DFIG在微电网中的电压频率协调控制策略

赵晶晶, 徐成斯, 洪婉莎, 徐传琳

(上海电力学院 电气工程学院, 上海 200090)

DFIG在微电网中的电压频率协调控制策略

赵晶晶, 徐成斯, 洪婉莎, 徐传琳

(上海电力学院 电气工程学院, 上海 200090)

为了抑制双馈异步风力发电机(DFIG)因自身有功输出波动导致的微电网电压频率波动,提高其对微电网孤岛运行下电压频率支撑的能力,研究分析了DFIG有功虚拟惯量控制以及定子侧无功功率极限,提出了一种基于f-P和V-Q下垂控制的DFIG电压频率协调控制策略.在DFIG V-Q下垂控制中引入逻辑积分环节,在不额外使用补偿装置下有效抑制电压频率的持续波动,并且在微电网电压频率跌落时,能够与其他采用下垂控制的分布式电源(DG)构成对等控制策略,共同为微电网提供电压频率支撑.最后在DIgSILENT仿真软件中搭建了微电网模型,仿真结果验证了控制策略的有效性.

微电网; 双馈异步风力发电机; 对等控制; 频率控制; 电压控制; 下垂控制

微电网并网运行时,微电网电压频率由外部大电网提供支撑;微电网孤岛运行时,微电网电压频率稳定由其内部分布式电源(Distributed Generator,DG)控制来实现.因此,DG在微电网中的频率电压控制受到了广泛的关注[1-3].

传统风电机组通常采用最大功率追踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)控制,运行在单位功率因数下,所以无法为微电网提供频率电压支撑[4].由于双馈异步风力发电机(Doubly-fed Induction Generator,DFIG)具有变速恒频、PQ解耦控制特性,使其参与微电网频率电压调整成为可能.文献[5]和文献[6]提出了DFIG虚拟惯量控制,当微电网频率发生突变时,通过释放DFIG转子动能增加有功输出参与调频.文献[7]至文献[11]提出比例下垂控制与减载控制,使得DFIG正常工作时处于次MPPT运行状态,留有一定的功率备用参与频率一次调节.文献[9]通过分析不同风速下DFIG的有功控制参数,提出了可变系数的DFIG有功综合控制,与柴油机一次调频进行配合来抑制负荷波动及风速变化引起的微电网频率变化,但在微电网孤岛运行下仅由柴油机进行电压调节,忽略了DFIG定子侧的无功发生能力.对此,一些研究者提出利用DFIG的转子侧换流器(Rotor-Side Converter,RSC)和网侧换流器(Grid-Side Converter,GSC)的无功补偿能力参与系统调压的控制策略.文献[12]至文献[15]推导了DFIG的RSC和GSC的无功功率极限;文献[13]在DFIG的RSC和GSC控制策略中的Q-V下垂控制中引入PI响应环节,使DFIG具有了参与系统调压的能力,但不适用于大型风电场的恒电压控制.文献[16]中DFIG的RSC采用Q-V下垂控制,同时引入P-Q下垂控制环节,以抑制变风速下DFIG有功变化引起的出口端电压波动问题.文献[17]提出了DFIG实时无功功率极限的变系数Q-V下垂控制,充分利用DFIG的无功发生能力,但变下垂系数容易造成各DG间的无功功率分配问题,易导致各节点电压的波动.

本文提出了变风速下DFIG在微电网中的电压频率协调控制策略,DFIG风电机组与柴油机根据下垂控制共同为微电网提供电压频率支撑,构成微电网的对等控制.DFIG有功控制以虚拟惯量控制与超速减载控制相结合.DFIG无功控制基于传统V-Q下垂控制,同时考虑DFIG实时风速下其有功输出变化引起的风机出口端电压的波动,在V-Q下垂控制中引入逻辑积分环节,当判断电压持续波动时,积分环节工作抑制波动;而当判断微电网存在电压跌落时,则保持V-Q下垂控制,并与其他DG构成微电网对等控制.同时通过计算不同风速下DFIG有功功率对应的无功功率极限,对下垂控制与积分环进行限幅,构成DFIG的无功电压控制.最后,在DIgSILENT仿真软件中进行仿真分析,以验证控制策略的有效性.

1 DFIG控制策略

1.1 DFIG有功控制

本文的DFIG有功控制采用虚拟惯量控制和引入超速减载的f-P下垂控制.有功控制能够响应频率变化,产生相应的有功补偿量.总的有功补偿量由虚拟惯量环节和f-P下垂环节获得,即:

(1)

式中:kp——下垂系数;

kd——虚拟惯量系数.

通常kp为事先设定的常数.式(1)中,等号右侧前半部分为虚拟惯量环节,其有功补偿量通过系数kd正比于系统频率变化率;后半部分为f-P下垂环节,其有功补偿量通过下垂系数kp正比于频率变化量.

