李 昊，王印松，李牡丹

（1.華北電力大學 控制與計算機工程學院，河北 保定 071003；2.華北電力大學科技學院，河北 保定 071003）

0 引言

近些年來，全球風力發(fā)電迅猛發(fā)展，裝機容量和發(fā)電量占比大幅度提升，成為新能源中最具發(fā)展?jié)摿Φ陌l(fā)電技術(shù)［1］。由于風電機組和電網(wǎng)頻率解耦，不能像常規(guī)發(fā)電機組一樣為電力系統(tǒng)提供頻率支撐，風電滲透率的增加將會對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行帶來挑戰(zhàn)［2］，使得風電機組的頻率控制策略研究成為當前的一個熱點。

和雙饋異步電機相比，直驅(qū)永磁同步電機采用永磁體勵磁，省去了齒輪箱，具有結(jié)構(gòu)簡單、維護成本低、可靠性高等優(yōu)點［3-4］，在風力發(fā)電領域變得越來越受歡迎。

為了使風力發(fā)電機組參與系統(tǒng)的頻率調(diào)整，國內(nèi)外學者針對風電機組的頻率控制策略進行了深入研究。當前風電機組主要的頻率控制策略有附加慣性控制、超速減載控制、變槳減載控制以及頻率的綜合控制策略。文獻［5］在最大功率跟蹤策略的基礎上增加了附加慣性控制，證明了風電機組可以通過釋放或者吸收轉(zhuǎn)子動能來響應系統(tǒng)頻率的變化。文獻［6］在RT-LAB 上搭建了雙饋感應電機附加慣性控制的半實物仿真平臺，驗證了附加慣性控制能夠有效地提高雙饋感應電機并網(wǎng)的頻率適應性，然而并沒有考慮轉(zhuǎn)速下跌所導致的失速問題以及轉(zhuǎn)速恢復帶來的頻率跌落問題。文獻［7］在附加慣性控制系統(tǒng)的基礎上增加了轉(zhuǎn)速保護、轉(zhuǎn)速延時恢復模塊，證明了風電場在一定程度上可以參與系統(tǒng)的頻率響應。但是附加慣性控制只能在頻率變化的初期提供短暫的支撐，不能提供長期有效的支撐，為此，文獻［8］采用槳距角減載控制使風力發(fā)電機組預留備用功率，同時結(jié)合附加慣性控制，能夠同時降低系統(tǒng)頻率的初始變化率和穩(wěn)態(tài)偏差，但是通過仿真求得槳距角和減載水平的函數(shù)關(guān)系存在著精度限制。文獻［9］采用超速減載控制預留備用功率，同時和附加慣性控制相結(jié)合，能夠有效地支撐系統(tǒng)的慣性調(diào)頻，減小頻率的穩(wěn)態(tài)偏差，但是當轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速的時候，該策略便不能實現(xiàn)有效減載。文獻［10］將附加慣性控制、超速減載控制、變槳減載控制相結(jié)合，充分發(fā)揮不同控制策略的優(yōu)點，實現(xiàn)了全風速范圍內(nèi)的頻率調(diào)節(jié)，但是也增加了系統(tǒng)設計的復雜度。

首先建立D-PMSG 的簡化模型，分析不同風速下風電機組的運行狀況；研究附加慣性控制策略的結(jié)構(gòu)和原理；分析槳距角減載控制的原理，針對文獻［8］、［10］中槳距角和減載水平關(guān)系難以確定的問題，提出一種改變功率設定值的槳距角減載頻率控制策略；最后將附加慣性控制和所提出的槳距角減載頻率控制相結(jié)合，并通過仿真驗證了控制方法的有效性。

1 D-PMSG 簡化模型及控制策略

1.1 風力機模型

由貝茲理論可知，風輪從風中捕獲的風能是有限的，其捕獲的機械功率可以描述如下［11］：

式中：ρ 為空氣密度；R 為風輪半徑；v 為風速；Cp為風能利用系數(shù)；λ 為葉尖速比；β 為槳距角；ω 為風輪轉(zhuǎn)速。

風力機產(chǎn)生的機械轉(zhuǎn)矩為

1.2 軸系模型

考慮到時間效率和精度，忽略傳動軸的扭轉(zhuǎn)效應和機械損耗，將風力機和發(fā)電機轉(zhuǎn)子等效為單質(zhì)塊模型［12］，如式（6）所示。

式中：Te為發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩；J1為發(fā)電機等效的轉(zhuǎn)動慣量。

1.3 發(fā)電機及變流器簡化模型

由于風電機組的電磁暫態(tài)過程遠遠小于機電暫態(tài)過程，在研究風電機組有功功率控制和頻率控制問題的時候，可以將發(fā)電機和變流器簡化為一階慣性環(huán)節(jié)［13］：

