雙饋風(fēng)電機(jī)組控制參數(shù)協(xié)調(diào)優(yōu)化方法

楊玉明

摘要：雙饋風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行控制較復(fù)雜，涉網(wǎng)性能是否良好取決于變流器的調(diào)節(jié)性能。風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，機(jī)側(cè)電壓易發(fā)生跳變，容易引發(fā)短路故障，對(duì)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行和故障診斷造成一定程度的負(fù)面影響;根據(jù)雙饋風(fēng)電機(jī)組解耦性特點(diǎn)，運(yùn)行速率快，電氣部分的耦合性變?nèi)?，?dǎo)致雙饋風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行頻率與功能特性受到影響而發(fā)生變化。相關(guān)研究學(xué)者開展了研究工作，例如，通過靈敏度方法分析雙饋風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性，分析雙饋風(fēng)電機(jī)組動(dòng)態(tài)特性與短路比的關(guān)系，以提高其運(yùn)行功率;但是，目前對(duì)于控制參數(shù)協(xié)調(diào)優(yōu)化方面的研究成果較少。為了使風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定并網(wǎng)發(fā)電，提出了雙饋風(fēng)電機(jī)組控制參數(shù)協(xié)調(diào)優(yōu)化方法，構(gòu)建雙饋感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型，對(duì)機(jī)組的控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，促進(jìn)風(fēng)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。最后通過仿真模型，驗(yàn)證所提控制參數(shù)協(xié)調(diào)優(yōu)化方法的有效性。

關(guān)鍵詞：雙饋風(fēng)電機(jī)組;控制參數(shù);優(yōu)化方法

引言

近十幾年來風(fēng)電發(fā)展迅速，電網(wǎng)中風(fēng)電接入容量不斷增大。大規(guī)模雙饋風(fēng)電機(jī)（doubly fed induction generator，DFIG）的接入對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)慣量沒有貢獻(xiàn)。因此，需要考慮DFIG如何快速響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化，并根據(jù)DFIG的運(yùn)行特性對(duì)其控制策略進(jìn)行研究;通過附加各種調(diào)頻控制策略，從而使風(fēng)電機(jī)組可以參與系統(tǒng)的頻率調(diào)整，提升大規(guī)模DFIG并網(wǎng)后系統(tǒng)的穩(wěn)定性。風(fēng)電機(jī)組在參與系統(tǒng)頻率調(diào)整后，會(huì)出現(xiàn)大小不同的功率坑現(xiàn)象。以中低風(fēng)速低頻為例，功率坑現(xiàn)象尤為明顯。如果功率坑現(xiàn)象不能解決，其伴隨的后果十分嚴(yán)重：輕則造成頻率的再次失穩(wěn)，重則造成風(fēng)電大面積脫網(wǎng)以及電網(wǎng)崩潰。

1雙饋風(fēng)電機(jī)組涉網(wǎng)控制參數(shù)協(xié)調(diào)優(yōu)化方法設(shè)計(jì)

1.1構(gòu)建雙饋感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

雙饋風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)由雙饋發(fā)電機(jī)、變流器等構(gòu)成。雙饋發(fā)電機(jī)繞組具有對(duì)稱性，其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率、電機(jī)的電荷極對(duì)數(shù)的關(guān)系表達(dá)式為：其中，f1指的是電網(wǎng)運(yùn)行頻率;p指的是電機(jī)的電荷極對(duì)數(shù);n1指的是變流器轉(zhuǎn)子運(yùn)行轉(zhuǎn)速，風(fēng)電機(jī)組中轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的磁場根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化而改變。根據(jù)上述關(guān)系表達(dá)式，本文構(gòu)建雙饋發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。首先，作如下假定：（1）只考慮定轉(zhuǎn)子的基波分量，忽略諧波分量;（2）只考慮定轉(zhuǎn)子空間磁勢基波分量;（3）忽略磁滯、渦流、鐵耗;其次、發(fā)電機(jī)定子側(cè)電壓電流的正方向按發(fā)電機(jī)慣例，轉(zhuǎn)子側(cè)電壓電流的正方向按電動(dòng)機(jī)慣例，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)向相反為正，參考異步電機(jī)的分析方案，可得雙饋發(fā)電機(jī)的等效電路圖，如圖1所示。通過控制轉(zhuǎn)子電流I2無功分量來控制定子電流I1無功分量，實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)的無功功率。通過控制轉(zhuǎn)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(jī)有功功率。當(dāng)雙饋風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)差率可知機(jī)組的轉(zhuǎn)差功率，由此可知雙饋發(fā)電機(jī)運(yùn)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(yùn)行模式，獲取到雙饋風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。

