雙饋感應發(fā)電機參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的改進限轉(zhuǎn)矩控制方法

趙熙臨 姚業(yè)佩 徐光輝 曹 婭 殷麗娟

（1.湖北工業(yè)大學 電氣與電子工程學院,武漢 430068；2.廣東電網(wǎng)有限責任公司 云浮供電局,廣東 云浮

527300）

雖然風機具有大量的旋轉(zhuǎn)慣量,但雙饋感應發(fā)電機（doubly fed induction generator,DFIG）經(jīng)變流器接入電網(wǎng)后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率解耦,失去了類似于常規(guī)同步發(fā)電機參與系統(tǒng)調(diào)頻的能力[1-3].而隨著風電并網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大,電力系統(tǒng)慣性降低,又給電網(wǎng)調(diào)頻帶來了挑戰(zhàn)[4-5],因此,借助輔助控制環(huán)節(jié)使風電機組參與電網(wǎng)調(diào)頻具有十分重要的意義.目前,相關研究主要通過虛擬慣性控制改變風機輸出功率來實現(xiàn)[6-8].

一般而言,虛擬慣性控制是將風機轉(zhuǎn)子中存儲的旋轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)換為電磁功率,以短時改變風機輸出.文獻[9]提出以頻率偏差作為輸入信號的自適應下垂控制,為系統(tǒng)提供調(diào)頻支撐.文獻[10]在高風電滲透率下,提出最優(yōu)虛擬慣性控制策略.考慮到電網(wǎng)調(diào)頻需求的多樣性及風機慣性調(diào)整的局限,有學者考慮將多種控制方法相配合,并與火電機組協(xié)調(diào)出力,獲取最優(yōu)的頻率控制效果[11-12].文獻[13]提出附加慣性控制、超速控制和槳距角控制相協(xié)調(diào)的策略,取得了一定成果,但該方法協(xié)調(diào)控制參量眾多,建模復雜.文獻[14]提出改進低頻減載策略解決大規(guī)模風電參與一次調(diào)頻可能引起的頻率軌跡失真問題.文獻[15]提出限功率控制以適應不同風速進行減載,使得調(diào)頻效果得以改善.但是,減載控制未能最大化地利用風能,不利于風機的經(jīng)濟運行.隨著風電并網(wǎng)規(guī)模擴大,如何進行更大的單臺風機輸出范圍的調(diào)整,以提高風電參與系統(tǒng)調(diào)頻的能力,顯得至關重要.

在上述需求下,限轉(zhuǎn)矩控制因其能夠快速、大量地提取風機動能,引起廣泛關注.文獻[16]采用限轉(zhuǎn)矩控制方式,在極限轉(zhuǎn)矩的約束下可大量提取轉(zhuǎn)子動能參與系統(tǒng)調(diào)頻.文獻[17]利用限轉(zhuǎn)矩控制風機與儲能配合,實現(xiàn)頻率調(diào)節(jié).傳統(tǒng)限轉(zhuǎn)矩雖然可以大限度地提高單臺風機的調(diào)頻能力,但也會產(chǎn)生較為嚴重的頻率二次跌落問題.發(fā)生二次跌落時,系統(tǒng)的功率不平衡程度加深,從而嚴重破壞系統(tǒng)穩(wěn)定[18].除此之外,限轉(zhuǎn)矩控制方式下,風機轉(zhuǎn)矩極限工作的方式會急劇增加轉(zhuǎn)子軸部所受應力,有損風機使用壽命.

基于上述分析,提出一種改進的限轉(zhuǎn)矩控制方法參與電力系統(tǒng)一次調(diào)頻.在最大限度提高單臺風機參與系統(tǒng)調(diào)頻能力的基礎上,對限轉(zhuǎn)矩工作點進行調(diào)整,既減小風機轉(zhuǎn)子軸部所受應力,又有效減小頻率二次跌落.

1 傳統(tǒng)限轉(zhuǎn)矩原理與分析

1.1 概述

為使DFIG 獲得類似于同步發(fā)電機響應系統(tǒng)頻率變化的能力,為DFIG 增加輔助控制環(huán)節(jié),使其能及時響應系統(tǒng)頻率變化,調(diào)整輸出,參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié).

