变速恒频双馈风电机组频率控制策略的改进①

邹贤求，吴政球，陈 波，张小兵，王国民

（湖南大学电气与信息工程学院，长沙 410082）

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［1～4］。

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［5～7］，逐步成为风电市场的主流机型。

传统的DFIG控制系统使其机械功率和电磁功率解耦，使风力机转子不能随着频率的变化自动做出快速响应，因此传统的风力发电机对整个系统的惯性贡献微乎其微［8］。近年来，国内外学者们对DFIG机组参与电力系统频率控制（也称作调频）做了一些研究，提出了一些控制策略。文献［9］研究了大量风电引入电网的频率控制特性。文献［10］提出了增加电力系统的储能设备来支持频率的控制。文献［11］中提出了通过控制浆距角或调整功率－转速最优曲线来减少一部分有功输出，留作备用功率来参与频率的控制。文献［12，13］研究了模拟风电系统惯性响应及其对频率支持的应用。文献［12～19］研究了在DFIG控制系统中增加频率控制环节，利用风电机组中储存的旋转动能部分转化为电磁功率来参与电力系统频率的控制。

前面提到DFIG机组参与电力系统频率控制最初采用增加备用功率控制方式，牺牲了部分输出功率，不具备经济性和实用性。利用转子旋转动能的控制方式的提出解决了前一控制方式的问题，随着其相关的保护协调控制的研究，该控制方式逐渐趋于成熟。然而，DFIG机组参与频率控制的能力是有限的，上述的控制方法未对DFIG机组参与频率的极限问题进行探讨，鉴于此，本文将对如何最大限度利用DFIG机组参与频率控制进行分析。

为了便于分析比较，文中把DFIG控制系统中增加频率控制环节研究较为成熟的控制方法称为惯性控制，把后面将论述的在文献［18］频率控制环节基础上加以适当改进的控制方法称为比例控制，通过Matlab／Simulink进行仿真，分析了两种控制方法的特点，推出了将两者控制方法相结合的控制策略，来最大限度地利用DFIG机组的调频能力，并证明了该控制方案的可行性，最后考虑到DFIG的运行特性对控制策略进行了修正，使DFIG机组能够更好地为系统提供频率支持。

1 DFIG机组频率控制分析

1.1 DFIG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

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［15］，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。

在电力工程，常用惯性常量H来表示，H定义为

式中S为视在功率。将式（3）中式中J代入式（2）得

用标幺值表示，则有

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。

1.2 DFIG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。图1显示了增加DFIG机组频率控制环节的频率控制模型。图中的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；Δ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。

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。

图1 电力系统频率控制模型Fig.1 Frequency control model of power system

2 惯性控制

本文对前面提到的相关文献中的频率控制环节进行了综合，给出了比较完善的频率控制方案，如图2所示。

该控制环节主要包括四个部分：频率控制模块，转速保护系统模块，转速恢复模块和功率协调模块。下面来介绍各模块的功能和作用。

1）频率控制模块，该模块作用是传递频率调节的功率信号。在控制中，首先将Δf通过高通滤波器，使稳态频率信号对控制过程没有影响。

2）转速保护系统模块，为了避免DFIG机组机转速变化过度给DFIG机组发电系统带来破坏。DFIG转速运行范围在0.7～1.2（标幺值），当转速运行到达极限值时，退出参与系统频率的控制。

3）转速恢复模块，前面论述了DFIG机组利用惯性动能参与频率控制的原理，它是通过转子释放或吸收部分动能与功率之间的转换来实现的。该模块的作用是为了使转速更快地恢复到最佳运行状态。其设计应考虑如下两个问题：（a）使转速快速恢复；（b）适当延时，使DFIG机组调频能够提供足够的有功支撑来配合常规调频。因此，本文采用了带延时环节的PI控制器。

4）功率协调模块，功率协调模块是为了在DFIG机组提供瞬时功率的同时，能够与常规发电单位调频功率相协调，更好地满足负荷所需有功功率，充分发挥DFIG机组调频的快速性和常规机组调频的持续性。

文献［16］证明了当Kf1取正值时，可以增加系统的惯性。惯性的增加，可以使系统在承受更大的负荷波动，但同时会使系统频率变化变慢，使DFIG机组转速变化所提供或吸收的旋转动能减少，即DFIG机组提供或吸收的有功功率会减少。

图2 惯性控制模型Fig.2 Model of inertial control

3 比例控制

该控制方法是在文献［18］中频率控制环节基础上加以适当改进。它的一个重要特点是充分利用了DFIG机组快速注入功率的能力。比例控制模型的频率调节模块见图3，其它部分与惯性控制模型相同。

图3 比例控制频率控制模块Fig.3 Frequency control module of proportional control

该方案与文献［18］中的频率控制方法主要的不同是增加了低通滤波器和washout滤波器。低通滤波器可以滤除高频噪音信号，washout滤波器可以阻断稳态输入信号，使控制过程对稳态频率偏差不起作用。

与惯性控制相比，比例控制没有增加系统的惯性，系统频率变化率较大，但DFIG机组注入功率会增大，最终系统频率下降反而会减少。

4 仿真分析

4.1 仿真系统模型

通过matlab／simulnk建模了含风电场的仿真系统模型，如图4所示。风电场由20台2 MW的DFIG组成，其输出额定功率为40 MW。L1、L2和L3为系统负荷，L1的有功负荷为67 MW，L2的有功负荷为52 MW，L3的有功负荷为81 MW。整个系统仿真主要参数取值如表1所示。

