張俊武， 王德林， 劉 柳， 潘志豪

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院， 四川 成都 610031)

1 引言

近年來，風(fēng)力發(fā)電憑借其資源豐富、可大規(guī)模開發(fā)、建設(shè)周期相對較短等優(yōu)勢，迅速發(fā)展成為未來可再生能源的主要來源。然而，風(fēng)電并網(wǎng)容量不斷增大給包括頻率穩(wěn)定性在內(nèi)的電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行帶來了一系列的挑戰(zhàn)[1,2]。為減弱風(fēng)電并網(wǎng)給電力系統(tǒng)帶來的沖擊，保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，國內(nèi)外最新發(fā)布的一些風(fēng)電場并網(wǎng)導(dǎo)則均明確要求并網(wǎng)風(fēng)電場能夠主動參與系統(tǒng)頻率控制。

雙饋風(fēng)電機(jī)組(Double-Fed Induction Generator，DFIG)的轉(zhuǎn)子中儲存著大量的旋轉(zhuǎn)動能[3]，但由于利用變頻器控制的風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)頻率是解耦的，DFIG轉(zhuǎn)子動能被完全“隱藏”，不具備響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化的能力。為了使DFIG具備與同步發(fā)電機(jī)類似的頻率響應(yīng)能力，國內(nèi)外學(xué)者對轉(zhuǎn)子動能控制的DFIG頻率控制方法的研究已取得豐碩的成果[4-10]，該方法的基本思想是將存儲在DFIG轉(zhuǎn)子上的旋轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)化為電磁功率，通過釋放/吸收轉(zhuǎn)子動能改變DFIG輸出的有功功率，從而為系統(tǒng)頻率控制提供一定的有功支撐。

DFIG虛擬慣性控制的瞬時性使其只能對系統(tǒng)功率提供短時的支撐，然后通過轉(zhuǎn)速恢復(fù)回到初始運行狀態(tài)，為下一次調(diào)頻做好準(zhǔn)備。轉(zhuǎn)速恢復(fù)過程向電網(wǎng)吸收有功功率會導(dǎo)致系統(tǒng)頻率二次下跌，給系統(tǒng)頻率響應(yīng)帶來不利影響[11-13]。為了解決此問題，對DFIG轉(zhuǎn)速主動保護(hù)和風(fēng)電的退出頻率控制的深入研究顯得尤為重要。文獻(xiàn)[14]提出了根據(jù)DFIG容量和實時運行工況整定比例-積分系數(shù)的定系數(shù)PI控制器的轉(zhuǎn)速保護(hù)方式，使DFIG隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降逐漸退出頻率控制過程，對緩解系統(tǒng)頻率的短時跌落雖取得一定效果，但仍有一定的功率缺失和頻率跌落。由于將風(fēng)電場中處于不同工況的機(jī)組等值為單臺風(fēng)電機(jī)組不夠準(zhǔn)確，因此對風(fēng)電場調(diào)頻控制的研究需先對其進(jìn)行分組，文獻(xiàn)[15,16]根據(jù)風(fēng)速進(jìn)行電場內(nèi)機(jī)組的分組，具有一定的科學(xué)性，但忽略了風(fēng)電場內(nèi)多數(shù)風(fēng)電機(jī)組可能處于同一風(fēng)速區(qū)間的情況，這可能會大大降低優(yōu)化效果。文獻(xiàn)[17]對分組策略進(jìn)行了改進(jìn)，但所采用的降級方式對于最低等級無法處理，存在低等級機(jī)組數(shù)量本來不過低引起的切機(jī)。針對DFIG直接轉(zhuǎn)速恢復(fù)引起頻率二次跌落問題，本文提出一種基于變參數(shù)PI控制的轉(zhuǎn)速恢復(fù)方案，由于轉(zhuǎn)速恢復(fù)初期PI參數(shù)較小，不會出現(xiàn)功率的躍變，隨著轉(zhuǎn)速恢復(fù)的進(jìn)行PI參數(shù)逐漸增大，DFIG逐漸恢復(fù)到初始運行狀態(tài)。對于各風(fēng)速區(qū)間機(jī)組數(shù)量均勻分布的風(fēng)電場，給定各機(jī)組不同的轉(zhuǎn)速恢復(fù)時間，避免同時進(jìn)入轉(zhuǎn)速恢復(fù)環(huán)節(jié)，緩解系統(tǒng)頻率的驟跌；由于各風(fēng)速區(qū)間機(jī)組數(shù)量分布不均勻的風(fēng)電場采用延時恢復(fù)策略退出頻率控制時仍可能有明顯的頻率驟跌，因此針對風(fēng)速區(qū)間機(jī)組數(shù)量分布不均勻情況，在變參數(shù)PI控制的延時恢復(fù)策略的基礎(chǔ)上提出風(fēng)電場優(yōu)化分組策略，避免了不均勻風(fēng)電場轉(zhuǎn)速恢復(fù)引起的系統(tǒng)頻率驟跌。最后，在接入DFIG的3機(jī)9節(jié)點仿真模型中，通過仿真驗證了所提控制方法和策略的正確性和有效性。

