變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組頻率控制策略的改進(jìn)①

鄒賢求，吳政球，陳 波，張小兵，王國民

（湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長沙 410082）

風(fēng)力發(fā)電具有環(huán)境友好、技術(shù)成熟、可靠性高、成本低且規(guī)模效益顯著等特點(diǎn)，是發(fā)展最快的新能源。大型風(fēng)電場并網(wǎng)的不斷增加，對電網(wǎng)的影響也越來越明顯。電力系統(tǒng)頻率作為電力系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)中最重要的參數(shù)之一，對其控制的分析與研究是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行中一個(gè)不可忽視的部分［1～4］。

目前，世界風(fēng)電市場上有很多種類型的風(fēng)電機(jī)組。其中，基于雙饋感應(yīng)電機(jī)（DFIG）的變速恒頻風(fēng)電機(jī)組以其優(yōu)良的有功、無功解耦控制性能［5～7］，逐步成為風(fēng)電市場的主流機(jī)型。

傳統(tǒng)的DFIG控制系統(tǒng)使其機(jī)械功率和電磁功率解耦，使風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子不能隨著頻率的變化自動(dòng)做出快速響應(yīng)，因此傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)對整個(gè)系統(tǒng)的慣性貢獻(xiàn)微乎其微［8］。近年來，國內(nèi)外學(xué)者們對DFIG機(jī)組參與電力系統(tǒng)頻率控制（也稱作調(diào)頻）做了一些研究，提出了一些控制策略。文獻(xiàn)［9］研究了大量風(fēng)電引入電網(wǎng)的頻率控制特性。文獻(xiàn)［10］提出了增加電力系統(tǒng)的儲能設(shè)備來支持頻率的控制。文獻(xiàn)［11］中提出了通過控制漿距角或調(diào)整功率－轉(zhuǎn)速最優(yōu)曲線來減少一部分有功輸出，留作備用功率來參與頻率的控制。文獻(xiàn)［12，13］研究了模擬風(fēng)電系統(tǒng)慣性響應(yīng)及其對頻率支持的應(yīng)用。文獻(xiàn)［12～19］研究了在DFIG控制系統(tǒng)中增加頻率控制環(huán)節(jié)，利用風(fēng)電機(jī)組中儲存的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能部分轉(zhuǎn)化為電磁功率來參與電力系統(tǒng)頻率的控制。

前面提到DFIG機(jī)組參與電力系統(tǒng)頻率控制最初采用增加備用功率控制方式，犧牲了部分輸出功率，不具備經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。利用轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)動(dòng)能的控制方式的提出解決了前一控制方式的問題，隨著其相關(guān)的保護(hù)協(xié)調(diào)控制的研究，該控制方式逐漸趨于成熟。然而，DFIG機(jī)組參與頻率控制的能力是有限的，上述的控制方法未對DFIG機(jī)組參與頻率的極限問題進(jìn)行探討，鑒于此，本文將對如何最大限度利用DFIG機(jī)組參與頻率控制進(jìn)行分析。

為了便于分析比較，文中把DFIG控制系統(tǒng)中增加頻率控制環(huán)節(jié)研究較為成熟的控制方法稱為慣性控制，把后面將論述的在文獻(xiàn)［18］頻率控制環(huán)節(jié)基礎(chǔ)上加以適當(dāng)改進(jìn)的控制方法稱為比例控制，通過Matlab／Simulink進(jìn)行仿真，分析了兩種控制方法的特點(diǎn)，推出了將兩者控制方法相結(jié)合的控制策略，來最大限度地利用DFIG機(jī)組的調(diào)頻能力，并證明了該控制方案的可行性，最后考慮到DFIG的運(yùn)行特性對控制策略進(jìn)行了修正，使DFIG機(jī)組能夠更好地為系統(tǒng)提供頻率支持。

1 DFIG機(jī)組頻率控制分析

1.1 DFIG機(jī)組慣性參與頻率控制的原理

風(fēng)力機(jī)儲存的動(dòng)能可表示為

式中：J為風(fēng)力機(jī)慣性；ωw為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速。發(fā)電機(jī)組對系統(tǒng)頻率的響應(yīng)主要取決于轉(zhuǎn)速隨系統(tǒng)頻率的改變。DFIG控制系統(tǒng)對有功和無功的解耦控制使得轉(zhuǎn)速不能有效地跟隨系統(tǒng)頻率［15］，在DFIG控制系統(tǒng)中增加頻率控制環(huán)節(jié)，既可以保持DFIG機(jī)組轉(zhuǎn)速可以控制的優(yōu)點(diǎn)，又可以實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)頻率變化時(shí)通過改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速釋放或吸收部分動(dòng)能而對系統(tǒng)頻率有效響應(yīng)。利用電磁角速度的變化，通過控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化的部分旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，來改變DFIG機(jī)組輸出電磁功率P。

