直驅(qū)風(fēng)電機組附加慣性和槳距角減載聯(lián)合頻率控制策略

李 昊，王印松，李牡丹

（1.華北電力大學(xué) 控制與計算機工程學(xué)院，河北 保定 071003；2.華北電力大學(xué)科技學(xué)院，河北 保定 071003）

0 引言

近些年來，全球風(fēng)力發(fā)電迅猛發(fā)展，裝機容量和發(fā)電量占比大幅度提升，成為新能源中最具發(fā)展?jié)摿Φ陌l(fā)電技術(shù)［1］。由于風(fēng)電機組和電網(wǎng)頻率解耦，不能像常規(guī)發(fā)電機組一樣為電力系統(tǒng)提供頻率支撐，風(fēng)電滲透率的增加將會對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行帶來挑戰(zhàn)［2］，使得風(fēng)電機組的頻率控制策略研究成為當(dāng)前的一個熱點。

和雙饋異步電機相比，直驅(qū)永磁同步電機采用永磁體勵磁，省去了齒輪箱，具有結(jié)構(gòu)簡單、維護成本低、可靠性高等優(yōu)點［3-4］，在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域變得越來越受歡迎。

為了使風(fēng)力發(fā)電機組參與系統(tǒng)的頻率調(diào)整，國內(nèi)外學(xué)者針對風(fēng)電機組的頻率控制策略進行了深入研究。當(dāng)前風(fēng)電機組主要的頻率控制策略有附加慣性控制、超速減載控制、變槳減載控制以及頻率的綜合控制策略。文獻［5］在最大功率跟蹤策略的基礎(chǔ)上增加了附加慣性控制，證明了風(fēng)電機組可以通過釋放或者吸收轉(zhuǎn)子動能來響應(yīng)系統(tǒng)頻率的變化。文獻［6］在RT-LAB 上搭建了雙饋感應(yīng)電機附加慣性控制的半實物仿真平臺，驗證了附加慣性控制能夠有效地提高雙饋感應(yīng)電機并網(wǎng)的頻率適應(yīng)性，然而并沒有考慮轉(zhuǎn)速下跌所導(dǎo)致的失速問題以及轉(zhuǎn)速恢復(fù)帶來的頻率跌落問題。文獻［7］在附加慣性控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了轉(zhuǎn)速保護、轉(zhuǎn)速延時恢復(fù)模塊，證明了風(fēng)電場在一定程度上可以參與系統(tǒng)的頻率響應(yīng)。但是附加慣性控制只能在頻率變化的初期提供短暫的支撐，不能提供長期有效的支撐，為此，文獻［8］采用槳距角減載控制使風(fēng)力發(fā)電機組預(yù)留備用功率，同時結(jié)合附加慣性控制，能夠同時降低系統(tǒng)頻率的初始變化率和穩(wěn)態(tài)偏差，但是通過仿真求得槳距角和減載水平的函數(shù)關(guān)系存在著精度限制。文獻［9］采用超速減載控制預(yù)留備用功率，同時和附加慣性控制相結(jié)合，能夠有效地支撐系統(tǒng)的慣性調(diào)頻，減小頻率的穩(wěn)態(tài)偏差，但是當(dāng)轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速的時候，該策略便不能實現(xiàn)有效減載。文獻［10］將附加慣性控制、超速減載控制、變槳減載控制相結(jié)合，充分發(fā)揮不同控制策略的優(yōu)點，實現(xiàn)了全風(fēng)速范圍內(nèi)的頻率調(diào)節(jié)，但是也增加了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜度。

首先建立D-PMSG 的簡化模型，分析不同風(fēng)速下風(fēng)電機組的運行狀況；研究附加慣性控制策略的結(jié)構(gòu)和原理；分析槳距角減載控制的原理，針對文獻［8］、［10］中槳距角和減載水平關(guān)系難以確定的問題，提出一種改變功率設(shè)定值的槳距角減載頻率控制策略；最后將附加慣性控制和所提出的槳距角減載頻率控制相結(jié)合，并通過仿真驗證了控制方法的有效性。

