基于轉(zhuǎn)矩極限的改進(jìn)風(fēng)電機(jī)組虛擬慣量控制策略

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1028 文章編號(hào)：0254-0096（2023）02-0080-07

摘 要：為解決大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)帶來的系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性降低問題，風(fēng)電機(jī)組通過虛擬慣量控制可為系統(tǒng)提供短期頻率支撐，然而慣性響應(yīng)期間風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速收斂緩慢，導(dǎo)致一部分轉(zhuǎn)子動(dòng)能被無故浪費(fèi)；轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段的有功突變易造成頻率二次跌落。為此，提出基于轉(zhuǎn)矩極限的改進(jìn)風(fēng)電機(jī)組虛擬慣量控制策略，實(shí)現(xiàn)在釋放較少動(dòng)能的前提下提供與傳統(tǒng)策略相同的頻率響應(yīng)服務(wù)；并在頻率步入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)，借助時(shí)變功率函數(shù)開始轉(zhuǎn)速恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速快速恢復(fù)的同時(shí)緩解二次頻率跌落。基于EMTP-RV仿真軟件搭建包含風(fēng)電場的電力系統(tǒng)模型，驗(yàn)證了所提策略的有效性。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；頻率響應(yīng)；轉(zhuǎn)子動(dòng)能；二次頻率跌落；轉(zhuǎn)速恢復(fù)

中圖分類號(hào)：TM614 " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

受環(huán)境惡化和資源短缺的雙重壓力，以風(fēng)電為主的清潔能源發(fā)電得到了快速發(fā)展［1］。風(fēng)電機(jī)組采用電力電子變流器并網(wǎng)，使得風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)頻率解耦，電力系統(tǒng)發(fā)生擾亂后，無法為電網(wǎng)提供頻率響應(yīng)服務(wù)；此外，規(guī)?；L(fēng)電并網(wǎng)后大量常規(guī)火電機(jī)組被取代，系統(tǒng)整體慣性水平和調(diào)頻能力減弱，受擾后系統(tǒng)頻率變化率和最大頻率偏差增加，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行受到嚴(yán)重威脅［2-4］。

由于風(fēng)電機(jī)組蘊(yùn)含豐富的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，這使得利用風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子動(dòng)能參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)成為當(dāng)下研究熱點(diǎn)之一［5］。目前，最常見的轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制策略主要有虛擬慣性控制［6］、下垂控制［7］及虛擬慣量控制［8］。其中，虛擬慣性控制和下垂控制分別以頻率變化率和頻率偏差為輸入量，經(jīng)控制回路修正風(fēng)電機(jī)組有功出力；虛擬慣量控制在檢測到擾動(dòng)后，瞬時(shí)增加風(fēng)電機(jī)組有功輸出，其調(diào)頻響應(yīng)更快。因此，基于虛擬慣量控制的轉(zhuǎn)子動(dòng)能頻率調(diào)節(jié)策略應(yīng)用前景更加廣闊。

文獻(xiàn)［9］在檢測到負(fù)荷擾動(dòng)后，通過方波式虛擬慣量控制，立即增加風(fēng)電機(jī)組有功功率并保持預(yù)設(shè)時(shí)間，提高頻率最低點(diǎn)，但轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段風(fēng)電機(jī)組有功出力驟降，使得二次頻率跌落不可避免。文獻(xiàn)［10］提出一種自適應(yīng)慣性控制，基于機(jī)械功率曲線設(shè)計(jì)風(fēng)電機(jī)組參考功率，然而實(shí)際應(yīng)用中，風(fēng)電機(jī)組機(jī)械功率曲線難以直接獲取。文獻(xiàn)［11］提出一種基于轉(zhuǎn)矩極限的慣性控制（torque limit-based inertial control， TLBIC）策略，在檢測到擾動(dòng)事件后，通過將風(fēng)電機(jī)組有功輸出增加至轉(zhuǎn)矩極限來提供有效的頻率支撐；在轉(zhuǎn)速收斂時(shí)刻，通過少量功率減載，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速恢復(fù)的同時(shí)改善二次頻率跌落程度，但延長了轉(zhuǎn)速恢復(fù)時(shí)間。為此，文獻(xiàn)［12］通過風(fēng)儲(chǔ)協(xié)調(diào)控制策略，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速快速恢復(fù)的同時(shí)，消除了二次頻率下跌，然而由于儲(chǔ)能裝置成本較高，增加了電力系統(tǒng)整體運(yùn)維成本。為減少二次頻率跌落，文獻(xiàn)［13］提出基于邏輯回歸函數(shù)的風(fēng)電持續(xù)調(diào)頻策略，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速平滑恢復(fù)，但邏輯回歸函數(shù)需要定義的參數(shù)偏多。

