基于自適應(yīng)VSG控制策略永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)研究

摘要：高比例風(fēng)力發(fā)電使用大量的電力電子裝置接入電網(wǎng)，本身不能像傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)一樣具備內(nèi)在的慣性響應(yīng)特性，在受到外界擾動(dòng)時(shí)很難支撐風(fēng)電系統(tǒng)自身頻率的穩(wěn)定性。常規(guī)的虛擬同步機(jī)（VSG）控制在慣量主動(dòng)支撐方面很難滿足實(shí)際運(yùn)行需求，因此提出一種靈活自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)慣量、阻尼綜合VSG永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)控制策略。首先，建立虛擬同步機(jī)永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)、網(wǎng)側(cè)控制單元模型以及網(wǎng)側(cè)和機(jī)側(cè)之間的電流前饋控制單元。對(duì)風(fēng)電VSG系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析及參數(shù)整定。其次，設(shè)計(jì)自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)慣量、阻尼綜合控制規(guī)律，并對(duì)控制規(guī)律相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析。最后，基于自適應(yīng)靈活旋轉(zhuǎn)慣量、阻尼綜合控制規(guī)律建立風(fēng)電系統(tǒng)仿真模型。通過(guò)仿真驗(yàn)證了該方法的可行性，仿真結(jié)果表明：該方法應(yīng)用于風(fēng)電系統(tǒng)相比于VSG/自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)慣量VSG具有更好的調(diào)頻特性以及具備直流母線抗擾動(dòng)調(diào)壓的特性。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電；前饋控制；自適應(yīng)算法；永磁同步發(fā)電機(jī)；虛擬同步機(jī)；頻率調(diào)節(jié)

中圖分類號(hào)：TM73文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

在雙碳背景下，可再生能源發(fā)電越來(lái)越受到各國(guó)的重視，尤其是太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電，伴隨著并網(wǎng)風(fēng)電容量不斷增加，電網(wǎng)中風(fēng)電滲透率不斷提高，給電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)新的挑戰(zhàn)1。一方面，由于風(fēng)電變流器的隔離作用，風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)特性無(wú)法耦合到網(wǎng)側(cè)參與系統(tǒng)調(diào)頻，嚴(yán)重影響頻率穩(wěn)定性2]。另一方面，由于風(fēng)能具有隨機(jī)性、間歇性，系統(tǒng)的頻率特性也會(huì)受其影響[3]。風(fēng)電如何參與調(diào)頻是解決風(fēng)電并網(wǎng)的有效手段之一。高滲透風(fēng)電下，風(fēng)電系統(tǒng)如何模擬同步發(fā)電機(jī)的調(diào)頻特性增強(qiáng)運(yùn)行系統(tǒng)穩(wěn)定性已成為中國(guó)研究的熱點(diǎn)。

