馬少康, 耿 華, 楊 耕, 李 琦

(1. 清華大學(xué)自動(dòng)化系, 北京市 100084; 2. 國(guó)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司, 北京市 102209)

0 引言

隨著風(fēng)電滲透率的不斷提高,由工作在最大功率跟蹤(maximum power point tracking,MPPT)模式下的變速風(fēng)電機(jī)組構(gòu)成的大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)同步發(fā)電機(jī)接入電網(wǎng),將導(dǎo)致電網(wǎng)等效慣量減小[1],危害電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性[2-3]。通過引入頻率反饋控制,可使風(fēng)電場(chǎng)具備支撐電網(wǎng)頻率的能力,對(duì)維持電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行至關(guān)重要[4]。

為了能夠支撐電網(wǎng)頻率,變速風(fēng)電機(jī)組應(yīng)在電網(wǎng)頻率跌落(升高)時(shí)增加(降低)其輸出功率。在電網(wǎng)頻率升高時(shí),風(fēng)電機(jī)組可通過增加槳距角降低其輸出功率,實(shí)現(xiàn)手段較為容易,本文不予考慮。本文重點(diǎn)關(guān)注電網(wǎng)頻率跌落時(shí)風(fēng)電系統(tǒng)的頻率支撐能力及控制方法。

文獻(xiàn)[5-8]通過控制風(fēng)電機(jī)組升速或調(diào)節(jié)風(fēng)電機(jī)組槳距角使其降載運(yùn)行,從而預(yù)留一定的轉(zhuǎn)子動(dòng)能和風(fēng)電功率備用。在電網(wǎng)頻率跌落時(shí),儲(chǔ)備的動(dòng)能和功率備用可用于頻率支撐。但是風(fēng)電機(jī)組工作在降載模式下將降低風(fēng)能利用效率,造成風(fēng)資源浪費(fèi)[9]。慣量控制所需的額外能量也可通過加裝儲(chǔ)能裝置獲得[10-12],但是加裝儲(chǔ)能裝置勢(shì)必將增加系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本。為此,文獻(xiàn)[13-15]在風(fēng)電機(jī)組原MPPT控制基礎(chǔ)之上引入df/dt前饋控制環(huán)節(jié),在電網(wǎng)正常工作時(shí),前饋環(huán)節(jié)輸出為0,風(fēng)電機(jī)組可捕獲最大可利用風(fēng)能。當(dāng)出現(xiàn)電網(wǎng)頻率跌落時(shí),前饋環(huán)節(jié)將輸出額外的功率,從而使風(fēng)電機(jī)組釋放轉(zhuǎn)子動(dòng)能以提供虛擬慣量[16-18]。然而,風(fēng)電機(jī)組原有的MPPT控制環(huán)節(jié)與df/dt前饋環(huán)節(jié)存在動(dòng)態(tài)耦合,原MPPT控制環(huán)節(jié)將部分抵消df/dt前饋控制環(huán)節(jié)的輸出功率,導(dǎo)致虛擬慣量控制的作用被削弱[8]。當(dāng)電網(wǎng)頻率跌落時(shí),通過將風(fēng)電機(jī)組工作曲線從MPPT曲線切換至轉(zhuǎn)速更低的次優(yōu)功率跟蹤(suboptimal power point tracking,SOPPT)曲線,可削弱原MPPT控制環(huán)節(jié)對(duì)df/dt前饋控制環(huán)節(jié)的抵消作用[19-20]。但是,釋放轉(zhuǎn)子動(dòng)能造成的風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速降低將導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組偏離MPPT工作點(diǎn),其捕獲的風(fēng)功率也會(huì)隨之降低。若風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速降低過多,則所捕獲風(fēng)功率的減少可能會(huì)給電網(wǎng)頻率帶來二次擾動(dòng)[21]。

為削弱原控制環(huán)節(jié)對(duì)df/dt前饋控制環(huán)節(jié)的抵消作用,并確保風(fēng)電機(jī)組在慣量支撐過程中所捕獲的風(fēng)功率基本等于MPPT功率,本文提出了一種基于SOPPT曲線切換的變速風(fēng)電機(jī)組虛擬慣量控制方法。

