采用風(fēng)機(jī)限轉(zhuǎn)矩控制的微電網(wǎng)一次調(diào)頻方法

趙熙臨， 吳恒

(湖北工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

傳統(tǒng)能源的短缺使清潔能源得到了廣泛的應(yīng)用，由小型分布式能源組成的微電網(wǎng)受到眾多學(xué)者的關(guān)注.微電網(wǎng)作為一個可控的供電單元，既能與大型電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也能與主系統(tǒng)分離，進(jìn)行孤島運(yùn)行[1-2].當(dāng)微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時，風(fēng)電、光伏等分布式發(fā)電單元需要參與微電網(wǎng)的頻率調(diào)整[3-5].

針對風(fēng)電主導(dǎo)的微電網(wǎng)頻率控制，國內(nèi)外學(xué)者大多關(guān)注于風(fēng)機(jī)的慣性控制.一般而言，風(fēng)機(jī)的慣性控制通過附加頻率輔助控制回路，使風(fēng)機(jī)在短時內(nèi)釋放轉(zhuǎn)子動能，從而補(bǔ)償系統(tǒng)有功功率的缺失，具有支撐頻率的作用[6-7].文獻(xiàn)[8]提出下垂控制方法，使風(fēng)機(jī)模擬同步發(fā)電機(jī)響應(yīng)頻率偏差，提取轉(zhuǎn)子動能，參與系統(tǒng)調(diào)頻[9].文獻(xiàn)[10]提出虛擬慣性控制方法，通過響應(yīng)電網(wǎng)的頻率偏差率，更快地釋放轉(zhuǎn)子動能，在短時內(nèi)對電網(wǎng)提供頻率支撐.文獻(xiàn)[11]提出綜合慣性控制方法，使風(fēng)機(jī)同時響應(yīng)頻率偏差和頻率偏差率兩種信號，提高風(fēng)機(jī)對系統(tǒng)的響應(yīng)能力.然而，傳統(tǒng)虛擬慣性控制受轉(zhuǎn)速恢復(fù)模塊的影響，短時內(nèi)提取的動能十分有限[12].因此，一些學(xué)者提出限轉(zhuǎn)矩控制方法[13]，當(dāng)頻率偏差觸發(fā)控制后，將風(fēng)機(jī)的功率瞬間增大，并限制在轉(zhuǎn)矩的極限內(nèi).限轉(zhuǎn)矩控制方法使風(fēng)機(jī)對頻率的變化做出快速響應(yīng)，在短時內(nèi)提取大量動能對電網(wǎng)提供頻率支撐，但在轉(zhuǎn)速恢復(fù)過程中，存在嚴(yán)重的頻率二次跌落問題[14].為減少風(fēng)機(jī)慣性控制對電網(wǎng)頻率二次跌落的影響，眾多學(xué)者從不同角度進(jìn)行了分析[15-17].基于此，本文提出一種采用風(fēng)機(jī)限轉(zhuǎn)矩控制的微電網(wǎng)一次調(diào)頻方法.

1 微電網(wǎng)模型

圖1 DFIG的簡化模型

1.1 DFIG模型

風(fēng)機(jī)捕獲的機(jī)械功率輸出取決于槳距角、風(fēng)速等變量，其空氣動力學(xué)模型[15]為

(1)

式(1)中：ρ為空氣密度；A為葉片的掃風(fēng)面積；λ為葉尖速比，計算公式為

λ=Rrωt/v

.

(2)

式(2)中：Rr為葉片半徑.

Cp由λ，β決定，即

(3)

(4)

風(fēng)力渦輪機(jī)輸出的機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tt為

Tt=Pt/ωt

.

(5)

儲存在轉(zhuǎn)子上的動能Ek[11]為

(6)

式(6)中：J為旋轉(zhuǎn)軸系的轉(zhuǎn)動慣量.

當(dāng)風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行時，一般利用全功率變流器和變槳距系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤(MPPT).最大功率跟蹤曲線[14]表達(dá)式為

(7)

1.2 柴油機(jī)模型

當(dāng)微電網(wǎng)發(fā)生較大負(fù)荷擾動時，僅憑風(fēng)機(jī)的補(bǔ)償能力無法滿足系統(tǒng)的需求，因此需要柴油機(jī)參與微電網(wǎng)的發(fā)電控制.根據(jù)柴油機(jī)的發(fā)電特性，可將柴油機(jī)等效為一階慣性環(huán)節(jié)，并用傳遞函數(shù)的形式來表達(dá)，其數(shù)學(xué)模型[20]，如圖2所示.圖2中：Tg為調(diào)速器時間常數(shù)；Kg為柴油機(jī)頻率因子；ΔPc為控制器控制信號；ΔPg為柴油機(jī)的輸出功率變化量.

