雙饋風電機組參與系統頻率調整過程中的功率坑現象研究

吳水軍，沐潤志，張瑀明，宋蕙慧，趙偉，黃柯昊，朱博

雙饋風電機組參與系統頻率調整過程中的功率坑現象研究

吳水軍1，沐潤志1，張瑀明1，宋蕙慧2，趙偉3，黃柯昊3，朱博3

（1. 云南電力試驗研究院（集團）有限公司，云南 昆明 650217；2. 哈爾濱工業大學（威海）新能源學院，山東 威海 264209；3. 昆明理工大學 電力工程學院，云南 昆明 650500）

雙饋風電機組參與系統的一次調頻，會對頻率的突增起到抑制作用，但轉速恢復時間變長導致功率恢復階段會出現功率坑現象。針對雙饋風電機組在中低風速段參與系統低頻問題調整過程中出現的功率坑現象進行了研究。將雙饋風電機組調頻過程分為調頻階段和調頻恢復2個階段，對雙饋風電機調頻過程中2個階段的運行特性進行分析，采用了平方法和橢圓法功率坑補償控制策略。最后在MATLAB/SIMULINK搭建了仿真模型，仿真驗證了平方法和橢圓法控制策略對雙饋風電機調頻恢復階段出現的功率坑有一定的補償效果。

功率坑；低頻；雙饋風機；變減載率；綜合慣性

0 引言

近十幾年來風電發展迅速，電網中風電接入容量不斷增大[1-4]。大規模雙饋風電機（doubly fed induction generator，DFIG）的接入對電網系統慣量沒有貢獻。因此，需要考慮DFIG如何快速響應系統頻率變化，并根據DFIG的運行特性對其控制策略進行研究；通過附加各種調頻控制策略，從而使風電機組可以參與系統的頻率調整，提升大規模DFIG并網后系統的穩定性。風電機組在參與系統頻率調整后，會出現大小不同的功率坑現象。以中低風速低頻為例，功率坑現象尤為明顯。如果功率坑現象不能解決，其伴隨的后果十分嚴重：輕則造成頻率的再次失穩，重則造成風電大面積脫網以及電網崩潰。因此，對出現的功率坑現象應該加以重視，對這一現象出現的原因以及如何解決需深入研究。

現有文獻少有分析DFIG調頻恢復階段出現的功率坑現象，大部分文獻均是分析DFIG的頻率二次跌落問題。文獻[5,6]為了預防DFIG參與系統調頻后造成的頻率二次跌落，提出了基于轉子動能和超級電容器的協調頻率控制策略。該控制策略補償了DFIG轉子動能在慣性支撐后的功率缺額，降低了轉子轉速恢復過程中的功率損耗，避免了頻率二次跌落。文獻[7]詳細分析了限轉矩控制過程中，功率增量與減載量對DFIG轉速恢復速度和二次頻率跌落的關系，采用DFIG和儲能系統的協調頻率控制策略。該策略消除了限轉矩控制產生的二次頻率跌落，增強了頻率的動態調節能力。文獻[8]分析了DFIG調頻控制參數對系統一次調頻的機理，根據一次調頻綜合評價指標來確定參數的取值區間，以有效避免系統頻率二次跌落。文獻[9]對DFIG慣量調頻的轉速保護以及協同調頻進行研究，針對慣量調頻引起的頻率二次跌落問題，提出了改進的轉速保護和轉速恢復算法；改進了轉速保護，使風機在調頻過程中能自動穩定地運行到機械功率曲線上的某一點，避免了慣量調頻直接退出造成的功率突降。文獻[10]通過分析發現雙饋風電參與系統調頻時存在頻率二次跌落問題。為了解決二次跌落問題，在轉速保護策略的基礎上，對調頻參數進行優化。以儲能單獨支撐后的系統頻率作為標桿，在原有風儲協調調頻策略不能滿足需求的情況下，提出風儲協調調頻優化控制策略。文獻[11]對DFIG慣性控制退出調頻時引起的頻率二次跌落，從有功功率的跌落和轉子動能的釋放角度進行分析，發現慣性時間常數、有功調頻系數以及轉速下限參數是引起頻率二次跌落的關鍵，并基于此提出了新的轉速恢復策略。文獻[12,13]分析了DFIG慣量調頻過程中的轉子轉速的3種運行模式：轉子轉速穩定且不退出調頻、轉子轉速穩定但退出調頻、轉子轉速失穩且退出調頻；以3種運行模式找到3個關鍵點，并設計了動態轉速保護策略。該策略能有效減小DFIG的有功功率降落，不會造成較大的頻率二次跌落。文獻[14]對DFIG轉速恢復環節采用了變參數PI控制策略，使轉速恢復時間延長。轉速恢復時間的延長將減小DFIG從電網吸收的有功功率，從而避免了DFIG調頻時出現功率坑現象以及頻率二次跌落。文獻[15]對DFIG退出調頻時間與頻率二次跌落的關系進行分析，搭建了最優退出方程并對該方程求解，得到了最優退出時刻的精確解、近似解以及固定解。文獻[16]將虛擬慣量控制功率和轉速恢復所需要的功率與傳統發電機調速器的負荷參考結合，使得DFIG退出調頻時不再從電網吸收功率，所需功率將由同步發電機彌補。文獻[17]對DFIG采用TOP控制參與系統調頻進行研究，發現DFIG參與調頻過程中出現頻率二次跌落問題；從DFIG運行特性進行分析，提出了平方法、橢圓法、線性法等方法以解決頻率二次跌落，并取得了良好的效果。

