祝賀該團(tuán)隊近期采用基于YXSPACE半實物仿真平臺進(jìn)行考慮源-荷功率隨機(jī)波動特性的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)一次頻率平滑調(diào)節(jié)方法驗證，該成果成功發(fā)表于《中國電機(jī)工程學(xué)報》，引用格式如下：

 

崔森,顏湘武,王雅婷,李銳博,李鐵成.考慮源-荷功率隨機(jī)波動特性的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)一次頻率平滑調(diào)節(jié)方法[J/OL].中國電機(jī)工程學(xué)報:1-12[2021-06-11].https://doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.201401.

 

研究主要內(nèi)容：

 

常規(guī)超速減載控制下的雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組雖然可參與系統(tǒng)一次調(diào)頻，但存在發(fā)電效益低、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍小等問題。故為提高系統(tǒng)頻率品質(zhì)，增強(qiáng)電網(wǎng)穩(wěn)定性，本文綜合考慮源-荷功率隨機(jī)波動對系統(tǒng)頻率產(chǎn)生的影響，提出雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組一次頻率平滑調(diào)節(jié)控制策略。根據(jù)風(fēng)電場一次大風(fēng)氣象周期的風(fēng)電功率波動歷史數(shù)據(jù)，研究了單臺風(fēng)電機(jī)組在不同時間尺度下風(fēng)電功率波動對系統(tǒng)頻率產(chǎn)生的影響，確定了最佳時間尺度下一次頻率平滑調(diào)節(jié)所需儲能裝置的容量，并對其進(jìn)行優(yōu)化配置。最后通過仿真與實驗表明本文所提控制策略的一次頻率調(diào)節(jié)能力相較于常規(guī)一次調(diào)頻控制具有明顯提高，為雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的升級改造提供了新思路和新應(yīng)用。

 

PART 01：基于源-荷功率隨機(jī)波動的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組頻率平滑調(diào)節(jié)策略

 

1.1負(fù)荷擾動下的一次頻率調(diào)節(jié)策略

 

本文充分發(fā)揮超速減載控制和MPPT模式的優(yōu)勢，在保證發(fā)電效益最大化的同時為DFIG提供了在負(fù)荷突減擾動下的一次頻率調(diào)節(jié)能力。給定虛擬慣性控制附加功率ΔP1如式（1）所示：

 

（1）

               

給定下垂控制附加調(diào)節(jié)功率ΔP2如式（2）所示：

 

（2）

               

最終得到附加功率ΔP，如式（3）所示，實現(xiàn)變功率點跟蹤控制。 

 

（3）

 

在負(fù)荷增加擾動下，由于風(fēng)機(jī)運行在MPPT狀態(tài)下無法提供備用容量，故配置超級電容儲能系統(tǒng)參與一次調(diào)頻?？紤]到超級電容器的容量有限，為避免一直采用最大下垂系數(shù)放電，出現(xiàn)超級電容器荷電狀態(tài)(SOC)越限問題，本文考慮在超級電容器SOC過低時動態(tài)調(diào)整虛擬慣性和虛擬下垂系數(shù)，以此來減小該儲能裝置的出力。不僅可有效避免儲能裝置過放問題，提高使用壽命，而且還可減少SOC越限時對電網(wǎng)系統(tǒng)所造成的不利影響。

 

圖1 超級電容器單位調(diào)節(jié)功率與SOC的關(guān)系

 

本文將超級電容器SOC劃分為3個區(qū)間，如圖1所示，Km為雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的下垂系數(shù)，設(shè)定最小值（QSOC_min）為0.1，適中值（QSOC_low）為0.5和最大值（QSOC_max）為0.9。值得注意的是以上取值并不是唯一的，取決于不同超級電容器型號的自身SOC特性，為了定量分析超級電容器SOC越限下的極限工況，本文將SOC的最小值設(shè)置為0.1。計及SOC反饋的超級電容器虛擬下垂控制系數(shù)Kscss(QSOC)分別為：

 

（4）

 

式中，Kscss為超級電容儲能系統(tǒng)的自適應(yīng)下垂系數(shù)。Km為下垂控制系數(shù)的最大值。為防止超級電容器SOC越限，其放電曲線特性由線性分段函數(shù)表示，可實現(xiàn)平滑出力的同時利于工程實際應(yīng)用，當(dāng)系統(tǒng)頻率下降時，超級電容器輸出功率如下式所示：

