DFIG在微電網(wǎng)中的電壓頻率協(xié)調(diào)控制策略

趙晶晶, 徐成斯, 洪婉莎, 徐傳琳

(上海電力學院 電氣工程學院, 上海 200090)

DFIG在微電網(wǎng)中的電壓頻率協(xié)調(diào)控制策略

趙晶晶, 徐成斯, 洪婉莎, 徐傳琳

(上海電力學院 電氣工程學院, 上海 200090)

為了抑制雙饋異步風力發(fā)電機(DFIG)因自身有功輸出波動導致的微電網(wǎng)電壓頻率波動,提高其對微電網(wǎng)孤島運行下電壓頻率支撐的能力,研究分析了DFIG有功虛擬慣量控制以及定子側(cè)無功功率極限,提出了一種基于f-P和V-Q下垂控制的DFIG電壓頻率協(xié)調(diào)控制策略.在DFIG V-Q下垂控制中引入邏輯積分環(huán)節(jié),在不額外使用補償裝置下有效抑制電壓頻率的持續(xù)波動,并且在微電網(wǎng)電壓頻率跌落時,能夠與其他采用下垂控制的分布式電源(DG)構(gòu)成對等控制策略,共同為微電網(wǎng)提供電壓頻率支撐.最后在DIgSILENT仿真軟件中搭建了微電網(wǎng)模型,仿真結(jié)果驗證了控制策略的有效性.

微電網(wǎng); 雙饋異步風力發(fā)電機; 對等控制; 頻率控制; 電壓控制; 下垂控制

微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時,微電網(wǎng)電壓頻率由外部大電網(wǎng)提供支撐;微電網(wǎng)孤島運行時,微電網(wǎng)電壓頻率穩(wěn)定由其內(nèi)部分布式電源(Distributed Generator,DG)控制來實現(xiàn).因此,DG在微電網(wǎng)中的頻率電壓控制受到了廣泛的關(guān)注[1-3].

傳統(tǒng)風電機組通常采用最大功率追蹤(Maximum Power Point Tracking,MPPT)控制,運行在單位功率因數(shù)下,所以無法為微電網(wǎng)提供頻率電壓支撐[4].由于雙饋異步風力發(fā)電機(Doubly-fed Induction Generator,DFIG)具有變速恒頻、PQ解耦控制特性,使其參與微電網(wǎng)頻率電壓調(diào)整成為可能.文獻[5]和文獻[6]提出了DFIG虛擬慣量控制,當微電網(wǎng)頻率發(fā)生突變時,通過釋放DFIG轉(zhuǎn)子動能增加有功輸出參與調(diào)頻.文獻[7]至文獻[11]提出比例下垂控制與減載控制,使得DFIG正常工作時處于次MPPT運行狀態(tài),留有一定的功率備用參與頻率一次調(diào)節(jié).文獻[9]通過分析不同風速下DFIG的有功控制參數(shù),提出了可變系數(shù)的DFIG有功綜合控制,與柴油機一次調(diào)頻進行配合來抑制負荷波動及風速變化引起的微電網(wǎng)頻率變化,但在微電網(wǎng)孤島運行下僅由柴油機進行電壓調(diào)節(jié),忽略了DFIG定子側(cè)的無功發(fā)生能力.對此,一些研究者提出利用DFIG的轉(zhuǎn)子側(cè)換流器(Rotor-Side Converter,RSC)和網(wǎng)側(cè)換流器(Grid-Side Converter,GSC)的無功補償能力參與系統(tǒng)調(diào)壓的控制策略.文獻[12]至文獻[15]推導了DFIG的RSC和GSC的無功功率極限;文獻[13]在DFIG的RSC和GSC控制策略中的Q-V下垂控制中引入PI響應(yīng)環(huán)節(jié),使DFIG具有了參與系統(tǒng)調(diào)壓的能力,但不適用于大型風電場的恒電壓控制.文獻[16]中DFIG的RSC采用Q-V下垂控制,同時引入P-Q下垂控制環(huán)節(jié),以抑制變風速下DFIG有功變化引起的出口端電壓波動問題.文獻[17]提出了DFIG實時無功功率極限的變系數(shù)Q-V下垂控制,充分利用DFIG的無功發(fā)生能力,但變下垂系數(shù)容易造成各DG間的無功功率分配問題,易導致各節(jié)點電壓的波動.

