柴建云, 趙楊陽, 孫旭東, 耿 華

(1. 電力系統(tǒng)及發(fā)電設備控制和仿真國家重點實驗室, 清華大學, 北京市 100084;2. 清華大學自動化系, 北京市100084)

0 引言

為了解決日益嚴峻的能源和環(huán)境問題,以清潔能源為基礎的新一輪能源變革正蓬勃興起,新能源的擴展速度比人們預期得更快[1]。美國能源部在2015風能展望中預計其風力發(fā)電增長率將在2030年及2050年分別達到20%和35%[2];中國國家能源局發(fā)布數(shù)據(jù)也顯示,2016年全國風力發(fā)電量211.30 TW·h,同比增長25.73%,全年新增風電裝機容量19.30 GW,占全部風電裝機容量的9%,但全年棄風量也達到了49.7 TW·h[3]。大型風電場具有并聯(lián)機組數(shù)量龐大、分布式風機單臺裝機容量小等特征,而市場上主流風電機組均需通過電力電子裝置接入電網(wǎng),其并網(wǎng)特性與傳統(tǒng)發(fā)電機組的行為特性差異較大。且中國風能分布多集中于西部地區(qū),本地負荷消納困難,電網(wǎng)中的風能滲透率也較高,進而造成系統(tǒng)等效轉動慣量缺失,電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性下降等問題凸顯。

GB/T 19963—2011《風電場接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定》,以及能源行業(yè)標準NBT 31003—2011《大型風電場并網(wǎng)設計技術規(guī)范》都進一步修正了相關技術要求,明確通過建設“電網(wǎng)友好型”風電場,解決未來風電并網(wǎng)和消納等問題[4]。同時2015年國家能源局發(fā)布的《關于促進智能電網(wǎng)發(fā)展的指導意見》中也指出“將推廣具有即插即用、友好并網(wǎng)特點的并網(wǎng)設備,滿足新能源、分布式能源廣泛接入要求”[5]。這意味著電網(wǎng)正逐漸將“維護電網(wǎng)安全穩(wěn)定”的能力作為未來新能源并網(wǎng)設備的必要條件。在推進全球能源互聯(lián)網(wǎng)的過程中,特別是在火電仍作為電力系統(tǒng)調頻、調壓主力的前提下,2008年Beck教授團隊通過模擬同步發(fā)電機數(shù)學模型,虛擬了同步發(fā)電機的轉動慣量與阻尼特性,率先提出虛擬同步機;2009年鐘慶昌教授提出“同步變換器”概念,在三相逆變器中建立了同步發(fā)電機的模型,實現(xiàn)了類似同步發(fā)電機的電磁特性、轉子慣性、調頻和調壓特性,虛擬同步發(fā)電機(VSG)的思想也應運而生[6-7]。由于常規(guī)同步發(fā)電機具有維持功率平衡,支撐電網(wǎng)頻率、電壓的重要作用,并具備自同步特性,所以虛擬同步型風力發(fā)電機組的研究也逐漸受到廣大學者的關注和重視。

由于風能具有波動性和間歇性等自然屬性,其調速能力受限,使得風能滲入率較高的區(qū)域電網(wǎng)的動態(tài)穩(wěn)定性也受到影響;并且基于功率解耦的最大功率點跟蹤(MPPT)和鎖相環(huán)(PLL)技術的傳統(tǒng)控制,使得風輪機轉動慣量與并網(wǎng)接口之間的能量傳遞鏈消失,傳統(tǒng)風力發(fā)電并網(wǎng)接口缺乏自主的頻率、電壓支撐能力[8]。為了實現(xiàn)基于虛擬同步發(fā)電機的風電場并網(wǎng)控制,Conroy教授在2008年提出了依賴儲能的虛擬同步型風機系統(tǒng)的控制策略,通過在風機交流側配置可控能量型儲能,實現(xiàn)風機與儲能設備組合后在并網(wǎng)點處的虛擬同步發(fā)電機接口特性[9]。為了進一步利用風輪機轉子儲存的動能,Ullah教授等人提出了基于限功率運行的虛擬同步型風機方案[10],通過修改MPPT曲線和利用變槳調節(jié)兩種方式為風機調頻預留可用容量,從而為風機模擬同步機的調頻、調壓特性提供了控制基礎[11-12]。為了體現(xiàn)風電機組的并網(wǎng)等效慣量,亞利桑那州立大學Gautam教授,丹麥科技大學Zeni教授等團隊提出了一種具備虛擬慣量的風機控制,通過檢測電網(wǎng)頻率變化,快速調節(jié)轉子變流器功率,使得風機響應電網(wǎng)擾動并提供類似同步發(fā)電機的慣量。為了使得風機的虛擬慣量及頻率支撐特性不依賴于電網(wǎng)頻率檢測甚至頻率變化率計算,伊利諾伊理工大學的鐘慶昌教授團隊將虛擬同步技術應用于全功率型(PMSG)風機中[13],華中科技大學袁小明教授和清華大學柴建云教授等學者將虛擬同步發(fā)電機數(shù)學模型直接引入雙饋型風機(DFIG)變流器控制算法中,實現(xiàn)了風機與傳統(tǒng)同步機一致的并網(wǎng)接口特性[14-15]。