频率控制框图如图1所示.

注:f0—率基准值;fmeas—频率测量值;ω—风机转速;Pref—有功输出参考值.

图1频率控制示意

图1中的超速减载环节使得DFIG运行在次MPPT曲线,保证了DFIG具有一定的有功备用,可使其f-P下垂控制能够长时间地为微电网提供频率支撑.

减载运行下的有功参考值的计算式为:

(2)

式中:K%——减载率;

Popt——MPPT运行下的DFIG有功参考值.

1.2 DFIG无功控制

考虑到DFIG网侧换流器的容量较小[12],因此本文只考虑DFIG定子侧的无功功率,并通过其RSC进行控制,参与微电网的电压支撑.

由于风速通常分布于中低风速区间,故DFIG风电机组的有功输出通常低于额定功率,其定子侧具有较大的无功发生能力[13].忽略定子电阻,可得定子侧无功功率极限为:

(3)

式中:Ps——定子侧有功功率;

Qsmax,Qsmin——定子侧无功最大和最小值;

Us——定子电压;

Xs,Xm——定子电抗和激磁电抗;

Irmax——最大转子电流.

在DIFG控制中加入V-Q下垂环节,使得DFIG具有为系统提供电压支撑的能力.然而在变风速条件下,考虑DFIG的有功输出变化将导致微电网电压的波动,而V-Q下垂控制因其有差调节特性无法获得较好的抑制效果,因此本文引入一个电压积分逻辑环节来抑制电压的持续波动.

当控制环节判断电压存在持续波动时,逻辑积分环节动作与V-Q下垂共同作用来抑制电压波动;而在电压跌落时,则通过V-Q下垂控制与其他微电网内的DG构成对等控制,共同参与调压.无功控制框图如图2所示.

注:U0,Q0—电压、无功基准值;Umeas—电压测量值;Qref—无功输出参考值.

图2RSC无功控制示意

f积分环节为引入的逻辑积分环节,其动作条件为:

(4)

式中:ΔUf——积分环节的动作电压阈值;

ΔU——电压变化量;

ΔQf——f环节的无功补偿量.

当检测点测得的ΔU小于ΔUf时,积分环节输出相应的补偿量ΔQf,与V-Q下垂控制共同作用,以此响应电压波动变化并对其进行抑制;当测得的ΔU大于ΔUf时,输出为零,此时控制转化为V-Q下垂控制,使得DFIG与其余同样采用下垂控制的DG构成微电网的对等控制.

1.3 DFIG电压频率协调控制策略

结合DFIG有功和无功控制,提出了DFIG在微电网中的电压频率协调控制,主要是针对DFIG的RSC控制修改,其GSC控制保持不变.DFIG的有功和无功协调控制如图3所示.

图3 电压频率协调控制

DFIG通过超速减载下的虚拟惯量、f-P和V-Q下垂控制进行功率补偿,同时电压控制根据式(4),通过f积分环节抑制DFIG有功变化导致的电压持续波动.而DFIG通过Pref进行RSC侧的无功功率极限计算,对其V-Q下垂控制环节因电压变化量所产生的无功变化量进行限幅.这样既能保证DFIG具有良好的有功调频能力,又能充分发挥DFIG定子侧的无功功率,使其同时参与微电网的调频调压.

本文中微电网稳定运行下的DFIG参考风速为10 m/s,因此设置此时无功输出量为无功初始值Q0.根据国家电压质量标准中要求10 kV及以下电力系统电压波动应控制在2.5%,因此本文设ΔUf=0.025 p.u..微电网中DFIG与柴油发电机下垂控制中下垂控制系数的整定原则为:

(5)

(6)

P1,Q1——DFIG风电机组的有功和无功一次备用容量;

P2,Q2——柴油机的有功和无功一次备用容量;

kp1,kq1——DFIG风电机组的频率和电压下垂系数;

kp2,kq2——柴油机的频率和电压下垂系数.

DFIG f-P下垂控制系数的整定原则为:f-P下垂控制系数按照10 m/s风速下的10%有功输出作为备用进行整定,通过限幅环节保证其有功输出在额定功率范围内.DFIG V-Q下垂控制系数的整定原则为:V-Q下垂控制系数同样以10 m/s风速下的无功功率极限进行整定,通过限幅环节保证其无功输出在无功极限范围内.

2 仿真结果与分析

2.1 仿真模型

在DIgSILENT软件中搭建了如图4所示的中压微电网模型.微电网由柴油机、光伏电源和DFIG风电机组组成,光伏电池由电压源和PWM变流器代替.柴油机由同步发电机代替.微电网配置参数如下:柴油发电机的额定功率为16 MW,额定线电压为10 kV;DFIG的额定功率为5 MW,额定电压为0.69/1.15/3.3 kV;光伏微源DC-AC变流器容量为3 MW,额定功率为2 MW,额定电压为0.4 kV.

