双馈风机桨距角控制调频特性研究

／ 青岛大学 董鹏程 陈明帅／

双馈风机桨距角控制调频特性研究

／ 青岛大学 董鹏程 陈明帅／

目前，风力发电迅猛发展，由于双馈风力发电机可以实现有功、无功解耦调节，往往在高功率因数下运行，当电网发生故障或扰动频率跌落时不能向电网输送有功帮助电网频率恢复。本文根据风机运行特性，提出设定桨距角初始值实现备用有功的方式实现调频特性，仿真结果验证了所提方案的有效性。

双馈风机；桨距角；调频

0 引言

根据我国能源部门统计，我国总装机容量快速增长，已接近1.5亿kW。同时，由于一次能源紧缺与环境污染严重，国家大力提倡发展新能源发电。近日，国家发改委、海洋局发布了《海洋经济发展“十三五”规划》，提倡大力发展海上大容量风电机组，而且大量火力发电机组慢慢退出运行，风电对电网的影响与日俱增。规模庞大的电力系统极易受到扰动与发生故障，引起电网频率波动。

鉴于上述原因，许多学者做出了大量研究工作。文献[1]提出通过控制使风机运行在次优功率曲线，实现备用有功完成电网频率跌落后的调整；文献[3]提出添加储能设备实现增发有功，实现频率调节。上述方案在一定程度上实现了频率调整的目的，但是在经济成本和双馈风机保护方面仍具有局限性。因此本文提出设定桨距角初始值实现备用有功，等效常规发电机组的调频电厂。

1 桨距角控制策略

风力发电机一般以最大功率追踪的方式运行，功率Popt为

式中，Kopt为风力机的空气动力学特性确定的常数；ω为转子转速。

有文献提出使风机放弃最大功率追踪运行模式，以次优功率追踪运行模式来实现有功功率备用，次优功率曲线如图1所示，次优功率曲线与最优功率曲线关系如图2所示。

然而，此种方法获得有功功率备用是以风力发电机转子超速减载来实现有功功率备用，由于转子转速上限限值的控制，这种方法只适合于风机额定转速以下的情况。为使得DFIG系统自身可以有有功功率备用容量，对风力发电机的功率方程进行以下分析。

根据空气动力学，风力机的输入功率[2]

风能利用系数[2]

所以，风力机输出机械功率[2]

式中，ρ为空气密度；Sw为风力机叶片迎风扫掠面积；ν为进入风力机扫掠面之前的空气流速（即未扰动风速）；λ为叶尖速比；β为桨距角。

由上述公式可见，风力机输出功率相关的可改变量是桨距角β。桨距角β与风能利用系数的关系如图3所示，在叶尖速比为定值时，β越大，风能利用系数越小，因此风机输出功率越小，风力发电机的桨距角为0°时风力发电机输出的功率最大，因此，通过设定风机叶片桨距角初始值，降低机组有功出力，使风机留有一定的备用有功容量，当电网频率发生偏移时起到有功功率补偿的作用，进行频率调节。设定初始值的桨距角频率控制框图如图4所示。

当扰动发生后，电网频率跌落，图4所示控制策略开始发生作用，桨距角开始减少，有功增发，如图6和图7所示。

3 结束语

通过仿真结果可知，通过设定初始桨距角控制可以实现双馈风力发电机有功增发，从而帮助电网频率恢复，起到常规发电机组调频电厂一次调频的功能。但是这种调频是一种有差调频，如何在整个风电场的角度根据运行特点将风电机组分类建立等值模型，利用能量管理系统实现无差调频是下一步要研究的重点。

[1]李军军，李圣清，匡红梅.双馈风电系统参与频率调节的小扰动稳定性分析[J].电机与控制学报，2012，16(8)：1-10.

[2]贺益康，胡家兵，Lie XU（徐烈）.并网双馈异步风力发电机运行控制[M].北京：中国电力出版社，2011：29-31.

[3]刘东霖，王倩.双馈风力发电机组虚拟惯性控制研究[J].电测与仪表，2016，53(14)：46-50.

[4]朱晓荣，赵猛，王毅.双馈感应风力发电机组复合频率控制策略研究[J].电力系统保护与控制，2012，40(8)：20-24.