CN107453410A - 负荷扰动的双馈风机参与风柴微网调频控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种负荷扰动的双馈风机参与风柴微网调频控制方法，首先，设计观测器对微电网内负荷扰动进行实时估计，将估计值按比例分配给双馈风机及柴油机承担，并结合传统惯性策略来控制双馈风机的有功输出；增设转速恢复模块，根据微电网频率偏差及双馈风机的功率来设计转速恢复模块的启动条件，待频率恢复稳定后，启动转速恢复模块，转速加速恢复到调频前水平。提高双馈风机参与微电网的调频能力，增强微电网对负荷扰动的响应能力，同时优化转速恢复过程。

Description

负荷扰动的双馈风机参与风柴微网调频控制方法
技术领域
本发明涉及一种微电网频率调节技术，特别涉及一种负荷扰动的双馈风机参与风柴微网调频控制方法。
背景技术
频率是微电网安全稳定运行的重要参数。在孤岛运行模式下，微电网需要自行维持源-荷平衡，从而保证用户的电能质量。然而，由于负荷的投切变化和新能源出力的波动，独立微电网可能会出现功率失衡，以致频率出现偏移甚至超出安全运行范围。因此，微电网必须采取合适的有功控制策略，来获得足够的调频能力(文献1：Peas J A，Moreira C L，Madureira A G.Defining control strategies for microgrids islanded operation[J].IEEE Transactions on Power Systems，2006，21(2)：916-924；文献2：王成山，肖朝霞，王守相.微网综合控制与分析[J].电力系统自动化，2008，32(7)：98-103.WangChengshan，Xiao Zhaoxia，Wang Shouxiang.Synthetical control and analysis ofmicrogrid[J].2008，32(7)：98-103(in Chinese)；文献3：杜威，姜齐荣，陈蛟瑞.微电网电源的虚拟惯性频率控制策略[J].电力系统自动化，2011，12(10)：26-30.Du Wei，JiangQirong，Chen Jiaorui.Frequency control strategy of distributed generationsbased on virtual inertia in a microgrid[J].Automation of Electric PowerSystems，2011，12(10)：26-30(in Chinese))。
独立微网中一般由柴油机或储能装置来承担主要调频任务，然而柴油机的频率响应速度较慢，难以实现快速动态调频，而大规模配置储能装置来主导调频显然是不经济的。作为微网广泛采用的双馈风机、光伏通常由电力电子装置与电网频率解耦，运行在最大功率跟踪模式下，这也使得双馈风机等无法参与频率的调节。实际上，双馈风机的转子中储存着大量的旋转动能，在风电渗透率较高的微网中，通过适当的控制，双馈风机可以将转子中动能迅速转化为电功率，瞬间增加风机功率输出，从而为微电网频率调节做出贡献(文献4：唐西胜，苗福丰，齐智平，等.风力发电的调频技术研究综述[J].中国电机工程学报，2014，34(25)：4304-4314.Tang Xisheng，Miao Fufeng，Qi Zhiping，et al.Surveyon frequencycontrol of wind power[J].Proceedings of theCSEE，2014，34(25)：4304-4314(inChinese)；文献5：刘巨，姚伟，文劲宇，等.大规模风电参与系统频率调整的技术展望[J].电网技术，2014，38(3)：638-646.Liu Ju，Yao Wei，Wen Jinyu，et al.Prospect oftechnology for large-scale wind farm participating into power grid frequencyregulation[J].Power System Technology，2014，38(3)：638-646(in Chinese)；文献6：Kayikci M，Milanovic J V.Dynamic contribution of doubly-based wind plants tosystem frequency disturbances[J].IEEE Transactions on Power Syetems.2009，24(22)：859-867)。
