一種風機頻率穩定控制器的設計及仿真實驗

張建良， 齊冬蓮， 吳 越

(浙江大學 電氣工程學院，杭州 310027)

一種風機頻率穩定控制器的設計及仿真實驗

張建良， 齊冬蓮， 吳 越

(浙江大學 電氣工程學院，杭州 310027)

提出了基于最大功率跟蹤控制和微分控制的頻率穩定控制器，建立了電網系統頻率和風機有功調節能力之間的聯系，并針對所設計的控制器在系統頻率穩定方面的影響進行了分析。利用電力系統仿真軟件DIgSILENT/PowerFactory搭建了系統仿真實驗平臺，驗證了在系統受擾情況下，所提出的頻率穩定控制器可以有效提高系統的頻率響應性能。

雙饋感應風機； 微分控制器； 最大功率跟蹤控制； 頻率支撐

0 引 言

近年來，風力發電技術在世界范圍內得到了迅猛發展。雙饋感應風機通過利用電力電子變流器實現最大功率跟蹤(MPPT)控制，從而實現風能的最大化利用。然而在這樣的傳統控制方式下，風機的機械轉速與電網頻率之間完全解耦，風機無法靈活調節自身功率以響應系統頻率的變化，從而導致風機不具備與傳統同步發電機類似的慣性響應能力[1-5]。

隨著風電滲透率的不斷提高，風能的波動性和不確定性加劇了系統的功率擾動，而在最大功率跟蹤控制下，風機卻無法利用自身的轉子動能為系統提供慣量支撐能力，從而加劇了頻率的波動性，對電網的安全穩定運行造成了嚴重的影響。因此，如何通過在風機和電網之間構造合適的頻率控制器，以有效利用風機自身的旋轉慣量參與系統功率的調節控制，研究和實現風機在系統頻率穩定方面的積極作用已成為學術和工業界亟待解決的問題[6-9]。

在文獻[10]中，通過附加頻率控制環節實現轉子側換流器的功率控制，使得風機通過提供一定的慣量支撐以實現頻率響應能力。文獻 [11]中分別利用電網頻率的微分和偏差信號構建風機的有功功率控制，以提供虛擬慣量支撐。文獻[12]中通過綜合虛擬慣量控制與槳距角備用功率控制，配合傳統機組實現對微電網內頻率跌落的抑制作用。文獻[13]中基于風機的數學模型和虛擬慣量控制，搭建模擬風電并網實驗系統并進行測試，取得了良好的效果。文獻[14-15]中研究了不同風速條件下雙饋感應風機的頻率支撐水平，并設計相應的頻率控制策略實現系統頻率調節目標。然而，現有利用風力機實現系統輔助調頻的方法，普遍缺乏對風機系統慣量支撐能力的定量和定性分析，以及對系統頻率穩定影響因素的討論。

本文主要針對雙饋感應風機的調頻能力展開研究，首先提出了基于最大功率跟蹤控制和微分控制器的頻率穩定控制器，建立了系統頻率和有功調節之間的聯系，并對風機的慣量支撐能力進行定性和定量描述。然后深入分析了所設計的控制器對系統慣量支撐能力的影響。最后利用電力系統仿真軟件DIgSILENT/PowerFactory環境搭建了系統仿真實驗平臺，并對受擾條件下所設計控制器實現系統頻率穩定方面的有效性進行了驗證。

1 雙饋感應風機頻率穩定控制器

1.1雙饋感應風機模型

雙饋感應風機的組成包括風力機、傳動機構、雙饋異步發電機(DFIG)、背靠背變流器(RSC和GSC)以及MPPT控制系統等部分，其基本結構如圖1所示。

圖1 雙饋感應風機的基本結構

風力機通過利用巨大的葉片將空氣動能轉化為機械能，實現對發電機的驅動并發出有功功率。本文采用如下的靜態模型刻畫風機捕獲的機械功率

式中：ρ是空氣密度；R是風機葉片半徑；vw是實時風速值；Cp是風能利用系數；λ是葉尖速比；ωD是風機的轉子轉速；θ是槳距角。通常情況下，如果Pwind低于額定功率值，槳距角一般保持在0°，這樣，風能利用系數Cp是葉尖速比λ的函數。在槳距角一定的情況下，可以通過調節轉子轉速到達最優轉速值，以獲得風能利用系數的最大值，實現風能的最大捕獲，如圖2中的A所示。任何偏離最優轉速值將導致捕獲風能機械功率的下降，如圖2的B和C點所示。

圖2 風機運行曲線圖

1.2雙饋感應風機頻率穩定控制器結構

雙饋感應風機根據風速的不同，采取不同的控制方式，以實現最大風能捕獲能力和系統穩定運行的目標。具體的，當風速低于額定風速時，機組采取最大功率跟蹤控制算法以獲得最大有功出力；而當風速高于額定風速時，機組將啟動槳距角控制以保護風機安全運行，并限制有功出力水平在額定功率值。雙饋感應風機的傳統功率控制策略如圖3所示。