图4 含风电场的仿真系统模型Fig.4 Simulation of power system with wind farm

表1 仿真模型参数Tab.1 Parameters of simulation model

4.2 控制方法分析比较

在以下三种情况下对节点10在2 s时突然增加45 MW恒定有功负荷来进行分析比较。

1）DFIG机组不参与频率控制；

2）采用惯性控制参与频率控制；

3）采用比例控制参与频率控制。

图5（a）显示了在负荷突增45 MW三种情况下的频率表现。从图中可以看出，DFIG机组不参与频率控制时，负荷增加引起频率有较大幅度的波动，且调整时间比较长。采用惯性控制时，频率波动幅度明显减少，采用比例控制时，频率波动幅度最小。

图5（b）显示了三种情况下的有功功率表现：比例控制快速有功功率的注入大于惯性控制。惯性控制由于会使系统惯性增大，转速变化减小，DFIG机组提供的旋转动能转化为有功功率减少，其快速注入功率的特点没有充分利用，而比例控制提供的有功功率更多。DFIG机组有功的迅速注入，有利于快速平衡负荷波动所需功率，给常规发电机组足够时间增大输出功率，当DFIG机组开始进行转速调节后，其输出功率迅速下降，而此时常规发电机组输出功率的增加已足够平衡负荷波动功率。

图5 两种控制方法频率、有功、转速响应比较Fig.5 Comparison of two control methods in frequency，active power，rotor speed responses

惯性控制与比例控制相比，在频率调节方面取得了更好的控制效果，但转速变化相对较大。DFIG的转速是有极限的，处于一定范围内才能使DFIG机组才能安全运行。图5（c）显示了两种控制方案下DFIG机组转速的变化，可以看出比例控制转速变化幅度更大，而惯性控制转速变化较小。

5 控制策略的改进

我国国家标准GB／T15945－2008规定，电力系统正常运行条件下频率偏差限值±0.2 Hz。DFIG机组的转速范围一般在0.7～1.2（p.u.）。由此可以得到频率和转速这两个频率调节的极限值。可得出有三种情况：1）频率先到极限值；2）转速先到极限值；3）两者同时达到极限值。显然，第3）种情况可最大限度地利用DFIG机组来参与系统频率的控制。根据两种控制方法的特点，可采用两种方法结合控制的方式（以下称为综合控制），来调整转速和频率的变化关系进行调整。

因为比例控制频率控制效果更好，且对转速反应更为灵敏，所以采用其作为测试的控制方法，推出控制策略如下：

1）当控制中频率先达到极限值或两者同时达到极限值，采用比例控制。转速保持在极限范围内。

2）当转速先达到极限值，采用惯性控制和比例控制相结合的综合控制策略，充分利用惯性控制转速变化小和比例控制频率变化小的优点。

M的取值根据具体工况进行调整，尽量增大DFIG机组参与频率控制的范围。

下面来验证综合控制策略可以调整转速和频率波动幅度的关系。在同样仿真系统模型中取负荷突然增加30 MW时值为M，从仿真结果中用其工具的Data Stalisttics（数据统计）得出同样对负荷突增45 MW的情况进行仿真。当时，即频率变化很大的时候，采用惯性控制，使DFIG机组转速变化不会太大，保持转速在安全范围内，保证DFIG机组的正常运行；当时，采用比例控制，充分利用该控制的调频效果更好的特点。

图6 综合控制与前两种控制方法频率、有功、转速比较Fig.6 Comparison between the comprehensive conrtol and the first two control stategy in frequency，active power，rotor speed reaponses

图6的仿真结果证明了综合控制策略能够在一定程度上协调频率和转速的变化，证明了该控制策略的可行性。

然而DFIG机组在风速较大时处于超同步运行、风速较低时处于亚同步运行状态。而处于这两种状态，转速在负荷扰动下更容易超出安全范围。因此，将上述控制策略更正为

f（ω）的取值如图7曲线所示，当转速偏移较大时，f（ω）取0，只用惯性控制，保持转速在安全范围内运行。这样在转速变化小时充分利用比例控制调频效果好的特点，在转速偏移较大时，采用惯性控制，防止转速超出安全范围而造成停机脱网来电力系统带来的危害。M、ω1和ω2取值要根据具体的工况来定，其具体的选取方法还有待进一步研究。

图7 函数f（ω）的取值Fig.7 Value of function f（ω）

6 结论

本文论述了DFIG机组参与电力系统频率控制的原理及现在研究较为成熟的控制方法和一种改进控制方法，并通过仿真，对两种控制方法在频率控制、有功和转速方面进行了比较，分析了两者控制方法的特点：惯性控制转速变化更小，而比例控制频率控制效果更好。为了最大限度地利用DFIG机组参与频率控制的能力，推出了将其用两种控制相结合的综合控制策略，仿真结果证明了该控制策略可以协调频率和转速变化。最后考虑DFIG机组可能处于超同步或亚同步的运行状态，修正了控制策略，在保护DFIG机组安全运行的同时，最大限度地利用了DFIG机组参与系统频率控制的能力，在一定程度上提高了电力系统的稳定性。

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