近年来，关于微电网中双馈风机参与频率调节的研究已经取得了一定的成果。为了使双馈风机具有像传统发电机那样的等效惯量，文献[7-9]提出了虚拟惯量的概念，使双馈风机有功输出与电网频率不再解耦，能够响应频率变化，快速提高有功输出，为微电网提供功率支撑。文献[10-11]进一步提出下垂控制，增加输出功率来抑制稳态频率偏差，与虚拟惯量控制结合，实现双馈风机在微电网中具有等效惯量。但上述研究都是仅基于微电网频率，没有将微电网实时负荷扰动考虑进去。文献[12]提出了基于负荷波动的微电网频率调节控制策略，使微源能够通过响应外部负荷的变化来平抑频率偏差，但未考虑微源的等效惯量。在虚拟惯量阶段结束后，风机转子转速偏离最优值，需要开始恢复转速使转速回到调频前状态，但此时转速通常处于较低的水平，自身恢复速度较慢，回到调频前的水平需要较长的时间，而风机电磁功率的瞬间大幅减少将可能引起频率的二次跌落[13]。针对此问题，文献[14-15]中双馈风机采用超速控制来留有备用容量，通过备用容量提高转速恢复速度，但这存在着控制盲区。文献[16]提出迟滞转速恢复的时间，即在频率偏差为零时再启动恢复，但其策略影响了前期调频阶段，减弱了风机调频能力。文献[17]进一步提出基于双馈风机电磁功率与机械功率的关系来启动转速恢复，虽然实现了灵活启动恢复转速，但未考虑频率偏差，仍可能对频率的造成不利影响。
文献7：Keung Ping-Kwan，Li Pei，Banakar H.Kinetic energy of wind-turbinegenerators for system frequency support[J].IEEE Transactions on PowerSystems，2009，24(1)：279-287。
文献8：Arani,M.F.M.,El-Saadany,E.F.“Implementing Virtual Inertia inDFIG-Based Wind Power Generation”,IEEE Trans.Power Systems,vol.28,no.2,pp.1373-1384,2013。
文献9：李和明，张祥宇，王毅，等.基于功率跟踪优化的双馈风电机组虚拟惯性控制技术[J].中国电机工程学报，2012，32(7)：32-39.
Li Heming，Zhang Xiangyu，Wang Yi，et al.Virtual inertia control ofdfig-based wind turbines based on the optimal power tracking[J].Proceedingsof the CSEE，2012，32(7)：32-39(in Chinese)。
文献10：Wang Ye，Delille G，Bayem H.High wind power penetration inisolated power systems-assement of wind inertial and primary frequencyresponse[J].IEEE Transactions on Power System.2013，28(3)：2412-2420。
文献11：Erlich I，Wilch M，Primary frequency control by wind turbines[C]//2010IEEE Power and Energy Society General Meeting.Minnesota，USA：IEEEPower&Energy Society，2010：1-8。
文献12：Senjyu T,Datta M.A control method for small utility connectedlarge PV system to reduce frequency deviation using a minimal-order observer[J].IEEE Transactions on Energy Conversion，2009，24(2)：520-528.
文献13：刘璋玮,刘锋,梅生伟,等.扩张状态观测器在双馈风机虚拟惯量控制转速恢复中的应用[J].中国电机工程学报,2016,36(5):1207-1217。
LIU Zhangwei,LIU Feng,MEI Shengwei.Application of Extended StateObserver in Wind Turbines Speed Recovery After Inertia ResponseControl.Proceedings of the CSEE.2016,36(5):1207-1217(in Chinese)。
文献14：张昭遂，孙元章，李国杰等.超速与变桨协调的双馈风电机组频率控制[J].电力系统及其自动化，2011，35(17)：20-25。
Zhang Zhaosui，Sun Yuanzhang，Li Guojie et al.Frequency regulation bydoubly fed induction generator wind turbines based on coordinated overspeedcontrol and pitch control[J].Automation of electric power systems.2011，35(17)：20-25(in Chinese)。
文献15：赵晶晶，吕雪，符杨，等.基于可变系数的双馈双馈风机虚拟惯量与超速控制协调的风光柴微电网频率调节技术[J].电工技术学报，2015，30(9)：59-68.
