變速恒頻雙饋風電機組頻率控制策略

趙愛云

(青島大學 自動化與電氣工程學院，山東 青島 266071)

0　引　言

當今環(huán)境質(zhì)量下降，能源消耗殆盡，新能源的開發(fā)迫在眉睫，風力發(fā)電具有綠色環(huán)保、優(yōu)質(zhì)經(jīng)濟、社會友好等優(yōu)點，成為新能源開發(fā)的重點之一。由于風能具有可持續(xù)利用的特性，風電場總裝機容量和風電開發(fā)規(guī)模逐年增大，風力發(fā)電的優(yōu)勢越來越明顯。隨著大規(guī)模風電并網(wǎng)，風電機組對于頻率變化不能快速響應(yīng)，無法快速恢復穩(wěn)定運行狀態(tài)。因此，探索風電的頻率控制策略對電網(wǎng)穩(wěn)定運行具有深遠意義。

本文簡述了雙饋感應(yīng)風力發(fā)電機的調(diào)頻原理，提出一種改進的DFIG機組頻率控制器即附加分布式信號過濾單元，使風電機組能夠有效調(diào)節(jié)電網(wǎng)頻率，從而能夠快速響應(yīng)頻率的變化。本文在仿真軟件MATLAB/Simulink中建立改進后的兩區(qū)域四機網(wǎng)絡(luò)模型，研究和分析變速恒頻雙饋風電機組頻率調(diào)節(jié)過程。

1　雙饋風機的頻率特性分析

雙饋異步風力發(fā)電機(DFIG)主要由風力機、齒輪箱、雙饋異步發(fā)電機、三相變壓器、轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器和電網(wǎng)側(cè)變頻器構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

風力發(fā)電機一般采用繞線式異步電動機，定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組有不同的連接方式。其定子繞組通過變壓器與電網(wǎng)相接，轉(zhuǎn)子繞組通過轉(zhuǎn)子變頻器、電網(wǎng)側(cè)變頻器及變壓器接入電網(wǎng)。因此雙饋異步發(fā)電機可實現(xiàn)變速運行，提高風能轉(zhuǎn)換效率，捕獲最大風能，同時能夠有效改善風電場的功率因數(shù)，提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性，因此在電力系統(tǒng)中得到快速發(fā)展。

圖1　雙饋感應(yīng)發(fā)電機原理圖

2　雙饋風電機組頻率控制策略

風電機組頻率控制模塊不僅保留了原有控制器的快速響應(yīng)特性，還增加了分布式信號過濾器。頻率控制模塊如圖2所示。分布式信號過濾器作用是只對動態(tài)頻率偏差響應(yīng)，隔斷穩(wěn)態(tài)信號，實質(zhì)是一種高通濾波器。其時間常數(shù)Ks決定了系統(tǒng)恢復穩(wěn)態(tài)運行時間長短。同時增加了轉(zhuǎn)速延時恢復模塊，其作用是幫助轉(zhuǎn)子快速恢復到穩(wěn)定運行狀態(tài)，減少有功功率的損耗。

圖2　頻率控制模塊框圖

3　仿真研究

在MATLAB/Simulink中搭建改進的兩區(qū)域四機仿真模型，如圖3所示。其中G1～G4是4臺發(fā)電機，每臺發(fā)電機參數(shù)設(shè)置相同。風電場從節(jié)點5接入電網(wǎng)，風電總裝機容量為45 MW，為了更簡便有效地進行仿真，用三組10×1.5 MW的風電機組進行等效。C1和C2為無功補償設(shè)備，L1和L2為系統(tǒng)負荷，L1的有功負荷為188 MW，L2的有功負荷為152 MW。

圖3　仿真結(jié)構(gòu)圖

基于上述仿真軟件，模塊1、2、3風速分別設(shè)定為額定風速12 m/s、10 m/s、10 m/s。頻率控制模塊參數(shù)K=200，R=500。三個區(qū)域頻率控制單元的時間常數(shù)Ks分別設(shè)置為19 s、10 s、8 s，延遲時間設(shè)置為13.3 s、25.3 s、27.3 s，轉(zhuǎn)速恢復模塊PI控制器參數(shù)KP=l，Ki=0.1。5 s時給節(jié)點7突增50 MW恒定負荷，記錄系統(tǒng)和風電機組的頻率響應(yīng)情況，如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)頻率響應(yīng)及DFIG機組有功響應(yīng)

圖4(a)為增加分布式信號過濾單元后，三種情況下系統(tǒng)的頻率響應(yīng)曲線。圖4(b)為相應(yīng)的雙饋風電機組發(fā)出的有功響應(yīng)曲線。兩組曲線表明，增加頻率控制模塊的雙饋風電機組，既能高效響應(yīng)頻率的變化，又可以在不同的時間常數(shù)Ks時頻率響應(yīng)的速度和效率不同，從而優(yōu)化DFIG的頻率調(diào)整和有功輸出能力，增強系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定；而轉(zhuǎn)速延時恢復模式的增加對調(diào)頻和有功并沒有起到很大作用。

4　結(jié)　論

DFIG機組頻率控制模塊可以有效改善機組對系統(tǒng)頻率的響應(yīng)特性。本文在原有頻率控制單元上增加了分布式信號過濾器，調(diào)頻能力得到顯著提升，既能高效響應(yīng)頻率的變化，提高風電機組有功功率輸出，增強電力系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定，又能在基本不影響頻率調(diào)整的基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)速延時恢復模塊可以使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速響應(yīng)速度提升，較短時間內(nèi)恢復到最佳運行狀態(tài)，風速越大轉(zhuǎn)速恢復到最優(yōu)狀態(tài)的能力越強大。

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