輔助控制環(huán)節(jié)的作用在于根據(jù)系統(tǒng)頻率變化,實現(xiàn)DFIG 轉(zhuǎn)子動能和電磁功率間的相互轉(zhuǎn)換,從而改變風機輸出,參與系統(tǒng)頻率調(diào)整.如圖1所示,風力渦輪機為DFIG 提供機械原動力,DFIG 發(fā)電經(jīng)過變壓器接入電網(wǎng),同時,通過轉(zhuǎn)子側變流器（rotor side converter,RSC）和網(wǎng)側變流器（grid side converter,GSC）建立與電網(wǎng)間的功率雙向傳輸通道.當系統(tǒng)出現(xiàn)頻率擾動Δf,輔助控制環(huán)節(jié)根據(jù)Δf計算出功率補償量ΔP,輸入到DFIG 使其機械功率與電磁功率失衡,導致轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速改變以提取動能,經(jīng)RSC和GSC輸入到電網(wǎng),抑制系統(tǒng)頻率波動.

圖1 DFIG 調(diào)頻原理圖

目前,輔助控制環(huán)節(jié)可由下垂控制、虛擬慣性控制、綜合慣性控制或者減載控制等控制方法建立的控制器構成.但就追求風機最優(yōu)經(jīng)濟運行而言,最大功率點跟蹤（maximum power point tracking,MPPT）控制方式具有明顯優(yōu)勢.在MPPT 控制的基礎上附加慣性控制,既能保證風機經(jīng)濟運行,又能提高風電機組參與系統(tǒng)調(diào)頻的能力.

1.2 傳統(tǒng)限轉(zhuǎn)矩控制原理

傳統(tǒng)限轉(zhuǎn)矩控制是在MPPT 控制的基礎上,附加限轉(zhuǎn)矩控制,在極限轉(zhuǎn)矩的約束下,能最大限度地提取風機動能參與系統(tǒng)調(diào)頻.如圖2所示,系統(tǒng)正常運行時,風機運用于MPPT 曲線上的A點,當負荷突增時,在限轉(zhuǎn)矩控制器的作用下,風機運行點由A點瞬時變?yōu)樽畲筠D(zhuǎn)矩限制曲線上的B點,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速開始降低,風機中存儲的旋轉(zhuǎn)慣量轉(zhuǎn)化為電磁功率輸入到電網(wǎng)中參與系統(tǒng)調(diào)頻.當轉(zhuǎn)速從ωA變?yōu)棣谻時,DFIG 機械功率與電磁功率達到平衡.DFIG 沿著C′-A進行轉(zhuǎn)速恢復,重新運行在MPPT 模式下.

圖2 傳統(tǒng)限轉(zhuǎn)矩控制原理圖

同理,當負荷突減時,DFIG 通過GSC和RSC通道消納冗余有功功率,以維持系統(tǒng)功率平衡,抑制頻率波動,DFIG 運行點沿A-D-E-E′-A變化.

1.3 傳統(tǒng)限轉(zhuǎn)矩控制問題分析

傳統(tǒng)限轉(zhuǎn)矩控制方式下,當風機參與系統(tǒng)一次調(diào)頻時,頻率變化曲線如圖3所示.

圖3 一次調(diào)頻過程中頻率變化曲線

頻率變化可分為3個階段.從0到t0時刻為第一階段,系統(tǒng)穩(wěn)定運行,頻率保持為穩(wěn)定運行頻率f0.從t0到t1時刻為第二階段,系統(tǒng)出現(xiàn)負荷擾動,產(chǎn)生頻率偏差,在傳統(tǒng)限轉(zhuǎn)矩控制器作用下,DFIG轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降,釋放動能參與調(diào)頻.從t1時刻到頻率最終穩(wěn)定為第三階段,t1時刻,開始轉(zhuǎn)速恢復,直到系統(tǒng)再次穩(wěn)定運行.衡量風機參與一次調(diào)頻效果的主要指標有:最大頻率偏差Δfmax、頻率二次跌落最大值Δfse、穩(wěn)態(tài)頻率偏差Δfen.

