基于變系數(shù)PI控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組自適應(yīng)轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略

王 鑫 楊德健

基于變系數(shù)PI控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組自適應(yīng)轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略

王 鑫 楊德健

（現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東北電力大學(xué)） 吉林 132012）

針對(duì)現(xiàn)有的雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略無(wú)法兼顧抑制頻率二次跌落和轉(zhuǎn)速恢復(fù)性能的問(wèn)題，提出一種基于變系數(shù)PI控制的轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略。首先，揭示轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略啟動(dòng)時(shí)刻、有功減載量對(duì)頻率二次跌落和轉(zhuǎn)速恢復(fù)性能的影響機(jī)制；其次，提出基于定系數(shù)PI控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略，初步實(shí)現(xiàn)有功減載量以“先抑后揚(yáng)”的輸出方式進(jìn)行轉(zhuǎn)速恢復(fù)；然后，針對(duì)基于定系數(shù)PI控制的轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略的不足，根據(jù)不同運(yùn)行工況，將PI控制系數(shù)與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速建立耦合關(guān)系，提出基于變系數(shù)PI控制的自適應(yīng)轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略，實(shí)現(xiàn)了在兼顧抑制頻率二次跌落的同時(shí)，保障轉(zhuǎn)速恢復(fù)性能；最后，通過(guò)EMTP-RV軟件搭建不同擾動(dòng)、風(fēng)電滲透率的電力系統(tǒng)模型，驗(yàn)證了所提策略的有效性。

雙饋風(fēng)電機(jī)組 自適應(yīng)轉(zhuǎn)速恢復(fù) 頻率二次跌落 PI控制

0 引言

隨著我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的深化改革，可再生能源裝機(jī)占比日益增加，高比例可再生能源接入和高比例電力電子化將成為電力系統(tǒng)的主要特征[1-2]。風(fēng)能被普遍認(rèn)為是最具有應(yīng)用前景的可再生能源，由于風(fēng)電機(jī)組不具備慣量響應(yīng)和調(diào)頻能力，導(dǎo)致電力系統(tǒng)抗擾能力下降[3]；在風(fēng)電滲透率持續(xù)增長(zhǎng)背景下，系統(tǒng)調(diào)頻供需矛盾日益突出，當(dāng)面臨故障切機(jī)、負(fù)荷突變等擾動(dòng)時(shí)，電力系統(tǒng)安全受到極大威脅[4]。

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)（Doubly-Fed Induction Generator, DFIG）含有豐富的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、寬泛的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍，通過(guò)在DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)控制器中附加頻率控制回路，模擬同步發(fā)電機(jī)的慣量響應(yīng)和一次調(diào)頻特性，釋放自身轉(zhuǎn)子動(dòng)能，為受擾系統(tǒng)提供頻率支撐[5-7]。國(guó)內(nèi)外發(fā)布的一些電網(wǎng)導(dǎo)則明確提出聯(lián)網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)需要具備主動(dòng)參與系統(tǒng)調(diào)頻的能力[8-9]。

文獻(xiàn)[10]為了便于風(fēng)電機(jī)組參與一次調(diào)頻，提出了一種基于頻率變化率（Rate of Change of Frequency, RoCoF）分段的風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻自適應(yīng)控制方法；文獻(xiàn)[11]采用遺傳算法實(shí)現(xiàn)機(jī)組頻率控制系數(shù)隨機(jī)組轉(zhuǎn)速變化而改變，提出同時(shí)考慮調(diào)頻效益和調(diào)頻成本的變系數(shù)虛擬慣量控制策略；文獻(xiàn)[12]提出計(jì)及風(fēng)機(jī)有效旋轉(zhuǎn)動(dòng)能的頻率控制方法，使風(fēng)機(jī)充分利用有限的轉(zhuǎn)子動(dòng)能參與系統(tǒng)調(diào)頻，提高頻率穩(wěn)定性。