本文基于傳統(tǒng)TLBIC策略，針對風(fēng)電機(jī)組頻率響應(yīng)過程中轉(zhuǎn)子動(dòng)能的無效釋放以及轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段的頻率二次跌落問題，提出一種基于轉(zhuǎn)矩極限的改進(jìn)風(fēng)電機(jī)組虛擬慣量控制策略，首先通過限轉(zhuǎn)矩的控制策略，使得風(fēng)電機(jī)組快速釋放轉(zhuǎn)子動(dòng)能參與調(diào)頻，并在系統(tǒng)頻率步入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速恢復(fù)；其次，借助時(shí)變加速功率函數(shù)使得風(fēng)電機(jī)組有功功率平緩恢復(fù)至最大功率點(diǎn)跟蹤（maximum power point tracking， MPPT）模式。最后，在包含風(fēng)電機(jī)組的4機(jī)系統(tǒng)模型中仿真證明了所提策略的有效性。

1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組建模

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（doubly-fed induction generator， DFIG）典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包含風(fēng)力機(jī)、傳動(dòng)軸、感應(yīng)電機(jī)及DFIG控制器4個(gè)部分。

DFIG通過風(fēng)力機(jī)捕獲風(fēng)能，并將其轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，拖動(dòng)感應(yīng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

風(fēng)力機(jī)捕獲的輸入機(jī)械功率[Pm]為：

式中：[ρ]——空氣密度，kg/m3；[A]——風(fēng)電機(jī)組葉片迎風(fēng)掃掠的面積，m2；[R]——風(fēng)電機(jī)組葉輪半徑，m；[vw]——風(fēng)速，m/s；[CP（λ， β）]——風(fēng)能利用系數(shù)；[λ]——葉尖速比，即風(fēng)電機(jī)組葉片葉尖線速度與風(fēng)速之比；[β]——風(fēng)電機(jī)組槳距角，（ °）。

[CP（λ， β）]的具體表達(dá)式為［11］：

其中，

式中：[ωr]——風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，rad/s。

如圖1所示，DFIG控制器由一個(gè)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器（rotor side convert， RSC）和一個(gè)網(wǎng)側(cè)變流器（grid side convert， GSC）組成。GSC主要負(fù)責(zé)保持直流環(huán)節(jié)（DC-Link）電壓的穩(wěn)定；RSC主要負(fù)責(zé)風(fēng)電機(jī)組的有功與無功解耦控制、MPPT控制、頻率控制等。

DFIG運(yùn)行于MPPT模式時(shí)，其輸出功率為：

式中：[PMPPT]——最大功率追蹤輸出功率，MW；[λopt]——風(fēng)電機(jī)組捕獲最大風(fēng)能時(shí)的最優(yōu)葉尖速比；[k]——風(fēng)電機(jī)組特征參數(shù)；[CP， max]——風(fēng)電機(jī)組捕獲最大風(fēng)能的風(fēng)能利用系數(shù)，對應(yīng)[β=0°]，[λ=λopt]。