2 雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子動能控制

風(fēng)電調(diào)頻控制器的原理即在系統(tǒng)頻率跌落時降低風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，釋放出部分轉(zhuǎn)子動能提供功率支撐，頻率控制完成后，應(yīng)使DFIG機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恢復(fù)到初始運行狀態(tài)。通常情況下，DFIG運行在最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)模式以充分利用風(fēng)能，但為了使風(fēng)電機(jī)組有足夠的裕度參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)，需要使其在非最大功率點運行為系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)留有備用容量[18]。雙饋風(fēng)電機(jī)組普遍采用的轉(zhuǎn)子動能控制方法如圖1所示。其中，ωr為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，f為系統(tǒng)實測頻率，fN為額定頻率50Hz，Kdf、Kpf分別為微分環(huán)節(jié)和比例環(huán)節(jié)系數(shù)，ΔP為虛擬慣性環(huán)節(jié)提供的短時功率，Pref為DFIG功率給定值。

圖1 雙饋風(fēng)電機(jī)組虛擬慣性環(huán)節(jié)Fig.1 Virtual inertial control of DFIG wind turbines

當(dāng)DFIG運行于減載模式時，通過圖1虛擬慣性附加環(huán)節(jié)響應(yīng)系統(tǒng)頻率的變化進(jìn)而改變功率給定值，通過釋放/吸收轉(zhuǎn)子動能來改變DFIG的有功輸出，參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)，該附加環(huán)節(jié)控制過程短、變化快，能夠快速響應(yīng)電網(wǎng)頻率的變化。圖2為減載模式下DFIG的功率-轉(zhuǎn)速關(guān)系示意圖。其中，Pm為風(fēng)力機(jī)輸送到雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率，Popt為減載運行模式下的風(fēng)力機(jī)輸送到雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的有功功率參考值。

圖2 DFIG的功率-轉(zhuǎn)速關(guān)系圖Fig.2 Relationship between power and rotor speed of DFIG based on wind turbines

根據(jù)功率平衡方程，發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運行時，有：

Pref=Popt=Pm

(1)

加入附加頻率控制后，DFIG有功功率的參考值為：

Pref=Popt+ΔP

(2)

