雙時(shí)間尺度下風(fēng)電主導(dǎo)的微電網(wǎng)頻率控制方法

趙熙臨，吳 恒，付 波，查 冰，羅 維

（湖北工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430068）

0 引言

微電網(wǎng)能與大型電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也能進(jìn)行孤島運(yùn)行[1]。微電網(wǎng)的發(fā)展體現(xiàn)在大量分布式發(fā)電技術(shù)的靈活、高效應(yīng)用。這也意味著在系統(tǒng)調(diào)頻過程中，微電網(wǎng)須要各分布式電源盡量參 與 其 中[2]。

為追求風(fēng)能的最大化利用，傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)通常是在最大功率點(diǎn)追蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）方 式 下 運(yùn) 行，不 提 供 有 功 備 用[3]。然而，風(fēng)電機(jī)組里蘊(yùn)含著大量轉(zhuǎn)子動(dòng)能可參與到頻 率 波 動(dòng) 的 響 應(yīng)[4]，[5]，文 獻(xiàn)[6]根 據(jù) 頻 率 的 波 動(dòng) 在 短時(shí)間內(nèi)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，以釋放大量動(dòng)能達(dá)到發(fā)電側(cè)與負(fù)荷側(cè)之間的功率平衡。文獻(xiàn)[7]通過調(diào)整槳距角改變風(fēng)能利用系數(shù)，改變了雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組（Doubly Fed Induction Generator，DFIG）的 功 率輸出，從而進(jìn)行電力系統(tǒng)調(diào)頻。文獻(xiàn)[8]通過調(diào)整槳距角的方法使DFIG參與到傳統(tǒng)電網(wǎng)中，但調(diào)頻任務(wù)仍為傳統(tǒng)火電機(jī)組主導(dǎo)。文獻(xiàn)[9]提出了一種在高風(fēng)速段采用轉(zhuǎn)速和槳距角配合的二次調(diào)頻控制策略。

微電網(wǎng)中風(fēng)電的輸出根據(jù)負(fù)荷的需求進(jìn)行調(diào)整、控制，不存在最大化利用問題。文獻(xiàn)[10]提出了在風(fēng)、光、柴、微電網(wǎng)中將虛擬慣性與槳距角控制相結(jié)合的一次調(diào)頻方法，提升了微電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[11]考慮微電網(wǎng)特性，通過發(fā)揮風(fēng)電機(jī)組的調(diào)頻能力，來減輕同步發(fā)電機(jī)的調(diào)頻壓力。文獻(xiàn)[12]考慮到風(fēng)機(jī)參與虛擬慣性控制后，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速二次跌落的問題，通過加入儲(chǔ)能裝置和限定轉(zhuǎn)矩控制幫助轉(zhuǎn)子進(jìn)行轉(zhuǎn)速恢復(fù)，有效增強(qiáng)了微電網(wǎng)頻率的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力。文獻(xiàn)[13]通過控制風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和調(diào)節(jié)槳距角預(yù)留備用容量，實(shí)現(xiàn)了一定程度的棄風(fēng)，使風(fēng)電機(jī)組擁有了更大的調(diào)頻范圍。以上針對風(fēng)電參與微電網(wǎng)調(diào)頻的研究主要以一次調(diào)頻為主，無法消除頻率穩(wěn)態(tài)誤差，也沒有充分利用微電網(wǎng)中風(fēng)機(jī)槳距角的調(diào)整范圍來進(jìn)行風(fēng)電輸出較大幅度的控制。

本文以DFIG為例，根據(jù)風(fēng)機(jī)虛擬慣性與槳距角調(diào)整的互補(bǔ)性，在兩個(gè)時(shí)間尺度下對風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行輸出控制，即充分利用虛擬慣性調(diào)節(jié)的快速性滿足短時(shí)間尺度下的調(diào)頻速度需求，以平抑短時(shí)波動(dòng)；充分利用槳距角的調(diào)整范圍進(jìn)行輸出功率的較大幅度調(diào)整，以滿足負(fù)荷波動(dòng)產(chǎn)生的二次調(diào)頻需求。

