变速恒频双馈风电机组频率控制策略李宁波

变速恒频双馈风电机组频率控制策略李宁波

李宁波

（国电宁波风电开发有限公司浙江省315043）

摘要：传统的变速双馈风电机组解耦控制策略对于系统频率支撑作用微乎其微，文中在分析变速双馈风电机组参与系统频率控制特性的基础上，在传统变速双馈风电机组解耦控制中附加了风电机组频率控制单元。控系统包含频率控制、转速延时恢复、转速保护系统和与常规机组配合等4个功能模块。仿真结果表明，该控制策略不仅对暂态频率偏差具有快速的响应能力，而且能够使转子转速以更快的速度恢复到最佳运行状态，证明了基于变速双馈机组的风电场能够在一定程度上参与系统的频率控制。

关键词：变速恒频；双馈风电机组；控制

引言

风力发电具有环境友好、技术成熟、可靠性高、成本低且规模效益显著等特点，是发展最快的新能源。大型风电场并网的不断增加，对电网的影响也越来越明显。电力系统频率作为电力系统运行参数中最重要的参数之一，对其控制的分析与研究是电力系统安全运行中一个不可忽视的部分。目前，世界风电市场上有很多种类型的风电机组。其中，基于双馈感应电机（DFIG）的变速恒频风电机组以其优良的有功、无功解耦控制性能，逐步成为风电市场的主流机型。

1DFIG机组频率控制分析

1.1DFIG机组惯性参与频率控制的原理

风力机储存的动能可表示为

EK＝1/2Ｊω２ｗ（１）

式中：Ｊ为风力机惯性；ωｗ为风力机转速。发电机组对系统频率的响应主要取决于转速随系统频率的改变。DFIG控制系统对有功和无功的解耦控制使得转速不能有效地跟随系统频率，在DFIG控制系统中增加频率控制环节，既可以保持DFIG机组转速可以控制的优点，又可以实现在系统频率变化时通过改变转子转速释放或吸收部分动能而对系统频率有效响应。利用电磁角速度的变化，通过控制转子转速变化的部分旋转动能，来改变DFIG机组输出电磁功率Ｐ。

Ｐ＝ｄＥｋ/ｄｔ＝Jωｗ•ｄωｗ/ｄｔ（２）

在电力工程，常用惯性常量Ｈ来表示，Ｈ定义为

Ｈ＝Ｅ/Ｓ＝ＪωＳ２/２Ｓ（３）

式中Ｓ为视在功率。

频率控制环节的增加，可以使DFIG机组在电力系统频率扰动时迅速增加或减少输出功率，参与系统频率的控制。

1.2DFIG机组参与频率控制模型

电力系统频率反映了发电有功功率和负荷之间的平衡关系。ΔPp为常规发电机组频率调节功率信号；ＰＧ为常规发电机组输出功率；ΔＰ＊ｆｗ为DFIG机组频率调节功率信号；Ｐｗ为DFIG机组输出功率；Ｐcf为常规机组和DFIG机组调频功率协调信号；ＰＬ为负荷功率；Ｍeq为所有机组惯性常数之和；Ｄ为负荷集中影响的阻尼系数。系统在稳态状态下，功率平衡方程如下。

ＰＧ＋ＰＷ－ＰＬ＝ＰＡ（4）

当ＰＡ≠０时，会产生频率差Δｆ，引起各发电机组通过调速系统使原动机输入功率增加，使机组转速回升，从而使系统频率稳定在允许范围之内，即为电力系统的一次调频，而要实现频率的无差调节还需通过二次调频，本文将不予以探讨。

2DFIG机组频率控制策略

2.1DFIG机组频率控制器设计应考虑的问题

针对上述DFIG机组频率控制的分析，DFIG机组频率控制器的设计应考虑如下几个问题：1）要充分利用其快速性，使DFIG机组能够提供比常规机组更快的有功支撑；2）针对其暂态性，应使DFIG机组只对动态频率变化有响应，而对于频率稳态误差，则由常规机组进行调整；3）频率控制完成后，应使DFIG机组转子转速以较快的速度恢复到最佳运行状态，同时应尽量减少转速恢复过程对于频率控制的影响；4）DFIG机组的快速性、暂态性应与常规机组的延时性、持续性相配合，两者协调控制，各自发挥其优点。

