基于RT-LAB半實(shí)物仿真平臺(tái)的風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻實(shí)驗(yàn)方法研究

顏 寧，張冠鋒,2，滿林坤，馬少華，趙海川

（1. 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870；2. 國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司 電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110003；3. 國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司 經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110015）

國(guó)家能源局發(fā)布“十三五規(guī)劃”中指出：要大規(guī)模提高清潔能源并網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)電能替代[1]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(wind turbine, WT)作為分布式能源(distributed generation, DG)的典型代表，并網(wǎng)規(guī)模逐年提高[2]。為了提高WT并網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，WT應(yīng)具有快速響應(yīng)系統(tǒng)頻率特性。DFIG作為典型的機(jī)型，具有電網(wǎng)頻率與轉(zhuǎn)速、功率與電磁等解耦特性，但其頻率響應(yīng)速度不快，不能很好地平抑電網(wǎng)干擾加大給系統(tǒng)帶來的安全隱患問題[3-5]。

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外對(duì)風(fēng)電機(jī)組的調(diào)頻控制方法進(jìn)行分析可知，目前應(yīng)用最為廣泛的包括減載、慣性、下垂三種控制方式[6-7]。減載控制主要是保留的DFIG運(yùn)行過程中部分有功功率，作為備用調(diào)頻的手段，但存在減小風(fēng)能利用率、間接地提高發(fā)電成本等問題；慣性控制主要是將轉(zhuǎn)子的動(dòng)能作為備用調(diào)頻的手段，通過吸收或釋放來實(shí)現(xiàn)WT頻率控制，但轉(zhuǎn)子快速變化過程中會(huì)存在頻率二次變化的可能性；下垂控制主要是模擬同步發(fā)電機(jī)，通過調(diào)節(jié)差值來實(shí)現(xiàn)頻率控制[8]。

本文根據(jù)上述分析，考慮經(jīng)濟(jì)性及調(diào)控的準(zhǔn)確性，將慣性與下垂控制相結(jié)合，采用RT-LAB半實(shí)物仿真平臺(tái)搭建DFIG頻率響應(yīng)模型，驗(yàn)證下垂控制與虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相結(jié)合控制策略的有效性。通過基本理論研究、仿真分析、半實(shí)物仿真平臺(tái)驗(yàn)證等過程，使學(xué)生更為準(zhǔn)確地體會(huì)學(xué)科研究的重要理論及方法，為科研能力的提高奠定基礎(chǔ)[9]。

1 DFIG控制系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)

1.1 DFIG并網(wǎng)特性

DFIG采用轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的 PWM 系統(tǒng)與電網(wǎng)相連，具體如圖1所示[10]。圖中Q,Qref為機(jī)側(cè)網(wǎng)側(cè)無功功率實(shí)際值、參考值，Vrdref, Vrqref為機(jī)側(cè)dq同步坐標(biāo)系下的電壓參考值，Vgdref, Vgqref為網(wǎng)側(cè)dq同步坐標(biāo)系下的電壓參考值，Udc, Udcref為直流母線電壓實(shí)際值、參考值，ird為機(jī)側(cè)dq同步坐標(biāo)系下電流值。

圖1 DFIG并網(wǎng)特性示意圖

DFIG控制主要是采用網(wǎng)側(cè)變流器、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器動(dòng)態(tài)控制功率輸出[11-12]，電網(wǎng)頻率與轉(zhuǎn)子進(jìn)行解耦，實(shí)現(xiàn)定、轉(zhuǎn)子有功功率Ri_S, Ri_R與無功功率Qi_S, Qi_R解耦控制。通過控制電磁轉(zhuǎn)矩來保證轉(zhuǎn)子運(yùn)行在最大功率曲線特性范圍內(nèi)，具體等效電路如圖2所示。圖中Ri_S, Ri_R為定、轉(zhuǎn)子繞組電阻，Xm為電樞電抗，Xi_Sσ,Xi_Rσ為定轉(zhuǎn)子漏抗，為定、轉(zhuǎn)子繞組電壓，為電樞電壓，s為轉(zhuǎn)差率。

圖2 DFIG的等效電路

1.2 DFIG頻率響應(yīng)特性

當(dāng)大量DFIG接入后，整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量將減小，導(dǎo)致頻率響應(yīng)特性降低[13-14]，通常情況下一次調(diào)頻的持續(xù)時(shí)間在10～30 s，但DFIG具有快速響應(yīng)特性，一般持續(xù)時(shí)間在2～6 s，因此，可以根據(jù)不同控制目標(biāo)及策略快速響應(yīng)系統(tǒng)的頻率變化，若頻率偏差超過限值時(shí)，采用變槳系統(tǒng)改變DFIG的出力，使得頻率快速到達(dá)穩(wěn)定。

1）基于虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的控制模式。

DFIG在電網(wǎng)頻率fw發(fā)生突變的情況下，其特性與同步發(fā)電機(jī)組類似，當(dāng) fw降低時(shí)，DFIG運(yùn)行速度降低，將DFIG的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能；當(dāng)fw升高時(shí)，DFIG運(yùn)行速度提高，將DFIG的電能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，采用虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來控制 DFIG頻率特性，具體流程如圖 3所示。