1 虛擬慣量控制機(jī)理

1.1 變速風(fēng)電機(jī)組模型

通常電力系統(tǒng)慣量響應(yīng)的時(shí)間尺度為秒級(jí),因此可忽略風(fēng)電機(jī)組的電磁暫態(tài)過程,將電流內(nèi)環(huán)、變流器以及發(fā)電機(jī)的電磁暫態(tài)過程等效為一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)[22]。風(fēng)電機(jī)組模型的框圖如附錄A圖A1所示。

風(fēng)輪機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)模型為[1]:

(1)

式中:Pm為風(fēng)輪機(jī)機(jī)械功率;ρ為空氣密度;A0為風(fēng)輪機(jī)掃略面積;Cp為風(fēng)能利用系數(shù);λ為葉尖速比;β為槳距角;Vw為風(fēng)速。

葉尖速比表達(dá)式[1]為:

(2)

式中:ωr為風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速;R為風(fēng)輪機(jī)半徑。

儲(chǔ)存在轉(zhuǎn)子上的動(dòng)能Ek可表示為[1]:

(3)

式中:J為旋轉(zhuǎn)軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

1.2 虛擬慣量控制機(jī)理

圖1所示為NREL 5 MW雙饋型風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)功率特性曲線[22],B點(diǎn)為風(fēng)速9 m/s時(shí)的MPPT工作點(diǎn)。風(fēng)電機(jī)組在B點(diǎn)時(shí),轉(zhuǎn)速為1.112 rad/s。風(fēng)功率特性曲線在B點(diǎn)附近較為平緩。若將風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速升高至1.212 rad/s,風(fēng)電機(jī)組將工作在A點(diǎn),A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的風(fēng)功率為MPPT功率PMPPT的98%。A點(diǎn)相當(dāng)于MPPT運(yùn)行,其捕獲的風(fēng)功率基本相同,但卻有更高的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,意味著存儲(chǔ)了更多的轉(zhuǎn)子動(dòng)能。同樣的,若風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速降低至0.975 rad/s,則風(fēng)電機(jī)組達(dá)到工作點(diǎn)C,工作點(diǎn)C捕獲的風(fēng)功率同樣為MPPT功率的98%,但轉(zhuǎn)速更低,動(dòng)能更少。因此,若將風(fēng)電機(jī)組從工作點(diǎn)A切換到工作點(diǎn)C,則可以保證風(fēng)電機(jī)組在捕獲風(fēng)功率不低于MPPT功率98%的前提下,釋放出轉(zhuǎn)子動(dòng)能。

本文將工作點(diǎn)A定義為MPTwS狀態(tài),將工作點(diǎn)C定義為MPTwR狀態(tài)。電網(wǎng)未發(fā)生故障時(shí),風(fēng)電機(jī)組工作在MPTwS狀態(tài)而非MPPT狀態(tài),這樣可保證在風(fēng)電機(jī)組捕獲風(fēng)功率基本等于MPPT功率的情況下,使風(fēng)電機(jī)組儲(chǔ)備更多的轉(zhuǎn)子動(dòng)能。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生頻率跌落時(shí),切換風(fēng)電機(jī)組至MPTwR狀態(tài),可釋放轉(zhuǎn)子動(dòng)能,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)頻率的支撐。風(fēng)電機(jī)組在慣量支撐過程中,不需要再恢復(fù)至MPTwS狀態(tài)。待系統(tǒng)頻率恢復(fù)穩(wěn)定后,再將風(fēng)電機(jī)組緩慢地恢復(fù)到MPTwS狀態(tài)[23]。圖1中k為風(fēng)電機(jī)組在MPTwS與MPTwR狀態(tài)下捕獲的風(fēng)功率與MPPT功率的比例;Pn為風(fēng)電機(jī)組的功率上限;ωrmin和ωrmax分別為風(fēng)輪機(jī)最低和最高轉(zhuǎn)速。