研究人員對(duì)虛擬同步機(jī)（virtual synchronous generator，VSG）控制及其改進(jìn)控制策略進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[4]將有功頻率下垂特性引入直流側(cè)母線電壓控制中，同時(shí)交流側(cè)VSG控制中引入對(duì)數(shù)下垂函數(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)下垂系數(shù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的頻率和電壓。文獻(xiàn)[5]將自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)慣量VSG應(yīng)用于單相逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)，能有效自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率和抑制功率超調(diào)。文獻(xiàn)[6]通過(guò)儲(chǔ)能與自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)慣量VSG相結(jié)合來(lái)強(qiáng)化系統(tǒng)的慣量，使得系統(tǒng)具有更好的頻率支撐能力。文獻(xiàn)[7-8]提出動(dòng)態(tài)阻尼控制策略，通過(guò)動(dòng)態(tài)阻尼抑制有功功率超調(diào)振蕩。文獻(xiàn)[9-11]將VSG虛擬慣量控制應(yīng)用于風(fēng)電系統(tǒng)，雖然調(diào)頻能力改善明顯，但VSG只能實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻且仿真波形中頻率波動(dòng)依然較大，調(diào)頻效果不佳。文獻(xiàn)[12]在阻尼系數(shù)D上并聯(lián)一個(gè)開(kāi)關(guān)延時(shí)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)VSG的二次調(diào)頻，但犧牲了動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，相比VSG二次調(diào)頻，頻率恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)。文獻(xiàn)[13]提出一種振蕩辨識(shí)和PSO優(yōu)化VSG參數(shù)協(xié)調(diào)控制策略，在負(fù)載擾動(dòng)和故障擾動(dòng)下，通過(guò)辨識(shí)出主導(dǎo)振蕩頻率，然后優(yōu)化出旋轉(zhuǎn)慣量和阻尼系數(shù)最佳值，調(diào)節(jié)系統(tǒng)抑制有功振蕩和頻率振蕩，但該方法在擾動(dòng)下振蕩依然較明顯。文獻(xiàn)[14]將微分算子采用分?jǐn)?shù)階增加VSG模型的階數(shù)抑制振蕩，但階數(shù)與超調(diào)并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，合適階數(shù)不好找到。文獻(xiàn)[15]提出一種虛擬直流功控制和自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)慣量、阻尼相結(jié)合的控制方法，實(shí)現(xiàn)直流母線電壓的調(diào)節(jié)和頻率的主動(dòng)支撐，調(diào)壓和調(diào)頻效果好。文獻(xiàn)[16-17]將VSG應(yīng)用于風(fēng)電系統(tǒng)實(shí)，實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻，同時(shí)利用儲(chǔ)能進(jìn)一步支撐系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[18]將自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)慣量VSG應(yīng)用于多機(jī)并聯(lián)逆變器中，在負(fù)載變化時(shí)，能自適應(yīng)響應(yīng)頻率的變化。但頻率變化率一致的條件下，快速響應(yīng)性能降低了。文獻(xiàn)[19]提出三段式的自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)慣量VSG控制策略，能很好抑制頻率波動(dòng)，但有功和無(wú)功功率振蕩依然較明顯。文獻(xiàn)[20]提出旋轉(zhuǎn)慣量系數(shù)和阻尼補(bǔ)償系數(shù)VSG控制策略研究，但有功抑制振蕩和調(diào)頻效果不明顯，跟固定參數(shù)VSG控制效果幾乎一樣。文獻(xiàn)[21]系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)用旋轉(zhuǎn)慣量最大，通過(guò)減小旋轉(zhuǎn)慣量自適應(yīng)抵御擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[22]充分利用風(fēng)輪機(jī)的動(dòng)能強(qiáng)化VSG的慣量，自適應(yīng)調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)慣量來(lái)提高風(fēng)電系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)。

在上述文獻(xiàn)研究基礎(chǔ)上，本文提出一種靈活自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)慣量和阻尼綜合VSG控制策略，并將其應(yīng)用于永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)中。永磁直驅(qū)VSG風(fēng)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)采用電壓矢量控制、網(wǎng)側(cè)采用自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)慣量和阻尼綜合控制策略，設(shè)計(jì)自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)慣量控制策略并分析相關(guān)參數(shù)的整定。在風(fēng)速變化負(fù)載不變、負(fù)載變化風(fēng)速不變的情況下驗(yàn)證該控制策略的有效性，同時(shí)進(jìn)一步將其應(yīng)用于風(fēng)電系統(tǒng)中完成應(yīng)用驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明該方法相比于VSG、自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)慣量VSG主動(dòng)支撐系統(tǒng)頻率的能力更佳，同時(shí)能調(diào)節(jié)直流母線電壓。

1永磁直驅(qū)VSG風(fēng)電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

基于VSG的永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)，系統(tǒng)由永磁同步發(fā)電機(jī)（permanent magnet synchronous generator，PMSG）、AC/DC電路、負(fù)荷、DC/AC電路、直流母線等組成，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。機(jī)側(cè)變流器采用矢量控制，網(wǎng)側(cè)變流器采用VSG控制。圖1中，V為直流母線電壓，Ve為給定參考直流母線，i為機(jī)側(cè)q軸電流參考值，U和I分別為VSG并網(wǎng)端電壓和端電流，Pe和Q分別為VSG給定參考有功和無(wú)功功率，i為網(wǎng)側(cè)電流d軸分量，k。為補(bǔ)償系數(shù)，i為補(bǔ)償?shù)綑C(jī)側(cè)的電流分量。