1 電網(wǎng)調(diào)頻特性分析

典型的微電網(wǎng)調(diào)頻過程如圖1所示[14]。由圖1可知，當(dāng)頻率的波動(dòng)跨越過死區(qū)時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)一次調(diào)頻過程時(shí)間約為40 s，其中慣性參與時(shí)間約為15 s，一次調(diào)頻時(shí)間尺度為秒級。當(dāng)該過程結(jié)束后，若頻率仍未恢復(fù)到標(biāo)準(zhǔn)范圍以內(nèi)，且頻率偏差不滿足要求時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)行二次調(diào)頻，以消除頻率誤差，二次調(diào)頻時(shí)間尺度為分鐘級。

圖1 微電網(wǎng)調(diào)頻過程Fig.1 Frequency adjustment process in microgrid

2 風(fēng)電的輸出控制方法

風(fēng)機(jī)功率輸出取決于槳距角、風(fēng)速等變量，其空氣動(dòng)力學(xué)模型為[15]

式中：Pg為風(fēng)機(jī)所捕獲的機(jī)械功率；Cp為風(fēng)能利用系數(shù)；ρ為空氣密度；A為葉片的掃風(fēng)面積；V為風(fēng)速；β為槳距角；λ葉尖速比；ωt為風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速；R為葉片半徑。

2.1 風(fēng)機(jī)的虛擬慣性控制方法

虛擬慣性控制可在短時(shí)間內(nèi)釋放風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子里存儲(chǔ)的動(dòng)能，以平抑負(fù)荷的波動(dòng)。當(dāng)頻率發(fā)生變化時(shí)，風(fēng)機(jī)可釋放的功率為[10]

式中：H為發(fā)電機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)；ωr為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；f為系統(tǒng)頻率。

風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)位于MPPT曲線上。以9 m/s的風(fēng)速為例，此時(shí)風(fēng)機(jī)運(yùn)行于點(diǎn)A，對應(yīng)轉(zhuǎn)速為ωrA，當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生跌落時(shí)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)首先來到點(diǎn)B，隨后到達(dá)點(diǎn)C，此時(shí)轉(zhuǎn)速為 ωrC。在提取出動(dòng)能進(jìn)行響應(yīng)負(fù)荷波動(dòng)后，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速開始加速，逐漸恢復(fù)至 ωrA，風(fēng)機(jī)重新運(yùn)行到工作點(diǎn)A。同樣，如果電網(wǎng)中頻率增大，則風(fēng)機(jī)的有功功率基準(zhǔn)按照路徑A-D-E-A運(yùn)行，風(fēng)機(jī)虛擬慣性控制運(yùn)行曲線如圖2所示。

圖2 風(fēng)機(jī)虛擬慣性運(yùn)行曲線Fig.2 Operation curve of wind turbine in virtual inertia

2.2 風(fēng)機(jī)的變槳距角控制方法

調(diào)整風(fēng)機(jī)的槳距角可以改變風(fēng)機(jī)捕獲的機(jī)械功率。槳距角控制是利用風(fēng)機(jī)減載運(yùn)行，以留有一定的槳距角裕度，使風(fēng)機(jī)能通過調(diào)整槳距角來響應(yīng)負(fù)荷波動(dòng)的方法，如圖3所示。

圖3 風(fēng)機(jī)減載運(yùn)行曲線Fig.3 De-loading operation curve of wind turbine

當(dāng)槳距角響應(yīng)微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率變化的信號(hào)Δf后，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)從A點(diǎn)到B點(diǎn)，隨之風(fēng)機(jī)的輸出功率由PgA變?yōu)镻gB。

風(fēng)機(jī)通過調(diào)整槳距角參與二次調(diào)頻的控制如圖4所示。圖中：β0為初始預(yù)留的槳距角；風(fēng)機(jī)從外部引入 Δf，通過PI控制器對槳距角執(zhí)行器提供額外的槳距角信號(hào) Δβ，從而改變風(fēng)機(jī)輸出[16]～[18]。

