席嫣娜　王印松

摘要：該文提出一種雙饋風(fēng)電機(jī)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(fēng)電機(jī)組運(yùn)行模式，由所提分布式算法實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)電機(jī)組減載水平的迭代更新，進(jìn)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(fēng)速條件下的雙饋風(fēng)電機(jī)組，并實(shí)現(xiàn)與火電機(jī)組間的協(xié)調(diào)控制，有效改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。最后，通過(guò)仿真分析對(duì)所提分布式協(xié)調(diào)頻率控制方法的有效性進(jìn)行驗(yàn)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(shí)調(diào)節(jié)機(jī)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(fēng)電機(jī)組;火電機(jī)組;協(xié)調(diào)控制;系統(tǒng)頻率

中圖分類號(hào)：TM712 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2019）01-0128-06

0 引言

在能源供應(yīng)緊缺和環(huán)境保護(hù)雙重壓力下，隨著風(fēng)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(fēng)電機(jī)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(yùn)行模式雖保證了風(fēng)電機(jī)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(wèn)題將更為突出[3-5]。同時(shí)，由于風(fēng)電機(jī)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(dòng)態(tài)變化，因此在大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)中，頻率穩(wěn)定性問(wèn)題更為嚴(yán)重[6]。

為改善大規(guī)模風(fēng)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(xué)者提出不同的頻率控制方法對(duì)此開(kāi)展研究[7-10]。為使雙饋風(fēng)電機(jī)組（doubly fedinduction generators，DFIGs）等變速型機(jī)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(jī)慣性響應(yīng)特性的虛擬慣性控制方法，利用風(fēng)電機(jī)組的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能有效降低了系統(tǒng)頻率變化率。為改善雙饋風(fēng)電機(jī)組控制對(duì)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(fēng)電機(jī)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(wèn)題。風(fēng)電機(jī)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(guò)考慮風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)各風(fēng)電機(jī)組所處風(fēng)速條件，提出了一種集中式的風(fēng)電場(chǎng)時(shí)序協(xié)同調(diào)頻策略，但并未實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)頻率的無(wú)差調(diào)節(jié)。因風(fēng)電機(jī)組出力波動(dòng)性較大，集中式控制很難快速響應(yīng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化，且運(yùn)行可靠性難以保證。為此，本文針對(duì)包含多風(fēng)電機(jī)組、火電機(jī)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(xiàn)中得到了普遍應(yīng)用[11-13]，本文中，風(fēng)電機(jī)組作為獨(dú)立智能體，根據(jù)負(fù)荷需求與雙饋風(fēng)電機(jī)組最大可輸出功率間的關(guān)系確定風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行模式。首先，本文分析了風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)模型，包括減載控制模型，根據(jù)風(fēng)速、轉(zhuǎn)速等條件確定雙饋風(fēng)電機(jī)組的減載控制方式;其次，提出了雙饋風(fēng)電機(jī)組的分布式協(xié)調(diào)頻率控制方法，應(yīng)用分布式算法對(duì)風(fēng)電機(jī)組可利用因子進(jìn)行迭代更新，并根據(jù)風(fēng)電機(jī)組可利用因子、系統(tǒng)頻率偏差確定風(fēng)電機(jī)組與火電機(jī)組間的協(xié)調(diào)控制方式。最后，通過(guò)仿真算例驗(yàn)證了所提控制方法的有效性。

1 雙饋風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)模型

1.1 雙饋風(fēng)電機(jī)組模型

圖1所示為雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)，包括異步電機(jī)、軸系動(dòng)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(fēng)電機(jī)組的空氣動(dòng)力學(xué)模型為

P=K_wV_w³C_p（λ，β）

K_w=1/2ρA（1）

式中：ρ——空氣密度;

A——風(fēng)電機(jī)組有效的掃風(fēng)面積;

V_w——風(fēng)速;

C_p——風(fēng)電機(jī)組功率系數(shù);