受風(fēng)電消納能力的影響,風(fēng)電機(jī)組可能工作在限功率運(yùn)行方式。此時(shí),仍存在上述動(dòng)能存儲(chǔ)問題,即如何在滿足功率調(diào)度指令的情況下,盡量多利用轉(zhuǎn)子動(dòng)能支撐電網(wǎng)頻率。本文僅討論風(fēng)電機(jī)組以MPPT模式運(yùn)行的情況,所提出的基于曲線切換消除控制環(huán)耦合的機(jī)理同樣適用于限功率運(yùn)行等工作模式。

圖1 風(fēng)電機(jī)組功率特性曲線及SOPPT曲線Fig.1 Power characteristic curves of wind turbine and SOPPT curves

2 虛擬慣量控制結(jié)構(gòu)

2.1 次優(yōu)風(fēng)功率跟蹤曲線

本文采用了2條SOPPT曲線,使風(fēng)電機(jī)組可在不同風(fēng)速情況下工作在對(duì)應(yīng)的MPTwS狀態(tài)或MPTwR狀態(tài),如圖1所示。當(dāng)風(fēng)速小于額定風(fēng)速時(shí),風(fēng)電機(jī)組槳距角始終為0?？梢钥闯?2條曲線與風(fēng)輪機(jī)功率特性曲線的交點(diǎn)均為穩(wěn)定工作點(diǎn)。圖1中,k可通過實(shí)際情況進(jìn)行選取,不同的k對(duì)應(yīng)不同的SOPPT曲線。2條SOPPT曲線所選取的k均為0.98。

圖1所示的SOPPT曲線為分段曲線。以求取MPTwR曲線為例,可首先根據(jù)風(fēng)輪機(jī)功率特性曲線選定若干低于MPPT曲線轉(zhuǎn)速,并滿足k倍MPPT功率條件的運(yùn)行點(diǎn)。通過插值法可擬合得到不考慮風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行邊界條件時(shí)的次優(yōu)工作曲線。根據(jù)轉(zhuǎn)速上下限、功率上限等因素可進(jìn)一步確定風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行邊界線,如圖1中虛線所示。但是,運(yùn)行邊界線是垂直(或平行)于坐標(biāo)軸的直線,橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)存在“一對(duì)多”現(xiàn)象。為構(gòu)造可用的SOPPT曲線,將風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行邊界線向可行區(qū)域內(nèi)偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度,從而得到W-X與Y-Z線段。W-X與Y-Z線段結(jié)合不考慮邊界條件時(shí)的次優(yōu)運(yùn)行曲線,即可得到所求SOPPT曲線,如圖1中的WXYZ曲線所示。

2.2 虛擬慣量控制結(jié)構(gòu)

類似MPPT曲線,SOPPT曲線不需要風(fēng)速信息,風(fēng)電機(jī)組控制方式可采用轉(zhuǎn)速反饋功率外環(huán)的控制方式或者功率反饋轉(zhuǎn)速外環(huán)的控制方式。本文采用GE風(fēng)電機(jī)組的控制框架[24],即功率反饋轉(zhuǎn)速外環(huán)的控制結(jié)構(gòu)。由于控制外環(huán)為轉(zhuǎn)速環(huán),因此直接切換SOPPT曲線可改變轉(zhuǎn)速指令,從而實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)備動(dòng)能的釋放。但在實(shí)際控制系統(tǒng)中,由于存在轉(zhuǎn)速指令變化率限制器,因此風(fēng)電機(jī)組輸出功率的響應(yīng)存在滯后,無法在電網(wǎng)頻率跌落時(shí)迅速增加輸出功率以降低電網(wǎng)頻率變化率,這將在第3節(jié)仿真部分進(jìn)一步闡明。為了能夠在電網(wǎng)頻率發(fā)生跌落時(shí),迅速提供慣量支撐,控制結(jié)構(gòu)中引入了df/dt環(huán)節(jié),使得風(fēng)電機(jī)組在正常工作時(shí)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)頻率f。當(dāng)電網(wǎng)頻率f與額定頻率fn的偏差Δf=fn-f,超過設(shè)定的閾值Δfth時(shí),風(fēng)電機(jī)組將從MPTwS曲線工作模式切換至MPTwR曲線工作模式以釋放轉(zhuǎn)子動(dòng)能實(shí)現(xiàn)頻率支撐?？刂瓶驁D參見附錄A圖A2,其中的變量說明參見附錄A表A1。