假設(shè)初始時刻系統(tǒng)功率平衡處于穩(wěn)定狀態(tài)，DFIG穩(wěn)定運行在工作點A(此時ΔP=0，風(fēng)電不參與調(diào)頻)，對應(yīng)轉(zhuǎn)速為ω1。現(xiàn)負(fù)荷突然增大引起系統(tǒng)頻率減小，DFIG響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化降低轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速釋放轉(zhuǎn)子動能，輸入功率由A點沿著當(dāng)前風(fēng)速所對應(yīng)的捕獲風(fēng)功率減載曲線減小至D點，輸出功率由A點快速增加至B點，并隨著轉(zhuǎn)速和輸入功率降低而逐漸減小至C點。此時DFIG運行于轉(zhuǎn)速ω2。由于轉(zhuǎn)子動能控制無法長時間參與頻率調(diào)節(jié)，當(dāng)完成調(diào)頻后將退出頻率控制過程，直接令ΔP=0，使得Pm>Pref=Popt，DFIG進(jìn)入加速狀態(tài)，直到轉(zhuǎn)速重新恢復(fù)到ω1并穩(wěn)定運行于A點。由于退出頻率控制時轉(zhuǎn)子向電網(wǎng)吸收功率，會使得系統(tǒng)有功功率驟減，進(jìn)而引起系統(tǒng)頻率的二次跌落，不利于系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。圖3和圖4分別為突增負(fù)荷時系統(tǒng)頻率響應(yīng)曲線和DFIG有功-轉(zhuǎn)速動態(tài)響應(yīng)曲線。

圖3 系統(tǒng)頻率響應(yīng)曲線Fig.3 Curve of system frequency response

圖4 DFIG功率和轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線Fig.4 Dynamic response curve of DFIG wind turbines

從圖3和圖4可以看出，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷增大時，引起頻率的下降，轉(zhuǎn)子動能控制通過降低轉(zhuǎn)速釋放轉(zhuǎn)子動能向系統(tǒng)提供短暫的有功功率支撐，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組釋放轉(zhuǎn)子動能后，轉(zhuǎn)子進(jìn)入加速狀態(tài)以快速恢復(fù)到初始運行狀態(tài)，由于該過程要向電網(wǎng)吸收能量，會引起DFIG有功功率的缺失和系統(tǒng)頻率的二次下跌。

3 改進(jìn)的虛擬慣性控制和基于變參數(shù)PI控制器的轉(zhuǎn)速恢復(fù)方式

針對轉(zhuǎn)子動能控制的DFIG直接轉(zhuǎn)速恢復(fù)退出頻率控制引起系統(tǒng)有功功率缺失和系統(tǒng)頻率二次跌落問題，對轉(zhuǎn)子動能控制進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)方案的基本思路為：系統(tǒng)頻率下降時，DFIG通過釋放轉(zhuǎn)子動能為系統(tǒng)提供頻率支撐，一定時間后DFIG退出頻率控制，通過基于變參數(shù)PI控制器的轉(zhuǎn)速恢復(fù)環(huán)節(jié)逐漸恢復(fù)到最優(yōu)轉(zhuǎn)速。與固定參數(shù)不同，變參數(shù)PI控制器在轉(zhuǎn)速恢復(fù)過程中逐漸調(diào)整控制器比例-積分系數(shù)，利用負(fù)反饋作用使風(fēng)電機(jī)組隨轉(zhuǎn)速逐漸下降退出頻率控制。圖5為本文改進(jìn)的虛擬慣性和轉(zhuǎn)速恢復(fù)控制結(jié)構(gòu)總圖。其中，ωr為風(fēng)電機(jī)組實時轉(zhuǎn)速，ωref為某風(fēng)速下風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速給定值，Kp、Ki為PI控制器可變參數(shù)， ΔP1為轉(zhuǎn)速恢復(fù)環(huán)節(jié)輸出功率；Protect為轉(zhuǎn)速保護(hù)環(huán)節(jié)，Recover為轉(zhuǎn)速恢復(fù)動作模塊。

圖5 改進(jìn)的虛擬慣性控制和轉(zhuǎn)速恢復(fù)模塊控制結(jié)構(gòu)總圖Fig.5 Model of improved virtual inertial control and rotor speed recovery control

3.1 虛擬慣性環(huán)節(jié)

在DFIG減載運行模式下，結(jié)合風(fēng)電場可增發(fā)的最大有功功率同時使DFIG能夠響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化，將虛擬慣性附加功率ΔP設(shè)定為：

(3)

式中，PMPPT為最大功率追蹤運行模式下風(fēng)力機(jī)輸送到雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的有功功率參考值。將式(3)作為虛擬慣性控制附加功率的優(yōu)點在于：

