基于轉矩極限控制的雙饋風機改進頻率控制策略

李 軍，楊德健，林 旭，王汝田，金朝陽

（1.現代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術教育部重點實驗室（東北電力大學），吉林吉林 132012；2.山東大學電氣工程學院，山東濟南 250061）

0 引言

隨著構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)進程不斷推進，以風電為代表的可再生能源滲透率不斷提高[1]。雙饋感應風電機組（Doubly-Fed Induction Generator Based-Wind Turbine，DFIG-WT）作為風力發(fā)電的主流機型之一，雖然可以實現變速運行并捕獲最大功率，但其轉子轉速與系統(tǒng)頻率解耦，對電網呈現“近零慣量”特征，將拉低系統(tǒng)的整體抗擾性能與主動頻率支撐能力，加大了風機并網的頻率穩(wěn)定調頻難度[2-4]。

DFIG-WT 正常運行時轉子中蘊藏豐富慣量，通過對電力電子設備的靈活控制釋放一定轉子動能，可實現主動參與系統(tǒng)調頻[5-7]。為加速推動以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定運行，積極引導風電參與系統(tǒng)頻率調節(jié)以支撐電網頻率穩(wěn)定已成為業(yè)界共識[8-9]。DFIG-WT 參與電力系統(tǒng)調頻的功率支撐主要來源于轉子動能、減載備用功率與裝設儲能裝置[10-11]，其中風機減載備用功率是通過變槳控制、超速控制使風機在高風速運行時留出一部分有功支撐調頻，適用性較單調，多適用于高風速工況，存在機械慣性大且響應速度慢的問題[12]；儲能技術響應系統(tǒng)頻率變化速度快、參與調節(jié)靈活性強和短時功率控制能力強，但存在控制結構復雜，投資較大的劣勢[13-14]；轉子動能控制為系統(tǒng)調頻提供有功支撐時能夠更加靈活地調整頻率，提供穩(wěn)定的電力供應，受到廣泛關注和研究[15-17]。

高比例風電并網的新型電力系統(tǒng)受負荷功率擾動后將引起電網頻率驟降，DFIG-WT 基于多種控制策略能主動參與電網頻率支撐以減輕同步發(fā)電機組（Synchronous Generators，SGs）頻率調節(jié)過程的功率負擔[18-21]。針對負荷功率擾動后引起的電網頻率驟降，文獻[22]通過建立風電參與系統(tǒng)頻率調整的虛擬慣量控制和快速頻率控制模型，可根據風電機組運行狀態(tài)充分釋放轉子旋轉動能，改善系統(tǒng)頻率變化率。文獻[23]通過修改功率跟蹤特性曲線來提供慣性和一次調頻響應，但對于較高滲透率場景所提策略，依據頻率偏差和頻率變化率（Rate of Change of Frequency，RoCoF）修改的減載功率特性曲線將造成能量過度快速釋放而引發(fā)停機，對系統(tǒng)頻率最低點的跌落深度造成嚴重影響。文獻[24]在較小功率擾動場景下，DFIG-WT 有功出力增加過快將導致系統(tǒng)有功缺額變小，頻率緩慢下降，延緩了SGs 的調頻啟動造成不參與調頻的假象，出現暫態(tài)功率分擔不合理現象，并且隨有功出力的快速降低，容易誘發(fā)嚴重的頻率跌落，因此當系統(tǒng)面臨較小功率擾動時如何使DFIG-WT 基于不同場景靈活發(fā)揮適當的調頻能力是值得探討的問題。

針對較小功率擾動場景下傳統(tǒng)轉矩極限控制方法頻率支撐階段存在的DFIG-WT 與SGs 暫態(tài)功率分擔不合理現象，以及轉速恢復階段功率瞬時突變易誘發(fā)二次頻率跌落問題，提出基于最大RoCoF的權重系數改進頻率控制策略。頻率支撐階段，通過引入權重系數，可根據負荷功率擾動大小靈活調整DFIG-WT 調頻增量輸出，減緩輸出功率下降速度，為系統(tǒng)提供優(yōu)質的頻率支撐服務，弱化頻率最低點跌落深度；轉速恢復階段，考慮有功隨轉速及時間線性下降的一次函數關系預設轉速平滑恢復功率軌跡，減少二次頻率跌落（Secondary Frequency Drop，SFD），實現可控的轉速恢復策略。