λ——尖速比：

β——槳距角。

風(fēng)電機(jī)組功率系數(shù)C_p的表達(dá)式為

若C_pmax為C_p（λ，β）最大值，則風(fēng)電機(jī)組輸出的最大功率為

P_m=K_wV_w³C_pmax

風(fēng)電機(jī)組一般處于MPPT運(yùn)行模式，但在一些條件下需要進(jìn)行減載，以維持系統(tǒng)功率平衡。針對(duì)處于減載狀態(tài)的雙饋風(fēng)電機(jī)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(fēng)電機(jī)組的可利用因子。

目前，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組減載運(yùn)行的控制方式主要有兩類：1）變槳距控制，通過(guò)增大風(fēng)電機(jī)組的槳距角儲(chǔ)存?zhèn)溆霉β剩?dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)功率缺額時(shí)，通過(guò)增大槳距角以提供功率支撐;2）超轉(zhuǎn)速控制，通過(guò)調(diào)整風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行工作點(diǎn)實(shí)現(xiàn)減載運(yùn)行，將其運(yùn)行工作點(diǎn)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(guò)風(fēng)速所處區(qū)間范圍選用相應(yīng)控制方式，從而實(shí)現(xiàn)減載運(yùn)行。文中改進(jìn)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(fēng)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(guò)判斷輸人變量U_w、ω_r實(shí)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(jìn)行控制，為進(jìn)一步改善頻率響應(yīng)特性，可通過(guò)附加虛擬慣性控制模擬同步機(jī)慣性響應(yīng)特性，從而有效改善系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)變化。

2 分布式協(xié)調(diào)頻率控制方法

2.1 雙饋風(fēng)電機(jī)組分布式協(xié)調(diào)頻率控制

本文研究對(duì)象為孤島電力系統(tǒng)，如圖3所示，并網(wǎng)開(kāi)關(guān)S處于斷開(kāi)狀態(tài)。該孤島系統(tǒng)包括雙饋風(fēng)電機(jī)組（W_i，i=1，2，…）、火電機(jī)組（G_i）及負(fù)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(diǎn)i所接負(fù)荷大小;

P_wi——第i臺(tái)雙饋風(fēng)電機(jī)組輸出功率;

P_sgi——第i臺(tái)火電機(jī)組輸出有功功率;

N₁、N_w、N_sg——分別為負(fù)荷、雙饋風(fēng)電機(jī)組、火

電機(jī)組的數(shù)量。

對(duì)于式（4），定義負(fù)荷需求P_d為

雙饋風(fēng)電機(jī)組在MPPT運(yùn)行模式下最大輸出功率總和為

通過(guò)對(duì)比負(fù)荷需求P_d與P_wm間的關(guān)系，判定雙饋風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行模式。當(dāng)P_d≥P_wm，則所有雙饋風(fēng)電機(jī)組需運(yùn)行于MPPT模式，若依然存在功率缺口，則由火電機(jī)組進(jìn)行補(bǔ)充。當(dāng)P_dwm

通過(guò)與其他頻率控制方法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證分析，對(duì)比方法包括未采用頻率控制方法，僅依靠火電機(jī)組慣性響應(yīng);火電機(jī)組AGC調(diào)節(jié);風(fēng)電機(jī)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(dāng)節(jié)點(diǎn)17負(fù)荷突變后系統(tǒng)頻率的變化特性。當(dāng)火電機(jī)組未啟動(dòng)調(diào)速器且雙饋風(fēng)電機(jī)組未采用附加頻率控制時(shí)，僅在火電機(jī)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(duì)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(jī)組參與調(diào)頻，雙饋風(fēng)電機(jī)組未附加頻率控制。在該控制方式下，由于火電機(jī)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(dá)到50.05Hz。第2種控制方式為文獻(xiàn)[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(jī)組AGC控制，其響應(yīng)速度較快，且超調(diào)量較小，但并不能實(shí)現(xiàn)無(wú)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(shí)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(jī)組AGC響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，而風(fēng)電機(jī)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(fēng)速運(yùn)行模式

