南京河海南自水電自動化有限公司 倪維東

國電南京自動化股份有限公司 王云濤

雙饋風電機組運行控制較復雜，涉網(wǎng)性能是否良好取決于變流器的調節(jié)性能。風電機組并網(wǎng)發(fā)電時，機側電壓易發(fā)生跳變，容易引發(fā)短路故障，對機組穩(wěn)定運行和故障診斷造成一定程度的負面影響；根據(jù)雙饋風電機組解耦性特點，運行速率快，電氣部分的耦合性變弱，導致雙饋風電機組的運行頻率與功能特性受到影響而發(fā)生變化。相關研究學者開展了研究工作，例如，通過靈敏度方法分析雙饋風電機組的動態(tài)特性，分析雙饋風電機組動態(tài)特性與短路比的關系，以提高其運行功率；但是，目前對于控制參數(shù)協(xié)調優(yōu)化方面的研究成果較少。為了使風電機組穩(wěn)定并網(wǎng)發(fā)電，提出了雙饋風電機組控制參數(shù)協(xié)調優(yōu)化方法，構建雙饋感應電機數(shù)學模型，對機組的控制參數(shù)進行優(yōu)化，促進風電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。最后通過仿真模型，驗證所提控制參數(shù)協(xié)調優(yōu)化方法的有效性。

1 雙饋風電機組涉網(wǎng)控制參數(shù)協(xié)調優(yōu)化方法設計

1.1 構建雙饋感應電機數(shù)學模型

雙饋風電機組發(fā)電機由雙饋發(fā)電機、變流器等構成。雙饋發(fā)電機繞組具有對稱性，其轉子的轉速與電網(wǎng)頻率、電機的電荷極對數(shù)的關系表達式為：

其中，f1指的是電網(wǎng)運行頻率；p指的是電機的電荷極對數(shù)；n1指的是變流器轉子運行轉速，風電機組中轉子旋轉所產生的磁場根據(jù)轉子轉速的變化而改變。

根據(jù)上述關系表達式，本文構建雙饋發(fā)電機的數(shù)學模型。首先，作如下假定：（1）只考慮定轉子的基波分量，忽略諧波分量；（2）只考慮定轉子空間磁勢基波分量；（3）忽略磁滯、渦流、鐵耗；其次、發(fā)電機定子側電壓電流的正方向按發(fā)電機慣例，轉子側電壓電流的正方向按電動機慣例，電磁轉矩與轉向相反為正，參考異步電機的分析方案，可得雙饋發(fā)電機的等效電路圖，如圖1所示。

圖1 雙饋發(fā)電機的等效電路圖

通過控制轉子電流I2無功分量來控制定子電流I1無功分量，實現(xiàn)控制電機的無功功率。通過控制轉子電流I2有功分量來控制定子電流I1有功分量，參與控制電機有功功率。

當雙饋風電機組運行時的轉差率可知機組的轉差功率，由此可知雙饋發(fā)電機運行模式處于亞同步、同步或超同步狀態(tài)，變流器隨之切換運行模式，獲取到雙饋風電機組的運行狀態(tài)。

1.2 計算VSG控制參數(shù)取值范圍

為保證系統(tǒng)的整體性能，根據(jù)上述構建的雙饋感應電機數(shù)學模型，基于風電機組的運行安全性與穩(wěn)定性，對雙饋風電機組的VSG控制參數(shù)取值區(qū)間進行計算。

利用雙饋風電機組與同步發(fā)電機組的轉子能量守恒及雙饋風電機組轉子運行安全性，將轉子的轉速轉換到同步轉速下，對控制參數(shù)k的計算公式為：

其中，wrn代表雙饋風電機組轉子的基準值；ws0代表同步頻率初值；wr0代表變流器轉子的功角初始值；H代表風電機組運行時間；設定H=7.25s，wrn=1.45we。在雙饋風電機組運行過程中，這2個變量對于系統(tǒng)控制參數(shù)和功率動態(tài)過程的改善具有同樣重要的意義。

1.3 改進雙饋風電機組振蕩頻率

為獲取雙饋風電機組振蕩模式的特征，將獲取到的幅值、頻率、數(shù)據(jù)進行離散化處理，使擬合數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)相接近。采用最小二乘法求解風電機組振蕩波形的振幅，提高轉子對低頻振蕩模式的識別。雙饋風電機組的振蕩模式包括轉子轉速、頻率、振幅對運行特性的影響，低頻振蕩模式越明顯，對控制參數(shù)的影響越大。

1.4 控制參數(shù)協(xié)調優(yōu)化目標函數(shù)

