创新应用 | 考虑源-荷功率随机波动特性的双馈风力发电机一次频率平滑调节方法

祝贺该团队近期采用基于YXSPACE半实物仿真平台进行考虑源-荷功率随机波动特性的双馈风力发电机一次频率平滑调节方法验证，该成果成功发表于《中国电机工程学报》，引用格式如下：

 

崔森,颜湘武,王雅婷,李锐博,李铁成.考虑源-荷功率随机波动特性的双馈风力发电机一次频率平滑调节方法[J/OL].中国电机工程学报:1-12[2021-06-11].https://doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.201401.

 

研究主要内容：

 

常规超速减载控制下的双馈感应风电机组虽然可参与系统一次调频，但存在发电效益低、转速调节范围小等问题。故为提高系统频率品质，增强电网稳定性，本文综合考虑源-荷功率随机波动对系统频率产生的影响，提出双馈感应风电机组一次频率平滑调节控制策略。根据风电场一次大风气象周期的风电功率波动历史数据，研究了单台风电机组在不同时间尺度下风电功率波动对系统频率产生的影响，确定了最佳时间尺度下一次频率平滑调节所需储能装置的容量，并对其进行优化配置。最后通过仿真与实验表明本文所提控制策略的一次频率调节能力相较于常规一次调频控制具有明显提高，为双馈感应风力发电机的升级改造提供了新思路和新应用。

 

PART 01：基于源-荷功率随机波动的双馈风力发电机组频率平滑调节策略

 

1.1负荷扰动下的一次频率调节策略

 

本文充分发挥超速减载控制和MPPT模式的优势，在保证发电效益最大化的同时为DFIG提供了在负荷突减扰动下的一次频率调节能力。给定虚拟惯性控制附加功率ΔP1如式（1）所示：

 

（1）

               

给定下垂控制附加调节功率ΔP2如式（2）所示：

 

（2）

               

最终得到附加功率ΔP，如式（3）所示，实现变功率点跟踪控制。 

 

（3）

 

在负荷增加扰动下，由于风机运行在MPPT状态下无法提供备用容量，故配置超级电容储能系统参与一次调频。考虑到超级电容器的容量有限，为避免一直采用最大下垂系数放电，出现超级电容器荷电状态(SOC)越限问题，本文考虑在超级电容器SOC过低时动态调整虚拟惯性和虚拟下垂系数，以此来减小该储能装置的出力。不仅可有效避免储能装置过放问题，提高使用寿命，而且还可减少SOC越限时对电网系统所造成的不利影响。

 

图1 超级电容器单位调节功率与SOC的关系

 

本文将超级电容器SOC划分为3个区间，如图1所示，Km为双馈风力发电机组的下垂系数，设定最小值（QSOC_min）为0.1，适中值（QSOC_low）为0.5和最大值（QSOC_max）为0.9。值得注意的是以上取值并不是唯一的，取决于不同超级电容器型号的自身SOC特性，为了定量分析超级电容器SOC越限下的极限工况，本文将SOC的最小值设置为0.1。计及SOC反馈的超级电容器虚拟下垂控制系数Kscss(QSOC)分别为：

 

（4）

 

式中，Kscss为超级电容储能系统的自适应下垂系数。Km为下垂控制系数的最大值。为防止超级电容器SOC越限，其放电曲线特性由线性分段函数表示，可实现平滑出力的同时利于工程实际应用，当系统频率下降时，超级电容器输出功率如下式所示：

 

（5）

 

如图2所示为本文所提出的双馈感应风电机组所配置的储能示意图。

 

图2 DFIG的储能配置

 

1.2风速扰动下的频率平滑控制策略

 

在风电机组源侧风速波动下，单机系统的频率动态响应模型如图3所示。图3中ΔPm为机械功率；ΔPg为汽门偏差；ΔPL为负荷扰动；ΔPW为风电功率波动量；Tt为汽轮机时间常数；Tg为调速器时间常数；R为转速调节率；ΔPref为机组所需调频给定值。

 

图3 单机系统频率响应模型

 

假设系统机组出力以及负荷均不发生变化，即ΔPL、ΔPref均为0。由风电功率波动引起的系统频率偏差的系统传递函数可表述为：

 

（6）

 

式中，H和D分别为系统惯性常数和系统阻尼系数；G(s)=1/[ (1+sTg)(1+sTt)]，其中Tt、Tg分别表示汽轮机和调速器时间常数。

当风电功率波动ΔPW时，系统频率偏差如式（7）所示：

 