(1)能充分利用DFIG快速暫態(tài)響應(yīng)能力，為常規(guī)機(jī)組調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)頻率起到支撐作用。

(2)使得不同風(fēng)況的DFIG獲得有差別的功率參考值，同時能夠充分利用風(fēng)電機(jī)組備用容量，提高風(fēng)能利用率。

(3)由于該值為DFIG減載功率，因此不會出現(xiàn)轉(zhuǎn)速過低引起的切機(jī)情況。

3.2 轉(zhuǎn)速保護(hù)模塊

DFIG通過虛擬慣性控制降低轉(zhuǎn)速釋放轉(zhuǎn)子動能參與調(diào)頻時，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于ωmin通常直接將機(jī)組增發(fā)有功降為零，使DFIG不再參與系統(tǒng)頻率控制，避免轉(zhuǎn)速超出安全運行范圍。轉(zhuǎn)速保護(hù)模塊的輸出信號滿足：

(4)

式中，Protect為“0”表示不動作轉(zhuǎn)速保護(hù)模塊；Protect為“1”時觸發(fā)該模塊開始動作；ωmin取值為0.7pu。上述方式存在的問題在于：觸發(fā)轉(zhuǎn)速保護(hù)信號時，DFIG有功出力瞬時降低可能引起頻率二次跌落，不利于機(jī)組安全運行，同時影響系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性。

為了達(dá)到轉(zhuǎn)速保護(hù)的目的，同時避免功率驟降，將變PI參數(shù)控制器引入其中，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降至下限值ωmin時，將調(diào)頻功率控制信號ΔP隨轉(zhuǎn)速逐漸減小至零，DFIG逐漸退出頻率控制過程，避免系統(tǒng)有功功率驟降，從而避免系統(tǒng)頻率的驟跌。

3.3 基于變參數(shù)PI轉(zhuǎn)速恢復(fù)模塊

為了保證機(jī)組的安全運行，風(fēng)電機(jī)組通過降低轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速短時增大有功輸出后，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恢復(fù)，通過引入變參數(shù)PI轉(zhuǎn)速恢復(fù)避免頻率的二次跌落。其中，變參數(shù)時段比例環(huán)節(jié)Kp、積分環(huán)節(jié)Ki曲線斜率分別為a(固定為0.005)、b(隨m變化)，Kp、Ki表達(dá)式如式(5)、式(6)所示，變化參數(shù)曲線如圖6所示。

(5)

(6)

式中，ts為轉(zhuǎn)速恢復(fù)開始時刻(也是參數(shù)開始變化的時刻)；m為時間常數(shù)。

圖6 Kp、Ki變化參數(shù)曲線圖Fig.6 Curve of variable parameter Kpand Ki

轉(zhuǎn)速恢復(fù)動作模塊的輸出信號應(yīng)滿足：

(7)

式中，Recover設(shè)置為“0”表示轉(zhuǎn)速恢復(fù)模塊不動作；Recover為“1”時觸發(fā)該模塊開始動作。加入變參數(shù)轉(zhuǎn)速恢復(fù)環(huán)節(jié)后，風(fēng)電機(jī)組輸出功率為：

觸發(fā)轉(zhuǎn)速恢復(fù)模塊后，由于初期Kp、Ki值較小，故而不會引起ΔP1的躍變，Kp、Ki隨著時間逐漸變大，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速偏差通過變參數(shù)PI控制器逐漸被消除，DFIG恢復(fù)至初始運行狀態(tài)，為下次頻率控制做好準(zhǔn)備。