圖4 槳距角控制框圖Fig.4 Control block diagram of pitch angle

3 風(fēng)機(jī)參與微電網(wǎng)頻率控制策略設(shè)計(jì)

3.1 雙時(shí)間尺度下風(fēng)電參與微電網(wǎng)調(diào)頻構(gòu)想

虛擬慣性控制響應(yīng)速度快，但維持時(shí)間短；槳距角控制涉及機(jī)械調(diào)整，投入時(shí)間較長[17]，[18]。這兩種風(fēng)機(jī)輸出的控制方式在時(shí)間尺度上正好與電網(wǎng)一、二次調(diào)頻特征契合，如圖5所示。

圖5 雙時(shí)間尺度風(fēng)電頻率控制示意圖Fig.5 Schematic diagram of dual time scale wind power frequency control

在風(fēng)機(jī)參與的微電網(wǎng)調(diào)頻中，可將負(fù)荷波動(dòng)事件按照發(fā)生時(shí)間的長短，區(qū)分為短時(shí)間尺度事件和長時(shí)間尺度事件，不同的時(shí)間尺度對應(yīng)風(fēng)機(jī)不同的頻率控制方式。①短時(shí)間尺度：在負(fù)荷波動(dòng)發(fā)生40 s內(nèi)。通過虛擬慣性控制進(jìn)行調(diào)頻，發(fā)揮其在短時(shí)間尺度上快速響應(yīng)的特性，以平抑負(fù)荷的短時(shí)波動(dòng)。②長時(shí)間尺度：在負(fù)荷波動(dòng)發(fā)生40 s后。通過槳距角控制進(jìn)行調(diào)頻，考慮其涉及到機(jī)械環(huán)節(jié)，所以響應(yīng)時(shí)間相對慣性而言較長，但其調(diào)頻范圍更大，并且能參與到二次調(diào)頻。組合使用二者在不同時(shí)間尺度的控制特性，可以有效提升系統(tǒng)調(diào)頻適應(yīng)能力。同時(shí)，考慮到當(dāng)負(fù)荷需求過大時(shí)，進(jìn)行槳距角與虛擬慣性相結(jié)合的風(fēng)機(jī)輸出控制方式可能仍無法滿足微電網(wǎng)負(fù)荷頻率的控制需求，此時(shí)，可啟動(dòng)柴油機(jī)參與到微電網(wǎng)的二次調(diào)頻過程中。

3.2 虛擬慣性與槳距角互補(bǔ)控制方法

虛擬慣性控制為響應(yīng)頻率的變化率，轉(zhuǎn)子可以在短時(shí)內(nèi)釋放大量的動(dòng)能，能有效延緩負(fù)荷突變時(shí)頻率達(dá)到最低值的時(shí)間，從而為微電網(wǎng)提供頻率支撐。然而，由于DFIG本身特性所致，在短暫的支撐之后，會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速二次跌落的現(xiàn)象，直至轉(zhuǎn)速完全恢復(fù)。在此時(shí)間內(nèi)，槳距角的調(diào)整將改變風(fēng)機(jī)捕獲的機(jī)械功率，釋放備用功率。這部分功率不僅注入微電網(wǎng)中進(jìn)行二次調(diào)頻，并且能將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速快速恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)。所以綜合了虛擬慣性控制和槳距角控制的微電網(wǎng)調(diào)頻方法，不僅有效解決了轉(zhuǎn)子在釋放動(dòng)能后的二次跌落問題，而且能減小動(dòng)態(tài)頻率偏差。

頻率控制流程圖如圖6所示。以風(fēng)光柴微電網(wǎng)系統(tǒng)為例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示[4]。

圖6 風(fēng)光柴微電網(wǎng)頻率控制流程圖Fig.6 Wind photovoltaic diesel microgrid frequency control flow diagram