1 D-PMSG 簡化模型及控制策略

1.1 風(fēng)力機模型

由貝茲理論可知，風(fēng)輪從風(fēng)中捕獲的風(fēng)能是有限的，其捕獲的機械功率可以描述如下［11］：

式中：ρ 為空氣密度；R 為風(fēng)輪半徑；v 為風(fēng)速；Cp為風(fēng)能利用系數(shù)；λ 為葉尖速比；β 為槳距角；ω 為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。

風(fēng)力機產(chǎn)生的機械轉(zhuǎn)矩為

1.2 軸系模型

考慮到時間效率和精度，忽略傳動軸的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)和機械損耗，將風(fēng)力機和發(fā)電機轉(zhuǎn)子等效為單質(zhì)塊模型［12］，如式（6）所示。

式中：Te為發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩；J1為發(fā)電機等效的轉(zhuǎn)動慣量。

1.3 發(fā)電機及變流器簡化模型

由于風(fēng)電機組的電磁暫態(tài)過程遠遠小于機電暫態(tài)過程，在研究風(fēng)電機組有功功率控制和頻率控制問題的時候，可以將發(fā)電機和變流器簡化為一階慣性環(huán)節(jié)［13］：

式中：T 為發(fā)電機和變流器的等效時間常數(shù)；Pe為風(fēng)電機組輸出的電磁功率；Popt為最大功率跟蹤控制下的發(fā)電機的最優(yōu)參考功率。

1.4 最大功率跟蹤和變槳控制

為了避免使用風(fēng)速傳感器，采用功率曲線反饋法實現(xiàn)風(fēng)電機組的最大功率跟蹤控制。該方法根據(jù)實發(fā)功率將轉(zhuǎn)速調(diào)整為最優(yōu)轉(zhuǎn)速ωopt，使風(fēng)機達到最佳葉尖速比λopt，進而得到最大風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax，得到最優(yōu)參考功率Popt。最大功率跟蹤控制下的最優(yōu)參考指令為［14］

變槳控制系統(tǒng)采用傳統(tǒng)PID 控制器實現(xiàn)。當(dāng)輸出功率小于額定功率Pn時，槳距角為0，風(fēng)電機組輸出最大功率。當(dāng)輸出功率大于額定功率Pn時，通過PID 控制器調(diào)節(jié)槳距角減小風(fēng)能利用系數(shù)，使風(fēng)電機組的輸出功率始終保持在額定功率處。直驅(qū)永磁風(fēng)電機組的簡化模型結(jié)構(gòu)如圖1 所示［15］。

1.5 不同風(fēng)況下風(fēng)電機組的運行狀況

D-PMSG 在不同的風(fēng)速下所采取的控制策略不同，輸出功率也不同。通常包含以下4 個區(qū)域：當(dāng)v＜vcut-in時，風(fēng)電機組工作在啟機區(qū)；當(dāng)vcut-in≤v＜vn時，風(fēng)電機組工作在最大功率跟蹤區(qū)；當(dāng)vn≤v＜vcut-out時，風(fēng)電機組運行在恒功率區(qū)；當(dāng)v≥vcut-out時，風(fēng)電機組運行在停機區(qū)。風(fēng)電機組的運行狀況如圖2 所示。

圖1 直驅(qū)風(fēng)電機組簡化模型結(jié)構(gòu)

圖2 風(fēng)電機組運行狀況

不同風(fēng)速區(qū)域下，風(fēng)電機組的輸出功率為

式中：vcut-in為切入風(fēng)速；vn為額定風(fēng)速；vcut-out為切出風(fēng)速。

2 附加慣性控制

直驅(qū)風(fēng)電機組采用最大功率跟控制策略和全功率變流器并網(wǎng)，不能夠響應(yīng)系統(tǒng)頻率的變化，無法為系統(tǒng)提供頻率支撐。風(fēng)力發(fā)電機組轉(zhuǎn)子蘊含的動能和同容量的傳統(tǒng)同步發(fā)電機組一樣多［16］，為了使風(fēng)電機組能夠像傳統(tǒng)同步發(fā)電機組在頻率變化時具有慣性響應(yīng)特性，在風(fēng)電機組上最大功率跟蹤控制基礎(chǔ)上增加附加慣性控制環(huán)節(jié)，D-PMSG 的附加慣性控制環(huán)節(jié)如圖3 所示［11］。