1 基于轉矩極限控制的DFIG-WT

圖1 為傳統(tǒng)方法中有功功率-轉速變化軌跡曲線。圖1 中PMPPT為DFIG-WT 處于最大功率跟蹤模式（Maximum Power Point Tracking，MPPT）運行時的輸出功率，TLimit為轉矩極限隨轉速變化的曲線，Pm為風機的輸出機械功率變化軌跡，Po為轉子額定轉速下Pm與PMPPT相等時對應的功率值，PCon為傳統(tǒng)控制方法對應的功率變化軌跡曲線，ωmin為轉子最低轉速，ωC為有功功率減少至C點對應的轉子轉速，ωr0為轉子額定轉速，PTL(ωr0)為轉矩極限范圍內ωr0處增加的電磁功率。

受負荷功率擾動后，為提供動態(tài)功率支撐，DFIG-WT 調節(jié)風機輸出功率達到轉矩極限值對應有功功率（A→B），為防止風機失速，有功出力設定為轉速的一次函數（B→C），如式（1）所示[24-25]：

式中：PTL為傳統(tǒng)方法控制下的有功輸出變化值；ωr0為轉子額定轉速；ωr為轉子轉速；Δωr0_min為ωr0與ωmin的差值；PMPPT(ωmin)為MPPT 模式下最低轉速對應的風機有功輸出值。

當面臨功率擾動較小時，傳統(tǒng)控制方法下頻率支撐階段功率支撐過快導致系統(tǒng)有功缺額變小，頻率緩慢下降，延緩同步機組一次調頻啟動，出現暫態(tài)功率分擔不合理現象，進一步加大了頻率最低點跌落深度[24]。

為恢復轉子轉速，風機瞬間減少電磁功率輸出PC-D如式（2）所示：

式中：PTL(ωC)為轉速ωC對應的風機有功輸出。

由于電磁有功減載量的突變，將產生SFD，影響系統(tǒng)頻率質量；隨后，DFIG 保持輸出功率恒定至E點，轉速最終恢復至MPPT 模式，該模式下所對應的有功輸出為：

式中：A為風機葉輪掃掠的面積；CP（λ，β）為風能利用系數，其中λ為葉尖速比；β為槳距角；ωr為轉子轉速；vwind為風速；ρ為空氣密度；kopt為使PMPPT取到最大值的跟蹤系數，本文中設置為0.512[24]。

2 基于最大RoCoF 的權重系數修正調頻功率控制方法

為解決傳統(tǒng)方法基于不同場景下出現功率分擔不均致使頻率跌落（fnadi）r幅度大和SFD 的問題，提出基于最大RoCoF 權重系數的靈活功率支撐調頻方案，合理控制DFIG-WT 的有功出力響應電網頻率變化。圖2 為改進方法的有功功率-時序變化軌跡，圖2 中t0為風機頻率支撐啟動的指令時間，toff為風機頻率支撐結束的指令時間，tend為恢復至初始MPPT 模式運行所用的時間，t0至toff時間段為頻率支撐期間所用的時間，toff至tend時間段為轉速恢復期間所用的時間。

圖2 改進方法的有功功率-時序變化軌跡Fig.2 P-t change trajectory of improved method

受負荷功率擾動后，系統(tǒng)最大RoCoF 可反應系統(tǒng)有功缺額，為抑制DFIG-WT 功率支撐過快及下降迅速造成SGs 與DFIG-WT 暫態(tài)功率分擔不合理的現象，改進方法通過引入考慮最大RoCoF 的權重系數控制DFIG-WT 靈活增發(fā)調頻功率，如式（4）所示：