目前大多調(diào)頻控制的能量來(lái)源于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，但調(diào)頻控制結(jié)束后，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于最大功率跟蹤控制（Maximum Power Point Tracking, MPPT）所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)轉(zhuǎn)速，不僅使風(fēng)能利用率降低，而且過(guò)低的轉(zhuǎn)速可能導(dǎo)致風(fēng)機(jī)失速，因此，在風(fēng)機(jī)參與調(diào)頻后必須進(jìn)行轉(zhuǎn)速恢復(fù)控制，保障風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益及系統(tǒng)穩(wěn)定[13-14]。文獻(xiàn)[15]提出了頻率支撐階段結(jié)束后直接切換至MPPT運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)速恢復(fù)方法，雖然可以快速恢復(fù)轉(zhuǎn)速，但是有功功率突變會(huì)引起嚴(yán)重的頻率二次跌落，甚至低于擾動(dòng)引起的頻率最低點(diǎn)[16]；文獻(xiàn)[17]對(duì)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)不同風(fēng)電機(jī)組給定不同的轉(zhuǎn)速恢復(fù)延時(shí)，避免所有機(jī)組都在同一時(shí)間進(jìn)入轉(zhuǎn)速恢復(fù)狀態(tài)，從而減緩所有機(jī)組同時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速恢復(fù)引起的頻率二次跌落；文獻(xiàn)[18]通過(guò)擴(kuò)張觀測(cè)器動(dòng)態(tài)估計(jì)風(fēng)電機(jī)組捕獲機(jī)械功率，進(jìn)而設(shè)計(jì)恒加速功率轉(zhuǎn)速恢復(fù)方法，但仍存在一定程度的有功突變，造成頻率二次跌落；文獻(xiàn)[19]初步探索了有功減載量對(duì)頻率二次跌落的影響，然而未構(gòu)建出具體的二次頻率跌落模型，也未探索轉(zhuǎn)速恢復(fù)時(shí)間對(duì)頻率二次跌落的影響；文獻(xiàn)[20]采用儲(chǔ)能裝置實(shí)現(xiàn)風(fēng)儲(chǔ)相互協(xié)調(diào)的動(dòng)態(tài)頻率調(diào)節(jié)，消除頻率二次跌落，但儲(chǔ)能裝置成本較高，在大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)配置并不經(jīng)濟(jì)；文獻(xiàn)[21-22]考慮將下垂系數(shù)與電網(wǎng)頻率變化率耦合，提出一種考慮最優(yōu)狀態(tài)動(dòng)態(tài)恢復(fù)的風(fēng)電持續(xù)調(diào)頻策略，需整定的控制參數(shù)較多，給實(shí)際工程應(yīng)用造成困難。此外，目前轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略只能單方面實(shí)現(xiàn)抑制頻率二次跌落或保障轉(zhuǎn)速恢復(fù)性能。

針對(duì)現(xiàn)有的DFIG轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略無(wú)法兼顧抑制頻率二次跌落和轉(zhuǎn)速恢復(fù)性能的問(wèn)題，本文提出一種變系數(shù)PI控制的自適應(yīng)DFIG轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略。首先在文獻(xiàn)[19]基礎(chǔ)上，揭示轉(zhuǎn)速恢復(fù)控制中控制參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)速恢復(fù)性能和頻率二次跌落的影響機(jī)制，提出在頻率恢復(fù)階段啟動(dòng)轉(zhuǎn)速恢復(fù)控制，有功減載量以“先抑后揚(yáng)”的方式輸出，既能減小轉(zhuǎn)速恢復(fù)初期功率突變?cè)斐傻念l率二次跌落，又能使有功減載量逐步增加加快轉(zhuǎn)速恢復(fù)；然后，提出基于定系數(shù)PI控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略，初步實(shí)現(xiàn)有功減載量以“先抑后揚(yáng)”的輸出方式進(jìn)行轉(zhuǎn)速恢復(fù)，為克服基于定系數(shù)PI控制的轉(zhuǎn)速恢復(fù)控制仍存在功率突變及不適應(yīng)不同工況等不足，引入時(shí)變的PI控制增益，提出基于變系數(shù)PI控制的轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略，兼顧抑制頻率二次跌落和轉(zhuǎn)速恢復(fù)性能；最后，基于EMTP-RV軟件搭建了含DFIG的電力系統(tǒng)模型，在不同風(fēng)電滲透率及擾動(dòng)場(chǎng)景下，驗(yàn)證提出自適應(yīng)轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略的有效性。

1 DFIG調(diào)頻過(guò)程

DFIG利用轉(zhuǎn)子中儲(chǔ)存的動(dòng)能參與系統(tǒng)調(diào)頻，調(diào)頻過(guò)程分為頻率支撐控制（動(dòng)能釋放階段，A-B-C）和轉(zhuǎn)速恢復(fù)控制（動(dòng)能吸收階段，C*-D-A）。兩者根據(jù)一定邏輯實(shí)現(xiàn)時(shí)序控制，其控制框圖如圖1所示；調(diào)頻和轉(zhuǎn)速恢復(fù)過(guò)程的軌跡如圖2所示。