图4 微电网结构示意

光伏电池采用PQ控制,假定温度与光照恒定,有功出力为2MW;负荷采用恒功率负荷模型;柴油发电机采用f-P和V-Q下垂控制,参与微电网调频与调压;DFIG采用变风速模型,其风速变化曲线如图5所示.控制策略为本文提出的电压频率协调控制,与柴油机配合共同为微电网提供电压频率支撑.

通过式(5)和式(6)计算得到的DFIG和柴油发电机下垂控制系数如表1所示.

图5 风速变化曲线

微电源参 数柴油发电机kp=0．025，kq=0．1DFIGkp=0．1，kq=0．067，ti=0．25，Q0=0

2.2 负荷功率阶跃

微电网正常运行时,光伏电池采用PQ恒功率控制,不参与调频调压;柴油机则采用V-Q和f-P的下垂控制;DFIG采用变风速模型,并在微电网PCC节点20 s时增加负荷1 MW+1.5 MW模拟负荷变化.在DFIG采用不同控制策略下,对微电网相关参数变化进行对比,具体如图6所示.

由图6可知,在DFIG有功输出和负荷变化的共同作用下,微电网内频率电压产生波动.当DFIG处于MPPT运行状态下,微电网PCC节点和DFIG出口电压存在持续波动,在20 s负荷增加后,频率电压偏移增大,仅通过柴油机进行频率电压支撑效果并不理想;当采用本文提出的电压频率协调控制时,即图6c中,DFIG能够快速响应微电网的电压频率变化,当检测到频率过低时,DFIG通过减速释放转子超速运行下的旋转动能,使其能长时间地增加有功输出参与微电网电压频率调节.由图6a可以看出,微电网频率偏移得到了明显的支撑,频率最低值由49.67 Hz提升至49.8 Hz,变化范围被抑制在0.2 Hz内.由图6d可以看出,采用频率电压协调控制下的DFIG相比无控制下的无功输出有了显著的增加,能够快速响应电压波动,生成相应的无功补偿量.图6b采用传统V-Q下垂控制,由于是有差调节,因此对于小幅电压波动的抑制效果有限,而采用电压频率协调控制下的PCC电压得到了有效的支撑,电压波动被抑制,整个电压波动范围由 0.3 kV减小至 0.1 kV.微电网中,柴油机采用f-P和V-Q的下垂控制,能够根据DFIG的功率变化以及设定的下垂系数,调节其自身的功率输出以维持微电网电压频率的稳定.而且电压频率协调控制下的DFIG具有有功、无功调节能力,能够就地提供电压频率支撑,避免了柴油机的远距离功率输送,减小了其功率输出(如图6e和图6f所示),为微电网内的电压稳定提供了条件.

图6 不同控制下微电网参数变化

由图6g可以看出,在采用协调控制下DFIG会相应随频率变化产生有功输出补偿量,相比仅采用电压控制情况下对微电网电压波动同样会有一定的改善.由于抑制电压波动需要的无功补偿量较小,因此均在DFIG的无功功率极限范围内.

2.3 PCC节点电压跌落

在20 s时通过PCC节点增加8 MW无功负荷模拟PCC节点故障,使微电网产生电压跌落,DFIG不同控制策略下,微电网内各类参数以及其余DG的输出功率变化如图7所示.

图7 不同控制下微电网参数变化

图7中,在20 s时且在DFIG无控制下,仅由柴油发电机提供微电网电压支撑,PCC节点故障导致微电网电压跌落,电网电压跌幅超过7%,PCC和DFIG端电压均下降至0.89 p.u.,且电压恢复稳定的时间较长;当DFIG仅采用电压频率综合控制时,由DFIG的无功侧控制检测电压变化范围,由先前电压波动抑制转换成仅V-Q下垂控制,与柴油机构成微电网的对等控制,共同提供电压支撑,微电网电压能够快速恢复稳定,且最大变化被控制在5%左右.由图7c可以看出,当DFIG采用电压频率协调控制时,其无功增量在20～22 s达到无功功率极限,被限制在3.5 MW左右,相比无减载备用情况下有更多的无功备用来为微电网提供电压支撑,而MPPT运行下的DFIG则无法发挥其无功备用提供电压支撑的能力.相应的,由图7d可以看出,电压频率协调控制由于采用减载运行,其无功功率极限均大于其他传统控制;图7e中柴油机的无功输出相应减小,而微电网的电压得到了更有效的支撑.