(7)

 

已知汽轮机时间常数Tt=0.5，调速器时间常数Tg=0.2，系统惯性常数H=5s，系统阻尼D=1，转速调节率R=0.05。通过由图4所示的一次大风气象周期（一周7天）某一天24h风电场内单台风电机组机端输出功率波动样本带入公式（7），得到图5所示的对应时间尺度下风电功率波动引起系统频率波动偏差曲线。

 

图4单台DFIG输出功率曲线

 

图5 单台风电机组风电功率波动对应频率波动曲线

 

由图5可知风电功率波动对系统频率产生了较大影响，故平滑因风电功率波动而产生的频率波动问题，提高单台风电机组的致稳性和抗扰性尤为重要，本文将在不同时间尺度下，通过实时采样系统频率，求取该时间尺度下的频率平均值作为一次调频时间内的频率平滑目标值，采用实时采样n点滚动平均算法制定能够平滑频率变化的平抑目标曲线。n即为不同时间尺度下采样点的数量。本文研究内容为双馈风力发电机组参与电网一次调频，考虑到《风电机组的试验方法》中指出其一次调频时间应不大于30s，故仅需研究短时间尺度内的风电功率波动引起频率波动规律，已知短时间尺度为分钟级（1min和10min），故平均频率采样的时间尺度选择在1min-10min之间。

 

通过实时采样n点滚动平均算法求取频率平滑目标值fave(t)为：

 

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

 

其中采样n点滚动平均算法下求得的平均频率波动值Δf(t)为下式：

 

Δf(t)=fwind(t)-fave(t)           （9）

 

已知通过分析单台风电机组频率响应模型得到此类机组的风电功率波动与系统频率之间的关系，通过根据公式（7），已知平均频率波动值Δf(t)求得对应的风电输出功率波动量ΔP(t)，通过实际风电机组输出功率P(t)与功率波动量ΔP(t)做差或求和得到风力发电机组输出参考功率Pref(t)。

 

1.3考虑源-荷功率同时波动下的一次频率平滑控制策略

 

综上所述，考虑源-荷功率波动下双馈风电机组一次频率调节平滑控制策略原理框图如图6所示。其中蓝色框图为双馈风力发电机组最大功率跟踪控制，绿色框图为风电机组变功率点跟踪控制，黄色框图为超级电容器控制。fN为额定频率，fs为负荷变化后对应的频率，fw为风电功率波动对应的频率，fave为相应时间尺度下的平均平滑频率。Kp和Kscss分别为风电机组变功率点跟踪控制与超级电容器储能装置的下垂控制系数。

 

图6 双馈感应风电机组的一次频率平滑控制原理框图

 

（1）根据《风电机组的试验方法》设定调频死区为|Δf|≤0.03Hz。为节约超级电容器容量，保证其使用寿命，并充分利用风电机组控制优势，惯量支撑功能则由双馈风电机组的变功率点跟踪控制实现。其一次频率平滑调节控制流程图如图7所示。

 

图7 源-荷功率随机波动的双馈感应风力发电机一次频率平滑调节流程图

 

（2）负荷与风速检测同时进行，当系统负荷减小ΔP1，风速增大ΔP2时（工况1），此时风力发电机组需要减小出力功率为（ΔP1+ΔP2），另外风电机组提供所需惯量支撑时需要减小输出功率ΔP5，如图8所示。以上均采用变功率点跟踪控制实现一次频率平滑调节。

 

图8 工况1下的一次频率平滑调节原理框图

 

（3）当负荷增加ΔP3，风速减小ΔP4时（工况6），如图9所示，此时风力发电机组需要增加输出功率（ΔP3+ΔP4），利用超级电容器通过网侧变流器向电网输出功率，根据公式（4）得到计及超级电容器SOC的自适应下垂控制系数Kscss。另外，风电机组的惯量支撑所需增加输出功率ΔP5则由变功率点跟踪控制实现。

 

图9 工况6下的一次频率平滑调节原理框图

 

（4）当负荷和风速同时减小或增大时，基于该策略控制下的双馈风电机组出力控制方式分为以下四种情况：

 

在负荷减小ΔP1，风速减小ΔP4的情况同时发生时，如图10所示，此时需要通过负荷减小时该风力发电机需要减小的功率ΔP1和风速减小时该风力发电机需要增加的功率ΔP4做差。当总功率ΔP小于0时（工况2），该机组通过采用变功率点跟踪控制实现一次调频与频率平滑控制技术;当功率ΔP大于0时（工况4），风电机组需要采用超级电容器控制。另外惯量支撑所需功率ΔP5均采用变功率点跟踪控制实现。