 

（5）

 

如圖2所示為本文所提出的雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組所配置的儲能示意圖。

 

圖2 DFIG的儲能配置

 

1.2風(fēng)速擾動下的頻率平滑控制策略

 

在風(fēng)電機(jī)組源側(cè)風(fēng)速波動下，單機(jī)系統(tǒng)的頻率動態(tài)響應(yīng)模型如圖3所示。圖3中ΔPm為機(jī)械功率；ΔPg為汽門偏差；ΔPL為負(fù)荷擾動；ΔPW為風(fēng)電功率波動量；Tt為汽輪機(jī)時間常數(shù)；Tg為調(diào)速器時間常數(shù)；R為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)率；ΔPref為機(jī)組所需調(diào)頻給定值。

 

圖3 單機(jī)系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型

 

假設(shè)系統(tǒng)機(jī)組出力以及負(fù)荷均不發(fā)生變化，即ΔPL、ΔPref均為0。由風(fēng)電功率波動引起的系統(tǒng)頻率偏差的系統(tǒng)傳遞函數(shù)可表述為：

 

（6）

 

式中，H和D分別為系統(tǒng)慣性常數(shù)和系統(tǒng)阻尼系數(shù)；G(s)=1/[ (1+sTg)(1+sTt)]，其中Tt、Tg分別表示汽輪機(jī)和調(diào)速器時間常數(shù)。

當(dāng)風(fēng)電功率波動ΔPW時，系統(tǒng)頻率偏差如式（7）所示：

 

(7)

 

已知汽輪機(jī)時間常數(shù)Tt=0.5，調(diào)速器時間常數(shù)Tg=0.2，系統(tǒng)慣性常數(shù)H=5s，系統(tǒng)阻尼D=1，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)率R=0.05。通過由圖4所示的一次大風(fēng)氣象周期（一周7天）某一天24h風(fēng)電場內(nèi)單臺風(fēng)電機(jī)組機(jī)端輸出功率波動樣本帶入公式（7），得到圖5所示的對應(yīng)時間尺度下風(fēng)電功率波動引起系統(tǒng)頻率波動偏差曲線。

 

圖4單臺DFIG輸出功率曲線

 

圖5 單臺風(fēng)電機(jī)組風(fēng)電功率波動對應(yīng)頻率波動曲線

 

由圖5可知風(fēng)電功率波動對系統(tǒng)頻率產(chǎn)生了較大影響，故平滑因風(fēng)電功率波動而產(chǎn)生的頻率波動問題，提高單臺風(fēng)電機(jī)組的致穩(wěn)性和抗擾性尤為重要，本文將在不同時間尺度下，通過實時采樣系統(tǒng)頻率，求取該時間尺度下的頻率平均值作為一次調(diào)頻時間內(nèi)的頻率平滑目標(biāo)值，采用實時采樣n點滾動平均算法制定能夠平滑頻率變化的平抑目標(biāo)曲線。n即為不同時間尺度下采樣點的數(shù)量。本文研究內(nèi)容為雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組參與電網(wǎng)一次調(diào)頻，考慮到《風(fēng)電機(jī)組的試驗方法》中指出其一次調(diào)頻時間應(yīng)不大于30s，故僅需研究短時間尺度內(nèi)的風(fēng)電功率波動引起頻率波動規(guī)律，已知短時間尺度為分鐘級（1min和10min），故平均頻率采樣的時間尺度選擇在1min-10min之間。

 

通過實時采樣n點滾動平均算法求取頻率平滑目標(biāo)值fave(t)為：

 

fave(t)=1/n[fwind(t-1)+fwind(t-2)+fwind(t-3)… +fwind(t-(n-1))+fwind(t-n)]   t≥n+1   （8）

 

其中采樣n點滾動平均算法下求得的平均頻率波動值Δf(t)為下式：

 

Δf(t)=fwind(t)-fave(t)           （9）

 

已知通過分析單臺風(fēng)電機(jī)組頻率響應(yīng)模型得到此類機(jī)組的風(fēng)電功率波動與系統(tǒng)頻率之間的關(guān)系，通過根據(jù)公式（7），已知平均頻率波動值Δf(t)求得對應(yīng)的風(fēng)電輸出功率波動量ΔP(t)，通過實際風(fēng)電機(jī)組輸出功率P(t)與功率波動量ΔP(t)做差或求和得到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出參考功率Pref(t)。