本文提出了變風速下DFIG在微電網(wǎng)中的電壓頻率協(xié)調(diào)控制策略,DFIG風電機組與柴油機根據(jù)下垂控制共同為微電網(wǎng)提供電壓頻率支撐,構(gòu)成微電網(wǎng)的對等控制.DFIG有功控制以虛擬慣量控制與超速減載控制相結(jié)合.DFIG無功控制基于傳統(tǒng)V-Q下垂控制,同時考慮DFIG實時風速下其有功輸出變化引起的風機出口端電壓的波動,在V-Q下垂控制中引入邏輯積分環(huán)節(jié),當判斷電壓持續(xù)波動時,積分環(huán)節(jié)工作抑制波動;而當判斷微電網(wǎng)存在電壓跌落時,則保持V-Q下垂控制,并與其他DG構(gòu)成微電網(wǎng)對等控制.同時通過計算不同風速下DFIG有功功率對應(yīng)的無功功率極限,對下垂控制與積分環(huán)進行限幅,構(gòu)成DFIG的無功電壓控制.最后,在DIgSILENT仿真軟件中進行仿真分析,以驗證控制策略的有效性.

1 DFIG控制策略

1.1 DFIG有功控制

本文的DFIG有功控制采用虛擬慣量控制和引入超速減載的f-P下垂控制.有功控制能夠響應(yīng)頻率變化,產(chǎn)生相應(yīng)的有功補償量.總的有功補償量由虛擬慣量環(huán)節(jié)和f-P下垂環(huán)節(jié)獲得,即:

(1)

式中:kp——下垂系數(shù);

kd——虛擬慣量系數(shù).

通常kp為事先設(shè)定的常數(shù).式(1)中,等號右側(cè)前半部分為虛擬慣量環(huán)節(jié),其有功補償量通過系數(shù)kd正比于系統(tǒng)頻率變化率;后半部分為f-P下垂環(huán)節(jié),其有功補償量通過下垂系數(shù)kp正比于頻率變化量.

頻率控制框圖如圖1所示.

注:f0—率基準值;fmeas—頻率測量值;ω—風機轉(zhuǎn)速;Pref—有功輸出參考值.

圖1頻率控制示意

圖1中的超速減載環(huán)節(jié)使得DFIG運行在次MPPT曲線,保證了DFIG具有一定的有功備用,可使其f-P下垂控制能夠長時間地為微電網(wǎng)提供頻率支撐.

減載運行下的有功參考值的計算式為:

(2)

式中:K%——減載率;

Popt——MPPT運行下的DFIG有功參考值.

1.2 DFIG無功控制

考慮到DFIG網(wǎng)側(cè)換流器的容量較小[12],因此本文只考慮DFIG定子側(cè)的無功功率,并通過其RSC進行控制,參與微電網(wǎng)的電壓支撐.

由于風速通常分布于中低風速區(qū)間,故DFIG風電機組的有功輸出通常低于額定功率,其定子側(cè)具有較大的無功發(fā)生能力[13].忽略定子電阻,可得定子側(cè)無功功率極限為:

(3)

式中:Ps——定子側(cè)有功功率;

Qsmax,Qsmin——定子側(cè)無功最大和最小值;

Us——定子電壓;

Xs,Xm——定子電抗和激磁電抗;

Irmax——最大轉(zhuǎn)子電流.

在DIFG控制中加入V-Q下垂環(huán)節(jié),使得DFIG具有為系統(tǒng)提供電壓支撐的能力.然而在變風速條件下,考慮DFIG的有功輸出變化將導致微電網(wǎng)電壓的波動,而V-Q下垂控制因其有差調(diào)節(jié)特性無法獲得較好的抑制效果,因此本文引入一個電壓積分邏輯環(huán)節(jié)來抑制電壓的持續(xù)波動.