圖2 柴油機(jī)的數(shù)學(xué)模型

2 基于限轉(zhuǎn)矩的風(fēng)機(jī)一次調(diào)頻方法

2.1 風(fēng)機(jī)的慣性控制

風(fēng)機(jī)的慣性控制本質(zhì)上是根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子動能的快速吞吐，在短時內(nèi)對電網(wǎng)頻率起到支撐的作用[11].為了使風(fēng)機(jī)具有同步發(fā)電機(jī)的慣量特性，傳統(tǒng)虛擬慣性控制在風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子側(cè)變流器附加控制環(huán)節(jié)，從而改變風(fēng)電機(jī)組的有功功率輸出[10].由于傳統(tǒng)虛擬慣性控制在短時內(nèi)可提供的慣性較小，為適應(yīng)更大的負(fù)荷波動，探討短時內(nèi)能夠提供更多慣性的控制方法具有現(xiàn)實(shí)意義.

限轉(zhuǎn)矩控制由頻率偏差觸發(fā)，使風(fēng)電機(jī)組的輸出功率參考值迅速提高至當(dāng)前時刻轉(zhuǎn)速對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩極限功率，此后風(fēng)機(jī)有功功率輸出隨轉(zhuǎn)速變化以斜坡方式逐漸減小.由于限轉(zhuǎn)矩控制響應(yīng)速度比傳統(tǒng)虛擬慣性控制更快，且短時內(nèi)能夠提供的慣性更多，故發(fā)生負(fù)荷擾動時，相較于傳統(tǒng)虛擬慣性控制，限轉(zhuǎn)矩控制可以顯著地提高系統(tǒng)頻率的最低點(diǎn)[14].

2.2 限轉(zhuǎn)矩控制的原理

當(dāng)發(fā)生負(fù)荷擾動時，限轉(zhuǎn)矩控制的響應(yīng)過程可以分為動能提取和轉(zhuǎn)速恢復(fù)兩個階段.整個響應(yīng)過程中，限轉(zhuǎn)矩控制的運(yùn)行特性圖[13]，如圖3所示.圖3中：Pref為電磁功率參考值；p.u.為標(biāo)幺值；點(diǎn)O為DFIG停機(jī)時的狀態(tài)；點(diǎn)A～E分別為DFIG運(yùn)行于MPPT模式、轉(zhuǎn)矩極限、機(jī)械功率與電磁功率功率平衡、減載模式、重新運(yùn)行于MPPT模式的狀態(tài)；PT，lim為轉(zhuǎn)矩極限功率；PMPPT為MPPT模式下的電磁功率；PA，PD分別為點(diǎn)A，D的電磁功率；ωC，ωE分別為點(diǎn)C，E的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；ΔPde為電磁電磁功率減載量.

圖3 限轉(zhuǎn)矩控制的運(yùn)行特性圖

在動能提取階段(曲線A-B-C)，當(dāng)風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時，工作點(diǎn)(點(diǎn)A)位于MPPT曲線上，此時，電磁功率與機(jī)械功率相等；當(dāng)發(fā)生負(fù)荷擾動時，頻率偏差超過死區(qū)，DFIG將電磁功率參考值提升至點(diǎn)B，此時，增發(fā)電磁功率值取決于該時刻的風(fēng)速(OB對應(yīng)不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)矩極限的有功功率參考值)，該階段DFIG電磁功率P1為

(8)

為了避免出現(xiàn)轉(zhuǎn)速過小導(dǎo)致風(fēng)機(jī)宕機(jī)的情況，默認(rèn)ωmin為0.67 p.u.，轉(zhuǎn)速變化率dωr/dt的最大值為0.45 p.u.·s-1.

在動能提取階段，電磁功率與機(jī)械功率的差值ΔP均大于0，說明該過程中轉(zhuǎn)子處于減速狀態(tài)；轉(zhuǎn)速變化率dωr/dt隨ΔP的減小而減小，當(dāng)點(diǎn)C變?yōu)?時，轉(zhuǎn)速達(dá)到整個響應(yīng)階段的最小值，轉(zhuǎn)子動能釋放完畢.在轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段(曲線C-D-E-A)，為了使轉(zhuǎn)速盡快恢復(fù)，調(diào)整電磁轉(zhuǎn)矩的參考值，使其略低于機(jī)械功率.減載后的DFIG從點(diǎn)C運(yùn)行至點(diǎn)D，此時的電磁功率P2為

P2=PC-ΔPde

.

(9)

P3=PMPPT=kgωr3

.

(10)

式(10)中：kg為最大功率追蹤系數(shù).

此時，電磁功率仍小于機(jī)械功率，轉(zhuǎn)子將會加速，并沿著MPPT曲線重新運(yùn)行至點(diǎn)A，完成整個轉(zhuǎn)速恢復(fù)的過程.

