變速恒頻雙饋風電機組頻率控制策略的改進①

鄒賢求，吳政球，陳 波，張小兵，王國民

（湖南大學電氣與信息工程學院，長沙 410082）

風力發電具有環境友好、技術成熟、可靠性高、成本低且規模效益顯著等特點，是發展最快的新能源。大型風電場并網的不斷增加，對電網的影響也越來越明顯。電力系統頻率作為電力系統運行參數中最重要的參數之一，對其控制的分析與研究是電力系統安全運行中一個不可忽視的部分［1～4］。

目前，世界風電市場上有很多種類型的風電機組。其中，基于雙饋感應電機（DFIG）的變速恒頻風電機組以其優良的有功、無功解耦控制性能［5～7］，逐步成為風電市場的主流機型。

傳統的DFIG控制系統使其機械功率和電磁功率解耦，使風力機轉子不能隨著頻率的變化自動做出快速響應，因此傳統的風力發電機對整個系統的慣性貢獻微乎其微［8］。近年來，國內外學者們對DFIG機組參與電力系統頻率控制（也稱作調頻）做了一些研究，提出了一些控制策略。文獻［9］研究了大量風電引入電網的頻率控制特性。文獻［10］提出了增加電力系統的儲能設備來支持頻率的控制。文獻［11］中提出了通過控制漿距角或調整功率－轉速最優曲線來減少一部分有功輸出，留作備用功率來參與頻率的控制。文獻［12，13］研究了模擬風電系統慣性響應及其對頻率支持的應用。文獻［12～19］研究了在DFIG控制系統中增加頻率控制環節，利用風電機組中儲存的旋轉動能部分轉化為電磁功率來參與電力系統頻率的控制。

前面提到DFIG機組參與電力系統頻率控制最初采用增加備用功率控制方式，犧牲了部分輸出功率，不具備經濟性和實用性。利用轉子旋轉動能的控制方式的提出解決了前一控制方式的問題，隨著其相關的保護協調控制的研究，該控制方式逐漸趨于成熟。然而，DFIG機組參與頻率控制的能力是有限的，上述的控制方法未對DFIG機組參與頻率的極限問題進行探討，鑒于此，本文將對如何最大限度利用DFIG機組參與頻率控制進行分析。

為了便于分析比較，文中把DFIG控制系統中增加頻率控制環節研究較為成熟的控制方法稱為慣性控制，把后面將論述的在文獻［18］頻率控制環節基礎上加以適當改進的控制方法稱為比例控制，通過Matlab／Simulink進行仿真，分析了兩種控制方法的特點，推出了將兩者控制方法相結合的控制策略，來最大限度地利用DFIG機組的調頻能力，并證明了該控制方案的可行性，最后考慮到DFIG的運行特性對控制策略進行了修正，使DFIG機組能夠更好地為系統提供頻率支持。

1 DFIG機組頻率控制分析

1.1 DFIG機組慣性參與頻率控制的原理

風力機儲存的動能可表示為

式中：J為風力機慣性；ωw為風力機轉速。發電機組對系統頻率的響應主要取決于轉速隨系統頻率的改變。DFIG控制系統對有功和無功的解耦控制使得轉速不能有效地跟隨系統頻率［15］，在DFIG控制系統中增加頻率控制環節，既可以保持DFIG機組轉速可以控制的優點，又可以實現在系統頻率變化時通過改變轉子轉速釋放或吸收部分動能而對系統頻率有效響應。利用電磁角速度的變化，通過控制轉子轉速變化的部分旋轉動能，來改變DFIG機組輸出電磁功率P。

在電力工程，常用慣性常量H來表示，H定義為

式中S為視在功率。將式（3）中式中J代入式（2）得

用標幺值表示，則有

頻率控制環節的增加，可以使DFIG機組在電力系統頻率擾動時迅速增加或減少輸出功率，參與系統頻率的控制。

1.2 DFIG機組參與頻率控制模型

電力系統頻率反映了發電有功功率和負荷之間的平衡關系。圖1顯示了增加DFIG機組頻率控制環節的頻率控制模型。圖中的ΔPp為常規發電機組頻率調節功率信號；PG為常規發電機組輸出功率；Δ為DFIG機組頻率調節功率信號；Pw為DFIG機組輸出功率；Pcf為常規機組和DFIG機組調頻功率協調信號；PL為負荷功率；Meq為所有機組慣性常數之和；D為負荷集中影響的阻尼系數。系統在穩態狀態下，功率平衡方程如下。