 

1.3考慮源-荷功率同時波動下的一次頻率平滑控制策略

 

綜上所述，考慮源-荷功率波動下雙饋風(fēng)電機(jī)組一次頻率調(diào)節(jié)平滑控制策略原理框圖如圖6所示。其中藍(lán)色框圖為雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最大功率跟蹤控制，綠色框圖為風(fēng)電機(jī)組變功率點跟蹤控制，黃色框圖為超級電容器控制。fN為額定頻率，fs為負(fù)荷變化后對應(yīng)的頻率，fw為風(fēng)電功率波動對應(yīng)的頻率，fave為相應(yīng)時間尺度下的平均平滑頻率。Kp和Kscss分別為風(fēng)電機(jī)組變功率點跟蹤控制與超級電容器儲能裝置的下垂控制系數(shù)。

 

圖6 雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組的一次頻率平滑控制原理框圖

 

（1）根據(jù)《風(fēng)電機(jī)組的試驗方法》設(shè)定調(diào)頻死區(qū)為|Δf|≤0.03Hz。為節(jié)約超級電容器容量，保證其使用壽命，并充分利用風(fēng)電機(jī)組控制優(yōu)勢，慣量支撐功能則由雙饋風(fēng)電機(jī)組的變功率點跟蹤控制實現(xiàn)。其一次頻率平滑調(diào)節(jié)控制流程圖如圖7所示。

 

圖7 源-荷功率隨機(jī)波動的雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)一次頻率平滑調(diào)節(jié)流程圖

 

（2）負(fù)荷與風(fēng)速檢測同時進(jìn)行，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷減小ΔP1，風(fēng)速增大ΔP2時（工況1），此時風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要減小出力功率為（ΔP1+ΔP2），另外風(fēng)電機(jī)組提供所需慣量支撐時需要減小輸出功率ΔP5，如圖8所示。以上均采用變功率點跟蹤控制實現(xiàn)一次頻率平滑調(diào)節(jié)。

 

圖8 工況1下的一次頻率平滑調(diào)節(jié)原理框圖

 

（3）當(dāng)負(fù)荷增加ΔP3，風(fēng)速減小ΔP4時（工況6），如圖9所示，此時風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要增加輸出功率（ΔP3+ΔP4），利用超級電容器通過網(wǎng)側(cè)變流器向電網(wǎng)輸出功率，根據(jù)公式（4）得到計及超級電容器SOC的自適應(yīng)下垂控制系數(shù)Kscss。另外，風(fēng)電機(jī)組的慣量支撐所需增加輸出功率ΔP5則由變功率點跟蹤控制實現(xiàn)。

 

圖9 工況6下的一次頻率平滑調(diào)節(jié)原理框圖

 

（4）當(dāng)負(fù)荷和風(fēng)速同時減小或增大時，基于該策略控制下的雙饋風(fēng)電機(jī)組出力控制方式分為以下四種情況：

 

在負(fù)荷減小ΔP1，風(fēng)速減小ΔP4的情況同時發(fā)生時，如圖10所示，此時需要通過負(fù)荷減小時該風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要減小的功率ΔP1和風(fēng)速減小時該風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要增加的功率ΔP4做差。當(dāng)總功率ΔP小于0時（工況2），該機(jī)組通過采用變功率點跟蹤控制實現(xiàn)一次調(diào)頻與頻率平滑控制技術(shù);當(dāng)功率ΔP大于0時（工況4），風(fēng)電機(jī)組需要采用超級電容器控制。另外慣量支撐所需功率ΔP5均采用變功率點跟蹤控制實現(xiàn)。

 

圖10 工況2和工況4下的一次頻率平滑調(diào)節(jié)原理框圖

 

當(dāng)負(fù)荷增加ΔP3，風(fēng)速增加ΔP2時，如圖11所示，此時通過負(fù)荷增加時風(fēng)電機(jī)組需要增加的輸出功率ΔP3和風(fēng)速增加時風(fēng)機(jī)需要減小的輸出功率ΔP2做差。當(dāng)總功率ΔP小于0時（工況3），采用變功率點跟蹤控制；當(dāng)功率ΔP大于0時（工況5），采用超級電容儲能控制技術(shù)實現(xiàn)本文所提一次頻率調(diào)節(jié)平滑控制。另外慣量支撐所需功率ΔP5均采用變功率點跟蹤控制實現(xiàn)。

