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

當今環境質量下降，能源消耗殆盡，新能源的開發迫在眉睫，風力發電具有綠色環保、優質經濟、社會友好等優點，成為新能源開發的重點之一。由于風能具有可持續利用的特性，風電場總裝機容量和風電開發規模逐年增大，風力發電的優勢越來越明顯。隨著大規模風電并網，風電機組對于頻率變化不能快速響應，無法快速恢復穩定運行狀態。因此，探索風電的頻率控制策略對電網穩定運行具有深遠意義。

本文簡述了雙饋感應風力發電機的調頻原理，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節電網頻率，從而能夠快速響應頻率的變化。本文在仿真軟件MATLAB/Simulink中建立改進后的兩區域四機網絡模型，研究和分析變速恒頻雙饋風電機組頻率調節過程。

1　雙饋風機的頻率特性分析

雙饋異步風力發電機(DFIG)主要由風力機、齒輪箱、雙饋異步發電機、三相變壓器、轉子側變頻器和電網側變頻器構成，其結構圖如圖1所示。

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

圖1　雙饋感應發電機原理圖

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頻率偏差響應，隔斷穩態信號，實質是一種高通濾波器。其時間常數Ks決定了系統恢復穩態運行時間長短。同時增加了轉速延時恢復模塊，其作用是幫助轉子快速恢復到穩定運行狀態，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中搭建改進的兩區域四機仿真模型，如圖3所示。其中G1～G4是4臺發電機，每臺發電機參數設置相同。風電場從節點5接入電網，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為無功補償設備，L1和L2為系統負荷，L1的有功負荷為188 MW，L2的有功負荷為152 MW。

圖3　仿真結構圖

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

圖4　系統頻率響應及DFIG機組有功響應

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

4　結　論

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

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