雙饋風(fēng)電機(jī)組動(dòng)態(tài)虛擬慣量和阻尼模糊自適應(yīng)控制策略研究

摘 要： 針對(duì)傳統(tǒng)雙饋風(fēng)電機(jī)組虛擬同步控制（VSG）中因負(fù)載突變導(dǎo)致電網(wǎng)頻率、輸出有功功率波動(dòng)較大和暫態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間過長(zhǎng)的問題，提出一種基于模糊自適應(yīng)控制策略的變參數(shù)風(fēng)電機(jī)組虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略。首先，在機(jī)組轉(zhuǎn)子側(cè)變流器中引入VSG算法使得風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)頻率具有主動(dòng)支撐能力，并建立DFIG-VSG有功功率小信號(hào)模型分析慣量和阻尼系數(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響；然后，通過分析系統(tǒng)暫態(tài)過程中的功頻變化原理并結(jié)合不受線性量化約束的模糊算法，將虛擬慣量和阻尼的范圍作為模糊自適應(yīng)環(huán)節(jié)的輸出論域，進(jìn)而實(shí)時(shí)調(diào)整慣量和阻尼系數(shù)以降低功率超調(diào)和頻率偏移。最后，在Matlab/Simulink中基于DFIG-VSG機(jī)組的仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提模糊自適應(yīng)VSG控制策略的可行性、有效性及優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：雙饋風(fēng)電機(jī)組；虛擬同步控制；慣量；阻尼；模糊控制

中圖分類號(hào)：TK89 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

風(fēng)電機(jī)組大多采用最大功率點(diǎn)跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）模式向電網(wǎng)供電，在此種模式下，機(jī)組輸出功率無法響應(yīng)電網(wǎng)頻率變化，從而造成電網(wǎng)等效慣量降低，并網(wǎng)點(diǎn)電壓和頻率穩(wěn)定性下降的問題。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼提出采用虛擬同步機(jī)（virtual synchronous generator，VSG）的控制方法，引入虛擬慣量和阻尼系數(shù)，增強(qiáng)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性［1-2］，成為實(shí)現(xiàn)風(fēng)電友好并網(wǎng)的重要途徑之一。本文主要研究電壓源型VSG，在雙饋風(fēng)電機(jī)組（doubly fed induction generator，DFIG）轉(zhuǎn)子側(cè)變流器中引入VSG算法增加原DFIG-VSG未考慮的[ω]和[θ]變量，會(huì)新增振蕩狀態(tài)，從而影響DFIG-VSG系統(tǒng)的功角特性。當(dāng)交流電網(wǎng)中負(fù)載突變時(shí)，基于VSG控制策略的DFIG能夠及時(shí)響應(yīng)電網(wǎng)頻率和輸出功率的變化，為電網(wǎng)提供同步支撐，實(shí)現(xiàn)交流電網(wǎng)頻率和有功功率的穩(wěn)定［3］。

傳統(tǒng)的恒參數(shù)VSG控制方法本身不具備動(dòng)態(tài)參數(shù)調(diào)整的能力，以至于無法最大化發(fā)揮其穩(wěn)定系統(tǒng)頻率和功率的作用，有時(shí)還可能出現(xiàn)功率或頻率波動(dòng)越限的情況，不能滿足電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的要求。為提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，充分利用VSG參數(shù)靈活多變的特點(diǎn)，有學(xué)者提出將自適應(yīng)控制運(yùn)用到VSG參數(shù)選取中，根據(jù)不同的場(chǎng)景需要，改變VSG虛擬參數(shù)的大小。文獻(xiàn)［4］提出基于ping-pong控制的自適應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量調(diào)節(jié)策略來提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，但未考慮阻尼系數(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定的影響；文獻(xiàn)［5-6］雖然提出自適應(yīng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，但阻尼系數(shù)大小不變，還會(huì)出現(xiàn)頻率超調(diào)的現(xiàn)象；文獻(xiàn)［7-8］進(jìn)一步完善了VSG慣量和阻尼的自適應(yīng)控制，加速了系統(tǒng)穩(wěn)定，但設(shè)計(jì)過程繁瑣，不能充分利用VSG參數(shù)靈活多變的優(yōu)點(diǎn)；文獻(xiàn)［9］提出的VSG自適應(yīng)控制策略是通過慣量和阻尼階段性的變化來響應(yīng)系統(tǒng)頻率和輸出功率的變化，其自適應(yīng)過程呈現(xiàn)階段性和不連續(xù)性。