圖1 綜合虛擬慣性控制框圖

圖2 DFIG有功功率-轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)

在圖1和圖2中，r為DFIG轉(zhuǎn)速；MPPT為MPPT模式下的輸出功率；ΔW為DFIG參與調(diào)頻增發(fā)的電磁功率；為系統(tǒng)頻率；RoCoF為系統(tǒng)頻率變化率；off為DFIG退出調(diào)頻的時(shí)刻；1和2分別為虛擬慣量控制和下垂控制的控制參數(shù)；ref為頻率初始值；W(off)為off時(shí)DFIG的輸出功率；Δ為DFIG轉(zhuǎn)速恢復(fù)的有功減載量；W.max和W.min分別為DFIG輸出的最大、最小限值；S為開(kāi)關(guān)。

1.1 動(dòng)能釋放階段

當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生大小為ΔL的擾動(dòng)時(shí)，同步機(jī)組和DFIG共同參與調(diào)頻，針對(duì)同步機(jī)組建立轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程式[19]，有

式中，為常規(guī)同步機(jī)組的慣性時(shí)間常數(shù)；ΔG()為同步機(jī)組的增發(fā)功率。

DFIG參與調(diào)頻期間，最大頻率偏差Δmax，如式（2）所示，具體推導(dǎo)過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)[19]。

式中，、、、1、1、均為中間變量，表達(dá)式為

式中，G為同步機(jī)調(diào)速器動(dòng)作的時(shí)間常數(shù)；G為同步機(jī)的單位調(diào)節(jié)功率。

由式（3）可知，在系統(tǒng)的常規(guī)同步機(jī)組參數(shù)、G和G已知條件下，Δmax與1、2、ΔL強(qiáng)相關(guān)。通過(guò)增大1、2可有效地減小Δmax。

1.2 動(dòng)能吸收階段

DFIG釋放自身動(dòng)能為系統(tǒng)提供頻率支撐后，若轉(zhuǎn)子動(dòng)能得不到及時(shí)補(bǔ)充，不僅會(huì)導(dǎo)致風(fēng)能利用率下降，甚至?xí)斐蒁FIG失速，加劇系統(tǒng)的不平衡狀態(tài)，進(jìn)而造成嚴(yán)重的頻率二次跌落[13]。

off時(shí)轉(zhuǎn)速恢復(fù)控制啟動(dòng)，DFIG通過(guò)減小電磁功率以滿(mǎn)足轉(zhuǎn)速恢復(fù)的充要條件（電磁轉(zhuǎn)矩小于機(jī)械轉(zhuǎn)矩），系統(tǒng)中不平衡功率ΔE(off)為

式中，L0為負(fù)荷初始值；G(off)為off時(shí)刻同步發(fā)電機(jī)組的有功出力。

DFIG退出調(diào)頻后，只有同步機(jī)組參與一次調(diào)頻，轉(zhuǎn)速恢復(fù)期間同步機(jī)組的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程可表示為

將式（6）代入式（5）得到轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段的頻率變化式為

式（7）初始條件為

將式（8）代入式（7），轉(zhuǎn)速恢復(fù)期間系統(tǒng)頻率的時(shí)域表達(dá)式為

圖3 與ΔPE(toff)和foff的變化曲線(xiàn)

2 基于變系數(shù)PI控制的轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略

目前，眾多學(xué)者針對(duì)頻率支撐策略進(jìn)行了大量的研究，所提方法可有效地提高頻率最低點(diǎn)，然而現(xiàn)有的轉(zhuǎn)速恢復(fù)方法很難兼顧抑制頻率二次跌落和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恢復(fù)性能。為兼顧抑制頻率二次跌落和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恢復(fù)性能，本文首先揭示轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略啟動(dòng)時(shí)刻off、有功減載量Δ對(duì)轉(zhuǎn)速恢復(fù)性能的影響機(jī)制，其次在圖1的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于PI控制的轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略。因此下面將重點(diǎn)介紹轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略，頻率支撐策略詳見(jiàn)文獻(xiàn)[12,23]。

