適應(yīng)于弱電網(wǎng)的永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組虛擬慣量協(xié)調(diào)控制策略

賀家發(fā), 宋美艷, 蘭 洲, 黃林彬, 辛煥海, 汪 震

(1. 浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院, 浙江省杭州市 310027; 2. 西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院， 陜西省西安市 710049； 3. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院, 浙江省杭州市 310006)

0 引言

隨著風(fēng)力發(fā)電的迅速發(fā)展,大規(guī)模接入電網(wǎng)的風(fēng)電機(jī)組給電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了不容忽視的影響[1-2]。例如：在風(fēng)電機(jī)組替代同步發(fā)電機(jī)的過(guò)程中,電力系統(tǒng)中由同步發(fā)電機(jī)提供的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量將逐漸減小,進(jìn)而削弱了電力系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)能力[3-4]。為此,現(xiàn)代電網(wǎng)逐漸要求風(fēng)電機(jī)組參與到電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)中,并在電網(wǎng)頻率波動(dòng)時(shí)為電網(wǎng)提供有功功率支撐[5]。

目前,已有很多文獻(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的頻率調(diào)節(jié)策略進(jìn)行了研究[6-8]。這些頻率調(diào)節(jié)策略主要通過(guò)建立電網(wǎng)頻率與風(fēng)機(jī)有功功率輸出之間的關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的頻率調(diào)節(jié)[9]。其中,有功—頻率下垂控制是將頻率偏差信號(hào)(Δf)引入風(fēng)機(jī)有功或轉(zhuǎn)矩控制中,而虛擬慣量控制是將頻率微分信號(hào)(df/dt)引入風(fēng)機(jī)有功或轉(zhuǎn)矩控制中[10]。應(yīng)用這些頻率調(diào)節(jié)策略時(shí),風(fēng)電機(jī)組仍采用鎖相環(huán)(PLL)實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的同步,但在弱電網(wǎng)即短路比(SCR)較小的電網(wǎng)下,鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)性能變差,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的失穩(wěn)[11]。虛擬同步控制是解決這一由鎖相環(huán)引起的穩(wěn)定問(wèn)題的重要手段[12-15]。

虛擬同步控制通過(guò)模擬同步發(fā)電機(jī)的特性從而實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)自同步及虛擬慣量模擬,因此在變流器的控制中不再需要鎖相環(huán)作為同步單元。并且,這類虛擬同步控制可以推廣應(yīng)用于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)中,使其在提供頻率支撐的同時(shí),也能夠適應(yīng)于弱電網(wǎng)的運(yùn)行條件[16-17]。

然而,上述虛擬同步控制主要應(yīng)用在功率控制型變流器中[18],這類變流器的有功及無(wú)功功率由控制策略決定,其運(yùn)行的前提是直流電壓恒定。而永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)變流器一般為直流電壓控制型變流器,這類變流器通過(guò)控制器中的直流電壓控制環(huán)將直流電容電壓控制在設(shè)定值,其輸出的有功功率則由直流電容另一端的流入功率決定[19]。因此,這種控制策略不能直接應(yīng)用在直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)變流器中。文獻(xiàn)[15]提出了一種可應(yīng)用于直流電壓控制型變流器的虛擬同步控制,該控制方法利用直流電容動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)自同步,將這種虛擬同步控制應(yīng)用到直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組中可以保障其在弱電網(wǎng)下的穩(wěn)定性。但是,這種虛擬同步控制利用直流電容的儲(chǔ)能為電網(wǎng)提供功率支撐,考慮到直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組中直流電容儲(chǔ)能遠(yuǎn)小于其槳葉存儲(chǔ)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能,應(yīng)利用其旋轉(zhuǎn)動(dòng)能提供功率支撐,并盡量減小其直流電壓的波動(dòng)。

為此,本文提出一種針對(duì)永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的虛擬慣量協(xié)調(diào)控制策略。該策略在機(jī)側(cè)變流器控制中引入了虛擬慣量控制,利用風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能提供慣量支撐所需的能量;在網(wǎng)側(cè)變流器控制中引入了虛擬同步控制,利用直流電容動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)其并網(wǎng)自同步。該策略使直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組不僅能利用其存儲(chǔ)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能為電網(wǎng)提供虛擬慣量,而且使風(fēng)機(jī)能適應(yīng)于弱電網(wǎng)運(yùn)行。基于MATLAB/Simulink的電磁暫態(tài)仿真驗(yàn)證了所提出控制策略的有效性。