 

圖11 工況3和工況5下的一次頻率平滑調(diào)節(jié)原理框圖

 

（5）綜上所述，針對負(fù)荷與風(fēng)速同時波動的不確定性，通過上述6種工況下進(jìn)行控制分析，總體控制框圖如圖6所示，在工況1、2和3下雙饋風(fēng)電機(jī)組采用變功率點跟蹤控制，在工況4、5和6下采用超級電容器控制，最后根據(jù)實際功率輸出通過選擇上述兩種方式（開關(guān)7和8）實現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組在全工況下的一次頻率調(diào)節(jié)平滑控制，提高風(fēng)電機(jī)組發(fā)電效益的同時大大提升系統(tǒng)一次頻率平滑調(diào)節(jié)效果。

 

PART 02：超級電容器的容量優(yōu)化配置

 

通過探索某風(fēng)電場一次大風(fēng)氣象周期內(nèi)由于風(fēng)電功率波動而引起系統(tǒng)并網(wǎng)點頻率波動數(shù)據(jù)規(guī)律，優(yōu)化配置儲能系統(tǒng)的額定容量。已知根據(jù)風(fēng)電功率波動引起頻率偏差最大波動量配置的儲能功率明顯偏大，本文采用上述實時采樣平均頻率制定平滑頻率波動的目標(biāo)曲線，在考慮配置最優(yōu)儲能容量的情況下，為達(dá)到最好的頻率平滑效果，分別以1min-10min為時間尺度求取該時間尺度下的頻率平均值，將其作為一次調(diào)頻時間內(nèi)的平滑頻率波動的目標(biāo)。并采用概率統(tǒng)計法對圖4所示的風(fēng)電機(jī)組實際輸出功率與不同時間尺度下平滑目標(biāo)后風(fēng)機(jī)輸出功率所圍成的各面積概率進(jìn)行統(tǒng)計計算，即為儲能裝置的額定容量，若累計概率要求達(dá)到0.9以上，即可認(rèn)為實現(xiàn)平滑目標(biāo)，則當(dāng)時間尺度選為5min時，所需儲能容量為3.56MJ，而當(dāng)時間尺度選為10min時，所需儲能容量為3.82MJ。

 

由上述數(shù)據(jù)可知當(dāng)選取時間尺度大于5min時，儲能容量的選取相較于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組額定容量來說相差不大，但如圖12所示，時間尺度為10min下頻率平滑（紅色）效果明顯優(yōu)于時間尺度為5min下的頻率平滑（黑色）結(jié)果。值得注意的是本文所提出的頻率平滑控制策略是從源端風(fēng)電功率波動入手，僅平滑的是由源端風(fēng)電功率頻繁波動所引起的系統(tǒng)頻率抖動問題，而非風(fēng)機(jī)并網(wǎng)后系統(tǒng)頻率穩(wěn)定在50Hz附近的數(shù)據(jù)曲線，但通過本文從源端功率波動特性所平滑系統(tǒng)頻率，可大大減小了風(fēng)電場內(nèi)部或并網(wǎng)點變壓器中低壓側(cè)的超過一次調(diào)頻動作閾值的情形出現(xiàn)。

 

圖12 不同時間尺度下頻率平滑效果對比圖

 

為進(jìn)一步量化反映頻率平滑效果，計算得到采用不同時間尺度下頻率平均值作為該時間尺度下平滑頻率目標(biāo)后的頻率波動偏差量(fwind(t+1)-fwind(t))的累計概率密度。以累計概率密度達(dá)到0.9為達(dá)到抑制該頻率波動的目標(biāo)值，則當(dāng)時間尺度選為1min時，系統(tǒng)頻率波動量達(dá)到0.04Hz以內(nèi)占比為90%，同理在時間尺度為5min時，系統(tǒng)頻率波動量減小至0.01Hz，在時間尺度選為10min時，系統(tǒng)頻率波動量減小至0.005Hz，故時間尺度為10min下的頻率波動量相比時間尺度1min的頻率波動量減小87.5%，相比時間尺度為5min下的頻率波動量減小50%。大大提高頻率平滑效果。故相應(yīng)配置的儲能容量為3.82MJ。另外，本文根據(jù)中國電力科學(xué)研究院于2016年牽頭制訂的《風(fēng)電機(jī)組虛擬同步機(jī)技術(shù)要求和試驗方法》的相關(guān)規(guī)定計算得到的儲能容量為4.5MJ。綜上所述，本文研究的考慮源-荷功率隨機(jī)波動性的風(fēng)電機(jī)組一次頻率調(diào)節(jié)平滑控制策略所需儲能總?cè)萘繛?.32MJ。

