一種適用于電網(wǎng)頻率波動(dòng)的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)控制策略

曾德?tīng)N，黃劍鋒

（惠州學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，廣東 惠州 516007）

以雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)為主要機(jī)型的風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)的系統(tǒng)慣性沒(méi)有貢獻(xiàn)［1］，這不利于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性的維持．GILLIAN L等［2］對(duì)愛(ài)爾蘭國(guó)家的局部電網(wǎng)進(jìn)行了探索，MILLER N W等［3］對(duì)美國(guó)的公布式微電網(wǎng)進(jìn)行了探索，鄭黎明等［4］通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)的方式研究了風(fēng)場(chǎng)占主電網(wǎng)的比重的大小對(duì)電網(wǎng)頻率穩(wěn)定影響越大．對(duì)于雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)參與電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)節(jié)主流的有2種研究思路：一是增加系統(tǒng)虛擬慣性，二是儲(chǔ)備功率．MORREN J等［5］提出在電網(wǎng)頻率變化時(shí)改變風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速來(lái)提高系統(tǒng)的虛擬慣性．國(guó)內(nèi)關(guān)于電網(wǎng)頻率波動(dòng)的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)控制的研究尚少，李和明等［6］提出在低風(fēng)速階段增加虛擬慣性，間接提高了風(fēng)力機(jī)在低風(fēng)速階段并網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性．

本文通過(guò)引入電網(wǎng)頻率變化參數(shù)設(shè)計(jì)虛擬慣性控制環(huán)，增加系統(tǒng)虛擬慣性，通過(guò)改進(jìn)轉(zhuǎn)速控制器和槳距控制器使風(fēng)力機(jī)的減載運(yùn)行，使風(fēng)場(chǎng)儲(chǔ)備功率．通過(guò)Matlab/Simulink建立以水電為主風(fēng)電為輔的兩區(qū)域兩機(jī)電力系統(tǒng)模型，驗(yàn)證不同風(fēng)況下設(shè)計(jì)的有效性．

1 影響電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的因素與傳統(tǒng)雙饋風(fēng)力機(jī)的控制策略

1.1 影響電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的因素

以同步發(fā)電機(jī)為主的傳統(tǒng)電網(wǎng)中頻率是維持穩(wěn)定的［4］，其中發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)的功率與負(fù)載的關(guān)系可表示如下：

其中，J為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ωs為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，Pgen表示發(fā)電機(jī)的向電力系統(tǒng)輸送的功率，Pload則為電網(wǎng)總負(fù)載，p為同步發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)．

由式（1）、（2）可知影響電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的主要因素有J、Pgen、Pload，同時(shí)由電力系統(tǒng)的負(fù)載發(fā)生突變時(shí)將會(huì)引起電系統(tǒng)的頻率的變化（圖1）.可以看出負(fù)載變化量一定的情況下，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J越大，頻率的變化量就越小，即相對(duì)大的系統(tǒng)慣量能夠起到穩(wěn)定系統(tǒng)頻率的作用．

圖1 電網(wǎng)頻率隨負(fù)載突變產(chǎn)生變化

1.2 傳統(tǒng)的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制策略

傳統(tǒng)的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制策略主要分2個(gè)階段：在額定風(fēng)速以下階段，風(fēng)力發(fā)電機(jī)保持槳距角不變，通過(guò)控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲；在高于額定風(fēng)速階段，主要通過(guò)調(diào)節(jié)槳距角，限制風(fēng)力機(jī)獲取能量，控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率，確保風(fēng)力機(jī)功率恒定輸出．

其中，低風(fēng)速階段典型的速度控制環(huán)如圖2所示．發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以通過(guò)由P-ω關(guān)系得到，反應(yīng)了風(fēng)中處于最大風(fēng)能捕獲時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律［7］．

圖2 轉(zhuǎn)速控制器

當(dāng)功率在0.75 pu以下時(shí)，電機(jī)的參考轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式如下．

當(dāng)功率高于0.75 pu時(shí)，電機(jī)的參考轉(zhuǎn)速維持在1.2 pu．

典型的槳距控制環(huán)如圖3，槳距控制用于限制高于額定風(fēng)速時(shí)風(fēng)機(jī)輸出功率的穩(wěn)定性．

圖3 槳距控制器

傳統(tǒng)的控制器只是針對(duì)單臺(tái)風(fēng)機(jī)的控制，變速恒頻控制的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)使得發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率解耦，沒(méi)有涉及到并網(wǎng)頻率的控制，即電網(wǎng)頻率的變化將與風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，所以傳統(tǒng)的控制器不具備頻率響應(yīng)能力．因此，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性沒(méi)有貢獻(xiàn)．

