雙饋風(fēng)機(jī)慣性響應(yīng)控制系統(tǒng)研究

／華銳風(fēng)電科技（集團(tuán)）股份有限公司 汪鋒／

雙饋風(fēng)機(jī)慣性響應(yīng)控制系統(tǒng)研究

／華銳風(fēng)電科技（集團(tuán)）股份有限公司 汪鋒／

本文介紹了多種針對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的慣性響應(yīng)控制算法。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可利用其慣性調(diào)節(jié)其有功或力矩輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)于電網(wǎng)頻率的有效暫態(tài)控制，并提供短時(shí)有功功率支撐，有助于電力系統(tǒng)恢復(fù)和電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

風(fēng)機(jī)慣性響應(yīng)；頻率特性

0 引言

近年來(lái)，隨著新能源行業(yè)的高速發(fā)展，國(guó)內(nèi)的風(fēng)電裝機(jī)無(wú)論在數(shù)量和速度上都創(chuàng)造了新的世界奇跡，然而，風(fēng)力發(fā)電在向人類(lèi)貢獻(xiàn)著大量清潔能源的同時(shí)，也給電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)了一定的困難，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一方面，風(fēng)資源具有一定的波動(dòng)性和不確定性，如夏天的風(fēng)速普遍比夏天的偏小，白天的風(fēng)速普遍比晚上偏小，而正是由于這種不確定性，導(dǎo)致了在電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)過(guò)程之中，需要使用其他的電源，如火電，水電等對(duì)其進(jìn)行調(diào)峰調(diào)頻，且由于當(dāng)前風(fēng)資源的預(yù)測(cè)技術(shù)還不夠完善，導(dǎo)致這種調(diào)峰、調(diào)頻難度較大；另一方面，隨著風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行滲透率的逐步增大，利用風(fēng)電參與電網(wǎng)頻率調(diào)整，增大系統(tǒng)穩(wěn)定性已成為發(fā)展趨勢(shì)和主要研究方向。同時(shí)，由于風(fēng)機(jī)自身的特點(diǎn)，風(fēng)電場(chǎng)代替常規(guī)電源后會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)慣量減小，當(dāng)出現(xiàn)因電源發(fā)生故障脫網(wǎng)或者因負(fù)荷發(fā)生突變出現(xiàn)擾動(dòng)等情況時(shí)，電力系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)更大的頻率偏差和更快的頻率下降速度。

雙饋異步風(fēng)電機(jī)組可通過(guò)實(shí)現(xiàn)虛擬慣量控制，來(lái)提高電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。虛擬慣量響應(yīng)控制策略主要分為兩種實(shí)現(xiàn)方式：

1）由于雙饋機(jī)組實(shí)現(xiàn)了有功和無(wú)功控制的解耦，當(dāng)發(fā)生頻率擾動(dòng)時(shí)，可通過(guò)改變機(jī)組有功功率控制參考值，來(lái)實(shí)現(xiàn)有功功率的暫態(tài)調(diào)節(jié)；

2）在風(fēng)機(jī)的最優(yōu)力矩控制策略中引入頻率偏差或頻率的微分項(xiàng)，通過(guò)PID控制器環(huán)節(jié)，調(diào)節(jié)力矩參考值，從而實(shí)現(xiàn)有功功率的暫態(tài)調(diào)整。

本文將從有功控制策略和力矩控制策略?xún)蓚€(gè)方面入手展開(kāi)具體研究工作，比較不同控制策略之間的優(yōu)劣，為后續(xù)具體實(shí)施提供理論參考。需要說(shuō)明的是，在本仿真實(shí)驗(yàn)中，為了方便對(duì)比分析，設(shè)定了風(fēng)速保持不變的原則。

1 風(fēng)機(jī)的頻率響應(yīng)特性

1.1 建立風(fēng)電場(chǎng)模型

在DIgSILENT/PowerFactory軟件下搭建小型電力系統(tǒng)模型，該風(fēng)場(chǎng)含150臺(tái)1.5MW等值雙饋風(fēng)機(jī)、1臺(tái)50MW同步發(fā)電機(jī)、270MW的等效負(fù)荷，接著，設(shè)置同步發(fā)電機(jī)為SL節(jié)點(diǎn)，圖1為該仿真模型對(duì)應(yīng)的單線圖，圖2為不加負(fù)荷擾動(dòng)和任何控制策略時(shí)的風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行情況。

圖1 系統(tǒng)單線圖

從圖2中可以看出該系統(tǒng)在不加任何擾動(dòng)和控制策略時(shí)，系統(tǒng)頻率保持50Hz不變，風(fēng)機(jī)實(shí)際出力與轉(zhuǎn)速也保持不變，系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

1.2 功率波動(dòng)下的風(fēng)機(jī)頻率響應(yīng)

為研究雙饋風(fēng)機(jī)對(duì)系統(tǒng)頻率波動(dòng)的響應(yīng)情況，在上述仿真中的20s時(shí)增加20MW的負(fù)荷功率，同時(shí)，觀察當(dāng)負(fù)荷功率波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)主要參數(shù)（如有功、轉(zhuǎn)速等）的變化情況，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖2 不加任何擾動(dòng)和控制策略

