变速恒频双馈风电机组频率控制策略

赵爱云

(青岛大学 自动化与电气工程学院，山东 青岛 266071)

0　引　言

当今环境质量下降，能源消耗殆尽，新能源的开发迫在眉睫，风力发电具有绿色环保、优质经济、社会友好等优点，成为新能源开发的重点之一。由于风能具有可持续利用的特性，风电场总装机容量和风电开发规模逐年增大，风力发电的优势越来越明显。随着大规模风电并网，风电机组对于频率变化不能快速响应，无法快速恢复稳定运行状态。因此，探索风电的频率控制策略对电网稳定运行具有深远意义。

本文简述了双馈感应风力发电机的调频原理，提出一种改进的DFIG机组频率控制器即附加分布式信号过滤单元，使风电机组能够有效调节电网频率，从而能够快速响应频率的变化。本文在仿真软件MATLAB/Simulink中建立改进后的两区域四机网络模型，研究和分析变速恒频双馈风电机组频率调节过程。

1　双馈风机的频率特性分析

双馈异步风力发电机(DFIG)主要由风力机、齿轮箱、双馈异步发电机、三相变压器、转子侧变频器和电网侧变频器构成，其结构图如图1所示。

风力发电机一般采用绕线式异步电动机，定子绕组和转子绕组有不同的连接方式。其定子绕组通过变压器与电网相接，转子绕组通过转子变频器、电网侧变频器及变压器接入电网。因此双馈异步发电机可实现变速运行，提高风能转换效率，捕获最大风能，同时能够有效改善风电场的功率因数，提高系统电压稳定性，因此在电力系统中得到快速发展。

图1　双馈感应发电机原理图

2　双馈风电机组频率控制策略

风电机组频率控制模块不仅保留了原有控制器的快速响应特性，还增加了分布式信号过滤器。频率控制模块如图2所示。分布式信号过滤器作用是只对动态频率偏差响应，隔断稳态信号，实质是一种高通滤波器。其时间常数Ks决定了系统恢复稳态运行时间长短。同时增加了转速延时恢复模块，其作用是帮助转子快速恢复到稳定运行状态，减少有功功率的损耗。

图2　频率控制模块框图

3　仿真研究

在MATLAB/Simulink中搭建改进的两区域四机仿真模型，如图3所示。其中G1～G4是4台发电机，每台发电机参数设置相同。风电场从节点5接入电网，风电总装机容量为45 MW，为了更简便有效地进行仿真，用三组10×1.5 MW的风电机组进行等效。C1和C2为无功补偿设备，L1和L2为系统负荷，L1的有功负荷为188 MW，L2的有功负荷为152 MW。

图3　仿真结构图

基于上述仿真软件，模块1、2、3风速分别设定为额定风速12 m/s、10 m/s、10 m/s。频率控制模块参数K=200，R=500。三个区域频率控制单元的时间常数Ks分别设置为19 s、10 s、8 s，延迟时间设置为13.3 s、25.3 s、27.3 s，转速恢复模块PI控制器参数KP=l，Ki=0.1。5 s时给节点7突增50 MW恒定负荷，记录系统和风电机组的频率响应情况，如图4所示。

图4　系统频率响应及DFIG机组有功响应

图4(a)为增加分布式信号过滤单元后，三种情况下系统的频率响应曲线。图4(b)为相应的双馈风电机组发出的有功响应曲线。两组曲线表明，增加频率控制模块的双馈风电机组，既能高效响应频率的变化，又可以在不同的时间常数Ks时频率响应的速度和效率不同，从而优化DFIG的频率调整和有功输出能力，增强系统频率的稳定；而转速延时恢复模式的增加对调频和有功并没有起到很大作用。

4　结　论

DFIG机组频率控制模块可以有效改善机组对系统频率的响应特性。本文在原有频率控制单元上增加了分布式信号过滤器，调频能力得到显著提升，既能高效响应频率的变化，提高风电机组有功功率输出，增强电力系统频率的稳定，又能在基本不影响频率调整的基础上，转速延时恢复模块可以使转子转速响应速度提升，较短时间内恢复到最佳运行状态，风速越大转速恢复到最优状态的能力越强大。

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