Zhao Jingjing，LüXue，Fu Yang，et al.Frequency regulation of wind/photovoltaic/diesel microgrid based on DFIG cooperative strategy withvariable coefficients between virtual inertia and over speed control[J].Transactions of China Eletrotechnical Society，2015，30(9)：59-68(in Chinese).
文献16：刘彬彬,杨健维,廖凯,等.基于转子动能控制的双馈风电机组频率控制改进方案[J].电力系统自动化,2016,40(16):17-22。
LIU Binbin,YANG Jianwei,LIAO Kai,et al.Improved Frequency ControlStrategy for DFIG-based Wind Turbines Based on Rotor Kinetic Energy Control[J].Automation of Electric Power Systems,2016,40(16):17-22(in Chinese)。
文献17：Fu Yang,Huang Lisha,Zhang Hengyi,et al.DFIG Virtual InertiaControl in Micro-grid Based on Setting Trigger Condition and ZN Method forParameters Optimization[J].IET Generation Transmission Distribution 2017。
发明内容
本发明是针对双馈风机如何更好地参与到微网的动态频率调节以及风柴调频的协调配合的问题，提出了一种负荷扰动的双馈风机参与风柴微网调频控制方法，提高双馈风机参与微电网的调频能力，增强微电网对负荷扰动的响应能力，同时优化转速恢复过程。
本发明的技术方案为：一种负荷扰动的双馈风机参与风柴微网调频控制方法，包括如下步骤：
1)首先，设计观测器对微电网内负荷扰动进行实时估计，将估计值按比例分配给双馈风机及柴油机承担，并结合传统惯性策略来控制双馈风机的有功输出；
2)增设转速恢复模块，根据微电网频率偏差及双馈风机的功率来设计转速恢复模块的启动条件，待频率恢复稳定后，启动转速恢复模块，转速加速恢复到调频前水平。
所述步骤1)的具体步骤如下：
A:以频率偏差Δf、柴油机输出PG、负荷扰动ΔPL为状态变量，以双馈风机调频增量ΔPe、柴油机输入量作为控制输入u1、u2，微电网调频状态空间模型可写成下式：
式中ΔPd为柴油机输出功率增量，E为柴油机积分控制增量，Tg为柴油机调速器常数；Td为柴油发电机时间常数；Tp为微电源所接电力系统时间常数；Kp为相关增益；R为柴油机调速器速度调节系数；KI为积分控制增益；
状态观测器设计如下：
为状态变量的观测值，为状态变量观测值的导数量；
根据风柴配比来计算负荷扰动时双馈风机和柴油机需要承担的功率比例，假设双馈风机输出额定输出功率为Pw，柴油机额定输出功率为Pd，分配系数β表示为
则双馈风机需要承担的负荷扰动调频值：
B:定义状态估计误差为为状态变量的观测值与实际值x的误差，由式(1)和(2)得观测器得跟踪误差方程：
设计观测器参数，选择合适的G矩阵，使得(A-GC)矩阵特征值都具有负实部，从而保证观测误差方程渐进稳定，实现负荷值估计；
当频率的变化率发生改变时，双馈风机将转子中储存的动能转化为功率输出，从而瞬时提高双馈风机输出的总功率，虚拟惯性控制有下式：
式中ωr为转子转速，H为惯性常数；
步骤A和B所得量之和为双馈风机调频增发的电磁功率量ΔPe。
所述步骤2)的具体步骤如下：
启动转速恢复模块需要考虑两个条件同时成立，如式(10)所示：
其中Δf为系统频率偏差，当Δf变化率为零时，表明频率已趋于稳定，Pe是双馈风机输出电磁功率，Popt为双馈风机参与调频前接收的最优风功率，若风速不变，则风功率Popt基本不变；
在满足启动条件(10)情况下，恢复模块通过对转速偏差进行PI控制，得到功率控制量△P4，设转速偏差Δω＝ωref-ω，则：
式中KP、Ki为可以整定的比例系数，系数KP、Ki采用ZN算法进行整定。
本发明的有益效果在于：本发明负荷扰动的双馈风机参与风柴微网调频控制方法，基于现有的研究成果分析，配合柴油机的调频能力，在双馈风机参与微电网传统调频策略的基础上，进一步提高双馈风机参与微电网的调频能力，增强微电网对负荷扰动的响应能力，待频率恢复稳定后，启动转速恢复模块，转速加速恢复到调频前水平。