圖3 增加負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)的風(fēng)機(jī)響應(yīng)特征

從圖3所顯示的仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷功率增加，頻率發(fā)生波動(dòng)時(shí)，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的有功功率基本保持不變，其轉(zhuǎn)速也維持恒定不變，這表明如果不添加任何頻率輔助控制措施時(shí)，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)無(wú)法對(duì)系統(tǒng)頻率波動(dòng)做出任何響應(yīng)。

2 雙饋機(jī)組慣性響應(yīng)控制策略研究

2.1 慣性控制原理

常規(guī)同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與頻率存在耦合關(guān)系，當(dāng)電網(wǎng)頻率波動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速會(huì)隨頻率自動(dòng)改變，進(jìn)而轉(zhuǎn)子動(dòng)能改變，通過(guò)吸收或釋放轉(zhuǎn)子動(dòng)能阻止系統(tǒng)頻率的快速變化。而雙饋風(fēng)電機(jī)組采用電力電子變換器能夠靈活的調(diào)節(jié)有功、無(wú)功，為了實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，追蹤最大功率點(diǎn)運(yùn)行，使風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)頻率之間不存在耦合關(guān)系，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組無(wú)法響應(yīng)頻率的變化，失去了常規(guī)發(fā)電機(jī)組所具備的慣性響應(yīng)能力。

雖然雙饋發(fā)電機(jī)頻率與轉(zhuǎn)速之間不存在耦合關(guān)系，但雙饋風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)相比常規(guī)同步發(fā)電機(jī)而言，釋放動(dòng)能的潛力巨大，對(duì)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響一樣存在。因此，在研究頻率響應(yīng)時(shí)采用了慣量控制。

慣量控制原理主要是指為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)頻率變化的同步，在風(fēng)機(jī)原有的控制策略基礎(chǔ)上，通過(guò)引入頻率變化率df／dt，相當(dāng)于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化率dw／dt（因 f =ω／2π），進(jìn)而獲得慣性響應(yīng)對(duì)應(yīng)的力矩補(bǔ)償控制值Tsc（Tsc=2Hdf／dt）或有功補(bǔ)償控制值 Psc= kpdf／dt，將其附加在風(fēng)電機(jī)組的力矩控制目標(biāo)值或有功控制目標(biāo)上，能夠有效利用轉(zhuǎn)子動(dòng)能實(shí)現(xiàn)慣量響應(yīng)。引入△f，也可以實(shí)現(xiàn)模擬慣量響應(yīng) Tsc= 2Hd 或 Psc= kpdf／dt = kp（f - fref）。

圖4為風(fēng)機(jī)整體控制框圖。

圖4 風(fēng)機(jī)整體控制框圖

2.2 有功功率補(bǔ)償控制

在本章節(jié)中，主要是通過(guò)仿真，采用補(bǔ)充有功功率補(bǔ)償控制實(shí)現(xiàn)慣量響應(yīng)時(shí)，觀察風(fēng)機(jī)的響應(yīng)特征和系統(tǒng)頻率變化，在圖4紅色框中，對(duì)于風(fēng)機(jī)有功-頻特性所對(duì)應(yīng)的基本模型中增加補(bǔ)充控制，圖5為其控制框圖。

分別開(kāi)展詳細(xì)的對(duì)比工作，下面分別對(duì)不加任何控制、只引入△f，只引入df／dt、引入△f和df／dt的情況進(jìn)行了仿真。

圖6為引入△f控制回路和不加任何控制仿真結(jié)果。

從圖6的仿真結(jié)果可以看出，擾動(dòng)最初的幾秒內(nèi)，系統(tǒng)頻率變化較小，頻率跌落最低點(diǎn)被抬高。這說(shuō)明有慣性控制環(huán)節(jié)的DFIG機(jī)組對(duì)系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)有一定的支撐作用，但是對(duì)系統(tǒng)頻率最終穩(wěn)態(tài)值并沒(méi)有改變（虛擬慣量控制是通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速釋放轉(zhuǎn)子部分動(dòng)能增大風(fēng)機(jī)輸出功率，并不能調(diào)整輸入的能量值，因此只能提供短暫的有功支撐，不能改變最終的穩(wěn)態(tài)值。）。

圖5 有功補(bǔ)充控制框圖

圖6 對(duì)比引入△f控制回路和不加任何控制

圖7 對(duì)比引入df／dt控制回路和不加任何控制

圖8 幾種控制方式的對(duì)比結(jié)果

圖7為引入df／dt回路和不加任何控制的仿真結(jié)果。

從圖7可以看出，引入含df／dt回路的慣性控制后，頻率跌落點(diǎn)相比不加控制時(shí)被抬高，但對(duì)系統(tǒng)頻率的最終穩(wěn)定值也沒(méi)有影響。