根據(jù)上述計算獲取到的VSG控制參數(shù)的取值范圍，將雙饋風電機組的控制參數(shù)協(xié)調優(yōu)化為目標函數(shù)。風電機組的虛擬慣量能夠反映系統(tǒng)阻尼頻率變化的能力，較大的系統(tǒng)慣量給風電機組提供更好的幫助去實現(xiàn)功再平衡。通過增大風電機組的虛擬慣量和虛擬阻尼控制參數(shù)的變化，最終實現(xiàn)控制參數(shù)協(xié)調優(yōu)化目標函數(shù)的目的。

VSG虛擬慣量和虛擬阻尼參數(shù)協(xié)調設計的目標函數(shù)為：

式中，Δfmax表示風電機組頻率偏差最大值函數(shù)；Δξmax表示振蕩模式阻尼偏差最小值目標函數(shù)；ad表示阻尼權重常量；aj表示變流器慣量控制常量，主要用于調節(jié)控制振蕩振幅；i表示風電機組運行方式數(shù)量。正常運行時雙饋風電機組不提供任何動能，如果雙饋風電機組的有效動能下降，將使得雙饋風電機組的虛擬慣量發(fā)生變化，因此，如果不采取必要的措施，大規(guī)模雙饋風電機組接入電力系統(tǒng)將影響頻率穩(wěn)定性。

通過改變風電機組的虛擬慣量和虛擬阻尼參數(shù)，將控制參數(shù)協(xié)調優(yōu)化為目標函數(shù)，達到提高雙饋風電機組穩(wěn)定性的目的。

2 實驗分析

2.1 實驗準備

本文實驗以某地區(qū)雙饋風電機組并網(wǎng)為研究對象，采用PSCAD仿真軟件搭建雙饋風電機組并網(wǎng)模型，頻率為50Hz，采用雙饋風電場運行方式，將負荷為500MW全部投入到雙饋風電機組的運行中，輸電線路靠近電流的負荷端，運行功率加大出現(xiàn)三相故障，在運行時間0.35s后切除故障線路，其他條件不變，根據(jù)不同雙饋風電機組故障控制的特性進行實驗。故障期間雙饋風電機組以不同有功功率控制時，出現(xiàn)低頻振動模式運行，控制參數(shù)不變，將雙饋風電機組出力有功功率的變化曲線繪制成圖2所示。

圖2 雙饋風電場低頻振動下有功出力變化

根據(jù)圖2可知，當雙饋風電機組控制參數(shù)不變時，風電場輸出的有功功率增大，同步發(fā)電機功角擺幅相應增加。根據(jù)公式（3），將控制參數(shù)協(xié)調優(yōu)化為目標函數(shù)時，雙饋風電機組采用無功功率控制，其低頻振動模式發(fā)生變化，輸出的無功功率降低，發(fā)電機功角擺幅隨之減小。

2.2 結果分析

將本文提出的雙饋風電機組控制參數(shù)協(xié)調優(yōu)化方法與傳統(tǒng)方法進行對比，傳統(tǒng)方法不包含雙饋風電場的互聯(lián)電力系統(tǒng)虛擬慣量與虛擬阻尼協(xié)調控制。風電機組在不同轉速運行下，兩種方法的風電機組運行出現(xiàn)三相故障概率如表1所示。

表1 兩種方法在不同轉速下三相故障概率對比

根據(jù)表1可知，雙饋風電機組在不同轉速下運行時，本文提出的控制參數(shù)協(xié)調優(yōu)化方法能夠有效降低運行過程中出現(xiàn)三相故障的概率，出現(xiàn)故障概率較傳統(tǒng)方法存在較大差異，在轉速4情況下，兩種方法的故障概率差值最大，相差7.01%。因此，本文提出的雙饋風電機組控制參數(shù)協(xié)調優(yōu)化方法能夠降低故障概率，保障風電機組的運行安全。這是因為本文方法構建感應器數(shù)學模型，解決振蕩信號的低頻振蕩模式問題，實現(xiàn)對控制參數(shù)的協(xié)調優(yōu)化，保證系統(tǒng)的整體性能。

結束語：本文圍繞雙饋風電機組整體控制問題，針對機組構建感應器數(shù)學模型、計算VSG控制參數(shù)的取值范圍、改進雙饋風電機組振蕩頻率、將控制參數(shù)協(xié)調優(yōu)化為目標函數(shù)，實現(xiàn)提高雙饋風電機組運行的安全性，降低運行中三相故障的發(fā)生。且虛擬慣量和虛擬阻尼的引進，有利于完善系統(tǒng)動態(tài)性能，緩解同步機的調頻壓力以及起到電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的作用，通過其協(xié)調控制，增強雙饋風電機組的安全性和穩(wěn)定性。通過實驗證明，本文提出的協(xié)調優(yōu)化方法較傳統(tǒng)方法相比，對提高風電機組運行的安全性存在較大優(yōu)勢，能夠減少運行中出現(xiàn)故障，有利于雙饋風電機組的穩(wěn)定運行。