圖7 風(fēng)光柴微電網(wǎng)頻率控制框圖Fig.7 Wind photovoltaic diesel microgrid frequency control block diagram

由圖6，7可知，光伏不參與微電網(wǎng)調(diào)頻，外界環(huán)境對其輸出功率的影響等效后疊加到負(fù)荷擾動(dòng) ΔPd中。風(fēng)機(jī)虛擬慣性控制將系統(tǒng)頻率變化率df/dt作為輸入變量，在短時(shí)間尺度上響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化。當(dāng)微電網(wǎng)受到負(fù)荷擾動(dòng)產(chǎn)生頻率變化時(shí)，DFIG的有功功率參考值隨之改變，有功功率通過速度控制器、機(jī)側(cè)換流器使電磁功率Tem變化，而這部分增加的電磁功率是來自釋放的轉(zhuǎn)子動(dòng)能。另一方面，DFIG從外部引入頻率偏差信號(hào)Δf到PI控制器，對槳距角執(zhí)行器提供額外的槳距角偏差信號(hào)Δβ，調(diào)整風(fēng)力輪機(jī)的葉片槳距角，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)跟蹤頻率變化改變風(fēng)機(jī)有功輸出的效果，在長時(shí)間尺度上完成二次調(diào)頻。當(dāng)槳距角已調(diào)整至0°（風(fēng)機(jī)滿額輸出）仍無法滿足負(fù)荷需求時(shí)，啟動(dòng)柴油機(jī)模塊，參與到微電網(wǎng)的二次調(diào)頻中。

4 仿真分析

仿真分析基于Matlab/Simulink搭建如圖8所示模型。將本文所提方案與純槳距角二次調(diào)頻、槳距角與虛擬慣性共同參加的一次調(diào)頻作對比，以驗(yàn)證所提方法的有效性。微電網(wǎng)包括柴油機(jī)、光伏電池和風(fēng)電機(jī)組等3種電源。風(fēng)機(jī)采用Vestas 5 MW雙饋感應(yīng)式發(fā)電機(jī)；柴油機(jī)組額定輸出功率2 MW；光伏最大輸出功率2 MW，風(fēng)速為10 m/s，預(yù)留槳距角為5°。

圖8 微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.8 Microgrid system schematic

風(fēng)機(jī)和柴油機(jī)參數(shù)分別見表1，2。

表1 風(fēng)機(jī)參數(shù)表Table 1 Wind turbine parameters

續(xù)表1

表2 柴油機(jī)參數(shù)表Table 2 Diesel parameters

（1）無柴油機(jī)參與微電網(wǎng)小負(fù)荷需求時(shí)

在微電網(wǎng)負(fù)荷需求較小時(shí)，風(fēng)、光功率輸出足以滿足負(fù)荷需求，此時(shí)，柴油機(jī)不參與微電網(wǎng)供能。負(fù)荷的隨機(jī)波動(dòng)大小如圖9所示。系統(tǒng)及風(fēng)機(jī)仿真結(jié)果如圖10～12所示。

圖9 微電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)Fig.9 Microgrid load fluctuations