當PA≠0時，會產生頻率差Δf，引起各發電機組通過調速系統使原動機輸入功率增加，使機組轉速回升，從而使系統頻率穩定在允許范圍之內，即為電力系統的一次調頻，而要實現頻率的無差調節還需通過二次調頻，本文將不予以探討。

圖1 電力系統頻率控制模型Fig.1 Frequency control model of power system

2 慣性控制

本文對前面提到的相關文獻中的頻率控制環節進行了綜合，給出了比較完善的頻率控制方案，如圖2所示。

該控制環節主要包括四個部分：頻率控制模塊，轉速保護系統模塊，轉速恢復模塊和功率協調模塊。下面來介紹各模塊的功能和作用。

1）頻率控制模塊，該模塊作用是傳遞頻率調節的功率信號。在控制中，首先將Δf通過高通濾波器，使穩態頻率信號對控制過程沒有影響。

2）轉速保護系統模塊，為了避免DFIG機組機轉速變化過度給DFIG機組發電系統帶來破壞。DFIG轉速運行范圍在0.7～1.2（標幺值），當轉速運行到達極限值時，退出參與系統頻率的控制。

3）轉速恢復模塊，前面論述了DFIG機組利用慣性動能參與頻率控制的原理，它是通過轉子釋放或吸收部分動能與功率之間的轉換來實現的。該模塊的作用是為了使轉速更快地恢復到最佳運行狀態。其設計應考慮如下兩個問題：（a）使轉速快速恢復；（b）適當延時，使DFIG機組調頻能夠提供足夠的有功支撐來配合常規調頻。因此，本文采用了帶延時環節的PI控制器。

4）功率協調模塊，功率協調模塊是為了在DFIG機組提供瞬時功率的同時，能夠與常規發電單位調頻功率相協調，更好地滿足負荷所需有功功率，充分發揮DFIG機組調頻的快速性和常規機組調頻的持續性。

文獻［16］證明了當Kf1取正值時，可以增加系統的慣性。慣性的增加，可以使系統在承受更大的負荷波動，但同時會使系統頻率變化變慢，使DFIG機組轉速變化所提供或吸收的旋轉動能減少，即DFIG機組提供或吸收的有功功率會減少。

圖2 慣性控制模型Fig.2 Model of inertial control

3 比例控制

該控制方法是在文獻［18］中頻率控制環節基礎上加以適當改進。它的一個重要特點是充分利用了DFIG機組快速注入功率的能力。比例控制模型的頻率調節模塊見圖3，其它部分與慣性控制模型相同。

圖3 比例控制頻率控制模塊Fig.3 Frequency control module of proportional control

該方案與文獻［18］中的頻率控制方法主要的不同是增加了低通濾波器和washout濾波器。低通濾波器可以濾除高頻噪音信號，washout濾波器可以阻斷穩態輸入信號，使控制過程對穩態頻率偏差不起作用。

與慣性控制相比，比例控制沒有增加系統的慣性，系統頻率變化率較大，但DFIG機組注入功率會增大，最終系統頻率下降反而會減少。

4 仿真分析

4.1 仿真系統模型

通過matlab／simulnk建模了含風電場的仿真系統模型，如圖4所示。風電場由20臺2 MW的DFIG組成，其輸出額定功率為40 MW。L1、L2和L3為系統負荷，L1的有功負荷為67 MW，L2的有功負荷為52 MW，L3的有功負荷為81 MW。整個系統仿真主要參數取值如表1所示。

圖4 含風電場的仿真系統模型Fig.4 Simulation of power system with wind farm

表1 仿真模型參數Tab.1 Parameters of simulation model

4.2 控制方法分析比較

在以下三種情況下對節點10在2 s時突然增加45 MW恒定有功負荷來進行分析比較。

1）DFIG機組不參與頻率控制；

2）采用慣性控制參與頻率控制；

3）采用比例控制參與頻率控制。

圖5（a）顯示了在負荷突增45 MW三種情況下的頻率表現。從圖中可以看出，DFIG機組不參與頻率控制時，負荷增加引起頻率有較大幅度的波動，且調整時間比較長。采用慣性控制時，頻率波動幅度明顯減少，采用比例控制時，頻率波動幅度最小。