2.1 轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略啟動(dòng)時(shí)間研究

轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略的啟動(dòng)時(shí)刻可在以下代表階段選?。侯l率最低點(diǎn)、頻率恢復(fù)階段、頻率準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段；DFIG采用轉(zhuǎn)速直接恢復(fù)方法，探索相同Δ、不同off對(duì)Δfmax的影響，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 仿真結(jié)果

在圖4中，從頻率二次跌落角度出發(fā)，在頻率恢復(fù)階段，電力系統(tǒng)有功功率存在差值，即有功增量大于負(fù)荷擾動(dòng)值（ΔG+ΔW＞ΔL），若啟動(dòng)轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略，DFIG有功出力降低，系統(tǒng)凈負(fù)荷功率增加，ΔE＜Δ，頻率下降0.053 Hz；若在頻率最低點(diǎn)或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段（ΔG+ΔW=ΔL）啟動(dòng)轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略，ΔE=Δ，頻率分別下降0.092 Hz、0.093 Hz，頻率最低點(diǎn)時(shí)刻啟動(dòng)轉(zhuǎn)速造成更嚴(yán)重的二次頻率跌落深度（詳見(jiàn)黑色實(shí)線(xiàn)）；從轉(zhuǎn)速恢復(fù)角度出發(fā)，隨轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略啟動(dòng)時(shí)間延后，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間增加。因此，綜合考慮頻率二次跌落與轉(zhuǎn)速恢復(fù)速度，在頻率恢復(fù)階段啟動(dòng)轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略，可以抑制系統(tǒng)頻率二次跌落且轉(zhuǎn)速恢復(fù)速度較快。

在頻率恢復(fù)階段，隨頻率偏差減小，ΔW()不斷減小，DFIG的輸出功率W()逐漸靠近輸入機(jī)械功率m，最終在轉(zhuǎn)速最低點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)DFIG的短暫穩(wěn)態(tài)（W(off)=m）。綜合考慮抑制頻率二次跌落和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恢復(fù)性能，為使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速盡快恢復(fù)，將頻率恢復(fù)階段中的典型時(shí)刻轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速到達(dá)最低點(diǎn)作為轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略的啟動(dòng)判據(jù)。除轉(zhuǎn)速最低點(diǎn)時(shí)刻外，頻率恢復(fù)階段的其他時(shí)間同樣可以啟動(dòng)轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略，以后的研究將以轉(zhuǎn)速恢復(fù)時(shí)間和二次頻率跌落深度為目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)一步探索不同轉(zhuǎn)速恢復(fù)時(shí)間對(duì)轉(zhuǎn)速恢復(fù)性能的影響。

2.2 轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略有功減載量研究

轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段DFIG輸出功率W()為

轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段電力系統(tǒng)和風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程式分別為

式中，DFIG為DFIG提供的虛擬慣量。

由式（13）和式（14）可知，通過(guò)改變?chǔ)?)，可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速恢復(fù)和頻率二次跌落性能。在式（14）中，由于DFIG處于轉(zhuǎn)速恢復(fù)期間，系統(tǒng)頻率趨近于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，致使ΔW()變化很小，有功減載量Δ()在轉(zhuǎn)速恢復(fù)過(guò)程中占主導(dǎo)作用，使用較大的Δ()可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的快速恢復(fù)。但在轉(zhuǎn)速恢復(fù)初期，DFIG有功突變導(dǎo)致ΔE增加，造成嚴(yán)重的頻率二次跌落，很難兼顧抑制頻率二次跌落和轉(zhuǎn)速恢復(fù)性能。為此，本文引入時(shí)變思想，實(shí)現(xiàn)Δ()“先抑后揚(yáng)”的輸出方式，Δ()逐漸增大，DFIG輸出功率ΔW()逐漸減小，抑制頻率二次跌落，并隨時(shí)間增長(zhǎng)，Δ()逐漸增加，DFIG輸入與輸出功率偏差增加加快轉(zhuǎn)速恢復(fù)。

為實(shí)現(xiàn)Δ()以“先抑后揚(yáng)”的輸出方式進(jìn)行轉(zhuǎn)速恢復(fù)，本文提出了基于定系數(shù)PI控制的轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略，其控制框圖如圖5所示。Δ()表達(dá)式為

式中，kP為比例控制系數(shù)；kI為積分控制系數(shù)；ω0為擾動(dòng)前轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