上述大部分文獻對DFIG調頻過程中轉速恢復階段進行研究，分析頻率二次跌落，少部分文獻以DFIG調頻參數優化去減小頻率二次沖擊；但少有文獻單獨針對風電機組調頻過程中出現的功率坑現象進行分析，并未對如何消除功率坑現象進行研究。因此，本文將對風電機組調頻恢復時出現的功率坑現象展開研究。

1 雙饋風電機組參與系統頻率控制原理

1.1 DFIG的運行特性分析

DFIG通過風輪捕獲的機械功率為：

式中：為空氣密度；為風輪半徑；p為風能利用系數；為風速。風能利用系數是葉尖速比與槳距角的函數，可表示為：

由多條風能利用系數組成的無量綱特性曲線可表示風機的運行特性。由式（2）（3）（4）可以得到風機在不同槳距角下的p-特性曲線，如圖1所示。

圖1 不同槳距角下的Cp-λ特性曲線

由圖1可知，當槳距角不變時，風能利用系數隨著葉尖速比的增大呈現先增大后減小的趨勢；當槳距角逐漸增大時，風能利用系數則朝著坐標原點壓縮減小。因此，當槳距角不變時，總存在一個最優葉尖速比opt使風能利用系數p最大。又由式（4）可知，通過調整轉子轉速變化來控制葉尖速比，可以獲得最大的風能利用系數pmax，使風力機盡可能捕獲最多的風能，實現最大功率跟蹤。

1.2 DFIG一次調頻控制原理

1.2.1 綜合慣性控制

將慣性控制與下垂控制所得的有功信號結合起來，作為一個總的有功功率信號疊加在風電機組的有功指令參考值上，稱為綜合慣性控制。

式中：d為慣性控制比例系數，值為2；meas為電網測量頻率；1為下垂控制系數；電網測量頻率為meas。令電網額定頻率為ref，頻率偏差量Δ=meas–ref。

1.2.2 變減載率超速減載控制

由圖1可知，DFIG可以通過調節自身的轉子轉速實現最優葉尖速比opt，從而使風能利用系數最大。此時DFIG運行于最大功率跟蹤點，如圖2中的曲線所示。此時增大風機的轉子轉速，DFIG運行工況將從最大功率運行曲線偏移至減載曲線，如圖2中的′′，從而留有一定的功率備用。當系統頻率降低時，通過改變轉子轉速使風機從減載曲線運行回最大功率跟蹤曲線，提高風機的功率輸出，從而參與系統的頻率調整。

