基于双馈变速风电机组的电网频率控制模型研究

基于双馈变速风电机组的电网频率控制模型研究

黎津池1熊刚2

（国网湖北省电力有限公司恩施供电公司湖北恩施445000)

摘要：针对双馈变速风电机组对系统频率变化响应低的问题，本文在Matlab/Simulink中搭建了双馈机组风力发电系统仿真模型，并设计了基于双馈电机的附加频率控制模型。然后研究其对电力系统频率控制的辅助作用。仿真结果表明了含附加频率控制的双馈风力发电机组对系统频率变化的响应明显增强，能有效降低电网频率变化率。最后通过与无附加频率控制的双馈变速风电机组频率响应特性结果进行比较，进一步验证了频率控制环节的有效性和实用性。

关键词：双馈变速风电机组；频率响应；频率控制环节

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。其中双馈风力发电机组（doublyfedinductiongenerator，DFIG）因具有独立的有功功率、无功功率调节能力，调节改善风电场的功率因素及电压稳定性，逐渐成为风力发电的主流机型。正是由于DFIG的控制系统使其机械功率与系统电磁功率解耦、转速与电网频率解耦，因此失去了对系统频率的快速有效响应。机组对系统频率的响应与惯量有关，DFIG采用磁场定向的矢量控制，实现了转速与电网频率的解耦，几乎不对电力系统提供有效的转动惯量[1]。若不增加额外的频率控制措施，就会失去对系统频率的快速响应。因此，需对双馈风力发电机组增加控制措施，使其也能参与电力系统频率控制，维持电力系统频率稳定。

国内外学者已经对DFIG机组参与频率控制进行了一些研究。主要包括2种频率控制方式，分别为：（1）备用功率控制（PRC）方式[2]。（2）转子动能控制（KEC）方式[3]。本文在Matlab/Simulink中搭建了双馈机组风力发电仿真系统，并通过增加附加频率控制模型，使得风电机组能有效响应系统频率的变化，并通过转子动能的吸收和释放达到有功输出的改变。最后通过与无附加频率控制的风电机组频率响应特性进行比较，进一步验证了频率控制环节的有效性和实用性，并证明了通过增加附加频率控制环节，风电场能够在一定程度上参与系统频率调整。

1.DFIG机组频率控制特性分析

常规机组频率的一次调节相比，DFIG机组一般运行在最大风能追踪控制模式下，输出的有功已经达到可利用风能的最大值。当系统频率降低时，无法增加原动机的输出，因此风电机组参与频率控制一般通过调整转子转速释放或吸收转子部分动能。

发电机组的的初始动能可表示为

3.仿真分析

在Matlab/Simulink中搭建如图2所示的仿真系统。该仿真系统是在IEEE三机九节点的基础上进行改进[10]，有三个同步电机和一个风电场组成，发电机G1-G3的容量均为100MW，都安装有励磁系统和调速系统。风电场总装机容量为45MW，包含30台1.5MW的DFIG机组。机组通过机端箱式变压器从690V升压到35kV，在经过风电场出口升压变压器升压到220kV。负荷均为有功负荷且均为100MW。同步发电机、线路以及负荷的相关参数详见文献[4]。

首先将未加改进的风电机组接入如图2中的3机9节点的电力系统模型中。仿真过程在0.5s时刻，在BUS3处加入电网负荷50MW，得到如图3的无频率控制环节的频率响应图和如图4中的无频率控制环节的有功功率输出响应图。

其次将风电场中的所有风电机加入附加频率控制模块。同样，在仿真过程0.5s时刻，在BUS3处突然恒定加入电网负荷50MW，模拟电力系统频率波动。在此暂态过程中，假设风速不变为15m/s，且系统的额定频率设定为60Hz。通过观测此暂态过程，有附加频率控制环节的系统频率响应如图3所示和有附加频率控制环节的风电机组有功响应如图4所示。

图3有/无附加频率控制环节的频率响应

由图3有/无附加频率控制环节的频率响应可以看出，当电网的发电功率低于负荷功率时，电网频率开始下降，但是变速风电机组的控制系统不会对系统的频率变化产生响应，风电机组仍按照正常的控制策略控制风电机转速与发出的有功功率，其发出的有功功率对电网的频率变化扰动也几乎不产生响应。在基于双馈电机的变速风电机组控制系统中增加了附加频率控制环节后，双馈风电机组控制系统能够对接入负荷时的频率跌落有一定的抑制效果，以帮助电网恢复频率。

由图4有/无附加频率控制环节的有功输出响应比较可以看出附加频率控制环节的双馈风电机组可以响应系统频率的变化，并通过短时释放转子的部分动能，较好的提高DFIG机组的有功输出，从而参与系统的频率控制。

4.结论

双馈风电机组引入附加频率控制环节后，能够对电网的频率降低做出响应，表现出风电机组惯量的作用；当电网频率降低时，增加双馈电机输出的有功功率参考值，发出更多的有功功率支持电网频率，降低电网频率变化率。

参考文献：

[1]刘其辉，贺益康，张建华.交流励磁变速恒频风力发电机的运行控制及建模仿真[J].中国电机工程学报，2006，26（5)：43-50.

[2]HOLDSWORTH，EKANAYAKEJB，JENKINSN.Powersystemfrequencyresponsefromfixedspeedanddoublyfedinductiongenerator-basedwindturbines.WindEnergy，2004，7（1)：21-35.

[3]迟永宁.大规模风电场接入电力系统的稳定性研究[D].华北电力大学博士论文.2008.

[4]P.M.安德逊，A.A.佛阿德.电力系统的控制与稳定（第一卷）[M].北京：水利水电出版社，1979．

作者简介：

黎津池（1988-)，男，硕士研究生，研究方向为含新能

源的电力系统状态估计、开关柜暂态地电压及超声波带电检测、GIS设备特高频及超声波带电检测。