双馈风电机组控制参数协调优化方法

南京河海南自水电自动化有限公司 倪维东

国电南京自动化股份有限公司 王云涛

双馈风电机组运行控制较复杂，涉网性能是否良好取决于变流器的调节性能。风电机组并网发电时，机侧电压易发生跳变，容易引发短路故障，对机组稳定运行和故障诊断造成一定程度的负面影响；根据双馈风电机组解耦性特点，运行速率快，电气部分的耦合性变弱，导致双馈风电机组的运行频率与功能特性受到影响而发生变化。相关研究学者开展了研究工作，例如，通过灵敏度方法分析双馈风电机组的动态特性，分析双馈风电机组动态特性与短路比的关系，以提高其运行功率；但是，目前对于控制参数协调优化方面的研究成果较少。为了使风电机组稳定并网发电，提出了双馈风电机组控制参数协调优化方法，构建双馈感应电机数学模型，对机组的控制参数进行优化，促进风电网的稳定运行。最后通过仿真模型，验证所提控制参数协调优化方法的有效性。

1 双馈风电机组涉网控制参数协调优化方法设计

1.1 构建双馈感应电机数学模型

双馈风电机组发电机由双馈发电机、变流器等构成。双馈发电机绕组具有对称性，其转子的转速与电网频率、电机的电荷极对数的关系表达式为：

其中，f1指的是电网运行频率；p指的是电机的电荷极对数；n1指的是变流器转子运行转速，风电机组中转子旋转所产生的磁场根据转子转速的变化而改变。

根据上述关系表达式，本文构建双馈发电机的数学模型。首先，作如下假定：（1）只考虑定转子的基波分量，忽略谐波分量；（2）只考虑定转子空间磁势基波分量；（3）忽略磁滞、涡流、铁耗；其次、发电机定子侧电压电流的正方向按发电机惯例，转子侧电压电流的正方向按电动机惯例，电磁转矩与转向相反为正，参考异步电机的分析方案，可得双馈发电机的等效电路图，如图1所示。

图1 双馈发电机的等效电路图

通过控制转子电流I2无功分量来控制定子电流I1无功分量，实现控制电机的无功功率。通过控制转子电流I2有功分量来控制定子电流I1有功分量，参与控制电机有功功率。

当双馈风电机组运行时的转差率可知机组的转差功率，由此可知双馈发电机运行模式处于亚同步、同步或超同步状态，变流器随之切换运行模式，获取到双馈风电机组的运行状态。

1.2 计算VSG控制参数取值范围

为保证系统的整体性能，根据上述构建的双馈感应电机数学模型，基于风电机组的运行安全性与稳定性，对双馈风电机组的VSG控制参数取值区间进行计算。

利用双馈风电机组与同步发电机组的转子能量守恒及双馈风电机组转子运行安全性，将转子的转速转换到同步转速下，对控制参数k的计算公式为：

其中，wrn代表双馈风电机组转子的基准值；ws0代表同步频率初值；wr0代表变流器转子的功角初始值；H代表风电机组运行时间；设定H=7.25s，wrn=1.45we。在双馈风电机组运行过程中，这2个变量对于系统控制参数和功率动态过程的改善具有同样重要的意义。

1.3 改进双馈风电机组振荡频率

为获取双馈风电机组振荡模式的特征，将获取到的幅值、频率、数据进行离散化处理，使拟合数据与原始数据相接近。采用最小二乘法求解风电机组振荡波形的振幅，提高转子对低频振荡模式的识别。双馈风电机组的振荡模式包括转子转速、频率、振幅对运行特性的影响，低频振荡模式越明显，对控制参数的影响越大。

1.4 控制参数协调优化目标函数

根据上述计算获取到的VSG控制参数的取值范围，将双馈风电机组的控制参数协调优化为目标函数。风电机组的虚拟惯量能够反映系统阻尼频率变化的能力，较大的系统惯量给风电机组提供更好的帮助去实现功再平衡。通过增大风电机组的虚拟惯量和虚拟阻尼控制参数的变化，最终实现控制参数协调优化目标函数的目的。

VSG虚拟惯量和虚拟阻尼参数协调设计的目标函数为：

式中，Δfmax表示风电机组频率偏差最大值函数；Δξmax表示振荡模式阻尼偏差最小值目标函数；ad表示阻尼权重常量；aj表示变流器惯量控制常量，主要用于调节控制振荡振幅；i表示风电机组运行方式数量。正常运行时双馈风电机组不提供任何动能，如果双馈风电机组的有效动能下降，将使得双馈风电机组的虚拟惯量发生变化，因此，如果不采取必要的措施，大规模双馈风电机组接入电力系统将影响频率稳定性。

通过改变风电机组的虚拟惯量和虚拟阻尼参数，将控制参数协调优化为目标函数，达到提高双馈风电机组稳定性的目的。

2 实验分析

2.1 实验准备

本文实验以某地区双馈风电机组并网为研究对象，采用PSCAD仿真软件搭建双馈风电机组并网模型，频率为50Hz，采用双馈风电场运行方式，将负荷为500MW全部投入到双馈风电机组的运行中，输电线路靠近电流的负荷端，运行功率加大出现三相故障，在运行时间0.35s后切除故障线路，其他条件不变，根据不同双馈风电机组故障控制的特性进行实验。故障期间双馈风电机组以不同有功功率控制时，出现低频振动模式运行，控制参数不变，将双馈风电机组出力有功功率的变化曲线绘制成图2所示。

图2 双馈风电场低频振动下有功出力变化

根据图2可知，当双馈风电机组控制参数不变时，风电场输出的有功功率增大，同步发电机功角摆幅相应增加。根据公式（3），将控制参数协调优化为目标函数时，双馈风电机组采用无功功率控制，其低频振动模式发生变化，输出的无功功率降低，发电机功角摆幅随之减小。

2.2 结果分析

将本文提出的双馈风电机组控制参数协调优化方法与传统方法进行对比，传统方法不包含双馈风电场的互联电力系统虚拟惯量与虚拟阻尼协调控制。风电机组在不同转速运行下，两种方法的风电机组运行出现三相故障概率如表1所示。

表1 两种方法在不同转速下三相故障概率对比

根据表1可知，双馈风电机组在不同转速下运行时，本文提出的控制参数协调优化方法能够有效降低运行过程中出现三相故障的概率，出现故障概率较传统方法存在较大差异，在转速4情况下，两种方法的故障概率差值最大，相差7.01%。因此，本文提出的双馈风电机组控制参数协调优化方法能够降低故障概率，保障风电机组的运行安全。这是因为本文方法构建感应器数学模型，解决振荡信号的低频振荡模式问题，实现对控制参数的协调优化，保证系统的整体性能。

结束语：本文围绕双馈风电机组整体控制问题，针对机组构建感应器数学模型、计算VSG控制参数的取值范围、改进双馈风电机组振荡频率、将控制参数协调优化为目标函数，实现提高双馈风电机组运行的安全性，降低运行中三相故障的发生。且虚拟惯量和虚拟阻尼的引进，有利于完善系统动态性能，缓解同步机的调频压力以及起到电力系统稳定器的作用，通过其协调控制，增强双馈风电机组的安全性和稳定性。通过实验证明，本文提出的协调优化方法较传统方法相比，对提高风电机组运行的安全性存在较大优势，能够减少运行中出现故障，有利于双馈风电机组的稳定运行。