2 DFIG調(diào)頻特性分析

由于DFIG中蘊(yùn)含豐富的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，因此，當(dāng)系統(tǒng)頻率受擾越限，風(fēng)電機(jī)組通過釋放轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，可為系統(tǒng)頻率提供良好的支撐作用［12］。

當(dāng)DFIG實(shí)施慣性控制（inertial control， IC）時(shí)，風(fēng)電機(jī)組有功功率變化量[ΔPIC]和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速[ωr]存在如下關(guān)系：

式中：[JDFIG]——DFIG轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，s。

根據(jù)傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)組（synchronous generator， SG）慣性常數(shù)[H]的定義［14］，類比可得DFIG的慣性常數(shù)[HDFIG]為：

式中：[SDFIG]——DFIG額定容量，MVA；[En]——額定角速度下DFIG蘊(yùn)含動(dòng)能，J；[ωn]——DFIG額定角速度，rad/s。

由式（7）可得[JDFIG]的表達(dá)式為：

將式（8）代入式（6）并標(biāo)幺化，式（6）可化簡為：

式中：[ΔPIC_pu]——風(fēng)電機(jī)組有功變化量標(biāo)幺值，pu；[ωpu]——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速標(biāo)幺值，pu。

將式（9）兩端進(jìn)行積分可得：

式中：[ΔEpu]——慣性響應(yīng)期間風(fēng)電機(jī)組釋放動(dòng)能標(biāo)幺值，pu；[t0]——擾動(dòng)發(fā)生時(shí)刻，s；[Δt]——風(fēng)電機(jī)組慣性響應(yīng)時(shí)間，s；[ωpu（t0）]——風(fēng)電機(jī)組在[t0]時(shí)刻的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速標(biāo)幺值，pu；[ω2pu（t0+Δt）]——[t0+Δt]時(shí)刻的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速標(biāo)幺值，pu。

根據(jù)文獻(xiàn)［12， 15］，由于標(biāo)幺值系統(tǒng)中的系統(tǒng)頻率[fpu]與[ωpu]相同，因此式（10）可改寫為：

進(jìn)一步化簡式（11）可得：

則系統(tǒng)頻率偏差[Δfpu]為：

由式（13）可知，DFIG可通過慣性響應(yīng)釋放轉(zhuǎn)子動(dòng)能來減少系統(tǒng)頻率偏差，從而提高頻率最低點(diǎn)。

3 基于轉(zhuǎn)矩極限的改進(jìn)風(fēng)電機(jī)組虛擬慣量控制策略

3.1 基于轉(zhuǎn)矩極限的虛擬慣量控制（TLBIC）

圖2為DFIG工作于TLBIC的功率特性曲線，包含頻率支撐和轉(zhuǎn)速恢復(fù)2個(gè)階段。

1）頻率支撐階段

頻率支撐階段對應(yīng)圖2中的A-B-C軌跡，當(dāng)電力系統(tǒng)“源-荷”側(cè)功率平衡時(shí)，DFIG處于MPPT運(yùn)行模式，對應(yīng)圖2中的A點(diǎn)；在檢測到系統(tǒng)頻率越限時(shí)，DFIG增加有功出力至B點(diǎn)，為了確保風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速始終位于穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)間，在頻率支撐期間，DFIG有功功率[PTLBIC]滿足如下關(guān)系：

式中：[ω0]——擾動(dòng)前DFIG轉(zhuǎn)速，rad/s；[ωmin]——DFIG最小轉(zhuǎn)速，rad/s；[PMPPT（ω0）]——擾動(dòng)前最大功率追蹤輸出功率，MW；[PMPPT（ωmin）]——最小轉(zhuǎn)速下MPPT模式輸出功率，MW；[PTlim（ω0）]——擾動(dòng)時(shí)對應(yīng)轉(zhuǎn)矩極限下最大有功功率，MW。