中國也在以虛擬同步發(fā)電機等為代表的電網(wǎng)運行控制技術方面取得了令人矚目的成果[16]。2015年9月底,全球首套分布式光伏虛擬同步發(fā)電機在天津中新生態(tài)城成功掛網(wǎng),2016年4月,國家電網(wǎng)公司在張北風光儲輸基地開展了世界上規(guī)模最大的虛擬同步機技術示范工程建設。合肥工業(yè)大學、上海交通大學、華中科技大學、清華大學等團隊也在虛擬同步發(fā)電機技術上具備了一定的科研積累及成果[17-21]。

本文首先介紹了虛擬同步型風機的不同控制方案,針對高風能滲透率系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定等關鍵問題,闡述了MPPT與頻率支撐的協(xié)調解決策略,揭示了實際轉子與虛擬轉子的內在聯(lián)系,分析了參數(shù)設計及其對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響;并以全功率型風機和雙饋型風機為例介紹了其控制方式,以及未來在大規(guī)模風電場聚合等值領域的應用前景。最后,總結分析了該領域存在的問題及可行解決思路。

1 風機的虛擬同步化控制方案

1.1 虛擬同步發(fā)電機基本原理

虛擬同步發(fā)電機思想起源于三相逆變器控制,該逆變器具備與傳統(tǒng)同步機相似的并網(wǎng)接口特性,可響應系統(tǒng)動態(tài)變化并自主調節(jié)電壓、頻率。通過調速器模型生成機械功率指令,勵磁器模型生成勵磁電流指令,經(jīng)發(fā)電機本體模型產(chǎn)生具備同步速的內電勢矢量[22-23]。虛擬同步發(fā)電機本體模型主要由電磁模型和機電模型構成,通過引入虛擬電感、虛擬電阻和虛擬轉速,使其輸出頻率可由模型參數(shù)決定,為風電機組不依賴PLL進行頻率支撐提供了控制模型基礎。勵磁系統(tǒng)主要為同步發(fā)電機本體提供勵磁電壓指令,其相關參數(shù)對電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)分析計算具有較大影響,在實際應用中可僅用無功—電壓下垂控制簡化表征勵磁器。調速系統(tǒng)主要為同步發(fā)電機本體提供機械輸入功率指令,其參數(shù)不僅影響系統(tǒng)頻率變化特性和并聯(lián)機組間的有功分配,而且對電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性也起到了重要作用。

直接應用于逆變器中的虛擬同步機示范工程已在國家電網(wǎng)等相關企業(yè)的帶動下推廣實施,其模擬慣量、阻尼特性及頻率支撐效果也被廣泛驗證。為了使風電能更好得融入當前以大型同步機為主導的電力系統(tǒng)中,國內外學者提出了多種風機的虛擬同步技術方案,其本質都是使得風機在并網(wǎng)接口處可以模擬傳統(tǒng)同步機的慣量、阻尼特性及頻率、電壓支撐能力。

1.2 依賴儲能的協(xié)同控制

依賴儲能的虛擬同步型風力發(fā)電系統(tǒng)通過配合儲能設備進行協(xié)同控制,使得風機與儲能設備并聯(lián)輸出后的接口特性可模擬同步發(fā)電機的外特性[24-25],此方案中風機的MPPT及電流矢量控制方式保持不變,其并網(wǎng)接口的虛擬同步特性主要由配置的附加儲能設備實現(xiàn)。儲能裝置經(jīng)過三相逆變器與風機輸出端并聯(lián)后饋入電網(wǎng),儲能逆變器依然采用傳統(tǒng)的虛擬同步逆變器控制方式,僅需要將風機與儲能設備在并網(wǎng)接口處輸出的總有功、無功功率之和作為虛擬同步發(fā)電機控制所需的反饋功率數(shù)值即可,由于該方案無需改變風機變流器,其對風電機組的改造成本較低。