圖2 超速減載原理圖

風電機組正常運行時，可利用變流器控制和變槳控制調節風電機組角速度，實現最大功率跟蹤。

為了確定風電機組參與一次調頻的有功備用，定義為減載水平，百分數。減載后，風電機組輸出的有功功率為(1–)。

當考慮風電機組減載水平時，則有：

式中：pL為風機減載時的風能利用系數。

將式（6）代入式（1）得到風機減載時的功率：

式中：optL為DFIG考慮減載后的輸出功率。

DFIG采用超速減載控制與綜合慣性控制相結合的控制策略，控制框圖如圖3所示。

圖3 DFIG一次調頻控制策略

1.3 功率坑現象分析

DFIG采用綜合慣性控制與超速減載控制相結合的控制策略。DFIG通過綜合慣性控制留有部分的“隱藏動能”；同時，超速減載控制也預留了一定容量的備用功率。當風電參與系統頻率調整時，DFIG的運行曲線從次優變為最大功率跟蹤曲線，此時這部分備用功率與隱藏動能都將被釋放，短時抬高風電機組的電磁功率，提供給系統以補充有功功率。但是當系統頻率趨于穩定，此時的風電機組則需要快速彌補調頻釋放的轉子動能，為轉子轉速的恢復提供支撐，因此只能從電網吸收有功功率，從而形成功率坑現象。從功率坑的形成原因可知，功率坑的出現是由于系統調頻結束缺少有功支撐轉子轉速恢復造成的，因此可從2個方面進行分析：分別是調頻階段和調頻結束風機恢復階段。

綜合慣性控制與超速減載控制通過控制信號實現在系統頻率出現波動時投入，風機恢復時切出。DFIG的運行特性曲線如圖4所示。

圖4 DFIG控制調頻運行曲線

DFIG正常運行在減載曲線上，到達1點時電磁功率與機械功率相等。此時由于系統頻率跌落，DFIG調頻控制器改變轉矩參考值使風電機組釋放部分轉子動能增大電磁功率輸出，運行點由1點上升到2點，此時轉子動能釋放，運行點由2變化到3。在3點時，由于系統頻率趨于穩定或轉速已經降為最低轉速，風機不再提供備用功率支撐，風機退出調頻[18]。

DFIG退出調頻，運行點從3點降到4，DFIG的機械功率大于電磁功率，二者的差值acc將會促使轉子加速恢復，DFIG進入恢復階段。在運行點由4沿最大功率追蹤曲線上升到1點過程中，機械功率與電磁功率的差值acc逐漸減小，轉子轉速的恢復速度逐漸減小；當差值acc為零時則達到平衡狀態，恢復正常運行。

從以上2個階段對DFIG調頻前后的分析可知，造成功率坑的主要原因是DFIG在恢復階段的機械功率與電磁功率的差值太大。所以，如何減小acc的值是解決功率坑的關鍵。本文主要嘗試2個方法進行減小acc的值：方法一是DFIG調頻階段的轉矩是否可以分一部分來支撐DFIG恢復，或者當頻率支撐結束時，由頻率變化附加的轉矩不應立即變為零。方法二是在方法一的基礎的上找到一個合適的時間點，構造一個新的轉矩值來支撐風機恢復。

如果采用方法一進行彌補功率坑，則DFIG的運行曲線如圖5所示。

圖5 DFIG調頻部分轉矩用于補償功率坑

如圖5所示，DFIG調頻部分轉矩用于補償功率坑，運行點沿1→2′→3′→4→5軌跡運行。

由以上分析可知，DFIG調頻階段的部分轉矩雖然可用于彌補功率坑，但是無法準確計算調頻階段余留多少轉矩用于補償功率坑，因為功率坑的出現總是滯后于風機調頻階段。如果用于補償功率坑的轉矩過多，雖然功率坑的現象被彌補了，但是調頻效果將被削弱，這將背離風電參與系統調頻的初衷；如果補償功率坑的轉矩過少，一方面無法很好彌補功率坑，同時調頻效果也被降低。由于方法一存在不確定性，所以采用方法二進行彌補功率坑，則DFIG的運行曲線如圖6所示。

圖6 DFIG補償功率坑運行曲線

2 雙饋風機抑制功率坑控制策略研究

DFIG不參與系統頻率調整時，其轉速r與DFIG的輸出功率變化趨勢相同。當風機達到額定風速時，也就是DFIG運行于恒轉速區，此時DFIG的轉速不變，風機的輸出功率增大。因此風機在額定風速以下運行時，轉速與功率的變化相同，即dr/d和d/d的正負相同；風機在額定風速運行時，dr/d=0，d/d>0。