由式（15）和圖5可知，DFIG轉(zhuǎn)速偏差作為PI轉(zhuǎn)速恢復(fù)控制的輸入，Δ()作為PI轉(zhuǎn)速恢復(fù)控制的輸出，通過(guò)P控制器調(diào)整有功減量Δ()的大小，通過(guò)I控制器的積分作用消除轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)誤差，初步實(shí)現(xiàn)Δ()“先抑后揚(yáng)”的輸出方式。

在不同工況下，基于PI控制的轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略輸入的轉(zhuǎn)速偏差隨DFIG釋放的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能不同而存在差異，P、I采用固定系數(shù)會(huì)限制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恢復(fù)速度，對(duì)頻率二次跌落改善作用不大：P過(guò)大，轉(zhuǎn)速恢復(fù)速度快，但轉(zhuǎn)速恢復(fù)初期功率突變大，造成的頻率二次跌落嚴(yán)重；P過(guò)小，轉(zhuǎn)速恢復(fù)速度慢，并且由于P不為0，功率突變?nèi)源嬖?，仍可能造成頻率二次跌落；I過(guò)小，造成誤差積累過(guò)慢，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恢復(fù)減慢；I過(guò)大，會(huì)造成誤差積累過(guò)快，轉(zhuǎn)速恢復(fù)穩(wěn)定后發(fā)生大波動(dòng)。

針對(duì)上述定PI系數(shù)轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略的問(wèn)題，引入時(shí)變思想，構(gòu)建變系數(shù)PI控制的轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略，P和I分別為

式中，(off)為off時(shí)刻DFIG的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；P和I分別為P和I的比例系數(shù)。

考慮到本文主要思想為實(shí)現(xiàn)Δ以“先抑后揚(yáng)”的輸出方式進(jìn)行轉(zhuǎn)速恢復(fù)，采用正交實(shí)驗(yàn)法[24]初步確定P和I的值，未來(lái)將通過(guò)不同方法進(jìn)一步探究PI系數(shù)整定方法及最優(yōu)解。

通過(guò)式（16）將P、I與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速建立耦合關(guān)系，P和I隨轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)調(diào)整以適應(yīng)在不同工況下恢復(fù)轉(zhuǎn)速。在轉(zhuǎn)速恢復(fù)初期，P、I隨轉(zhuǎn)速差值[r-(off)]從0開(kāi)始增加，實(shí)現(xiàn)Δ()“先抑”的輸出方式，在根源上抑制了功率突變帶來(lái)的頻率二次跌落問(wèn)題；P和I隨轉(zhuǎn)速增加而增加，實(shí)現(xiàn)Δ()“后揚(yáng)”的輸出方式，致使DFIG輸入功率與輸出功率偏差增加，加快轉(zhuǎn)速恢復(fù)速度。為方便研究，本文對(duì)P、I采用同樣形式的控制增益[r-(off)]，未來(lái)將進(jìn)一步挖掘不同PI控制增益對(duì)DFIG抑制頻率二次跌落和轉(zhuǎn)速恢復(fù)性能的影響，設(shè)計(jì)最優(yōu)P、I。

基于變系數(shù)PI控制的自適應(yīng)轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略如圖6所示，其中，max和min分別為DFIG轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速最大、最小限值。頻率支撐階段采用變系數(shù)控制策略[12]，根據(jù)DFIG轉(zhuǎn)速狀態(tài)調(diào)整控制系數(shù)，在高轉(zhuǎn)速區(qū)域，采用較大的控制系數(shù)提高DFIG的調(diào)頻能力；在低轉(zhuǎn)速區(qū)域，采用近零系數(shù)避免DFIG過(guò)度減速現(xiàn)象，避免DFIG觸及最低轉(zhuǎn)速安全限制；通過(guò)檢測(cè)最低轉(zhuǎn)速，啟動(dòng)轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略。

圖6 基于變系數(shù)PI控制的DFIG轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略

3 算例分析

為了驗(yàn)證本文提出轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略的有效性及良好的魯棒性，在EMTP-RV仿真平臺(tái)搭建了一個(gè)高風(fēng)電滲透率的電力系統(tǒng)模型。該模型包括：6臺(tái)同步發(fā)電機(jī)組成的火電廠(chǎng)、1個(gè)含DFIG的聚合風(fēng)電場(chǎng)、1臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)和350 MW的靜負(fù)荷。其中DFIG聚合風(fēng)電場(chǎng)由23臺(tái)5 MW的DFIG組成。電力系統(tǒng)仿真模型結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 電力系統(tǒng)仿真模型

