變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組頻率控制策略

趙愛云

(青島大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，山東 青島 266071)

0　引　言

當(dāng)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(fēng)力發(fā)電具有綠色環(huán)保、優(yōu)質(zhì)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)友好等優(yōu)點(diǎn)，成為新能源開發(fā)的重點(diǎn)之一。由于風(fēng)能具有可持續(xù)利用的特性，風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量和風(fēng)電開發(fā)規(guī)模逐年增大，風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)勢(shì)越來越明顯。隨著大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)，風(fēng)電機(jī)組對(duì)于頻率變化不能快速響應(yīng)，無法快速恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。因此，探索風(fēng)電的頻率控制策略對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行具有深遠(yuǎn)意義。

本文簡(jiǎn)述了雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的調(diào)頻原理，提出一種改進(jìn)的DFIG機(jī)組頻率控制器即附加分布式信號(hào)過濾單元，使風(fēng)電機(jī)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(jìn)后的兩區(qū)域四機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型，研究和分析變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組頻率調(diào)節(jié)過程。

1　雙饋風(fēng)機(jī)的頻率特性分析

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)(DFIG)主要由風(fēng)力機(jī)、齒輪箱、雙饋異步發(fā)電機(jī)、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(fēng)力發(fā)電機(jī)一般采用繞線式異步電動(dòng)機(jī)，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(jī)可實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)行，提高風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率，捕獲最大風(fēng)能，同時(shí)能夠有效改善風(fēng)電場(chǎng)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(jī)原理圖

2　雙饋風(fēng)電機(jī)組頻率控制策略

風(fēng)電機(jī)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(hào)過濾器。頻率控制模塊如圖2所示。分布式信號(hào)過濾器作用是只對(duì)動(dòng)態(tài)頻率偏差響應(yīng)，隔斷穩(wěn)態(tài)信號(hào)，實(shí)質(zhì)是一種高通濾波器。其時(shí)間常數(shù)Ks決定了系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)短。同時(shí)增加了轉(zhuǎn)速延時(shí)恢復(fù)模塊，其作用是幫助轉(zhuǎn)子快速恢復(fù)到穩(wěn)定運(yùn)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(jìn)的兩區(qū)域四機(jī)仿真模型，如圖3所示。其中G1～G4是4臺(tái)發(fā)電機(jī)，每臺(tái)發(fā)電機(jī)參數(shù)設(shè)置相同。風(fēng)電場(chǎng)從節(jié)點(diǎn)5接入電網(wǎng)，風(fēng)電總裝機(jī)容量為45 MW，為了更簡(jiǎn)便有效地進(jìn)行仿真，用三組10×1.5 MW的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行等效。C1和C2為無功補(bǔ)償設(shè)備，L1和L2為系統(tǒng)負(fù)荷，L1的有功負(fù)荷為188 MW，L2的有功負(fù)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(fēng)速分別設(shè)定為額定風(fēng)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(gè)區(qū)域頻率控制單元的時(shí)間常數(shù)Ks分別設(shè)置為19 s、10 s、8 s，延遲時(shí)間設(shè)置為13.3 s、25.3 s、27.3 s，轉(zhuǎn)速恢復(fù)模塊PI控制器參數(shù)KP=l，Ki=0.1。5 s時(shí)給節(jié)點(diǎn)7突增50 MW恒定負(fù)荷，記錄系統(tǒng)和風(fēng)電機(jī)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(jī)組有功響應(yīng)

圖4(a)為增加分布式信號(hào)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(fēng)電機(jī)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(fēng)電機(jī)組，既能高效響應(yīng)頻率的變化，又可以在不同的時(shí)間常數(shù)Ks時(shí)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(qiáng)系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定；而轉(zhuǎn)速延時(shí)恢復(fù)模式的增加對(duì)調(diào)頻和有功并沒有起到很大作用。

4　結(jié)　論

DFIG機(jī)組頻率控制模塊可以有效改善機(jī)組對(duì)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(hào)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(fēng)電機(jī)組有功功率輸出，增強(qiáng)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(shí)恢復(fù)模塊可以使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速響應(yīng)速度提升，較短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到最佳運(yùn)行狀態(tài)，風(fēng)速越大轉(zhuǎn)速恢復(fù)到最優(yōu)狀態(tài)的能力越強(qiáng)大。

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