席嫣娜　王印松

摘要：該文提出一種雙饋風電機組分布式協(xié)調(diào)頻率控制方法，以改善系統(tǒng)頻率響應(yīng)特睦。根據(jù)系統(tǒng)供需關(guān)系選擇雙饋風電機組運行模式，由所提分布式算法實現(xiàn)雙饋風電機組減載水平的迭代更新，進而快速響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化。所提分布式控制方法可協(xié)調(diào)不同風速條件下的雙饋風電機組，并實現(xiàn)與火電機組間的協(xié)調(diào)控制，有效改善系統(tǒng)動態(tài)性能。最后，通過仿真分析對所提分布式協(xié)調(diào)頻率控制方法的有效性進行驗證。結(jié)果表明：該分布式協(xié)調(diào)頻率控制方法可快速根據(jù)系統(tǒng)供需情況及時調(diào)節(jié)機組輸出功率，有效改善系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性。

關(guān)鍵詞：雙饋風電機組;火電機組;協(xié)調(diào)控制;系統(tǒng)頻率

中圖分類號：TM712 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）01-0128-06

0 引言

在能源供應(yīng)緊缺和環(huán)境保護雙重壓力下，隨著風電等新能源發(fā)電技術(shù)的不斷成熟，電力系統(tǒng)中新能源滲透率不斷提高[1]。風電機組一般處于最大功率跟蹤模式（maximum power point tracking，MPPT），自身功率調(diào)節(jié)能力有限[2]。MPPT運行模式雖保證了風電機組的最大利用效率，但也可能導(dǎo)致供大于求的供需失衡狀態(tài)，且在孤島電力系統(tǒng)中上述問題將更為突出[3-5]。同時，由于風電機組主要經(jīng)由電力電子換流器接人電網(wǎng)，難以響應(yīng)系統(tǒng)頻率的動態(tài)變化，因此在大規(guī)模風電并網(wǎng)系統(tǒng)中，頻率穩(wěn)定性問題更為嚴重[6]。

為改善大規(guī)模風電并網(wǎng)條件下系統(tǒng)頻率的響應(yīng)特性，目前已有較多學者提出不同的頻率控制方法對此開展研究[7-10]。為使雙饋風電機組（doubly fedinduction generators，DFIGs）等變速型機組響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化，附加虛擬慣性控制、一次調(diào)頻等方法已被廣泛應(yīng)用。Morren等Ul提出模擬同步機慣性響應(yīng)特性的虛擬慣性控制方法，利用風電機組的旋轉(zhuǎn)動能有效降低了系統(tǒng)頻率變化率。為改善雙饋風電機組控制對系統(tǒng)頻率的支撐作用，曹軍等[8]提出一種附加頻率控制策略，可快速響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化?；诜侄慰刂扑枷?，林俐等[9]提出一種雙饋風電機組有功一頻率控制策略，并討論了頻率控制的參數(shù)整定問題。風電機組間的協(xié)調(diào)控制多是集中式控制，需要復(fù)雜的通信網(wǎng)絡(luò)收集全局信息。何成明等[10]通過考慮風電場內(nèi)各風電機組所處風速條件，提出了一種集中式的風電場時序協(xié)同調(diào)頻策略，但并未實現(xiàn)系統(tǒng)頻率的無差調(diào)節(jié)。因風電機組出力波動性較大，集中式控制很難快速響應(yīng)系統(tǒng)動態(tài)變化，且運行可靠性難以保證。為此，本文針對包含多風電機組、火電機組的孤島電力系統(tǒng)，提出一種分布式協(xié)調(diào)控制方法，以改善系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性。

基于多智能體系統(tǒng)的分布式控制方法在較多文獻中得到了普遍應(yīng)用[11-13]，本文中，風電機組作為獨立智能體，根據(jù)負荷需求與雙饋風電機組最大可輸出功率間的關(guān)系確定風電機組的運行模式。首先，本文分析了風電機組的控制系統(tǒng)模型，包括減載控制模型，根據(jù)風速、轉(zhuǎn)速等條件確定雙饋風電機組的減載控制方式;其次，提出了雙饋風電機組的分布式協(xié)調(diào)頻率控制方法，應(yīng)用分布式算法對風電機組可利用因子進行迭代更新，并根據(jù)風電機組可利用因子、系統(tǒng)頻率偏差確定風電機組與火電機組間的協(xié)調(diào)控制方式。最后，通過仿真算例驗證了所提控制方法的有效性。