此技術方案不僅在三相同步逆變器的基礎上較易實現(xiàn),同時也可廣泛適用于光伏發(fā)電等其他新能源的虛擬同步化改造方案中。但附加儲能不僅提高了風電場的設備成本,而且這種控制方式并未有效利用風輪機存儲的轉子動能。為解決風力發(fā)電機組傳統(tǒng)控制導致的機電解耦問題,利用風機自身特性進行的動態(tài)調頻控制和虛擬慣量控制已成為最新的研究熱點。

1.3 預留容量的改進MPPT控制

目前,有多種通過修改MPPT曲線或利用變槳調節(jié)等方法實現(xiàn)風機虛擬同步控制的策略。其中,部分研究在低風速區(qū)利用運行點右移的方法實現(xiàn)機組減載運行,通過超速減載運行提供調頻時所需的額外容量[26];也有研究通過槳距角控制,使得風機始終運行在限功率工況下[27-28],或通過改變葉尖速比和槳距角關系降低風能利用系數(shù)。同時,有學者提出了將超速減載和增加槳距角控制相結合的方法[29],在低風速區(qū)僅通過提升發(fā)電機的轉速進行獨立超速控制即可滿足減載曲線要求;在中風速區(qū)需要變槳配合才能滿足減載曲線;在高風速區(qū),受到最大功率指令及轉速保護指令限制,只能使用變槳調節(jié)完成減載運行。其具體控制框圖如圖1所示。

圖1 基于改進MPPT的虛擬同步控制框圖Fig.1 Block diagram of virtual synchronous control based on advanced MPPT method

這種方案與原有MPPT控制的兼容性較好,使得風機無需儲能設備配合也可具備與同步機類似的調頻特性。但由于預留了部分風機容量,使得穩(wěn)態(tài)時風能利用率降低,當前風速下的最大風能未得到充分利用。

1.4 基于頻率檢測的虛擬慣量控制

為使得風機穩(wěn)態(tài)時依然運行在最大功率點,該方案利用電網(wǎng)頻率的微分作為機組附加轉矩的指令,其能有效利用風輪機在最大功率輸出時轉子固有的旋轉動能為電網(wǎng)提供頻率支撐。隨著風電調頻技術的深入研究,目前廣泛采用比例—微分(PD)控制實現(xiàn)虛擬慣量控制[30-31]。其中電網(wǎng)頻率測量值f經(jīng)微分控制器與有功—頻率下垂控制器作用,疊加于風機最大功率控制指令處,利用微分控制器對頻率的響應模擬機組慣量,通過下垂特性模擬一次調頻過程,該方法的具體控制框圖如圖2所示。圖中:Pmax為最大功率指令值;Pd為系統(tǒng)一次調頻時分擔的有功支撐功率值;PJ為附加慣量控制釋放或吸收的旋轉動能;虛擬慣量的大小可通過控制增益系數(shù)K的大小來實現(xiàn)。

圖2 基于頻率檢測的虛擬同步控制框圖Fig.2 Block diagram of virtual synchronous control based on frequency detection

由于無需改變風機變流器原有的dq軸電流矢量控制內環(huán),系統(tǒng)穩(wěn)定性主要由附加功率模塊的穩(wěn)定性決定,但其虛擬慣量的體現(xiàn)及頻率支撐的外特性均依賴于電網(wǎng)頻率變化率的檢測,與傳統(tǒng)同步發(fā)電機無需PLL的頻率支撐機理依然存在明顯差別。同時,電網(wǎng)側PLL容易在電壓頻率、相位突變等動態(tài)過程中失效,并且基于PLL的頻率變化率檢測由于引入微分計算過程,也進一步增加了風機發(fā)生故障甚至脫網(wǎng)損毀的風險[32-33],已有研究通過頻率保護機制及虛擬慣量補償方法,進一步消除電網(wǎng)頻率及其變化率計算在系統(tǒng)動態(tài)過程中帶來的穩(wěn)定性問題[34-35]。由于此類基于頻率變化率的附加型虛擬慣量方法無需對已有風機控制策略做大幅改動,也是目前風電場改造可行性較高的方法之一,該方案不僅利用了風機已有的旋轉動能,兼顧MPPT和頻率支撐,且虛擬慣量具備可控性和等效物理含義?；谠摲椒ǖ奶摂M同步型風電機組、機群已于2017年在張北風電場成功并網(wǎng)運行。