2系統(tǒng)內(nèi)各單位模塊及其控制

2.1機(jī)側(cè)變流器矢量控制

PMSG在dg坐標(biāo)下的穩(wěn)態(tài)方程為：

式中：R.——定子電阻，Ω;i——q軸直流分量，A;w，——轉(zhuǎn)子角速度，rad/s;L？——d軸電感，mH;i——d軸直流分量，A;ψ，——轉(zhuǎn)子磁鏈，Wb;L？——q軸電感，

PMSG轉(zhuǎn)矩方程為：

式中：n，——極對(duì)數(shù)。

對(duì)式（1）進(jìn)行前饋解耦可得：

式中：k——電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器比例系數(shù)；k——電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器積分系數(shù)。

由式（2），ia=0直接d軸解耦控制，可得簡(jiǎn)化電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

i由電壓外環(huán)控制輸出，結(jié)合式（3）、式（4）可得機(jī)側(cè)變流器控制結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.2電流前饋控制

網(wǎng)側(cè)負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，將導(dǎo)致電容兩端的功率不平衡，會(huì)帶來(lái)直流母線電壓波動(dòng)。為了抑制直流母線電壓波動(dòng)，將網(wǎng)側(cè)d軸直流分量通過(guò)補(bǔ)償系數(shù)k。疊加到機(jī)側(cè)d軸直流參考分量上，補(bǔ)償網(wǎng)側(cè)帶來(lái)擾動(dòng)（風(fēng)力機(jī)的有功功率與i成正比，網(wǎng)側(cè)有功功率與i成正比），網(wǎng)側(cè)的變化將引起機(jī)側(cè)功率變化，從而平衡直流母線兩端的功率，抑制母線電壓波動(dòng)。電流前饋控制表達(dá)式為：

ka變化時(shí)，直流母線電壓調(diào)壓特性如圖3所示，k？=0時(shí)，受負(fù)載擾動(dòng)，直流母線電壓下降到約為650 V，跌落約50V;隨著補(bǔ)償系數(shù)k.的增加，直流跌落的幅值也在減小。k取1.5時(shí)，跌落接近于0V。隨著k.的增大，電流前饋控制發(fā)揮作用越大，抑制直流母線電壓波動(dòng)。但隨著k_的增大，抗擾動(dòng)增強(qiáng)的同時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度變緩了。為了兼顧兩者，本文k_取值為0.5。

2.3網(wǎng)側(cè)變流器VSG控制

VSG控制方程為：

式中：J——旋轉(zhuǎn)慣量，kg·m2;w——系統(tǒng)角速度，rad/s;Pm——VSG輸入機(jī)械功率，kW;P.——電磁有功功率，kW;D——阻尼系數(shù)，N·m·s/rad;wn——系統(tǒng)額定角速度，rad/s;δ——系統(tǒng)功角，（°）;P——有功參考功率，kW;m——有功下垂系數(shù)；Un——額定電壓值，V;n——無(wú)功下垂系數(shù)；Q——無(wú)功參考功率，kvar;Qe——電磁無(wú)功功率，kvar;Um——電壓有效值，V;k——電壓積分系數(shù)。

由式（6）可得風(fēng)電VSG控制系統(tǒng)的有功和無(wú)功控制框圖，如圖4所示。

3永磁直驅(qū)VSG風(fēng)電系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

將永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)等效為一個(gè)VSG，如圖5所示，圖5中，e為VSG內(nèi)電勢(shì)，e，為電網(wǎng)電勢(shì)，z，為定子等效阻抗，zm為線路等效阻抗。

由圖5可知端口電壓dq坐標(biāo)下的表達(dá)式為：

式中：L？——定子電感和線路電感之和，mH;i——定子d軸電流分量，A;R？——定子電阻和線路電阻之和，Ω;w.——定子角速度，rad/s;i，——定子q軸電流分量，A。