2 仿真建模與控制策略的改進(jìn)

2.1 兩區(qū)域兩機(jī)電網(wǎng)模型

為研究雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的影響，利用Matlab/Simulink仿真軟件建立了以450 MW水電為主，10臺(tái)*1.5 MW的雙饋風(fēng)電機(jī)組成的風(fēng)電場(chǎng)為輔的兩區(qū)域兩機(jī)電力系統(tǒng)的模型（圖4）．

圖4 兩區(qū)域兩機(jī)模型

2.2 并網(wǎng)型雙饋風(fēng)力機(jī)的控制策略改進(jìn)

傳統(tǒng)的并網(wǎng)型雙饋風(fēng)力機(jī)的控制策略對(duì)系統(tǒng)慣性沒(méi)有貢獻(xiàn)．因此，本文設(shè)計(jì)了虛擬轉(zhuǎn)矩控制環(huán)節(jié)（圖5），為虛擬慣性控制做好準(zhǔn)備.圖5中：f為測(cè)得電網(wǎng)實(shí)時(shí)頻率，f0為電網(wǎng)工頻，LPF為低通濾波器，HPF為高通濾波器，Tinertia為輸出的虛擬慣性轉(zhuǎn)矩．

圖5 虛擬轉(zhuǎn)矩控制環(huán)節(jié)

此外，為了儲(chǔ)備功率，可通過(guò)超速控制設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)的減載運(yùn)行控制環(huán)節(jié)［4］．綜合增加虛擬慣性和儲(chǔ)備功率的思路設(shè)計(jì)了改進(jìn)后的轉(zhuǎn)速控制器（圖6），圖6虛框內(nèi)的A為增加了虛擬慣性轉(zhuǎn)矩Tinertia作為輸入的虛擬慣性控制環(huán)節(jié)．虛框B是以超速運(yùn)設(shè)計(jì)的減載運(yùn)行控制環(huán)節(jié)，p-ω關(guān)系圖中的虛線為風(fēng)機(jī)減載運(yùn)行的功率-轉(zhuǎn)速運(yùn)行曲線，即按最大功率捕獲時(shí)功率的1-X%運(yùn)行，則X%為儲(chǔ)備能量．

圖6 改進(jìn)后的轉(zhuǎn)速控制器

傳統(tǒng)的槳距控制器只在高風(fēng)速下切入控制，以獲得恒定功率的輸出．根據(jù)文獻(xiàn)［4］，槳距控制器還可以在任何風(fēng)速下實(shí)現(xiàn)風(fēng)力的減載運(yùn)行．風(fēng)力機(jī)減載運(yùn)行可為風(fēng)場(chǎng)儲(chǔ)備有功功率，根據(jù)這一思路對(duì)風(fēng)力機(jī)的槳距控制器進(jìn)行改進(jìn)（圖7），圖7虛框C內(nèi)的減載功率與槳距角的關(guān)系，輸入為減載X%，即可視為儲(chǔ)備能量.f為測(cè)得電網(wǎng)實(shí)時(shí)頻率，f0為電網(wǎng)工頻，LPF為低通濾波器，即為將電網(wǎng)頻率變化參數(shù)作為槳距控制的輸入．

圖7 改進(jìn)后的槳距控制器

改進(jìn)后的槳距控制器不再只是運(yùn)用于額定風(fēng)速以上，而可以工作于整個(gè)運(yùn)行階段的用于減載運(yùn)行控制．當(dāng)電網(wǎng)頻率波動(dòng)時(shí)可通過(guò)槳距調(diào)節(jié)向電網(wǎng)輸出有功功率，幫助電網(wǎng)頻率的恢復(fù)．

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 低風(fēng)速下的慣性控制

為驗(yàn)證慣性控制對(duì)雙饋風(fēng)機(jī)參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的效果，作如下工況下的仿真：

仿真工況：風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速為8 m/s，水電機(jī)組為450 M，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組150 M，負(fù)載為200 M，1～3 s系統(tǒng)增加20 M負(fù)載．

