1、2023年8期研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application双馈风力发电系统的灵活虚拟同步发电机控制策略研究王磊，田辉，牛俊杰，虎军，张建盈（宁夏银星能源股份有限公司，银川 750021）风能因其广泛分别和可再生性的优势，已成为全球能源的重要组成部分1。双馈异步风力发电机组（DFIG）在并网时往往采用基于最大功率跟踪（MPPT）的恒功率控制策略，导致 DFIG 的运行状态与风电并网系统频率完全解耦，使得 DFIG 无法为系统提供有效的惯量和阻尼支撑2。当风电并网系统中有功负荷突变时，双馈风电系统频率的动态响应特性和稳定性受到了严重的威胁3-4。
2、基于 VSG 控制策略的 DFIG 能够使其模拟同步发电机的运行外特性来增强风电并网系统频率响应能力。近年来，利用 VSG 控制策略解决双馈风电系统频率稳定性问题成为了研究热点5。Alpoor 等6提出了基于频率动态变化的灵活虚拟惯性控制策略，但该控制策略存在频率 2 次跌落和 DFIG 输出的功率的超调的问题。Wang 等7在 DFIG 的转子侧控制器引入了惯性控制，使得 DFIG 具有与同步发电机类似的静态频率调节性能，进而为系统提供频率支撑。高澈等8提出了一种基于和自适应虚拟转动惯量控制策略，以实现负载波动下的 DFIG 精细控制。相比于实际同步发电机，VSG 控制策略的突出优势在于其控
3、制算法中的转动惯量和阻尼系数均可以根据系统频率的变化及时灵活地进行调整，可显著提高系统频率稳定性9-10。为改善分布式发电系统频率的稳定性，文献11改变了传统 VSG 控制策略参数固定的缺陷，提出了棒-棒控制策略，即转动惯量在 2 个固定的数值中变化，当系统频率的变化率小于设定阈值时，转动惯量取较小第一作者简介：王磊（1987-），男，工程师。研究方向为风力发电及其运维优化。摘要：基于恒参数虚拟同步发电机（VSG）控制策略的双馈风电机组（DFIG），在功率指令值突变的情况下，存在系统变化过快、功率振荡过大的问题。针对上述问题，该文提出基于指数型函数的灵活虚拟同步机（EFVSG）控制策略的 DF
4、IG（DFIG-EFVSG）以提升风电并网系统频率的稳定性。首先，建立 DFIG 与 VSG 控制策略的数学模型。然后，详尽分析转动惯量、阻尼系数与 DFIG-EFVSG 的风电并网系统频率之间相对应的关系。最后，仿真结果验证指数型 EFVSG 控制策略的有效性及优越性。关键词：双馈风电机组；灵活虚拟同步机；频率稳定性；转动惯量；控制策略中图分类号：TM31文献标志码：A文章编号：2095-2945（2023）08-0066-08Abstract:Doubly-fed wind turbine generator(DFIG)based on constant parameter virtual
5、 synchronous generator(VSG)controlstrategy has the problems of too fast system change and too large power oscillation in the case of sudden change of powercommand value.To solve the above problems,this paper proposes DFIG(DFIG-EFVSG)based on the arctangent function of theflexible virtual synchronous
6、 machine(EFVSG)control strategy to improve the frequency stability of the wind power grid-connectedsystem.Firstly,the mathematical model of DFIG and traditional VSG control strategy is established.Then,the correspondingrelationship between the moment of inertia and the frequency of DFIG-EFVSG wind p
7、ower grid-connected system is analyzed indetail,and an arctangent EFVSG control strategy is proposed.Finally,the simulation results verify the effectiveness and superiorityof arctangent EFVSG control strategy.Keywords:double-fed wind turbine;flexible virtual synchronous generator;frequency stability
8、;moment of inertia;controlstrategyDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.08.01666-研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application2023年8期数值，否则取较大数值。虽然该控制策略在一定程度上克服了系统频率变化过快的缺陷，但该控制策略存在转动惯量变化范围过小的缺陷。Dong 等12、Ren 等13和Wang 等14分别采用了不同的灵活转动惯量控制策略以改善系统频率及分布式电源输出功率稳定性，但并未突出说明所采用的控制策略具有哪些优缺点。Karimi 等15在 VSG 控制策略的