對(duì)式（7）拉普拉斯變換可得，式（8）中下標(biāo)0表示對(duì)應(yīng)變量的穩(wěn)態(tài)量，△表示對(duì)應(yīng)變量的擾動(dòng)量。

VSG輸出瞬時(shí)有功值為：

式中：e？——VSG內(nèi)電勢(shì)d軸分量，V;e？——VSG內(nèi)電勢(shì)q軸分量，V。

對(duì)式（9）進(jìn)行小信號(hào)線性化可得：

穩(wěn)態(tài)時(shí)，忽略電阻VSG輸出電流為：

電網(wǎng)電壓dg軸小信號(hào)表達(dá)式為：

由式（8）～式（12）可得功角傳遞函數(shù)為：

J取不同值時(shí)，風(fēng)電VSG系統(tǒng)Bode圖如圖6所示，隨著J的增大，相角曲線下降，系統(tǒng)穩(wěn)定裕度降低。同時(shí)如果J取值過(guò)大也會(huì)產(chǎn)生功率振蕩。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，穩(wěn)態(tài)時(shí)本文J取值0.5。

4自適應(yīng)VSG控制策略設(shè)計(jì)

當(dāng)風(fēng)電VSG系統(tǒng)發(fā)生外界擾動(dòng)時(shí)，角功率振蕩曲線如圖7所示?？赏ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)J來(lái)控制△w和dw/dt從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性。

在[t？，t？]和[t？，t？]期間，需增大J，防止角速度遠(yuǎn)離額定值；在[t？，t]和[t？，t？]期間，需減小J，讓角速度加速往額定值靠近。據(jù)此本文自適應(yīng)J表達(dá)式設(shè)計(jì)為：

式中：J？——穩(wěn)態(tài)時(shí)的旋轉(zhuǎn)慣量，kg·m2;k？——慣量調(diào)節(jié)系數(shù)；k？——頻率變化調(diào)節(jié)系數(shù)。

具體J？的變化如表1所示，J？與k？、k？、dfldt之間的三維曲面關(guān)系如圖8所示。

如圖8所示，當(dāng)dfldt變化減小時(shí)，J自適應(yīng)變化也減小，當(dāng)dfldt變化增大時(shí)，J也隨著增大，增大的快慢取決于k？的取值。當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，dfldt在0～1 Hz之間變化時(shí)，指數(shù)函數(shù)（df/dt）隨k？的增大而減少，此時(shí)若增大k？則J降低，在較小的k？下為了獲得較大的J，只能通過(guò)增大VSG出力來(lái)抑制負(fù)載擾動(dòng)帶來(lái)的頻率變化；當(dāng)k？設(shè)置太小時(shí)，在擾動(dòng)下J變得很大；過(guò)大的J將會(huì)引發(fā)功率超調(diào)和振蕩從而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性[23]。因此k？初始條件下選擇一個(gè)較小的值，能減緩df/dt增大的速率，同時(shí)又要兼顧k？過(guò)小導(dǎo)致J過(guò)大產(chǎn)生的功率振蕩。綜合考慮兩者k？取值1.0較合適。k？的值根據(jù)系統(tǒng)需求、動(dòng)態(tài)響應(yīng)需求及VSG輸出的最大限值來(lái)合理選擇。

由式（14）可得：

忽略阻尼微小偏差，式（6）可改寫(xiě)為：

由式（16）可得：

由式（14）可得自適應(yīng)J控制框圖，如圖9所示。

k取不同系數(shù)時(shí)，系統(tǒng)調(diào)頻特性如圖10所示。

如圖10所示，k取0.2時(shí)，系統(tǒng)頻率受到擾動(dòng)后最低點(diǎn)約為49.92 Hz，當(dāng)k？逐步增至1.0時(shí)，系統(tǒng)頻率受到擾動(dòng)后最低點(diǎn)約為49.93 Hz，隨著調(diào)頻系數(shù)增大，系統(tǒng)頻率擾動(dòng)后最低點(diǎn)逐步向50 Hz靠近，系統(tǒng)調(diào)頻性能越優(yōu)。k？越大抑制擾動(dòng)能力越強(qiáng)，提升了系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性，但動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度降低，恢復(fù)至穩(wěn)定的時(shí)間變長(zhǎng)。為了兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，本文取k？=1.0。