由于頻率支撐期間，DFIG電磁輸出功率始終大于機(jī)械輸入功率，根據(jù)搖擺方程式可知，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速[ωr]保持下降，由式（14）可知，DFIG有功功率沿B-C軌跡線性減少，并逐漸收斂于C點(diǎn)，此時(shí)，風(fēng)電機(jī)組電磁輸出功率等于機(jī)械輸入功率且滿足[ωCgt;ωmin]，有效避免了風(fēng)電機(jī)組失速。

此外，頻率支撐階段，DFIG釋放的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能[ΔErel]為：

式中：[HWT]——風(fēng)電機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)，s。

2）轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段

隨著DFIG在C點(diǎn)趨于穩(wěn)定后，為了確保風(fēng)電場的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，需要對其進(jìn)行轉(zhuǎn)速恢復(fù)，文獻(xiàn)［12］設(shè)定當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速滿足[Δωrlt;4.0×10-7 pu]時(shí)，DFIG通過減少有功出力來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速恢復(fù)，轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段對應(yīng)圖2中C-C′-D-A軌跡。

啟動(dòng)階段對應(yīng)圖2中軌跡C-C′，DFIG輸出功率[PRR]為：

式中：[ΔPr]——驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速恢復(fù)的減載功率，pu。

保持階段對應(yīng)圖2中軌跡C′-D，通過該階段，DFIG工作狀態(tài)由C′轉(zhuǎn)移至D，轉(zhuǎn)速由[ωC]恢復(fù)至[ωD]，之后DFIG工作狀態(tài)切換至MPPT，并沿MPPT曲線快速恢復(fù)至A點(diǎn)，至此，轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段結(jié)束。

由式（16）可知，轉(zhuǎn)速恢復(fù)效果主要取決于減載功率[ΔPr]的取值，然而過小的[ΔPr]延長了轉(zhuǎn)速恢復(fù)時(shí)間；過大的[ΔPr]易造成系統(tǒng)有功功率瞬間跌落，導(dǎo)致電網(wǎng)頻率發(fā)生嚴(yán)重的二次跌落，因此TLBIC的轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略無法同時(shí)兼顧二次頻率跌落和轉(zhuǎn)速快速恢復(fù)。

圖3為TLBIC時(shí)域中的系統(tǒng)頻率、DFIG有功功率及轉(zhuǎn)速的變化曲線，可看出，TLBIC在轉(zhuǎn)速收斂時(shí)刻[tconv]啟動(dòng)轉(zhuǎn)速恢復(fù)，對應(yīng)此時(shí)電網(wǎng)頻率已達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)并維持了一段時(shí)間，不需要風(fēng)電機(jī)組往電網(wǎng)中注入有功。因此，該策略在一定程度上造成了部分動(dòng)能的無效釋放，并延遲了轉(zhuǎn)速恢復(fù)時(shí)間。除此之外，實(shí)際應(yīng)用中，由于圖2中C點(diǎn)的轉(zhuǎn)速收斂條件較難獲取，存在轉(zhuǎn)速收斂誤判的可能。

3.2 基于轉(zhuǎn)矩極限的改進(jìn)風(fēng)電機(jī)組虛擬慣量控制策略

本文在傳統(tǒng)TLBIC策略基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，提出一種基于轉(zhuǎn)矩極限的改進(jìn)風(fēng)電機(jī)組虛擬慣量控制策略，所提策略中DFIG功率特性曲線如圖4所示。

與TLBIC策略相似，所提策略同樣包含頻率支撐和轉(zhuǎn)速恢復(fù)2個(gè)階段。

1）頻率支撐階段

頻率支撐階段對應(yīng)圖4中A-B-C軌跡，這里采用與TLBIC相同的功率函數(shù)，故頻率支撐階段的參考功率[P1]為：

式中：[t1]——轉(zhuǎn)速恢復(fù)開始時(shí)刻，s。

慣性響應(yīng)開始后，DFIG有功沿B-C軌跡線性減少，為了減少風(fēng)電機(jī)組動(dòng)能的無效釋放，本文設(shè)定當(dāng)DFIG有功功率滿足[P1（ωr）=PMPPT（ω0）]時(shí)，即在系統(tǒng)頻率步入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)啟動(dòng)風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速恢復(fù)，對應(yīng)圖4中C點(diǎn)。