 

图10 工况2和工况4下的一次频率平滑调节原理框图

 

当负荷增加ΔP3，风速增加ΔP2时，如图11所示，此时通过负荷增加时风电机组需要增加的输出功率ΔP3和风速增加时风机需要减小的输出功率ΔP2做差。当总功率ΔP小于0时（工况3），采用变功率点跟踪控制；当功率ΔP大于0时（工况5），采用超级电容储能控制技术实现本文所提一次频率调节平滑控制。另外惯量支撑所需功率ΔP5均采用变功率点跟踪控制实现。

 

图11 工况3和工况5下的一次频率平滑调节原理框图

 

（5）综上所述，针对负荷与风速同时波动的不确定性，通过上述6种工况下进行控制分析，总体控制框图如图6所示，在工况1、2和3下双馈风电机组采用变功率点跟踪控制，在工况4、5和6下采用超级电容器控制，最后根据实际功率输出通过选择上述两种方式（开关7和8）实现风电机组在全工况下的一次频率调节平滑控制，提高风电机组发电效益的同时大大提升系统一次频率平滑调节效果。

 

PART 02：超级电容器的容量优化配置

 

通过探索某风电场一次大风气象周期内由于风电功率波动而引起系统并网点频率波动数据规律，优化配置储能系统的额定容量。已知根据风电功率波动引起频率偏差最大波动量配置的储能功率明显偏大，本文采用上述实时采样平均频率制定平滑频率波动的目标曲线，在考虑配置最优储能容量的情况下，为达到最好的频率平滑效果，分别以1min-10min为时间尺度求取该时间尺度下的频率平均值，将其作为一次调频时间内的平滑频率波动的目标。并采用概率统计法对图4所示的风电机组实际输出功率与不同时间尺度下平滑目标后风机输出功率所围成的各面积概率进行统计计算，即为储能装置的额定容量，若累计概率要求达到0.9以上，即可认为实现平滑目标，则当时间尺度选为5min时，所需储能容量为3.56MJ，而当时间尺度选为10min时，所需储能容量为3.82MJ。

 

由上述数据可知当选取时间尺度大于5min时，储能容量的选取相较于双馈风力发电机组额定容量来说相差不大，但如图12所示，时间尺度为10min下频率平滑（红色）效果明显优于时间尺度为5min下的频率平滑（黑色）结果。值得注意的是本文所提出的频率平滑控制策略是从源端风电功率波动入手，仅平滑的是由源端风电功率频繁波动所引起的系统频率抖动问题，而非风机并网后系统频率稳定在50Hz附近的数据曲线，但通过本文从源端功率波动特性所平滑系统频率，可大大减小了风电场内部或并网点变压器中低压侧的超过一次调频动作阈值的情形出现。

 

图12 不同时间尺度下频率平滑效果对比图

 

为进一步量化反映频率平滑效果，计算得到采用不同时间尺度下频率平均值作为该时间尺度下平滑频率目标后的频率波动偏差量(fwind(t+1)-fwind(t))的累计概率密度。以累计概率密度达到0.9为达到抑制该频率波动的目标值，则当时间尺度选为1min时，系统频率波动量达到0.04Hz以内占比为90%，同理在时间尺度为5min时，系统频率波动量减小至0.01Hz，在时间尺度选为10min时，系统频率波动量减小至0.005Hz，故时间尺度为10min下的频率波动量相比时间尺度1min的频率波动量减小87.5%，相比时间尺度为5min下的频率波动量减小50%。大大提高频率平滑效果。故相应配置的储能容量为3.82MJ。另外，本文根据中国电力科学研究院于2016年牵头制订的《风电机组虚拟同步机技术要求和试验方法》的相关规定计算得到的储能容量为4.5MJ。综上所述，本文研究的考虑源-荷功率随机波动性的风电机组一次频率调节平滑控制策略所需储能总容量为8.32MJ。

 

针对上述储能容量，需要合理配置超级电容模组并实现最优运行。其中，超级电容器内阻为R，放电功率为Pd，γ=Umin/Umax为电压比率，超级电容最高工作电压为Umax。

 

已知该超级电容储能装置放电效率为：

 

（10）

 

本文参考目前实际超级电容器规格，采用144V*55F的超级电容模组，得到为满足本文所提控制策略下超级电容器在不同串并联模式的电压和效率情况，如表1所示。

 