附加慣性控制環(huán)節(jié)由低通濾波器、高通濾波器、下垂控制回路（上）、虛擬慣量回路（下）4 部分組成。低通濾波器用來濾除測量噪聲的干擾，高通濾波器用來阻斷穩(wěn)態(tài)的輸出，保證風(fēng)電機組轉(zhuǎn)速平穩(wěn)恢復(fù)。下垂控制回路模擬傳統(tǒng)等值同步電機的靜態(tài)特性，增發(fā)與頻率偏差成比例的功率，虛擬慣量回路用來模擬傳統(tǒng)等值同步電機的慣性特性，增發(fā)與系統(tǒng)頻率微分成比例的功率。轉(zhuǎn)速保護模塊保證風(fēng)電機組在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于0.7ωn時退出附加慣性控制，防止轉(zhuǎn)速過低而導(dǎo)致切機事故。

附加慣性環(huán)節(jié)得到的參考功率指令Pf為

式中：kp為附加慣性控制的比例系數(shù)；kd為附加慣性控制的微分系數(shù)。

圖3 附加慣性控制原理結(jié)構(gòu)

3 直驅(qū)風(fēng)電機組槳距角減載頻率控制

由于附加慣性只能提供短暫的頻率支撐，不能夠減小系統(tǒng)頻率的穩(wěn)態(tài)偏差，改變槳距角的大小可以使風(fēng)電機組預(yù)留備用功率，為系統(tǒng)頻率提供長期有效的支撐。圖4 繪出了風(fēng)電機組槳距角減載控制的原理，從圖中可知，當(dāng)風(fēng)電機組的最大功率跟蹤曲線系數(shù)不變時，在風(fēng)速v1下，槳距角從β1減小至β0，可以使風(fēng)電機組的穩(wěn)定運行點由點B 移動至點A，增加ΔP1的輸出功率。槳距角從β1增加至β2，可以使風(fēng)電機組的穩(wěn)定運行點由點B 移動至點C，減少ΔP2的輸出功率。

將減載水平d 定義為采用槳距角控制使風(fēng)電機組減發(fā)的功率占當(dāng)前風(fēng)速下最優(yōu)輸出功率Popt或者額定輸出功率Pn的百分比［17］。由于槳距角和減載水平之間存在著嚴(yán)重的非線性，為了能夠?qū)崿F(xiàn)精確減載，當(dāng)前文獻多通過仿真的方法得到不同風(fēng)速下初始槳距角和減載水平的對應(yīng)關(guān)系，實現(xiàn)困難，并且存在著精度限制。為此提出了一種通過改變功率設(shè)定值的槳距角減載頻率控制策略，其控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 槳距角減載控制原理

根據(jù)風(fēng)電機組運行的區(qū)域，在最大功率跟蹤區(qū)將功率的參考值設(shè)定為（1-d）Popt實現(xiàn)風(fēng)電機組的減載運行，在恒功率區(qū)將功率的參考值設(shè)定為（1-d）Pn實現(xiàn)風(fēng)電機組的減載運行，從而預(yù)留出備用功率。當(dāng)頻率發(fā)生變化時，按照圖6 對功率的參考值進行調(diào)整，從而改變輸出功率參與系統(tǒng)頻率的調(diào)整。

圖5 槳距角減載頻率控制結(jié)構(gòu)

圖6 頻率-功率參考值關(guān)系

當(dāng)頻率的偏差Δf 在fdead--fdead+時，風(fēng)電機組的輸出功率參考值為Pref=Pd，保證風(fēng)電機組有效減載；當(dāng)頻率的偏差Δf 在fdead+-f+時，風(fēng)電機組的輸出功率參考值為減小風(fēng)電機組的輸出功率；當(dāng)頻率的偏差Δf 在f--fdead-時，風(fēng)電機組的輸出功率參考值為增加風(fēng)電機組的輸出功率。當(dāng)頻率的偏差小于f-或者大于f+時，分別將輸出功率的參考值設(shè)置為P0%、P2d參與系統(tǒng)頻率的響應(yīng)。

4 仿真分析

為了驗證所提出的聯(lián)合頻率控制策略的正確性，基于簡化的風(fēng)電機組模型，在SIMULINK 上搭建了如圖7 所示的仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)由1 臺2 MW 的D-PMSG 和1 臺等值同步發(fā)電機組組成。仿真系統(tǒng)基于標(biāo)幺值搭建，仿真結(jié)果采用有名值表示。

