顏湘武， 孫 穎， 李曉宇， 虞 婧， 秦福偉

(華北電力大學(xué) 河北省分布式儲(chǔ)能與微網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071003)

收稿日期：2020-06-02.

0 引 言

環(huán)境污染、能源短缺問題日益突出，發(fā)展清潔且相對控制靈活、響應(yīng)快的風(fēng)電成為趨勢。傳統(tǒng)雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)(DFIG)采用最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)運(yùn)行方式，解耦控制下機(jī)組轉(zhuǎn)速不受電網(wǎng)頻率影響。隨著風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)中占比的升高，系統(tǒng)總有效慣量減小，系統(tǒng)安全運(yùn)行問題越發(fā)突出[1-2]。世界主流的風(fēng)電發(fā)達(dá)國家制定了相關(guān)的風(fēng)電慣量及調(diào)頻能力規(guī)范[3-5]。國內(nèi)外的專家學(xué)者，提出了不少控制方案來解決風(fēng)機(jī)無法響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化的問題，風(fēng)電參與系統(tǒng)調(diào)頻，考慮技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用難易，當(dāng)前主流方式的基于頻率的附加控制[6-7]。主要有虛擬慣量控制、功率備用、附加儲(chǔ)能、綜合控制方式。文獻(xiàn)[8-9]在原MPPT運(yùn)行基礎(chǔ)上增加了虛擬慣性和下垂控制，提高風(fēng)電系統(tǒng)的慣量支撐能力，但可能引起頻率二次跌落現(xiàn)象。文獻(xiàn)[10]基于選擇函數(shù)利用有限風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子動(dòng)能，增加系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，避免傳統(tǒng)控制所造成的功率二次跌落。文獻(xiàn)[11]根據(jù)電網(wǎng)頻率變化修改控制參數(shù)控制機(jī)組有功輸出，釋放或吸收機(jī)組有效動(dòng)能，對電網(wǎng)提供動(dòng)態(tài)頻率支撐。文獻(xiàn)[12]根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速調(diào)整雙閉環(huán)增益，釋放更多的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，但是沒有考慮過度的慣量支撐導(dǎo)致轉(zhuǎn)速難以恢復(fù)。以上變虛擬慣量系數(shù)控制雖然適當(dāng)增大了慣量支撐能力，也增加了恢復(fù)的時(shí)間，且不曾考慮到一次調(diào)頻的需求。超速減載讓轉(zhuǎn)速越過最大功率運(yùn)行點(diǎn)，為參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)提供備用功率[13-15]。同樣，槳距角控制也是調(diào)節(jié)槳距角預(yù)留備用容量，通過槳距角的調(diào)節(jié)為系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)提供功率支撐[16-18]。預(yù)留功率備用的方法，雖然有效，但是超速減載調(diào)節(jié)裕度有限，槳距角調(diào)整速度慢、有機(jī)械損耗，均犧牲了風(fēng)機(jī)的發(fā)電效益。文獻(xiàn)[19]將兩者結(jié)合，一定程度上改善了調(diào)頻性能，但是還是沒有考慮發(fā)電效益。文獻(xiàn)[20]提出風(fēng)電機(jī)組慣量調(diào)頻時(shí)序協(xié)同控制策略，降低了風(fēng)電機(jī)組退出調(diào)頻時(shí)對電網(wǎng)頻率帶來的二次沖擊，但靠風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)動(dòng)能無法長時(shí)間進(jìn)行調(diào)頻控制。文獻(xiàn)[21]提出了一種限負(fù)荷條件下的風(fēng)電場一次調(diào)頻策略，將風(fēng)電機(jī)組按風(fēng)速分組進(jìn)行調(diào)頻，但是風(fēng)速多變、測量精度不高。文獻(xiàn)[22]采用儲(chǔ)能超級電容作為一次調(diào)頻功率備用，但是其采用超級電容進(jìn)行慣量和下垂控制，忽略了風(fēng)機(jī)本身存在的慣量應(yīng)用。