4 風(fēng)電場轉(zhuǎn)速延時恢復(fù)及優(yōu)化分組策略

4.1 風(fēng)電場轉(zhuǎn)速延時恢復(fù)策略

現(xiàn)有對風(fēng)電場轉(zhuǎn)速恢復(fù)調(diào)頻控制的研究往往將風(fēng)電場等值為一臺DFIG。對于擁有幾十臺甚至上百臺DFIG的大型風(fēng)電場，由于各風(fēng)電機(jī)組所處的風(fēng)況不同，運行狀態(tài)均有差異，這時將整個風(fēng)電場等值為一臺DFIG是不精確的，如果同一時刻所有機(jī)組都進(jìn)入轉(zhuǎn)速恢復(fù)模式，其提供的有功功率同時減少可能導(dǎo)致系統(tǒng)頻率的二次跌落[19]。

本文對于各風(fēng)速段內(nèi)風(fēng)電機(jī)組數(shù)目相當(dāng)(也稱作風(fēng)電機(jī)組均勻分布)的情況引入變參數(shù)PI控制器，向各風(fēng)電機(jī)組下發(fā)參考功率值時需考慮時間差異，使得不同風(fēng)況風(fēng)電機(jī)組獲得有差別的功率參考值及轉(zhuǎn)速恢復(fù)時間。首先確定第1組的轉(zhuǎn)速恢復(fù)時刻ts1，其他機(jī)組在前一臺機(jī)組基礎(chǔ)上增加Δt。根據(jù)設(shè)置延時使不同工況的風(fēng)電機(jī)組獲得不同的轉(zhuǎn)速恢復(fù)時刻，不同風(fēng)速等級的風(fēng)電機(jī)組會在不同時刻依次退出有功增發(fā)階段，避免所有機(jī)組功率同時下降和恢復(fù)，減少轉(zhuǎn)速恢復(fù)對于有功支撐的削弱，從而保證風(fēng)電機(jī)組增發(fā)有功值獲得優(yōu)化，同時避免系統(tǒng)頻率的二次跌落。

4.2 風(fēng)電場優(yōu)化分組策略

本文對于大多數(shù)風(fēng)電機(jī)組處于同風(fēng)速等級(也稱作風(fēng)電機(jī)組分布不均勻)的情況，它們將獲得同樣的轉(zhuǎn)速恢復(fù)時間信號，引起頻率的二次跌落。為了避免該情況的發(fā)生，將風(fēng)電廠內(nèi)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行內(nèi)部分組十分必要。因此提出一種基于風(fēng)速的優(yōu)化分組策略。主要包括以下原則：

(1)根據(jù)計算，1.5MW的雙饋風(fēng)電機(jī)組在風(fēng)速7m/s時，轉(zhuǎn)子的最優(yōu)轉(zhuǎn)速為0.7pu。為了保留足夠的安全裕度，仿真中定義風(fēng)速8m/s為風(fēng)電機(jī)組參與調(diào)頻的最低風(fēng)速，低于8m/s不參與系統(tǒng)調(diào)頻。

(2)根據(jù)機(jī)組實際所處風(fēng)況，將風(fēng)電機(jī)組按照風(fēng)速段均勻地劃分為若干組。在確定分組數(shù)量時，若分組過少，大量風(fēng)電機(jī)組存在于同一組的可能性較大，分組意義難以體現(xiàn)且效果不佳。分組過多會延長恢復(fù)過程時間，進(jìn)而延長DFIG參與頻率控制周期，不能及時做好下次參與系統(tǒng)頻率控制的準(zhǔn)備。綜合以上兩方面因素，可將風(fēng)速8m/s以下設(shè)定為1個等級，8～12m/s的機(jī)組按每間隔1m/s設(shè)為4個等級，高于12m/s為一個等級。

(3) 風(fēng)電場優(yōu)化分組流程如圖7所示。若存在某一等級內(nèi)風(fēng)電機(jī)組數(shù)量超過全部參與調(diào)頻機(jī)組數(shù)量的一定比例η(本文假設(shè)η=40%)，則在該等級內(nèi)部進(jìn)行均勻分組，直到每組所占比例低于η為止。