綜上可知，在動能提取階段，限轉(zhuǎn)矩控制能夠快速地響應(yīng)系統(tǒng)頻率的變化，提供大量的轉(zhuǎn)子動能；在轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段，為了使轉(zhuǎn)子加速恢復(fù)，對風(fēng)機(jī)進(jìn)行一定程度的減載會加劇電網(wǎng)頻率的二次跌落.

2.3 基于槳距角補(bǔ)償?shù)南揶D(zhuǎn)矩控制

由式(1)～(4)可知:當(dāng)槳距角減少時，風(fēng)機(jī)將捕獲更多的機(jī)械功率，這部分機(jī)械功率可用于轉(zhuǎn)速恢復(fù)[11，18].根據(jù)系統(tǒng)頻率偏差調(diào)整槳距角的大小，可使風(fēng)機(jī)從源頭上捕獲更多的機(jī)械功率，補(bǔ)償限轉(zhuǎn)矩恢復(fù)過程中由電磁功率減載量ΔPde造成的風(fēng)機(jī)有功功率缺失，緩解電網(wǎng)頻率二次跌落.風(fēng)機(jī)的運(yùn)行曲線，如圖4所示.由圖4可知：當(dāng)發(fā)生負(fù)荷擾動時，調(diào)整槳距角可使工作點(diǎn)由點(diǎn)B運(yùn)行至點(diǎn)A，輸出功率可從Pt，B提升至Pt，A，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速由ωB提升至ωA.該過程提升的機(jī)械功率ΔPβ為

圖4 風(fēng)機(jī)的運(yùn)行曲線 圖5 基于槳距角補(bǔ)償?shù)娘L(fēng)機(jī)限轉(zhuǎn)矩控制框圖

ΔPβ=Pt，A-Pt，B.

(11)

該過程捕獲的機(jī)械功率一部分是為了補(bǔ)償風(fēng)機(jī)的功率跌落PC-D(曲線C-D)，緩解ΔPde給系統(tǒng)帶來的二次跌落，另一部分則是為了提供加速轉(zhuǎn)子恢復(fù)的功率PD-A(曲線D-A)，即

ΔPβ=PC-D+PD-A

.

(12)

根據(jù)以上分析，構(gòu)建基于槳距角補(bǔ)償?shù)娘L(fēng)機(jī)限轉(zhuǎn)矩控制框圖，如圖5所示.圖5中：Δf為頻率偏差；Kpa為槳距角頻率特性斜率；Δβ為槳距角控制信號；β*為槳距角的跟蹤信號；β0為初始槳距角.

（1）綜合管理：建立報警聯(lián)動管理平臺實(shí)現(xiàn)對各個子系統(tǒng)的綜合管理。傳統(tǒng)的信息孤島向管理平臺的變革的趨勢已經(jīng)不可逆轉(zhuǎn)。通過建立報警聯(lián)動管理平臺實(shí)現(xiàn)對各個子功能系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)對接。在系統(tǒng)中稍作配置，即可完成對系統(tǒng)功能的擴(kuò)展和功能系統(tǒng)的增加。即增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又增強(qiáng)了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，提高了子系統(tǒng)接入的效率和應(yīng)對不同場景的能力。

槳距角頻率控制策略通過附加的槳距角控制信號Δβ，使槳距角的跟蹤信號β*能夠響應(yīng)Δf的變化.同時，為了留出用于調(diào)頻的裕度，一般將β0設(shè)置為正值，使風(fēng)機(jī)運(yùn)行于減載狀態(tài).

將基于槳距角控制的二次跌落補(bǔ)償方法運(yùn)用于限轉(zhuǎn)矩風(fēng)機(jī)的一次調(diào)頻中.一方面，可以發(fā)揮限轉(zhuǎn)矩控制在負(fù)荷擾動響應(yīng)初期的優(yōu)勢，即轉(zhuǎn)子在短時內(nèi)釋放出大量動能，有效地提高頻率的最低點(diǎn)，為微電網(wǎng)在短時內(nèi)提供頻率支撐；另一方面，通過調(diào)整槳距角補(bǔ)償風(fēng)機(jī)功率跌落和轉(zhuǎn)速恢復(fù)所需能量，不僅減少了頻率二次跌落，而且可以使得轉(zhuǎn)速快速地恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài).

3 仿真分析

3.1 仿真系統(tǒng)

在Matlab/Simulink環(huán)境下構(gòu)建微電網(wǎng)模型，如圖6所示.風(fēng)機(jī)采用Vestas型5 MW雙饋感應(yīng)式發(fā)電機(jī)；柴油機(jī)組的額定輸出功率為2 MW；槳距角初始角度為1.1°.在不同風(fēng)速下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證文中方法的有效性.