針對上述文獻(xiàn)存在問題，本文從風(fēng)機(jī)自身角度出發(fā)，考慮風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子動(dòng)能所能提供的虛擬慣量支撐能力，提出一種兼顧風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制和頻率恢復(fù)的虛擬慣量優(yōu)化控制策略。在頻率下降(升高)時(shí)，根據(jù)旋轉(zhuǎn)動(dòng)能的分布提供慣量；頻率恢復(fù)時(shí)，修改控制系數(shù)，幫助系統(tǒng)頻率快速恢復(fù)。引入超級電容器作為一次調(diào)頻的備用功率，保證了備用功率下的經(jīng)濟(jì)效益、防止頻率的二次跌落。在MATLAB/Simulink中建立四機(jī)兩區(qū)模型，通過仿真實(shí)驗(yàn)表明其慣量支撐以及頻率恢復(fù)相較于常規(guī)虛擬慣量控制具有明顯改善。

1 虛擬慣量控制

DFIG的風(fēng)輪由齒輪箱和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相連，由于風(fēng)電機(jī)組中風(fēng)輪的重量遠(yuǎn)大于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的重量，故風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中風(fēng)輪存儲(chǔ)了大量的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能。其中DFIG在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω下所存儲(chǔ)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能Ek的表達(dá)式如下

(1)

式中：J表示發(fā)電機(jī)和原動(dòng)機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω發(fā)生變化，從ω1變化到ω2釋放的功率為

(2)

(3)

式中：ωs表示額定轉(zhuǎn)速；S為風(fēng)電機(jī)組的視在功率。2H表示額定轉(zhuǎn)矩下轉(zhuǎn)子從靜止加速到額定速度所需的啟動(dòng)時(shí)間，通常虛擬慣量控制系數(shù)設(shè)置為2H。

將式(3)帶入式(2)可以得到

(4)

對式(4)取標(biāo)幺值，有

(5)

其中，上標(biāo)“*”表示對應(yīng)變量的標(biāo)幺值。

為模擬常規(guī)同步發(fā)電機(jī)組慣量調(diào)節(jié)特性，添加基于虛擬慣量控制的DFIG 控制環(huán)節(jié)，如圖1所示。當(dāng)功率低于額定功率時(shí)，控制器將葉片槳距角設(shè)定在零附近，此時(shí)風(fēng)能利用系數(shù)Cp最大，并得到DFIG 最大輸出功率Pm。當(dāng)電網(wǎng)頻率變化時(shí)，系統(tǒng)頻率變化率df/dt用作輸入變量，DFIG所增加的電磁功率ΔP′為釋放的轉(zhuǎn)子動(dòng)能。該過程響應(yīng)速度快，可在頻率發(fā)生突變的瞬態(tài)變化過程中提供短期頻率支撐，提高了系統(tǒng)頻率的瞬態(tài)穩(wěn)定性。

圖1 傳統(tǒng)風(fēng)電場虛擬慣量響應(yīng)控制Fig.1 Virtual inertia response control of traditional wind farm

當(dāng)系統(tǒng)中因負(fù)荷變化而發(fā)生了頻率突變時(shí)，虛擬慣量控制和附加下垂控制環(huán)節(jié)動(dòng)作，根據(jù)頻率偏差和頻率偏差變化率給出出力ΔP。

(6)

式中：fs是系統(tǒng)頻率；fN表示系統(tǒng)額定頻率；Kd為慣性系數(shù)；Kp為下垂系數(shù)。

2 虛擬慣量控制優(yōu)化策略

傳統(tǒng)的虛擬慣量控制技術(shù)，解決了雙饋風(fēng)機(jī)不響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化的問題。但是未考慮不同風(fēng)電場面對風(fēng)速不盡相同，面對同一頻率突變，能提供的轉(zhuǎn)子動(dòng)能慣量支撐能力不同。若要求不同轉(zhuǎn)速的風(fēng)電機(jī)組提供相同的慣量支撐，則很有可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)速過低(過高)的機(jī)組，在面對頻率下跌(上升)的情況時(shí)，過度提供慣量支撐導(dǎo)致該風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速恢復(fù)失敗。

