一種含雙饋發電機的電力系統頻率控制策略

蔣旭東，鄧本再，余軻

（長沙理工大學電氣與信息工程學院，湖南長沙410114）

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一種含雙饋發電機的電力系統頻率控制策略

蔣旭東，鄧本再，余軻

（長沙理工大學電氣與信息工程學院，湖南長沙410114）

摘要：近年來新能源發電發展迅速，然而地區負荷變化和一些特殊情況會導致頻率的偏差和不同區域間額定功率變換。傳統的雙饋風力發電機沒有考慮到風速波動性、風機非線性以及滿足控制魯棒性等特點。因此我們提出了一種新的魯棒頻率控制技術，其中包括傳統的比例積分（PI）和模型預測控制（MPC）。PI-MPC技術的使用可以使控制器的不確定性和負載的擾動產生的影響降低。通過MATLAB的仿真實驗證明，通過使用PI-MPC控制策略使整體閉環系統魯棒性顯現，與傳統的比例積分（PI）相比具有優越性。

關鍵詞：雙饋感應發電機；風機運行控制；電力系統；比例積分；模型預測控制

能源、環境是當今人類生存和發展所要解決的緊迫問題。常規能源以煤、石油、天然氣為主，它不僅資源有限，而目前造成了嚴重的大氣污染。開發利用可再生能源、實現能源的可持續發展成為世界各國能源發展戰略的重大舉措。風能作為可再生能源的重要組成部分，具有蘊藏量豐富、可再生、分布廣、無污染等特性，成為可再生能源發展的重要方向之一。

風力發電系統最大的特點是發電機轉速受風力機的影響較大。所以現在雙饋感應發電機組（doub1y fed jnductjon generator，DFIG）已成為目前大型風電場的主力機型，該機組通過轉子側接換流器實現對風電機組的變速恒頻控制，捕獲最大風能［1-5］。與傳統的恒速恒頻風力發電系統相比，它具有許多優點當風速較低時，能夠在運行中保持最佳葉尖速比來獲得最大風能而當風速較高時，可以利用風輪轉速的變化來儲存或釋放部分能量，使功率輸出保持平穩。

由于風力發電系統所特有的非線性和不確定性的特點，和外界運行條件的影響等因素，使我們要用先進的控制技術理論設計風力發電控制系統，以增強實際系統的魯棒性和可靠性。所以本文重點研究本文研究DFIG系統的非線性魯棒控制問題。通過MATLAB仿真實驗證明PI-MPC組合技術的有效性。

1　雙饋風電機組的建模及控制問題

1.1DFIG系統結構組成

雙饋交流勵磁異步發電機有一項很重要的特點，這就是變速恒頻。固定頻率的工業電源是被當作為定子繞組的電源，轉子繞組所需要的低頻電源則通過變流器來接入，根據運行要求的不同對低頻電源的電壓幅值、電壓頻率和電壓相位來進行調節。

如圖1所示雙饋風力發電系統主要由風力機、齒輪箱、雙饋發電機、控制電路組成轉子由變流器（整流/逆變）勵磁，定子繞組通過變壓器與三相電網相連。當風速變化時，通過改變轉子勵磁電流的頻率，可使定子頻率穩定在電網頻率上，即：

圖1　DFIG主電路結構圖

其中：f1是定子電流頻率；fm是轉子機械旋轉角頻率；f2是轉子勵磁電流頻率；pd是雙饋電機的極對數；因為fm=n/60，所以發電機轉子轉速n決定了fm的數值。由上述可知：當轉速n發生變化的時候，fm也會隨之而然的變化，此時可以通過改變轉子勵磁電流的頻率，從而使定子頻率穩點在網頻上，從而實現變速恒頻控制［6］。

1.2網側變流器控制策略

從結構上來說雙饋電機與繞線型異步電機相似，和異步電機的數學模型基本相同。在理想的狀態下，定子采用發電機慣例，轉子采用電動機慣例推導，我們就可以得到雙饋風機在dq同步旋轉坐標系下的電壓、功率和磁鏈、電磁轉矩方程為：