式中：RCOF,max為系統(tǒng)最大頻率變化率；RCOF,SD為定義權重系數時選擇的最大頻率變化率基準值，通常選擇較大功率擾動下的最大RCOF作為基準值，本文后續(xù)仿真部分選擇100 MW 功率擾動下的最大RCOF為基準值；KWC為權重系數；PWC為DFIG-WT 的有功調頻增量。

權重系數的變化可分為如圖3 所示的2 個階段：線性變化和飽和階段。線性變化階段針對較小功率擾動作用系統(tǒng)時RCoF，max

圖3 權重系數KWC變化軌跡Fig.3 Trajectory of the variation of KWC

頻率支撐階段，系統(tǒng)受負荷功率擾動后DFIGWT 的輸出功率為：

首先通過式（4）計算適當的有功增量，有功出力減少期間，改進方法釋放轉子中的適量動能響應電網頻率變化且調頻增量隨時間呈斜坡減小趨勢，弱化同步機組與風電機組暫態(tài)功率分擔不合理問題，進而避免系統(tǒng)頻率進一步跌落，提供優(yōu)質的頻率支撐服務。

為縮短轉速恢復時間和避免較大的SFD，改進方法通過式（6）預設功率軌跡，轉速恢復階段如圖2所示的曲線B*→C*→A。

式中：Pref為隨時間變化的功率參考值；toff為風機頻率支撐結束的功率指令時間；ΔPωB*-ωC*為有功出力線性減載與預設功率點恢復的差值，其中ωB*，ωC*分別為圖2 中點B*和點C*所對應的轉速；ωoff為功率預設指令時間點對應的轉速。

如式（6）所示，通過設定toff實現可控的轉速平滑恢復功率軌跡，避免產生SFD；考慮系統(tǒng)頻率恢復啟動時間，通常toff設定為15 s～30 s；另外，通過引入ωoff/ωr0的比值，可根據風機轉子轉速釋放的動能，進一步靈活調整轉速恢復時間，實現可控的轉速恢復策略。

3 基于EMTP-RV平臺仿真分析

3.1 仿真模型搭建

為驗證所提頻率控制方法的有效性與可行性，使用圖形化電磁暫態(tài)仿真工具（Electromagnetic Transients Program-Restructured Version4.0，EMTPRV4.0）搭建如圖4 所示由聚合風電機組、同步機組、負荷等構成的電力系統(tǒng)仿真模型，圖4 中PCC點為風力發(fā)電并網點。

圖4 仿真系統(tǒng)模型Fig.4 Model of simulation system

為驗證所提方法的有效性，不同仿真控制策略中，MPPT 為無調頻控制時DFIG-WT 運行的MPPT模式；傳統(tǒng)方法為現有的轉矩極限頻率支撐策略[26]；改進方法1 為DFIG-WT 采用本文提出的頻率支撐策略及轉速恢復策略，為進一步證明所提轉速恢復策略的有效性，改進方法2 中DFIG-WT 采用本文提出的頻率控制策略，但轉速恢復采用傳統(tǒng)控制方法。