本文采用控制變量法進(jìn)行仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證提出策略的有效性。在50 s切除同步發(fā)電機(jī)SG4作為功率擾動(dòng)事件，頻率支撐階段采用圖6所示的控制策略，在off時(shí)刻啟動(dòng)轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略，對(duì)比傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略（DFIG退出調(diào)頻）、定PI系數(shù)轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略（P=1.5，I=0.1）與變PI系數(shù)轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略（P=5，I=2），這三種轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略在不同擾動(dòng)、不同風(fēng)電滲透率下，轉(zhuǎn)速恢復(fù)及頻率二次跌落的情況。各算例設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 算例設(shè)置

Tab.1 Case settings

3.1 不同擾動(dòng)的仿真分析

3.1.1 算例1：風(fēng)電滲透率為20%，擾動(dòng)為90 MW

算例1的仿真結(jié)果如圖8所示。由圖8a～圖8c可知，DFIG采用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略時(shí)，直接移除頻率支撐控制，造成0.116(pu)的功率突變，產(chǎn)生嚴(yán)重的頻率二次跌落，頻率跌落至49.69 Hz；轉(zhuǎn)子吸收較多動(dòng)能，轉(zhuǎn)速快速恢復(fù)，在95 s轉(zhuǎn)速恢復(fù)至初始值。

圖8 算例1的仿真結(jié)果

當(dāng)DFIG采用定PI系數(shù)轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恢復(fù)變慢，直到120 s時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恢復(fù)穩(wěn)定。但頻率二次跌落得到改善，頻率二次跌落最低點(diǎn)增加至49.72 Hz，這主要因?yàn)榛赑I轉(zhuǎn)速恢復(fù)控制策略初步實(shí)現(xiàn)有功減載量“先抑后揚(yáng)”的輸出方式，如圖8d所示。然而在轉(zhuǎn)速恢復(fù)初期，P控制器占據(jù)主導(dǎo)地位，轉(zhuǎn)速恢復(fù)初期仍然存在功率突降，但相比傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略下降了0.082(pu)，從而抑制了頻率二次跌落；隨時(shí)間增長(zhǎng)，I控制器占據(jù)主導(dǎo)地位，I控制器通過(guò)誤差積累消除穩(wěn)態(tài)誤差，但由于較小且不變的控制增益，延長(zhǎng)了轉(zhuǎn)速恢復(fù)時(shí)間。

當(dāng)DFIG采用變PI系數(shù)轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略時(shí), 由于P、I與轉(zhuǎn)速差值[r-(off)]存在耦合關(guān)系，使Δ能從0開(kāi)始增加，實(shí)現(xiàn)Δ()以“先抑后揚(yáng)”的輸出方式進(jìn)行轉(zhuǎn)速恢復(fù)。如圖8d所示，在轉(zhuǎn)速恢復(fù)初期，DFIG以Δ為0的情況下啟動(dòng)轉(zhuǎn)速恢復(fù)控制（“先抑”），在風(fēng)機(jī)出力中Δ()起主導(dǎo)作用，使DFIG總出力W()逐步下降，且無(wú)功率突變，從根源上有效抑制了頻率二次跌落；隨時(shí)間增長(zhǎng)，P、I隨[r-(off)]增大而增大，Δ()與ΔW()趨近相等，DFIG輸出由MPPT出力占主導(dǎo)作用，105 s時(shí)，Δ超過(guò)定PI系數(shù)轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略的Δ（“后揚(yáng)”），轉(zhuǎn)速恢復(fù)加快（由于算例1為滲透率低，擾動(dòng)小，轉(zhuǎn)子釋放動(dòng)能少，轉(zhuǎn)速恢復(fù)改善效果不明顯）。

3.1.2 算例2：風(fēng)電滲透率為20%，擾動(dòng)為150 MW

不同擾動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速到達(dá)最低點(diǎn)的時(shí)間存在差異，off不同，并且隨擾動(dòng)增大，轉(zhuǎn)子釋放動(dòng)能增多。為了證明自適應(yīng)轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略面對(duì)不同擾動(dòng)的有效性，將切機(jī)容量增加到150 MW，算例2的仿真結(jié)果如圖9所示。

