雙饋風(fēng)電機(jī)組控制參數(shù)協(xié)調(diào)優(yōu)化方法

南京河海南自水電自動(dòng)化有限公司 倪維東

國電南京自動(dòng)化股份有限公司 王云濤

雙饋風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行控制較復(fù)雜，涉網(wǎng)性能是否良好取決于變流器的調(diào)節(jié)性能。風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，機(jī)側(cè)電壓易發(fā)生跳變，容易引發(fā)短路故障，對(duì)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行和故障診斷造成一定程度的負(fù)面影響；根據(jù)雙饋風(fēng)電機(jī)組解耦性特點(diǎn)，運(yùn)行速率快，電氣部分的耦合性變?nèi)?，?dǎo)致雙饋風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行頻率與功能特性受到影響而發(fā)生變化。相關(guān)研究學(xué)者開展了研究工作，例如，通過靈敏度方法分析雙饋風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性，分析雙饋風(fēng)電機(jī)組動(dòng)態(tài)特性與短路比的關(guān)系，以提高其運(yùn)行功率；但是，目前對(duì)于控制參數(shù)協(xié)調(diào)優(yōu)化方面的研究成果較少。為了使風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定并網(wǎng)發(fā)電，提出了雙饋風(fēng)電機(jī)組控制參數(shù)協(xié)調(diào)優(yōu)化方法，構(gòu)建雙饋感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型，對(duì)機(jī)組的控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，促進(jìn)風(fēng)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。最后通過仿真模型，驗(yàn)證所提控制參數(shù)協(xié)調(diào)優(yōu)化方法的有效性。

1 雙饋風(fēng)電機(jī)組涉網(wǎng)控制參數(shù)協(xié)調(diào)優(yōu)化方法設(shè)計(jì)

1.1 構(gòu)建雙饋感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

雙饋風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)由雙饋發(fā)電機(jī)、變流器等構(gòu)成。雙饋發(fā)電機(jī)繞組具有對(duì)稱性，其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率、電機(jī)的電荷極對(duì)數(shù)的關(guān)系表達(dá)式為：

其中，f1指的是電網(wǎng)運(yùn)行頻率；p指的是電機(jī)的電荷極對(duì)數(shù)；n1指的是變流器轉(zhuǎn)子運(yùn)行轉(zhuǎn)速，風(fēng)電機(jī)組中轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的磁場根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化而改變。

根據(jù)上述關(guān)系表達(dá)式，本文構(gòu)建雙饋發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。首先，作如下假定：（1）只考慮定轉(zhuǎn)子的基波分量，忽略諧波分量；（2）只考慮定轉(zhuǎn)子空間磁勢基波分量；（3）忽略磁滯、渦流、鐵耗；其次、發(fā)電機(jī)定子側(cè)電壓電流的正方向按發(fā)電機(jī)慣例，轉(zhuǎn)子側(cè)電壓電流的正方向按電動(dòng)機(jī)慣例，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)向相反為正，參考異步電機(jī)的分析方案，可得雙饋發(fā)電機(jī)的等效電路圖，如圖1所示。

圖1 雙饋發(fā)電機(jī)的等效電路圖

通過控制轉(zhuǎn)子電流I2無功分量來控制定子電流I1無功分量，實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)的無功功率。通過控制轉(zhuǎn)子電流I2有功分量來控制定子電流I1有功分量，參與控制電機(jī)有功功率。

當(dāng)雙饋風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)差率可知機(jī)組的轉(zhuǎn)差功率，由此可知雙饋發(fā)電機(jī)運(yùn)行模式處于亞同步、同步或超同步狀態(tài)，變流器隨之切換運(yùn)行模式，獲取到雙饋風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。

1.2 計(jì)算VSG控制參數(shù)取值范圍

為保證系統(tǒng)的整體性能，根據(jù)上述構(gòu)建的雙饋感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型，基于風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行安全性與穩(wěn)定性，對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組的VSG控制參數(shù)取值區(qū)間進(jìn)行計(jì)算。

利用雙饋風(fēng)電機(jī)組與同步發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子能量守恒及雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子運(yùn)行安全性，將轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換到同步轉(zhuǎn)速下，對(duì)控制參數(shù)k的計(jì)算公式為：

其中，wrn代表雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子的基準(zhǔn)值；ws0代表同步頻率初值；wr0代表變流器轉(zhuǎn)子的功角初始值；H代表風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)間；設(shè)定H=7.25s，wrn=1.45we。在雙饋風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中，這2個(gè)變量對(duì)于系統(tǒng)控制參數(shù)和功率動(dòng)態(tài)過程的改善具有同樣重要的意義。

1.3 改進(jìn)雙饋風(fēng)電機(jī)組振蕩頻率

為獲取雙饋風(fēng)電機(jī)組振蕩模式的特征，將獲取到的幅值、頻率、數(shù)據(jù)進(jìn)行離散化處理，使擬合數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)相接近。采用最小二乘法求解風(fēng)電機(jī)組振蕩波形的振幅，提高轉(zhuǎn)子對(duì)低頻振蕩模式的識(shí)別。雙饋風(fēng)電機(jī)組的振蕩模式包括轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、頻率、振幅對(duì)運(yùn)行特性的影響，低頻振蕩模式越明顯，對(duì)控制參數(shù)的影響越大。