2.1 慣性系數(shù)控制優(yōu)化

為此，針對不同風(fēng)電場、不同風(fēng)速(轉(zhuǎn)速)，引入動(dòng)能占比系數(shù)K。K取當(dāng)前轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能與額定轉(zhuǎn)速和最小允許轉(zhuǎn)速對應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能平均值的比值，假設(shè)參與虛擬慣量調(diào)頻的風(fēng)電場轉(zhuǎn)速為ωi，根據(jù)式(1)可得風(fēng)機(jī)具備的轉(zhuǎn)子動(dòng)能，設(shè)該轉(zhuǎn)速對應(yīng)的動(dòng)能占比系數(shù)為

(7)

式中：ωi為該風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；ωmin為最低轉(zhuǎn)速，取0.7(標(biāo)幺值)；ωmax為最大轉(zhuǎn)速，在標(biāo)幺值下，取值就是1.2。

優(yōu)化后出力ΔP由下所得

(8)

實(shí)際運(yùn)行時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速(標(biāo)幺)范圍為0.7～1.2，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于0.7(高于1.2)時(shí)，針對頻率降低(升高)，慣量控制下轉(zhuǎn)速會(huì)先下降(升高)，再恢復(fù)升高(下降)，此時(shí)不利于轉(zhuǎn)速的恢復(fù)，超過了運(yùn)行的轉(zhuǎn)速范圍，所以當(dāng)動(dòng)能占比系數(shù)K要先根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)速和頻率變化趨勢進(jìn)行選擇。

當(dāng)負(fù)荷增加，系統(tǒng)頻率降低，風(fēng)機(jī)提供慣量支撐，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降低，若轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(標(biāo)幺)ω降低至小于0.7，調(diào)整轉(zhuǎn)子動(dòng)能占比系數(shù)K為0，不再讓該風(fēng)機(jī)進(jìn)行慣量支撐，先進(jìn)行轉(zhuǎn)速恢復(fù)。同理，當(dāng)負(fù)荷減小，系統(tǒng)頻率升高，風(fēng)機(jī)提供慣量支撐，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高，若轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(標(biāo)幺)ω提高至大于1.2，則調(diào)整轉(zhuǎn)子動(dòng)能占比系數(shù)K為0，即不再讓該風(fēng)機(jī)進(jìn)行慣量支撐，先進(jìn)行轉(zhuǎn)速恢復(fù)。

2.2 虛擬慣量控制頻率恢復(fù)

進(jìn)行慣量支撐，在頻率發(fā)生變化的時(shí)候，有抑制頻率變化的作用，延長頻率跌落(升高)到最低點(diǎn)(最高點(diǎn))的時(shí)間，為后續(xù)進(jìn)行一次調(diào)頻提供更長的時(shí)間裕度。但是對系統(tǒng)慣量的增加，也同樣會(huì)對頻率恢復(fù)起到阻礙作用，加長頻率恢復(fù)的時(shí)間，這是不利的方面。所以本文提出，在檢測到頻率恢復(fù)后，也就是頻率變化率極性發(fā)生變化時(shí)，改變虛擬慣量控制系數(shù)的極性，即適當(dāng)減少慣量對頻率恢復(fù)的影響，加速頻率恢復(fù)，爭取系統(tǒng)穩(wěn)定提前，如圖2、3所示。