針對(duì)以上問題，本文首先在雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子側(cè)變流器中引入虛擬同步控制算法，實(shí)現(xiàn)電壓源型DFIG-VSG系統(tǒng)的并網(wǎng)控制，使得傳統(tǒng)雙饋風(fēng)電機(jī)組具有對(duì)電網(wǎng)的主動(dòng)支撐能力；之后根據(jù)DFIG-VSG系統(tǒng)輸出功率的閉環(huán)小信號(hào)傳遞函數(shù)，從系統(tǒng)輸出功率和頻率與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及阻尼系數(shù)的關(guān)系出發(fā)，分析慣量和阻尼對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響，并通過分析系統(tǒng)的功頻變化原理，確定慣量和阻尼系數(shù)的選取原則，引入模糊算法將頻率偏差和頻率變化率作為模糊自適應(yīng)的輸入，制定模糊規(guī)則，實(shí)時(shí)修正虛擬參數(shù)，從而自適應(yīng)的改變系統(tǒng)頻率與輸出功率在動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程中的變化，并利用根軌跡法分析系統(tǒng)穩(wěn)定性；最后，通過Matlab/Simulink仿真驗(yàn)證了模糊自適應(yīng)VSG控制策略在減小超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間及增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面的正確性和優(yōu)越性。

1 DIFG-VSG數(shù)學(xué)模型

雙饋風(fēng)電機(jī)組交流側(cè)負(fù)載的變化會(huì)造成系統(tǒng)頻率的波動(dòng)，為減少此類情況的發(fā)生，在雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子側(cè)變流器中引入VSG算法，使風(fēng)機(jī)具有類似同步發(fā)電機(jī)的慣量和阻尼特性，進(jìn)而改善系統(tǒng)的調(diào)頻調(diào)壓特性，增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性；并在VSG無功-電壓環(huán)中引入虛擬阻抗，將虛擬轉(zhuǎn)子電流作為參考電流，構(gòu)成電流外環(huán)、電壓內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制。DFIG-VSG的控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

為了使DFIG能在不同模式下穩(wěn)定運(yùn)行以及對(duì)弱電網(wǎng)有更好的支撐作用，本文在轉(zhuǎn)子側(cè)變流器中采用定子電壓定向的控制策略。為便于計(jì)算，通過Park變換，將[dq]坐標(biāo)系的[q]軸與電壓矢量重合，可得定轉(zhuǎn)子電壓和磁鏈方程［9］為：

如圖6所示為DFIG-VSG系統(tǒng)在[t=0.65 s]時(shí)突增負(fù)載，不同參數(shù)下系統(tǒng)輸出有功功率[P]的波形變化對(duì)比。

2.2 負(fù)載擾動(dòng)下DFIG-VSG系統(tǒng)的暫態(tài)過程分析

DFIG-VSG系統(tǒng)在運(yùn)行中因負(fù)載突變會(huì)產(chǎn)生類似傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的衰減振蕩。為簡(jiǎn)化分析，在[J]和[D]均為固定值的情況下，將DFIG-VSG的暫態(tài)變化過程劃分為4個(gè)階段：1）t1—t2；2）t2—t3；3）t3—t4；4）t4—t5。如圖8所示，在第1階段內(nèi)，VSG的虛擬角速度大于電網(wǎng)同步角速度且角速度偏差[Δω]越來越大，角速度變化率[dω/dtgt;0]，所以需要同時(shí)增大[J]和[D]來減小[dω/dt]和[Δω]； 在第2階段內(nèi)，角速度的變化率[dω/dtlt;0]，[ω]開始減小，但仍大于[ω0]，因此需適當(dāng)減小[J]并進(jìn)一步增大[D]，目的是為了加快角速度的衰減使其快速趨于穩(wěn)定； 同理，在第3和第4階段，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼系數(shù)的選取原則和第1、第2階段類似，不再贅述。

綜上所述，[J]的取值由[dω/dt]和[Δω]共同決定； [D]的取值由[Δω]決定，進(jìn)而總結(jié)出[J]和[D]的選取原則如表2所示。

3 模糊自適應(yīng)VSG控制策略

常規(guī)自適應(yīng)控制中虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變化不靈活，呈現(xiàn)階段

性變化，阻尼系數(shù)在變化時(shí)也會(huì)出現(xiàn)尖峰現(xiàn)象［11-12］。為彌補(bǔ)這些不足，使慣量和阻尼變化更加靈活，消除阻尼尖峰，本文引入適應(yīng)性更強(qiáng)的模糊控制理論，定義模糊慣量和阻尼分別為：

