雙饋風電機組分布式協調頻率控制方法研究

席嫣娜　王印松

摘要：該文提出一種雙饋風電機組分布式協調頻率控制方法，以改善系統頻率響應特睦。根據系統供需關系選擇雙饋風電機組運行模式，由所提分布式算法實現雙饋風電機組減載水平的迭代更新，進而快速響應系統頻率變化。所提分布式控制方法可協調不同風速條件下的雙饋風電機組，并實現與火電機組間的協調控制，有效改善系統動態性能。最后，通過仿真分析對所提分布式協調頻率控制方法的有效性進行驗證。結果表明：該分布式協調頻率控制方法可快速根據系統供需情況及時調節機組輸出功率，有效改善系統頻率響應特性。

關鍵詞：雙饋風電機組;火電機組;協調控制;系統頻率

中圖分類號：TM712 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）01-0128-06

0 引言

在能源供應緊缺和環境保護雙重壓力下，隨著風電等新能源發電技術的不斷成熟，電力系統中新能源滲透率不斷提高[1]。風電機組一般處于最大功率跟蹤模式（maximum power point tracking，MPPT），自身功率調節能力有限[2]。MPPT運行模式雖保證了風電機組的最大利用效率，但也可能導致供大于求的供需失衡狀態，且在孤島電力系統中上述問題將更為突出[3-5]。同時，由于風電機組主要經由電力電子換流器接人電網，難以響應系統頻率的動態變化，因此在大規模風電并網系統中，頻率穩定性問題更為嚴重[6]。

為改善大規模風電并網條件下系統頻率的響應特性，目前已有較多學者提出不同的頻率控制方法對此開展研究[7-10]。為使雙饋風電機組（doubly fedinduction generators，DFIGs）等變速型機組響應系統頻率變化，附加虛擬慣性控制、一次調頻等方法已被廣泛應用。Morren等Ul提出模擬同步機慣性響應特性的虛擬慣性控制方法，利用風電機組的旋轉動能有效降低了系統頻率變化率。為改善雙饋風電機組控制對系統頻率的支撐作用，曹軍等[8]提出一種附加頻率控制策略，可快速響應系統頻率變化。基于分段控制思想，林俐等[9]提出一種雙饋風電機組有功一頻率控制策略，并討論了頻率控制的參數整定問題。風電機組間的協調控制多是集中式控制，需要復雜的通信網絡收集全局信息。何成明等[10]通過考慮風電場內各風電機組所處風速條件，提出了一種集中式的風電場時序協同調頻策略，但并未實現系統頻率的無差調節。因風電機組出力波動性較大，集中式控制很難快速響應系統動態變化，且運行可靠性難以保證。為此，本文針對包含多風電機組、火電機組的孤島電力系統，提出一種分布式協調控制方法，以改善系統頻率響應特性。

基于多智能體系統的分布式控制方法在較多文獻中得到了普遍應用[11-13]，本文中，風電機組作為獨立智能體，根據負荷需求與雙饋風電機組最大可輸出功率間的關系確定風電機組的運行模式。首先，本文分析了風電機組的控制系統模型，包括減載控制模型，根據風速、轉速等條件確定雙饋風電機組的減載控制方式;其次，提出了雙饋風電機組的分布式協調頻率控制方法，應用分布式算法對風電機組可利用因子進行迭代更新，并根據風電機組可利用因子、系統頻率偏差確定風電機組與火電機組間的協調控制方式。最后，通過仿真算例驗證了所提控制方法的有效性。

1 雙饋風電機組控制系統模型

1.1 雙饋風電機組模型

圖1所示為雙饋風電機組并網系統，包括異步電機、軸系動態以及控制系統模型。其中控制系統模型包括槳距角控制、轉子側換流器（rotor-sideconverter，RSC）控制系統、網側換流器（grid-sideconverter，GSC）控制系統3部分。

1.2 減載控制模型

雙饋風電機組的空氣動力學模型為

P=K_wV_w³C_p（λ，β）

K_w=1/2ρA（1）

式中：ρ——空氣密度;

A——風電機組有效的掃風面積;

V_w——風速;

C_p——風電機組功率系數;

λ——尖速比：

β——槳距角。

風電機組功率系數C_p的表達式為

若C_pmax為C_p（λ，β）最大值，則風電機組輸出的最大功率為

P_m=K_wV_w³C_pmax

風電機組一般處于MPPT運行模式，但在一些條件下需要進行減載，以維持系統功率平衡。針對處于減載狀態的雙饋風電機組，其輸出功率為

P_w=ηP_m=ηK_wV_w³C_pmax其中，η為減載狀態下風電機組的可利用因子。

目前，實現風電機組減載運行的控制方式主要有兩類：1）變槳距控制，通過增大風電機組的槳距角儲存備用功率，當系統出現功率缺額時，通過增大槳距角以提供功率支撐;2）超轉速控制，通過調整風電機組運行工作點實現減載運行，將其運行工作點調整至功率特性曲線峰值的右側。

超轉速控制和變槳距控制方式均需通過風速所處區間范圍選用相應控制方式，從而實現減載運行。文中改進減載控制方式的控制框圖如圖2所示，主要包括3部分，即風速所處區間模式判斷部分、虛擬慣性控制部分、減載控制方式選擇部分（超轉速控制、變槳距控制）。減載控制方式通過判斷輸人變量U_w、ω_r實現控制方式的選擇，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調控制主要根據頻率比例分量進行控制，為進一步改善頻率響應特性，可通過附加虛擬慣性控制模擬同步機慣性響應特性，從而有效改善系統頻率動態變化。