當控制環(huán)節(jié)判斷電壓存在持續(xù)波動時,邏輯積分環(huán)節(jié)動作與V-Q下垂共同作用來抑制電壓波動;而在電壓跌落時,則通過V-Q下垂控制與其他微電網(wǎng)內(nèi)的DG構(gòu)成對等控制,共同參與調(diào)壓.無功控制框圖如圖2所示.

注:U0,Q0—電壓、無功基準值;Umeas—電壓測量值;Qref—無功輸出參考值.

圖2RSC無功控制示意

f積分環(huán)節(jié)為引入的邏輯積分環(huán)節(jié),其動作條件為:

(4)

式中:ΔUf——積分環(huán)節(jié)的動作電壓閾值;

ΔU——電壓變化量;

ΔQf——f環(huán)節(jié)的無功補償量.

當檢測點測得的ΔU小于ΔUf時,積分環(huán)節(jié)輸出相應(yīng)的補償量ΔQf,與V-Q下垂控制共同作用,以此響應(yīng)電壓波動變化并對其進行抑制;當測得的ΔU大于ΔUf時,輸出為零,此時控制轉(zhuǎn)化為V-Q下垂控制,使得DFIG與其余同樣采用下垂控制的DG構(gòu)成微電網(wǎng)的對等控制.

1.3 DFIG電壓頻率協(xié)調(diào)控制策略

結(jié)合DFIG有功和無功控制,提出了DFIG在微電網(wǎng)中的電壓頻率協(xié)調(diào)控制,主要是針對DFIG的RSC控制修改,其GSC控制保持不變.DFIG的有功和無功協(xié)調(diào)控制如圖3所示.

圖3 電壓頻率協(xié)調(diào)控制

DFIG通過超速減載下的虛擬慣量、f-P和V-Q下垂控制進行功率補償,同時電壓控制根據(jù)式(4),通過f積分環(huán)節(jié)抑制DFIG有功變化導致的電壓持續(xù)波動.而DFIG通過Pref進行RSC側(cè)的無功功率極限計算,對其V-Q下垂控制環(huán)節(jié)因電壓變化量所產(chǎn)生的無功變化量進行限幅.這樣既能保證DFIG具有良好的有功調(diào)頻能力,又能充分發(fā)揮DFIG定子側(cè)的無功功率,使其同時參與微電網(wǎng)的調(diào)頻調(diào)壓.

本文中微電網(wǎng)穩(wěn)定運行下的DFIG參考風速為10 m/s,因此設(shè)置此時無功輸出量為無功初始值Q0.根據(jù)國家電壓質(zhì)量標準中要求10 kV及以下電力系統(tǒng)電壓波動應(yīng)控制在2.5%,因此本文設(shè)ΔUf=0.025 p.u..微電網(wǎng)中DFIG與柴油發(fā)電機下垂控制中下垂控制系數(shù)的整定原則為:

(5)

(6)

P1,Q1——DFIG風電機組的有功和無功一次備用容量;

P2,Q2——柴油機的有功和無功一次備用容量;

kp1,kq1——DFIG風電機組的頻率和電壓下垂系數(shù);

kp2,kq2——柴油機的頻率和電壓下垂系數(shù).

DFIG f-P下垂控制系數(shù)的整定原則為:f-P下垂控制系數(shù)按照10 m/s風速下的10%有功輸出作為備用進行整定,通過限幅環(huán)節(jié)保證其有功輸出在額定功率范圍內(nèi).DFIG V-Q下垂控制系數(shù)的整定原則為:V-Q下垂控制系數(shù)同樣以10 m/s風速下的無功功率極限進行整定,通過限幅環(huán)節(jié)保證其無功輸出在無功極限范圍內(nèi).

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 仿真模型

在DIgSILENT軟件中搭建了如圖4所示的中壓微電網(wǎng)模型.微電網(wǎng)由柴油機、光伏電源和DFIG風電機組組成,光伏電池由電壓源和PWM變流器代替.柴油機由同步發(fā)電機代替.微電網(wǎng)配置參數(shù)如下:柴油發(fā)電機的額定功率為16 MW,額定線電壓為10 kV;DFIG的額定功率為5 MW,額定電壓為0.69/1.15/3.3 kV;光伏微源DC-AC變流器容量為3 MW,額定功率為2 MW,額定電壓為0.4 kV.