圖10 微電網(wǎng)頻率變化圖Fig.10 Microgrid frequency change figure

圖11 槳距角變化圖Fig.11 Pitch angle change figure

圖12 風(fēng)機(jī)有功輸出變化曲線Fig.12 Active power output curve of wind turbine

由圖10可知，與單純的槳距角控制二次調(diào)頻相比，本文所提方案在負(fù)荷波動(dòng)初期頻率變化更平緩。這是由于所提方案在考慮短時(shí)間尺度下引入風(fēng)機(jī)慣性控制，對負(fù)荷波動(dòng)引起的頻率變化有了一個(gè)短期的支撐。相比虛擬慣性和槳距角在一次調(diào)頻的結(jié)合使用，本文所提方法消除了頻率穩(wěn)態(tài)上的誤差。由圖11可知，負(fù)荷發(fā)生波動(dòng)時(shí)刻，與虛擬慣性和槳距角在一次調(diào)頻的結(jié)合相比，本文所提方案在風(fēng)機(jī)槳距角和輸出功率的變化上更大，擴(kuò)大了風(fēng)機(jī)調(diào)頻范圍。與槳距角控制的二次調(diào)頻相比，本文所提方案的槳距角變化幅度略大，這是由于槳距角控制在長時(shí)間尺度上對風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子恢復(fù)提供的能量所導(dǎo)致。由圖12可知，由于轉(zhuǎn)子提取了大量動(dòng)能作為頻率支撐，風(fēng)機(jī)輸出功率在負(fù)荷需求變化瞬間有更大的變化。

（2）柴油機(jī)參與微電網(wǎng)大負(fù)荷需求時(shí)

當(dāng)微電網(wǎng)遭遇大負(fù)荷需求時(shí)，風(fēng)、光滿額輸出也無法滿足負(fù)荷需求，僅根據(jù)風(fēng)機(jī)的二次調(diào)頻已無法消除穩(wěn)態(tài)誤差，此時(shí)啟動(dòng)柴油機(jī)發(fā)電。假設(shè)當(dāng) 微 電 網(wǎng) 在300 s增 加0.2 p·u·的 負(fù) 荷，頻 率 響應(yīng)曲線如圖13所示。風(fēng)機(jī)仿真結(jié)果如圖14，15所示。

圖13 微電網(wǎng)頻率變化圖Fig.13 Microgrid frequency change figure

圖14 槳距角變化圖Fig.14 Pitch angle change figure

圖15 風(fēng)機(jī)有功輸出變化曲線Fig.15 Active power output curve of wind turbine

由圖13，14可知，當(dāng)負(fù)荷需求增長較大時(shí)，本文所提方法相比虛擬慣性和槳距角結(jié)合的一次調(diào)頻，頻率穩(wěn)態(tài)誤差偏差更小，槳距角的調(diào)整幅度更大，風(fēng)機(jī)的輸出功率也更高，最大程度地利用了風(fēng)電參與到調(diào)頻中。由圖13，15可見，與純槳距角二次調(diào)頻相比，本文方案的動(dòng)態(tài)頻率偏差更小，風(fēng)機(jī)功率輸出在負(fù)荷需求發(fā)生的瞬間就得到了迅速提升。由于風(fēng)機(jī)已達(dá)到該風(fēng)速下的最大輸出，穩(wěn)態(tài)誤差仍然存在，柴油機(jī)隨后在約400 s處啟動(dòng)，參與到微電網(wǎng)的二次調(diào)頻，以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。

5 結(jié)論

針對分布式發(fā)電單元在微電網(wǎng)調(diào)頻中的參與問題，本文提出了一種雙時(shí)間尺度下風(fēng)電主導(dǎo)的微電網(wǎng)負(fù)荷頻率控制方法，通過理論分析與仿真驗(yàn)證，得出如下結(jié)論。

①采用風(fēng)電虛擬慣性與槳距角控制相結(jié)合的方法，即虛擬慣性參與電網(wǎng)一次調(diào)頻，槳距角控制參與電網(wǎng)二次調(diào)頻，能夠使風(fēng)電輸出控制特性在時(shí)間尺度上與電網(wǎng)一次、二次調(diào)頻特性相契合。

②當(dāng)風(fēng)、光的功率輸出滿足負(fù)荷需求，所提方法不僅能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)頻率偏差，而且在短時(shí)間尺度內(nèi)加入虛擬慣性使微電網(wǎng)獲得更好地控制動(dòng)態(tài)頻率偏差。

③當(dāng)風(fēng)、光的功率輸出不能滿足負(fù)荷需求，須要柴油機(jī)參與時(shí)，本文所提方法可以使風(fēng)機(jī)最大限度地參與調(diào)頻，并減少微電網(wǎng)動(dòng)態(tài)頻率偏差。