表1 超级电容器工作电压和效率

 

在考虑超级电容储能单元成本最低的情况下且放电效率相对较高，本文采用144V*55F超级电容器5串3并共15组，其最低工作电压Umin为27V，最高工作电压Umax为720V，其放电效率ηd=96.8%。

 

PART 03：仿真分析

 

本文根据MATLAB/Simulink仿真平台，构建了2机4区系统，对综合考虑源-荷功率随机波动性的双馈风力发电机组发电频率平滑调节方法进行仿真分析，仿真模型如图13所示。

 

图13 含双馈风电场的4机2区域系统

 

其中：G1、G2、G3均模拟为火电厂（容量均为900MW），且具备一次调频功能；G4为本文所研究的具有300台1.5MW双馈感应风电机组的风电场，其中每台风力发电机所配置的超级电容器组为33F，容量为8.32MJ。负荷Load1为880MW，Load2为950MW，Load3为随机波动负荷。

 

3.1 负荷随机波动时的仿真分析

 

为验证本文所提策略的有效性，本文将对MPPT模式、超速减载10%和本文所提策略进行对比研究。仿真在恒定风速10m/s且负荷随机波动的场景下进行，在20s时系统负荷突减180MW（该大扰动为此风电场300台双馈风电机组预留10%储能备用参与电网一次调频最大功率输出值），图14所示为负荷波动对应的频率偏差曲线。已知双馈风力发电机在最大功率跟踪控制下不参与系统一次调频，其稳态频率偏差为0.093Hz，而在超速减载10%的一次调频控制下，其稳态频率偏差减小为0.083Hz，但在基于本文提出的一次调频控制策略下稳态频率偏差为0.075Hz，其一次频率调节能力相比较于常规的DFIG超速减载一次调频控制策略提高了10%，提升效果显著，从而增强了风电机组的致稳性与抗扰性。

 

图14系统频率偏差

 

同样，在时间T为20s时，系统负荷突增100MW，系统频率偏差曲线如图15所示，双馈风力发电机在不参与一次调频的最大功率跟踪控制下稳态频率偏差为0.068Hz，在超速减载10%的调频控制下其稳态频率偏差减小为0.061Hz，而在本文提出的一次调频控制策略下其稳态频率偏差为0.056Hz，其频率调节能力相较于传统超速减载调频控制提高8.2%，提升系统致稳性和抗扰性。

 

图15  系统频率偏差

 

为方便分析本文所提出的计及SOC自适应下垂控制的优势，本工况下超级电容器初始SOC设置为100%，初始工作电压Usc为720V，由图16可知，在持续放电工况下，不考虑SOC状态的惯性与下垂自适应控制在时间t为60s时，SOC接近下限值为2%，其工作电压Usc也即将达到最低放电电压为87V。而本文所提方法的超级电容器SOC的维持效果较佳，相比上述控制的SOC提高18%，超级电容器电压响应也提高235V，可具备更多的容量参与系统一次调频。

 

（a）SOC变化量                               （b）工作电压变换量

图16 超级电容器参数值

 

3.2源-荷随机波动时的仿真分析

 

为进一步验证所提策略在源-荷同时波动场景下能有效平滑频率的特性，结合风电机组参与系统一次调频的具体时间要求，截取了其中该风电场单台风电机组一天内部分风速波动曲线，如图17（a）所示。负荷则设定为阶梯波动负荷如图17（b）所示。

 

  

(a) 随机波动风速                       (b) 阶梯波动负荷

图17 随机波动风速与负荷趋势图

 

首先为解决本文所提出的平滑风电功率波动而带来的频率波动问题，截取了如图4所示24h内的一段风功率波动引起频率波动变化曲线，将其相应数据带入至图13所示的四机两区域仿真模型中，得到有无本文所提频率平滑控制策略的系统频率波动对比图，如图18所示。

 

图18 平滑频率控制前后频率波动对比图

 

由图18可知，该段风功率波动所引起的系统频率偏差在-0.031Hz ~0.033Hz之间，当采用本文所提出的平滑频率控制策略后系统的频率偏差减小为-0.028Hz~0.031Hz，故最大频率偏差范围量相较于无平滑控制时可降低7.8%，大大改善了频率平滑效果，提升系统致稳性与抗扰性。

 