1 雙饋風電機組控制系統(tǒng)模型

1.1 雙饋風電機組模型

圖1所示為雙饋風電機組并網(wǎng)系統(tǒng)，包括異步電機、軸系動態(tài)以及控制系統(tǒng)模型。其中控制系統(tǒng)模型包括槳距角控制、轉(zhuǎn)子側(cè)換流器（rotor-sideconverter，RSC）控制系統(tǒng)、網(wǎng)側(cè)換流器（grid-sideconverter，GSC）控制系統(tǒng)3部分。

1.2 減載控制模型

雙饋風電機組的空氣動力學模型為

P=K_wV_w³C_p（λ，β）

K_w=1/2ρA（1）

式中：ρ——空氣密度;

A——風電機組有效的掃風面積;

V_w——風速;

C_p——風電機組功率系數(shù);

λ——尖速比：

β——槳距角。

風電機組功率系數(shù)C_p的表達式為

若C_pmax為C_p（λ，β）最大值，則風電機組輸出的最大功率為

P_m=K_wV_w³C_pmax

風電機組一般處于MPPT運行模式，但在一些條件下需要進行減載，以維持系統(tǒng)功率平衡。針對處于減載狀態(tài)的雙饋風電機組，其輸出功率為

P_w=ηP_m=ηK_wV_w³C_pmax其中，η為減載狀態(tài)下風電機組的可利用因子。

目前，實現(xiàn)風電機組減載運行的控制方式主要有兩類：1）變槳距控制，通過增大風電機組的槳距角儲存?zhèn)溆霉β?，當系統(tǒng)出現(xiàn)功率缺額時，通過增大槳距角以提供功率支撐;2）超轉(zhuǎn)速控制，通過調(diào)整風電機組運行工作點實現(xiàn)減載運行，將其運行工作點調(diào)整至功率特性曲線峰值的右側(cè)。

超轉(zhuǎn)速控制和變槳距控制方式均需通過風速所處區(qū)間范圍選用相應(yīng)控制方式，從而實現(xiàn)減載運行。文中改進減載控制方式的控制框圖如圖2所示，主要包括3部分，即風速所處區(qū)間模式判斷部分、虛擬慣性控制部分、減載控制方式選擇部分（超轉(zhuǎn)速控制、變槳距控制）。減載控制方式通過判斷輸人變量U_w、ω_r實現(xiàn)控制方式的選擇，并確定η;虛擬慣性控制輸入變量為頻率偏差Δf，因下文所提分布式協(xié)調(diào)控制主要根據(jù)頻率比例分量進行控制，為進一步改善頻率響應(yīng)特性，可通過附加虛擬慣性控制模擬同步機慣性響應(yīng)特性，從而有效改善系統(tǒng)頻率動態(tài)變化。

2 分布式協(xié)調(diào)頻率控制方法

2.1 雙饋風電機組分布式協(xié)調(diào)頻率控制

本文研究對象為孤島電力系統(tǒng)，如圖3所示，并網(wǎng)開關(guān)S處于斷開狀態(tài)。該孤島系統(tǒng)包括雙饋風電機組（W_i，i=1，2，…）、火電機組（G_i）及負荷（L_i）。

若忽略網(wǎng)損，圖3所示系統(tǒng)的功率平衡關(guān)系為

式中：P_li——節(jié)點i所接負荷大小;

P_wi——第i臺雙饋風電機組輸出功率;

P_sgi——第i臺火電機組輸出有功功率;

N₁、N_w、N_sg——分別為負荷、雙饋風電機組、火

電機組的數(shù)量。

對于式（4），定義負荷需求P_d為

雙饋風電機組在MPPT運行模式下最大輸出功率總和為

通過對比負荷需求P_d與P_wm間的關(guān)系，判定雙饋風電機組的運行模式。當P_d≥P_wm，則所有雙饋風電機組需運行于MPPT模式，若依然存在功率缺口，則由火電機組進行補充。當P_dwm

通過與其他頻率控制方法進行對比驗證分析，對比方法包括未采用頻率控制方法，僅依靠火電機組慣性響應(yīng);火電機組AGC調(diào)節(jié);風電機組附加頻率控制以及本文所提分布式協(xié)調(diào)頻率控制方法。圖7為系統(tǒng)未采用頻率控制方式，當節(jié)點17負荷突變后系統(tǒng)頻率的變化特性。當火電機組未啟動調(diào)速器且雙饋風電機組未采用附加頻率控制時，僅在火電機組慣性響應(yīng)特性下，系統(tǒng)頻率變化將越限（超出頻率安全范圍±0.2Hz），上升至50.3Hz，