將風(fēng)力機(jī)VSG設(shè)計(jì)成二階VSG模型，則二階模型自然振蕩角頻率和阻尼比為：

式中：wn——系統(tǒng)額定角速度，rad/s;U，——電網(wǎng)額定電壓，V;E——VSG輸出電壓，V;X？——濾波感抗和電網(wǎng)線路感抗之和，Q;ξ——系統(tǒng)阻尼比；J？——自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)慣量，kg·m2。

不同J、D與阻尼比的三維關(guān)系如圖11所示。阻尼比ξ=0.4～0.8，系統(tǒng)超調(diào)適度，調(diào)節(jié)時(shí)間短。二階系統(tǒng)最優(yōu)阻尼系數(shù)工程上一般取0.707，由式（18）可知，改變J將引起D變化。通過(guò)自適應(yīng)J、D可使得系統(tǒng)一直工作在最優(yōu)阻尼比的狀態(tài)。

由式（14）和式（19）可得自適應(yīng)VSG控制流程如圖12所示。

5系統(tǒng)仿真與分析

為了突出自適應(yīng)VSG控制策略的優(yōu)越性，根據(jù)圖1建立自適應(yīng)VSG永磁直驅(qū)風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)仿真模型，并對(duì)其進(jìn)行仿真測(cè)試。系統(tǒng)仿真參數(shù)如表2所示。

5.1風(fēng)速變化時(shí)，系統(tǒng)調(diào)頻特性

系統(tǒng)負(fù)載不變，系統(tǒng)有功負(fù)荷為10 kW負(fù)荷，無(wú)功負(fù)荷設(shè)置為0 kvar，風(fēng)速W=[8，12，6]m/s，對(duì)應(yīng)時(shí)間t=[0，0.3，0.7]s，給定有功功率參考值為30 kW，無(wú)功參考值為0 kvar。系統(tǒng)總仿真時(shí)間設(shè)置為1s，則仿真波形如圖13所示。由圖13a可知，負(fù)荷不變、風(fēng)速變化時(shí)，相比于固定參數(shù)VSG風(fēng)電系統(tǒng)，自適應(yīng)J的VSG風(fēng)電系統(tǒng)受到擾動(dòng)后頻率最高點(diǎn)由原來(lái)的50.35 Hz降至50.13 Hz，調(diào)頻效果得到明顯改善。相比于自適應(yīng)J的VSG控制策略來(lái)說(shuō)，自適應(yīng)J和D的VSG風(fēng)電系統(tǒng)受到擾動(dòng)后頻率最高點(diǎn)由50.13 Hz降至50.10 Hz，充分發(fā)揮儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)頻及穩(wěn)定功率的作用。本文所提方法具有更好的頻率調(diào)節(jié)能力，在風(fēng)速擾動(dòng)下提升了風(fēng)電場(chǎng)安全運(yùn)行穩(wěn)定性能。由圖13b可知，在功率跟蹤方面，自適應(yīng)J、自適應(yīng)J和D相比固定參數(shù)VSG功率超調(diào)降低了。因?yàn)樾D(zhuǎn)慣量和阻尼在t=0.3s和t=0.7s時(shí)風(fēng)速變化引起的擾動(dòng)下自適應(yīng)增大慣量和阻尼值抑制擾動(dòng)的結(jié)果，如圖13c和圖13d所示。

在風(fēng)速變化（功率變化）擾動(dòng)下，自適應(yīng)VSG風(fēng)電系統(tǒng)能夠靈活自適應(yīng)調(diào)節(jié)J和D，相比于常規(guī)VSG/自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)慣量VSG具有更好的慣量支撐能力。