DFIG參與調頻時，風機的轉速與功率變化趨勢與前面不同。DFIG調頻階段，風機的有功輸出先增加后減小，即d/d>0變化為d/d<0，轉速減小，即dr/d<0；風機恢復階段，轉速上升，即dr/d>0，在此階段出現功率坑現象，此時的DFIG輸出功率先減小后增大，即d/d<0變化為d/d>0。所以，功率坑的觸發信號為風機恢復階段的d/d<0和dr/d>0。只有當兩者同時滿足的情況下，轉矩補償控制投入，開始彌補功率坑[19]。

在抑制功率坑的同時，還需要考慮轉子轉速的恢復速度。因為轉速在恢復時并不是單調遞增或遞減，因此還需要添加動作死區，其作用是使功率坑控制環節僅在Δr較大時有效，Δr較小時無效，避免功率坑補償控制出現頻繁投入的重復動作。死區的設置可以根據風電機組的實際運行情況進行設定。

根據以上的分析，找到了功率坑的觸發信號以及死區，則功率坑控制環節的原理框圖如圖7所示。

圖7 功率坑補償控制原理圖

圖7可知，功率坑控制是附加在超速減載控制與綜合慣性控制相結合的環節上。功率坑控制環節以Δr為輸入，以生成的功率補償sec為輸出。

補償環節的函數根據圖8設計。由圖8虛線可知，該補償轉矩變化過程呈拋物線形狀，因此可以將其設計為橢圓函數、二次函數、指數或者線性函數等。

圖8 功率坑補償轉矩與轉速關系

如圖8所示，建立以點2為原點的直角坐標系Δr-sec，原點坐標為(0,0)，點3的坐標為(1,0)，點4的坐標為(1,1)，點5的坐標為(mid,1)，點6的坐標為(mid,0)。

（1）sec設計成以橢圓方程補償的函數，則函數方程如下[20]：

式中：、分別為橢圓的長、短半徑。

將式（8）變形為下式：

再將點4和6代入式（9）中，求出橢圓的長短半徑和。

（2）sec設計成以二次方程補償的函數，則函數方程如下[20]：

式中：1、1、分別為二次方程的系數，其求解過程和橢圓函數同理。

3 功率坑補償控制策略仿真分析

圖9 含DFIG并網仿真系統

表1 DFIG仿真參數

3.1 額定風速下功率坑控制仿真

3.1.1 采用橢圓法補償功率坑仿真分析

仿真風速為12 m/s，在5 s時負荷L2投入，系統頻率下降，如圖10（a）所示。負荷在5 s投入，造成系統頻率下降；風電機組開始參與系統頻率調整，釋放轉子旋轉動能，有功功率突升。當DFIG感受到系統頻率趨于穩定后，風電機組進入恢復階段，功率坑觸發信號滿足，此時功率坑補償控制投入。由圖10（b）可知，未投入補償控制時，風電機組功率跌落至4.5 MW，功率坑現象明顯；當補償控制投入時，風電機組有功功率跌落至4.6 MW，功率抬升約0.1 MW，功率坑現象明顯減小。由圖10（c）可知，風電機組補償控制投入后，轉子轉速恢復速度變慢。橢圓法功率坑補償控制平衡了功率跌落與轉子轉速的關系，有效填補了功率坑。仿真結果與理論推導一致。

3.1.2 采用平方法抑制功率坑仿真分析

仿真風速為12 m/s，5 s時負荷L2投入，系統頻率下降，如圖11（a）所示。DFIG在恢復階段，功率坑補償控制在觸發信號滿足時被觸發。如圖11（b）所示，功率坑補償控制投入前，有功功率跌落至4.5 MW，采用平方法補償后功率跌落至4.68 MW，功率坑現象明顯減小。由圖11（c）可知，采用平方法補償控制后，轉子轉速變化更大，恢復時間變長，有效地平衡了轉子轉速與功率跌落的關系。仿真結果與理論推導一致。

圖10 橢圓法補償功率坑仿真

圖11 平方法補償功率坑仿真

3.1.3 橢圓法與平方法補償控制對比

將上述2種補償控制方法進行對比，結果如圖12所示。

圖12 橢圓法與平方法補償控制仿真對比圖

由圖12（a）可知，2種補償控制對頻率的影響均不明顯；但由圖12（b）可以看到，平方法雖然對功率坑的補償優于橢圓法，但是功率坑補償過后的功率恢復卻是落后于橢圓法。由圖12（c）也可以看出，轉子轉速在功率坑補償階段，平方法補償的轉子轉速變化大于橢圓法；但是功率坑補償過后，橢圓法補償的轉子轉速變化大于平方法，轉子轉速恢復的時間需要的更長。因此對于平方法和橢圓法補償控制來說，各有各的優點；但是考慮到風電機組補償完功率坑之后的穩定運行，推薦橢圓法功率坑補償控制。

