基于实时数字仿真器的孤立微网多增益下垂控制双馈发电机频率特性分析

工程科学与技术，国际期刊23（2020）1028完整文章基于实时数字仿真器的孤立微网多增益下垂控制双馈发电机频率特性分析Ujjwal DattaZhao，Akhtar Kalam，Juan Shi维多利亚大学工程与科学学院Box 14428，Victoria 8001，墨尔本，澳大利亚阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2019年2019年9月30日修订2019年11月28日接受在线发售2019年保留字：动态多增益下垂初级频率控制风能桨距控制A B S T R A C T随着风电在微网中所占份额的增加，风电场有望在电网整体频率调节中发挥重要作用。采用传统下垂控制方法模拟同步发电机的风电场在低频振荡时会对电网稳定性造成威胁。本文提出了一种新的频率相关的多增益下垂控制策略的合成惯性调节风电场提供主频率响应。提出的多增益下垂控制与比例和比例积分型桨距角控制器相结合的比较分析。20%的功率储备被保留用于一次频率调节。研究了风电场多增益参数（功率-频率）和多功率裕度对风电场在不同事故情况下的影响在一个小型孤立的MG，20.8%和41%的风穿透实时的相对性能的控制方案进行了研究。仿真结果表明，与传统的下垂控制相比，多增益下垂控制可以获得最佳的频率控制性能。研究还发现，多增益下垂控制的参数选择描绘了显着的整体频率控制结果的支配。此外，所提出的多增益下垂方法表现出令人满意的在不同的风电场的功率裕度。©2019 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍风能是目前电力供应行业中占主导地位的可再生能源之一，预计在未来也将有类似的增长趋势由于商业化风电技术的快速转型、陆上和海上风电成本的持续削减以及政府立法，这一趋势已经成为可能[1]。双馈感应发电机（DFIG）处于现有风力技术的最前沿，因为它们能够在风速变化时产生最大功率并调节有功和无功功率输出[2，3]。随着风能在电力系统中所占比重的增加，对电力系统的安全性和主要问题是由于风能的间歇性行为及其对整体电网性能的负面影响在平衡交变风力功率的快速变化时，基载单元承受很大的压力，这在很大程度上影响了基载单元的寿命周期，并增加了操作和维护成本。此外，现代电力电子*通讯作者。电子邮件地址：ujjwal. live.vu.edu.au（美国）Datta）。基于可变速度的风力涡轮机固有地对系统惯性没有贡献，因此对电网频率控制产生不利影响。传统上，同步发电机负责减轻并网电力系统中的频率不平衡。然而，在一个孤立的微电网（MG），这样的设施是不可用的。能量存储（ES），例如电池[4]、飞轮[5]或电容器[6]，是在隔离电力系统中提供频率调节服务的替代方案之一。然而，ES对于孤立MG是昂贵的选择。因此，至关重要的是，风电场参与频率调节，最终可以有助于MG的技术和经济效益，增加风能的渗透。通常，DFIG在最大功率点跟踪（MPPT）模式下运行[7]，以在给定风速下最大化功率输出。为了参与频率调节，风力发电机组通过强迫其功率运行点偏离最大功率点到不同的水平来参与能量交换这可以 减 少 对 电 网 的 风 能 贡 献 的 总 量 ， 这 取 决 于 在 初 级 频 率 响 应（PFR）服务期间的总能量交换。这称为减载。许多研究工作已经提出通过风力涡轮机来模拟传统同步机https://doi.org/10.1016/j.jestch.2019.11.0082215-0986/©2019 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestch联合Datta等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）10281029以应对降低惯性的技术挑战，并最大限度地减少现有电网中风能应用的问题在[8-在[11]中提出了一种用于风力涡轮机的功率参考惯性控制方案，以参与频率调节，该方案显示出有希望的结果。在[12]中提出了IE的类似控制策略，其在各种干扰条件下显示出更平滑和增强的在[13]中，作者已经证明，随着风力涡轮机的风力传输和IE水平的增加，电网的整体稳定性性能[14，15]中的下垂控制表明，有可能使频率偏差最小化并实现改进的频率调节，这在技术上比以前的方法更复杂考虑到风力发电机组在频率调节方面的技术挑战，研究人员提出了一种协调控制，以实现响应频率变化的风力有功功率的更好频率调节[16目的是利用风力涡轮机存储的动能，在不损失风力涡轮机和电网的安全性的情况下通过风力涡轮机提供灵活的频率控制。