雙饋型風電機組的慣性控制

王瓊，白麗燕，桑海燕，楊旭東，劉曉紅

(蘭州供電公司，甘肅 蘭州 730050)

1 引言

風力發電作為目前技術比較成熟，經濟效益較好的可再生能開發利用方式，已經被越來越多的國家列為能源發展的首要戰略［1］。而雙饋型風電機組以其具有較強風能捕獲能力、改善風電場功率因數及電壓穩定性的性能成為目前大型風電場的主流機型。雙饋型風電機組通過轉子側接換流器實現對風電機組的變速恒頻控制，捕獲最大風能。中間的直流電壓總線實現了電機與電網之間的解耦。因此，電網中頻率的變化對發電機轉子沒有任何影響，因而其旋轉動能被“隱藏”起來，對電力系統的慣量幾乎沒有貢獻。隨著系統中風機滲透率增加，電力系統表現出來的慣性將減少，因此各種系統突發事件(如發電機組的解列)或負載突然變化時會產生更高的頻率變化率。這意味著旋轉儲備只剩較少的時間來調節功率失衡，這可能引起較大的頻率偏差。

因此，有必要研究雙饋風電機組的頻率控制策略，進而提高含大型風電場系統的頻率控制能力。本文從雙饋型風力機組的慣性特性的角度出發，研究了頻率的慣性響應階段的控制策略。

2 雙饋風電機組的模型及控制策略

DFIG在dq同步旋轉坐標系下的磁鏈、電壓、功率和電磁轉矩方程為［2］:

式中:ωe為同步角速度;ωr為轉子電角速度;Us、Ur分別為定、轉子電壓矢量;Is、Ir分別為定、轉子電流矢量;ψs、ψr分別為定、轉子磁鏈矢量;Rs、Rr、Ls、Lr、Lm分別為定、轉子電阻、等效自感和互感;Ps、Qs分別為DFIG的電磁轉矩、定子側有功、無功功率;pD為雙饋電機的極對數。

忽略定子電阻及定子磁鏈變化，將同步坐標系的d軸定向在定子電壓矢量上，由式(1)可得DFIG定子側有功、無功功率和電磁轉矩方程

由式(2)可知，當采用定子電壓矢量定向控制，并保持定子磁鏈恒定時，DFIG機組定子側有功功率或電磁轉矩可通過轉子電流的d軸分量Ird控制，無功功率可以通過轉子電流的q軸分量Irq控制，從而實現了有功和無功功率的解耦控制［3］。

雙饋感應發電機的有功功率控制主要體現在最大風能捕獲上。最大風能捕獲指的是當風力機工作在切入風速和最大轉速值之間時，通過調節發電機的轉速，獲取最大的風能利用系數Cp，進而使機組能夠最大程度的吸收風能。

本文采用的最大風能捕獲的基本原理如圖4所示。發電機的有功功率經過轉速－功率曲線得到轉速參考值ωref，并與發電機實際轉速ωr相比較，偏差值ωerr經過PI調節器得到參考轉矩，再與發電機轉速相乘，便得到發電機的參考有功功率Pord。將Pord與Vterm做除法運算得到發電機控制信號Ipmax。

圖1 最大風能捕獲原理圖

在DFIG最大功率跟蹤控制過程中，轉子側換流器僅根據風電機組轉速變化調節有功輸出。因此，當電網有功擾動時，風電機組仍然遵循其控制指令向電網輸送功率，不能分擔系統有功功率的變化，無法對系統擾動提供慣性支持。

風力機轉子中存儲的動能可以表示為:

式中，J為風力機轉動慣量;ω為風力機轉子轉速。當系統頻率從f0變化到f1時，轉子轉速將相應地從ω0變化到ω1，則風力機轉子吸收或釋放的旋轉動能為:

由上式可知，若DFIG風電機組的轉速運行范圍為0.8～1.2(pu)，則通過改變風電機組的轉子最大可以提供56%的轉子動能。因此當DFIG風電機組或者風電場在電網中占到較大的比例時，其對整個系統轉動慣量的貢獻不容忽視。