1 虛擬慣量協(xié)調(diào)控制策略

永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組常經(jīng)LCL濾波器接入交流電網(wǎng),如圖1所示,其中機(jī)側(cè)變流器控制輸出有功功率并實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT),而網(wǎng)側(cè)變流器控制直流電壓的穩(wěn)定。圖1同時(shí)給出了本文所提出的虛擬慣量協(xié)調(diào)控制策略的控制結(jié)構(gòu)。其中,PWT為電機(jī)的有功功率輸出;Pg為網(wǎng)側(cè)變流器輸出到電網(wǎng)的有功功率;CDC為直流電容;CF為L(zhǎng)CL濾波器的濾波電容;LF為變流器側(cè)的濾波電感;Lg為電網(wǎng)側(cè)的濾波電感;Ll為變壓器的漏感與線路電感之和,為了簡(jiǎn)化分析,忽略了線路電阻。下面對(duì)虛擬慣量協(xié)調(diào)控制策略的控制實(shí)現(xiàn)進(jìn)行具體說(shuō)明。

圖1 永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)電路和控制框圖Fig.1 Circuit and control block diagram of grid-connected system of PMSG-based wind turbine

1.1 機(jī)側(cè)變流器控制

在機(jī)側(cè)變流器控制中,采用虛擬慣量控制實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的慣量模擬,其主要原理是將電網(wǎng)頻率微分信號(hào)(df/dt)引入有功功率參考值中,從而建立風(fēng)機(jī)有功功率輸出與電網(wǎng)頻率的聯(lián)系。如圖1所示,虛擬慣量控制的方程為：

(1)

1.2 網(wǎng)側(cè)變流器控制

在網(wǎng)側(cè)變流器控制中,采用虛擬同步控制實(shí)現(xiàn)變流器的并網(wǎng)自同步,其包含直流電壓控制器、無(wú)功—電壓下垂控制器、內(nèi)環(huán)控制器及電流前饋控制器。其中,內(nèi)環(huán)控制器采用了交流電壓控制和交流電流控制的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu),由于當(dāng)前已有很多文獻(xiàn)對(duì)這種級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究[21-22],此處不再贅述。

1.2.1直流電壓控制器

在虛擬同步控制中,直流電壓控制器不僅能夠控制直流電壓穩(wěn)定,而且能利用直流電容動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)變流器的并網(wǎng)自同步[15],如圖1所示。其控制方程為：

(2)

值得一提的是,附加的鎖相環(huán)只是為了獲取電網(wǎng)頻率的穩(wěn)態(tài)值,不用于實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)同步。

該虛擬同步控制的并網(wǎng)自同步機(jī)理將在第2節(jié)進(jìn)一步討論。

1.2.2無(wú)功—電壓下垂控制

無(wú)功—電壓下垂控制使直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組具有電壓支撐能力,如圖1所示,其基本的控制方程為:

Vref-V0=KQ(Q0-QE)

(3)

式中：Vref為無(wú)功—電壓下垂控制的輸出電壓幅值參考值;V0為電壓幅值給定值;KQ為無(wú)功—電壓下垂系數(shù);Q0和QE分別為無(wú)功功率給定值和輸出值。

1.2.3電流前饋控制器

由于直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)頻率波動(dòng)時(shí)需要提供功率支撐,這將導(dǎo)致在暫態(tài)過(guò)程中直流電容兩側(cè)功率不平衡,從而引起直流電壓波動(dòng)。為了抑制直流電壓波動(dòng),在網(wǎng)側(cè)變流器控制中加入了電流前饋控制器,其原理在于把機(jī)側(cè)有功電流分量引入網(wǎng)側(cè)有功電流分量控制中,如圖1所示。其控制方程為：

(4)

2 直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)自同步和慣量支撐分析

2.1 直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)自同步

在直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的網(wǎng)側(cè)變流器控制中,直流電壓控制器利用直流電容動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)自同步。考慮到交流電壓/電流控制器的響應(yīng)速度較快[24],在分析并網(wǎng)同步時(shí)忽略交流電壓電流控制器的動(dòng)態(tài)從而簡(jiǎn)化分析。

直流電容的動(dòng)態(tài)方程為：

(5)