圖2 優(yōu)化虛擬慣量控制策略Fig.2 Optimize virtual inertia control strategy

圖3 優(yōu)化虛擬慣量控制流程圖Fig.3 Flow chart of the optimized virtual inertia control

在系統(tǒng)頻率波動(dòng)幅度超過0.03 Hz時(shí)，檢測頻率是升高或降低，針對頻率降低的情況，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)下跌，為了讓風(fēng)機(jī)更好地運(yùn)行在規(guī)定的風(fēng)速范圍，轉(zhuǎn)速低于0.7風(fēng)機(jī)就不再參與系統(tǒng)的慣量調(diào)頻，直接進(jìn)行轉(zhuǎn)速恢復(fù)。針對頻率升高的情況，原理類似，不再贅述。

2.3 有功率備用的虛擬慣量控制

功率備用有減載控制和加裝儲(chǔ)能裝置，文獻(xiàn)[19]將超速減載和超級電容器儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對比，驗(yàn)證了超級電容器的經(jīng)濟(jì)性更好，并且詳細(xì)介紹其容量配置。超級電容器控制靈活、功能模塊化，可以提升單臺(tái)風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定性和發(fā)電效果，所以本文采用超級電容器作為儲(chǔ)能裝置，適合現(xiàn)場已投運(yùn)機(jī)組的升級改造。超級電容具有功率密度大，瞬時(shí)輸出大的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)能滿足風(fēng)電頻率波動(dòng)頻繁，需要頻繁充放電的需求。

超級電容結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在仿真中可以將其簡化為阻容單元，在SOC(荷電狀態(tài))約束滿足的前提下，Δf變化下垂控制下超級電容進(jìn)行充放電，其輸出功率參考值Psc為

Psc=KscΔf

(9)

式中：Ksc為超級電容儲(chǔ)能下垂控制系數(shù)；Δf為系統(tǒng)頻率偏差。

如圖4所示，頻率變化下降時(shí)，超級電容輸出功率，進(jìn)行放電；頻率上升則對超級電容進(jìn)行充電。超級電容加裝在直流母線上，通過雙向的DC/DC換流器與其上的電容相連。超級電容的充放電功率通過網(wǎng)側(cè)變流器與負(fù)荷側(cè)相連。

圖4 基于超級電容器儲(chǔ)能裝置的風(fēng)電機(jī)組慣量與一次調(diào)頻策略框圖Fig.4 Block diagram of inertia of wind turbines and primary frequency modulation strategy based on super capacitor energy storage device

2.4 超級電容器儲(chǔ)能裝置的容量配置

本文加裝的超級電容器充放電方式為恒功率充放電模式，見附錄圖A1(a)、(b)。其中，充電功率為Pc，放電功率為Pd，兩端電壓為Uc，超級電容組兩端電壓為U，d=1-γ表示充放電深度，γ=Umax/Umin是電壓比率，最低(高)工作電壓為Umin(Umax)。

如附錄圖A1所示，超級電容兩端電壓為

(10)

將式(10)代入電容電流方程可得

(11)

結(jié)合式(10)和式(11)，得到其充電功率為

(12)

式中：Tc時(shí)間內(nèi)，兩端電壓從電壓Umin升至最高電壓Umax充電所得的電能Wc為

(13)

實(shí)際充得的電能為

(14)

其效率ηc為

(15)

同理，放電時(shí)長Td，由電壓Umax到Umin釋放能量Wd為

(16)

該儲(chǔ)能裝置釋放的電能為

(17)

上式得其放電效率ηd為

(18)

所以超級電容充放電效率為

(19)

單個(gè)超級電容的電壓約2.5 V，通過串m組、并聯(lián)n組級電容模組，其輸出功率的最大值為

(20)

確保超級電容器達(dá)到最小電壓時(shí)所輸出的功率狀態(tài)為滿功率輸出，由此需要滿足：

(21)

該超級電容器儲(chǔ)能容量W滿足：

(22)