根據(jù)文獻(xiàn)［11］可知，傳統(tǒng)TLBIC策略在轉(zhuǎn)速收斂時(shí)刻開始風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速恢復(fù)（見圖3中[tconv]時(shí)刻），然而此時(shí)電網(wǎng)頻率已進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)一段時(shí)間，無需風(fēng)電機(jī)組繼續(xù)往電網(wǎng)注入有功，這一階段導(dǎo)致了部分動(dòng)能的無效釋放，延遲了轉(zhuǎn)速恢復(fù)。相比而言，所提改進(jìn)策略在[P1（ωr）=PMPPT（ω0）]時(shí)開始轉(zhuǎn)速恢復(fù)（見圖3中[t1]時(shí)刻），此時(shí)轉(zhuǎn)速最低點(diǎn)高于傳統(tǒng)策略，從而在一定程度上減少了風(fēng)電機(jī)組旋轉(zhuǎn)動(dòng)能的釋放，此外優(yōu)化策略不包含轉(zhuǎn)速收斂判定階段，有效避免了轉(zhuǎn)速收斂誤判問題。

2）轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段

轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段對應(yīng)圖4中C-D-A軌跡，此時(shí)風(fēng)電機(jī)組輸出參考功率為[P2]，其表達(dá)式為：

式中：[Δt]——轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段持續(xù)時(shí)間，s；[ΔPacc]——轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段加速功率，pu，表現(xiàn)為[P1（ωr）=PMPPT（ω0）]時(shí)，DFIG有功出力與對應(yīng)轉(zhuǎn)速下MPPT模式輸出功率的差值。

由式（18）可知，與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略不同，所提策略借助時(shí)變的加速功率函數(shù)，使得DFIG工作狀態(tài)由C點(diǎn)沿C-D軌跡平滑切換至D點(diǎn)，一定程度上緩解了有功突變導(dǎo)致的二次頻率跌落，隨后DFIG運(yùn)行狀態(tài)沿曲線D-A快速恢復(fù)至A點(diǎn)。

4 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證改進(jìn)后風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻控制策略的有效性，本文基于EMTP-RV仿真軟件搭建包括風(fēng)電場和常規(guī)同步機(jī)組的4機(jī)系統(tǒng)，如圖5所示。該系統(tǒng)包含4臺(tái)同步發(fā)電機(jī)組、容量為240 MW的靜負(fù)荷及一個(gè)風(fēng)電場。DFIG的慣性時(shí)間常數(shù)為5 s。

本文設(shè)定SG3于40 s時(shí)脫機(jī)作為本次仿真的主要擾動(dòng)事件，且SG3脫機(jī)前的有功出力為150 MW，分別在恒定風(fēng)速為10 m/s和隨機(jī)風(fēng)速兩種場景下對DFIG在本文所提策略（優(yōu)化策略）、TLBIC和MPPT下的調(diào)頻效果進(jìn)行對比和分析。

4.1 場景1：恒定風(fēng)速為10 m/s

由圖6a可知，在頻率支撐期間，DFIG采用TLBIC和優(yōu)化策略時(shí)，電網(wǎng)頻率最低點(diǎn)由48.780 Hz提高至49.112 Hz，其主要原因是頻率響應(yīng)初期兩種策略下DFIG向電網(wǎng)中注入的有功功率相同，如圖6b所示。