在只采用df/dt前饋控制環(huán)節(jié)而不采用SOPPT曲線切換時(shí),原轉(zhuǎn)速環(huán)將會(huì)部分抵消df/dt前饋控制環(huán)節(jié)的輸出功率。例如當(dāng)風(fēng)電機(jī)組工作在MPPT模式下,若電網(wǎng)頻率跌落時(shí),則前饋控制環(huán)節(jié)會(huì)產(chǎn)生額外的功率指令并導(dǎo)致轉(zhuǎn)速下降。而由于輸出電磁功率上升,根據(jù)MPPT曲線,轉(zhuǎn)速指令將會(huì)升高。又由于實(shí)際風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速是在減小,因此轉(zhuǎn)速環(huán)會(huì)降低其輸出的有功功率指令以期望風(fēng)輪機(jī)能夠加速。這就造成了df/dt環(huán)節(jié)增加的有功指令被轉(zhuǎn)速環(huán)減小的有功指令部分抵消,從而降低風(fēng)電機(jī)組的虛擬慣量控制效果。

MPTwR曲線相比于MPTwS曲線在相同功率下對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速更低。即使df/dt環(huán)節(jié)增加了額外的有功功率指令,使得風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速降低,但在采用了SOPPT曲線切換機(jī)制后,因?yàn)檗D(zhuǎn)速環(huán)指令被調(diào)整到了更低的值,所以原轉(zhuǎn)速控制環(huán)對(duì)df/dt前饋環(huán)節(jié)輸出功率的抵消作用將被削弱。因此采用SOPPT曲線切換機(jī)制能夠極大提升虛擬慣量控制的動(dòng)態(tài)效果。

2.3 次優(yōu)工作曲線恢復(fù)機(jī)制

電網(wǎng)發(fā)生頻率跌落后,風(fēng)電機(jī)組工作曲線由MPTwS曲線切換到MPTwR曲線以釋放轉(zhuǎn)子動(dòng)能進(jìn)而支撐電網(wǎng)頻率。當(dāng)電網(wǎng)頻率恢復(fù)穩(wěn)定后,風(fēng)電機(jī)組應(yīng)重新恢復(fù)到MPTwS曲線。為避免恢復(fù)過程給電網(wǎng)帶來擾動(dòng),恢復(fù)過程應(yīng)盡量平緩。MPTwS曲線與MPTwR曲線可分別表示為:

(4)

引入恢復(fù)系數(shù)g∈[0,1],令

(5)

在恢復(fù)過程啟動(dòng)前,風(fēng)電機(jī)組按照MPTwR曲線運(yùn)行。在切入恢復(fù)階段的初始時(shí)刻,令g=0,風(fēng)電機(jī)組仍工作在MPTwR曲線。通過將恢復(fù)系數(shù)g由0緩慢地增加到1,即可實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組工作曲線的恢復(fù)。設(shè)定恢復(fù)過程的啟動(dòng)延時(shí)為Δtar,從風(fēng)電機(jī)組切換SOPPT曲線開始計(jì)時(shí),達(dá)到Δtar后再啟動(dòng)恢復(fù)過程(實(shí)際應(yīng)用時(shí)可綜合更多信息,如調(diào)度指令等)。設(shè)定恢復(fù)用時(shí)trec,在恢復(fù)過程中,恢復(fù)系數(shù)g在trec時(shí)間內(nèi)由0勻速上升到1。