1.4 控制參數(shù)協(xié)調(diào)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

根據(jù)上述計(jì)算獲取到的VSG控制參數(shù)的取值范圍，將雙饋風(fēng)電機(jī)組的控制參數(shù)協(xié)調(diào)優(yōu)化為目標(biāo)函數(shù)。風(fēng)電機(jī)組的虛擬慣量能夠反映系統(tǒng)阻尼頻率變化的能力，較大的系統(tǒng)慣量給風(fēng)電機(jī)組提供更好的幫助去實(shí)現(xiàn)功再平衡。通過增大風(fēng)電機(jī)組的虛擬慣量和虛擬阻尼控制參數(shù)的變化，最終實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)協(xié)調(diào)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的目的。

VSG虛擬慣量和虛擬阻尼參數(shù)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)為：

式中，Δfmax表示風(fēng)電機(jī)組頻率偏差最大值函數(shù)；Δξmax表示振蕩模式阻尼偏差最小值目標(biāo)函數(shù)；ad表示阻尼權(quán)重常量；aj表示變流器慣量控制常量，主要用于調(diào)節(jié)控制振蕩振幅；i表示風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行方式數(shù)量。正常運(yùn)行時(shí)雙饋風(fēng)電機(jī)組不提供任何動(dòng)能，如果雙饋風(fēng)電機(jī)組的有效動(dòng)能下降，將使得雙饋風(fēng)電機(jī)組的虛擬慣量發(fā)生變化，因此，如果不采取必要的措施，大規(guī)模雙饋風(fēng)電機(jī)組接入電力系統(tǒng)將影響頻率穩(wěn)定性。

通過改變風(fēng)電機(jī)組的虛擬慣量和虛擬阻尼參數(shù)，將控制參數(shù)協(xié)調(diào)優(yōu)化為目標(biāo)函數(shù)，達(dá)到提高雙饋風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定性的目的。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本文實(shí)驗(yàn)以某地區(qū)雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)為研究對(duì)象，采用PSCAD仿真軟件搭建雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)模型，頻率為50Hz，采用雙饋風(fēng)電場運(yùn)行方式，將負(fù)荷為500MW全部投入到雙饋風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行中，輸電線路靠近電流的負(fù)荷端，運(yùn)行功率加大出現(xiàn)三相故障，在運(yùn)行時(shí)間0.35s后切除故障線路，其他條件不變，根據(jù)不同雙饋風(fēng)電機(jī)組故障控制的特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。故障期間雙饋風(fēng)電機(jī)組以不同有功功率控制時(shí)，出現(xiàn)低頻振動(dòng)模式運(yùn)行，控制參數(shù)不變，將雙饋風(fēng)電機(jī)組出力有功功率的變化曲線繪制成圖2所示。

圖2 雙饋風(fēng)電場低頻振動(dòng)下有功出力變化

根據(jù)圖2可知，當(dāng)雙饋風(fēng)電機(jī)組控制參數(shù)不變時(shí)，風(fēng)電場輸出的有功功率增大，同步發(fā)電機(jī)功角擺幅相應(yīng)增加。根據(jù)公式（3），將控制參數(shù)協(xié)調(diào)優(yōu)化為目標(biāo)函數(shù)時(shí)，雙饋風(fēng)電機(jī)組采用無功功率控制，其低頻振動(dòng)模式發(fā)生變化，輸出的無功功率降低，發(fā)電機(jī)功角擺幅隨之減小。

2.2 結(jié)果分析

將本文提出的雙饋風(fēng)電機(jī)組控制參數(shù)協(xié)調(diào)優(yōu)化方法與傳統(tǒng)方法進(jìn)行對(duì)比，傳統(tǒng)方法不包含雙饋風(fēng)電場的互聯(lián)電力系統(tǒng)虛擬慣量與虛擬阻尼協(xié)調(diào)控制。風(fēng)電機(jī)組在不同轉(zhuǎn)速運(yùn)行下，兩種方法的風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行出現(xiàn)三相故障概率如表1所示。

表1 兩種方法在不同轉(zhuǎn)速下三相故障概率對(duì)比

根據(jù)表1可知，雙饋風(fēng)電機(jī)組在不同轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，本文提出的控制參數(shù)協(xié)調(diào)優(yōu)化方法能夠有效降低運(yùn)行過程中出現(xiàn)三相故障的概率，出現(xiàn)故障概率較傳統(tǒng)方法存在較大差異，在轉(zhuǎn)速4情況下，兩種方法的故障概率差值最大，相差7.01%。因此，本文提出的雙饋風(fēng)電機(jī)組控制參數(shù)協(xié)調(diào)優(yōu)化方法能夠降低故障概率，保障風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行安全。這是因?yàn)楸疚姆椒?gòu)建感應(yīng)器數(shù)學(xué)模型，解決振蕩信號(hào)的低頻振蕩模式問題，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制參數(shù)的協(xié)調(diào)優(yōu)化，保證系統(tǒng)的整體性能。

結(jié)束語：本文圍繞雙饋風(fēng)電機(jī)組整體控制問題，針對(duì)機(jī)組構(gòu)建感應(yīng)器數(shù)學(xué)模型、計(jì)算VSG控制參數(shù)的取值范圍、改進(jìn)雙饋風(fēng)電機(jī)組振蕩頻率、將控制參數(shù)協(xié)調(diào)優(yōu)化為目標(biāo)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)提高雙饋風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的安全性，降低運(yùn)行中三相故障的發(fā)生。且虛擬慣量和虛擬阻尼的引進(jìn)，有利于完善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，緩解同步機(jī)的調(diào)頻壓力以及起到電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的作用，通過其協(xié)調(diào)控制，增強(qiáng)雙饋風(fēng)電機(jī)組的安全性和穩(wěn)定性。通過實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的協(xié)調(diào)優(yōu)化方法較傳統(tǒng)方法相比，對(duì)提高風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的安全性存在較大優(yōu)勢，能夠減少運(yùn)行中出現(xiàn)故障，有利于雙饋風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。