1.5 內稟頻率的自同步控制

上述各方案中風機的虛擬同步外特性主要通過改變功率外環(huán)指令的方式實現(xiàn),而風機變流器內環(huán)控制方法依然采用直接功率解耦控制算法[36-37],如圖3(a)所示。而內稟頻率的自同步控制方案使用虛擬同步發(fā)電機算法替代原有風機變流器的內環(huán)控制算法,其功率外環(huán)依然接受傳統(tǒng)MPPT控制指令,但該指令不再直接控制風機變流器中基于電網(wǎng)電壓矢量定向的dq軸電流,而是將有功指令作為虛擬同步發(fā)電機模型的功率指令,通過模型中的虛擬慣量及下垂系數(shù)作用產(chǎn)生虛擬同步頻率,再通過勵磁調節(jié)器生成勵磁電壓幅值,最后將該頻率和幅值合成作為此類虛擬同步型風機的內電勢指令[38],其具體實現(xiàn)框圖如圖3(b)所示。

圖3 風機變流器控制框圖Fig.3 Block diagram of control of wind turbine converters

該方案將虛擬同步機本體模型及調速器、勵磁控制器模型引入風機變流器內環(huán)控制中,使得風機具備內稟的虛擬同步頻率,不再依賴PLL檢測電網(wǎng)頻率及其變化率,避免了系統(tǒng)動態(tài)過程中的頻率檢測失穩(wěn),以及微分算法帶來的負阻尼效果,提升了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 虛擬同步型風機應用中的關鍵問題

2.1 MPPT與頻率支撐的協(xié)調解決方案

由于傳統(tǒng)風機一直采用外環(huán)MPPT、內環(huán)電流矢量控制的雙閉環(huán)結構,電流內環(huán)需實時跟蹤電網(wǎng)電壓矢量位置注入當前風速下的最大功率,系統(tǒng)缺乏多余容量響應電網(wǎng)擾動。但并網(wǎng)友好型接口特性要求風機能夠快速響應電網(wǎng)擾動。因此,協(xié)調優(yōu)化MPPT與頻率支撐是虛擬同步型風機應用中的難點及關鍵問題。

已有的協(xié)調手段主要分為附加控制和嵌套控制兩類技術路線。其中,附加控制主要包含改進MPPT控制及基于頻率檢測的虛擬慣量控制,其無需改變風機已有的矢量控制內環(huán),而是在MPPT指令中附加動態(tài)功率指令。而嵌套控制主要為內稟頻率的自同步控制,其需要將傳統(tǒng)矢量控制內環(huán)改造成虛擬同步發(fā)電機模型,外環(huán)沿用MPPT控制,通過閉環(huán)時間常數(shù)的設置保證兩個控制閉環(huán)的協(xié)調運行,使得虛擬同步發(fā)電機在動態(tài)頻率支撐過程中,外環(huán)MPPT指令相對穩(wěn)定。值得注意的是,電力系統(tǒng)頻率是由所有并網(wǎng)的同步型電源共同決定的,在擾動過程中系統(tǒng)內混合了各電源獨立的頻率信息[39]。因此,基于PLL進行頻率支撐的控制策略在實際系統(tǒng)動態(tài)過程中無法獲得準確的電網(wǎng)頻率信號,并且由于系統(tǒng)的混頻特性,PLL更容易出現(xiàn)振蕩失穩(wěn);而采用虛擬同步發(fā)電機的控制策略則可以繼承現(xiàn)有同步型電源的自同步特性,在動態(tài)過程中具備自治的頻率信息,并可與其余并聯(lián)電源共同決定系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)頻率。

同時為了協(xié)調MPPT與頻率支撐控制,不再將風機的虛擬慣量、阻尼系數(shù)作為獨立參數(shù)選取,而需綜合考慮電力系統(tǒng)的調頻需求及MPPT閉環(huán)時間常數(shù)?？紤]到風輪機轉子慣量較大,根據(jù)風輪轉速對應生成的MPPT指令變化較慢,所以可在此基礎上選定合適的虛擬同步發(fā)電機內環(huán)時間常數(shù),從而推導出所需虛擬慣量參數(shù),最終使得MPPT與頻率支撐構成嵌套型雙環(huán)架構,不僅使風機穩(wěn)態(tài)時輸出所能獲取的最大風能,還能在動態(tài)過程中模擬同步發(fā)電機向電網(wǎng)提供頻率支撐。

2.2 風輪機轉子與虛擬軸的能量平衡機理

考慮到MPPT控制對象是風輪機轉速,而虛擬同步發(fā)電機控制目標是虛擬同步軸的相位變化,進一步探討兩者關系可以發(fā)現(xiàn),其協(xié)調控制的本質是需要滿足風輪機實際轉子與控制模型中的虛擬轉子之間的能量平衡關系。但現(xiàn)有的研究重點通常集中在風機虛擬同步型控制模型的構建上,忽略了風輪機本體與虛擬同步發(fā)電機模型的內在聯(lián)系,所以進一步揭示實際轉子與虛擬轉子之間的能量傳遞機理也是該研究領域的關鍵問題。