3.2 基于不同工況的控制策略仿真分析

1）工況1：風速8 m/s，風電滲透率18.52%，功率擾動40 MW。

圖5 給出了工況1 下的仿真結果。DFIG-WT運行于MPPT 模式時，系統(tǒng)fnadir跌落至59.60 Hz；采用傳統(tǒng)方法控制時，DFIG-WT 有功出力增加至轉矩極限響應系統(tǒng)頻率下降，雖然該方法轉子轉速降低至0.77 p.u.，但相較于MPPT，fnadir調高了0.07 Hz，主要原因是該控制方法下頻率支撐階段有功調頻增發(fā)過快及下降迅速致使SGs 與DFIG-WT 暫態(tài)功率分擔不合理，有功出力下降快速致使頻率進一步跌落。如圖5（b）所示，改進方法2 中傳統(tǒng)轉速恢復控制下電磁有功減載量存在5 MW 的突變，造成的SFD 為0.03 Hz。而采用本文提出的改進方法1 時，對于較小功率擾動造成的頻率波動，由最大RoCoF定義的KWC=0.38<1，有功調頻輸出PWC如圖5（b）所示，DFIG-WT 通過釋放適量轉子旋轉動能為系統(tǒng)提供適當的功率補償，實現DFIG-WT 和SGs 合理分擔較小功率擾動時的暫態(tài)功率，仿真結果表明此時PWC=KWCPTL（ωr0）+PMPPT（ωr0）<（PTL（ωr0）-PMPPT（ωr0））。如圖5（a）所示，fnadir為59.71 Hz，相較于無調頻控制策略、傳統(tǒng)控制策略下fnadir分別提高了0.11 Hz、0.04 Hz。因此，頻率支撐階段，采用最大RoCoF 定義的權重系數修正調頻功率輸出控制能夠顯著弱化較小功率擾動時DFIG-WT 和SGs 暫態(tài)功率分擔不合理的現象，有效且合理利用風機轉子旋轉動能，抑制了系統(tǒng)頻率的進一步跌落，同時轉速恢復階段預設轉速平滑恢復功率軌跡避免了SFD，調頻效果更好。

圖5 工況1的仿真結果Fig.5 Simulation results of case 1

2）工況2：恒定風速8 m/s，風電滲透率27.78%，功率擾動40 MW。

圖6 給出了滲透率較高場景下仿真結果。DFIG-WT 采用無調頻策略、傳統(tǒng)方法和改進方法下fnadir分別為59.58 Hz，59.66 Hz，59.76 Hz，同時傳統(tǒng)轉速恢復方法造成的SFD 為0.05 Hz，而改進方法1轉速恢復時可有效避免SFD；針對傳統(tǒng)方法引起的頻率進一步跌落現象，在改進方法1，2 控制下被弱化。

圖6 工況2的仿真結果Fig.6 Simulation results of case 2

3）工況3：風速8 m/s、風電滲透率為37.04%，功率擾動70 MW。

隨風電滲透率及擾動進一步增加，DFIG-WT 有功出力占比達23.54%，如圖7 所示。

圖7 工況3的仿真結果Fig.7 Simulation results of case 3

對比基于不同控制策略下的DFIG-WT 調頻效果，無調頻策略、傳統(tǒng)方法和改進方法1，2 下的fnadir分別為59.15 Hz，59.37 Hz，59.49 Hz，改進方法1 下SFD幾乎不明顯，最大頻率偏差為0.85 Hz，0.63 Hz，0.51 Hz。仿真結果表明DFIG-WT 基于改進方法1，2 下通過釋放適量的轉子動能為系統(tǒng)提供慣量支撐，可明顯減小系統(tǒng)頻率偏差、改善慣性響應特性。同時，高風電滲透率下所提改進方法1 也能進一步弱化傳統(tǒng)方法下較小功率擾動時有功調頻增加過快而出現的DFIG-WT 和SGs 暫態(tài)功率分擔不合理現象，從而抑制頻率的進一步跌落和避免SFD。

4 結論

DFIG-WT 通過釋放轉子動能可充分發(fā)揮自身的慣性響應能力參與調頻，對改善電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性具有重要的現實意義?？紤]傳統(tǒng)方法基于不同工況下功率支撐過快出現暫態(tài)功率分擔不合理，造成同步機組無需參與調頻的假象進一步降低fnadir和轉速恢復期間SFD 問題，本文提出改進頻率控制方法，綜合仿真分析得出如下結論（此方法同樣適用于永磁直驅風機的功率調節(jié)控制）：

1）改進方法通過引入基于最大頻率變化率的權重系數，靈活調節(jié)有功調頻增量使風電機組合理分擔暫態(tài)功率，有效提升系統(tǒng)頻率動態(tài)支撐能力。

2）在轉速恢復階段考慮有功隨轉速及時間線性下降的關系預設轉速平滑恢復功率軌跡，避免有功突變，減少頻率的二次跌落。