圖7 風(fēng)電場優(yōu)化分組流程圖Fig.7 Grouping optimization flowchart for wind farms

5 仿真分析

本文基于MATLAB/Simulink仿真平臺建立了含風(fēng)電并網(wǎng)仿真模型，如圖8所示。該仿真模型將經(jīng)典3機(jī)9節(jié)點模型的母線1處的同步機(jī)用DFIG代替。同步機(jī)G1、G2額定容量均為300MW，虛線部分等值風(fēng)電場共由200×1.5MW的雙饋機(jī)組共同構(gòu)成(滲透率50%)。單機(jī)情況時，先將風(fēng)電場等值為一臺DFIG(超速減載20%運行)，通過對單機(jī)情形的仿真，驗證了基于變參數(shù)PI控制器轉(zhuǎn)速恢復(fù)環(huán)節(jié)對系統(tǒng)頻率的改善效果。多機(jī)情況時，將風(fēng)電場分組等值為三臺DFIG(均超速減載20%運行)，通過對多機(jī)情形的仿真，驗證風(fēng)電場轉(zhuǎn)速延時恢復(fù)策略和優(yōu)化分組策略的有效性。

圖8 含風(fēng)電機(jī)組3機(jī)9節(jié)點仿真系統(tǒng)模型Fig.8 Simulation model of three machines nine buses system

5.1 單機(jī)情況

為了體現(xiàn)基于變參數(shù)PI控制器轉(zhuǎn)速恢復(fù)環(huán)節(jié)對系統(tǒng)調(diào)頻的改善效果和選擇控制器變參數(shù)時間常數(shù)m的合理性，對單機(jī)情況做了以下仿真。

5.1.1 不同轉(zhuǎn)速恢復(fù)方式仿真對比

仿真時，風(fēng)電機(jī)組風(fēng)速為9m/s，仿真系統(tǒng)初始頻率為50Hz，在40s時突增50MW負(fù)荷，虛擬慣性環(huán)節(jié)作用15s后觸發(fā)轉(zhuǎn)速恢復(fù)開始信號，分別采用直接轉(zhuǎn)速恢復(fù)方式、基于定參數(shù)PI控制轉(zhuǎn)速恢復(fù)和基于變參數(shù)PI控制轉(zhuǎn)速恢復(fù)進(jìn)行仿真，得到3種轉(zhuǎn)速恢復(fù)方式下系統(tǒng)頻率響應(yīng)曲線，如圖9所示。雙饋風(fēng)電機(jī)組功率和轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線如圖10所示。

圖9 3種轉(zhuǎn)速恢復(fù)方式下系統(tǒng)頻率響應(yīng)Fig.9 System frequency response of three kinds of speed recovery mode

圖10 雙饋風(fēng)電機(jī)組功率和轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線Fig.10 Power and speed response of DFIG based wind turbines

從圖9和圖10可見，直接轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恢復(fù)方式在轉(zhuǎn)速恢復(fù)初期轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速立即加速上升，但總的恢復(fù)時間卻沒有縮短，且出現(xiàn)一定超調(diào)，進(jìn)而引起短時有功功率0.13pu的缺失，導(dǎo)致系統(tǒng)頻率二次跌落0.03Hz。實際系統(tǒng)中，對于不同的情形可能對系統(tǒng)功率和頻率的影響更大。采用基于定參數(shù)PI控制器時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恢復(fù)速度有所減緩，雖減小了有功功率的短時缺失，但也會引起0.1pu的有功驟減。采用基于變參數(shù)PI控制時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速逐漸恢復(fù)至最初狀態(tài)，避免了轉(zhuǎn)速恢復(fù)時刻功率突變，同時縮短了恢復(fù)至初始狀態(tài)的時間，且不會出現(xiàn)系統(tǒng)頻率的二次下跌。

5.1.2 不同m值的變參數(shù)曲線

為了進(jìn)一步說明不同m值對DFIG頻率控制的影響，驗證m值的合理選擇范圍，設(shè)定Kp、Ki變化參數(shù)部分曲線斜率a=0.005。分別對m取6s、16s、30s三種不同情形進(jìn)行了仿真。Kp、Ki變化參數(shù)曲線圖如圖11所示。不同m值時系統(tǒng)頻率響應(yīng)、雙饋風(fēng)電機(jī)組功率和轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線分別如圖12、圖13所示。