附图说明
图1微电网调频模型图；
图2双馈风机传统调频策略图；
图3双馈风机调频过程示意图；
图4本发明考虑负荷扰动的双馈风机惯量控制策略图；
图5本发明转速恢复策略图；
图6本发明双馈风机参与微网调频控制策略图；
图7负荷实际值与观测值比较图；
图8随机负荷扰动图；
图9系统频率图；
图10双馈风机输出功率图；
图11双馈风机转速图；
图12柴油机输出功率图。
具体实施方式
本发明负荷扰动的双馈风机参与风柴微网调频控制方法，首先，设计观测器对微电网内负荷扰动进行实时估计，将估计值按比例分配给双馈风机及柴油机承担，并结合传统惯性策略来控制双馈风机的有功输出；其次，增设转速恢复模块，根据微电网频率偏差及双馈风机的功率来设计转速恢复模块的启动条件，使转速在不影响系统频率的情况下更快地恢复。
下面从工作模式、设计原理、设计方法、有效性验证等几个方面对本发明做进一步说明。
一、微网调频模型及其负荷扰动估计
1、微电网调频模型
采用风柴独立微电网，分布式电源包括柴油机、双馈风机，各分布式电源通过逆变器和变压器接入10kV母线，母线上接有固定负荷和临时负荷。
当微电网负荷产生扰动时，柴油机和双馈风机共同承担频率调节的任务，保证系统频率稳定。图1为微电网的调频模型。其中Δf为系统频率偏差，ΔPL为负荷扰动量，ΔPe为双馈风机调频增量，PG为柴油机调速器输出量，ΔPd为柴油机调频增量。
2、微电网内负荷扰动估计
为了维持独立微网中功率平衡，希望微源能够根据系统负荷扰动量来调节自身的输出功率，但负荷扰动量具有随机性，难以直接测量。这时考虑通过设计观测器来实现负荷扰动量的估计。
观测器是按照原有系统模型，构造一个相似的系统来实现对不易测量值实时估计的作用。状态观测器是一种常用观测器，由于此观测器形式较简便，参数易整定，从而工程实现更加方便。
根据图1，当负荷扰动ΔPL发生后，系统产生频率偏差Δf。基于频率偏差，柴油机模型经调速器及控制输入量u2动态调整增量ΔPG，最终调节功率输出增量ΔPd；双馈风机调频增发的电磁功率量ΔPe由下文中控制策略得到，在此当做已知量作为控制输入u1。风柴共同增发功率弥补负荷扰动量ΔPL，最终减小因功率失衡导致的系统频率偏差。以频率偏差Δf、柴油机输出PG、负荷扰动ΔPL为状态变量，以双馈风机调频增量、柴油机输入量作为控制输入u1、u2，微电网调频状态空间模型可写成下式：
式中Tg为柴油机调速器常数；Td为柴油发电机时间常数；Tp为微电源所接电力系统时间常数；Kp为相关增益；R为柴油机调速器速度调节系数；KI为积分控制增益。
状态观测器设计如下：
为状态变量的观测值，为状态变量观测值的导数量。
定义状态估计误差为(为状态变量的观测值与实际值x的误差)，由式(1)和(2)得观测器得跟踪误差方程：
设计观测器参数，需选择合适的G矩阵，使得(A-GC)矩阵特征值都具有负实部，从而保证观测误差方程渐进稳定，实现负荷值估计。
二、双馈风机参与微电网传统调频控制策略
1、虚拟惯量控制
图2是双馈风机传统惯性调频控制的框图。下面的控制是对双馈风机传统惯性调频控制的具体阐述。
为了模拟同步发电机惯性特性，双馈风机的有功输出与频率不再解耦。当频率的变化率发生改变时，双馈风机将转子中储存的动能转化为功率输出，从而瞬时提高双馈风机输出的总功率。根据文献9，虚拟惯性控制有下式：
式中ωr为转子转速，H为惯性常数。
fmeas是指频率的实时量测值，双馈风机的虚拟惯量控制响应于具有快速响应的特点，虽然只能做短暂的功率支撑，但可以弥补柴油机快速响应的不足。当惯性控制结束后，为了调节稳态的频率偏差，双馈风机模拟同步发电机一次调频的功频静特性关系，将正比于频率偏差的有功功率变化值加入到原有双馈风机出力上，即：
式中，R为功频静特性的下垂系数。
双馈风机传统惯性调频控制中，即双馈风机传统调频过程中所增发的电磁功率是式(4)和(5)之和，ΔPe＝ΔP1+ΔP2。
2、转子转速恢复过程
双馈风机传统调频过程示意图如图3所示。在t0到t1时刻，双馈风机进行虚拟惯量控制，在此期间，风机电磁功率Pref(双馈风机输出电磁功率与输入到转子侧变流器的参考功率一致，因此风机电磁功率用参考功率值Pref代替)从Popt(Popt为双馈风机参与调频前接收的最优风功率)先增大再逐渐减小，转子转速ω逐渐偏离最优转速ωref，风机所接收风功率Pmppt也随着转速减小，转子转速逐渐偏离最优转速。t1时刻虚拟惯量控制结束，开始转速恢复过程，最后回到初始状态，完成调频全过程。通常传统转速恢复是缓慢的过程，而此时不采取有效的转速恢复策略，使转速尽快回到初始水平，如果电网再次发生扰动，则风机转子中储存的动能难以满足调频要求。