如圖6a所示，TLBIC和優(yōu)化策略均產(chǎn)生了二次頻率跌落，跌落深度分別為0.082和0.042 Hz。這是因?yàn)樵谵D(zhuǎn)速恢復(fù)期間，優(yōu)化策略借助時(shí)變的加速功率函數(shù)使得DFIG的輸出功率平緩地降低，避免了有功突變，有效緩解了二次頻率跌落程度。

如圖6c所示，TLBIC在75 s開始轉(zhuǎn)速恢復(fù)，轉(zhuǎn)速在115 s 恢復(fù)至MPPT狀態(tài)；優(yōu)化策略在59 s開始轉(zhuǎn)速恢復(fù)并在86 s恢復(fù)至MPPT，可見優(yōu)化策略轉(zhuǎn)速恢復(fù)時(shí)間比TLBIC快13 s，這主要是因?yàn)閮?yōu)化策略是在轉(zhuǎn)速收斂前進(jìn)行轉(zhuǎn)速恢復(fù)，啟動(dòng)時(shí)間更早；此外，TLBIC和優(yōu)化策略中DFIG轉(zhuǎn)速最低點(diǎn)分別為0.970和0.983 pu，由式（15）可知，優(yōu)化策略在頻率支撐期間釋放的轉(zhuǎn)子更少，因此優(yōu)化策略可在釋放較少轉(zhuǎn)子動(dòng)能的同時(shí)保持頻率最低點(diǎn)。

4.2 場景2：隨機(jī)風(fēng)速

考慮到實(shí)際環(huán)境風(fēng)速的隨機(jī)性和波動(dòng)性，將在隨機(jī)風(fēng)速場景下研究DFIG的調(diào)頻效果。圖7為用于仿真的隨機(jī)風(fēng)速曲線。

圖8為隨機(jī)風(fēng)速場景下系統(tǒng)頻率、DFIG有功輸出功率以及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化曲線。由于DFIG輸出功率與風(fēng)速密切相關(guān)，受風(fēng)速跌落的影響，該場景下3種控制策略的頻率最低點(diǎn)均低于場景1，如圖8a所示。由圖8a和8b可知，為恢復(fù)風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速，TLBIC在68 s時(shí)減少風(fēng)電機(jī)組有功出力10 MW驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速恢復(fù)，導(dǎo)致電網(wǎng)頻率發(fā)生二次跌落，跌落值為0.059 Hz，轉(zhuǎn)速最終在80 s恢復(fù)至MPPT模式，相反，優(yōu)化策略借助時(shí)變的加速功率函數(shù)使得DFIG的輸出功率平緩恢復(fù)至MPPT模式，有效改善了二次頻率跌落程度。如圖8c所示，與傳統(tǒng)TLBIC策略相比，優(yōu)化策略轉(zhuǎn)速恢復(fù)啟動(dòng)的更早且釋放的轉(zhuǎn)子動(dòng)能更少。

由上述仿真分析可知，在隨機(jī)風(fēng)速場景下，當(dāng)DFIG采用本文所提出的控制策略同樣可在釋放較少轉(zhuǎn)子動(dòng)能的同時(shí)保持頻率最低點(diǎn)，并在一定程度上緩解二次頻率跌落的程度。

5 結(jié) 論

本文基于現(xiàn)有TLBIC策略提出一種基于轉(zhuǎn)矩極限的改進(jìn)風(fēng)電機(jī)組虛擬慣量控制策略。當(dāng)電網(wǎng)頻率因擾動(dòng)越限時(shí)，DFIG通過增加有功出力至轉(zhuǎn)矩極限來提供頻率響應(yīng)服務(wù)，并在系統(tǒng)頻率步入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)開始轉(zhuǎn)速恢復(fù)。其特點(diǎn)如下：

1）在風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速收斂前且系統(tǒng)頻率步入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)開始轉(zhuǎn)速恢復(fù)，使得風(fēng)電機(jī)組在釋放較少動(dòng)能的前提下，提供相同的頻率支撐效果。