1.2改進(jìn)雙饋風(fēng)電機(jī)組振蕩頻率

為獲取雙饋風(fēng)電機(jī)組振蕩模式的特征，將獲取到的幅值、頻率、數(shù)據(jù)進(jìn)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(fēng)電機(jī)組振蕩波形的振幅，提高轉(zhuǎn)子對(duì)低頻振蕩模式的識(shí)別。雙饋風(fēng)電機(jī)組的振蕩模式包括轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、頻率、振幅對(duì)運(yùn)行特性的影響，低頻振蕩模式越明顯，對(duì)控制參數(shù)的影響越大。

1.3基于改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法風(fēng)功率預(yù)測模型

傳統(tǒng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)電預(yù)測模型容易陷入局部極值的風(fēng)險(xiǎn)且收斂速度較慢。而粒子群算法具有規(guī)則簡單、收斂速度快等優(yōu)點(diǎn)。通過動(dòng)態(tài)調(diào)整改變其慣性權(quán)重來強(qiáng)化粒子群算法全局尋優(yōu)的能力，優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始權(quán)值和閾值，降低BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)陷入局部收斂的風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)粒子群算法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的優(yōu)勢互補(bǔ)，通過對(duì)風(fēng)電場歷史數(shù)據(jù)集進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，計(jì)算模型預(yù)測相對(duì)誤差，得到風(fēng)電預(yù)測出力曲線。（1）對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法初始化數(shù)據(jù)，確定其輸入層、輸出層、隱含層，獲取要優(yōu)化的參數(shù)個(gè)數(shù)。（2）對(duì)粒子群算法初始化數(shù)據(jù)，確定粒子初始速度、初始位置、種群規(guī)模、最大迭代次數(shù)。

1.4基于VSG控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)分析

雙饋風(fēng)電機(jī)組定子電壓的幅值和頻率受輸出功率影響，在并網(wǎng)過程中，定子電壓幅值和頻率與電網(wǎng)電壓的實(shí)際值會(huì)產(chǎn)生一定的偏差。以A相電壓為例，設(shè)定子電壓usa和電網(wǎng)電壓uga為：

式中：θs和θg分別為定子和電網(wǎng)電壓的相位角;Us為定子電壓幅值。假設(shè)定子電壓幅值Us和電網(wǎng)電壓幅值Ug近似相等，即Us≈Ug=U，則并網(wǎng)瞬間兩電壓差值。

由式可知，當(dāng)定子電壓和電網(wǎng)電壓的頻率和相位有偏差時(shí)，公共連接點(diǎn)（pointof common coupling，PCC）處電壓瞬時(shí)偏差的最大峰值為2U。可見，雙饋風(fēng)電機(jī)組如果在并網(wǎng)前不采取預(yù)同步措施，可能會(huì)導(dǎo)致電壓畸變，產(chǎn)生過大的瞬時(shí)沖擊電流，惡化并網(wǎng)電能質(zhì)量，損壞雙饋風(fēng)電機(jī)組變流器等后果。

1.5控制參數(shù)協(xié)調(diào)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

根據(jù)上述計(jì)算獲取到的VSG控制參數(shù)的取值范圍，將雙饋風(fēng)電機(jī)組的控制參數(shù)協(xié)調(diào)優(yōu)化為目標(biāo)函數(shù)。風(fēng)電機(jī)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(fēng)電機(jī)組提供更好的幫助去實(shí)現(xiàn)功再平衡。通過增大風(fēng)電機(jī)組的虛擬慣量和虛擬阻尼控制參數(shù)的變化，最終實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)協(xié)調(diào)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的目的。VSG虛擬慣量

和虛擬阻尼參數(shù)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)為：

式中，Δfmax表示風(fēng)電機(jī)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(biāo)函數(shù);ad表示阻尼權(quán)重常量;aj表示變流器慣量控制常量，主要用于調(diào)節(jié)控制振蕩振幅;i表示風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行方式數(shù)量。正常運(yùn)行時(shí)雙饋風(fēng)電機(jī)組不提供任何動(dòng)能，如果雙饋風(fēng)電機(jī)組的有效動(dòng)能下降，將使得雙饋風(fēng)電機(jī)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(fēng)電機(jī)組接入電力系統(tǒng)將影響頻率穩(wěn)定性。通過改變風(fēng)電機(jī)組的虛擬慣量和虛擬阻尼參數(shù)，將控制參數(shù)協(xié)調(diào)優(yōu)化為目標(biāo)函數(shù)，達(dá)到提高雙饋風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定性的目的。