 

針對上述儲能容量，需要合理配置超級電容模組并實現(xiàn)最優(yōu)運行。其中，超級電容器內(nèi)阻為R，放電功率為Pd，γ=Umin/Umax為電壓比率，超級電容最高工作電壓為Umax。

 

已知該超級電容儲能裝置放電效率為：

 

（10）

 

本文參考目前實際超級電容器規(guī)格，采用144V*55F的超級電容模組，得到為滿足本文所提控制策略下超級電容器在不同串并聯(lián)模式的電壓和效率情況，如表1所示。

 

表1 超級電容器工作電壓和效率

 

在考慮超級電容儲能單元成本最低的情況下且放電效率相對較高，本文采用144V*55F超級電容器5串3并共15組，其最低工作電壓Umin為27V，最高工作電壓Umax為720V，其放電效率ηd=96.8%。

 

PART 03：仿真分析

 

本文根據(jù)MATLAB/Simulink仿真平臺，構(gòu)建了2機(jī)4區(qū)系統(tǒng)，對綜合考慮源-荷功率隨機(jī)波動性的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電頻率平滑調(diào)節(jié)方法進(jìn)行仿真分析，仿真模型如圖13所示。

 

圖13 含雙饋風(fēng)電場的4機(jī)2區(qū)域系統(tǒng)

 

其中：G1、G2、G3均模擬為火電廠（容量均為900MW），且具備一次調(diào)頻功能；G4為本文所研究的具有300臺1.5MW雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電場，其中每臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)所配置的超級電容器組為33F，容量為8.32MJ。負(fù)荷Load1為880MW，Load2為950MW，Load3為隨機(jī)波動負(fù)荷。

 

3.1 負(fù)荷隨機(jī)波動時的仿真分析

 

為驗證本文所提策略的有效性，本文將對MPPT模式、超速減載10%和本文所提策略進(jìn)行對比研究。仿真在恒定風(fēng)速10m/s且負(fù)荷隨機(jī)波動的場景下進(jìn)行，在20s時系統(tǒng)負(fù)荷突減180MW（該大擾動為此風(fēng)電場300臺雙饋風(fēng)電機(jī)組預(yù)留10%儲能備用參與電網(wǎng)一次調(diào)頻最大功率輸出值），圖14所示為負(fù)荷波動對應(yīng)的頻率偏差曲線。已知雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在最大功率跟蹤控制下不參與系統(tǒng)一次調(diào)頻，其穩(wěn)態(tài)頻率偏差為0.093Hz，而在超速減載10%的一次調(diào)頻控制下，其穩(wěn)態(tài)頻率偏差減小為0.083Hz，但在基于本文提出的一次調(diào)頻控制策略下穩(wěn)態(tài)頻率偏差為0.075Hz，其一次頻率調(diào)節(jié)能力相比較于常規(guī)的DFIG超速減載一次調(diào)頻控制策略提高了10%，提升效果顯著，從而增強(qiáng)了風(fēng)電機(jī)組的致穩(wěn)性與抗擾性。

 

圖14系統(tǒng)頻率偏差

 

同樣，在時間T為20s時，系統(tǒng)負(fù)荷突增100MW，系統(tǒng)頻率偏差曲線如圖15所示，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在不參與一次調(diào)頻的最大功率跟蹤控制下穩(wěn)態(tài)頻率偏差為0.068Hz，在超速減載10%的調(diào)頻控制下其穩(wěn)態(tài)頻率偏差減小為0.061Hz，而在本文提出的一次調(diào)頻控制策略下其穩(wěn)態(tài)頻率偏差為0.056Hz，其頻率調(diào)節(jié)能力相較于傳統(tǒng)超速減載調(diào)頻控制提高8.2%，提升系統(tǒng)致穩(wěn)性和抗擾性。

 

圖15  系統(tǒng)頻率偏差

 