為了使DFIG對(duì)電網(wǎng)提供有效的頻率支撐，需加入頻率支撐控制模塊，輸入的變量主要包括 fw，d軸的電壓Vi_Sd；并通過最大功率跟蹤裝置來修正有功功率輸出的參考值P*i_ref，輸入的變量主要包括轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωw，DFIG 有功功率 Pi_G，Pi_G為直流環(huán)節(jié)功率輸出Pi_DC與Pi_S之和。

圖3 基于虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的控制流程圖

2）基于虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與下垂的聯(lián)合控制模式。

虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與下垂聯(lián)合控制過程中，引入DFIG調(diào)頻系數(shù)Kp，將其定義為ΔPi變化標(biāo)幺值與 Δfi(f*i_ref-fw)變化標(biāo)幺值的比，通過調(diào)節(jié)Kp,ωw,β等，實(shí)現(xiàn)頻率的調(diào)節(jié)，調(diào)頻的控制策略及流程如圖4—5所示，圖中H為慣性常量，Td為阻尼系數(shù)，Cp(λ,β)為風(fēng)能利用系數(shù)。

圖4 DFIG調(diào)頻控制策略

圖5 DFIG調(diào)頻控制的流程圖

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建

RT-LAB半實(shí)物仿真平臺(tái)是將風(fēng)電機(jī)組等實(shí)驗(yàn)設(shè)備接入仿真計(jì)算機(jī)中[15]，通過模擬部分對(duì)象特性，并與連接的實(shí)驗(yàn)設(shè)備相結(jié)合，在上位機(jī)中對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行建模和仿真，有效實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、記錄及顯示實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果的功能。RT-LAB半實(shí)物仿真平臺(tái)具有采集信號(hào)響應(yīng)速度快、操作性強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)理論聯(lián)系實(shí)際的宗旨。具體的系統(tǒng)連接如圖6所示。

圖6 RT-LAB半實(shí)物仿真平臺(tái)基本組成結(jié)構(gòu)

2.1 DFIG一次調(diào)頻系統(tǒng)仿真模型建立

設(shè)計(jì)基于RT-LAB半實(shí)物仿真平臺(tái)對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行一次調(diào)頻控制實(shí)驗(yàn)。首先，通過RT-LAB搭建頻率響應(yīng)模型，部分子模型搭建示意如圖7—8所示，并設(shè)置仿真系統(tǒng)參數(shù)，主要包括風(fēng)速vw，跌落的頻率f，跌落的時(shí)間點(diǎn)t，仿真的步長(zhǎng)Δt，仿真需要分析DFIG在功率輸出較大情況下的一次頻響特性。

學(xué)生在進(jìn)行仿真分析時(shí)，主要仿真的內(nèi)容包括：

（1）當(dāng)電網(wǎng)瞬間產(chǎn)生頻率跌落時(shí)，DFIG產(chǎn)生的慣性響應(yīng)時(shí)間及對(duì)應(yīng)的功率；

（2）采用虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量控制時(shí)，DFIG瞬間可以補(bǔ)償?shù)摩i值；

（3）考慮f的持續(xù)性，下垂控制的功率補(bǔ)償值。

2.2 基于RT-LAB的DFIG一次調(diào)頻系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)步驟

在進(jìn)行DFIG一次調(diào)頻實(shí)驗(yàn)時(shí)，搭建RT-LAB半實(shí)物仿真平臺(tái)，物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要有 DFIG、IGBT、監(jiān)控臺(tái)、儲(chǔ)能裝置等。

為驗(yàn)證頻率調(diào)節(jié)的有效性，采集DFIG實(shí)際的U,I,ωw,β等數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)儲(chǔ)能裝置，模擬跌落的頻率f、跌落的時(shí)間點(diǎn)t等，與仿真數(shù)據(jù)設(shè)置保持一致。

學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，主要進(jìn)行的步驟包括：

（1）測(cè)試不同控制方法下DFIG的頻率響應(yīng)特性及功率輸出；

（2）測(cè)試?yán)碚撎峒暗念l率控制方法下DFIG功率輸出及補(bǔ)償功率值。

圖7 DFIG一次調(diào)頻仿真模型

圖8 DFIG一次調(diào)頻電網(wǎng)與頻率控制環(huán)節(jié)仿真模型

3 結(jié)語(yǔ)

高校的人才培養(yǎng)要理論結(jié)合實(shí)際、理論應(yīng)用實(shí)際。本文通過對(duì)DFIG一次調(diào)頻控制進(jìn)行理論創(chuàng)新，采用仿真分析方法驗(yàn)證控制策略的有效性；在此基礎(chǔ)上，通過風(fēng)電機(jī)組 DFIG與儲(chǔ)能裝置連接，模擬電網(wǎng)跌落時(shí)DFIG頻率響應(yīng)特性，為學(xué)生提供了理論—仿真—實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)體系，讓學(xué)生深刻地學(xué)習(xí)到以風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻為代表的、電力系統(tǒng)及自動(dòng)化學(xué)科理論及實(shí)踐的知識(shí)。

基于RT-LAB的控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有一定的擴(kuò)展性，通過實(shí)驗(yàn)與仿真相結(jié)合的方式分析不同被控對(duì)象的特性，有效地提高資源的利用率，為學(xué)生后續(xù)實(shí)驗(yàn)提供基本平臺(tái)，為電氣工程專業(yè)開展相關(guān)研究提供支撐。