圖3 雙饋感應風機的傳統功率控制

電力系統調頻主要依靠具有特殊功能的調頻發電裝置，而變速風機最大的優勢在于變換轉速，因此可通過轉子旋轉動能的吸收或釋放以提供虛擬慣量支撐，實現對系統暫時的頻率支撐能力，從而避免傳統頻率無差調節過程中風能的大量浪費。接下來將研究利用系統頻率偏差信號，實現雙饋感應發電機的慣量支撐能力。風機的轉子運動方程表示如下:

(3)

式中：ωD為轉子轉速;HD是風機慣性時間常數；Pwind、Pref分別為風力機捕獲的風能和由MPPT控制所得的風機有功功率參考值。

為響應交流電網頻率變化以提供相應的頻率調節能力，風電場必須實現有功功率的靈活調節。通過利用電網頻率偏差信號實施輔助功率控制Pad，則風機的功率控制律變為：

PWF=Pad+Pref

(4)

(5)

式中：KD為微分控制器的比例參數；Δf是系統頻率偏差信號；PWF為傳遞到交流系統的有功功率值；Pad為反映由頻率偏差產生的功率調節值。一般來說，有很多種控制方法可以實現此處的功率調節值Pad，本文基于實現的方便性、穩定性和成本問題，采取微分控制器(D控制器)實現風機對系統頻率波動的跟蹤控制Pad。本文提出的頻率穩定控制器如圖4所示，其中LPF是低通濾波器，用作對微分環節下高頻噪聲的濾除。

圖4 頻率穩定控制器

1.3風機頻率穩定能力的定性分析

通過1.2節內容可知，在頻率穩定控制器作用下，可以將等式(3)中風機有功輸出值Pref用PWF代替：

(6)

通過模擬同步發電機的有效慣量，可得：

(7)

式中,HW為風電場提供的虛擬有效慣量,為簡便起見,下文中一律用f代替fWF表示系統頻率信號。假定風速恒定并且槳距角并不啟動，那么轉子轉速變化動態過程中，Pwind的變化很小基本可以忽略，從而轉子動能可全部用于系統的慣性支撐，可得

(8)

將上式兩邊積分，并在轉子起始轉速ωD0處利用Taylor展開,有：

(9)

從式(9)可知，風場慣量支撐能力大小與轉子轉速有關：轉子轉速偏差越大，風場所提供的慣量越大，對系統頻率的支撐能力也越強。同時可知風機的起始轉速對慣量支撐能力也有很大的影響：起始轉速越大，風場所提供的慣量也越大，對系統頻率的支撐能力也越強。

1.4風機頻率穩定能力的定量分析

綜合表達式(3)～(5)可得：

(10)

式中,PWF0為風電場起始有功功率。將式(10)的兩端積分后可得：

(11)

從而可得風場所能提供的有效虛擬慣量HW的表達式為：

(12)

式中，最大功率跟蹤(MPPT)控制對HW的影響由下式表示:

(13)

而微分控制器對HW的影響由下式表示:

(14)

2 最大功率跟蹤控制器對頻率穩定能力的影響分析

如圖2所示，根據MPPT控制算法，在不同風速下風機有功參考值Pref是不同的。連接不同風速值下的最大功率點，便得到如圖5所示的風機最大功率捕獲曲線，可以看到不同風速條件對風機慣量水平HW的影響是不同的，從而對系統頻率的支撐能力也是不同的。現將具體分析不同風速下的最大功率跟蹤控制對頻率穩定能力的影響。

(1) 中等風速下MPPT控制對頻率支撐的影響(圖5中B—D段)。為了響應交流系統頻率下降事件，風機將通過微分控制器來增大PWF，其后果將導致風機轉速ωD下降，從而引起Pref的下降，故F1中的分子為正值，因此F1的表達式為負。從而可知在中等風速區域，MPPT控制將對頻率穩定支撐具有不利的影響。

(2) 在低風速下MPPT控制對頻率支撐的影響(圖5中A—B段)。在低風速條件下，MPPT曲線斜率比較陡峭，因此轉子轉速的微小變化將造成有功參考值Pref的大范圍變化。考慮到MPPT控制對系統頻率支撐能力的不利影響較大，導致不能抵消由微分控制器的引入所造成的Pad的增加，因此在此區域內微分控制器的影響可忽略。由于低風速下轉速變化很小，HW約等于0，即風機在低風速下基本不提供系統頻率的支撐。

(3) 在高風速下MPPT控制對頻率支撐的影響(圖5中D—E段)。在高風速條件下，風機的有功出力Pref保持恒定額定功率處，因此當電網頻率跌落事故發生時，由于風機出力不能高于額定值，微分控制器并不起作用，故風場不能提供任何頻率支撐能力；當電網頻率出現上升事件時，將啟動槳矩角控制以阻止轉速持續上升，因此,MPPT控制對系統頻率支撐沒有不利影響，而風場提供的慣量僅僅來自于微分控制器。

圖5 風機最大功率跟蹤曲線

3 微分控制器對系統頻率支撐能力的影響分析

根據等式(5)和(14)可知，微分控制器通過改變Pad而使得F2具有特定的表達形式，從而最終實現對頻率支撐能力產生影響。因此,利用微分控制器可以追蹤系統頻率的波動，并實現對風機有功功率的調節，在微分控制器作用下的虛擬慣量部分為