首先確定輸入量[E]和[Ec]的模糊子集為{NB、NS、Z、PS、PB}，輸出量[Jx]和[Dx]的模糊子集為{NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB}；然后根據(jù)角速度偏差[Δω]和角速度變化率[dω/dt]分別設(shè)定[E]和[Ec]的物理論域?yàn)椋?2，0］和［-25，5］，根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼系數(shù)的范圍設(shè)定[Jx]和[Dx]的物理論域?yàn)椋?，1］和［0，50］，模糊論域統(tǒng)一為［-6，6］；最后由于量化因子和比例因子對(duì)模糊控制系統(tǒng)的性能有極大的影響，因此選擇合適的量化因子和比例因子有助于實(shí)現(xiàn)更加穩(wěn)定的模糊控制，根據(jù)量化因子和比例因子的計(jì)算公式得到[E]和[Ec]的的量化因子分別為：[KE=6、][KEc=0.4，][Jx]和[Dx]的比例因子分別為[KJx=1/12、][KDx=25/6。]隸屬度函數(shù)是模糊集合論的基礎(chǔ)，確立隸屬度函數(shù)的一般方法為初步確立粗略的隸屬度函數(shù)，然后通過“學(xué)習(xí)”和不斷的實(shí)踐來完善、修正，最終確立輸入量和輸出量的隸屬度函數(shù)分別為“trimf”和“中間gaussmf和兩端pimf”，如圖10所示。為了綜合考慮各個(gè)隸屬點(diǎn)的信息，削弱最值隸屬點(diǎn)的作用，去模糊化方法采用重心法［13］；根據(jù)表2所示的[J]和[D]選取原則制定模糊自適應(yīng)環(huán)節(jié)的模糊規(guī)則，如表3和表4所示。

3.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

通過第2節(jié)對(duì)不同參數(shù)取值影響DFIG-VSG系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的理論分析，認(rèn)為虛擬調(diào)差系數(shù)[Kw]為固定值，由公式[Kw=PDFIG-VSG/0.01Δω]確定，其中[PDFIG-VSG]為DFIG-VSG系統(tǒng)的額定有功功率，由風(fēng)速?zèng)Q定，且僅與風(fēng)速有關(guān)，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)[PDFIG-VSG]不發(fā)生變化。本文設(shè)定[PDFIG-VSG=1.5]MW。為最大化提高響應(yīng)速度和減小超調(diào)量，采用“最優(yōu)二階系統(tǒng)”的方法［14］對(duì)慣量和阻尼的初始值[J0、D0]進(jìn)行整定。

如圖11b所示，當(dāng)[J]為固定值時(shí)，[D]增大，系統(tǒng)逐漸由欠阻尼過渡到過阻尼狀態(tài)，頻率衰減速度加快且調(diào)節(jié)時(shí)間也變短，系統(tǒng)的穩(wěn)定效果也越好。

4 仿真分析

為驗(yàn)證本文所提出的基于模糊自適應(yīng)控制策略的變參數(shù)風(fēng)電機(jī)組虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略的正確性，在Matlab/Simulink中搭建DFIG-VSG并網(wǎng)模型，使用一個(gè)與轉(zhuǎn)子側(cè)變流器相同VSG控制策略的逆變器模擬弱電網(wǎng)，通過負(fù)載投切產(chǎn)生的系統(tǒng)頻率變化來模擬實(shí)際電網(wǎng)頻率變化，并在負(fù)載突增工況下進(jìn)行仿真分析。DFIG-VSG系統(tǒng)參數(shù)如表5所示，并網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖12所示。

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器采用VSG控制策略，模擬同步發(fā)電機(jī)特性以實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)的主動(dòng)支撐；同時(shí)，采用與雙饋風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子變流器相同VSG控制策略的并網(wǎng)逆變器來模擬電網(wǎng)，構(gòu)成DFIG-VSG并網(wǎng)系統(tǒng)。

初始階段DFIG-VSG系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)[t=0.7 s]時(shí)，在并網(wǎng)點(diǎn)（point of common coupling，PCC）處突增0.2 MW的有功負(fù)載。如圖13給出VSG分別采用恒參數(shù)控制、常規(guī)自適應(yīng)控制和模糊自適應(yīng)控制時(shí)系統(tǒng)有功功率和電網(wǎng)頻率的對(duì)比。系統(tǒng)頻率最終穩(wěn)定在49.85 Hz左右是由于VSG控制策略屬于一次調(diào)頻控制策略，因此DFIG-VSG輸出的有功功率在響應(yīng)系統(tǒng)負(fù)荷變化時(shí)會(huì)存在較小的缺額，進(jìn)而導(dǎo)致DFIG-VSG對(duì)電網(wǎng)頻率的支撐為有差調(diào)整。