圖6 微電網(wǎng)模型

風(fēng)機(jī)的參數(shù)，如表1所示.表1中：Pbase為基本功率；np為發(fā)電機(jī)極對數(shù)；Kp為功率系數(shù)；βmax，βmin分別為槳距角最大值和最小值；Tw為濾波器時間常數(shù)；dβ/dt為槳距角最大調(diào)節(jié)速率.

表1 風(fēng)機(jī)的參數(shù)

柴油機(jī)的參數(shù)，如表2所示.表2中：Tg為調(diào)速器時間常數(shù)；ΔPG為柴油機(jī)組功率偏差；ΔPL為負(fù)荷擾動；KL為負(fù)荷阻尼系數(shù)；H為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量；KG為柴油機(jī)頻率因子.

表2 柴油機(jī)的參數(shù)

3.2 不同風(fēng)速下微電網(wǎng)頻率響應(yīng)分析

在限轉(zhuǎn)矩控制過程中，由于不同風(fēng)速對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩極限使風(fēng)機(jī)的輸出功率不同，造成的二次跌落影響也不相同.因此，為了驗(yàn)證不同風(fēng)速下文中方法的有效性，在200 s時，增加0.1 p.u.的負(fù)荷波動，對不同風(fēng)速下微電網(wǎng)一次頻率響應(yīng)進(jìn)行分析.

當(dāng)風(fēng)速為9 m·s-1，將文中方法與傳統(tǒng)虛擬慣性與槳距角結(jié)合控制、限轉(zhuǎn)矩控制、傳統(tǒng)虛擬慣性控制等方法進(jìn)行對比分析，4種控制方法的仿真結(jié)果，如圖7所示.

(a) 微電網(wǎng)頻率偏差 (b) 風(fēng)機(jī)輸出功率

由圖7(a)可知：當(dāng)負(fù)荷突變時，相較于傳統(tǒng)虛擬慣性與槳距角結(jié)合控制方法，文中方法的暫態(tài)頻率最低點(diǎn)提高了0.011 Hz，能夠有效地抑制轉(zhuǎn)速恢復(fù)過程中的頻率二次跌落，同時，穩(wěn)態(tài)頻率誤差提高了-0.107 Hz；相較于虛擬慣性控制方法，文中方法的響應(yīng)速度更快，能夠更好地提高頻率最低點(diǎn).

由圖7(b)可知：在響應(yīng)初期，相較于傳統(tǒng)虛擬慣性控制方法、傳統(tǒng)虛擬慣性與槳距角結(jié)合控制方法，文中方法的曲線斜率更大，說明文中方法在短時內(nèi)能夠提取更大的慣性以彌補(bǔ)系統(tǒng)的功率缺失；相較于限轉(zhuǎn)矩控制方法，文中方法在轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段避免了風(fēng)機(jī)功率大幅跌落，減小了頻率的二次跌落.

由圖7(c)，(d)可知：相較于虛擬慣性控制方法，文中方法在響應(yīng)初期能夠更快地提取轉(zhuǎn)子動能，在轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段，由于槳距角減小使機(jī)械功率高于電磁功率，轉(zhuǎn)子能夠加速恢復(fù)至MPPT狀態(tài).

當(dāng)風(fēng)速為11 m·s-1(高風(fēng)速)時，仿真結(jié)果如圖8所示.

由圖8可知：在風(fēng)速增大的情況下，相較于傳統(tǒng)虛擬慣性與槳距角結(jié)合控制方法，文中方法能夠在短時內(nèi)提供更多的能量參與頻率支撐，可將暫態(tài)頻率最低點(diǎn)提高0.011 Hz，通過減小槳距角，捕獲更多機(jī)械功率，抑制頻率二次跌落，并將穩(wěn)態(tài)誤差提高0.047 Hz.因此，在不同風(fēng)速下，文中方法都能夠有效地提升風(fēng)電參與微電網(wǎng)一次調(diào)頻的性能.

(a) 微電網(wǎng)頻率 (b) 風(fēng)機(jī)輸出功率

4 結(jié)論

1) 限轉(zhuǎn)矩控制方法可以使風(fēng)機(jī)在短時內(nèi)提取更多的轉(zhuǎn)子動能，為系統(tǒng)提供頻率支撐，提高頻率最低點(diǎn)和微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率調(diào)整的動態(tài)響應(yīng)能力.

2) 附加的槳距角控制可以使風(fēng)機(jī)在必要時捕獲更多的機(jī)械功率，一方面，減少轉(zhuǎn)速恢復(fù)過程中的電網(wǎng)頻率二次跌落；另一方面，能夠?yàn)槲㈦娋W(wǎng)提供一定的功率支撐，減小微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)頻率誤差.