在采用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略和定PI系數(shù)轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略時(shí)，DFIG頻率二次跌落更加嚴(yán)重，頻率二次跌落進(jìn)最低點(diǎn)分別降低到49.30 Hz和49.34 Hz；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恢復(fù)穩(wěn)定的時(shí)間變長(zhǎng)，分別為80 s和135 s。當(dāng)采用變PI系數(shù)轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略時(shí)，無(wú)頻率二次跌落，轉(zhuǎn)速于98 s恢復(fù)穩(wěn)定。從系統(tǒng)角度出發(fā)，有效抑制轉(zhuǎn)速恢復(fù)初期的功率突變，消除頻率二次跌落；從DFIG角度出發(fā)，Δ以“先抑后揚(yáng)”的方式輸出，保障轉(zhuǎn)速恢復(fù)性能。

3.2 不同風(fēng)電滲透率的仿真分析

算例3：風(fēng)電滲透率為40%，擾動(dòng)為150 MW。隨著風(fēng)電滲透率的增加，同步機(jī)調(diào)頻比重減小，DFIG輸出更多轉(zhuǎn)子動(dòng)能參與系統(tǒng)調(diào)頻，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大幅下降，轉(zhuǎn)速恢復(fù)控制策略的off與ΔE(off)均發(fā)生較大變化，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略的性能受到影響。本文通過(guò)減少兩臺(tái)同步發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)高比例風(fēng)電滲透模型，算例3的仿真結(jié)果如圖10所示。

由圖10可知，系統(tǒng)頻率二次跌落比算例2更嚴(yán)重，采用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略和定PI系數(shù)轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略時(shí)，頻率二次跌落最低點(diǎn)分別為48.97 Hz、49.09 Hz，比頻率一次跌落最低點(diǎn)小，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定造成巨大危害；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速分別在84 s、155 s恢復(fù)穩(wěn)定。在采用變PI系數(shù)轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略時(shí)，無(wú)頻率二次跌落，轉(zhuǎn)速快速恢復(fù)。

4 結(jié)論

為解決DFIG轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略不能兼顧抑制頻率二次跌落和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恢復(fù)性能的問(wèn)題，本文首先揭示轉(zhuǎn)速恢復(fù)控制啟動(dòng)時(shí)刻、有功減載量對(duì)抑制頻率二次跌落的影響機(jī)制，其次提出一種基于變系數(shù)PI控制的自適應(yīng)轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略，得出以下結(jié)論：

1）對(duì)轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略啟動(dòng)時(shí)間進(jìn)行研究。從頻率二次跌落的角度分析，在頻率恢復(fù)階段，啟動(dòng)轉(zhuǎn)速恢復(fù)控制，系統(tǒng)不平衡功率更小，能有效地抑制轉(zhuǎn)速恢復(fù)初期的功率突變；從轉(zhuǎn)速恢復(fù)性能的角度分析，在頻率恢復(fù)階段啟動(dòng)轉(zhuǎn)速恢復(fù)，轉(zhuǎn)速恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間不至于太慢。

2）對(duì)轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略有功減載量進(jìn)行研究。為減小轉(zhuǎn)速恢復(fù)初期的功率突變，兼顧轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恢復(fù)性能，借助PI控制器實(shí)現(xiàn)有功減載量以“先抑后揚(yáng)”的輸出方式進(jìn)行轉(zhuǎn)速恢復(fù)。考慮到基于定系數(shù)PI控制的轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略無(wú)法適應(yīng)不同工況、轉(zhuǎn)速恢復(fù)初期仍存在功率突等問(wèn)題，將比例、積分控制系數(shù)與轉(zhuǎn)速建立耦合關(guān)系，設(shè)計(jì)了基于變系數(shù)PI控制的自適應(yīng)轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略，實(shí)現(xiàn)了兼顧抑制頻率二次跌落與轉(zhuǎn)速恢復(fù)性能。

當(dāng)前研究采用簡(jiǎn)化模型，與實(shí)際同步機(jī)組及風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻模型存在一定差異，后期的工作將構(gòu)建精細(xì)化風(fēng)電機(jī)組和同步發(fā)電機(jī)組頻率響應(yīng)模型，量化分析風(fēng)電機(jī)組控制參數(shù)二次頻率跌落和轉(zhuǎn)速恢復(fù)時(shí)間的影響，為風(fēng)電機(jī)組整定頻率控制參數(shù)提供參考。同時(shí)，進(jìn)一步研究有效整定PI控制參數(shù)方法。