可稱式(4)為DFIG風電機組所具有的隱藏動能，當利用該部分動能使DFIG風電機組的"隱藏慣量"得到體現后，變速風電機組將具備類似同步發電機的慣性響應能力，并在參與系統調頻過程中減小頻率變化率的最大值。通過控制DFIG風電機組的轉子轉速變化，并利用其轉子動能所得到的風電機組的電磁功率為［4］:

慣性時間常數往往表示發電機組利用其旋轉動能提供功率輸出所能持續的時間。若定義DFIG風電機組的慣性常數為H，則H可表示為:

式中，S為視在功率;ωs為風電機組的額定角速度。將H代入式(1.6)，且用標幺值來表示由轉子動能所轉換而來的電磁功率，可得到:

由上述慣性控制原理可知，在DFIG風電機組轉子側變換器控制系統中的有功功率參考值上增加一個與系統頻率相關聯的額外有功功率值，可對原來的功率控制環節進行修正，使得風電機組可在較短的反應時間內調整其有功輸出，即對系統頻率具有了有效的響應。當系統頻率保持在其額定值且不發生變化時，該附加的頻率控制環節將不起任何作用。而當頻率發生變化時，頻率控制環節開始根據控制需求來動作。系統頻率下降時，DFIG風電機組通過附加頻率控制環節來降低其轉子轉速，從而將部分轉子動能轉化為有功功率輸入系統。反之，當系統頻率升高時，DFIG風電機組通過提高轉子轉速來吸收部分電磁功率，并將轉化所得的有功功率儲存于風電機組的轉子中，從而減少了有功功率的輸出，即實現了此時風電機組參與系統調頻的目的［4］。

綜上可知，在DFIG風電機組的控制系統中增加一個額外的頻率控制環節，既可以保持該種變速風電機組轉速可控的優點，又能夠使風電機組在系統頻率變化時通過調節轉子轉速來吸收或者釋放一部分轉子動能，從而對系統頻率產生有效的響應。

在運用DFIG風電機組的慣性控制法設計其附加頻率控制環節時，通常是參考慣性響應實現的基本原理，通過系統頻率的變化率來獲得額外的有功參考信號，從而使DFIG風電機組具有虛擬的慣性響應［5］;

由式(7)可知，當系統頻率變化時，利用系統中各同步電機的轉動慣量所能獲得的快速有功支持應當正比于發電機轉子轉速的變化率，也即系統頻率的變化率。因此，運用虛擬慣性控制法所獲得的額外有功參考信號ΔP可以通過一個與系統頻率變化率的正比關系來得到［7－10］:

式中，Kf為控制比例系數，通常為定值。另外，在具體的控制設計中，往往還應加入低通濾波器等相關輔助控制設備，以消除控制信號中的噪聲干擾或者個別過大的信號。

由第二章可知，得到的參考轉矩，再與發電機轉速相乘，便得到發電機的參考有功功率Pord，這樣，附加的頻率控制環節，既可以加在發電機的參考轉矩上，進而影響發電機的參考有功功率(如圖1)，也可以直接加在發電機的參考有功功率上，最終改變發電機的有功輸出(如圖2)［5］。本文選取的是第一種方法進行仿真。

圖2 加在參考轉矩上的慣性控制方法

圖3 加在參考功率上的慣性控制方法

頻器中附加的頻率控制模塊不起任何作用。當系統出現功率缺額，頻率發生變化時，雙饋感應電機的有功功率參考設定點將會被附加的頻率控制模塊修改，參考設定點的值將等于電網頻率變化率的函數。模擬的慣量正比于控制器常數，這個控制環節在電網頻率超出指定的限值時會改變DFIG有功功率的設定點。

雙饋感應風電機組在增加了附加頻率控制環節之后，能夠在電網頻率發生變化時快速、有效的響應，改善了雙饋感應風電機組的慣性特性。

3 仿真研究

3.1 基于Matlab/Simulink的仿真模型建立

為驗證本文所提出的DFIG風電機組參與系統慣性控制策略的有效性，在Matlab/Simulink仿真平臺上建立了一個含大規模風電并網的算例系統。該仿真系統是由一臺同步發電機，一臺風力發電機及負載若干組成，如圖所示。