傳統(tǒng)限轉(zhuǎn)矩控制方式可以最大限度地提取風機動能,充分發(fā)掘單臺風機參與系統(tǒng)一次調(diào)頻的能力,顯著降低最大頻率偏差Δfmax.但是,由于大量動能提取的需求,使得DFIG 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降較大,進行轉(zhuǎn)速恢復時會造成較大的功率不平衡,產(chǎn)生較大的頻率二次跌落最大值Δfse.不僅如此,傳統(tǒng)限轉(zhuǎn)矩控制是在極限轉(zhuǎn)矩的邊界約束下提取動能,沒有考慮風機在極限轉(zhuǎn)矩工作狀態(tài)下的轉(zhuǎn)軸處所受應力狀況,隨著風機參與調(diào)頻的次數(shù)增多,風機轉(zhuǎn)軸的機械受損會急劇增加,縮短風機使用壽命.為此,在傳統(tǒng)限轉(zhuǎn)矩的基礎上進行改進具有重要的應用價值.

2 改進限轉(zhuǎn)矩控制方法

改進的限轉(zhuǎn)矩控制,在控制器的設計上將上述的頻率二次跌落問題以及風機軸部受力極限問題考慮在內(nèi),通過優(yōu)化響應頻率變化的有功調(diào)節(jié)量ΔP的計算和風機參與調(diào)頻的運行路徑,從而改善DFIG 參與一次調(diào)頻效果.

依據(jù)空氣動力學可計算風力渦輪機出力Pt,見式（1）[19].

式中:Cp為風能利用系數(shù);λ、β、ρ分別為風機葉尖速比、槳距角、空氣密度;A為風機掃風面積;v為風速;ωt為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速;R為風輪半徑.

根據(jù)式（1）結合空氣動力學可得渦輪機轉(zhuǎn)矩Tt,見式（4）[20].

當風機槳距角為定值,葉尖速比達到其最大值λmax時,風機可獲得最大風能利用系數(shù)Cp,max,由此可知MPPT 模式下的渦輪機輸出,見式（5）.

渦輪機的最大轉(zhuǎn)矩Tt,max,見式（6）.

渦輪機轉(zhuǎn)矩與DFIG 電磁轉(zhuǎn)矩間關系,見式（7）.

式中:Jeq為風機等效轉(zhuǎn)動慣量;n為齒輪箱的齒輪比.聯(lián)立式（6）、（7）可得DFIG 最大電磁轉(zhuǎn)矩Tem,max,見式（8）.

由于ωt＝ωg/n,ωg為DFIG 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,所以式（8）可改寫為:

則MPPT 模式下,DFIG 的最優(yōu)輸出為:

式中:kopt為最優(yōu)功率跟蹤系數(shù).

改進的限轉(zhuǎn)矩控制原理圖如圖4所示.

圖4 改進限轉(zhuǎn)矩控制原理圖

系統(tǒng)穩(wěn)定時,風機運行于圖中MPPT 曲線上的A點,此時DFIG 輸出為:

該轉(zhuǎn)速ω0下對應的極限轉(zhuǎn)矩TB為:

通過式（12）可計算出不同轉(zhuǎn)速下的極限轉(zhuǎn)矩,形成圖4中的最大轉(zhuǎn)矩限制曲線.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為ω0時的極限功率為:

DFIG 最低轉(zhuǎn)速ωmin對應的有功輸出為:

聯(lián)立式（13）和式（14）,得到功率限制曲線BE的斜率kli,見式（15）.

系統(tǒng)出現(xiàn)頻率偏差時,不同于傳統(tǒng)限轉(zhuǎn)矩控制,改進的限轉(zhuǎn)矩控制器控制風機運行點從A點到C點,再從C點到D點.從C點到D點過程中轉(zhuǎn)子減速,釋放動能參與系統(tǒng)頻率調(diào)整.造成頻率二次跌落的原因主要是轉(zhuǎn)速恢復時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速過低.相比于傳統(tǒng)限轉(zhuǎn)矩控制,改進后的控制方法在釋放動能過程中,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化量減小,D′到A點轉(zhuǎn)速恢復時的功率不平衡量也會相應減小,所以,改進的限轉(zhuǎn)矩控制方法可以改善頻率二次跌落問題,優(yōu)化風機參與系統(tǒng)一次調(diào)頻.另外,由于風機軸部在C點所受應力小于B點,也能改善風機轉(zhuǎn)軸承受應力過大的問題.