圖4 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意

光伏電池采用PQ控制,假定溫度與光照恒定,有功出力為2MW;負荷采用恒功率負荷模型;柴油發(fā)電機采用f-P和V-Q下垂控制,參與微電網(wǎng)調(diào)頻與調(diào)壓;DFIG采用變風速模型,其風速變化曲線如圖5所示.控制策略為本文提出的電壓頻率協(xié)調(diào)控制,與柴油機配合共同為微電網(wǎng)提供電壓頻率支撐.

通過式(5)和式(6)計算得到的DFIG和柴油發(fā)電機下垂控制系數(shù)如表1所示.

圖5 風速變化曲線

微電源參 數(shù)柴油發(fā)電機kp=0．025，kq=0．1DFIGkp=0．1，kq=0．067，ti=0．25，Q0=0

2.2 負荷功率階躍

微電網(wǎng)正常運行時,光伏電池采用PQ恒功率控制,不參與調(diào)頻調(diào)壓;柴油機則采用V-Q和f-P的下垂控制;DFIG采用變風速模型,并在微電網(wǎng)PCC節(jié)點20 s時增加負荷1 MW+1.5 MW模擬負荷變化.在DFIG采用不同控制策略下,對微電網(wǎng)相關(guān)參數(shù)變化進行對比,具體如圖6所示.

由圖6可知,在DFIG有功輸出和負荷變化的共同作用下,微電網(wǎng)內(nèi)頻率電壓產(chǎn)生波動.當DFIG處于MPPT運行狀態(tài)下,微電網(wǎng)PCC節(jié)點和DFIG出口電壓存在持續(xù)波動,在20 s負荷增加后,頻率電壓偏移增大,僅通過柴油機進行頻率電壓支撐效果并不理想;當采用本文提出的電壓頻率協(xié)調(diào)控制時,即圖6c中,DFIG能夠快速響應(yīng)微電網(wǎng)的電壓頻率變化,當檢測到頻率過低時,DFIG通過減速釋放轉(zhuǎn)子超速運行下的旋轉(zhuǎn)動能,使其能長時間地增加有功輸出參與微電網(wǎng)電壓頻率調(diào)節(jié).由圖6a可以看出,微電網(wǎng)頻率偏移得到了明顯的支撐,頻率最低值由49.67 Hz提升至49.8 Hz,變化范圍被抑制在0.2 Hz內(nèi).由圖6d可以看出,采用頻率電壓協(xié)調(diào)控制下的DFIG相比無控制下的無功輸出有了顯著的增加,能夠快速響應(yīng)電壓波動,生成相應(yīng)的無功補償量.圖6b采用傳統(tǒng)V-Q下垂控制,由于是有差調(diào)節(jié),因此對于小幅電壓波動的抑制效果有限,而采用電壓頻率協(xié)調(diào)控制下的PCC電壓得到了有效的支撐,電壓波動被抑制,整個電壓波動范圍由 0.3 kV減小至 0.1 kV.微電網(wǎng)中,柴油機采用f-P和V-Q的下垂控制,能夠根據(jù)DFIG的功率變化以及設(shè)定的下垂系數(shù),調(diào)節(jié)其自身的功率輸出以維持微電網(wǎng)電壓頻率的穩(wěn)定.而且電壓頻率協(xié)調(diào)控制下的DFIG具有有功、無功調(diào)節(jié)能力,能夠就地提供電壓頻率支撐,避免了柴油機的遠距離功率輸送,減小了其功率輸出(如圖6e和圖6f所示),為微電網(wǎng)內(nèi)的電壓穩(wěn)定提供了條件.

圖6 不同控制下微電網(wǎng)參數(shù)變化

由圖6g可以看出,在采用協(xié)調(diào)控制下DFIG會相應(yīng)隨頻率變化產(chǎn)生有功輸出補償量,相比僅采用電壓控制情況下對微電網(wǎng)電壓波動同樣會有一定的改善.由于抑制電壓波動需要的無功補償量較小,因此均在DFIG的無功功率極限范圍內(nèi).