2 分布式協調頻率控制方法

2.1 雙饋風電機組分布式協調頻率控制

本文研究對象為孤島電力系統，如圖3所示，并網開關S處于斷開狀態。該孤島系統包括雙饋風電機組（W_i，i=1，2，…）、火電機組（G_i）及負荷（L_i）。

若忽略網損，圖3所示系統的功率平衡關系為

式中：P_li——節點i所接負荷大小;

P_wi——第i臺雙饋風電機組輸出功率;

P_sgi——第i臺火電機組輸出有功功率;

N₁、N_w、N_sg——分別為負荷、雙饋風電機組、火

電機組的數量。

對于式（4），定義負荷需求P_d為

雙饋風電機組在MPPT運行模式下最大輸出功率總和為

通過對比負荷需求P_d與P_wm間的關系，判定雙饋風電機組的運行模式。當P_d≥P_wm，則所有雙饋風電機組需運行于MPPT模式，若依然存在功率缺口，則由火電機組進行補充。當P_dwm

通過與其他頻率控制方法進行對比驗證分析，對比方法包括未采用頻率控制方法，僅依靠火電機組慣性響應;火電機組AGC調節;風電機組附加頻率控制以及本文所提分布式協調頻率控制方法。圖7為系統未采用頻率控制方式，當節點17負荷突變后系統頻率的變化特性。當火電機組未啟動調速器且雙饋風電機組未采用附加頻率控制時，僅在火電機組慣性響應特性下，系統頻率變化將越限（超出頻率安全范圍±0.2Hz），上升至50.3Hz，

圖8對比了3種頻率控制方式下系統頻率的變化特性。第1種控制方式為僅火電機組參與調頻，雙饋風電機組未附加頻率控制。在該控制方式下，由于火電機組AGC作用，使系統頻率最終恢復至穩定值，但系統頻率超調量較大，峰值達到50.05Hz。第2種控制方式為文獻[7]中提到的附加頻率控制方法，包含一次調頻和虛擬慣性控制兩部分。該控制方式相比于火電機組AGC控制，其響應速度較快，且超調量較小，但并不能實現無差調節。第3種控制方式為本文所提分布式協調頻率控制，在該控制方式下系統頻率迅速恢復至穩定值，調整時間<5s，且超調量較小，峰值低于50.03Hz。由以上分析可知，采用分布式協調頻率控制可使系統頻率快速恢復至穩定值，且相比于AGC及附加頻率控制，其超調量較小。這主要是由于火電機組AGC響應時間較長，而風電機組采用電力電子換流器控制，其控制響應速度快，因而可有效改善系統頻率響應特性。

3.2 變風速運行模式

本小節將對變風速運行模式下，分布式協調頻率控制方法的有效性做進一步驗證。2臺雙饋風電機組對應的變風速曲線如圖9所示，其中雙饋風電機組1處于高風速范圍;相比于雙饋風電機組1，雙饋風電機組2風速較低。因雙饋風電機組1的風速較高，將處于定功率運行模式，功率波動較小。仿真系統波動主要來源于雙饋風電機組1，該機組風速介于初始風速與額定風速之間。

系統負荷需求、2臺雙饋風電機組在MPPT運行模式下總輸出功率變化，以及雙饋風電機組的實際總輸出功率、可利用因子變化如圖10所示。為進一步驗證所提分布式協調頻率控制方法的有效性，在仿真時間200～300s，節點17的負荷增加50MW。

由圖10可以看出，在仿真時間0～500s之間，雙饋風電機組需減載運行以滿足系統功率平衡條件。當雙饋風電機組在MPPT運行模式下輸出功率增大時，可利用因子將減小，反之，當風電機組在MPPT運行模式下輸出功率減小時，可利用因子將增大。在0～500s的仿真時間內，雙饋風電機組的可利用因子值始終小于1，通過減小其輸出功率實現系統功率平衡。而在500～550 s內，負荷需求P_d大于P_wm，雙饋風電機組處于MPPT運行模式，此時雙饋風電機組在MPPT運行模式下的輸出功率與其實際輸出功率曲線重合。

變風速運行模式下系統頻率響應特性如圖11所示，在負荷功率突變區間外，系統頻率變化均穩定在較小范圍內，隨著風速的變化系統頻率可快速恢復至穩定值，從而進一步驗證了所提分布式協調頻率控制方法的有效性。當負荷功率突變時，如圖11中200s和300s的時刻顯示，系統頻率均出現較大變化，且收斂速度較快。在500～550s仿真時間內，因負荷需求P_d大于Pwm，雙饋風電機組處于MPPT運行模式，火電機組需通過AGC增發功率以滿足系統功率平衡條件。在此情景下，響應速度較慢的AGC使系統頻率恢復至穩定值，但頻率變化速度緩慢。因此，由圖11中500～550s仿真時間內的系統頻率變化過程，進一步驗證了雙饋風電機組與火電機組間協調控制的必要性。

4 結束語

為改善孤島電力系統頻率響應特性，本文提出了一種雙饋風電機組分布式協調頻率控制方法。根據負荷需求與雙饋風電機組最大輸出功率間的關系，確定風電機組的運行方式。當負荷需求小于雙 饋風電機組最大輸出功率時，雙饋風電機組需根據可利用因子進行減載運行，以實現系統功率的動態平衡。所提分布式協調頻率控制方法可快速根據系統供需情況及時調節機組輸出功率，有效改善系統頻率響應特性。

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