為方便分析本文所提出的計及SOC自適應(yīng)下垂控制的優(yōu)勢，本工況下超級電容器初始SOC設(shè)置為100%，初始工作電壓Usc為720V，由圖16可知，在持續(xù)放電工況下，不考慮SOC狀態(tài)的慣性與下垂自適應(yīng)控制在時間t為60s時，SOC接近下限值為2%，其工作電壓Usc也即將達(dá)到最低放電電壓為87V。而本文所提方法的超級電容器SOC的維持效果較佳，相比上述控制的SOC提高18%，超級電容器電壓響應(yīng)也提高235V，可具備更多的容量參與系統(tǒng)一次調(diào)頻。

 

（a）SOC變化量                               （b）工作電壓變換量

圖16 超級電容器參數(shù)值

 

3.2源-荷隨機(jī)波動時的仿真分析

 

為進(jìn)一步驗證所提策略在源-荷同時波動場景下能有效平滑頻率的特性，結(jié)合風(fēng)電機(jī)組參與系統(tǒng)一次調(diào)頻的具體時間要求，截取了其中該風(fēng)電場單臺風(fēng)電機(jī)組一天內(nèi)部分風(fēng)速波動曲線，如圖17（a）所示。負(fù)荷則設(shè)定為階梯波動負(fù)荷如圖17（b）所示。

 

  

(a) 隨機(jī)波動風(fēng)速                       (b) 階梯波動負(fù)荷

圖17 隨機(jī)波動風(fēng)速與負(fù)荷趨勢圖

 

首先為解決本文所提出的平滑風(fēng)電功率波動而帶來的頻率波動問題，截取了如圖4所示24h內(nèi)的一段風(fēng)功率波動引起頻率波動變化曲線，將其相應(yīng)數(shù)據(jù)帶入至圖13所示的四機(jī)兩區(qū)域仿真模型中，得到有無本文所提頻率平滑控制策略的系統(tǒng)頻率波動對比圖，如圖18所示。

 

圖18 平滑頻率控制前后頻率波動對比圖

 

由圖18可知，該段風(fēng)功率波動所引起的系統(tǒng)頻率偏差在-0.031Hz ~0.033Hz之間，當(dāng)采用本文所提出的平滑頻率控制策略后系統(tǒng)的頻率偏差減小為-0.028Hz~0.031Hz，故最大頻率偏差范圍量相較于無平滑控制時可降低7.8%，大大改善了頻率平滑效果，提升系統(tǒng)致穩(wěn)性與抗擾性。

 

為進(jìn)一步驗證源-荷功率波動下本文所提出的一次頻率平滑調(diào)節(jié)控制策略的優(yōu)勢，如圖19所示為三種不同控制方式下雙饋風(fēng)電機(jī)組參與系統(tǒng)調(diào)頻的系統(tǒng)頻率變化圖，其相應(yīng)的風(fēng)能利用系數(shù)、風(fēng)電機(jī)組輸出有功功率、槳距角變化和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速動態(tài)響應(yīng)對比如圖20所示。

 

圖19 系統(tǒng)頻率偏差

 

從圖19可以看出，在源-荷同時波動情況下，DFIG在處于最大功率跟蹤控制下，其頻率偏差最大波動范圍為-0.12Hz～0.095Hz；在超速減載10%的調(diào)頻控制下，其頻率偏差最大波動范圍約減小為-0.11Hz～0.085Hz；而采用本文提出的一次頻率調(diào)節(jié)平滑控制策略的頻率偏差最大波動范圍為-0.095Hz～0.073Hz；故在一次頻率平滑調(diào)節(jié)的整個過程中，本文所提策略相較于超速減載控制的一次頻率平滑調(diào)節(jié)能力提高了13.8%。

 

圖20 源-荷波動下風(fēng)電機(jī)組響應(yīng)對比

 

由圖20可知，本文所提控制策略相較于超速減載10%，在上述工況的整個運行過程中該DFIG平均輸出有功功率提高25.6%，大大增加了風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電效益，且在此工況下，若采用超速減載控制，其槳距角頻繁啟動，調(diào)節(jié)時間占總時間的比例高達(dá)20%，而采用本文所提方法的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍廣，無需進(jìn)行槳距角調(diào)節(jié)。

 

PART 04：實驗驗證

 