設風輪機實際轉速為ωr,虛擬同步軸轉速為ωs,則實際軸動能Er和虛擬軸動能Es可分別表述為:

(1)

式中:Jr為實際軸慣量;Js為虛擬軸慣量。

穩(wěn)態(tài)時Er反映風輪吸收的機械能,Es可反映風機饋入電網(wǎng)的電能。以全功率型風機為例,兩軸的連接樞紐為電磁功率Pe=Temωr=Teωs,其中Tem為作用在風輪軸上的電磁轉矩,Te為作用在虛擬軸上的電磁轉矩。風輪軸系通過平衡機械轉矩Tm及Tem,尋找最佳轉速以實現(xiàn)MPPT;虛擬同步發(fā)電機控制又使得風力發(fā)電機的并網(wǎng)接口特性可等效為一套同步轉速為ωs、慣量為Js,且滿足同步電機機電方程的虛擬軸系。兩軸系的機電動態(tài)方程可以表示為:

(2)

式中:Δωs=ωs-ωn為當前虛擬軸頻率與電網(wǎng)頻率之差;Dp為虛擬阻尼系數(shù);Pm為風輪機機械功率;Pmax為當前風輪轉速對應的最大功率;Tref為轉矩參考值。

根據(jù)風輪機機械特性,若風輪機轉子實際轉速大于最優(yōu)轉速時PmPmax,MPPT最佳轉速循優(yōu)原理保證風機實際軸系的動態(tài)穩(wěn)定,而虛擬軸的穩(wěn)定機理與傳統(tǒng)同步機的轉子特性一致。由于MPPT作為虛擬同步發(fā)電機模型的外環(huán),當虛擬同步軸系的調節(jié)時間常數(shù)小于實際異步軸系時此雙軸系統(tǒng)可保持穩(wěn)定。即使風速波動可達赫茲級,但由于風輪機轉子Jr的濾波效果,實際風機轉速變化頻率將小于風速變化率,轉矩參考值Tref的變化過程也較慢,從而保證所選取的虛擬同步軸的閉環(huán)時間常數(shù)可小于MPPT時間常數(shù)。在系統(tǒng)擾動過程,快速頻率響應主要通過虛擬同步軸實現(xiàn),其中功率的短時支撐由風輪機轉子慣量提供,若電網(wǎng)頻率跌落,則在頻率支撐過程中由風輪機轉子轉速跌落所釋放的動能即為風機向電網(wǎng)增發(fā)的有效電能。而在MPPT穩(wěn)態(tài)恢復過程中,最大風能捕獲主要通過風輪機轉子實際軸逐步實現(xiàn),最終完成雙軸系統(tǒng)的能量平衡。

3 參數(shù)設計及穩(wěn)定性

3.1 參數(shù)選取方法

對于傳統(tǒng)虛擬同步發(fā)電機,其勵磁器和調速器參數(shù)一般由所接入的電網(wǎng)決定,而對于風電機組,其調速器性能主要由MPPT決定,勵磁器性能主要取決于電機本體的電磁特性及無功調節(jié)積分系數(shù),其中勵磁器的無功指令可以選擇從無功—電壓下垂控制得到,也可以選擇接受電網(wǎng)調度。而對虛擬同步型風機穩(wěn)定性影響較大的因素,主要來源于虛擬轉動慣量和阻尼系數(shù)的設計。

通過對比傳統(tǒng)虛擬同步發(fā)電機虛擬慣量和利用雙饋型風機轉子動能實現(xiàn)虛擬慣量對電網(wǎng)頻率進行頻率動態(tài)支撐的效果,Ashabani教授等人驗證了利用風機轉子動能支撐電網(wǎng)頻率的可行性[40]。已有研究在全功率型風機中論證了不同風速下虛擬慣量的作用,并通過優(yōu)化控制使得風機可以有效抑制電網(wǎng)的動態(tài)頻率擾動[41]。文獻[42]針對基于改進MPPT策略,分析了風機在頻率支撐過程中轉子實際慣量與虛擬慣量參數(shù)之間的聯(lián)系。文獻[43]進一步從小信號分析角度分析了雙饋型虛擬同步發(fā)電機在不同慣量和阻尼參數(shù)下的系統(tǒng)動態(tài)響應特性[43]?？紤]到虛擬同步發(fā)電機電壓調節(jié)遠快于頻率調節(jié),系統(tǒng)閉環(huán)時間主要由頻率—有功閉環(huán)時間常數(shù)τf決定,即

(3)