2.2DFIG机组频率控制方案

通过上面对于DFIG机组频率控制特性及频率控制设计过程需考虑问题的分析，提出了DFIG机组频率控制方案。DFIG机组频率控制系统主要包括4部分：频率控制模块、转速延时恢复模块、与常规发电机协调控制模块和转速保护系统模块。

2.2.1频率控制模块

频率控制模块保留了原有控制器响应的快速性，同时增加了分布式信号过滤器。分布式信号过滤器是一种高通滤波器，作用是阻断稳态输入信号，使频率控制模块只对动态频率偏差响应，在稳态频率偏差时不起作用。信号过滤器的时间常数Ks决定了暂态频率偏差的响应时间，Ks越大响应时间越长，机组输出的有功越多，但是返回到稳态运行的时间也越长。而Ks参数如何整定成为需研究的问题之一。如果大型风电场所有机组的时间常数Ks都设定为相同值，一是可能导致有的机组过度调频而有的机组仍具有调频能力却无法发挥，二是所有机组遵循相同的功率曲线下降和恢复，不利于系统频率的调整。为避免这些情况发生，提出了分布式信号过滤器的概念，即风电机组对于不同运行工况，时间常数Ks设定不同值，这里的运行工况是指转子转速的运行区间，当风速越大转子转速越快时，可以提供的额外有功支撑也越多，时间常数设定值越大，反之则设定较小的时间常数值。对于相同工况的风电机组，可以在前一步整定基础上做少量调整以避免所有机组功率曲线同时下降和恢复。关于转速和时间常数设置的具体关系有待进一步深入研究。

2.2.2转速延时恢复模块

转速延时恢复模块是为帮助转子转速以更快的速度恢复到最佳运行状态而设计的。转速测量值m与参考值ref的偏差经过PI控制器，并乘以比例系数m，从而不断调整机组有功参考值，最终达到最佳运行状态。

参考值ref的选取主要依据风电场实时测量的风速Vw，由风速计算风电机组可能利用的最大风能，并通过功率转速最优曲线得到此风速下转子最优转速参考值。延时主要是为减少转速恢复功能对于有功支撑的削弱。如图3当恢复模块不起作用时比例系数取值为0，经过一定延时t，触发器动作，比例系数变为m。为减少动作过程有功参考值的突然跃变，m取值采用梯形曲线，当转速恢复后触发器再动作将比例系数设置为0，使转速延时恢复模块退出运行。

延迟时间t的整定一般是在频率控制启动后5s~30s左右，但是对于大型风电场所有机组不能整定为相同时间。因为当同一时间所有机组都进入转速恢复模式时，提供的有功功率同时减少可能导致系统频率的二次跌落。因此，整定过程中应先确定第1台机组的延时t，其他机组在前一台机组延时基础上再增加t。

2.2.3与常规发电机协调模块

与常规发电机协调控制模块主要考虑充分发挥风电机组的快速性和常规机组的持续性，为系统提供更有效的频率支撑。中Kh=1，输出的参考值Pref连接到常规火电厂调速器。

2.2.4转速保护系统模块

转速保护系统模块可以避免DFIG深度调频而导致的转子转速低于最低值ωmin。当转速低于ωmin时，转速保护系统将ΔPf设置为0，不再参与系统频率控制，工程中ωmin一般设定为0.7。

结束语

由上述内容，可以得出以下结论：1）目前，双馈风电机组控制策略研究以机理建模和矢量控制为主，但充分考虑发电机的非线性以及参数的时变性，具有抑制参数变化、扰动和各种干扰的控制策略会得以应用；2）智能控制理论及智能控制器很快向风电领域移植，发展迅猛；3）下一阶段的研究重点是对风电场与含风电场的电力系统的协调控制。比如，电网故障情况下，如何实现风电机组的不间断运行以提高电能质量；4）深入地研究风电控制技术以及含有大型风电场的电力系统控制技术，使两者有机地结合是大规模利用风电的关键，需要风电领域的专家和学者孜孜不倦地研究和探索。

参考文献：

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[2]叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M].北京：机械工业出版社，2006.

[3]张先勇，吴捷，杨金明.基于自抗扰解耦的变速恒频风力发电功率控制系统[J].电气传动，2007，37（2）：8-11.