3 算例

本文采用NREL的5 MW雙饋型風(fēng)電機(jī)組對(duì)所提出的方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。風(fēng)電機(jī)組的參數(shù)可參考文獻(xiàn)[22]。風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用GE控制系統(tǒng)架構(gòu)。附錄A表A1列舉了風(fēng)電機(jī)組的部分參數(shù)以及控制器參數(shù)。參數(shù)Δfth,Δtar與trec需要綜合考慮風(fēng)電機(jī)組特性及電網(wǎng)的等效慣量、調(diào)差系數(shù)等因素。本文通過采取仿真試錯(cuò)的方式整定系數(shù)。

3.1 SOPPT曲線

由于采用了GE控制系統(tǒng),控制外環(huán)為轉(zhuǎn)速環(huán),因此SOPPT曲線的橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)為電磁功率,縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)為轉(zhuǎn)速指令。采用第2.1節(jié)所述方法構(gòu)造SOPPT曲線,分別考慮了k=0.98以及k=0.99這2種情況。在每條SOPPT曲線的X-Y段,本文選取5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行插值。SOPPT分段曲線可表示為:

(6)

式中:a0,a1,b0,b1,b2,b3,b4,c0,c1為擬合系數(shù)。

圖1中畫出的曲線為k=0.98時(shí)的2條SOPPT曲線。附錄A表A2列出了當(dāng)k=0.98和k=0.99時(shí),對(duì)應(yīng)各條曲線的具體系數(shù)數(shù)值。

圖2所示為k=0.98時(shí),不同風(fēng)速情況下風(fēng)電機(jī)組工作在SOPPT曲線與MPPT曲線的各運(yùn)行參數(shù)對(duì)比。圖2(a)為風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速,可看出MPTwS狀態(tài)的轉(zhuǎn)速大于MPPT狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速,而MPTwR狀態(tài)轉(zhuǎn)速小于MPPT狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速。圖2(b)所示為槳距角變化情況,額定風(fēng)速下,槳距角始終保持為0°。風(fēng)速大于額定風(fēng)速時(shí),由圖1可看出,SOPPT曲線與MPPT曲線已重合,因此在12 m/s風(fēng)速及以后,各曲線運(yùn)行模式下槳距角變化基本一致。圖2(c)所示為不同工作狀態(tài)之間的風(fēng)功率差值。額定風(fēng)速下的差值均可維持在2%以內(nèi),滿足設(shè)計(jì)需求。當(dāng)風(fēng)速超出額定風(fēng)速后,槳距角動(dòng)作,風(fēng)電機(jī)組滿載運(yùn)行,各工作模式輸出功率相同。圖2(d)為MPTwS狀態(tài)與MPTwR狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)子動(dòng)能差值。在額定風(fēng)速以上,風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速已達(dá)到最大,因此動(dòng)能變化為0。且風(fēng)電機(jī)組已滿載運(yùn)行,在不考慮變流器過載運(yùn)行的情況下,風(fēng)電機(jī)組無法再輸出更多的有功功率對(duì)電網(wǎng)頻率進(jìn)行支撐。因此,該方法適用于風(fēng)速在額定風(fēng)速以下的情況。根據(jù)圖1所示,由于在5 m/s至6 m/s的低風(fēng)速段,各SOPPT曲線W-X段重合度較高,因此動(dòng)能變化不大。在7 m/s至11 m/s風(fēng)速段,SOPPT曲線之間的動(dòng)能差值均在0.2(標(biāo)幺值)以上(動(dòng)能基準(zhǔn)值EB為額定轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子動(dòng)能),在風(fēng)速10 m/s時(shí),動(dòng)能儲(chǔ)備達(dá)到最大的0.31(標(biāo)幺值)。

圖2 k=0.98時(shí)風(fēng)電機(jī)組MPPT與SOPPT運(yùn)行狀態(tài)Fig.2 Operation state of wind turbine under MPPT mode and SOPPT mode with k=0.98