2）基于時(shí)變功率函數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)速恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組有功功率平滑恢復(fù)至MPPT模式，改善了有功突變引起的頻率二次沖擊。

仿真結(jié)果表明，所提策略能夠在釋放較少轉(zhuǎn)子動(dòng)能的同時(shí)提供相同的頻率支撐能力，并在一定程度上緩解二次頻率跌落的程度以及加快MPPT運(yùn)行模式的恢復(fù)。

［參考文獻(xiàn)］

［1］ 陳國平， 董昱， 梁志峰. 能源轉(zhuǎn)型中的中國特色新能源高質(zhì)量發(fā)展分析與思考［J］. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 2020，40（17）： 5493-5506.

CHEN G P， DONG Y， LIANG Z F. Analysis and reflection on high-quality development of newenergy with Chinese characteristics in energy transition［J］. Proceedings of the CSEE， 2020， 40（17）： 5493-5506.

［2］ 李少林， 秦世耀， 王瑞明， 等. 一種雙饋風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻協(xié)調(diào)控制策略研究［J］. 太陽能學(xué)報(bào)， 2020， 41（2）： 101-109.

LI S L， QIN S Y， WANG R M， et al. A collaborative control of primary frequency regulation for DFIG-WT［J］. Acta energiae solaris sinica， 2020， 41（2）： 101-109.

［3］ 段士偉， 楊修宇， 柴仁勇， 等. 大規(guī)模風(fēng)電接入的靈活性資源優(yōu)化配置方法［J］. 東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)， 2020， 40（6）： 45-51.

DUAN S W， YANG X Y， CHAI R Y，et al. Optional configuration method of flexibility resources of high-penetration renewable energy［J］. Journal of Northeast Dianli University， 2020， 40（6）： 45-51.

［4］ BAO W， DING L， LIU Z， et al. Analytically derived fixed termination time for stepwise inertial control of wind turbines—part Ⅰ：" analytical" derivation［J］." International journal of electrical power amp; energy systems， 2020， 121： 1-10.

［5］ 朱博， 徐攀騰， 劉科， 等. 柔性直流與風(fēng)電協(xié)同的受端系統(tǒng)頻率調(diào)控方法［J］. 東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)， 2021， 41（2）： 86-93.

ZHU B， XU P T， LIU K， et al. Frequency control method for receiving end power system by DFIG and VSC-HVDC［J］. Journal of Northeast Dianli University， 2021， 41（2）：86-93.

［6］ 蔡葆銳， 楊蕾， 黃偉. 基于慣性/下垂控制的變速型風(fēng)電機(jī)組頻率協(xié)調(diào)控制策略［J］. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制， 2021， 49（15）： 169-177.

CAI B R， YANG L， HUANG W. Frequency coordination control of a variable speed wind turbine based on inertia/droop" control［J］." Power" system" protection" and" control， 2021， 49（15）： 169-177.

［7］ HU Y L， WU Y K. Approximation to frequency control capability of a DFIG-based wind farm using a simple linear gain" droop" control［J］." IEEE" transactions" on" industry applications， 2019， 55（3）： 2300-2309.

［8］ 邊曉燕， 張菁嫻， 丁煬， 等. 基于DFIG虛擬慣量的微電網(wǎng)雙維自適應(yīng)動(dòng)態(tài)頻率優(yōu)化控制［J］. 高電壓技術(shù)， 2020， 46（5）： 1489-1498.

BIAN X Y， ZHANG J X， DING Y， et al. Double layer adaptive dynamic frequency optimization control of microgrid based on DFIG virtual inertia ［J］. High voltage engineering， 2020， 46（5）： 1489-1498.

［9］ ULLAH N， THIRINGER T， KARLSSON D. Temporary primary frequency control support by variable speed wind turbines—potential and applications［J］. IEEE transactions on power systems， 2008， 23（2）： 601-612.

