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基于双层MPC的微网中DFIG参与一次频率调节的增强型构网控制策略

Enhanced Grid-Forming Control Strategy for DFIG Participating in Primary Frequency Regulation Based on Double-Layer MPC in Microgrid

作者 Zeyu Zhang · Dan Sun · Chen Zhao · Zhenyu Gu · Heng Nian
期刊 IEEE Transactions on Energy Conversion
出版日期 2025年2月
技术分类 风电变流技术
技术标签 构网型GFM 模型预测控制MPC 调峰调频 微电网
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 双馈感应发电机 双层模型预测控制 一次调频 虚拟同步发电机 频率支持能力
语言:

中文摘要

为提高微电网中双馈感应发电机(DFIG)系统的频率支撑能力并改善控制效果,本文提出一种基于双层模型预测控制(MPC)的双馈感应发电机成网控制(GFM - DFIG)方法用于一次调频(PFR)。首先,设计了顶层MPC,通过优化虚拟同步发电机(VSG)控制器的控制系数和功率指令来增强PFR能力。该层以预测的频率恶化趋势为参考,在并网和孤岛模式下自适应调节控制系数。然后,采用二次优化算法,结合系统频率响应(SFR)模型,计算出能抑制频率下降的附加功率,用于修正功率指令。同时,设计了VSG控制器的阻尼比约束机制,以避免系数调整带来的影响。其次,设计了基于有限集最小拍跟踪的底层MPC,并结合VSG内部电路重构,以改善DFIG定子电压和电流的控制效果和动态响应。顶层和底层共同作用可提高DFIG系统的整体控制效果和频率支撑能力。最后,在仿真系统中验证了所提出的GFM - DFIG方法的有效性和优势。

English Abstract

To enhance the frequency support capability of the doubly fed induction generator (DFIG) system in microgrid while improving the control effect, a double-layer model predictive control (MPC)-based grid-forming control of DFIG (GFM-DFIG) is proposed for primary frequency regulation (PFR). Firstly, a top-layer MPC is designed to enhance the PFR capability by optimizing control coefficients and power commands of the virtual synchronous generator (VSG) controller. This layer utilizes the predicted frequency deterioration trend as reference to adaptively regulate control coefficients in both grid-connected and islanded mode. Then, the quadratic optimization algorithm is employed to calculate the additional power that can suppress frequency degradation in modifying power commands combined with the system frequency response (SFR) model. Meanwhile, a damping ratio constraint mechanism for VSG controller is designed to avoid the impacts of coefficient adjustment. Secondly, a finite-set min-beat tracking-based bottom layer MPC combined with a VSG inner electrical circuit reconstruction is designed to improve the control effect and dynamic response of DFIG's stator voltage and current. The top-layer and bottom-layer together can enhance the overall control effect and frequency support capability of the DFIG system. Finally, the effectiveness and advantages of the proposed GFM-DFIG is displayed in a simulation system.
S

SunView 深度解读

从阳光电源微电网解决方案和分布式能源系统业务视角看,这项基于双层模型预测控制的双馈风机构网型控制技术具有重要的参考价值和应用潜力。

该技术的核心创新在于通过双层MPC架构提升风机的一次调频能力,这与阳光电源在光储系统中面临的频率支撑需求高度契合。上层MPC通过预测频率劣化趋势自适应调节虚拟同步机控制系数,结合系统频率响应模型优化附加功率指令,这种思路可直接借鉴至我司的光伏并网逆变器和储能变流器产品中。特别是在高比例新能源接入的微电网场景下,构网型控制已成为提升系统惯量和频率稳定性的关键技术路径。

从技术成熟度评估,双层MPC架构虽然控制效果优异,但计算复杂度较高,对控制器硬件性能和实时性要求严苛。阳光电源若要将此技术应用于逆变器产品,需要在算法优化和嵌入式实现之间寻求平衡。论文中提出的阻尼比约束机制和有限集最小拍跟踪方法为降低计算负担提供了可行方案。

应用前景方面,该技术与我司正在推进的"源网荷储"一体化解决方案战略高度吻合。随着新型电力系统建设加速,电网对新能源设备的频率支撑能力要求日益严格,具备增强型一次调频功能的构网型逆变器将成为市场刚需。建议重点关注该技术在光储融合系统中的适配性研究,特别是多机协同控制和参数自适应优化方面,这将直接提升阳光电源在高端微电网市场的技术竞争力和系统集成能力。