圖3為k=0.99的運(yùn)行狀態(tài)。圖3(c)中,各狀態(tài)之間的功率變化量小于1%,滿足設(shè)計(jì)需求。在圖2(c)與圖3(c)中,功率變化量與設(shè)計(jì)值1-k,即2%與1%,存在誤差。這是因?yàn)镾OPPT曲線采用的是曲線擬合的方法獲得,且NREL風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)功率特性系數(shù)是以離散點(diǎn)的形式存儲(chǔ)的[22],從而造成SOPPT曲線與MPPT曲線對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)功率偏差與設(shè)計(jì)值之間的誤差。圖3(d)中,在7 m/s至11 m/s風(fēng)速間均可保證有將近0.1(標(biāo)幺值)的動(dòng)能儲(chǔ)備。在10 m/s風(fēng)速時(shí),動(dòng)能儲(chǔ)備超過0.23(標(biāo)幺值)。

圖3 k=0.99時(shí)風(fēng)電機(jī)組MPPT與SOPPT運(yùn)行狀態(tài)Fig.3 Operation state of wind turbine under MPPT mode and SOPPT mode with k=0.99

3.2 時(shí)域仿真

本文采用MATLAB/Simulink仿真平臺(tái),對(duì)所提慣量控制方法進(jìn)行時(shí)域仿真驗(yàn)證。測(cè)試系統(tǒng)中含2臺(tái)同步發(fā)電機(jī)、一座風(fēng)電場(chǎng)以及用電負(fù)荷,如附錄A圖A3所示。采用一臺(tái)功率倍乘后的單機(jī)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)單機(jī)等效,其容量為600 MW。同步發(fā)電機(jī)G1容量為1 200 MW,G2容量為300 MW,風(fēng)電滲透率為28.5%。同步發(fā)電機(jī)的調(diào)速器模型參考文獻(xiàn)[25]。在t=41 s時(shí),斷開并關(guān)S1,同步發(fā)電機(jī)G2與系統(tǒng)解列,發(fā)用電不平衡從而造成電網(wǎng)頻率跌落。仿真結(jié)果如圖4所示。圖4中,MPPT曲線表示風(fēng)電機(jī)組工作在MPPT模式下且不采用任何慣量控制措施,MPPT+df/dt曲線表示風(fēng)電機(jī)組只在MPPT模式下采用了df/dt前饋控制環(huán)節(jié)用于提供虛擬慣量。SOPPT曲線表示風(fēng)電機(jī)組采用了本文提出的曲線切換方法,但是沒有加入df/dt前饋控制環(huán)節(jié)。SOPPT+df/dt曲線表示本文提出的虛擬慣量控制方法。仿真中所用的SOPPT曲線的k為0.99。

圖4 仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results

可以看出,在切除了G2瞬間,電網(wǎng)頻率迅速跌落。在只采用df/dt時(shí),電網(wǎng)頻率迅速跌落會(huì)使df/dt前饋控制環(huán)節(jié)會(huì)產(chǎn)生額外的功率指令。由于電網(wǎng)頻率變化率較大,因此風(fēng)電機(jī)組輸出功率瞬間增大,轉(zhuǎn)速隨之降低。原控制環(huán)節(jié)因而會(huì)調(diào)節(jié)其輸出功率使轉(zhuǎn)速回升。df/dt前饋控制環(huán)節(jié)輸出功率被部分抵消,如圖4(b)與圖4(c)所示,雖然在電網(wǎng)頻率跌落初期可以限制頻率變化率,但是頻率“探底”值的改善十分有限。只采用SOPPT曲線切換而不引入df/dt前饋控制環(huán)節(jié)時(shí),轉(zhuǎn)速指令變化率限制器將導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組輸出功率的響應(yīng)存在滯后,如圖4(b)所示,風(fēng)電機(jī)組無法在電網(wǎng)頻率跌落時(shí)立刻注入有功功率。因此頻率跌落初期的電網(wǎng)頻率變化率并未有明顯改善。采用本文所提方法,風(fēng)電機(jī)組可快速提供虛擬慣量響應(yīng)從而限制電網(wǎng)頻率變化率,SOPPT曲線切換機(jī)制可削弱轉(zhuǎn)速環(huán)對(duì)df/dt前饋控制環(huán)節(jié)的抵消作用,頻率“探底”值得到了較大改善。從圖4(a)可以看出,采用本文提出方法后的慣量控制效果相比其他方法都有極大的提高。圖4波形的變化數(shù)值參見附錄A表A3。圖5仿真結(jié)果進(jìn)一步說明只采用df/dt前饋環(huán)節(jié)無法有效改善頻率“探底”值。