三、考虑微网负荷扰动及转速恢复的双馈风机调频策略
1、考虑微网负荷扰动的双馈风机惯量控制策略
在双馈风机参与微电网传统调频策略的基础上，为进一步提高双馈风机参与微电网的调频贡献，增强微电网对负荷扰动的响应能力，并使转速更好地恢复，本文基于传统虚拟惯量控制策略，设计了考虑负荷扰动的调频控制策略。
根据前文，设计状态观测器对负荷扰动进行估计，在估计出负荷扰动值之后，基于此改进双馈风机调频策略。
本文根据风柴配比来计算负荷扰动时双馈风机和柴油机需要承担的功率比例，假设双馈风机输出额定输出功率为Pw，柴油机额定输出功率为Pd。分配系数β可表示为
则双馈风机需要承担的负荷扰动调频值
(扰动时ΔPe＝ΔP1+ΔP3)
通过以上分析，将传统调频策略与负荷扰动值结合，考虑负荷扰动的惯量控制策略如图4所示，fmeas是指频率的实时量测值，△Pe为双馈风机调频增量。
2、双馈风机转子转速恢复控制策略
为了使转速能够更快恢复，同时避免双馈风机转速恢复对微电网频率的不利影响，本文在转速恢复过程加入转速恢复模块，并提出基于微电网频率偏差和双馈风机功率的转速恢复模块启动条件。
1)转速恢复模块
双馈风机开始转速恢复时，转速通常处于较低的水平，自身恢复速度较慢，回到调频前的水平需要较长的时间。因此，需要设置转速恢复模块帮助转子转速更快地进行恢复。如图5所示(图5是启动条件与公式8的结合)，在启动条件成立下，恢复模块通过对转速偏差进行PI控制，得到功率控制量△P4。设转速偏差Δω＝ωref-ω，则：
(图5中的△P是增发电磁功率的一部分，公式(8)是为了响应转速变化而额外增加的部分，且此时负荷扰动可能依然存在，因此应基于式ΔPe＝ΔP1+ΔP3。另外，公式(8)这部分功率控制量是表示牺牲部分电磁功率来实现转子转速的增加，因此为负数。故当双馈风机调频任务完成时，ΔPe＝ΔP1+ΔP3-ΔP4，详见图6),式中KP、Ki为可以整定的比例系数，本文中采用ZN算法进行整定。
2)转速恢复模块启动条件设计
为了避免双馈风机转速恢复对微电网频率的不利影响，希望启动转速恢复模块的条件是：第一，当频率偏差为零并趋于稳定时，表明系统频率恢复稳定，这时表示双馈风机调频任务完成，外部条件允许其可以开始转速恢复阶段。第二，双馈风机的电磁功率需要等于或小于其捕获的风功率。双馈风机转子转矩方程如式(9)所示。
表明双馈风机电磁转矩Te等于其机械转矩Tm时，转子加速度为0，转速处于临界点。随着电磁功率进一步下降，机械转矩大于其电磁转矩，转子将产生正加速度，转子速度提高，开始恢复。因此双馈风机输出功率要满足上述要求，才可以开始转速恢复。
综合以上分析，启动转速恢复模块需要考虑两个条件同时成立，如式(10)所示。
其中Δf为系统频率偏差，当Δf变化率为零时，表明频率已趋于稳定。Pe是双馈风机输出电磁功率，Popt为双馈风机参与调频前接收的最优风功率，若风速不变，则风功率Popt基本不变。
结合启动条件，设计转速恢复控制策略，如图5所示。其中虚线框内为启动条件，当满足条件时，启动虚线框外的转速恢复模块，加速转速恢复。
另外，为了防止双馈风机因参与调频过度导致转速过低，影响双馈风机安全稳定运行,需要设置转速保护模块。此模块以安全转速ωmin作为启动条件，当转速低于ωmin时，双馈风机不再参与系统频率调节。
综上分析：考虑微网负荷扰动及转速恢复的双馈风机参与调频策略如图6所示。在正常运行时，双馈风机通过超速控制减载K％运行以留有备用容量，当发生频率变化后，所提控制策略使双馈风机响应频率偏差和负荷扰动瞬时增加功率输出，待频率恢复稳定后，启动转速恢复模块，转速加速恢复到调频前水平。
为了验证观测器对负荷的估计效果，针对阶跃负荷扰动进行观测。在t＝10s时投入负荷1MW，经过标幺化后，得到仿真结果。图7是阶跃负荷的实际值和估计值的对比。可以看出，观测结果误差趋近于零，具有满意的误差精度，说明该观测器具有很好的估计效果，并具有鲁棒性的优点。
为了更好地模拟真实工况，验证在随机负荷扰动情况下控制策略的有效性，加入随机负荷扰动，即在10s时投入1MW负荷，20s时再投入1MW，30s时切除0.5MW，最后在40s时再切除1MW负荷，经过标幺化后，负荷扰动如图8所示。此时双馈风机包含调频和转速恢复的两个阶段。将该负荷扰动加入到仿真模型中，对比了在该扰动下双馈风机采用传统调频策略、不含转速恢复的考虑负荷扰动的惯量控制策略以及本文提出的综合参与微电网调频策略三种情况下的微电网频率、微源出力及双馈风机转速情况。