2雙饋風(fēng)電機(jī)組同步轉(zhuǎn)速工況分析

雙饋機(jī)組發(fā)電機(jī)定子繞組接工頻電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組接交-直-交雙向變流器，該變流器可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子繞組的頻率、相位、幅值和相序等調(diào)節(jié)控制。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速n發(fā)生變化時(shí)，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)差率s可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的頻率f2，f2=±sf1，可使發(fā)電機(jī)定子輸出頻率f1保持恒定不變，即與電網(wǎng)頻率保持一致，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變速恒頻控制。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要有三種工作狀態(tài)：同步狀態(tài)，亞同步狀態(tài)，超同步狀態(tài)。實(shí)際運(yùn)行中一般運(yùn)行于亞同步或者超同步狀態(tài)。圖1為變流器機(jī)側(cè)拓?fù)鋱D，其中UDC為直流電壓，UOUT為輸出電壓，T1、T2為IGBT芯片，D1、D2為續(xù)流二極管。在亞同步轉(zhuǎn)速及超同步轉(zhuǎn)速時(shí)，輸出電流IOUT為正弦波，電流方向?yàn)檎龝r(shí)（假設(shè)電流從直流往交流側(cè)方向?yàn)檎?，電流交替流過T1及D2，電流為負(fù)時(shí)，電流交替流過D1及T2。當(dāng)在同步轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，發(fā)電機(jī)定子電壓頻率f1=50HZ，滿足并網(wǎng)的要求，此時(shí)變流器只要給雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)提供直流勵(lì)磁電流即可。變流器網(wǎng)側(cè)模塊工作于整流狀態(tài)，變流器機(jī)側(cè)模塊工作于降壓式變換電路（BUCK電路）模式，輸出電流一直為正或者負(fù)，這個(gè)時(shí)候變流器機(jī)側(cè)模塊的IGBT只有一組工作，另一組芯片閑置。

3實(shí)驗(yàn)分析

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

根據(jù)表1可知，雙饋風(fēng)電機(jī)組在不同轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，本文提出的控制參數(shù)協(xié)調(diào)優(yōu)化方法能夠有效降低運(yùn)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(zhuǎn)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(fēng)電機(jī)組控制參數(shù)協(xié)調(diào)優(yōu)化方法能夠降低故障概率，保障風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行安全。這是因?yàn)楸疚姆椒?gòu)建感應(yīng)器數(shù)學(xué)模型，解決振蕩信號(hào)的低頻振蕩模式問題，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制參數(shù)的協(xié)調(diào)優(yōu)化，保證系統(tǒng)的整體性能。

4雙饋風(fēng)電機(jī)組參與次同步振蕩抑制技術(shù)

4.1虛擬阻尼次同步振蕩抑制策略

雙饋風(fēng)電次同步振蕩的抑制可分為機(jī)組級(jí)的抑制方法和電網(wǎng)級(jí)的抑制方法，這里主要研究機(jī)組級(jí)的抑制方法。類似于常規(guī)發(fā)電機(jī)的低頻振蕩，其抑制方法是每臺(tái)機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)增加電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，每臺(tái)機(jī)組各自增加在振蕩頻帶的阻尼，以增強(qiáng)整個(gè)電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。同時(shí)又類比于LCL諧振的虛擬電阻方法，這里在風(fēng)電機(jī)側(cè)控制中通過引入次同步頻帶的虛擬電阻，物理上可理解為在電機(jī)的轉(zhuǎn)子回路串聯(lián)虛擬電阻，起到增大次同步振蕩阻尼、抑制振蕩的作用。