風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻調(diào)節(jié)時(shí)間應(yīng)不大于30 s[24]。結(jié)合當(dāng)前實(shí)際超級電容器規(guī)格，使用144 V×55F的超級電容模組，滿足要求需要150 kW×30 s。結(jié)合式(19)、式(21)、式(22)，得超級電容器不同組合方式下的工作電壓和效率，見附錄表B1，附錄圖A2，放電效率與最高工作電壓大小成正比。最高電壓864時(shí)的超級電容器充放電效率為99.31%。根據(jù)計(jì)算，得知超級電容器儲(chǔ)能裝置需采用超級電容模組6串3并，共18組。

超級電容器直接通過網(wǎng)側(cè)變流器(GSC)向系統(tǒng)傳輸功率，就需要考慮GSC輸出功率限額。風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子通過GSC輸出的最大功率為250 kW。本文采用的風(fēng)電機(jī)組單臺(tái)容量為1.5 MW，預(yù)留其備用的10%，即150 kW。加上最大的輸出功率，流經(jīng)GSC的最大功率約400 kW。同理，采用超級電容儲(chǔ)能裝置預(yù)留備用容量10%作為超級電容儲(chǔ)能的容量，其通過網(wǎng)側(cè)變流器直接流向負(fù)荷側(cè)的總功率不超過400 kW，低于陽光電源股份有限公司開發(fā)的配套于1.5 MW的DFIG的GSC額定功率480 kW，故不需要更改GSC硬件配置。

2.5 超速減載與基于超級電容調(diào)頻的經(jīng)濟(jì)性分析

功率備用的常規(guī)方法有超速減載和加裝儲(chǔ)能裝置，為了驗(yàn)證功率備用下的經(jīng)濟(jì)性，本文選取常規(guī)超速減載控制和加裝超級電容器儲(chǔ)能裝置，對比減載量10%和儲(chǔ)能配置10%機(jī)組額定容量的經(jīng)濟(jì)性分析。

超速減載在一定程度上減小系統(tǒng)頻率波動(dòng)，但沒有考慮轉(zhuǎn)速和功率實(shí)際可調(diào)節(jié)深度及風(fēng)電場的發(fā)電效益，其經(jīng)濟(jì)分析數(shù)據(jù)如附錄表B2所示[23]。加裝超級電容器會(huì)帶來初期的建設(shè)成本9萬元，配套的儲(chǔ)能變流器9萬元[23]，根據(jù)上文裝配電容數(shù)量，需要36萬元，合計(jì)54萬元的一次投資。超級電容器滿足頻繁充放電的需求，考慮損耗，假設(shè)8年更新一次，而其余配套設(shè)施考慮20年更新，相當(dāng)于每年大約投資3.85萬元。而超速減載下的風(fēng)電場年經(jīng)濟(jì)損失大約30.8萬元，相較之下，風(fēng)電機(jī)組加裝超級電容器儲(chǔ)能進(jìn)行調(diào)頻控制從長遠(yuǎn)角度具有更優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性，具體對比見附錄表B3。

3 仿真驗(yàn)證

3.1 仿真模型

本文基于MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)建立四機(jī)兩區(qū)域詳細(xì)仿真模型對改進(jìn)后的虛擬慣量調(diào)頻控制進(jìn)行仿真分析，仿真模型如圖5所示。其中，G1至G3表示容量為900 MW的火電廠，均配備了勵(lì)磁調(diào)節(jié)器和調(diào)速器；G4表示雙饋風(fēng)電場，含300臺(tái)1.5 MW的DFIG，每100臺(tái)一個(gè)風(fēng)速，風(fēng)速分別恒定為6 m/s、7 m/s、8 m/s。負(fù)荷L1和L2分別為880 MW和950 MW的恒定有功負(fù)荷，L3為隨機(jī)波動(dòng)負(fù)荷，C1和C2表示無功補(bǔ)償裝置。