为进一步验证源-荷功率波动下本文所提出的一次频率平滑调节控制策略的优势，如图19所示为三种不同控制方式下双馈风电机组参与系统调频的系统频率变化图，其相应的风能利用系数、风电机组输出有功功率、桨距角变化和转子转速动态响应对比如图20所示。

 

图19 系统频率偏差

 

从图19可以看出，在源-荷同时波动情况下，DFIG在处于最大功率跟踪控制下，其频率偏差最大波动范围为-0.12Hz～0.095Hz；在超速减载10%的调频控制下，其频率偏差最大波动范围约减小为-0.11Hz～0.085Hz；而采用本文提出的一次频率调节平滑控制策略的频率偏差最大波动范围为-0.095Hz～0.073Hz；故在一次频率平滑调节的整个过程中，本文所提策略相较于超速减载控制的一次频率平滑调节能力提高了13.8%。

 

图20 源-荷波动下风电机组响应对比

 

由图20可知，本文所提控制策略相较于超速减载10%，在上述工况的整个运行过程中该DFIG平均输出有功功率提高25.6%，大大增加了风电机组的发电效益，且在此工况下，若采用超速减载控制，其桨距角频繁启动，调节时间占总时间的比例高达20%，而采用本文所提方法的转子转速调节范围广，无需进行桨距角调节。

 

PART 04：实验验证

 

本文的双馈式风力发电仿真平台（10kW/380V）主要由监测控制台、原动机调速变频器柜、双馈感应发电机转子侧和网侧变流器柜、超级电容器储能与控制柜（4组110V*7F超级电容器模组两串两并组成）、40kW双向电网模拟器柜以及15kW异步电动机和10kW双馈发电机组成。试验系统结构如图21所示。其中控制器采用YXSPACE-SP2000快速控制原型控制器（RCP），可将MATLAB-Simiulink下的控制算法转换成输入、输出开关控制量和输入、输出模拟调节量，完成实际硬件控制。

 

图21 双馈感应风力发电机实验系统

 

本文通过电网模拟器模拟系统电网频率大小波动情况来验证本文控制策略的有效性，由于电网模拟器设置方面的局限性，故本文将理想化设置其频率变化值，其频率值由50Hz分别变化±0.1Hz至±0.3Hz，如图22（a）所示。

 

(a)

 

(b)

 

(c)

 

(d)

 

(e)

 

图22 实验波形图

 

设定风速为8m/s，图22（b）所示为基于一次频率平滑调节控制的双馈风力发电机组由于响应电网侧的不同频率变化而采集的实际输出功率曲线。当时间T为35s时，电网频率下降0.1Hz，此时通过超级电容器经过网侧变流器向电网放电，当时间T为65s时，电网频率再次下降至0.2Hz，此时超级电容器放电功率增大。如图22（c）所示，在时间T为125s时，结束放电。当时间T为160s时，此时电网频率上升，双馈风力发电机通过转子转速增加，如图22（d）所示，使得风电机组输出功率降低，值得注意的是为增加超级电容器使用寿命，风机参与电网惯量支撑的能量由风电机组的变功率点跟踪控制实现。其直流母线电压如图22（e）所示稳定在300V，为超级电容器通过网侧变流器进行充/放电提供了良好的基础。

 

实验结果表明，本文所提双馈感应发电机组的频率调节控制策略得到了很好的实现。同时本文通过双馈感应发电机试验平台的搭建，完成了控制器算法策略的检验，为双馈风电机组的一次调频控制改造和升级提供了基础。

 

PART 05：总结

 

本文综合考虑源-荷波动情况，提出双馈风电机组的一次频率调节平滑控制策略，改善系统频率品质，提高了单台风电机组的致稳性和抗扰性，为其风机的改造升级提供了新思路和新应用。

 

1）结合某风电场一次大风气象周期内实际风电功率波动历史数据，得到单台风电机组在不同时间尺度下风电功率波动对系统频率波动特性影响，确定了风电场在分钟级时间尺度下的最优频率平滑目标，大大改善系统频率品质。

 

2）优化配置储能单元，在相对较低成本下设计出一套计及SOC自适应放电且放电效率高达96.8%的超级电容储能装置，为后期研究储能装置的优化配置提供了理论基础。

 

3）本文所提一次频率平滑调节方法相较于常规的超速减载调频控制，在发电效益提高的同时，其一次频率调节能力提高13.8%，且对比超速减载调频控制下的减载率越大，风能利用率越低的特性，更体现本文所提出控制策略的优越性。具体更详细研究内容请参考中国电机工程学报的网络首发论文以及咨询华北电力大学研究团队。