F2=

(15)

同樣地，只有在KD為負值時，F2才為正值。同時可知,F2為恒定值并且不受系統頻率變化的影響，因此微分控制器作用下的HW為：

(16)

4 仿真實驗平臺構建及結果分析

為了驗證所設計的控制器對系統頻率的支撐作用，在電力系統專業仿真環境DIgSILENT/PowerFactory中，搭建如圖6所示的系統頻率穩定測試平臺。具體的，該測試平臺包括一個300 MW的風場和一個弱交流系統。風場由150臺容量為2 WM的雙饋感應發電機組成，弱交流系統含有一臺同步電機，以及一個固定負載PL1+jQL1和可變負載PL2+jQL2，同步電機與風電場共同向弱交流系統輸送電能。同步電機及系統相關參數如下：風場額定容量SWF=300 MW，微分控制器參數KD=-5，固定負載PL1+jQL1=400 MW+100 Mvar，可變變載PL2+jQL2=40 MW+10 Mvar，發電機額定容量Sg=300 MVA，發電機機端電壓Ug=13.8 kV，發電機慣性時間常數Hg=4 s，原動機調差系數RP=0.04，原動機時間常數TW=8.405 s，伺服電機時間常數0.5，勵磁調節器增益400，勵磁時間常數0.01。

圖6 系統仿真測試平臺結構圖

在頻率控制器作用下的風場慣量響應特性曲線如圖7所示。在t=5 s，如圖7中的A點所示，可變負載PL2+jQL2投入系統，系統頻率隨之下降。為了應對頻率下降的影響，則需要啟動微分控制器。由圖7(d)所示，Pad一直增大直至到B點處達到最大值。點A，B和D所圍成的面積表示由控制器所激發的附加能量，如圖7(d)中的S1+S2面積所示。可以看到，在系統的功率平衡點C處，有PWF=Pref,并且超前于頻率最低點D。為了便于分析，以C點為分界線，將系統的慣量支撐作用HW分割成兩個時間段：tA到tC段和tC到tD段。在tA到tC階段，風機轉速保持不斷下降的趨勢，而系統慣量HW一直保持為正值。正如圖7所示，由A、B和C點包圍的面積S1位于故障前功率值以上，可知在此時段內風機向系統提供正慣量支撐作用。然而在tC到tD階段，由于轉速在C點后逐漸上升，系統慣量HW為負值，表示為系統提供負的慣量。正如圖7(b)所示，由C、D和E包圍的面積S3表明在此區間內風機向系統提供負的慣量作用。通過對比分析圖7(e)中電網頻率特性曲線可知：①在頻率下降的初始階段，在微分控制器作用下頻率的下降速度要慢，并且下降幅度也小；②在頻率的后期恢復階段，由于微分控制器的作用，風機轉速變化范圍較小，導致系統頻率最低點較高，顯示本文的頻率控制器有助于增強系統的頻率支撐能力。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

圖7 頻率穩定控制器作用下系統頻率響應特性

5 結 語

針對雙饋感應風機在采用傳統時對電網系統頻率支撐的不足，本文提出了一種基于MPPT控制和微分控制的系統頻率穩定控制器，并分析了其對系統頻率穩定的影響。通過在DIgSILENT/PowerFactory中搭建系統仿真實驗平臺并進行仿真實驗，驗證了所提出的頻率穩定控制器能夠消除傳統MPPT單一控制對系統頻率支撐的不利影響。隨著風力發電滲透率的不斷提升，通過在雙饋感應風機中加裝頻率控制環節，將對未來電力系統的頻率穩定以及系統可靠運行具有重要的意義。

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DesignandSimulationofFrequencyControllerforDoublyFedInductionGenerator

ZHANGJianliang,QIDonglian,WUYue

(College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

In this paper, the problem of frequency support capability for doubly fed induction generators (DFIGs) in the future grid with high penetration of wind power is discussed, and a frequency stability controller based on maximum power tracking control and differential control is proposed. The relationship between grid frequency and frequency support capability of DFIGs is built, then the influence of the designed controllers on system frequency stability is analyzed. And the power system simulation software DIgSILENT/PowerFactory is used to set up the system simulation experiment platform, the result proves that the proposed frequency stability controller can effectively improve the frequency performance of the whole system.

doubly fed induction generator; differential controller; maximal power point tracking control; frequency support

TM 614

A

1006-7167(2017)09-0087-05

2016-11-21

國家自然科學基金項目(U1509218)；浙江省自然科學基金項目(LY15E070001)；浙江省教育廳科研項目(Y201533326)；浙江省實驗室工作研究項目(YB201732)；浙江大學本科實驗教學自制儀器設備項目；德州儀器(TI)產學合作協同育人項目，美國國家儀器(NI)產學合作協同育人項目。

張建良(1984-)，男，河南新野人，博士，講師，研究方向為信號分析與處理、新能源發電系統的優化控制。Tel.：13758247189；E-mail：jlzhang@zju.edu.cn