忽略Rr及ψs變化，將同步坐標系的d軸定向在定子電壓矢量上，由式（2）可得雙饋風機的Ps、Qs和Te的方程：

由式（3）可知，當采用定子電壓矢量定向控制，并保持定子磁鏈恒定時，將定子電壓u方向取為參考坐標d軸方向，則電壓q軸分量為0。網側電壓u幅值一定，則ud為常量，轉子側有功、無功功率Pr、Qr與定子電流交、直軸分量id、iq成正比。雙饋機組定子側有功功率或電磁轉矩可通過轉子電流的d軸分量Ird控制，無功功率可以通過轉子電流的q軸分量Irq控制，從而實現了有功和無功功率的解耦控制［7］。

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忽略整流器造成的諧波及損耗，我們得到下面的式子：

式中：idc為直流側電流；m1為變流器脈沖寬度調制深度。由式4可知，id決定電網側變流器直流側電壓udc。所以，轉子側變流器的控制策略采取id、iq的電流環控制，圖2為矢量控制框圖。

圖2　雙饋風機電網側變流器矢量控制

圖中，由式（4）求得電網側電壓d-q軸分量udl、uql的表達式為：

2　含雙饋風力發電機的電力系統頻率PI-MPC控制策略

本文提出了一種新的魯棒控制技術涉及傳統的PI控制器和魯棒控制器。PI-MPC方案會產生更強的控制信號來控制整個地區，而不是使用多個控制器或者移除已在系統傳統的控制器，這種方案更加經濟。

2.1MPC控制的概述

模型預測控制（MPC Mode1 Predjctjve Contro1）是一類特殊的控制。它已經被證明是一種非常有效地控制方式，而且廣泛應用于各種系統中。它的當前控制動作是在每一個采樣瞬間通過求解一個有限時域開環最優控制問題而獲得，過程的當前狀態作為最優控制問題而獲得。過程的當前狀態作為最優控制問題的初始狀態，解得的最優控制序列只實施第一個控制作用。這是它與那些使用預先計算控制律的算法的最大不同。本質上模型預測控制求解一個開環最優控制問題。它的思想與具體的模型無關，但是實現則與模型有關。MPC的效果等同于最優控制，其算法的核心是：可預測未來的動態模型，是一種控制對象未來行為的算法。在線反復優化計算并滾動實施的控制作用和模型誤差的反饋校正［8］。模型預測控制具有控制效果好、魯棒性強等優點，可有效地克服過程的不確定性、非線性和并聯性，并能方便的處理過程被控變量和操縱變量中的各種約束。針對系統模型的非線性、參數的不確定性以及外部干擾量，基于PI-MPC策略設計非線性魯棒控制器。一個簡單的MPC控制器如圖3所示。

圖3　簡單預測控制器模型

相對應單獨的PI和MPC控制器是我們所熟知的，但這些兩種控制方案的組合，以形成一個控制器在電力控制系統的研究中是一種新的概念。這種技術遵從輸出頻率偏差及負荷變化給定的約束條件而計算出最優控制信號。對于線性系統，總的預測可以通過求自由和強迫響應的和計算出來。輸出應達到參考軌跡信號的目標值水平，其優化受到操縱量和控制變量的約束［9］。因此優化器會計算未來控制動作的最佳設置，例如在廣義預測控制器（Genera1 Predjctjve Contro1）中計算未來控制動作的最優設置：

其中N1和N2是在輸出預測范圍的下限和上限，Nu是代表控制范圍。βj、λj是權重因子。

2.2頻率研究的簡化風力機模型

簡化的雙饋風力發電機組模型如圖4所示。為了線性化，式子可改寫為：

圖4　簡化的雙饋風力發電機組模型

其中ωopt是代表轉速的工況點；s是微分算子；Te為電磁轉矩；ω為轉速；Pe為風機的有功功率；iqr為轉子電流的Q軸分量；Vqr是轉子電壓的Q軸分量；Ht是風力發電機組的等效慣性常數［11］。

2.3總體結構

整體結構包括預定的PI-MPC控制器的區域電力系統單元框圖的簡化頻率響應模型如圖5所示。

該系統由發電機和負荷、包含發電機變化率約束（Generatjon Rate Constrajnt，GRC）的非線性渦輪和死區約束調速器（Dead-Band Constrajnt）組成［12］。頻率偏差被用作閉環控制系統的反饋信號。最初系統中的一個PI控制器接收頻率信號Δf，由此產生輔助動作ΔPc。然后為了提高系統的性能，測量參考頻率偏差Δfref（Δfref=0 Hz）和參考轉速Δωref（ωref=ωopt）被饋送到MPC控制器就是為了獲得輔助控制動作，然后這種控制動作加到ΔPc。在PI-MPC控制器的所得到的信號是由分別在PI和MPC控制器的信號的組合：