3.2 低風速下功率坑控制仿真

3.2.1 采用橢圓法抑制功率坑仿真分析

仿真風速為10 m/s，5 s時負荷L2投入，系統頻率降低，如圖13（a）所示。由圖13（b）可知，DFIG在調頻結束開始恢復時出現了較大的功率坑，功率跌落至2.95 MW；而采用橢圓法功率坑補償控制時，DFIG功率跌落幅度變小，有功功率跌落至3.09 MW左右，填補作用良好。由圖13（c）可知，DFIG附加調頻控制策略后，DFIG的轉子轉速降低，從1.078 p.u.減小到1.075 p.u.；當橢圓法功率坑補償控制投入時，其轉子轉速跌落幅度變大，恢復時間變長，功率坑現象減小。仿真與理論推導一致。

3.2.2 采用平方法抑制功率坑仿真分析

仿真風速為10 m/s，5 s時負荷L2投入，系統頻率降低，如圖14（a）所示。由圖14（a）可知，風電機組頻率在5 s時下降，DFIG采用超速減載與綜合慣性控制相結合的調頻控制策略，風電機組的頻率得到小幅度抬升。由圖14（b）可知，DFIG采用超速減載與綜合慣性控制相結合的控制策略時，DFIG在擾動期間增發功率約3.6 MW，但當DFIG恢復期間，功率跌落至2.95 MW，出現較大功率坑；在此過程中，由于風電機組采用平方法補償控制，功率跌落至3.1 MW，對產生的功率坑起到了很好的抑制效果。由圖14（c）可知，DFIG無附加調頻控制時，轉子轉速穩定運行在1.078 p.u.。當DFIG采用超速減載與綜合慣性控制相結合的控制策略時，其轉子轉速在1.075 p.u.穩定運行。當擾動發生時，轉子轉速迅速降低至1.071 p.u.。當功率坑補償控制投入時，其轉子轉速跌落至1.070 p.u.，轉子轉速恢復時間變長，從而抑制了功率坑現象。仿真結果與理論推導一致。

3.2.3 橢圓法與平方法補償控制對比

將上述2種補償控制方法作對比，其結果如圖15所示。

由圖15可知，采用橢圓法和平方法功率坑補償控制均能對功率坑起到很好的填補作用。相比之下，平方法對于功率坑的補償作用優于橢圓法；但功率坑補償過后，DFIG的功率恢復略落后橢圓法。從DFIG轉子轉速的恢復來看，平方法對應的轉子轉速恢復速度略快于橢圓法。因此，對于橢圓法和平方法補償控制來說，其對于功率坑的彌補均有優點；但是從功率坑的理論分析來看，功率坑產生的主要原因就是轉子轉速的恢復過快，所以對于低風速下產生的功率坑問題，推薦橢圓法補償控制。

4 結論

對DFIG參與系統頻率調整過程中出現的功率坑現象及其控制方法進行了研究，結論如下：

（1）由于系統調頻結束缺少有功功率支撐轉子轉速的恢復，從而形成了功率坑現象。

（2）采用橢圓法和平方法補償控制對彌補功率坑均有一定效果，能有效提高DFIG并網后的頻率穩定性。平方法對于功率坑的補償作用優于橢圓法，但功率恢復速度略落后于橢圓法。

[1] DAS A, JANI H K, NAGABABU G, et al. A comprehensive review of wind–solar hybrid energy policies in India: barriers and recommendations[J]. Renewable Energy Focus, 2020(5): 108-121.

[2] 喬左江, 杜欣慧, 薛晴. 大規模風電參與系統調頻研究綜述[J/OL]. 電測與儀表: 1-13[2021-01-27]. http://kns. cnki.net/kcms/detail/23.1202.TH.20210105.1040.004.html.