式(5)可以進(jìn)一步寫(xiě)成：

(6)

將式(6)代入式(2)中得到：

(7)

由于并網(wǎng)同步主要與風(fēng)機(jī)輸出電壓的相角θ相關(guān)聯(lián)[24],所以在此忽略直流電壓的偏差以簡(jiǎn)化并網(wǎng)自同步分析。則式(7)可以進(jìn)一步寫(xiě)成：

(8)

對(duì)比同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)方程可以看出,KJCDC/2對(duì)應(yīng)于同步發(fā)電機(jī)的慣量時(shí)間常數(shù),KDCDC/2對(duì)應(yīng)于同步發(fā)電機(jī)的電氣阻尼系數(shù),PWT對(duì)應(yīng)于同步發(fā)電機(jī)的原動(dòng)機(jī)輸出功率,Pg對(duì)應(yīng)于同步發(fā)電機(jī)的電磁功率輸出,ω對(duì)應(yīng)于同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

因此,式(2)中的直流電壓控制器可使網(wǎng)側(cè)變流器模擬同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)方程,如圖2所示?？梢钥闯?直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組輸出電壓的相角(θ=ω/s)主要由直流電壓控制器決定,而輸出電壓的幅值E則由無(wú)功—電壓下垂控制器決定。因此,直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組可以等效成一個(gè)可控電壓源,并且其輸出電壓相角和幅值分別來(lái)自于直流電壓控制器和無(wú)功—電壓下垂控制器,其等效模型如圖2所示。

圖2 并網(wǎng)自同步等效模型Fig.2 Equivalent model of grid-connected self-synchronization

2.2 直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的慣量支撐

(9)

考慮到fg=2πω,將式(9)代入式(8)中可得：

PMPPT-Pg

(10)

對(duì)比式(10)與式(8)可以看出,在加入虛擬慣量控制后,直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的等效虛擬慣量增大了2πKin,同時(shí)等效同步發(fā)電機(jī)的原動(dòng)機(jī)輸出功率由PWT變成了PMPPT,說(shuō)明直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組中用來(lái)提供有功支撐的儲(chǔ)能包括了在PMPPT與Pg之間的槳葉旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)能和直流電容儲(chǔ)能,并且通過(guò)調(diào)節(jié)Kin與KJ的大小可以靈活地控制這兩種儲(chǔ)能參與系統(tǒng)虛擬慣量支撐的比重。

在直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組中,考慮到直流電容儲(chǔ)能遠(yuǎn)小于其存儲(chǔ)的槳葉旋轉(zhuǎn)動(dòng)能,因此選擇槳葉中的旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)能作為主要的虛擬慣量模擬來(lái)源,并且在虛擬慣量協(xié)調(diào)控制中利用了電流前饋控制來(lái)減小直流電壓的波動(dòng),從而進(jìn)一步減小了直流電容儲(chǔ)能在虛擬慣量模擬中的比重。綜上,在虛擬慣量協(xié)調(diào)控制策略中,網(wǎng)側(cè)虛擬同步控制實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)自同步,而機(jī)側(cè)虛擬慣量控制主要實(shí)現(xiàn)直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的慣量模擬,從而使得直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組既能夠適應(yīng)弱電網(wǎng)的運(yùn)行條件,也能夠?qū)~中的旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)能為電網(wǎng)提供頻率支撐。

值得一提的是,從式(9)中可以看出,在電網(wǎng)頻率跌落的暫態(tài)過(guò)程中,風(fēng)機(jī)的有功功率輸出的參考值會(huì)暫時(shí)增加,進(jìn)而釋放風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子中的動(dòng)能為電網(wǎng)提供頻率支撐,當(dāng)暫態(tài)過(guò)程結(jié)束時(shí),即dfg/dt=0,風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài),因此虛擬慣量控制主要用于減緩系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)程中頻率的快速變化。同時(shí),在虛擬慣量協(xié)調(diào)控制策略的機(jī)側(cè)控制中也可以加入有功—頻率下垂控制,此時(shí)直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組將能夠在電網(wǎng)頻率跌落時(shí)為電網(wǎng)持續(xù)提供有功功率支撐[25],本文限于篇幅不再討論。

3 直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組小信號(hào)分析

3.1 直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)