2.3 PCC節(jié)點電壓跌落

在20 s時通過PCC節(jié)點增加8 MW無功負荷模擬PCC節(jié)點故障,使微電網(wǎng)產(chǎn)生電壓跌落,DFIG不同控制策略下,微電網(wǎng)內(nèi)各類參數(shù)以及其余DG的輸出功率變化如圖7所示.

圖7 不同控制下微電網(wǎng)參數(shù)變化

圖7中,在20 s時且在DFIG無控制下,僅由柴油發(fā)電機提供微電網(wǎng)電壓支撐,PCC節(jié)點故障導致微電網(wǎng)電壓跌落,電網(wǎng)電壓跌幅超過7%,PCC和DFIG端電壓均下降至0.89 p.u.,且電壓恢復穩(wěn)定的時間較長;當DFIG僅采用電壓頻率綜合控制時,由DFIG的無功側(cè)控制檢測電壓變化范圍,由先前電壓波動抑制轉(zhuǎn)換成僅V-Q下垂控制,與柴油機構(gòu)成微電網(wǎng)的對等控制,共同提供電壓支撐,微電網(wǎng)電壓能夠快速恢復穩(wěn)定,且最大變化被控制在5%左右.由圖7c可以看出,當DFIG采用電壓頻率協(xié)調(diào)控制時,其無功增量在20～22 s達到無功功率極限,被限制在3.5 MW左右,相比無減載備用情況下有更多的無功備用來為微電網(wǎng)提供電壓支撐,而MPPT運行下的DFIG則無法發(fā)揮其無功備用提供電壓支撐的能力.相應(yīng)的,由圖7d可以看出,電壓頻率協(xié)調(diào)控制由于采用減載運行,其無功功率極限均大于其他傳統(tǒng)控制;圖7e中柴油機的無功輸出相應(yīng)減小,而微電網(wǎng)的電壓得到了更有效的支撐.

3 結(jié) 語

本文研究分析了DFIG的虛擬慣量控制與下垂控制方法,提出了DFIG的電壓頻率協(xié)調(diào)控制策略.仿真結(jié)果表明,在微電網(wǎng)孤島運行下,DFIG能夠抑制變風速下自身有功功率波動導致的微電網(wǎng)電壓頻率波動,同時能通過微電網(wǎng)運行狀況自動切換電壓控制,通過f-P和V-Q下垂控制與柴油機構(gòu)成微電網(wǎng)的對等控制,共同為微電網(wǎng)提供長時間的電壓頻率支撐,在系統(tǒng)未大量配置超級電容、飛輪儲能等微電源的情況下,微電網(wǎng)電壓頻率的穩(wěn)定性有了明顯的提高.

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VoltageandFrequencyCoordinationControlStrategyofDFIGinMicro-grid

ZHAO Jingjing, XU Chengsi, HONG Wansha, XU Chuanlin

(SchoolofElectricalEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

In order to suppress the micro-grid voltage and frequency fluctuation caused by the active power output fluctuation of the doubly fed wind turbine,improve its voltage and frequency support ability,the DFIG active virtual inertia control and stator reactive power limit are analyzed.Based on f-P,V-Q droop control,the voltage and frequency coordination control strategy of DFIG with a logic integration added in V-Q droop control is presented.This control strategy allows DFIG to suppress the continuous voltage fluctuation itself without additional compensation device.When there is voltage-frequency drop,it allows DFIG to constitute a peer-to-peer control strategy with other distributed generator to provide support for the voltage and frequency of micro grid.Finally,the DIgSILENT simulation software is built to simulate the micro grid model.The simulation results verify the effectiveness of the proposed control strategy.

micro-grid; doubly-fed induction generator; peer to peer control strategy; frequency control; voltage control;droop control

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.05.002

2016-12-19

徐成斯(1989-),男,在讀碩士,上海人.主要研究方向為微電網(wǎng)中DFIG的電壓頻率控制.E-mail:kiasdusk@outlook.com.

國家自然科學基金(51207087);上海綠色能源并網(wǎng)工程技術(shù)研究中心資助項目(13DZ2251900).

TM315

A

1006-4729(2017)05-0419-06

(編輯 胡小萍)