圖5 無SOPPT切換時(shí)前饋控制環(huán)節(jié)對(duì)電網(wǎng)頻率的影響Fig.5 Effect of feed-forward control loop on power grid frequency without SOPPT switching

電網(wǎng)正常時(shí)風(fēng)電機(jī)組輸出功率為0.39(標(biāo)幺值)左右。風(fēng)電機(jī)組不采用曲線切換機(jī)制,前饋控制環(huán)節(jié)系數(shù)Kd取較大值時(shí),雖然在頻率剛發(fā)生跌落時(shí)能夠迅速注入轉(zhuǎn)子動(dòng)能,抑制電網(wǎng)頻率變化,如圖5(b)所示,但由于轉(zhuǎn)速下降更快,轉(zhuǎn)速環(huán)隨后響應(yīng)使得風(fēng)電機(jī)組輸出功率降到0.39(標(biāo)幺值)以下更小的值,原轉(zhuǎn)速環(huán)對(duì)前饋控制環(huán)節(jié)的抵消作用更大,即Kd越大,前饋控制環(huán)節(jié)抑制電網(wǎng)頻率變化的作用就越大,但原轉(zhuǎn)速環(huán)對(duì)前饋控制環(huán)節(jié)的抵消作用也越大,最終結(jié)果是只降低了頻率變化率而對(duì)頻率“探底”值的改善十分有限。單純?cè)龃驥d無法獲得虛擬慣量響應(yīng)本質(zhì)上的提升。采用本文提出的方法,將前饋控制環(huán)節(jié)與曲線切換機(jī)制結(jié)合,則可極大提高風(fēng)電機(jī)組提供虛擬慣量的能力。圖5波形的變化數(shù)值參見附錄A表A4。

附錄A圖A4所示仿真波形驗(yàn)證了工作曲線恢復(fù)機(jī)制,在tr=80 s時(shí),啟動(dòng)工作曲線恢復(fù)機(jī)制。此時(shí),曲線恢復(fù)系數(shù)g設(shè)為0.006。通過附錄A圖A4仿真波形可以看出,在采用了本文所提曲線恢復(fù)機(jī)制后,風(fēng)電機(jī)組由MPTwR曲線平緩地切換到MPTwS曲線。附錄A圖A4(a)與圖A4(b)中,風(fēng)電機(jī)組在保證輸出功率不發(fā)生較大變化的同時(shí),逐漸恢復(fù)轉(zhuǎn)速。附錄A圖A4(a)表明風(fēng)電機(jī)組的恢復(fù)過程對(duì)電網(wǎng)頻率影響很小,不會(huì)引入新的擾動(dòng)。

4 結(jié)語

本文提出了一種基于SOPPT曲線切換的變速風(fēng)電機(jī)組虛擬慣量控制方法。曲線切換機(jī)制能夠極大削弱原轉(zhuǎn)速環(huán)對(duì)df/dt前饋控制環(huán)節(jié)的抵消作用。慣量控制過程中,風(fēng)電機(jī)組捕獲的風(fēng)功率基本等于MPPT功率。算例中,當(dāng)風(fēng)速為7 m/s至11 m/s之間,SOPPT曲線的k取0.98時(shí),風(fēng)電機(jī)組儲(chǔ)備的動(dòng)能均大于0.2(標(biāo)幺值);當(dāng)k取0.99時(shí),儲(chǔ)備的動(dòng)能均大于0.1(標(biāo)幺值)。仿真結(jié)果表明,采用該方法能夠限制電網(wǎng)的頻率變換率以及提高頻率“探底”值。目前,該方法僅考慮單機(jī)情形,未來還需進(jìn)一步研究在考慮風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)尾流效應(yīng)時(shí)的場(chǎng)級(jí)協(xié)同控制方法。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。