本小節(jié)將對(duì)變風(fēng)速運(yùn)行模式下，分布式協(xié)調(diào)頻率控制方法的有效性做進(jìn)一步驗(yàn)證。2臺(tái)雙饋風(fēng)電機(jī)組對(duì)應(yīng)的變風(fēng)速曲線如圖9所示，其中雙饋風(fēng)電機(jī)組1處于高風(fēng)速范圍;相比于雙饋風(fēng)電機(jī)組1，雙饋風(fēng)電機(jī)組2風(fēng)速較低。因雙饋風(fēng)電機(jī)組1的風(fēng)速較高，將處于定功率運(yùn)行模式，功率波動(dòng)較小。仿真系統(tǒng)波動(dòng)主要來(lái)源于雙饋風(fēng)電機(jī)組1，該機(jī)組風(fēng)速介于初始風(fēng)速與額定風(fēng)速之間。

系統(tǒng)負(fù)荷需求、2臺(tái)雙饋風(fēng)電機(jī)組在MPPT運(yùn)行模式下總輸出功率變化，以及雙饋風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際總輸出功率、可利用因子變化如圖10所示。為進(jìn)一步驗(yàn)證所提分布式協(xié)調(diào)頻率控制方法的有效性，在仿真時(shí)間200～300s，節(jié)點(diǎn)17的負(fù)荷增加50MW。

由圖10可以看出，在仿真時(shí)間0～500s之間，雙饋風(fēng)電機(jī)組需減載運(yùn)行以滿足系統(tǒng)功率平衡條件。當(dāng)雙饋風(fēng)電機(jī)組在MPPT運(yùn)行模式下輸出功率增大時(shí)，可利用因子將減小，反之，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組在MPPT運(yùn)行模式下輸出功率減小時(shí)，可利用因子將增大。在0～500s的仿真時(shí)間內(nèi)，雙饋風(fēng)電機(jī)組的可利用因子值始終小于1，通過(guò)減小其輸出功率實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率平衡。而在500～550 s內(nèi)，負(fù)荷需求P_d大于P_wm，雙饋風(fēng)電機(jī)組處于MPPT運(yùn)行模式，此時(shí)雙饋風(fēng)電機(jī)組在MPPT運(yùn)行模式下的輸出功率與其實(shí)際輸出功率曲線重合。

變風(fēng)速運(yùn)行模式下系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性如圖11所示，在負(fù)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(fēng)速的變化系統(tǒng)頻率可快速恢復(fù)至穩(wěn)定值，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了所提分布式協(xié)調(diào)頻率控制方法的有效性。當(dāng)負(fù)荷功率突變時(shí)，如圖11中200s和300s的時(shí)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(shí)間內(nèi)，因負(fù)荷需求P_d大于Pwm，雙饋風(fēng)電機(jī)組處于MPPT運(yùn)行模式，火電機(jī)組需通過(guò)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(shí)間內(nèi)的系統(tǒng)頻率變化過(guò)程，進(jìn)一步驗(yàn)證了雙饋風(fēng)電機(jī)組與火電機(jī)組間協(xié)調(diào)控制的必要性。

4 結(jié)束語(yǔ)

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(fēng)電機(jī)組分布式協(xié)調(diào)頻率控制方法。根據(jù)負(fù)荷需求與雙饋風(fēng)電機(jī)組最大輸出功率間的關(guān)系，確定風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行方式。當(dāng)負(fù)荷需求小于雙 饋風(fēng)電機(jī)組最大輸出功率時(shí)，雙饋風(fēng)電機(jī)組需根據(jù)可利用因子進(jìn)行減載運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率的動(dòng)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(shí)調(diào)節(jié)機(jī)組輸出功率，有效改善系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性。

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