圖8對比了3種頻率控制方式下系統(tǒng)頻率的變化特性。第1種控制方式為僅火電機組參與調(diào)頻，雙饋風電機組未附加頻率控制。在該控制方式下，由于火電機組AGC作用，使系統(tǒng)頻率最終恢復(fù)至穩(wěn)定值，但系統(tǒng)頻率超調(diào)量較大，峰值達到50.05Hz。第2種控制方式為文獻[7]中提到的附加頻率控制方法，包含一次調(diào)頻和虛擬慣性控制兩部分。該控制方式相比于火電機組AGC控制，其響應(yīng)速度較快，且超調(diào)量較小，但并不能實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)。第3種控制方式為本文所提分布式協(xié)調(diào)頻率控制，在該控制方式下系統(tǒng)頻率迅速恢復(fù)至穩(wěn)定值，調(diào)整時間<5s，且超調(diào)量較小，峰值低于50.03Hz。由以上分析可知，采用分布式協(xié)調(diào)頻率控制可使系統(tǒng)頻率快速恢復(fù)至穩(wěn)定值，且相比于AGC及附加頻率控制，其超調(diào)量較小。這主要是由于火電機組AGC響應(yīng)時間較長，而風電機組采用電力電子換流器控制，其控制響應(yīng)速度快，因而可有效改善系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性。

3.2 變風速運行模式

本小節(jié)將對變風速運行模式下，分布式協(xié)調(diào)頻率控制方法的有效性做進一步驗證。2臺雙饋風電機組對應(yīng)的變風速曲線如圖9所示，其中雙饋風電機組1處于高風速范圍;相比于雙饋風電機組1，雙饋風電機組2風速較低。因雙饋風電機組1的風速較高，將處于定功率運行模式，功率波動較小。仿真系統(tǒng)波動主要來源于雙饋風電機組1，該機組風速介于初始風速與額定風速之間。

系統(tǒng)負荷需求、2臺雙饋風電機組在MPPT運行模式下總輸出功率變化，以及雙饋風電機組的實際總輸出功率、可利用因子變化如圖10所示。為進一步驗證所提分布式協(xié)調(diào)頻率控制方法的有效性，在仿真時間200～300s，節(jié)點17的負荷增加50MW。

由圖10可以看出，在仿真時間0～500s之間，雙饋風電機組需減載運行以滿足系統(tǒng)功率平衡條件。當雙饋風電機組在MPPT運行模式下輸出功率增大時，可利用因子將減小，反之，當風電機組在MPPT運行模式下輸出功率減小時，可利用因子將增大。在0～500s的仿真時間內(nèi)，雙饋風電機組的可利用因子值始終小于1，通過減小其輸出功率實現(xiàn)系統(tǒng)功率平衡。而在500～550 s內(nèi)，負荷需求P_d大于P_wm，雙饋風電機組處于MPPT運行模式，此時雙饋風電機組在MPPT運行模式下的輸出功率與其實際輸出功率曲線重合。

變風速運行模式下系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性如圖11所示，在負荷功率突變區(qū)間外，系統(tǒng)頻率變化均穩(wěn)定在較小范圍內(nèi)，隨著風速的變化系統(tǒng)頻率可快速恢復(fù)至穩(wěn)定值，從而進一步驗證了所提分布式協(xié)調(diào)頻率控制方法的有效性。當負荷功率突變時，如圖11中200s和300s的時刻顯示，系統(tǒng)頻率均出現(xiàn)較大變化，且收斂速度較快。在500～550s仿真時間內(nèi)，因負荷需求P_d大于Pwm，雙饋風電機組處于MPPT運行模式，火電機組需通過AGC增發(fā)功率以滿足系統(tǒng)功率平衡條件。在此情景下，響應(yīng)速度較慢的AGC使系統(tǒng)頻率恢復(fù)至穩(wěn)定值，但頻率變化速度緩慢。因此，由圖11中500～550s仿真時間內(nèi)的系統(tǒng)頻率變化過程，進一步驗證了雙饋風電機組與火電機組間協(xié)調(diào)控制的必要性。

4 結(jié)束語

為改善孤島電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性，本文提出了一種雙饋風電機組分布式協(xié)調(diào)頻率控制方法。根據(jù)負荷需求與雙饋風電機組最大輸出功率間的關(guān)系，確定風電機組的運行方式。當負荷需求小于雙 饋風電機組最大輸出功率時，雙饋風電機組需根據(jù)可利用因子進行減載運行，以實現(xiàn)系統(tǒng)功率的動態(tài)平衡。所提分布式協(xié)調(diào)頻率控制方法可快速根據(jù)系統(tǒng)供需情況及時調(diào)節(jié)機組輸出功率，有效改善系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性。

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