式中:Δf為頻率擾動值;ΔP為有功功率擾動值。

雖然當前參數(shù)優(yōu)化方法眾多,但通常可以依據(jù)如下順序選取:首先下垂系數(shù)可參照電力系統(tǒng)標幺值選取,其次τf應在MPPT閉環(huán)時間限制范圍內優(yōu)化選取,最后確定該風電機組所需虛擬慣量的大小。

3.2 穩(wěn)定性分析

與同步發(fā)電機類似,虛擬同步機由于繼承了其本體模型及兩大控制器模型,其自身也存在功角振蕩及穩(wěn)定性問題。有研究指出了虛擬同步機低頻振蕩的現(xiàn)象及機理,通過計算截止頻率和相角裕度給出了虛擬慣量及阻尼系數(shù)的設計方法[44]。

當有功指令出現(xiàn)擾動時,不同參數(shù)下的實際輸出功率動態(tài)特性各不相同。當阻尼系數(shù)取值越小時,幅頻曲線尖峰越高,說明較弱的阻尼會使得系統(tǒng)出現(xiàn)更顯著的功率振蕩。而當虛擬慣量取值越大時,輸出有功波動越大,系統(tǒng)調節(jié)時間越長。由于虛擬慣量及阻尼系數(shù)既具備實際物理含義,又可不受實際的物理定律約束,所以在首先滿足穩(wěn)定性要求的前提下,一些研究也采用自適應控制理論進行參數(shù)選取,所得結果通常對于單臺機組具備較好的動態(tài)性能[45-47]。然而,考慮到虛擬慣量及阻尼特性通常是由電網(wǎng)從調頻或動態(tài)頻率支撐需求的角度提出,也需結合上位要求及機組當前穩(wěn)態(tài)輸出功率對參數(shù)進行更合理的標幺化及取值。

4 虛擬同步型風機的典型應用

風機變流器傳統(tǒng)控制中的電網(wǎng)鎖相、功率解耦都削弱了其頻率支撐能力,隱藏了大部分轉子動能。在風電機組中應用虛擬同步發(fā)電機技術,可使其在電網(wǎng)擾動過程中充分利用轉子儲備的動能提供動態(tài)支撐功率。

4.1 全功率型風機中的應用

改進全功率型風機的全功率變換器控制方法,可以實現(xiàn)全功率型風機的虛擬同步發(fā)電機控制模式,使其并網(wǎng)接口特性類似一臺傳統(tǒng)同步機[13],其控制方法如圖4(a)所示。

圖4 虛擬同步型風機控制框圖Fig.4 Control block diagram of VSG controlled wind turbines

全功率型風機通過一組背靠背變頻器實現(xiàn)風電機組向電網(wǎng)傳遞能量的變換過程。其中機側變流器(MSC)的運行模式模擬同步電動機(VSM)。區(qū)別于全功率型風機傳統(tǒng)控制中利用MSC實現(xiàn)MPPT,在VSM模式下的MSC主要用于直流母線電壓Udc及機側無功Qs,以維持電機側的單位功率因數(shù)輸出。同時,網(wǎng)側變流器(GSC)的運行模式模擬虛擬同步發(fā)電機,其不再以直流母線電壓作為控制目標,而是以MPPT功率控制為外環(huán),虛擬同步發(fā)電機模型為內環(huán),實現(xiàn)并網(wǎng)接口的虛擬同步化,同時承擔網(wǎng)側無功Qg的控制。

4.2 雙饋型風機中的應用

與全功率型風機直接通過變頻器與電網(wǎng)連接不同,雙饋型風機與電網(wǎng)的功率交互回路包含兩部分:一部分由電機定子與電網(wǎng)直接相連;另一部分由電機轉子通過背靠背變頻器與電網(wǎng)相連。由于其并網(wǎng)接口特性只能通過轉子側變流器(RSC)間接控制,且RSC以轉差頻率運行,所以傳統(tǒng)虛擬同步發(fā)電機策略不能直接應用于雙饋型風機的虛擬同步化控制中,其具體控制框圖如圖4(b)所示。

其中GSC用于控制直流母線電壓及GSC的無功輸出Qgs,為了實現(xiàn)統(tǒng)一的虛擬同步發(fā)電機接口特性,可參考VSM的控制方式[48],較容易實現(xiàn)其與電網(wǎng)接口處的虛擬同步化控制?？紤]到RSC具備轉差頻率運行和間接控制定子側輸出的兩大特殊性,VSG控制也需相應改進。首先,其有功指令為風機MPPT指令,反饋功率為采樣并網(wǎng)處電壓ug和電流ig后計算得到的總功率Pg,即定子輸出與GSC輸出功率之和。其次,在虛擬同步發(fā)電機模型中計算出的自同步頻率需要減去當前轉子轉速后再作為實際RSC電壓矢量的旋轉頻率[15]。綜上,即可在雙饋型風機的并網(wǎng)點處模擬出類似傳統(tǒng)同步發(fā)電機的外特性。