圖8為不加控制、只含df／dt控制回路、只含△f控制回路、含df／dt和△f控制回路的對(duì)比仿真結(jié)果。

從圖8中可以看出，含△f和df／dt控制回路的慣性控制相比單一控制回路而言，會(huì)進(jìn)一步提高頻率跌落點(diǎn)，頻率變化率最小。

綜上，增加慣性響應(yīng)控制環(huán)節(jié)后，等效增大了系統(tǒng)慣量，使DFIG機(jī)組能夠向常規(guī)同步發(fā)電機(jī)一樣對(duì)系統(tǒng)頻率具有慣性響應(yīng)能力，雖然這種具有慣性控制環(huán)節(jié)的DFIG機(jī)組對(duì)系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)具有一定的支撐作用，能夠減小系統(tǒng)頻率變化率，抬高頻率跌落點(diǎn)，但是不能改善頻率最終穩(wěn)態(tài)偏差，如果要改善系統(tǒng)的最終穩(wěn)態(tài)誤差，需要從風(fēng)電場(chǎng)有功容量旋轉(zhuǎn)備用上入手，采用有功功率備用或風(fēng)機(jī)變槳角度備用等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，本文將不作深入研究。

2.3 力矩補(bǔ)償控制

因 P=ωT，可以通過(guò)增加力矩T的方式增大功率，進(jìn)而影響系統(tǒng)頻率的大小。即在圖4中藍(lán)色框所對(duì)應(yīng)的一般模型補(bǔ)充力矩。圖9為力矩補(bǔ)充控制框圖。

圖9 力矩補(bǔ)充控制

分別對(duì)比了不加任何控制、只引入△f，只引入df／dt、引入△f和df／dt時(shí)的仿真結(jié)果。

圖10為引入控制回路和不加任何控制仿真結(jié)果。

圖10 只含△f回路的慣性控制和不加控制對(duì)比結(jié)果

從圖10的仿真結(jié)果可以看出，擾動(dòng)最初的幾秒內(nèi)，系統(tǒng)頻率變化較小，頻率跌落最低點(diǎn)被抬高。這說(shuō)明有慣性控制環(huán)節(jié)的DFIG機(jī)組對(duì)系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)有一定的支撐作用，但是對(duì)系統(tǒng)頻率最終穩(wěn)態(tài)值并沒(méi)有改變。

圖11為引入df／dt回路和不加任何控制的仿真結(jié)果。

圖11 只含df／dt回路的慣性控制和不加控制對(duì)比結(jié)果

從圖11可以看出，引入含df／dt回路的慣性控制后，頻率跌落點(diǎn)相比不加控制時(shí)被抬高，但對(duì)系統(tǒng)頻率的最終穩(wěn)定值也沒(méi)有影響。

圖12為不加控制、只含df／dt控制回路、只含△f控制回路、含df／dt和△f控制回路的對(duì)比仿真結(jié)果。

圖12 幾種控制方式的對(duì)比結(jié)果

圖10、圖11、圖12的分析結(jié)果同有功補(bǔ)充控制的分析結(jié)果，唯一不同之處在于有功補(bǔ)充控制的控制目標(biāo)是功率P，力矩補(bǔ)充控制的控制目標(biāo)是T。從圖12最終對(duì)比結(jié)果可以看出同時(shí)含△f和df／dt回路的慣性控制對(duì)頻率最低跌落點(diǎn)的提升能力最強(qiáng)。

3 慣性控制策略比較分析

針對(duì)上述所提到的有功功率控制和力矩控制策略，為了直觀清晰地看出不同算法之間的控制效果，開(kāi)展了對(duì)比分析工作，圖13不加控制、只含df／dt控制回路、只含△f控制回路、含df／dt和△f控制回路的對(duì)比仿真結(jié)果，其中包括風(fēng)機(jī)有功功率、系統(tǒng)頻率、力矩的變化情況。

從圖13可以看出df／dt和△f兩種控制方式結(jié)合相比只含△f或只含df／dt回路的控制效果都要好，兩種控制方式相結(jié)合能夠更快、更多地增大有功和力矩，更準(zhǔn)確地響應(yīng)負(fù)荷擾動(dòng)。仿真結(jié)果顯示在負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)，有功功率和力矩瞬間被提升到最大值，頻率跌落點(diǎn)明顯升高。

從風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)角度來(lái)看，使用基于力矩控制的慣性控制策略難度較小，在原有的基于轉(zhuǎn)速的最優(yōu)力矩控制的基礎(chǔ)之上增加慣性力矩部分，從而將最終的力矩給定值交給變頻器執(zhí)行，控制效果高，穩(wěn)定好。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著國(guó)家新能源戰(zhàn)略的進(jìn)一步推進(jìn)和實(shí)施，風(fēng)電的裝機(jī)將進(jìn)一步增加，風(fēng)電的滲漏率還將進(jìn)一步提升，因此，開(kāi)展風(fēng)力發(fā)電機(jī)組參與暫態(tài)調(diào)頻的研究具有重要的價(jià)值和意義，由于現(xiàn)有的大部分風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不具備頻率響應(yīng)能力，因此通過(guò)修改風(fēng)機(jī)的控制策略，增加風(fēng)機(jī)的針對(duì)電網(wǎng)頻率的響應(yīng)能力，可以有效地抑制電網(wǎng)的頻率波動(dòng)，維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定和電網(wǎng)安全。