图9表示独立微网在投入随机负荷后三种控制策略下的频率变化情况。在10～30s内，由于相继投入负荷，对微电网系统产生扰动，系统频率接连下降。可以看到，加入负荷扰动的两种控制策略与不加的传统控制策略相比，在12s和22s系统频率跌落的最大值均减小了50mHz，这说明所提出的负荷频率控制能更好地抑制频率跌落，减小动态频率偏差，相比传统控制其动态调频效果更好。在30～50s内，外部负荷减少，频率逐步回升。可以看出，采取转速恢复的综合控制与不含转速恢复的负荷惯量控制相比，前者在32s频率偏差稳定时开始启动转速恢复模块，频率虽稍有跌落但在43s时就已回到正常水平，早于后者3s，且频率超调量后者比前者高出60mHz。这说明转速恢复对频率恢复正常水平有着积极的作用。不含转速恢复的负荷惯量控制与传统控制相比，虽然频率恢复时间相同，但传统控制频率超调量高50mHz，这说明考虑负荷扰动有助于动态调频，但对于频率快速恢复则缺少贡献。综上所述，通过对三种策略对比，综合控制策略既能有效抑制频率的跌落，也有助于转速更快更好地回到正常水平。
图10为三种控制策略下的双馈风机实时出力情况。从图中可以看出，负荷投入后，在10～30s内，考虑负荷扰动的两种控制的双馈风机输出功率明显高于传统控制；20～30s的双馈风机输出增加量高出10～20s时对应量40kW，这说明此策略响应于负荷的实时变化，当负荷缺额增大时，相应增大双馈风机的有功输出，提高双馈风机的动态调频贡献。另一方面，在30～50s内，综合控制在32s时启动恢复转速，双馈风机输出功率比其他两种控制最大减少达100kW，随着负荷的进一步切除，综合控制在40～50s内比传统控制的输出功率最大减少360kW，而减少的这些功率都用于双馈风机恢复转速，这说明转速恢复模块使得更多的风机功率用于恢复阶段。不含转速恢复的负荷频率控制在42s时功率降幅比传统控制多160kW，说明负荷惯量控制策略在转速恢复过程中也起到了一定的作用，有助于转速恢复。因此，综合控制策略能够使双馈风机在调频阶段输出更多的有功功率参与调频，在恢复阶段调节更多的功率用于转速恢复。
图11表示三种控制策略下双馈风机转速的对比情况。可以看到，在10～30s期间，考虑负荷扰动的两种控制与传统控制相比，转速下降较多，最大降幅0.8pu，这是因为考虑负荷扰动后双馈风机输出更多的有功功率用于调频，故有更多的转子动能转化为风机出力。在30～50s内，不含转速恢复的两种控制策略对比，虽然负荷惯量控制起始转速较低，但在相同的时间内与传统控制恢复到同一水平，这说明加入负荷扰动也有助于转速的恢复。可以明显看到，含转速恢复的综合控制与其他两种控制相比，转速在50s时回到调频前的水平，远快于其他两种控制，这表明转速恢复模块能够使转速更快更好的恢复，达到了预期的效果。图12为柴油机输出功率的变化情况。调频阶段开始后，在10～30s，考虑负荷扰动的两种控制方式与传统控制相比，输出功率减少，承担调频量减小；在恢复转速阶段，输出功率相比增加，用于补偿双馈风机的输出功率。

Claims (3)

1.一种负荷扰动的双馈风机参与风柴微网调频控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)首先，设计观测器对微电网内负荷扰动进行实时估计，将估计值按比例分配给双馈风机及柴油机承担，并结合传统惯性策略来控制双馈风机的有功输出；
2)增设转速恢复模块，根据微电网频率偏差及双馈风机的功率来设计转速恢复模块的启动条件，待频率恢复稳定后，启动转速恢复模块，转速加速恢复到调频前水平。
2.根据权利要求1所述负荷扰动的双馈风机参与风柴微网调频控制方法，其特征在于，所述步骤1)的具体步骤如下：
A:以频率偏差Δf、柴油机输出PG、负荷扰动ΔPL为状态变量，以双馈风机调频增量ΔPe、柴油机输入量作为控制输入u1、u2，微电网调频状态空间模型可写成下式：
<mrow> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mover> <mi>x</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>A</mi> <mi>x</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mi>B</mi> <mi>u</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>y</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>C</mi> <mi>x</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