3 改進限轉(zhuǎn)矩控制的一次調(diào)頻策略

當系統(tǒng)出現(xiàn)負荷擾動,改進的限轉(zhuǎn)矩控制器能夠根據(jù)頻率偏差Δf,計算出風機參與調(diào)頻所需的電磁功率增量ΔP.如圖4所示,圖中C點功率:

式中:p為DFIG 極對數(shù);δ為轉(zhuǎn)速修正因子,其取值受擾動發(fā)生時刻轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω0的影響,其近似取值為:

電磁功率增量ΔP見式（19）.

設計改進的限轉(zhuǎn)矩控制器如圖5所示.

圖5 改進限轉(zhuǎn)矩控制器

控制器根據(jù)頻率偏差Δf計算出調(diào)頻所需的電磁功率增量ΔP,并將其輸入到MPPT 控制器中改變DFIG 電磁功率參考值Pref,由于機械功率不能突變,DFIG 的機械功率和電磁功率失衡,轉(zhuǎn)子減速以釋放動能.DFIG 中存儲的旋轉(zhuǎn)慣量被改進限轉(zhuǎn)矩控制提取出來,轉(zhuǎn)換為電磁功率輸入到電力系統(tǒng)中,參與系統(tǒng)一次頻率調(diào)整,如圖6所示.

圖6 風機參與一次調(diào)頻框圖

圖6中,Tg、Krh、Trh、Ts分別為調(diào)速器時間常數(shù)、再熱系數(shù)、再熱時間常數(shù)、汽輪機時間常數(shù),M為發(fā)電機轉(zhuǎn)動慣量,D為負荷阻尼系數(shù).當出現(xiàn)負荷擾動ΔPL時,系統(tǒng)會產(chǎn)生頻率偏差Δf,改進限制轉(zhuǎn)矩控制器根據(jù)Δf計算出調(diào)頻控制信號ΔP,輸入到風電機組,控制風機輸出功率補償量ΔPg,以維持電力系統(tǒng)功率平衡,抑制頻率波動.

改進的限轉(zhuǎn)矩控制方法,一方面能夠減小頻率二次跌落和風機軸部所受機械應力;另一方面,在保證風機良好的調(diào)頻性能和運行狀況下,可以最大限度地開發(fā)單臺風機參與系統(tǒng)調(diào)頻的能力.隨著風機并網(wǎng)數(shù)量的增多,在改進限轉(zhuǎn)矩控制的方式下,風電機組能為系統(tǒng)提供較大的調(diào)頻支撐,為風電并網(wǎng)的大規(guī)模發(fā)展提供保障.

4 仿真分析

本文在Matlab/Simulink平臺搭建由火電機組、風電機組、負荷構成的仿真模型,驗證所提方法的可行性與有效性.設置火電機組的額定容量為500 MW,風電機組由100臺單機額定容量為1.5 MW 的風機組成,建模所需的火電機組與風機的參數(shù)描述見表1～2.

表1 火電機組參數(shù)

表2 風機參數(shù)

系統(tǒng)穩(wěn)定運行時,火電機組與風電機組發(fā)出的功率與系統(tǒng)負荷需求功率平衡,此時風機運行在MPPT模式下,以保證經(jīng)濟運行.如上文所述,風機運行于MPPT 模式時,風能利用系數(shù)達到最大值Cp,max,由式（2）、（3）、（5）可知,在某一風速v下、最佳葉尖速比λ和槳距角β共同決定Cp,max,因此,仿真的風機工況選擇高、低風速兩種情況.

為驗證所提方法的有效性和可行性,仿真將對改進限轉(zhuǎn)矩控制、傳統(tǒng)限轉(zhuǎn)矩控制和傳統(tǒng)虛擬慣性控制3種方式控制風機參與一次調(diào)頻以及風機不參與系統(tǒng)調(diào)頻4種方式的效果進行對比分析.仿真總時間設為400s,在t＝120s時,系統(tǒng)產(chǎn)生0.03 p.u.的負荷擾動.