圖5（b）顯示了三種情況下的有功功率表現：比例控制快速有功功率的注入大于慣性控制。慣性控制由于會使系統慣性增大，轉速變化減小，DFIG機組提供的旋轉動能轉化為有功功率減少，其快速注入功率的特點沒有充分利用，而比例控制提供的有功功率更多。DFIG機組有功的迅速注入，有利于快速平衡負荷波動所需功率，給常規發電機組足夠時間增大輸出功率，當DFIG機組開始進行轉速調節后，其輸出功率迅速下降，而此時常規發電機組輸出功率的增加已足夠平衡負荷波動功率。

圖5 兩種控制方法頻率、有功、轉速響應比較Fig.5 Comparison of two control methods in frequency，active power，rotor speed responses

慣性控制與比例控制相比，在頻率調節方面取得了更好的控制效果，但轉速變化相對較大。DFIG的轉速是有極限的，處于一定范圍內才能使DFIG機組才能安全運行。圖5（c）顯示了兩種控制方案下DFIG機組轉速的變化，可以看出比例控制轉速變化幅度更大，而慣性控制轉速變化較小。

5 控制策略的改進

我國國家標準GB／T15945－2008規定，電力系統正常運行條件下頻率偏差限值±0.2 Hz。DFIG機組的轉速范圍一般在0.7～1.2（p.u.）。由此可以得到頻率和轉速這兩個頻率調節的極限值。可得出有三種情況：1）頻率先到極限值；2）轉速先到極限值；3）兩者同時達到極限值。顯然，第3）種情況可最大限度地利用DFIG機組來參與系統頻率的控制。根據兩種控制方法的特點，可采用兩種方法結合控制的方式（以下稱為綜合控制），來調整轉速和頻率的變化關系進行調整。

因為比例控制頻率控制效果更好，且對轉速反應更為靈敏，所以采用其作為測試的控制方法，推出控制策略如下：

1）當控制中頻率先達到極限值或兩者同時達到極限值，采用比例控制。轉速保持在極限范圍內。

2）當轉速先達到極限值，采用慣性控制和比例控制相結合的綜合控制策略，充分利用慣性控制轉速變化小和比例控制頻率變化小的優點。

M的取值根據具體工況進行調整，盡量增大DFIG機組參與頻率控制的范圍。

下面來驗證綜合控制策略可以調整轉速和頻率波動幅度的關系。在同樣仿真系統模型中取負荷突然增加30 MW時值為M，從仿真結果中用其工具的Data Stalisttics（數據統計）得出同樣對負荷突增45 MW的情況進行仿真。當時，即頻率變化很大的時候，采用慣性控制，使DFIG機組轉速變化不會太大，保持轉速在安全范圍內，保證DFIG機組的正常運行；當時，采用比例控制，充分利用該控制的調頻效果更好的特點。

圖6 綜合控制與前兩種控制方法頻率、有功、轉速比較Fig.6 Comparison between the comprehensive conrtol and the first two control stategy in frequency，active power，rotor speed reaponses

圖6的仿真結果證明了綜合控制策略能夠在一定程度上協調頻率和轉速的變化，證明了該控制策略的可行性。

然而DFIG機組在風速較大時處于超同步運行、風速較低時處于亞同步運行狀態。而處于這兩種狀態，轉速在負荷擾動下更容易超出安全范圍。因此，將上述控制策略更正為

f（ω）的取值如圖7曲線所示，當轉速偏移較大時，f（ω）取0，只用慣性控制，保持轉速在安全范圍內運行。這樣在轉速變化小時充分利用比例控制調頻效果好的特點，在轉速偏移較大時，采用慣性控制，防止轉速超出安全范圍而造成停機脫網來電力系統帶來的危害。M、ω1和ω2取值要根據具體的工況來定，其具體的選取方法還有待進一步研究。

圖7 函數f（ω）的取值Fig.7 Value of function f（ω）

6 結論

本文論述了DFIG機組參與電力系統頻率控制的原理及現在研究較為成熟的控制方法和一種改進控制方法，并通過仿真，對兩種控制方法在頻率控制、有功和轉速方面進行了比較，分析了兩者控制方法的特點：慣性控制轉速變化更小，而比例控制頻率控制效果更好。為了最大限度地利用DFIG機組參與頻率控制的能力，推出了將其用兩種控制相結合的綜合控制策略，仿真結果證明了該控制策略可以協調頻率和轉速變化。最后考慮DFIG機組可能處于超同步或亞同步的運行狀態，修正了控制策略，在保護DFIG機組安全運行的同時，最大限度地利用了DFIG機組參與系統頻率控制的能力，在一定程度上提高了電力系統的穩定性。

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