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式中ΔPd为柴油机输出功率增量，E为柴油机积分控制增量，Tg为柴油机调速器常数；Td为柴油发电机时间常数；Tp为微电源所接电力系统时间常数；Kp为相关增益；R为柴油机调速器速度调节系数；KI为积分控制增益；
状态观测器设计如下：
<mrow> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mover> <mover> <mi>x</mi> <mo>^</mo> </mover> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>A</mi> <mover> <mi>x</mi> <mo>^</mo> </mover> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mi>B</mi> <mi>u</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mi>G</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>y</mi> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> <mo>-</mo> <mover> <mi>y</mi> <mo>^</mo> </mover> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mover> <mi>y</mi> <mo>^</mo> </mover> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>C</mi> <mover> <mi>x</mi> <mo>^</mo> </mover> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
为状态变量的观测值，为状态变量观测值的导数量；
根据风柴配比来计算负荷扰动时双馈风机和柴油机需要承担的功率比例，假设双馈风机输出额定输出功率为Pw，柴油机额定输出功率为Pd，分配系数β表示为
<mrow> <mi>&amp;beta;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>P</mi> <mi>w</mi> </msub> <mrow> <msub> <mi>P</mi> <mi>w</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>P</mi> <mi>d</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>6</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
则双馈风机需要承担的负荷扰动调频值：
<mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;P</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>=</mo> <mi>&amp;beta;</mi> <mo>*</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <msub> <mover> <mi>P</mi> <mo>^</mo> </mover> <mi>L</mi> </msub> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>7</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>;</mo> </mrow>
B:定义状态估计误差为 为状态变量的观测值与实际值x的误差，由式(1)和(2)得观测器得跟踪误差方程：
<mrow> <mover> <mover> <mi>x</mi> <mo>~</mo> </mover> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>A</mi> <mo>-</mo> <mi>G</mi> <mi>C</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mover> <mi>x</mi> <mo>~</mo> </mover> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