然后信號被送到調速器，給調速器一個閥值用來使風力渦輪機產生機械功率的變化ΔPm。

3　仿真分析

為驗證該方案的有效性，我們用Mat1ab/Sjmu1jnk軟件模擬區域電力系統的情況。具體的參數見表1。

圖5　包含PI-MPC控制器的區域電力系統框圖

所設計的控制器具有發電機變化率約束（GRC）為標幺值的10%每分鐘。調速器死區的最大值被設定為0.05%。模擬風力渦輪機場由200臺2 MW額定變速風電機組，風力渦輪機參數和工作點示于表2中。

表1　區域電力系統的參數和數據

其中Xm是代表磁化電抗，Xlr和Xls分別是在轉子和定子的漏抗。為評估所提出的PI-MPC技術的魯棒性，用Mat1ab對所提出的PI-MPC控制器的系統的性能與常規比例積分系統性能之間進行了測試。設定K（p）=0.37，K（s）=-0.745，30 s內的負載變化ΔPL為0.02pu。通過分別改變調速器和渦輪機的時間常數使Tg=0.12 s，Tt=0.95 s。從模擬中可以看出風力發電機對電力系統頻率的影響。

表1　風力發電機組的參數和工作點

圖6、圖7展示了所提出的PI-MPC、MPC和只有常規PI系統的模擬結果。如果只是單獨使用常規PI控制器，該系統將變得不穩定。可以看出與所提出的僅只是有MPC或常規PI控制器的系統相比，PI-MPC控制器系統在電力系統阻尼振蕩中表現更穩定和更快速。

圖6　機械功率變化情況

圖7　系統頻率偏移情況

4　結束語

風電機組電力系統頻率控制是風電場電力系統控制過程中的重要環節之一，本文研究了基于PI-MPC和雙饋風力發電機控制的區域電力系統頻率控制的魯棒性。方案已經仿真從而驗證了其有效性。仿真結果表明，響應速度快和對參數不確定性和負載的變化的魯棒性是該PI-MPC控制器的優點。此外，該控制器與MPC控制方案和常規PI控制方案的性能進行了比較。結果表明，PI-MPC控制器比傳統的PI控制器和MPC控制器的響應更快更有效：它能夠更有效的處理不確定參數的變化和負載的變化。同時從結果看出MPC和PIMPC控制器都具有魯棒性，但是PI-MPC控制器相比于MPC控制器有更快的阻尼震蕩表現和更好的經濟性。

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PI-MPC frequency control of Power system based on DFIG wlnd turblnes

JIANG Xu-dong，DENG Ben-zaj，YU ke （College of Electrical and Information Engineering，Changsha University of Science&Technology，Changsha 410114，China）

Key words:DFIG；operatjon and contro1 of wjnd turbjne；power system；PI；MPC

中圖分類號：TN701

文獻標識碼：A

文章編號：1674-6236（2016）07-0186-04

收稿日期：2015-06-04稿件編號：201506051

作者簡介：蔣旭東（1991—），男，湖南湘潭人，碩士。研究方向：新能源發電控制。Abstract: For the recent expansjon of renewab1e energy，However，area 1oad change and abnorma1 condjtjons 1ead to mjsmatches jn frequency and schedu1ed power jnterchanges between areas.The tradjtjona1 contro1 techno1ogy of doub1y fed jnductjon generator js not consjderjng wjnd speed f1uctuatjon，the non-1jnear and robust contro1 of wjnd generator.therefore，proposes a new robust frequency contro1 technjque jnvo1vjng the combjnatjon of conventjona1 Proportjona1-Integra1（PI）and Mode1 Predjctjve Contro1（MPC）contro11ers jn the presence of wjnd turbjnes.The PI-MPC technjque has been desjgned such that the effect of the uncertajnty due to governor and turbjne parameters varjatjon and 1oad djsturbance js reduced..Through the MATLAB sjmu1atjon experjments prove that by usjng PI-MPC contro1 strategy，the overa11 robustness of the c1osed-1oop system appeared，and the tradjtjona1 proportjona1 jntegra1（PI）compared superjorjty.