案例研究表明，风力涡轮机穿透的技术挑战（例如较高的频率偏移和较低稳态频率的较慢频率恢复）可以最小化[19因此，结果表明，这可以确保更好的频率调节，提供系统的增强的稳定性能，并且可以潜在地支持电网中的大规模风能应用，而不会损害系统的安全性。在[22]中提出了二次下垂增益，并与传统的线性下垂增益进行了比较。然而，IE没有被纳入设计中，并且在传统方法和所提出的方法之间，系统频率的改善是非常不显著的。许多研究工作提出了下垂和IE相结合旨在临时增加或减少风力发电机功率输出并参与频率调节的方法[23在[26，27]中提出了IE和下垂的协调控制，以改善电网的频率特性。[28]中提出的另一种组合虚拟惯性控制表明，工作点和桨距角控制对风力涡轮机的惯性性能有显著影响。作者在[29]中提出了一种用于改善频率分布的频率调节定价方案在[30]中提出了一种依赖于时间的惯性和下垂控制增益，其基于频率的预期响应时间进行操作。然而，随着网络条件的变化，这种方法可能无法令人满意地执行。当风速为额定速度至截止速度时，桨距角控制限制风力涡轮机的超速，以避免风力涡轮机的机械损坏，从而产生额定功率输出。这反过来又减少了功率振荡，从而降低了网络中的应力[31]。为了应对变风速对频率稳定性的威胁，惯性、下垂和桨距协调控制起着至关重要的作用。据观察，在频率瞬变期间，通过协调控制可以确保风力涡轮机的稳定性能和频率安全性的改善[32风力涡轮机在PFR中的所有上述工作都集中在固定下垂增益值或时间相关动态增益上。然而，由于卸载功率的测量不是由于双馈风力发电机的功率输出随风速条件的变化而保持恒定，采用经典的线性增益可能会导致双馈风力发电机功率输出的振荡更大[35]，并可能影响频率稳定性的性能。这些问题促使研究人员研究并采用非线性动态下垂增益，以确保在瞬态期间更好地调节风力涡轮机的频率。在[36]中，提出了一种用于频率控制的动态下垂增益，可防止DFIG在瞬态期间过度减速，并确保更好的运行稳定性。另一方面，[37]中的研究表明，所提出的效率下降改善了MG的稳态和瞬态频率性能。然而，无论采用何种下垂方法，频率响应的最大改善是相同的。在[38]中提出了变化的下垂增益，以确保在干扰发生期间的最佳频率调节然而，下垂增益的调整不是自主的，因此需要随着风速的变化而手动调整在文献[39]中，为了减少风力涡轮机的能量损失，提出了在参与频率调节的同时可变增益然而，研究仅限于过频支持.在[40]中提出了一种时变下垂方案，以防止风速变化期间的大频率振荡，然而，由于恢复时间设置不足，这可能对不断变化的操作条件无效，并可能导致大的频率偏移，从而导致频率不稳定。早期的研究有几个缺点，如一些研究已经考虑了固定增益或风速相关的可变增益，并且总体频率稳定性性能的最大改进也是有限的。在本文中，潜在的DFIG提供PFR提出了一种新的动态多增益下垂控制机制，以提高MG频率稳定性，并确保在频率瞬变期间的DFIG的鲁棒调节。该方法基于[41]中提出的用于电动车辆充电控制的研究。该方法与其它控制方案一起应用于双馈风力发电机控制器中，为双馈风力发电机转子侧变流器产生参考信号该方法在早期或目前的研究中尚未应用于调节DFIG的PFR本研究的主要贡献如下：提出了一种频率相关的动态多增益下垂控制机制，用于在孤立MG中提供PFR的聚合风电场这种控制方法主要取决于频率偏差的深度，即高敏感区和低敏感区。低频变化被认为是一个高度敏感的区域，对于专用频率偏差区域，在PFR中具有较低的功率贡献，而对于低敏感区域，具有较高的功率贡献一个仿真的惯性控制回路进一步增加了建议的多增益下垂控制，以提供更好的频率调节。结合两种不同类型的桨距角控制器，比例（P）和比例积分（PI），一次一次的鲁棒性能的控制方案进行了研究。此外，本文深入研究了选择不同的多增益下垂参数（功率与频率）对实现增强的频率控制效果的支配作用。还探讨了不同水平的功率裕度，即风电场参与一次频率控制的强度，以进一步证明所提出的多增益下垂控制方案与传统下垂控制方法相比的功效。●●●●1030联合Datta等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）1028R风此外，增加水平的风穿透也模拟，以证明所提出的多增益下垂控制方法的有效性。