仿真結(jié)果由圖8可知，增加虛擬慣性控制環(huán)的轉(zhuǎn)速控制，當(dāng)頻率變化時(shí)可以對(duì)電網(wǎng)頻率提供短暫的支持，頻率的最大跌落值提高了0.15 Hz．但是20多處出了小幅度的二次跌落，之后快速回歸穩(wěn)態(tài)．

圖8 有無(wú)慣性控制的仿真結(jié)果對(duì)比

3.2 低風(fēng)速下的減載運(yùn)行控制

減載運(yùn)行是通過(guò)減少風(fēng)機(jī)功率輸出，達(dá)到能量?jī)?chǔ)備的目的，當(dāng)頻率跌落時(shí)啟用備用能量，使得頻率恢復(fù).

仿真工況：風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速為8 m/s，水電機(jī)組為450 M，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組150 M，負(fù)載為200 M，1～3 s系統(tǒng)增加20 M負(fù)載．

仿真結(jié)果由圖9得知，低風(fēng)速下的減載運(yùn)行控制對(duì)電網(wǎng)頻率下降的最大值起到了抑制的作用．下降的最大值由原來(lái)的0.52 Hz，縮小為0.46 Hz．

圖9 有無(wú)減載運(yùn)行控制的仿真結(jié)果對(duì)比

3.3 高風(fēng)速下混合控制

風(fēng)機(jī)運(yùn)行于高風(fēng)速段時(shí)，傳統(tǒng)的控制方法是調(diào)槳控制．本文采用改進(jìn)后的慣性控制與減載運(yùn)行控制策略相結(jié)合的控制策略．

仿真工況：風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速為13 m/s，水電機(jī)組為450 M，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組150 M，負(fù)載為200 M，1～3 s系統(tǒng)增加20 M負(fù)載．

仿真結(jié)果由圖10可知，傳統(tǒng)的單個(gè)槳距控制運(yùn)行的結(jié)果是系統(tǒng)頻率下降的最大值為0.36 Hz，混合控制運(yùn)行下的頻率下降最大值是0.26 Hz，混合控制的結(jié)果更優(yōu)于傳統(tǒng)控制．

圖10 有無(wú)混合控制策略的仿真結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

針對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)對(duì)局部電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定沒(méi)有貢獻(xiàn)的情況，本文提出將電網(wǎng)頻率變化信息引入傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制器和槳距控制器，設(shè)計(jì)虛擬慣性控制環(huán)和減載運(yùn)行控制環(huán)，同時(shí)對(duì)風(fēng)力機(jī)的過(guò)程控制進(jìn)行調(diào)整，低風(fēng)速時(shí)選擇虛擬慣性控制或者減載運(yùn)行控制，高風(fēng)速時(shí)則選擇混合控制策略．建立兩機(jī)兩區(qū)域仿真模型，用于驗(yàn)證所改進(jìn)的控制策略，由結(jié)果分析知，額定風(fēng)速以下的虛擬慣性控制和減載運(yùn)行控制，以及額定風(fēng)速以上的混合控制，均可使雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定起到一定的作用．

然而，這2種控制方式都存在著不足的地方，虛擬慣性控制可以在風(fēng)力機(jī)實(shí)現(xiàn)在最大風(fēng)能捕獲的情況下為系統(tǒng)提供短暫的功率支持，但風(fēng)輪的速度變化會(huì)引起電網(wǎng)頻率的二次跌落，同時(shí)轉(zhuǎn)速可能觸及轉(zhuǎn)速極限．減載運(yùn)行控制策略在高低風(fēng)速下均可使用，但是減載運(yùn)行將降低風(fēng)機(jī)的效率，以槳距控制實(shí)現(xiàn)的減載運(yùn)行可能引起變槳機(jī)構(gòu)的磨損，影響部件壽命．總得來(lái)說(shuō)，對(duì)于風(fēng)資源豐富且長(zhǎng)期工作的風(fēng)電場(chǎng)而言，犧牲小的風(fēng)機(jī)效率以獲得大規(guī)模的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)運(yùn)行是值得的．后續(xù)研究可對(duì)風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速控制器與槳距控制器以及全階段的過(guò)程控制進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)行更多的實(shí)地驗(yàn)證，以尋求風(fēng)電并網(wǎng)控制的最優(yōu)控制策略．