9、基础上增加了模糊控制策略以有效地减小系统频率变化的最大幅值，进而防止频率越限。Li 等16提出了一种双灵活转动惯量控制策略，并根据不同的运行条件实现功率调节和频率调节的平衡，以优化系统的动态响应特性。与转动惯量恒定的 VSG 控制策略相比，上述文献通过实时的灵活调整转动惯量可在一定程度上缓解系统频率的急剧变化，但转动惯量的调整不可避免地给系统带来了调整时间增加及分布式电源输出有功功率超调的问题。为克服转动惯量的调整带来的不利影响，Xie 等17、Li 等18通过灵活调整阻尼系数抑制了系统频率变化，但并未精准地给出阻尼系数对于系统的影响，这对于分析 VSG 控制策略参数对系统稳定性的影响来说是缺
10、失的。Yao 等19在分析了转动惯量对于系统稳定性影响的基础上，采用了径向基函数（RBF）对转动惯量在线实时调整，并通过灵活调整阻尼系数以进一步抑制输出功率振荡，并增强了系统频率稳定性。但由于 RBF函数的网络结构复杂，且隐层神经元数目庞大，因此所采用方法的运算时间可能会较长。Fei 等20以保持系统最佳阻尼比为目标，设计了一种灵活的转动惯量和阻尼系数。然而，所设计的灵活的转动惯量和阻尼系数仅能在小值和大值之间进行选择。Li 等21将暂态过程中的系统功角变化曲线划分为若干个区间，并根据转动惯量和阻尼系数在不同区间内所起作用设计了对应的灵活的转动惯量和阻尼系数。基于以上的研究，构建了 DFIG-
11、EFVSG 并网系统模型，揭示了转动惯量、阻尼系数与系统频率偏差及其变化率之间的关系。并构建多种形式的 EFVSG，分析了所提出的指数型 EFVSG 在转动惯量和阻尼系数变化范围及抑制频率振荡的优势，在此基础上提出了一种指数型虚拟同步控制策略（EFVSG）以提高风电并网系统频率的稳定性。1DFIG与EFVSG控制策略数学模型建立传统矢量控制策略的双馈风电机组，其功率输出与系统频率完全解耦。为使双馈风电机组具有更好的惯性特性，双馈风电机组的转子侧逆变器采用 EFVSG控制策略作为外环，转子电流控制策略作为内环的双闭环控制策略。1.1EFVSG控制策略的数学模型EFVSG 控制策略分为有功功率-频
12、率环和无功功率-电压环。当极对数 p=1 时，借鉴同步发电机组的转子运动方程，其有功功率-频率环表示为Pm-Pe0-DP（-0()）1Js+0=，（1）式中：Pm和 Pe分别为 EFVSG 控制策略的机械输入功率和电磁输入功率；Js 和 DP分别为 EFVSG 控制策略的阻尼系数和转动惯量，为更好地体现其与风电并网系统频率之间的关系，其具体的表达式将在第二节展现；0、分别为额定角速度、EFVSG 控制策略中有功功率-频率环生成的角速度。式（1）中的 Pm是由有功功率参考值 P0和虚拟调速器输出共同组成，即Pm=P0+KW（0-），（2）式中：P0为 EFVSG 控制策略的有功功率参考值；KW为
13、虚拟调节系数，取 KW=P0/（0.010），构成 EFVSG 的一次调频环节。根据同步发电机电压励磁调节方程，无功功率-电压环可表示为E=E0+E0-Es_m()1Dq+（Q0-Qe）KP+Kis()1Tas+1，（3）式（3）中：E0、Es_m、E 分别为 EFVSG 中无功功率-电压环的设定的额定电压的幅值、双馈风电机组定子电压67-2023年8期研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application幅值、EFVSG 控制策略中的无功功率-电压环生成的电压幅值；Dq为无功功率调压一次调节系数；Q0为 EFVSG 控制策略中设定的无功功率参考值；Q
14、e为输入到 EFVSG 控制策略的无功功率；KP和 Ki分别为 EFVSG 控制策略中无功功率-电压环的比例、积分系数；Ta为延迟环节的时间常数。1.2DFIG变流器控制策略的数学模型为了得到 DFIG 的转子电压的控制方程，定子电压在 dq 坐标系中，取 q 轴定向电压矢量，定子和转子的电压方程和磁链方程可表示为usd=Rsisd+dsddt-ssqusq=Rsisq+dsqdt-ssdurd=Rrird+drddt-slrqurq=Rrirq+drqdt-slrd|，（4）sd=Lsisd+Lmirdsq=Lsisq+Lmirqrd=Lmisd+Lrirdrq=Lmisq+Lrirq|，（
15、5）式中：usd、usq、urd、urq分别为定、转子在 dq 轴的电压；Rs和 Rr分别为定、转子绕组的电阻；sl为转差角速度，即，sl=s-r；s、r分别为定、转子角速度；isd、isq、ird、irq分别为定、转子在 dq 轴的电流；sd、sq、rd、rq分别为定、转子在 dq 轴的磁链；Ls、Lr分别为定、转子绕组的自感；Lm为定、转子绕组间的互感。定子磁链和定子电压在忽略绕组电阻时可表示为sd=Lmirdsq=Lmirq，（6）usd=-ssqusq=+ssd。（7）只考虑稳态项，结合式（6）和式（7）可得定子电压的方程为usd=-ssq=-sLmirqusq=+ssd=+sLmir
16、d。（8）结合式（4）到（6）可得转子电压控制方程urq=Rrirq+Lrdirqdt+slL2mLsims+Lrird()urd=Rrird+Lrdirddt-slLrirq|，（9）式（9）中：漏磁系数=（LsLr-L2m）/（LsLr）；ims为定子等效励磁电流。对 dq 轴上产生的交叉耦合项采取前馈补偿控制策略，DFIG 的转子电流采用 PI 调节器，得到转子电压的控制方程为urdc=Kpd+KidS()（ird*-ird）-slLrirqurqc=Kpq+KiqS()（irq*-irq）+slL2mLsims+Lrird()|，（10）式中：Kpq、Kpd、Kiq、Kid分别为 PI 调节器调节系数；ird*，irq*为转子电流在 dq 轴的指令值；urdc，urqc分别为转子控制电压在 dq 轴的分量。2EFVSG控制策略的分析2.1DFIG-EFVSG风电并网系统的控制结构以第一节数学模型为基础，本文提出一种以EFVSG 为外环，转子电流为内环的双闭环控制策略，DFIG-EFVSG 并网系统的控制结构如图 1 所示。图 1中 EFVSG 控制策略中的无功功率-电压环输出的