基于限转矩控制的风储联合调频控制策略

0 引言

随着传统能源的日益短缺和可再生能源的不断发展，由小型分布式能源组成的微电网受到广泛的关注[1]。大多数分布式能源，如光伏、风电等均通过电力电子变流器变换电能，其大量接入会降低系统转动惯量，对电力系统的频率稳定性造成影响。而孤岛运行的微电网，失去大电网作为支撑，其频率调节问题变得突出。要提高微电网孤岛运行时的频率稳定性，有必要深入研究风电机组的频率控制策略，使其主动响应频率变化。目前，针对风电机组的有功控制，国内外学者提出通过虚拟惯量控制参与频率调节，增强系统惯量，并采用超速或桨距角控制为系统提供持续的有功支撑[2-4]。

通常风电机组释放转子动能有三种实现方式：虚拟惯量控制[5-7]、方波式惯量控制[8-10]和限转矩控制[11]。虚拟惯量控制是在风电机组转子侧附加基于频率偏差和频率变化率的有功控制，通常由惯性环节来实现，所以响应过程较快，但有一定的延迟，其优点是转速恢复过程不会引起较为明显的二次频率跌落；方波式惯量控制能够在负荷突增瞬间增发固定的有功功率并维持指定的时间，其响应由频率偏差触发，响应速度比虚拟惯量控制更快，但转速恢复时输出功率骤降，导致的二次频率跌落不容忽视；限转矩控制由频率偏差触发后瞬间将功率输出增大并限制在转矩极限内，惯量响应过后有功输出跟随转速变化以斜坡方式逐渐减小，其响应速度比虚拟惯量更快，并能更有效地提高频率最低点，二次频率跌落程度较方波式惯量控制更小，但存在转速恢复时间过长以及频率恢复至稳定值的时间延后等问题。

近年来，储能设备得到了迅速的发展和应用。在含风电的电力系统中，利用储能辅助系统频率调节可实现储能灵活地吸收和释放有功功率[12]。因此除了利用风电机组自身的调节能力，可增加如飞轮、蓄电池、超级电容器等储能辅助风电机组参与微电网频率调节[13-15]。

文献[16]提出了含电池荷电状态（State of Charge, SOC）反馈环节的风储调频控制，根据电池SOC，控制储能、风电机组及常规机组依次出力。文献[17]提出储能补偿风电场惯量的控制策略，将储能连接在风电场出口母线处，动态补偿风电场惯量，由于风电机组不参与频率调节，大大增加了储能的配置成本。文献[18]提出计及风速波动区间的风储联合调频控制策略，该策略在全风速下能够提高系统频率稳定性，克服系统频率振荡和二次频率下降等问题。文献[19]基于风电机组接入的35kV配电网系统模型，采用限转矩控制的惯量响应方法增强了永磁直驱风力发电机的惯性响应能力，并结合电池储能，改善转速恢复时产生的频率二次跌落，大大地提升了系统的频率响应能力。但并未深入分析有功减载量对二次频率下跌及其转速恢复的影响，设置的减载量较大，造成的二次频率下跌较严重。

本文在孤岛运行的微电网中采用双馈感应风力发电机（Doubly Fed Induction Generator, DFIG）限转矩控制的惯量控制方法，针对DFIG在转速恢复过程中产生的二次频率跌落问题，提出一种风储联合调频的控制策略。该策略首先利用限转矩控制作为DFIG的惯量响应方法，快速释放转子的旋转动能，短期支撑频率，为了改善限转矩控制在DFIG转速恢复期间的频率二次跌落问题，在DFIG退出频率调节后由储能为频率提供后续支撑。通过风储联合频率调节，能够有效改善限转矩控制产生的频率二次跌落问题，增强频率的动态调节能力。最后在孤岛运行的10kV微电网模型中仿真分析证明了所提控制策略的有效性。

1 微电网模型

本文在DIgSILENT/PowerFactory中搭建了如图1所示的微电网模型。

图1 微电网结构Fig.1 Microgrid system schematic

图1中柴油机由同步发电机代替，在孤岛运行下作为系统的平衡节点，参与系统一次调频。柴油机控制系统由调速器、自动电压调节器和电力系统稳定器组成。DFIG机组由转子侧换流器和网侧换流器组成，稳态时运行在最大功率跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）模式，在转子侧换流器附加限转矩惯量响应环节，参与频率调节。在DFIG并网点配置储能，储能模型由充放电装置和PWM换流器两部分组成，初始荷电状态为0.8。光伏电池由恒定电压源和PWM换流器代替，光伏电池容量较小，且受光照、温度等影响较大，不参与频率调节，稳态时一直运行在MPPT模式。本文在DFIG出口并网母线处配置集中式储能。系统各电源容量配置见表1。

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