4.3 單臺虛擬同步型風機性能

圖5所示為1.5 MW的虛擬同步型雙饋風電機組(DFIG-VSG)在各類擾動下的并網(wǎng)仿真波形。該DFIG-VSG采用上述控制,各類事件時序如下:0.1 s時GSC啟動建立直流母線;1 s時RSC啟動預同步控制;2 s時定子并入電網(wǎng),并輸出當前風速下的最大功率;4 s時電網(wǎng)電壓跌落5%,并在6 s恢復;8 s時風速由8 m/s上升至14 m/s;10 s時電網(wǎng)頻率跌至49.75 Hz,并在12 s恢復為50 Hz。

圖中:Pg,Ps,Pgs分別為并網(wǎng)總功率、定子輸出功率和GSC吸收功率;fg,fs,fgs分別為電網(wǎng)頻率、定子頻率和GSC頻率;ωr,ωs,ωrs分別為轉子角速度、電網(wǎng)角速度和轉差角速度。從圖中可以看出,在風速變化及穩(wěn)態(tài)運行工況下,DFIG-VSG可以提供現(xiàn)有風機控制的MPPT功能,同時,在網(wǎng)側擾動時可以通過釋放、吸收轉子動能實現(xiàn)對電網(wǎng)的動態(tài)支持,并且機組具備較好的自同步頻率跟蹤能力。由于虛擬同步發(fā)電機控制的虛擬轉軸是基于50 Hz工頻的同步軸系,使得有功—頻率控制閉環(huán)中缺乏針對零序分量及負序分量的控制能力,在50%甚至80%的風電機組低電壓穿越過程中,現(xiàn)有研究大部分是將傳統(tǒng)低電壓穿越控制中的零序、負序電流控制閉環(huán)疊加于虛擬同步發(fā)電機的輸出參考值中,從而使得風機滿足并網(wǎng)低電壓穿越規(guī)范[49]。

圖5 并網(wǎng)型DFIG-VSG在擾動下的仿真波形Fig.5 Simulation waveforms of integrated DFIG-VSG under disturbances

4.4 風電場聚合等值中的應用

為了使電力系統(tǒng)能夠更好地分析大規(guī)模風電接入后的電網(wǎng)穩(wěn)定性問題,風電場聚合等值一直是本領域的研究熱點之一。由于傳統(tǒng)風機的控制過程缺乏統(tǒng)一的物理模型,導致分布式、多類型風機間的動態(tài)差異性顯著,風電場模型的整體階數(shù)及非線性度較高,難以為電力系統(tǒng)提供有效的等值模型。虛擬同步型風機由于具備模擬同步發(fā)電機接口特性的能力,可以為大規(guī)模、分布式風電場的聚合等值研究提供機組層面的控制基礎;同時,基于虛擬同步型風電機組進行聚合的風電場模型在系統(tǒng)階數(shù)及參數(shù)物理含義上也可以與傳統(tǒng)同步電機類比,從而使得此類聚合模型不僅適用于現(xiàn)有的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析,而且增強了電力電子型電源與傳統(tǒng)以同步機為主導的電力系統(tǒng)的融合性。

圖6所示為采用實際風電場模型仿真某條匯流線上6臺風機的并網(wǎng)功率結果,其中1,2,5號為全功率型機組,其余為雙饋型機組,機組風速依據(jù)尾流效應遞減,風機均采用上述虛擬同步發(fā)電機控制方法。

仿真在10 s時網(wǎng)側擾動使得系統(tǒng)頻率跌落,各臺機組自主提供動態(tài)支撐,并在擾動結束后恢復MPPT運行。由于雙饋型風機與全功率型風機并網(wǎng)結構的區(qū)別,兩者的功率暫態(tài)過程依然存在差異,但受虛擬同步發(fā)電機模型約束,其在機電時間尺度上的動態(tài)特征具有較高的相似性,說明該風電場并網(wǎng)接入點的功率特性可以用一臺同步發(fā)電機的機電模型進行等值。當前大部分電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析基于發(fā)電機轉子搖擺特性開展,從而基于虛擬同步型風機的風電場聚合方法在模型階數(shù)及時間尺度上符合電力系統(tǒng)分析的要求。

圖6 風電場內各虛擬同步型機組的并網(wǎng)功率Fig.6 Active power of each VSG controlled wind turbine in a wind farm