圖11 變參數(shù)Kp、Ki曲線Fig.11 Curve of variable parameter Kp and Ki

圖12 不同m值系統(tǒng)頻率響應(yīng)Fig.12 System frequency response under different m value

圖13 不同m值雙饋風(fēng)電機(jī)組功率和轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線Fig.13 Power and speed response of DFIG wind turbines under different m value

從圖11可知，不同的m值直接影響Kp的最大值和Ki的斜率。m值越大，Kp最大值越大，同時Ki斜率越小，反之同理。從圖13可知，不同的m值影響雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恢復(fù)時間，m太大或太小都不利于雙饋機(jī)組恢復(fù)到初始狀態(tài)。不同m值下雙饋機(jī)組恢復(fù)時間見表1。

表1 不同m值下雙饋風(fēng)電機(jī)組恢復(fù)時間Tab.1 DFIG recovery time under different m values

從表1可知，m=16s時轉(zhuǎn)速恢復(fù)時間只需25s，而m=6s或m=30s時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恢復(fù)時間均大于130s。因此，m值的合理選取有利于系統(tǒng)的平穩(wěn)恢復(fù)。大量仿真驗證表明，為了保證轉(zhuǎn)速恢復(fù)時間在40s內(nèi)，m的取值介于14～18s為宜。

5.2 多機(jī)情況

為了體現(xiàn)轉(zhuǎn)速延時恢復(fù)策略和優(yōu)化分組對風(fēng)電場在系統(tǒng)頻率跌落方面的改善效果，對多機(jī)情況做了以下仿真。

5.2.1 各風(fēng)速區(qū)間機(jī)組數(shù)量分布較均勻

風(fēng)電機(jī)組均勻分布時各功率控制等級的風(fēng)電機(jī)組臺數(shù)見表2。分別針對風(fēng)電場同時直接轉(zhuǎn)速恢復(fù)、延時直接轉(zhuǎn)速恢復(fù)和基于變參數(shù)PI控制延時轉(zhuǎn)速恢復(fù)進(jìn)行仿真。仿真時，系統(tǒng)70s突增50MW負(fù)荷，轉(zhuǎn)速恢復(fù)開始時間ts1=85s，延遲時間Δt=3s，系統(tǒng)頻率響應(yīng)如圖14所示。

表2 不同風(fēng)速區(qū)間對應(yīng)DFIG機(jī)組數(shù)量Tab.2 Number of DFIG units corresponding to different wind speed range

圖14 風(fēng)電機(jī)組均勻分布不同轉(zhuǎn)速恢復(fù)方式頻率響應(yīng)Fig.14 Frequency response in different speed recovery mode with well-distributed wind turbines

從圖14可知，風(fēng)電機(jī)組均勻分布時，同時直接進(jìn)行轉(zhuǎn)速恢復(fù)將會引起系統(tǒng)頻率的二次跌落，最低值已達(dá)49.5Hz以下，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。延時直接時轉(zhuǎn)速恢復(fù)方式雖放緩了頻率跌落的態(tài)勢，但仍然呈階梯狀，在短時間內(nèi)頻率驟減0.15Hz，基于變參數(shù)PI控制延時轉(zhuǎn)速恢復(fù)能平滑過渡風(fēng)電機(jī)組退出引起的系統(tǒng)有功功率的缺失，系統(tǒng)頻率逐漸恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)，利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

