基于模糊控制的风电机组变系数综合惯性控制策略.pdf
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1、针对传统综合惯性控制在系统频率发生突变参与调频时,调节系数适应性、灵活性较差的问题,提出了一种基于模糊控制的双馈风电机组变系数综合惯性控制策略。首先,分析了双馈风电机组传统综合惯性控制系数调整的必要性;其次,分别对虚拟惯性控制和下垂控制各自附加一个单独的模糊控制回路使调节系数随风速和频率变化量进行实时调整;最后,在 中建立了三机九节点系统模型仿真,验证了与传统固定系数综合惯性控制相比,变系数综合惯性控制策略的适应性和灵活性更好。关键词:风力发电;频率调节;综合惯性控制;模糊控制中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,;,):,:;上海电力大学学报 年基于“双碳”背景,建设以新能源为主体的新
2、型电力系统,是推动能源向低碳转化、实现双碳目标的重大举措。随着以风电、光伏为主的新能源在新型电力系统中的占比逐年增加,新能源机组通过逆变器、变流器等大量电力电子装置接入主网,使电力系统整体惯量水平降低。风电本身具有强波动性和随机性,风电功率的波动量大,导致系统频率波动会随之变大,系统频率稳定性受到严重威胁。为了使电力系统稳定运行,专家学者们对风电机组自身参与系统调频开展了大量深入研究,并提出了多种控制策略。目前最主要的调频策略分为两类:一类是预留有功备用参与调频的有功备用控制 ,另一类是利用自身惯量参与系统调频的转子动能控制。有功备用控制 主要分为桨距角控制 和转子超速控制 。转子动能控制 主
3、要分为虚拟惯性控制 、下垂控制以及两者相结合的综合惯性控制 。文献 研究了风电机组调频系数的约束因素,从而确定控制系数,但过于依赖经验。文献 提出了对虚拟惯性控制增加一个选择函数环节,提高系统的等效转动惯量进而提升调频能力的优化控制方法。文献 提出了风 火系统模糊自适应虚拟惯量控制策略,利用模糊控制对虚拟惯性控制系数进行控制,但只对虚拟惯性控制进行了单独研究未考虑下垂控制。文献 通过在传统综合惯性控制中,风电机组处于最大功率点跟踪(,)模式下,附加转速优化模块改变功率 转速曲线,使风机处于减载状态,但经济性较差。文献 提出基于不同风速整定虚拟惯性控制和下垂控制的调差系数,该策略虽根据风速变化对
4、系数进行整定,但所取控制系数依然为固定值。综上,目前针对综合惯性控制策略的研究中,控制系数多取固定值或仅对虚拟惯性控制和下垂控制中的一个控制单独进行研究。然而控制系数取固定值时,所选数值过小可能难以达到想要的调频效果,所选数值过大可能超出转子可提供能量的极限导致频率二次跌落;而仅研究虚拟惯性控制和下垂控制中的一个控制考虑不够全面。针对以上问题,本文提出了基于模糊控制的风电机组变系数综合惯性控制策略,对综合惯性控制中的虚拟惯性控制和下垂控制,根据各自的取值特性分别附加一个系数,再根据风速和频率变化量实时调整模糊控制回路,在保证最大限度利用转子动能提供最大出力的同时,控制系数不会超出极限值从而保证
5、频率不会发生二次跌落。综合惯性控制 传统综合惯性控制的原理传统综合惯性控制由虚拟惯性控制和下垂控制两部分组成。传统综合惯性控制是在风电机组处于 模式的基础上,附加有功增量 ,由虚拟惯性控制有功增量 和下垂控制有功增量 组成。当频率发生突变时,风机的输出参考功率 为 ()式中:控制环节输出功率。虚拟惯性控制有功增量 的公式为 ()式中:虚拟惯性控制系数;频率。下垂控制有功增量 的公式为 ()式中:下垂控制系数;频率的偏差量。综合惯性控制示意如图 所示,为风机转子转速,为参考频率。当系统有功功率不平衡时,频率产生偏差,频率变化率 经过低通滤波器和虚拟惯性控制系数环节得到虚拟惯性控制有功增量 ;系统
6、频率偏差 经过高通滤波器和下垂控制系数环节得到下垂控制有功增量。有功增量与 控制环节输出功率 结合得到 控制环节输出功率 输入到转子侧变流器。图 综合惯性控制示意 控制系数对调频能力的影响同步机组动态响应方程为 ()王怡,等:基于模糊控制的风电机组变系数综合惯性控制策略式中:系统惯性系数;同步机组输出有功占比;风电机组出力;同步机组出力;负荷;系统下垂系数。风机处于 模式下,附加了综合惯性控制环节后的风电机组出力 为 ()将式()代入式(),得()()()由式()可知,系统等效惯性随着 的增大而增大,系统等效阻尼随着 的增大而增大 。但是控制系数过大可能使风机过度释放动能超过动能释放极限,导致
7、转子转速过低而失去稳定,从而引起频率更深程度的跌落。因此,风电机组调频能力在很大程度上取决于 和 的取值,对系数进行控制十分有必要。初始风速对调频能力的影响当风机转子初始转速为 时,转子储存的动能 为()式中:转动惯量。在风机提供有功出力阶段,风机转子转速由降低到最低转速 ,双馈风机可释放的动能极限 为 ()()风机初始状态运行于 模式下,初始转速 为 ()式中:最优叶尖速比;初始风速;风机叶片半径。将式()代入式(),得 ()()式()可进一步化简为 ()()()由式()可看出,转子最大可释放动能和初始风速的平方近似成正比关系,即初始风速越大,转子释放动能极限越大,风机有功出力极限越大,调频
8、极限越大。变系数综合惯性控制 基于模糊控制的变系数调频策略传统综合惯性控制一般选取固定的控制系数,并未对虚拟惯性控制系数和下垂控制系数的大小进行调整。但若所选取控制系数过小,风机将不能提供足够的有功出力,无法达到想要的调频效果;若所选控制系数过大,可能造成风机失稳甚至系统频率二次跌落 。已有文献大多针对频率变化量、转子转速或风速来调整综合惯性控制中的一个控制系数,较少同时考虑风速和频率变化对综合惯性控制的整体影响。本文所设计的模糊控制器的输入为风速 和频率变化量 ,以虚拟惯性控制系数、下垂控制系数 分别作为两个控制器的输出设计模糊控制器,使风机的调频能力跟随风速及频率变化动态调整。变系数综合惯
9、性控制示意如图 所示,模糊控制器结构如图 所示。图 变系数综合惯性控制示意图 模糊控制器结构上海电力大学学报 年图 中,当系统频率产生偏差时,风速 和频率偏差量 通过虚拟惯性模糊控制器输出实时虚拟惯性控制系数的值,频率变化率 经过低通滤波器与实时虚拟惯性控制系数结合通过系数增益环节得到虚拟惯性控制有功增量 ;风速 和频率偏差量 通过下垂模糊控制器输出实时下垂控制系数的值,系统频率偏差 经过高通滤波器和实时下垂控制系数结合通过系数增益环节得到下垂控制有功增量 。有功增量与 控制环节输出功率 结合得到输出参考功率 输入到转子侧变流器。图 中,将频率偏差 和风速 的数字量信号转化为模糊量,将模糊量作
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