QIAO ZUOJIANG, DU XINHUI, XUE QING. Review of large scale wind power participating in system frequency regulation[J/OL]. Electrical Measurement & Instrumentation: 1-13[2021-01-27]. http://kns.cnki.net/kcms/ detail/23.1202.TH.20210105.1040.004.html(in Chinese).

[3] 趙嘉興, 高偉, 上官明霞, 等. 風電參與電力系統調頻綜述[J]. 電力系統保護與控制, 2017, 45(21): 157-169.

ZHAO JIAXING, GAO WEI, SHANGGUAN MINGXIA, et al. Review on frequency regulation technology of power grid by wind farm[J]. Power System Protection and Control, 2017, 45(21): 157-169(in Chinese).

[4] 趙冬梅, 許瑞慶, 鄭立鑫. 全風況下雙饋風機參與調頻的協調控制策略研究[J]. 電力系統保護與控制, 2017, 45(12): 53-59.

ZHAO DONGMEI, XU RUIQING, ZHENG LIXIN. Research on coordinated control strategy for DFIGs participating in system frequency regulation with different wind[J]. Power System Protection and Control, 2017, 45(12): 53-59(in Chinese).

[5] YAN X, SUN X. Inertia and droop frequency control strategy of doubly-fed induction generator based on rotor kinetic energy and supercapacitor[J]. Energies, 2020, 13(14): 3697.

[6] KANG M, KIM K, MULJADI E, et al. Frequency control support of a doubly-fed induction generator based on the torque limit[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2016, 31(6): 4575-4583.

[7] 趙晶晶, 李敏, 何欣芹, 等. 基于限轉矩控制的風儲聯合調頻控制策略[J]. 電工技術學報, 2019, 34(23): 4982-4990.

ZHAO JINGJING, LI MIN, HE XINQIN, et al. Coordinated control strategy of wind power and energy storage frequency regulation based on torque limit control[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(23): 4982-4990(in Chinese).

[8] 喬穎, 郭曉茜, 魯宗相, 等. 考慮系統頻率二次跌落的風電機組輔助調頻參數確定方法[J]. 電網技術, 2020, 44(3): 807-815.

QIAO YING, GUO XIAOQIAN, LU ZONGXIANG, et al. Parameter setting of auxiliary frequency regulation of wind turbines considering secondary frequency drop[J]. Power System Technology, 2020, 44(3): 807-815(in Chinese).

[9] 鄭金鑫. 雙饋風電機組的轉速保護及協同調頻研究[D]. 濟南: 山東大學, 2019.

ZHENG JINXIN. Rotor speed protection and coordinated control of DFIG wind turbines[D]. Jinan: Shandong University, 2019(in Chinese).

[10] 張中華. 支撐風電參與電網調頻的儲能控制技術與優化配置研究[D]. 保定: 華北電力大學, 2019.

ZHANG ZHONGHUA. Research on energy storage control technology and optimization configuration for supporting wind power to participate in power gird frequency modulation[D]. Baoding: North China Electric Power University, 2019(in Chinese).

[11] 劉瑞. 雙饋風機參與系統調頻的二次跌落優化控制方法研究[D]. 北京: 華北電力大學, 2019.

LIU RUI. Research on secondary drop optimized control method based on primary frequency control of doubly-fed wind turbines[D]. Beijing: North China Electric Power University, 2019(in Chinese).

[12] 王學財. 雙饋風電機組虛擬慣量調頻特性研究及動態轉速保護策略[D]. 濟南: 山東大學, 2018.

WANG XUECAI. Dynamic rotor speed protection for DFIG based wind turbines with virtual inertia control[D]. Jinan: Shandong University, 2018(in Chinese).

[13] 劉彬彬, 楊健維, 廖凱, 等. 基于轉子動能控制的雙饋風電機組頻率控制改進方案[J]. 電力系統自動化, 2016, 40(16): 17-22.

LIU BINBIN, YANG JIANWEI, LIAO KAI, et al. Improved frequency control strategy for DFIG-based wind turbines based on rotor kinetic energy control[J]. Automation of Electric Power Systems, 2016, 40(16): 17-22(in Chinese).

[14] 張俊武, 王德林, 劉柳, 等. 基于變參數PI控制的雙饋風電機組頻率控制策略[J]. 電工電能新技術, 2018, 37(12): 9-17.