本節(jié)將通過(guò)直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)分析其動(dòng)態(tài)特性?？紤]到已有很多文獻(xiàn)研究了永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的小信號(hào)模型[11,26],可以根據(jù)小信號(hào)模型進(jìn)一步得到直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的功率傳輸閉環(huán)傳遞函數(shù)為(詳細(xì)推導(dǎo)見(jiàn)附錄A)：

(11)

通過(guò)式(11)可以分析直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)在不同控制參數(shù)和電網(wǎng)條件下的動(dòng)態(tài)特性。

3.2 直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)性能及影響因素

為了分析電流前饋控制器對(duì)直流電壓波動(dòng)的抑制效果,圖3(a)給出了由式(11)得出的在不同前饋系數(shù)KF下系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)波特圖。其中電網(wǎng)短路比SCR為5,虛擬慣量常數(shù)為Kin=3,且前饋系數(shù)KF從0增加到0.9。可以看出,當(dāng)KF=0時(shí),幅頻曲線存在一個(gè)較大的諧振峰值,并且隨著KF的增大,該諧振峰值逐漸減小,說(shuō)明了增大KF能夠改善有功功率的跟蹤特性,進(jìn)而減小暫態(tài)過(guò)程中PWT與Pg之間的偏差量,從而達(dá)到抑制直流電壓波動(dòng)的效果。

為了分析電流前饋控制器對(duì)直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,圖3(b)給出了系統(tǒng)在不同前饋系數(shù)KF下的特征值軌跡?？梢钥闯?在前饋系數(shù)KF從0增大到0.9的過(guò)程中,特征值3和4的實(shí)數(shù)部分減小,虛數(shù)部分基本保持不變,即這兩個(gè)共軛特征值的頻率基本不變,保持在6 Hz左右,而阻尼比增大。在引入電流前饋控制器后所有特征值均在左半平面,并且特征值3和4的阻尼增大,說(shuō)明直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的系統(tǒng)穩(wěn)定裕度變大。同時(shí),與圖3(a)的有功功率波特圖對(duì)比可知,由于當(dāng)前饋系數(shù)KF較小時(shí),圖3(b)中的特征值3和4的阻尼較小,系統(tǒng)響應(yīng)會(huì)在特征值3和4的頻率下存在較大過(guò)沖,反映在圖3(a)的幅頻曲線中即為在該頻率(6 Hz左右)下存在較大的諧振峰值,并且隨著KF增大,特征值的阻尼增大,因此諧振峰值減小。

為了分析電網(wǎng)強(qiáng)度對(duì)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響,圖3(c)給出了在不同電網(wǎng)短路比SCR下的系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)波特圖,且其中KF=0.9,Kin=3。從圖3(c)中可以看出,隨著電網(wǎng)短路比從5減小到1,系統(tǒng)的帶寬從10.30 Hz減小到3.45 Hz。因此,當(dāng)直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組接入弱電網(wǎng)時(shí),風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的響應(yīng)速度會(huì)變慢,但是可以看出在弱電網(wǎng)下,甚至SCR為1時(shí),直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)性能仍在可接受范圍內(nèi),在該帶寬范圍內(nèi),直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組能夠保持小干擾穩(wěn)定性并且輸出有功功率能在較短時(shí)間內(nèi)跟蹤上有功功率參考值。

為了分析不同電網(wǎng)短路比對(duì)直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，圖3(d)給出了根據(jù)式(11)得到的系統(tǒng)在不同短路比下的特征值軌跡?？梢钥闯?在電網(wǎng)短路比從5減小到1的過(guò)程中,特征值3和4的虛部減小,說(shuō)明特征值3和4的頻率在逐漸減小。由于在SCR為1時(shí),所有特征值均位于左半平面,因此系統(tǒng)能夠保持小干擾穩(wěn)定。值得一提的是,式(8)中ωg由附加鎖相環(huán)得到,附加鎖相環(huán)只用于檢測(cè)電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)頻率,并不用于實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)同步,對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響不大,因此在弱電網(wǎng)下即使鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)性能變差,系統(tǒng)也能夠保持穩(wěn)定。(具體鎖相環(huán)參數(shù)的影響分析見(jiàn)附錄B)。