由圖13可知，當(dāng)采用模糊自適應(yīng)VSG控制策略時(shí)，頻率、功率的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間相較于定參數(shù)VSG和常規(guī)自適應(yīng)VSG控制策略下的控制效果均有明顯改善，系統(tǒng)也更快地恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間的具體數(shù)值見表6、表7。

如圖14所示為3種不同控制策略下直流母線電壓的變化趨勢(shì)對(duì)比，當(dāng)交流側(cè)突增負(fù)載，系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)提供有功功率支撐，直流母線電壓有一段短暫的暫態(tài)過程，由圖可知，當(dāng)采用模糊自適應(yīng)控制策略時(shí)，直流母線電壓的波動(dòng)更平緩，恢復(fù)到穩(wěn)定值的時(shí)間更短，約0.27 s。

如圖15所示為本文所提[J/D]模糊自適應(yīng)控制策略與[J/D]常規(guī)自適應(yīng)控制策略參數(shù)變化的對(duì)比，從圖15可知模糊自適應(yīng)控制的參數(shù)選取規(guī)則更加精細(xì)化，在不同的暫態(tài)階段選擇更適合的參數(shù)，避免了大范圍切換虛擬參數(shù)值對(duì)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的不利影響。

5 結(jié) 論

本文在研究雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子側(cè)變流器虛擬同步控制的基礎(chǔ)上，結(jié)合模糊算法提出一種基于模糊自適應(yīng)策略的變參數(shù)雙饋風(fēng)電機(jī)組虛擬同步發(fā)電機(jī)機(jī)控制策略，通過理論分析和仿真得出以下結(jié)論：

1）通過在雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子側(cè)變流器中引入VSG算法，構(gòu)成DFIG-VSG系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)機(jī)對(duì)電網(wǎng)的主動(dòng)支撐，提高電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性。

2）與定參數(shù)VSG控制和常規(guī)自適應(yīng)VSG控制相比，在負(fù)載突增時(shí)，本文提出的模糊自適應(yīng)VSG控制策略能更好地改善電網(wǎng)頻率響應(yīng)和DFIG輸出有功功率響應(yīng)的特性，頻率偏差和有功功率超調(diào)量更小，系統(tǒng)更穩(wěn)定。

3）采用模糊自適應(yīng)控制策略，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼系數(shù)的變化更加靈活，阻尼系數(shù)的尖峰在一定程度上也有所改善，充分體現(xiàn)出VSG參數(shù)靈活多變的特點(diǎn)。

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RESEARCH ON FUZZY ADAPTIVE CONTROL STRATEGY OF DYNAMIC VIRTUAL INERTIA AND DAMPING OF DOUBLYFED WIND TURBINE

Wang Xiaodong，Cao Guosheng，Liu Yingming，Wang Hanbo，Li Ruikang

（School of Electrical Engineering Shenyang University of Technology， Shenyang 110870， China）

Abstract：Aiming at the problems in the virtual synchronous control （VSG） of traditional doublyfed wind generator， the grid frequency and output active power fluctuate greatly and the transient adjustment time is too long due to sudden load changes， a variable-parameter wind generator based on fuzzy adaptive control strategy is proposed in this paper. First， the VSG algorithm is introduced into the rotor-side converter of the unit， so that the wind power can actively support the grid frequency and the DFIG-VSG active power small signal model is established to analyze the influence of inertia and damping coefficient on the system stability. Then， by analyzing the principle of power frequency change in the transient process of the system and combining the fuzzy algorithm that is not constrained by linear quantization， the range of virtual inertia and damping is taken as the output domain of fuzzy adaptive link. And then the inertia and damping coefficient are adjusted in real time to reduce power overshoot and frequency. Finally， the feasibility， effectiveness and advantages of the proposed fuzzy adaptive VSG control strategy are verified based on the simulation results of the DFIG-VSG unit in Matlab/Simulink.

keywords：doublyfed wind generator； virtual synchronous control； inertia； damping； fuzzy control

附錄A

網(wǎng)側(cè)變流器采用直流電壓外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，主要目的是維持直流母線電壓的穩(wěn)定。

圖中，[Udc]直流母線電壓，[Udc*]為直流母線電壓參考值。

根據(jù)表2不同情況下轉(zhuǎn)動(dòng)慣量[J]和阻尼系數(shù)[D]的選取原則設(shè)計(jì)VSG常規(guī)自適應(yīng)控制策略的表達(dá)式如下：

收稿日期：2022-05-22

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（52007124）；遼寧省揭榜掛帥科技攻關(guān)專項(xiàng)（2021JH1/10400009）

通信作者：曹國(guó)勝（1997—），男，碩士研究生，主要從事新能源發(fā)電技術(shù)方面的研究。1049079437@qq.com