设计观测器参数，选择合适的G矩阵，使得(A-GC)矩阵特征值都具有负实部，从而保证观测误差方程渐进稳定，实现负荷值估计；
当频率的变化率发生改变时，双馈风机将转子中储存的动能转化为功率输出，从而瞬时提高双馈风机输出的总功率，虚拟惯性控制有下式：
<mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;P</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <mn>2</mn> <msub> <mi>H&amp;omega;</mi> <mi>r</mi> </msub> <mfrac> <mrow> <mi>d</mi> <mi>f</mi> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式中ωr为转子转速，H为惯性常数；
步骤A和B所得量之和为双馈风机调频增发的电磁功率量ΔPe。
3.根据权利要求1或2所述负荷扰动的双馈风机参与风柴微网调频控制方法，其特征在于，所述步骤2)的具体步骤如下：
启动转速恢复模块需要考虑两个条件同时成立，如式(10)所示：
<mrow> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mfrac> <mrow> <mi>d</mi> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>f</mi> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>P</mi> <mi>e</mi> </msub> <mo>&amp;le;</mo> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>o</mi> <mi>p</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>10</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中Δf为系统频率偏差，当Δf变化率为零时，表明频率已趋于稳定，Pe是双馈风机输出电磁功率，Popt为双馈风机参与调频前接收的最优风功率，若风速不变，则风功率Popt基本不变；
在满足启动条件(10)情况下，恢复模块通过对转速偏差进行PI控制，得到功率控制量△P4，设转速偏差Δω＝ωref-ω，则：
<mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;P</mi> <mn>4</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>K</mi> <mi>p</mi> </msub> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>&amp;omega;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub> <mi>K</mi> <mi>i</mi> </msub> <munderover> <mo>&amp;Integral;</mo> <mn>0</mn> <mi>t</mi> </munderover> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>&amp;omega;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;tau;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>d</mi> <mi>&amp;tau;</mi> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>8</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式中KP、Ki为可以整定的比例系数，系数KP、Ki采用ZN算法进行整定。
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