3 结 语

本文研究分析了DFIG的虚拟惯量控制与下垂控制方法,提出了DFIG的电压频率协调控制策略.仿真结果表明,在微电网孤岛运行下,DFIG能够抑制变风速下自身有功功率波动导致的微电网电压频率波动,同时能通过微电网运行状况自动切换电压控制,通过f-P和V-Q下垂控制与柴油机构成微电网的对等控制,共同为微电网提供长时间的电压频率支撑,在系统未大量配置超级电容、飞轮储能等微电源的情况下,微电网电压频率的稳定性有了明显的提高.

[1] EKANAYAKE J,JENKINS N.Comparison of the response of doubly fed and fixed-speed induction generator wind turbines to changes in network frequency[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2004,19(4):800-802.

[2] LIU S C,WANG X Y,LIU P X P.Impact of communication delays on secondary frequency control in an islanded micro-grid[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2015,62(4):2 021-2 031.

[3] 王鹤.含多种分布式电源的微电网运行控制研究[D].北京:华北电力大学,2014.

[4] 张薇.变速恒频风力发电最大风能追踪研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2006.

[5] 张志恒,王毅,李和明,等.基于虚拟惯量的双馈风电机组惯性控制方式研究[J].现代电力,2013,30(6):47-50.

[6] 李和明,张祥宇,王毅,等.基于功率跟踪优化的双馈风力发电机组虚拟惯性控制技术[J].中国电机工程学报,2012,32(7):32-39.

[7] WU L.Provision of power system frequency response in the context of high wind penetration[D].Glasgow:University of Strathclyde,2014.

[8] 薛迎成,邰能灵,刘立群,等.双馈风力发电机参与系统频率调节新方法[J].高电压技术,2009,35(11):2 839-2 845.

[9] 赵晶晶,吕雪,符杨,等.基于可变系数的双馈风机虚拟惯量与超速控制协调的风光柴微电网频率调节技术[J].电工技术学报,2015,30(5):59-68.

[10] WANG Y,DELILLE G,BAYEM H.High wind power penetration in isolated power systems-assessment of wind inertial and primary frequency response[J].IEEE Transactions on Power System,2013,28(3):2 412-2 420.

[11] RAOOFSHEIBANI D,ABBASI E,PFEIFFER K.Provision of primary control reserve by DFIG-based wind farms in compliance with ENTSO-E frequency grid codes[C]//IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies,Europe,2014:1-6.

[12] 赵晶晶,符杨,李东东.考虑双馈电机风电场无功调节能力的配电网无功优化[J].电力系统自动化,2011,35(11):33-38.

[13] 王松,李庚银,周明.双馈风力发电机组无功调节机理及无功控制策略[J].中国电机工程学报,2014,34(16):2 714-2 720.

[14] ZHAI J J,LIU H M.Reactive power control strategy of DFIG wind farms for regulating voltage of power grid[C]//IEEE PES General Meeting.Washington D C,IEEE,2014:1-5.

[15] 彭龙.双馈型风电场群无功电压协调控制研究[D].吉林:东北电力大学,2015.

[16] KIM Y S,KIM E S,MOON S I.Frequency and voltage control strategy of standalone microgrids with high penetration of intermittent renewable generation systems[J].IEEE Transactions on Power Systems,2016,31(1):718-728.

[17] KIM J H,SEOK J K,MULJADI E,etal.Adaptive Q-V scheme for the voltage control of a DFIG-based wind power plant[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2016,31(5):3 586-3 599.

VoltageandFrequencyCoordinationControlStrategyofDFIGinMicro-grid

ZHAO Jingjing, XU Chengsi, HONG Wansha, XU Chuanlin

(SchoolofElectricalEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

In order to suppress the micro-grid voltage and frequency fluctuation caused by the active power output fluctuation of the doubly fed wind turbine,improve its voltage and frequency support ability,the DFIG active virtual inertia control and stator reactive power limit are analyzed.Based on f-P,V-Q droop control,the voltage and frequency coordination control strategy of DFIG with a logic integration added in V-Q droop control is presented.This control strategy allows DFIG to suppress the continuous voltage fluctuation itself without additional compensation device.When there is voltage-frequency drop,it allows DFIG to constitute a peer-to-peer control strategy with other distributed generator to provide support for the voltage and frequency of micro grid.Finally,the DIgSILENT simulation software is built to simulate the micro grid model.The simulation results verify the effectiveness of the proposed control strategy.

micro-grid; doubly-fed induction generator; peer to peer control strategy; frequency control; voltage control;droop control

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.05.002

2016-12-19

徐成斯(1989-),男,在读硕士,上海人.主要研究方向为微电网中DFIG的电压频率控制.E-mail:kiasdusk@outlook.com.

国家自然科学基金(51207087);上海绿色能源并网工程技术研究中心资助项目(13DZ2251900).

TM315

A

1006-4729(2017)05-0419-06

(编辑 胡小萍)