式中：T 為發(fā)電機和變流器的等效時間常數(shù)；Pe為風電機組輸出的電磁功率；Popt為最大功率跟蹤控制下的發(fā)電機的最優(yōu)參考功率。

1.4 最大功率跟蹤和變槳控制

為了避免使用風速傳感器，采用功率曲線反饋法實現(xiàn)風電機組的最大功率跟蹤控制。該方法根據(jù)實發(fā)功率將轉(zhuǎn)速調(diào)整為最優(yōu)轉(zhuǎn)速ωopt，使風機達到最佳葉尖速比λopt，進而得到最大風能利用系數(shù)Cpmax，得到最優(yōu)參考功率Popt。最大功率跟蹤控制下的最優(yōu)參考指令為［14］

變槳控制系統(tǒng)采用傳統(tǒng)PID 控制器實現(xiàn)。當輸出功率小于額定功率Pn時，槳距角為0，風電機組輸出最大功率。當輸出功率大于額定功率Pn時，通過PID 控制器調(diào)節(jié)槳距角減小風能利用系數(shù)，使風電機組的輸出功率始終保持在額定功率處。直驅(qū)永磁風電機組的簡化模型結(jié)構(gòu)如圖1 所示［15］。

1.5 不同風況下風電機組的運行狀況

D-PMSG 在不同的風速下所采取的控制策略不同，輸出功率也不同。通常包含以下4 個區(qū)域：當v＜vcut-in時，風電機組工作在啟機區(qū)；當vcut-in≤v＜vn時，風電機組工作在最大功率跟蹤區(qū)；當vn≤v＜vcut-out時，風電機組運行在恒功率區(qū)；當v≥vcut-out時，風電機組運行在停機區(qū)。風電機組的運行狀況如圖2 所示。

圖1 直驅(qū)風電機組簡化模型結(jié)構(gòu)

圖2 風電機組運行狀況

不同風速區(qū)域下，風電機組的輸出功率為

式中：vcut-in為切入風速；vn為額定風速；vcut-out為切出風速。

2 附加慣性控制

直驅(qū)風電機組采用最大功率跟控制策略和全功率變流器并網(wǎng)，不能夠響應系統(tǒng)頻率的變化，無法為系統(tǒng)提供頻率支撐。風力發(fā)電機組轉(zhuǎn)子蘊含的動能和同容量的傳統(tǒng)同步發(fā)電機組一樣多［16］，為了使風電機組能夠像傳統(tǒng)同步發(fā)電機組在頻率變化時具有慣性響應特性，在風電機組上最大功率跟蹤控制基礎上增加附加慣性控制環(huán)節(jié)，D-PMSG 的附加慣性控制環(huán)節(jié)如圖3 所示［11］。

附加慣性控制環(huán)節(jié)由低通濾波器、高通濾波器、下垂控制回路（上）、虛擬慣量回路（下）4 部分組成。低通濾波器用來濾除測量噪聲的干擾，高通濾波器用來阻斷穩(wěn)態(tài)的輸出，保證風電機組轉(zhuǎn)速平穩(wěn)恢復。下垂控制回路模擬傳統(tǒng)等值同步電機的靜態(tài)特性，增發(fā)與頻率偏差成比例的功率，虛擬慣量回路用來模擬傳統(tǒng)等值同步電機的慣性特性，增發(fā)與系統(tǒng)頻率微分成比例的功率。轉(zhuǎn)速保護模塊保證風電機組在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于0.7ωn時退出附加慣性控制，防止轉(zhuǎn)速過低而導致切機事故。

附加慣性環(huán)節(jié)得到的參考功率指令Pf為

式中：kp為附加慣性控制的比例系數(shù)；kd為附加慣性控制的微分系數(shù)。

圖3 附加慣性控制原理結(jié)構(gòu)

3 直驅(qū)風電機組槳距角減載頻率控制

由于附加慣性只能提供短暫的頻率支撐，不能夠減小系統(tǒng)頻率的穩(wěn)態(tài)偏差，改變槳距角的大小可以使風電機組預留備用功率，為系統(tǒng)頻率提供長期有效的支撐。圖4 繪出了風電機組槳距角減載控制的原理，從圖中可知，當風電機組的最大功率跟蹤曲線系數(shù)不變時，在風速v1下，槳距角從β1減小至β0，可以使風電機組的穩(wěn)定運行點由點B 移動至點A，增加ΔP1的輸出功率。槳距角從β1增加至β2，可以使風電機組的穩(wěn)定運行點由點B 移動至點C，減少ΔP2的輸出功率。

將減載水平d 定義為采用槳距角控制使風電機組減發(fā)的功率占當前風速下最優(yōu)輸出功率Popt或者額定輸出功率Pn的百分比［17］。由于槳距角和減載水平之間存在著嚴重的非線性，為了能夠?qū)崿F(xiàn)精確減載，當前文獻多通過仿真的方法得到不同風速下初始槳距角和減載水平的對應關(guān)系，實現(xiàn)困難，并且存在著精度限制。為此提出了一種通過改變功率設定值的槳距角減載頻率控制策略，其控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 槳距角減載控制原理

根據(jù)風電機組運行的區(qū)域，在最大功率跟蹤區(qū)將功率的參考值設定為（1-d）Popt實現(xiàn)風電機組的減載運行，在恒功率區(qū)將功率的參考值設定為（1-d）Pn實現(xiàn)風電機組的減載運行，從而預留出備用功率。當頻率發(fā)生變化時，按照圖6 對功率的參考值進行調(diào)整，從而改變輸出功率參與系統(tǒng)頻率的調(diào)整。