5 結語

虛擬同步發(fā)電機技術在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用使得電網(wǎng)與風機的融合性、風機對電網(wǎng)的支持能力都有了進一步的提升,有利于高風電滲透密度地區(qū)的風能消納,同時也促進了新能源并網(wǎng)技術的發(fā)展。雖然該項技術已逐步應用于示范工程中,但這種新型的風機并網(wǎng)控制方式依然存在一些值得繼續(xù)探究的問題。

首先,用于虛擬同步型風機的虛擬慣量、阻尼等參數(shù)的選取尚未形成統(tǒng)一的整定規(guī)則,已有的設計方法或是從單機穩(wěn)定性角度選取參數(shù),或是通過機組約束條件及優(yōu)化方程計算[50],依然缺乏從系統(tǒng)角度及多機并聯(lián)角度出發(fā)提出歸一化的參數(shù)選取邏輯。同時,由于頻率支撐依賴風機的轉子動能,而電壓支撐依賴風力發(fā)電系統(tǒng)預留的無功容量,虛擬參數(shù)的選取也將直接決定風機的動態(tài)穩(wěn)定性及穩(wěn)態(tài)效率。因此,虛擬同步機的參數(shù)選取一方面需要滿足電力系統(tǒng)的調頻、調壓需求,另一方面需要考慮風電場全局協(xié)同控制及多機穩(wěn)定性問題,由于不同風速下風輪轉子儲存的動能各異,所以各機組在頻率支撐過程中承擔的動態(tài)功率應根據(jù)穩(wěn)態(tài)輸出功率進行分配,其參數(shù)對應的標幺值還應與MPPT數(shù)值有關。針對虛擬同步型風機可控參數(shù)選取的標準還需進步深入研究及論證。

其次,由于風力發(fā)電系統(tǒng)的極限電壓、電流值大多受到所使用電力電子器件的邊界條件約束,其在短時過載、低電壓穿越等暫態(tài)特性方面的性能遠低于實際的同步發(fā)電機組[51]。但在系統(tǒng)暫態(tài)、動態(tài)過程中,可有效利用電力電子快速精準的控制優(yōu)勢,不僅使得虛擬同步型風機實現(xiàn)傳統(tǒng)同步發(fā)電機機電時間尺度上的動態(tài)特性,還可以具備傳統(tǒng)同步發(fā)電機所缺乏的諧波抑制、零序負序分量控制,以及不對稱運行等狀態(tài)下的控制能力。針對虛擬同步型風機的精細化建模及故障抑制策略也有待進一步研究。

最后,雖然現(xiàn)有的虛擬同步技術可使單臺機組有效模擬同步發(fā)電機的并網(wǎng)特性,但大型風電場包含大量分布式風機,其關聯(lián)耦合和相互激勵問題較為復雜,目前大部分風電場僅能夠依照機組穩(wěn)態(tài)功率進行聚合等值[52]。而虛擬同步發(fā)電機控制中參數(shù)的柔性調節(jié)能力為風電場內不同類型風機的并網(wǎng)動態(tài)過程提供了聚合基礎,不僅使得風電場具備一定的調頻、調壓能力,同時基于虛擬同步型風機的風電場聚合方法還可以建立更精準的并網(wǎng)功率動態(tài)模型,提高電力系統(tǒng)對大規(guī)模風電場并網(wǎng)特征的認知能力,以及加深電力電子控制的變速恒頻風機與傳統(tǒng)同步發(fā)電機的融合性。

隨著風能在發(fā)電系統(tǒng)中所占比重的不斷增加,采用虛擬同步發(fā)電機技術的風電機組可以有效解決電力系統(tǒng)等效慣量、阻尼降低等問題,也為新能源友好型并網(wǎng)模式提供了新的解決思路。針對上述問題和熱點,可進一步開展在弱聯(lián)、復雜環(huán)境下,虛擬同步型風電場的相關研究,掌握并聯(lián)機組及源—網(wǎng)間的功率交互規(guī)律,明確參數(shù)選取標準,推進風能參與系統(tǒng)動態(tài)調頻、調壓的規(guī)范制定,并逐步構建具備靈活自主、支持電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的新能源并網(wǎng)標準模式。

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柴建云(1961—),男,通信作者,教授,博士生導師,主要研究方向:電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用、電機運行與控制。E-mail： chaijy@mail.tsinghua.edu.cn

趙楊陽(1990—),男,博士,主要研究方向:新能源發(fā)電與控制。E-mail: zhaoyy14@mails.tsinghua.edu.cn

孫旭東(1963—),男,副教授,主要研究方向:電機運行與控制、并網(wǎng)逆變器。E-mail: sunxd@mail.tsinghua.edu.cn