5.2負(fù)載變化時(shí)，系統(tǒng)調(diào)頻特性

風(fēng)速保持不變，初始負(fù)荷30kW，設(shè)置t=0.4s系統(tǒng)切除10kW負(fù)荷，0.8 s時(shí)系統(tǒng)增加10kW負(fù)荷，給定有功功率參考值為30 kW，系統(tǒng)總的仿真時(shí)間設(shè)置為1.2 s，則仿真波形如圖14所示。由圖14可知，在0.4s負(fù)載減少10kW，系統(tǒng)頻率上升，相比于VSG固定參數(shù)風(fēng)電系統(tǒng)，自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)慣量VSG風(fēng)電系統(tǒng)頻率波動(dòng)具有明顯抑制。頻率最高值由50.25 Hz下降至50.10 Hz，抑制波動(dòng)達(dá)到0.15 Hz。相比于本文所提控制策略，頻率的最大值再次得到降低，由50.10 Hz下降至50.08 Hz。同理，在0.8s時(shí)負(fù)載又增加10 kW，調(diào)頻特性分析與0.4 s時(shí)系統(tǒng)切除負(fù)載分析一致，不再敘述。因?yàn)樾D(zhuǎn)慣量和阻尼在t=0.4s和t=0.8s時(shí)負(fù)載變化引起的擾動(dòng)下自適應(yīng)增大阻尼和慣量值抑制擾動(dòng)的結(jié)果，如圖14c和圖14d所示。本文所提方法相比于常規(guī)VSG、自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)慣量VSG，具有更好的頻率調(diào)節(jié)能力，在負(fù)載擾動(dòng)下提升了風(fēng)電場(chǎng)安全運(yùn)行穩(wěn)定性能。

5.3自適應(yīng)VSG控制策略在永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

將自適應(yīng)VSG控制策略應(yīng)用于永磁直驅(qū)風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)中，VSG按最大功率輸出，設(shè)置仿真總時(shí)間1 s，風(fēng)速變化W=[8，12]m/s，對(duì)應(yīng)時(shí)間t=[0，0.3]s。初始負(fù)載15kW，t=0.5 s時(shí)，切除5kW負(fù)荷，t=0.7s時(shí)增加5kW負(fù)荷。

5.3.1系統(tǒng)有功響應(yīng)仿真波形

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有功響應(yīng)仿真測(cè)試，系統(tǒng)仿真波形如圖15所示。由圖15a和圖15c可知，當(dāng)自適應(yīng)VSG風(fēng)電系統(tǒng)在風(fēng)速變化時(shí)，風(fēng)能最大利用系數(shù)一直保持在約為0.48，PMSM轉(zhuǎn)速也對(duì)應(yīng)發(fā)生變化。如圖15e所示，直流母線電壓在0.3 s風(fēng)速變化以及0.5s和0.7s負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，有一定的波動(dòng)，最終趨于穩(wěn)定；相應(yīng)的系統(tǒng)頻率也在對(duì)應(yīng)時(shí)刻有一定的波動(dòng)，但調(diào)頻效果較好，受到擾動(dòng)后趨于穩(wěn)定，如圖15f所示。如圖15d所示為VSG按PMSM經(jīng)MPPT后的功率輸出。0～0.3 s時(shí)，給定為7.5 kW，負(fù)載為15kW，此時(shí)需要電網(wǎng)提供約為-7.5kW的功率；0.3～0.5s時(shí)，給定為25 kW，負(fù)載仍為15kW，輸送至電網(wǎng)的功率為10kW;0.5～0.7 s時(shí)，0.5 s剛好切除負(fù)載有一擾動(dòng)，擾動(dòng)過(guò)后，負(fù)載變?yōu)?0kW，給定仍為25kW，則輸送至電網(wǎng)的功率為15 kW;0.7～1.0 s時(shí)，0.7s負(fù)載又增加5kW，此時(shí)輸出功率有對(duì)應(yīng)擾動(dòng)，負(fù)載又變?yōu)?5kW，給定25kW，故輸送至電網(wǎng)的功率為10kW。能量滿足守恒，與圖15h相吻合。