5.2.2 各風(fēng)速區(qū)間機(jī)組數(shù)量分布不均勻

風(fēng)電場內(nèi)多數(shù)風(fēng)電機(jī)組處于同等級風(fēng)速區(qū)間時，風(fēng)電機(jī)組將會同時退出頻率控制。針對此種情況需先對風(fēng)電廠內(nèi)部進(jìn)行優(yōu)化分組。風(fēng)電機(jī)組分布不均勻時，優(yōu)化分組前各風(fēng)速等級的風(fēng)電機(jī)組臺數(shù)見表3。此時絕大多數(shù)風(fēng)電機(jī)組處于9～10m/s風(fēng)速段，風(fēng)電場滲透率η=57.5%>40%，因此需先根據(jù)本文所提優(yōu)化分組策略對其進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果見表4，其中N為均分待優(yōu)化區(qū)間DFIG數(shù)量時的風(fēng)速值。為體現(xiàn)優(yōu)化效果，分別就風(fēng)電場基于變參數(shù)PI控制延時轉(zhuǎn)速恢復(fù)分組優(yōu)化前后對比仿真，仿真時系統(tǒng)70s突增50MW負(fù)荷，系統(tǒng)頻率響應(yīng)如圖15所示。

表3 優(yōu)化前不同風(fēng)速區(qū)間對應(yīng)DFIG機(jī)組數(shù)量Tab.3 Number of optimization of different wind speed interval corresponding to DFIG wind turbines

表4 優(yōu)化后不同風(fēng)速區(qū)間對應(yīng)DFIG機(jī)組數(shù)量Tab.4 Number of different optimized wind speed range corresponding to DFIG wind turbines

圖15 優(yōu)化分組前后系統(tǒng)頻率響應(yīng)曲線Fig.15 System frequency response curve of whether or not use the optimization grouping

從圖15可知，優(yōu)化分組前，由于同一風(fēng)速等級的風(fēng)電機(jī)組數(shù)量過多，基于變參數(shù)PI控制延時轉(zhuǎn)速恢復(fù)雖已能減緩系統(tǒng)頻率的驟減，但在5s時間內(nèi)系統(tǒng)頻率下降0.08pu，下降趨勢依然明顯。分組優(yōu)化后避免了同一時間大多數(shù)風(fēng)電機(jī)組同時退出的情況，雖延長了系統(tǒng)頻率恢復(fù)穩(wěn)定的時間，但明顯減緩系統(tǒng)頻率的跌落，使系統(tǒng)在發(fā)生負(fù)荷擾動時，平穩(wěn)地過渡到穩(wěn)定狀態(tài)，有利于系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

6 結(jié)論

針對DFIG直接轉(zhuǎn)速恢復(fù)引起頻率二次下跌問題，在改進(jìn)的虛擬慣性控制基礎(chǔ)上采用基于變參數(shù)PI控制的轉(zhuǎn)速恢復(fù)方案；針對風(fēng)電場DFIG轉(zhuǎn)速恢復(fù)問題，提出轉(zhuǎn)速延時恢復(fù)策略和優(yōu)化分組策略。通過仿真驗證，得到以下結(jié)論：

(1)基于變參數(shù)PI控制可以有效降低轉(zhuǎn)速恢復(fù)初始時刻的功率突變，避免轉(zhuǎn)速恢復(fù)過程中系統(tǒng)功率缺失，不會引起系統(tǒng)頻率的二次下跌。

(2)對于風(fēng)電機(jī)組數(shù)量均勻分布的風(fēng)電場，提出基于變參數(shù)PI控制延時轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略，該方法能夠平穩(wěn)過渡風(fēng)電機(jī)組退出引起系統(tǒng)有功功率的缺失，使系統(tǒng)頻率可逐漸平滑地恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)對于分布不均勻的風(fēng)電場，提出風(fēng)電機(jī)組優(yōu)化分組策略，該方法能夠有效避免大多數(shù)風(fēng)電機(jī)組處于同一風(fēng)速區(qū)間而引起系統(tǒng)的頻率二次下跌，進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

本文DFIG轉(zhuǎn)速恢復(fù)所需能量由自身減載備用提供，文中未涉及高風(fēng)速下虛擬慣性結(jié)合槳距角持續(xù)為系統(tǒng)提供有功支撐的研究，因此對于DFIG的工況考慮不夠完善，這正是本文的后續(xù)研究內(nèi)容。