最后,進(jìn)一步分析所提出的控制策略中虛擬慣量常數(shù)Kin對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。下面選取電網(wǎng)頻率的微分量df/dt作為風(fēng)機(jī)系統(tǒng)模型式(11)的輸入信號(hào),輸出信號(hào)仍為網(wǎng)側(cè)變流器的有功功率輸出Pg。由此可以得到從df/dt到Pg閉環(huán)傳遞函數(shù)的波特圖,如圖3(e)所示。從圖3(e)中可以看出,在SCR為5并且KF=0.9的條件下,隨著虛擬慣量常數(shù)Kin從1增加到20,風(fēng)機(jī)有功輸出的增益逐漸增加,說(shuō)明增加Kin可以提高直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組有功功率對(duì)電網(wǎng)頻率波動(dòng)的響應(yīng)程度,從而提高風(fēng)機(jī)對(duì)電網(wǎng)的功率支撐能力。

圖3 直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組閉環(huán)波特圖及特征值軌跡Fig.3 Bode diagram and loci of system eigenvalues for PMSG-based wind turbines

4 仿真與分析

4.1 單臺(tái)直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)仿真分析

為了驗(yàn)證本文提出的虛擬慣量協(xié)調(diào)控制策略的有效性,本節(jié)針對(duì)圖1所示的永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組在MATLAB/Simulink中進(jìn)行了電磁暫態(tài)仿真。其中主要系統(tǒng)參數(shù)如下：額定線電壓Vnom=690 V,額定容量Pnom=1.5 MW,額定頻率fnom=50 Hz,永磁直驅(qū)電機(jī)的dq軸電感Ld=Lq=1.387(標(biāo)幺值),永磁直驅(qū)電機(jī)的慣量時(shí)間常數(shù)Ta=10.459 s,永磁直驅(qū)電機(jī)極對(duì)數(shù)P=48,直流電容CDC=0.12(標(biāo)幺值),其他參數(shù)見(jiàn)附錄C。

首先,為了驗(yàn)證虛擬慣量控制對(duì)直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響,假設(shè)在t=1 s時(shí)電網(wǎng)頻率由50 Hz跌落至49.8 Hz,此時(shí)不同虛擬慣量常數(shù)Kin下的直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組時(shí)域響應(yīng)如圖4(a)所示?？梢钥闯?隨著Kin的增加,直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組輸出有功功率波動(dòng)幅度變大,說(shuō)明直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組能夠響應(yīng)電網(wǎng)頻率波動(dòng),為電網(wǎng)提供慣量支撐,并且通過(guò)調(diào)節(jié)Kin可以靈活地控制直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組虛擬慣量的大小,從而為電網(wǎng)提供不同程度的有功功率支撐。同時(shí),從圖4(a)中可以看出,在暫態(tài)過(guò)程中,直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組有功功率的波動(dòng)會(huì)使得直流電容兩側(cè)功率不平衡,進(jìn)而導(dǎo)致直流電壓波動(dòng)。

為了驗(yàn)證電流前饋控制對(duì)直流電壓波動(dòng)的抑制效果,圖4(b)給出了同樣電網(wǎng)頻率跌落的情況下,應(yīng)用不同前饋系數(shù)KF時(shí)的直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組時(shí)域響應(yīng)?？梢钥闯?隨著KF的增大,直流電壓波動(dòng)逐漸減小,并且t=1 s之后有功功率Pg的第一個(gè)峰值變化很小,說(shuō)明電流前饋控制能夠有效地抑制直流電壓的波動(dòng),且同時(shí)可以維持直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組在頻率跌落時(shí)為電網(wǎng)提供有功功率支撐的能力。

圖4 直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組時(shí)域響應(yīng)Fig.4 Time-domain responses of PMSG-based wind turbines

最后,為了驗(yàn)證直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組接入弱電網(wǎng)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性,假設(shè)由于電網(wǎng)拓?fù)渥兓瘜?dǎo)致系統(tǒng)短路比SCR在t=3 s時(shí)從5減小到3,再在t=6 s時(shí)從3減小到1,分別仿真得到在虛擬慣量協(xié)調(diào)控制策略和傳統(tǒng)鎖相環(huán)控制下的永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的時(shí)域響應(yīng),如圖4(c)和(d)所示。對(duì)比圖4(c)和(d)可以看出,在虛擬慣量協(xié)調(diào)控制策略下,永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組在弱電網(wǎng)中具有良好的動(dòng)態(tài)性能,甚至在SCR為1時(shí)也能保持穩(wěn)定,而傳統(tǒng)鎖相環(huán)控制下的永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組在SCR為1時(shí)輸出有功和直流電壓發(fā)散,風(fēng)機(jī)系統(tǒng)失去穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)比可以看出,本文所提出的虛擬慣量協(xié)調(diào)控制策略相較于傳統(tǒng)鎖相環(huán)控制在弱網(wǎng)下具有更好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性。