圖5 含雙饋風(fēng)電場的4機(jī)2區(qū)域系統(tǒng)Fig.5 Four-machine two-area system with doubly-fed wind farm

3.2 無功率備用系統(tǒng)負(fù)荷變化時(shí)仿真驗(yàn)證

在運(yùn)行的第20 s，負(fù)荷突增200 MW。對比無功率備用下，沒有虛擬慣量控制、傳統(tǒng)虛擬慣量控制和虛擬慣量優(yōu)化控制。圖6為三種控制方案下，系統(tǒng)頻率變化，相較于不含虛擬慣量控制，傳統(tǒng)虛擬慣量控制下，頻率最低點(diǎn)提高了0.05 Hz，但是明顯添加了虛擬慣量控制的頻率在初始下跌和后續(xù)恢復(fù)，都有所推遲。相較于傳統(tǒng)控制，優(yōu)化控制策略下，頻率最低點(diǎn)略有提高；慣量支撐下，頻率下跌變緩，有利于支撐到一次調(diào)頻響應(yīng)時(shí)間；同時(shí)，在恢復(fù)階段采取不同極性的慣量支撐，頻率恢復(fù)更快，表1為不同慣量控制方式下的調(diào)頻效果。

圖6 負(fù)荷突增時(shí)系統(tǒng)頻率Fig.6 System frequency at a sudden load increase

表1 不同慣量控制方式下的調(diào)頻效果對比

不含虛擬慣量調(diào)頻控制的系統(tǒng)在負(fù)荷突增后3.15 s到達(dá)頻率最低點(diǎn)49.71 Hz，傳統(tǒng)虛擬慣量控制下的頻率最低點(diǎn)為49.76 Hz，出現(xiàn)在負(fù)荷突增后的3.2 s，優(yōu)化控制策略下，頻率最低點(diǎn)出現(xiàn)在3.25 s，值為49.762 Hz。優(yōu)化策略下，頻率到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間為負(fù)荷突增后9 s，傳統(tǒng)控制下，頻率在負(fù)荷突增后11.2 s到達(dá)穩(wěn)態(tài)。可見，優(yōu)化控制策略下的頻率恢復(fù)，比傳統(tǒng)控制更快，效果更好。

圖7 負(fù)荷突增時(shí)轉(zhuǎn)速最低的風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速Fig.7 Wind turbine speed at the lowest speed during sudden load increase

由圖7可知，在面對負(fù)荷突增、頻率降低，為了進(jìn)行慣量支撐，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降。傳統(tǒng)虛擬慣量控制下，轉(zhuǎn)速低的風(fēng)電機(jī)組，過度地提供慣量支撐，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速持續(xù)降低，恢復(fù)緩慢，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐赊D(zhuǎn)速無法恢復(fù)。優(yōu)化的虛擬慣量控制，在轉(zhuǎn)速下降到0.7時(shí)，退出慣量支撐，轉(zhuǎn)速恢復(fù)，維持了風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖8 負(fù)荷突增時(shí)風(fēng)電場有功功率Fig.8 Active power of wind farm at a sudden load increase

圖8為風(fēng)電場的輸出功率，負(fù)荷突增情況下，不含虛擬慣量支撐的風(fēng)電機(jī)組功率繼續(xù)按照最大功率跟蹤輸出。相較于傳統(tǒng)的虛擬慣量支撐，優(yōu)化的虛擬慣量提供功率支撐的速度更快；在恢復(fù)階段，優(yōu)化虛擬慣量中轉(zhuǎn)速低于0.7的退出慣量支撐優(yōu)先恢復(fù)轉(zhuǎn)速，功率也更快的進(jìn)入恢復(fù)階段。

圖9 虛擬慣量系數(shù)與對應(yīng)轉(zhuǎn)速Fig.9 Virtual inertia coefficient and corresponding speed