与[23-论文的其余部分概述如下。第2节简要讨论了风力涡轮机、MG建模和桨距角控制。第3节讨论了提供主频率响应的传统下垂和惯性控制方案。在第4节中说明了对所提出的多增益下垂控制方案的详细讨论。所提出的控制器的性能通过Matlab/Simulink仿真证明，并在第5节中讨论。第6节是本文的总体结论。2. 传统的固定增益下垂控制和惯性控制方案传统上，同步发电机通过从存储的动能提供瞬时惯性响应（IR）来主频率调节的功率裕度。因此，减载通过将风力涡轮机的操作点通过欠速/超速移动到MPPT的左侧或右侧来发生，并且产生临时功率储备以减轻电网频率变化。传统的下垂可以写为（2）：1DPPFR¼RDf2000其中，1是下降增益。PFR和IR的功率参考与风力涡轮机在MPPT（Pw0）时的参考功率相加，以生成更新的功率参考（Pref ）如图1所示，在（3）中。D-P-PFR和D-P-IR的值对于正的FRE是负的频率变化，以减少功率输出和积极的负频率变化以增加DFIG输出端子处的功率输出“1/R”值选择为25，其定义频率变化4%，功率将变化100%。功率储备的最大量为20%，其在超过0.002 pu的死区的0.008 pu的最大频率变化时被激活[42]。由于下降增益是频偏的倍数，因此DPFFR将随着Df的增加而增加。因此，在图1中封闭了表示为Dlim的减载极限，并且最小/最大值选择为0.2 pu，以限制风电场20%的功率裕度。类似的惯性控制回路可以与MPPTDFIG的控制器，以模仿传统发电机的行为，ref风1/4Pw0-DPPFR-DPIR在权力不平衡的情况下。对于惯性响应，DFIG可以暂时过度产生功率，在此期间它将减速并将功率注入电网，反之亦然。惯性作用下的常规下垂如图1所示。干扰后的IR可以定义为（1）：由于两个控制器的增益是固定的，因此大增益可能导致快速加速/减速，特别是在低频振荡的下垂控制期间，因为它在PFR中具有主要贡献。d d3.所提出的多增益下垂控制策略DPIR<$KIRdtDf<$2HwdtDf式中，Hw为风机惯性增益，Df为实测电网频率与参考频率的偏差。风力涡轮机的功率被临时调整以获得IR。风力涡轮机通过减慢涡轮机并提取存储的动能来响应欠频。根据（1），IR的上升/下降与频率的相关变化一起计算。一个小的死区，0.05包括Hz以避免IR响应，频率和惯性增益的非常小的变化被选择为0.2pu。IR在频率偏移的初始阶段更占主导地位，随后是干扰。一旦主频率控制接管，ROCOF环路就不那么有效。因此，随着频率偏差的增大，下垂环在一次调频的总体贡献中起着至关重要的作用。然而，风力涡轮机需要在MPPT以下运行以提取足够的能量。根据（2），较小的R值可以确保风电场在频率调节中以较高的速率参与。但是，采用这样低的值可能会对主要在标准非工作频带（NOFB）边缘附近的较小振荡做出异常反应。因此，一个可变的下垂增益是必不可少的，以解决这样的稳定性问题与风电场参与PFR。在所提出的研究中，建议的多增益下垂控制调节的灵敏度，风电场的参与时，双馈风力发电机这使得增益的调整，芒取决于频率变化的各种情况所提出的多增益下垂控制机制如图所示。图2取代了图1中的固定下降增益控制。多增益下垂与惯性控制回路相结合，如图所示。1.一、值得注意的是，增益是针对频率偏差（Df）计算的，而不是实际频率。图1.一、惯性和常规固定下降增益控制。●●P联合Datta等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）10281031¼1/4D-DWT1¼D¼>8个-D图二、提出了多增益下垂控制策略。因此，当频率值保持在定义的死区区域内时，频率Df0的变化。多增益下垂激活时，频率偏离100兆赫的标称值，在传统的下垂。因此，风电场不参与该NOFB，即P=0.25。多增益下垂设计是用于多增益下垂的DFIG功率的数学表达式可以写为（4）：PM如果DfPDfHHP1PWT1，如果DfMHDfDfHH<<>通过为两个不同的free选择单独的下垂增益来实现频率操作区域。如图所示，风电场响应在高敏感区域和低敏感区域中分离DPPFR¼><>P WT2，如果0DfDfMH<<0如果Df¼0PWT3，如果DfMLDf0<：-3-PWT4如果D f当地雇员

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