圖4 仿真模型圖

該仿真系統如圖4所示，其中G1是一臺額定功率為900MW的同步發電機，G2為一臺等值了額定容量為600*1.5MW大規模風電場的DFIG風電機組，G3為無窮大電源，其作用只是啟動DFIG風電機組，風電機組啟動后，G3斷開，L1、L2和L3都為系統負荷，其中L3是在DFIG風電機組穩定運行后投入的。每臺同步發電機均配備了調速器和電力系統穩定器(PSS)，等值的DFIG風電機組則選取了simulink模型庫中的DFIG average模型。

仿真中中搭建的慣性控制環節如圖5所示。

圖5 仿真時的慣性控制策略

3.2 仿真參數的設定

圖5中，參數TS，K在仿真時并不是可以隨意選取的，都有其對應的范圍，當選去一個TS后，就有一個最大的K值。

選取 TS=0.1，0.2，0.5，1，2，5，10，仿真確定相應的K的最大值。

仿真結果如下:

圖6 同參數時的加與不加慣性控制時的DFIG有功輸出對比

圖7 不同參數時的加與不加慣性控制時的DFIG有功輸出對比

圖8 不同參數時的加與不加慣性控制時的DFIG有功輸出對比

圖9 不同參數時的加與不加慣性控制時的DFIG有功輸出對比

圖10 不同參數時的加與不加慣性控制時的DFIG有功輸出對比

從上述圖可以看出，系數TS，決定了DFIG轉子動能釋放的快慢，TS越大，釋放越慢;系數K決定轉子動能釋放的多少，系數K越大，轉子動能釋放的能量越多。

同時，當選取一個TS時，對應的Kmax/H有這樣的關系:當TS較小時，Kmax/H是TS的2.5倍，當較大時，Kmax/H約是TS的2倍，并有倍數逐漸減小的趨勢。

分析TS與Kmax的關系能夠幫助我們在選取參數的時候更加有目的性，能夠選取到更加合適的參數。

圖11 不同參數時的加與不加慣性控制時的DFIG有功輸出對比

圖12 不同參數時的加與不加慣性控制時的DFIG有功輸出對比

3.3 仿真結果

其中，參數TS，K的選取對于實驗的結果有比較大的影響，選取TS=1，K=1.38H，仿真的結果如圖13所示。

上圖對比了無慣性控制和采用慣性控制的系統頻率、DFIG功率及DFIG轉速的動態響應。很明顯，增加了慣性控制環節之后，系統頻率下降的速率明顯減小。當DFIG機組無慣性控制時，風電場對系統頻率變化幾乎沒有響應;當DFIG機組采用慣性控制后，轉子轉速降低釋放部分動能，轉速下降幅度約為0.01pu，功率瞬時增加約為0.1pu，使系統頻率降低的速度得到了有效減弱。

圖13 頻率變化時，加與不加慣性控制的DFIG的頻率、有功、轉速對比

從系統的頻率曲線中可以看出，系統頻率下降的速率雖然減小了，但是頻率下降的幅值反而增加了。這是因為，DFIG增加了慣性控制后，當系統頻率降低時，DFIG分擔了一部分頻率調節的功率，從而同步發電機的輸出功率相對減少，從DFIG的有功輸出與轉子速度可以看出，DFIG轉子速度降低，有功輸出增加，但是，之后有一個DFIG轉子速度恢復的過程，轉速增加，輸出功率減小，因而頻率減小的幅值會增加。

4 總結

大規模風電并網后會給系統慣性響應帶來不利影響，為提高風電并網后系統的穩定性，提高含風電系統的整體慣性響應能力，有必要對風電機組的慣性控制策略及方法進行深入的探討和研究。因此，本文就目前多數風電場中所使用的雙饋感應風電機組研究了其參與系統慣性控制的控制策略。 針對上述問題，本文開展了一系列相關研究，并得出了一些有益的結論，具體說明如下。

(1)普通同步發電機發電機在系統頻率減小時，輸出有功功率有所增加，對系統具有一定慣性響應;雙饋變速風電機組在系統頻率發生變化時，輸出功率的變化量略有改變，對系統的慣性響應則十分有限。

(2)對雙饋風電機組附加一個慣性控制環節，可以有效改善機組對系統的慣性響應特性，仿真分析表明增加了慣性控制環節的風電機組可以在系統頻率波動的情況下，通過改變自身轉子轉速，吸收或者釋放一部分動能，迅速平衡系統有功負荷波動，減慢系統頻率波動。

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