圖7 系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)

取風(fēng)速v1為10 m/s，風(fēng)電機組減載水平d=10%，系統(tǒng)初始頻率平衡，在50 s 時，系統(tǒng)的負(fù)荷突增0.4 MW，系統(tǒng)在不同控制策略下的頻率響應(yīng)如圖8所示，頻率響應(yīng)的部分響應(yīng)數(shù)據(jù)如表1 所示。

圖8 不同控制策略下的頻率響應(yīng)

從圖8 和表1 中的數(shù)據(jù)可以得到，和最大功率跟蹤控制相比，附加慣性控制使系統(tǒng)頻率的最低值增加了0.23 Hz，系統(tǒng)頻率到達最低值的時間增加了0.56 s，有效地減小了系統(tǒng)頻率跌落幅度和變化率，但是對系統(tǒng)頻率的穩(wěn)態(tài)值并沒有作用；采用槳距角減載頻率控制，系統(tǒng)頻率的最低值增加了0.07 Hz，到達最低值的時間減小了0.06 s，系統(tǒng)頻率的穩(wěn)態(tài)值增加了0.12 Hz，槳距角減載頻率控制對系統(tǒng)頻率的暫態(tài)響應(yīng)影響較小，但是可以有效地改善系統(tǒng)頻率的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)；聯(lián)合頻率控制策略使系統(tǒng)頻率的最低值增加了0.23 Hz，到達最低值的時間增加0.52 s，系統(tǒng)頻率的穩(wěn)態(tài)值增加了0.12 Hz，結(jié)合了附加慣性控制和槳距角減載頻率控制的優(yōu)點，有效地改進了系統(tǒng)頻率的動態(tài)偏差和穩(wěn)態(tài)偏差。

表1 不同控制策略下的頻率響應(yīng)

圖9 分別對比了風(fēng)電機組的參考功率、槳距角、轉(zhuǎn)速和輸出功率的響應(yīng)。從圖9 中可以看到，采用最大功率跟蹤控制，風(fēng)電機組的各個變量保持恒定不變，不參與系統(tǒng)頻率的響應(yīng)；采用附加慣性控制，風(fēng)電機組參考功率保持不變，槳距角為0，在負(fù)荷發(fā)生變化時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速迅速下跌，釋放轉(zhuǎn)子動能，增加輸出功率參與系統(tǒng)頻率的響應(yīng)；采用槳距角減載頻率控制，風(fēng)電機組通過設(shè)定參考值來實現(xiàn)精確減載，當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時，風(fēng)電機組的參考功率值增加，槳距角減小，轉(zhuǎn)速上升，輸出功率緩慢增加至最優(yōu)輸出功率，為系統(tǒng)頻率提供長期穩(wěn)定的支撐；采用聯(lián)合頻率控制，兩種控制策略共同作用，使風(fēng)電機組的初始時刻的轉(zhuǎn)速下降，增加初始時刻的輸出功率，改善系統(tǒng)頻率的初始值和初始跌落速率，參考功率增加，槳距角減小，使輸出功率最終增加至最優(yōu)功率，為系統(tǒng)頻率提供長期的頻率支撐。

在負(fù)荷突減的情況下，仿真結(jié)果類似，不再贅述。

圖9 風(fēng)電機組輸出變量響應(yīng)

5 結(jié)語

提出了一種附加慣性和槳距角減載聯(lián)合頻率控制策略。仿真結(jié)果表明：附加慣性控制能夠有效地減小系統(tǒng)頻率的跌落幅度和跌落速率；所提出的槳距角減載頻率控制能夠有效準(zhǔn)確地實現(xiàn)風(fēng)電機組的減載運行，為系統(tǒng)提供長久的頻率支撐，改變系統(tǒng)頻率的穩(wěn)態(tài)偏差；聯(lián)合頻率控制策略結(jié)合了附加慣性控制和槳距角減載控制的優(yōu)點，既能夠減小系統(tǒng)頻率的跌落幅度和跌落速率，同時能夠增加系統(tǒng)頻率的穩(wěn)態(tài)偏差，改善系統(tǒng)的頻率響應(yīng)。