1）情況1:高風速

此時風機工況為:風速v＝9 m/s,槳距角β＝1.5.對應的Cp,max＝0.215 77.擾動發(fā)生后,改進限轉(zhuǎn)矩控制器根據(jù)頻率偏差Δf計算出參數(shù)kli、δ的值,并確定控制器的輸出ΔP,從而控制風機參與系統(tǒng)調(diào)頻.

當ΔPL＝0.03 p.u.輸入到系統(tǒng)時,改進限轉(zhuǎn)矩控制、傳統(tǒng)限轉(zhuǎn)矩控制和虛擬慣性控制3種控制方式在各自控制器的作用下,控制風機調(diào)整轉(zhuǎn)速參與頻率調(diào)整,DFIG 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωg、電磁轉(zhuǎn)矩Tem、參與調(diào)頻輸出量ΔPg、系統(tǒng)頻率波動Δf分別如圖7（a）～（d）所示.

圖7 v＝9 m/s時風機參與一次調(diào)頻

由圖7可見,風機不參與一次調(diào)頻時,系統(tǒng)的頻率偏差最大值Δfmax最大,調(diào)頻效果明顯差于風機參與一次調(diào)頻的控制方式.虛擬慣性控制因其提取風機動能的能力有限,ωg、Tem、ΔPg變化最小,調(diào)頻效果一般.傳統(tǒng)限轉(zhuǎn)矩控制方式下轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降最大,電磁轉(zhuǎn)矩的變化也最大,其控制風機參與調(diào)頻的有功輸出最多.相比于傳統(tǒng)限轉(zhuǎn)矩控制,改進限轉(zhuǎn)矩控制方式下DFIG 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩的變化以及參與調(diào)頻的有功輸出都有所減小.雖然改進限轉(zhuǎn)矩控制的Δfmax比傳統(tǒng)限轉(zhuǎn)矩控制略大,但明顯減小了頻率二次跌落Δfse,一次調(diào)頻的整體效果更好.

2）情況2:低風速

此時風機工況為:風速v＝5 m/s,槳距角β＝0.5.對應的Cp,max＝0.265 1.在t＝120 s時,向系統(tǒng)輸入負荷擾動ΔPL＝0.03 p.u..ωg、Tem、ΔPg、Δf的變化如圖8（a）～（d）所示.

圖8 v＝5 m/s時風機參與一次調(diào)頻

由仿真結果可見:低風速時,風機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩相應減小,通過傳統(tǒng)限轉(zhuǎn)矩控制提取動能會產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降落,給轉(zhuǎn)速恢復增加困難.而改進限轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降落較小,并且能夠減小頻率二次跌落,可獲得更好的一次調(diào)頻效果.

5 結論

本文針對大規(guī)模風電并網(wǎng)使電力系統(tǒng)慣性降低帶來的系統(tǒng)調(diào)頻能力不足的問題,提出改進限轉(zhuǎn)矩控制方法控制風機參與一次調(diào)頻.通過理論分析與仿真驗證,得到如下結論.

1）傳統(tǒng)限轉(zhuǎn)矩控制方式能夠最大化提取風機動能,為調(diào)頻提供大量有功功率,但在轉(zhuǎn)速恢復過程中會產(chǎn)生較為嚴重的頻率二次跌落.因此,通過優(yōu)化控制器設計實現(xiàn)的改進限轉(zhuǎn)矩控制方法,能夠減少動能提取過程中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的下降,從而減小頻率二次跌落.

2）相較于虛擬慣性控制,改進限轉(zhuǎn)矩控制能夠更多地提取風機動能,為系統(tǒng)提供足量的調(diào)頻功率,通過較為充分地發(fā)掘風機參與調(diào)頻的潛力,從而獲得更優(yōu)的一次調(diào)頻效果.

3）改進限轉(zhuǎn)矩控制方法可以通過改變限轉(zhuǎn)矩工作點以減小風機轉(zhuǎn)軸所受極限應力,在安全范圍內(nèi)極大地提高單臺風機參與調(diào)頻的能力.