基于二阶积分滑模的风光并网机组频率越限多阈值控制

中图分类号：TM761.2 文献标识码： A

0 引言

由于风速和光照强度具有随机性和间歇性，这导致风电机组和光伏电站的输出功率存在不同程度不间断波动[1]。除此之外，风电机组自身通过电力电子单元接入电网，这也导致其调节特性与传统同步发电机组存在异步。虽然部分地区的风电已实现了快速调频（FFR），对应的风电机组可在500ms 内完成全调节响应，但风电的持续调节能力仍有待开发[2]。且风电机组具有容量相对较小的特点，功率缺额比例直接影响着系统频率的变化幅度，这就使得在频率变化初期，风电提供的调节能量有限，难以有效控制风光并网机组频率越限问题[3]。

在相关风光并网机组频率控制的研究中，莫中华等人开展了基于限功率运行模式的双馈风电机组自适应频率控制研究[4]，结合双馈风电机组在限功率运行时的运行特性，针对传统频率控制方法在限功率运行下的局限性，设计了自适应频率控制策略。通过实时监测电网频率和风电机组运行状态，动态调整控制参数，实现风电机组在限功率运行模式下对电网频率的有效支撑。仿真和实验验证结果表明，其能够显著提高双馈风电机组在限功率运行时的频率响应能力，但是频率越限问题仍然存在。田春筝等人开展了基于模糊控制与风速分区的风电机组一次调频控制策略研究[5]，结合风速变化与风电机组输出功率和调频能力之间的关系，将风速划分为不同的区间。针对各风速区间设计了对应的模糊控制器，将电网频率偏差和频率变化率作为模糊控制器的输入变量，结合模糊推理输出风电机组的调频控制指令。仿真分析和实际案例验证结果表明，其能够有效提高风电机组的一次调频效果，在不同风速条件下均具有良好的适应性。但是频率越限频次相对较高。曲建璋等人开展了计及风电机组短时过载能力的风电场多机协同频率控制策略研究[6]，以各风电机组的运行状态和短时过载能力为约束，通过建立风电场多机协同频率控制模型对调频任务进行分配，实现风电场整体对电网频率的有效支撑。仿真结果表明，其提高了风电场在频率事件发生时的响应速度和调频能力，增强了电网的频率稳定性。但是频率越限程度相对较高。杨易茗开展了基于自适应系数的双馈风电机组调频控制策略及参数优化研究[7]，针对传统调频控制策略中参数固定的问题，引入了优化自适应系数，根据电网频率变化和风电机组运行状态实时调整。仿真和实验验证结果表明，其能够有效提高双馈风电机组的调频精度和响应速度，对增强电网的频率稳定性具有积极意义。但是频率越限问题仍较为明显。

综合上述，本文开展了基于二阶积分滑模的风光并网机组频率越限多阈值控制，并通过对比测试的方式分析了设计控制方法的应用效果。

在图 1 所示的 IEEE36 风光并网系统中，同步发电机组容量分为4 种类型，分别为 500.0MW（3 台）、650.0MW（2 台）、560.0MW（2 台）以及250.0MW（2 台），图1 中的3 号机组为参考机组。结合图1 所示的信息可以看出，34 节点为风电机组DFIG、光伏发电机组PV 以及储能的接入节点。运行过程中，风光机组的渗透率为30.0%。表1 为具体的仿真参数设置情况。

表1 仿真参数设置

对于具体的仿真工况，为图1 所示IEEE36 风光并网系统中节点 17 设置了连续性变化的随机负荷工况，以此模拟天气、季节和日夜变化因素对风力和光伏发电机组输出频率的影响，对应的随机负荷波动区间范围为-0.2p.u.到0.2p.u.。

2.3 测试结果与分析

分别设置基于限功率运行模式的双馈风电机组自适应频率控制研究，以及基于模糊控制与风速分区的风电机组一次调频控制策略研究作为测试的对照组。

首先分析了不同研究成果和控制方法下，测试机组输出频率的偏差分布情况，图2 为具体的测试结果。

结合图 2 所示的测试结果可以看出，在三种不同研究成果和控制方法下，本文设计方法对应的机组输出频率偏差程度最低，表明其够实现对频率异常的有效控制。这是因为本文设计方法利用二阶积分滑模控制律建立频率控制系数与频率偏差及其有效动能之间的关联时，考虑了频率偏差与机组释放能量之间的协同关系，使得输出的调频参与系数能够适应当前的频率状态，进而保障了频率偏差稳定在低水平。

其次，对比分析了三种不同研究成果和控制方法下 ，测试机组输出频率极值点与允许频率区间范围的关系，其结果如图3 所示。

结合图 3 所示的测试结果可以看出，在三种不同研究成果和控制方法下，本文设计方法对应的机组输出频率极值点始终稳定在允许频率区间范围内，表明越限问题得到了有效控制。这是因为本文设计方法在构建自适应鲁棒属性的二阶积分滑模控制律时，嵌入了风光并网机组的额定频率区间上限阈值和下限阈值，进而避免了控制输出存在的越限问题。

3 结束语

针对风光并网机组频率波动具有不规则属性，本文从避免频率越限的角度出发，开展了基于二阶积分滑模的风光并网机组频率越限多阈值控制研究。分别将允许输出频率的上下界阈值作为风光并网机组二阶积分状态方程的参量，构建了包含 d 轴和 q 轴上的二阶积分滑模面，实现了对频率状态的分解。将输出频率与阈值差值带入到二阶积分滑模函数中，在指数趋近律下计算得到了适应频率波动状态的风光并网机组调频参与系数。测试结果验证了设计方法能够降低机组频率偏差程度，且有效避免了频率越限问题的发生。

参考文献

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[6]曲建璋，丁浩天，王毓琦，等.计及风电机组短时过 场多机协同频率控制策略[J].山东电力技术，2024，51（10）：1-9.

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