圖5 槳距角減載頻率控制結(jié)構(gòu)

圖6 頻率-功率參考值關(guān)系

當頻率的偏差Δf 在fdead--fdead+時，風電機組的輸出功率參考值為Pref=Pd，保證風電機組有效減載；當頻率的偏差Δf 在fdead+-f+時，風電機組的輸出功率參考值為減小風電機組的輸出功率；當頻率的偏差Δf 在f--fdead-時，風電機組的輸出功率參考值為增加風電機組的輸出功率。當頻率的偏差小于f-或者大于f+時，分別將輸出功率的參考值設置為P0%、P2d參與系統(tǒng)頻率的響應。

4 仿真分析

為了驗證所提出的聯(lián)合頻率控制策略的正確性，基于簡化的風電機組模型，在SIMULINK 上搭建了如圖7 所示的仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)由1 臺2 MW 的D-PMSG 和1 臺等值同步發(fā)電機組組成。仿真系統(tǒng)基于標幺值搭建，仿真結(jié)果采用有名值表示。

圖7 系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)

取風速v1為10 m/s，風電機組減載水平d=10%，系統(tǒng)初始頻率平衡，在50 s 時，系統(tǒng)的負荷突增0.4 MW，系統(tǒng)在不同控制策略下的頻率響應如圖8所示，頻率響應的部分響應數(shù)據(jù)如表1 所示。

圖8 不同控制策略下的頻率響應

從圖8 和表1 中的數(shù)據(jù)可以得到，和最大功率跟蹤控制相比，附加慣性控制使系統(tǒng)頻率的最低值增加了0.23 Hz，系統(tǒng)頻率到達最低值的時間增加了0.56 s，有效地減小了系統(tǒng)頻率跌落幅度和變化率，但是對系統(tǒng)頻率的穩(wěn)態(tài)值并沒有作用；采用槳距角減載頻率控制，系統(tǒng)頻率的最低值增加了0.07 Hz，到達最低值的時間減小了0.06 s，系統(tǒng)頻率的穩(wěn)態(tài)值增加了0.12 Hz，槳距角減載頻率控制對系統(tǒng)頻率的暫態(tài)響應影響較小，但是可以有效地改善系統(tǒng)頻率的穩(wěn)態(tài)響應；聯(lián)合頻率控制策略使系統(tǒng)頻率的最低值增加了0.23 Hz，到達最低值的時間增加0.52 s，系統(tǒng)頻率的穩(wěn)態(tài)值增加了0.12 Hz，結(jié)合了附加慣性控制和槳距角減載頻率控制的優(yōu)點，有效地改進了系統(tǒng)頻率的動態(tài)偏差和穩(wěn)態(tài)偏差。

表1 不同控制策略下的頻率響應

圖9 分別對比了風電機組的參考功率、槳距角、轉(zhuǎn)速和輸出功率的響應。從圖9 中可以看到，采用最大功率跟蹤控制，風電機組的各個變量保持恒定不變，不參與系統(tǒng)頻率的響應；采用附加慣性控制，風電機組參考功率保持不變，槳距角為0，在負荷發(fā)生變化時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速迅速下跌，釋放轉(zhuǎn)子動能，增加輸出功率參與系統(tǒng)頻率的響應；采用槳距角減載頻率控制，風電機組通過設定參考值來實現(xiàn)精確減載，當負荷發(fā)生變化時，風電機組的參考功率值增加，槳距角減小，轉(zhuǎn)速上升，輸出功率緩慢增加至最優(yōu)輸出功率，為系統(tǒng)頻率提供長期穩(wěn)定的支撐；采用聯(lián)合頻率控制，兩種控制策略共同作用，使風電機組的初始時刻的轉(zhuǎn)速下降，增加初始時刻的輸出功率，改善系統(tǒng)頻率的初始值和初始跌落速率，參考功率增加，槳距角減小，使輸出功率最終增加至最優(yōu)功率，為系統(tǒng)頻率提供長期的頻率支撐。

在負荷突減的情況下，仿真結(jié)果類似，不再贅述。

圖9 風電機組輸出變量響應

5 結(jié)語

提出了一種附加慣性和槳距角減載聯(lián)合頻率控制策略。仿真結(jié)果表明：附加慣性控制能夠有效地減小系統(tǒng)頻率的跌落幅度和跌落速率；所提出的槳距角減載頻率控制能夠有效準確地實現(xiàn)風電機組的減載運行，為系統(tǒng)提供長久的頻率支撐，改變系統(tǒng)頻率的穩(wěn)態(tài)偏差；聯(lián)合頻率控制策略結(jié)合了附加慣性控制和槳距角減載控制的優(yōu)點，既能夠減小系統(tǒng)頻率的跌落幅度和跌落速率，同時能夠增加系統(tǒng)頻率的穩(wěn)態(tài)偏差，改善系統(tǒng)的頻率響應。