［10］ KANG M， MULJADI E， HUR K， et al. Stable adaptive inertial control of a doubly-fed induction generator［J］. IEEE transactions on smart grid， 2016， 7（6）： 2971-2979.

［11］ KANG M， KIM K， MULJADI E， et al. Frequency control support of a doubly-fed induction generator based on the torque" limit［J］." IEEE" transactions" on" power" "systems， 2016， 31（6）： 4575-4583.

［12］ 趙晶晶， 李敏， 何欣芹， 等. 基于限轉(zhuǎn)矩控制的風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻控制策略［J］. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2019， 34（23）： 4982-4990.

ZHAO J J， LI M， HE X Q， et al. Coordinated control strategy of wind power and energy storage in frequency regulation based on torque limit control［J］. Transactions of China" Electrotechnical" Society，" 2019，" 34（23）：" 4982-4990.

［13］ 勞煥景， 張黎， 宋鵬程， 等. 一種考慮最優(yōu)狀態(tài)動(dòng)態(tài)恢復(fù)的風(fēng)電持續(xù)調(diào)頻策略［J］. 電網(wǎng)技術(shù)， 2020， 44（12）： 4504-4512.

LAO H J， ZHANG L， SONG P C， et al. Wind power sustained frequency regulation strategy with dynamic optimized" "state" " recovery" "behavior［J］." "Power" "system technology， 2020， 44（12）： 4504-4512.

［14］ 李世春， 唐紅艷， 劉道兵， 等. 含風(fēng)電虛擬慣性響應(yīng)的電力系統(tǒng)慣性時(shí)間常數(shù)計(jì)算［J］. 可再生能源， 2018， 36（10）： 1486-1491.

LI S C， TANG H Y， LIU D B， et al. Calculation of equivalent inertia time constant of power system with virtual" inertial" response" of" "wind" "power［J］." Renewable energy resources， 2018， 36（10）： 1486-1491.

［15］ MIAO L， WEN J， XIE H， et al. Coordinate control strategy of wind turbine generator and energy storage equipment for frequency support［J］. IEEE transactions on industry applications， 2015， 51（4）： 2737-2742.

IMPROVED VIRTUAL INERTIA CONTROL STRATEGY OF

WIND TURBINE GENERATORS BASED ON TORQUE LIMIT

Yang Dejian1，Xu Yien2，Jin Zhaoyang3，Gao Hongchao4，Jin Enshu1，Zheng Taiying5

（1. Key Laboratory of Modern Power System Simulation and Control amp; Renewable Energy Technology Ministry of Education

（Northeast Electric Power University）， Jilin 132012， China；

2. School of Electrical Engineering， Nantong University， Nantong 226019， China；

3. Key Laboratory of Power System Intelligent Dispatch and Control of Ministry of Education （Shandong University）， Ji’nan 250061， China；

4. Department of Electrical Engineering， Tsinghua University， Beijing 100084， China；

5. School of Electrical Engineering， Zhejiang University， Hangzhou 310058， China）

Abstract：To solve the issues of reduction of the system frequency stability caused by large-scale wind power integrations， the short-term frequency support can be obtained for the wind turbine generators by using virtual inertia control. However， when performing virtual inertia control， the slow rotor speed convergence results in the unnecessary waste of the rotor kinetic energy. The sudden change of active power during the rotor speed recovery stage is prone to cause the second frequency drop （SFD）. To this end， this paper proposes an improved virtual inertia control strategy of wind turbine generators based on torque limit. The proposed strategy can preserve the frequency nadir with the less released rotor energy； when the system frequency reaches to the quasi-steady state， the rotor speed recovery is started with time-varying power function so as to realize the rapid speed recovery while alleviating the SFD. The proposed virtual inertial control strategy is verified based on an electric power system model embed with a doubly-fed induction generator-based wind power plant using on EMTP-RV.

Keywords：wind power； frequency response； rotor kinetic energy； second frequency drop； speed recovery