圖9是無功率備用，負(fù)荷在120 s突增下的虛擬慣量控制系數(shù)及對應(yīng)的轉(zhuǎn)速波形。圖(a)、(b)為風(fēng)速為6 m/s對應(yīng)的波形，圖(c)、(d)為風(fēng)速為7 m/s對應(yīng)的波形，圖(e)、(f)為風(fēng)速為8 m/s對應(yīng)的波形。以圖(a)、(b)為例，負(fù)荷發(fā)生波動(dòng)前，頻率變化率為0；負(fù)荷發(fā)生波動(dòng)時(shí)，虛擬慣量系數(shù)K×Kd結(jié)合dΔf/dt，得到虛擬慣量控制的出力；根據(jù)控制策略，轉(zhuǎn)速降低至0.7以后，退出虛擬慣量控制，系數(shù)變?yōu)?，轉(zhuǎn)速進(jìn)行恢復(fù)；當(dāng)頻率開始恢復(fù)，變化率極性改變，虛擬慣量極性相應(yīng)改變，加快頻率的恢復(fù)。對比不同風(fēng)速的系數(shù)，轉(zhuǎn)速越高，對應(yīng)系數(shù)越大，轉(zhuǎn)速下降越多，提供更多的轉(zhuǎn)子動(dòng)能進(jìn)行慣量支撐。

在運(yùn)行的第20 s，負(fù)荷突減200 MW。對比沒有虛擬慣量控制、傳統(tǒng)虛擬慣量控制和虛擬慣量優(yōu)化控制。

由圖10可知，負(fù)荷突減時(shí)，優(yōu)化策略下的頻率升高得更緩慢，恢復(fù)得更快。

圖10 負(fù)荷突減時(shí)系統(tǒng)頻率Fig.10 System frequency at a sudden load drop

3.3 不同風(fēng)電滲透率仿真驗(yàn)證

在運(yùn)行的第20 s，負(fù)荷突增200 MW。對比不同風(fēng)電滲透率14%(圖6)、20%、30%下，傳統(tǒng)虛擬慣量控制和優(yōu)化虛擬慣量控制的效果。

由圖11、圖12可得，隨著風(fēng)電滲透率的提高，發(fā)生負(fù)荷突增，系統(tǒng)頻率最低點(diǎn)越低，系統(tǒng)頻率恢復(fù)的時(shí)間也越長。優(yōu)化控制策略下，頻率下跌時(shí)，虛擬慣量支撐減緩頻率下跌優(yōu)勢略有下降，但是相較于傳統(tǒng)虛擬慣量控制，依然有提升。優(yōu)化控制策略下，相較于傳統(tǒng)控制，頻率恢復(fù)依然更快。

圖11 滲透率20%負(fù)荷突增時(shí)系統(tǒng)頻率Fig.11 System frequency at a sudden load increase when penetration rate is 20%

圖12 滲透率30%負(fù)荷突增時(shí)系統(tǒng)頻率Fig.12 System frequency at a sudden load increase when penetration rate is 30%

3.4 有功率備用的虛擬慣量控制仿真驗(yàn)證

采用優(yōu)化虛擬慣量控制，一次調(diào)頻采用超級電容器作為功率備用，運(yùn)行第20 s，負(fù)荷突增200 MW，頻率變化如圖13所示。

圖13 負(fù)荷突增時(shí)系統(tǒng)頻率Fig.13 System frequency at a sudden load increase

優(yōu)化控制下，頻率最低點(diǎn)49.875 Hz相較于傳統(tǒng)控制49.868 Hz有所提高。優(yōu)化控制時(shí)，頻率下跌變緩，恢復(fù)更快。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本方案策略的效果，設(shè)置隨機(jī)波動(dòng)負(fù)荷，如圖14所示，對比基于超級電容的傳統(tǒng)虛擬慣量和優(yōu)化虛擬慣量的控制效果，見圖15頻率波形。