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Adaptive Speed Recovery Strategy of Doubly-Fed Induction Generator Based on Variable PI Control Coefficient

Wang Xin Yang Dejian

（Key Laboratory of Modern Power System Simulation and Control & Renewable Energy Technology Ministry of Education Northeast Electric Power University Jilin 132012 China）

Doubly-fed induction generator (DFIG) participates in frequency regulation to support the reduced system inertia. After frequency regulation, the rotor speed is lower than the optimal speed. It is necessary to regain the rotor speed, otherwise, the rate of wind energy utilization would be reduced, or stalling of DFIG even be caused. The existing rotor speed recovery methods only unilaterally improved the performance of speed recovery or reduced the size of frequency secondary drop. To address these issues, this paper suggests a variable-coefficient-PI-control speed recovery strategy.

Firstly, this paper revealed the influence mechanism of the amount of the active power reduction and the invitation of the recovery strategy on the frequency secondary drop and the speed recovery performance; secondly, a recovery strategy of the DFIG based on fixed-PI-coefficient control was proposed, the reduction output power with “rise after restrain” manner had been preliminarily constructed to speed recovery. Then, to solve the shortcomings of the recovery strategy with fixed-PI-coefficient, this paper established the coupling relationship between rotor speed of the doubly-fed induction generators and PI control coefficients according to different operating conditions, and then constructed an adaptive recovery strategy based on variable-PI-coefficient to ensure the speed recovery performance while suppressing the frequency secondary drop. Finally, power system model with various wind power penetrations and disturbances was modeled based on an EMTP-RV to investigate the effectiveness of the proposed rotor speed recovery strategy.

Simulation results on the different speed recovery strategies illustrate that, under the disturbance of 90 MW with the wind power penetration of 20%, since the DFIG directly removed the frequency support control strategy, it caused a sudden power change of 0.116(pu) so as to result in a frequency secondary drop of 49.69 Hz; the DFIG absorbed more kinetic energy during the short period, the rotor speed regained to the initial value at 95 s; when the DFIG used the fixed-coefficient-PI-control speed recovery strategy, the sudden power variation was reduced by 0.082(pu), the frequency secondary nadir was improved by 0.030 Hz, however, the time for the speed recovery was extended to 120 s; the use of variable-coefficient-PI-control speed recovery strategy started speed recovery without sudden power variation, as a result, no frequency secondary drop was caused, the amount of the active power reduction increase leaded to faster speed recovery during the latter period. When the disturbances increased to 150 MW, the variable-PI-coefficient speed recovery strategy could still maintain the better speed recovery performance and avoid secondary frequency drop. In the case of a large disturbance with a high wind penetration level, the frequency secondary drops for the direct rotor speed recovery and fixed-PI-coefficient speed recovery strategy were lower than the first frequency nadir caused by the disturbance, however, the variable-PI-coefficient speed recovery strategy could guarantee the speed recovery performance without causing a second frequency drop.

The following conclusions can be drawn from the simulation analysis: (1) In specific cases, the fixed-coefficient-PI-control speed recovery strategy can preliminarily constructed the “rise after restrain” manner of the active power reduction so as to mitigate the size of frequency secondary drop and ensure speed recovery performance by reasonably employing the parameters of PI controller. (2) The proposed variable-coefficient-PI-control speed recovery strategy can achieve the counterbalance between frequency secondary dip and rotor speed recovery performance compared to constant- coefficient-PI-control speed recovery strategy since the reduction output power with “rise after restrain” manner had been constructed to during the rotor speed recovery period.

Doubly-fed induction generator (DFIG), adaptive rotor speed recovery, frequency secondary drop, PI control

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.220852

TM614

東北電力大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目（BSJXM-2021209）。

2022-05-18

2022-08-17

王 鑫 男，1999年生，碩士研究生，研究方向?yàn)榭稍偕茉绰?lián)網(wǎng)控制技術(shù)。E-mail： 1954592617@qq.com

楊德健 男，1990年生，博士，講師，研究方向?yàn)榭稍偕茉绰?lián)網(wǎng)控制技術(shù)。E-mail：yangdejian@neepu.edu.cn（通信作者）

（編輯 赫蕾）