ZHANG JUNWU, WANG DELIN, LIU LIU, et al. Control strategy of high penetrance wind power out of frequency regulation based on variable parameter PI control[J]. Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy, 2018, 37(12): 9-17(in Chinese).

[15] 劉知凡. 雙饋風機慣量控制最優退出時刻的研究[D]. 濟南: 山東大學, 2017.

LIU ZHIFAN. Optimal termination time of inertia control from DFIG wind turbines[D]. Jinan: Shandong University, 2017(in Chinese).

[16] 王剛, 侍喬明, 崔志勇, 等. 一種風力機虛擬慣量控制與傳統發電機調速控制的協調方法[J]. 電網技術, 2015, 39(10): 2794-2801.

WANG GANG, SHI QIAOMING, CUI ZHIYONG, et al. A coordinated strategy of virtual inertia control of wind turbine and governor control of conventional generator[J]. Power System Technology, 2015, 39(10): 2794-2801(in Chinese).

[17] LIU K, QU Y, KIM H M, et al. Avoiding frequency second dip in power unreserved control during wind power rotational speed recovery[J]. IEEE transactions on power systems, 2017, 33(3): 3097-3106.

[18] 張俊武. 雙饋風電機組并網的電力系統調頻和AGC優化控制研究[D]. 成都: 西南交通大學, 2018.

ZHANG JUNWU. Research on frequency modulation control and AGC optimal control of electrical power system with wind power generation[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2018(in Chinese).

[19] 姜瑩, 邊曉燕, 李東東, 等. 基于可變減載率超速控制的雙饋異步風機參與微電網調頻研究[J]. 電機與控制應用, 2017, 44(9): 118-124.

JIANG YING, BIAN XIAOYAN, LI DONGDONG, et al. Research on doubly fed induction generator participation in microgrid frequency modulation based on variable load shedding ratio over-speed control[J]. Electric Machines & Control Application, 2017, 44(9): 118-124(in Chinese).

[20] 唐曉駿, 蔡繼朝, 馬世英, 等. 雙饋風電并網對電力系統頻率響應的影響[J]. 電力系統及其自動化學報, 2020, 32(10): 37-43.

TANG XIAOJUN, CAI JIZHAO, MA SHIYING, et al. Effects of DFIG wind power grid-connection on frequency response of power system[J]. Proceedings of the CSU-EPSA, 2020, 32(10): 37-43(in Chinese).

Study of Power Pit in System Frequency Modulation of Doubly-Fed Induction Generator

WU Shuijun1, MU Runzhi1, ZHANG Yuming1, SONG Huihui2, ZHAO Wei3, HUANG Kehao3, ZHU Bo3

(1. Yunnan Electric Power Test and Research Institute (Group) Co., Ltd., Kunming 650217, China; 2. School of New Energy, Harbin Institute of Technology (Weihai), Weihai 264209, China;3. Faculty of Electric Power Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China)

The involvement of doubly-fed induction generator (DFIG) in the primary system frequency modulation may inhibit the sudden increase of frequency. However, it takes a longer time for the revolving speed to recover normal and the power pit may occur during this process of power recovery. This paper studies the power pit when the doubly-fed induction generator is involved during the low frequency system modulation, at low and medium wind speed. It divides the frequency modulation of doubly-fed induction generator into two stages, i.e. frequency modulation and frequency recovery. It analyzes the operating characteristics of DFIG in the two stages, and employs the least square method and ellipse method to compensate and control the power pit. Finally, it establishes a simulation model in MATLAB/SIMULINK. The modeling results show that the control strategy with the least square method and ellipse method has a positive compensation effect on power pit in the stage of frequency recovery of DFIG.

power pit; low frequency; doubly-fed induction generator; variable load shedding ratio; integrated inertial control

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2021.11.001

TM315; TM712

A

1672-0792(2021)11-0001-11

2021-07-27

國家自然科學基金重點項目（52037003）；云南省重大專項（202002AF080001）；國家自然科學基金（61773137）；山東省自然科學基金（ZR2019MF030）

吳水軍（1980—），男，高級工程師，研究方向為新能源接入對電力系統的影響；

沐潤志（1991—），男，助理工程師，主要從事新能源并網檢測技術研究工作；

張瑀明（1990—），男，助理工程師，主要從事新能源并網檢測技術研究工作。