圖14 隨機(jī)波動(dòng)負(fù)荷Fig.14 Random fluctuation load

圖15 負(fù)荷隨機(jī)波動(dòng)時(shí)系統(tǒng)頻率Fig.15 System frequency with load randomly fluctuating

由圖15可知，優(yōu)化控制策略下負(fù)荷連續(xù)波動(dòng)的系統(tǒng)頻率，相較于傳統(tǒng)控制，下跌更慢，頻率最低點(diǎn)有所提高，頻率恢復(fù)快，有利于系統(tǒng)快速穩(wěn)定，驗(yàn)證了本文所提策略的有效性。

4 結(jié) 論

雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)(DFIG)通常工作在最大功率點(diǎn)跟蹤運(yùn)行方式，未考慮響應(yīng)電網(wǎng)頻率的變化；傳統(tǒng)虛擬慣量控制忽略了不同轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)不同旋轉(zhuǎn)動(dòng)能的分布，轉(zhuǎn)速過高(過低)的風(fēng)電機(jī)組過度調(diào)節(jié)，會(huì)加重轉(zhuǎn)速恢復(fù)的困難，也不利于系統(tǒng)頻率穩(wěn)定調(diào)節(jié)。本文在此基礎(chǔ)上，提出了基于轉(zhuǎn)速的虛擬慣量優(yōu)化策略，頻率下降(升高)時(shí)，根據(jù)旋轉(zhuǎn)動(dòng)能的分布提供慣量；頻率恢復(fù)時(shí)，修改控制系數(shù)極性，幫助系統(tǒng)頻率快速恢復(fù)。引入超級電容作為儲(chǔ)能備用，通過下垂控制進(jìn)行風(fēng)機(jī)參與系統(tǒng)的一次調(diào)頻。

(1)本文所提出的優(yōu)化虛擬慣量控制，將系統(tǒng)頻率變化分為兩部分。在頻率下跌(上升)階段，根據(jù)轉(zhuǎn)子動(dòng)能分布情況，轉(zhuǎn)子動(dòng)能較低的提供較低的慣量支撐，將轉(zhuǎn)子動(dòng)能占比K考慮在慣量控制系數(shù)中，減緩頻率變化。在頻率越過最低點(diǎn)(最高點(diǎn))，開始恢復(fù)階段，其頻率變化率極性較之前發(fā)生改變，此時(shí)改變慣量控制系數(shù)的極性，減小慣量對頻率恢復(fù)的影響，加快恢復(fù)階段的進(jìn)行。

(2)慣量支撐階段，監(jiān)督風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化，針對頻率降低工況，轉(zhuǎn)速低于運(yùn)行的最低轉(zhuǎn)速0.7(標(biāo)幺值)，頻率升高工況，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于最高轉(zhuǎn)速1.2(標(biāo)幺值)的機(jī)組，優(yōu)先退出慣量支撐，進(jìn)行轉(zhuǎn)速恢復(fù)，利于風(fēng)機(jī)快速回到最大功率點(diǎn)運(yùn)行。

(3)在不同風(fēng)電滲透率下，對比傳統(tǒng)虛擬慣量和本文所提的優(yōu)化虛擬慣量控制效果。隨著滲透率的提高，系統(tǒng)頻率最低點(diǎn)越低，頻率恢復(fù)得越慢。在滲透率變化的情況下，本文所提的優(yōu)化控制效果依然優(yōu)于傳統(tǒng)的虛擬慣量控制。

(4)引入超級電容作為備用容量進(jìn)行一次調(diào)頻，綜合本文所提的優(yōu)化虛擬慣量控制，對比傳統(tǒng)虛擬慣量結(jié)合超級電容在負(fù)荷突增下，優(yōu)化綜合控制的頻率下跌更緩慢，恢復(fù)更快，系統(tǒng)穩(wěn)定性越好。對比負(fù)荷隨機(jī)波動(dòng)下的頻率效果，驗(yàn)證了本文所提策略的有效性。