自適應(yīng)VSG風(fēng)電系統(tǒng)輸出有功功率滿足系統(tǒng)能量守恒，能自適應(yīng)調(diào)節(jié)J和D抵御外界擾動(dòng)為風(fēng)電并網(wǎng)提供良好的慣量支撐。

5.3.2系統(tǒng)無(wú)功響應(yīng)仿真波形

初始無(wú)功10 kvar，在0.5s時(shí)切除5 kvar，0.8 s時(shí)再次投入。系統(tǒng)給定參考無(wú)功值Q=[5，10，5]kvar，對(duì)應(yīng)時(shí)間t=[0，0.3，0.6]s，仿真時(shí)間1 s。系統(tǒng)無(wú)功響應(yīng)波形如圖16所示。由圖16可知，系統(tǒng)無(wú)功功率在t=0.3、0.5、0.6和0.8s外界負(fù)載變化和給定功率變化擾動(dòng)下能保持能量守恒，穩(wěn)定輸出支撐系統(tǒng)電壓。

6結(jié)論

通過(guò)分析自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)慣量和阻尼VSG永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)調(diào)頻響應(yīng)特性。在風(fēng)速變化負(fù)載保持不變、風(fēng)速保持不變負(fù)載變化兩種情況下對(duì)自適應(yīng)J和D控制策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證，并將該控制策略應(yīng)用于永磁直驅(qū)風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證。仿真驗(yàn)證得出主要結(jié)論如下：

1）基于自適應(yīng)VSG控制策略主動(dòng)支撐PMSM能保證穩(wěn)定的功率輸出，無(wú)論在負(fù)載擾動(dòng)還是風(fēng)速擾動(dòng)下具有良好的調(diào)頻和電壓支撐能力。同時(shí)增加了電流前饋控制，能有效調(diào)節(jié)直流母線電壓，抑制直流母線電壓波動(dòng)。

2）自適應(yīng)J和D的VSG控制策略應(yīng)用于風(fēng)電系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景，為高比例風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)提供良好的慣量支撐。

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RESEARCH ON PMSG WIND POWER SYSTEM BASED ONADAPTIVE VSG CONTROL STRATEGY

Zhu Zuobin1，2，Sun Shumin1，2，Ding Yueming3，Huang Shaoping？

（1.School of Electrical andElectronicEngineering，Shandong University of Technology，Zibo 255000，China;

2.Electric Power Research Institute of State Grid Shandong Electric Power Company，Ji'nan 250000，China;

3.State Grid Shandong Electric Power Company Rizhao Power Supply Company，Rizhao 276800，China;

4.School of Electrical and Information Engineering，Hunan Institute of Engineering，Xiangtan 411100，China）

Abstract：The vast majority of wind power generation relies on a mulitude of power electronic devices to connect to the power grid，which cannot possess the inherent inertia response characteristics of conventional synchronous generator.Additionally，a wind powersystem maintain frequency stability under outside disturbances is a challenge.Conventional virtual synchronous generator（VSG）controloften fails to meet the specific operational needs for inertia active support.Hence，this paper provides a flexible adaptive rotationalinertia and damping control technique for a VSG permanent magnet direct drive wind power system.First，the foundational structure ofthe current feed-forward control unit linking the grid and generator sides，the generator side converter control unit，and the grid sideconverter control unit is respectively established.An examination of the stability and parameter settings for wind power VSG system aredone.Second，the adaptive control law of rotational inertia and damping is designed，and the relevant parameters are set.Last but notleast，a simulation model for wind power VSG system is created using an adaptive flexible control rule for rotational inertia and damping.Simulation results verify the effectiveness of this approach.The simulation results suggest that this method has better frequencyregulation features and anti-disturbance regulation characteristics of DC bus voltage compared to VSG/adaptive rotational inertia VSGwind power system.

Keywords：windpower;feedforwardcontrol;adaptivealgorithms;PMSG;VSG;frequency modulation