4.2風(fēng)電機(jī)組附加調(diào)頻控制數(shù)學(xué)模型

由于雙饋風(fēng)扇通過電子設(shè)備與電網(wǎng)并行運(yùn)行，其功率跟蹤運(yùn)行模式使轉(zhuǎn)子動(dòng)能脫離電網(wǎng)變頻，因此不能提供慣性支架和頻率調(diào)節(jié)響應(yīng)來干擾它們這種分離還減少了電力系統(tǒng)的同步旋轉(zhuǎn)慣性及其在頻率干擾時(shí)承受慣性的能力，使人們?cè)絹碓疥P(guān)注風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的頻率調(diào)制控制研究。變頻調(diào)速微分區(qū)的慣性支架和雙饋風(fēng)機(jī)下降控制組合頻率控制是一種典型的附加頻率控制方案。該控制策略使雙電源風(fēng)扇能夠在兩個(gè)頻率支持時(shí)間尺度上發(fā)揮頻率調(diào)節(jié)作用，從而改善了空氣和電力互聯(lián)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性。數(shù)學(xué)模型表明，附加變頻調(diào)速對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響主要表現(xiàn)在慣性響應(yīng)微階段系統(tǒng)順序的提高，以及通過引入新的δf狀態(tài)變量創(chuàng)建了一種新的模式。由于系統(tǒng)狀態(tài)空間中描述的輸入因數(shù)矩陣元素的值與狀態(tài)變量的穩(wěn)定狀態(tài)值相關(guān)，因此，當(dāng)頻率干擾與額外頻率控制不同時(shí)，風(fēng)扇的主動(dòng)指令值會(huì)有所不同 狀態(tài)變量穩(wěn)定狀態(tài)值的差異還可能導(dǎo)致附加頻率控制前后狀態(tài)因子矩陣元素的值發(fā)生變化，因此解決方案的特征值為

4.3雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)同步二次振蕩的半實(shí)物仿真與試驗(yàn)

對(duì)單臺(tái)機(jī)器上的子同步抑制策略進(jìn)行了半實(shí)物測試，并通過將lab仿真平臺(tái)連接到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變換器控制器設(shè)備進(jìn)行了半實(shí)物測試。模型和參數(shù)的電氣部分對(duì)應(yīng)于MATLAB仿真模型。變頻器控制器通過采集模擬信號(hào)（如rt lab輸出的電壓電流）和數(shù)字信號(hào)（如PWM脈沖信號(hào)、接觸器等控制信號(hào)）計(jì)算實(shí)時(shí)控制信號(hào)。，然后輸入rt lab以運(yùn)行它。可以使用rtlabconsole查看和備份兩個(gè)電源的操作數(shù)據(jù)。同時(shí)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組必須滿足一系列電網(wǎng)接入要求，包括低壓開關(guān)（lvrt）、電能質(zhì)量和電網(wǎng)改造。用于消除異步振蕩的阻尼策略不能影響設(shè)備的原始lvrt功能、電能質(zhì)量和電網(wǎng)的適應(yīng)能力。在對(duì)次同步消除策略進(jìn)行驗(yàn)證后，分別對(duì)lvrt、電能質(zhì)量、電網(wǎng)改造以及機(jī)組的快速增減進(jìn)行了測試。Lvrt對(duì)于在故障和恢復(fù)期間保持電力系統(tǒng)的主動(dòng)平衡和頻率穩(wěn)定性非常重要。

結(jié)束語

本文圍繞雙饋風(fēng)電機(jī)組整體控制問題，針對(duì)機(jī)組構(gòu)建感應(yīng)器數(shù)學(xué)模型、計(jì)算VSG控制參數(shù)的取值范圍、改進(jìn)雙饋風(fēng)電機(jī)組振蕩頻率、將控制參數(shù)協(xié)調(diào)優(yōu)化為目標(biāo)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)提高雙饋風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的安全性，降低運(yùn)行中三相故障的發(fā)生。且虛擬慣量和虛擬阻尼的引進(jìn)，有利于完善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，緩解同步機(jī)的調(diào)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(diào)控制，增強(qiáng)雙饋風(fēng)電機(jī)組的安全性和穩(wěn)定性。通過實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的協(xié)調(diào)優(yōu)化方法較傳統(tǒng)方法相比，對(duì)提高風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的安全性存在較大優(yōu)勢，能夠減少運(yùn)行中出現(xiàn)故障，有利于雙饋風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]倪維東，王云濤.雙饋風(fēng)電機(jī)組控制參數(shù)協(xié)調(diào)優(yōu)化方法[J].電子世界，2021（22）：180-181.

[2]吳水軍，沐潤志，張瑀明，宋蕙慧，趙偉，黃柯昊，朱博.雙饋風(fēng)電機(jī)組參與系統(tǒng)頻率調(diào)整過程中的功率坑現(xiàn)象研究[J].電力科學(xué)與工程，2021，37（11）：1-11.

[3]張政，彭曉濤，李少林，梁愷，許饒琪，張銳.雙饋風(fēng)機(jī)附加頻率控制對(duì)系統(tǒng)調(diào)頻動(dòng)態(tài)的影響[J].電力建設(shè)，2021，42（10）：89-100.