4.2 兩區(qū)四機(jī)系統(tǒng)仿真分析

4.1節(jié)通過(guò)單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng),驗(yàn)證了本文所提出的控制策略對(duì)電網(wǎng)頻率的響應(yīng)特性。本節(jié)為了更直觀地反映該控制策略在實(shí)際電網(wǎng)頻率波動(dòng)時(shí)的頻率支撐效果及電網(wǎng)頻率的變化過(guò)程,針對(duì)永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組接入兩區(qū)四機(jī)的電網(wǎng)系統(tǒng)做進(jìn)一步仿真分析。兩區(qū)四機(jī)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示,其中SG1,SG2,SG3,SG4分別代表4個(gè)同步發(fā)電機(jī)組,每臺(tái)同步發(fā)電機(jī)輸出有功功率為0.5(標(biāo)幺值),永磁直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)從母線B1接入電網(wǎng)系統(tǒng),其輸出有功功率為0.75(標(biāo)幺值)。

圖5 兩區(qū)四機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其時(shí)域響應(yīng)Fig.5 Architecture of two-area four-machine power system and its time-domain responses

通過(guò)在母線B1上投切負(fù)荷3使得系統(tǒng)頻率產(chǎn)生波動(dòng),從而研究頻率波動(dòng)時(shí)風(fēng)電機(jī)組的響應(yīng)過(guò)程和系統(tǒng)頻率的變化過(guò)程。圖5(b)給出了在不同虛擬慣量常數(shù)Kin下,系統(tǒng)在t=2 s時(shí)投入負(fù)荷3的電網(wǎng)頻率和永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組輸出有功功率的時(shí)域響應(yīng)曲線。從圖5(b)中可以看出,在投入負(fù)荷3后系統(tǒng)的頻率跌落,永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的輸出功率迅速增加。同時(shí)隨著虛擬慣量常數(shù)Kin的增加,風(fēng)電機(jī)組輸出功率的峰值增大,因此風(fēng)電機(jī)組能夠提供更多的功率用于支撐系統(tǒng)頻率,使得電網(wǎng)頻率跌落的谷值增大且下降斜率減小,說(shuō)明增大Kin能夠使風(fēng)電機(jī)組在頻率跌落時(shí)輸出更多的有功功率,從而減緩電網(wǎng)頻率的波動(dòng)。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組提出了一種虛擬慣量協(xié)調(diào)控制策略，該策略在機(jī)側(cè)變流器控制中引入虛擬慣量模擬，在網(wǎng)側(cè)變流器控制中引入虛擬同步控制實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)自同步。研究表明，虛擬慣量控制能使直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組能夠在電網(wǎng)頻率波動(dòng)時(shí)利用儲(chǔ)存的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能為系統(tǒng)提供有功功率支撐，網(wǎng)側(cè)的虛擬同步控制能夠利用直流電容動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)的同步。未來(lái)將研究該協(xié)調(diào)控制策略時(shí)風(fēng)電機(jī)組在大干擾下的動(dòng)態(tài)特性及其穩(wěn)定性提升方法。

本文得到浙江省電力公司科技項(xiàng)目“含高比例可再生能源的系統(tǒng)振蕩風(fēng)險(xiǎn)分析方法及應(yīng)用研究”資助,特此致謝！

附錄見(jiàn)本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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賀家發(fā)(1993—),男,碩士研究生,主要研究方向：新能源并網(wǎng)控制技術(shù)。

宋美艷(1987—),女,碩士,主要研究方向：機(jī)電一體化與風(fēng)機(jī)并網(wǎng)控制技術(shù)。

蘭 洲(1980—),男，高級(jí)工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)控制與規(guī)劃。

辛煥海(1981—),男,通信作者,博士,教授,主要研究方向：電力系統(tǒng)穩(wěn)定與新能源并網(wǎng)技術(shù)。E-mail： xinhh@zju.edu.cn