本文的雙饋式風(fēng)力發(fā)電仿真平臺（10kW/380V）主要由監(jiān)測控制臺、原動機(jī)調(diào)速變頻器柜、雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器柜、超級電容器儲能與控制柜（4組110V*7F超級電容器模組兩串兩并組成）、40kW雙向電網(wǎng)模擬器柜以及15kW異步電動機(jī)和10kW雙饋發(fā)電機(jī)組成。試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖21所示。其中控制器采用YXSPACE-SP2000快速控制原型控制器（RCP），可將MATLAB-Simiulink下的控制算法轉(zhuǎn)換成輸入、輸出開關(guān)控制量和輸入、輸出模擬調(diào)節(jié)量，完成實際硬件控制。

 

圖21 雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)實驗系統(tǒng)

 

本文通過電網(wǎng)模擬器模擬系統(tǒng)電網(wǎng)頻率大小波動情況來驗證本文控制策略的有效性，由于電網(wǎng)模擬器設(shè)置方面的局限性，故本文將理想化設(shè)置其頻率變化值，其頻率值由50Hz分別變化±0.1Hz至±0.3Hz，如圖22（a）所示。

 

(a)

 

(b)

 

(c)

 

(d)

 

(e)

 

圖22 實驗波形圖

 

設(shè)定風(fēng)速為8m/s，圖22（b）所示為基于一次頻率平滑調(diào)節(jié)控制的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由于響應(yīng)電網(wǎng)側(cè)的不同頻率變化而采集的實際輸出功率曲線。當(dāng)時間T為35s時，電網(wǎng)頻率下降0.1Hz，此時通過超級電容器經(jīng)過網(wǎng)側(cè)變流器向電網(wǎng)放電，當(dāng)時間T為65s時，電網(wǎng)頻率再次下降至0.2Hz，此時超級電容器放電功率增大。如圖22（c）所示，在時間T為125s時，結(jié)束放電。當(dāng)時間T為160s時，此時電網(wǎng)頻率上升，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增加，如圖22（d）所示，使得風(fēng)電機(jī)組輸出功率降低，值得注意的是為增加超級電容器使用壽命，風(fēng)機(jī)參與電網(wǎng)慣量支撐的能量由風(fēng)電機(jī)組的變功率點跟蹤控制實現(xiàn)。其直流母線電壓如圖22（e）所示穩(wěn)定在300V，為超級電容器通過網(wǎng)側(cè)變流器進(jìn)行充/放電提供了良好的基礎(chǔ)。

 

實驗結(jié)果表明，本文所提雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)組的頻率調(diào)節(jié)控制策略得到了很好的實現(xiàn)。同時本文通過雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)試驗平臺的搭建，完成了控制器算法策略的檢驗，為雙饋風(fēng)電機(jī)組的一次調(diào)頻控制改造和升級提供了基礎(chǔ)。

 

PART 05：總結(jié)

 

本文綜合考慮源-荷波動情況，提出雙饋風(fēng)電機(jī)組的一次頻率調(diào)節(jié)平滑控制策略，改善系統(tǒng)頻率品質(zhì)，提高了單臺風(fēng)電機(jī)組的致穩(wěn)性和抗擾性，為其風(fēng)機(jī)的改造升級提供了新思路和新應(yīng)用。

 

1）結(jié)合某風(fēng)電場一次大風(fēng)氣象周期內(nèi)實際風(fēng)電功率波動歷史數(shù)據(jù)，得到單臺風(fēng)電機(jī)組在不同時間尺度下風(fēng)電功率波動對系統(tǒng)頻率波動特性影響，確定了風(fēng)電場在分鐘級時間尺度下的最優(yōu)頻率平滑目標(biāo)，大大改善系統(tǒng)頻率品質(zhì)。

 

2）優(yōu)化配置儲能單元，在相對較低成本下設(shè)計出一套計及SOC自適應(yīng)放電且放電效率高達(dá)96.8%的超級電容儲能裝置，為后期研究儲能裝置的優(yōu)化配置提供了理論基礎(chǔ)。

 

3）本文所提一次頻率平滑調(diào)節(jié)方法相較于常規(guī)的超速減載調(diào)頻控制，在發(fā)電效益提高的同時，其一次頻率調(diào)節(jié)能力提高13.8%，且對比超速減載調(diào)頻控制下的減載率越大，風(fēng)能利用率越低的特性，更體現(xiàn)本文所提出控制策略的優(yōu)越性。具體更詳細(xì)研究內(nèi)容請參考中國電機(jī)工程學(xué)報的網(wǎng)絡(luò)首發(fā)論文以及咨詢?nèi)A北電力大學(xué)研究團(tuán)隊。