由150臺(tái)容量為2 WM的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)組成，弱交流系統(tǒng)含有一臺(tái)同步電機(jī)，以及一個(gè)固定負(fù)載PL1+jQL1和可變負(fù)載PL2+jQL2，同步電機(jī)與風(fēng)電場(chǎng)共同向弱交流系統(tǒng)輸送電能。同步電機(jī)及系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)如下：風(fēng)場(chǎng)額定容量SWF=300 MW，微分控制器參數(shù)KD=-5，固定負(fù)載PL1+jQL1=400 MW+100 Mvar，可變變載PL2+jQL2=40 MW+10 Mvar，發(fā)電機(jī)額定容量Sg=300 MVA，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓Ug=13.8 kV，發(fā)電機(jī)慣性時(shí)間常數(shù)Hg=4 s，原動(dòng)機(jī)調(diào)差系數(shù)RP=0.04，原動(dòng)機(jī)時(shí)間常數(shù)TW=8.405 s，伺服電機(jī)時(shí)間常數(shù)0.5，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器增益400，勵(lì)磁時(shí)間常數(shù)0.01。

圖6 系統(tǒng)仿真測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

在頻率控制器作用下的風(fēng)場(chǎng)慣量響應(yīng)特性曲線如圖7所示。在t=5 s，如圖7中的A點(diǎn)所示，可變負(fù)載PL2+jQL2投入系統(tǒng)，系統(tǒng)頻率隨之下降。為了應(yīng)對(duì)頻率下降的影響，則需要啟動(dòng)微分控制器。由圖7(d)所示，Pad一直增大直至到B點(diǎn)處達(dá)到最大值。點(diǎn)A，B和D所圍成的面積表示由控制器所激發(fā)的附加能量，如圖7(d)中的S1+S2面積所示?？梢钥吹?，在系統(tǒng)的功率平衡點(diǎn)C處，有PWF=Pref,并且超前于頻率最低點(diǎn)D。為了便于分析，以C點(diǎn)為分界線，將系統(tǒng)的慣量支撐作用HW分割成兩個(gè)時(shí)間段：tA到tC段和tC到tD段。在tA到tC階段，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速保持不斷下降的趨勢(shì)，而系統(tǒng)慣量HW一直保持為正值。正如圖7所示，由A、B和C點(diǎn)包圍的面積S1位于故障前功率值以上，可知在此時(shí)段內(nèi)風(fēng)機(jī)向系統(tǒng)提供正慣量支撐作用。然而在tC到tD階段，由于轉(zhuǎn)速在C點(diǎn)后逐漸上升，系統(tǒng)慣量HW為負(fù)值，表示為系統(tǒng)提供負(fù)的慣量。正如圖7(b)所示，由C、D和E包圍的面積S3表明在此區(qū)間內(nèi)風(fēng)機(jī)向系統(tǒng)提供負(fù)的慣量作用。通過對(duì)比分析圖7(e)中電網(wǎng)頻率特性曲線可知：①在頻率下降的初始階段，在微分控制器作用下頻率的下降速度要慢，并且下降幅度也??；②在頻率的后期恢復(fù)階段，由于微分控制器的作用，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化范圍較小，導(dǎo)致系統(tǒng)頻率最低點(diǎn)較高，顯示本文的頻率控制器有助于增強(qiáng)系統(tǒng)的頻率支撐能力。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

圖7 頻率穩(wěn)定控制器作用下系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性

5 結(jié) 語

針對(duì)雙饋感應(yīng)風(fēng)機(jī)在采用傳統(tǒng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)頻率支撐的不足，本文提出了一種基于MPPT控制和微分控制的系統(tǒng)頻率穩(wěn)定控制器，并分析了其對(duì)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的影響。通過在DIgSILENT/PowerFactory中搭建系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所提出的頻率穩(wěn)定控制器能夠消除傳統(tǒng)MPPT單一控制對(duì)系統(tǒng)頻率支撐的不利影響。隨著風(fēng)力發(fā)電滲透率的不斷提升，通過在雙饋感應(yīng)風(fēng)機(jī)中加裝頻率控制環(huán)節(jié)，將對(duì)未來電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定以及系統(tǒng)可靠運(yùn)行具有重要的意義。

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DesignandSimulationofFrequencyControllerforDoublyFedInductionGenerator

ZHANGJianliang,QIDonglian,WUYue

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

In this paper, the problem of frequency support capability for doubly fed induction generators (DFIGs) in the future grid with high penetration of wind power is discussed, and a frequency stability controller based on maximum power tracking control and differential control is proposed. The relationship between grid frequency and frequency support capability of DFIGs is built, then the influence of the designed controllers on system frequency stability is analyzed. And the power system simulation software DIgSILENT/PowerFactory is used to set up the system simulation experiment platform, the result proves that the proposed frequency stability controller can effectively improve the frequency performance of the whole system.

doubly fed induction generator; differential controller; maximal power point tracking control; frequency support

TM 614

A

1006-7167(2017)09-0087-05

2016-11-21

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(U1509218)；浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(LY15E070001)；浙江省教育廳科研項(xiàng)目(Y201533326)；浙江省實(shí)驗(yàn)室工作研究項(xiàng)目(YB201732)；浙江大學(xué)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)自制儀器設(shè)備項(xiàng)目；德州儀器(TI)產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目，美國(guó)國(guó)家儀器(NI)產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目。

張建良(1984-)，男，河南新野人，博士，講師，研究方向?yàn)樾盘?hào)分析與處理、新能源發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化控制。Tel.：13758247189；E-mail：jlzhang@zju.edu.cn