基于微电网BESS的风力发电机扭振抑制混合控制策略研究

《IEEE Open Access Journal of Power and Energy》：Torsional Vibration Mitigation in Wind Turbines Using BESS in a Microgrid

为解决风力发电机(WTG)在参与微电网频率调节时引发的传动系统扭振问题，研究人员开展了基于电池储能系统(BESS)的扭振抑制策略研究。研究提出了一种结合线性控制器与滑模控制(SMC)的混合控制方案，通过BESS快速功率调节能力有效抑制了非计划孤岛和风速变化工况下的扭振幅值。仿真结果表明，该方案在保证频率支撑性能的同时显著降低了传动系统机械应力，拓展了BESS在微电网中的辅助服务应用场景。

　　

随着可再生能源大规模替代传统机组，高比例新能源电网呈现出低惯性特征，而风机等可再生能源通常缺乏固有的频率调节能力。系统扰动会导致明显的频率偏差，这一问题在孤立微电网和低惯性系统中尤为突出。近年来，风力发电机(WTG)被要求加装辅助频率控制器，通过变桨控制或惯性控制来协助常规机组调整系统频率。然而，当辅助频率调节功能被引入WTG控制系统后，风机转子动力学通过变流器控制回路与系统频率耦合，导致风电机组的机电特性发生改变，可能引发风力发电机传动系统的剧烈扭振。持续的扭振会逐渐导致材料劣化、磨损加剧，最终引发疲劳故障。此外，WTG扭振还可能由电网电压机电激励或风速变化机械诱发。如何有效抑制这些不良扭振，成为保障风电机组可靠运行的关键挑战。

针对上述问题，发表在《IEEE Open Access Journal of Power and Energy》的研究提出了一种利用微电网中电池储能系统(BESS)抑制WTG扭振的创新方案。该研究设计了一种结合线性控制器与滑模控制器(SMC)的混合控制策略，通过BESS的快速动态响应特性来阻尼传动系统振荡。当微电网遭遇重大扰动导致大振幅扭振时，SMC主动介入高效抑制振动；而在正常运行或小扰动工况下，线性控制器发挥作用以确保控制性能。这种混合结构既保证了正常工况下的控制效果，又能在故障情况下有效抑制振动幅值。

研究人员采用的关键技术方法包括：建立包含柴油发电机、双馈感应发电机(DFIG)风机和BESS的微电网动态模型；基于平衡实现和Hankel奇异值截断技术的二阶降阶线性模型设计；结合李雅普诺夫直接法的滑模控制器设计，通过鲁棒项处理参数不确定性和外部扰动；以及基于扭振分量阈值的混合控制器切换策略。通过MATLAB/Simulink时域仿真，验证了控制器在非计划孤岛、风速阶跃变化和波动等多种工况下的有效性。

系统频率响应与扭振机理分析

研究建立了如图1所示的微电网结构，包含5台柴油发电机、2台WTG和1套BESS。通过图2所示的频率控制框图，分析了系统频率动态特性。WTG采用图3所示的两质量块传动系统模型，忽略轴系阻尼以考虑最恶劣工况。研究表明，风速阶跃变化（图4）和孤岛扰动（图5）都会激发传动系统扭振，而WTG参与频率调节虽能改善频率最低点，但会加剧扭振现象。

混合控制器设计原理

图6展示了所提出的混合控制器结构。线性控制器通过带阻滤波器提取2.9Hz主导扭振频率分量，基于降阶模型设计最优增益。图7对比了非线性模型、六阶全线性模型和二阶降阶模型对0.01pu功率扰动的动态响应，验证了降阶模型对扭振动态的准确捕捉。图8分析了控制器增益对超调量(M_p)、调节时间(t_s)和阻尼比(ζ)的影响，表明增益在105-320pu范围内可实现超调量与调节时间的平衡。

滑模控制器通过定义滑动面s=?+λe，基于李雅普诺夫稳定性理论设计控制律，包含鲁棒项ηsgn(s)以应对参数不确定性和外部扰动。混合控制 scheme 根据扭振分量Δω_H的幅值阈值Φ进行切换：当|Δω_H|>Φ时激活SMC抑制大振幅振动；当|Δω_H|≤Φ时采用线性控制器u=k_dΔω_H维持正常运行。

非计划孤岛引发的扭振抑制效果

图9展示了微电网在t=1秒遭遇0.07pu功率缺额时的动态响应。对比无阻尼控制器、WTG转子侧变流器(RSC)阻尼器、线性控制器和混合控制器四种情况，结果表明所提混合控制器能最有效抑制Δω_H和Δθ_H的振荡幅度。表II数据显示，混合控制器将Δω_H的最大振幅从无控制器时的17.76×10^-4pu降至3.55×10^-4pu，显著优于其他方案。虽然阻尼控制器的使用会轻微恶化频率最低点，但对整体频率影响甚微。

风速变化引发的扭振抑制效果

图10-11展示了孤岛模式下风速阶跃变化时的控制器性能。表III数据显示，混合控制器将Δω_H和Δθ_H的最大振幅分别从无控制器时的2.54×10^-3pu和17.53×10^-5pu降至1.08×10^-3pu和7.81×10^-5pu。图12-13进一步验证了控制器在符合IEC 61400-1标准的风速波动条件下的有效性，表明方案能适应实际风场的动态变化工况。

参数不确定性与运行工况适应性分析

图14研究了柴油发电机容量和系统惯性常数变化对控制器性能的影响。结果表明，虽然参数变化会导致频率最低点轻微恶化，但混合控制器中的鲁棒项能有效抑制扭振影响。图15进一步验证了控制器在不同风速和柴油发电机投运数量下的适应性，证实了方案在多种运行条件下的鲁棒性。

该研究通过理论分析和仿真验证，提出了一种创新的BESS辅助扭振抑制方案，有效解决了WTG参与频率调节引发的传动系统振荡问题。混合控制策略兼具线性控制的精确性和滑模控制的强鲁棒性，在保证频率支撑性能的同时显著降低了机械应力。研究拓展了BESS在微电网中的辅助服务应用范畴，为高比例新能源接入下的电网稳定运行提供了新的技术路径。需要注意的是，实际应用中需考虑BESS功率容量与荷电状态(SOC)储备、通信延迟与信号获取、以及对系统频率性能的轻微影响等工程实施挑战。