在電力工程，常用慣性常量H來表示，H定義為

式中S為視在功率。將式（3）中式中J代入式（2）得

用標(biāo)幺值表示，則有

頻率控制環(huán)節(jié)的增加，可以使DFIG機(jī)組在電力系統(tǒng)頻率擾動(dòng)時(shí)迅速增加或減少輸出功率，參與系統(tǒng)頻率的控制。

1.2 DFIG機(jī)組參與頻率控制模型

電力系統(tǒng)頻率反映了發(fā)電有功功率和負(fù)荷之間的平衡關(guān)系。圖1顯示了增加DFIG機(jī)組頻率控制環(huán)節(jié)的頻率控制模型。圖中的ΔPp為常規(guī)發(fā)電機(jī)組頻率調(diào)節(jié)功率信號；PG為常規(guī)發(fā)電機(jī)組輸出功率；Δ為DFIG機(jī)組頻率調(diào)節(jié)功率信號；Pw為DFIG機(jī)組輸出功率；Pcf為常規(guī)機(jī)組和DFIG機(jī)組調(diào)頻功率協(xié)調(diào)信號；PL為負(fù)荷功率；Meq為所有機(jī)組慣性常數(shù)之和；D為負(fù)荷集中影響的阻尼系數(shù)。系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下，功率平衡方程如下。

當(dāng)PA≠0時(shí)，會產(chǎn)生頻率差Δf，引起各發(fā)電機(jī)組通過調(diào)速系統(tǒng)使原動(dòng)機(jī)輸入功率增加，使機(jī)組轉(zhuǎn)速回升，從而使系統(tǒng)頻率穩(wěn)定在允許范圍之內(nèi)，即為電力系統(tǒng)的一次調(diào)頻，而要實(shí)現(xiàn)頻率的無差調(diào)節(jié)還需通過二次調(diào)頻，本文將不予以探討。

圖1 電力系統(tǒng)頻率控制模型Fig.1 Frequency control model of power system

2 慣性控制

本文對前面提到的相關(guān)文獻(xiàn)中的頻率控制環(huán)節(jié)進(jìn)行了綜合，給出了比較完善的頻率控制方案，如圖2所示。

該控制環(huán)節(jié)主要包括四個(gè)部分：頻率控制模塊，轉(zhuǎn)速保護(hù)系統(tǒng)模塊，轉(zhuǎn)速恢復(fù)模塊和功率協(xié)調(diào)模塊。下面來介紹各模塊的功能和作用。

1）頻率控制模塊，該模塊作用是傳遞頻率調(diào)節(jié)的功率信號。在控制中，首先將Δf通過高通濾波器，使穩(wěn)態(tài)頻率信號對控制過程沒有影響。

2）轉(zhuǎn)速保護(hù)系統(tǒng)模塊，為了避免DFIG機(jī)組機(jī)轉(zhuǎn)速變化過度給DFIG機(jī)組發(fā)電系統(tǒng)帶來破壞。DFIG轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍在0.7～1.2（標(biāo)幺值），當(dāng)轉(zhuǎn)速運(yùn)行到達(dá)極限值時(shí)，退出參與系統(tǒng)頻率的控制。

3）轉(zhuǎn)速恢復(fù)模塊，前面論述了DFIG機(jī)組利用慣性動(dòng)能參與頻率控制的原理，它是通過轉(zhuǎn)子釋放或吸收部分動(dòng)能與功率之間的轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)的。該模塊的作用是為了使轉(zhuǎn)速更快地恢復(fù)到最佳運(yùn)行狀態(tài)。其設(shè)計(jì)應(yīng)考慮如下兩個(gè)問題：（a）使轉(zhuǎn)速快速恢復(fù)；（b）適當(dāng)延時(shí)，使DFIG機(jī)組調(diào)頻能夠提供足夠的有功支撐來配合常規(guī)調(diào)頻。因此，本文采用了帶延時(shí)環(huán)節(jié)的PI控制器。

4）功率協(xié)調(diào)模塊，功率協(xié)調(diào)模塊是為了在DFIG機(jī)組提供瞬時(shí)功率的同時(shí)，能夠與常規(guī)發(fā)電單位調(diào)頻功率相協(xié)調(diào)，更好地滿足負(fù)荷所需有功功率，充分發(fā)揮DFIG機(jī)組調(diào)頻的快速性和常規(guī)機(jī)組調(diào)頻的持續(xù)性。

文獻(xiàn)［16］證明了當(dāng)Kf1取正值時(shí)，可以增加系統(tǒng)的慣性。慣性的增加，可以使系統(tǒng)在承受更大的負(fù)荷波動(dòng)，但同時(shí)會使系統(tǒng)頻率變化變慢，使DFIG機(jī)組轉(zhuǎn)速變化所提供或吸收的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能減少，即DFIG機(jī)組提供或吸收的有功功率會減少。

圖2 慣性控制模型Fig.2 Model of inertial control

3 比例控制

該控制方法是在文獻(xiàn)［18］中頻率控制環(huán)節(jié)基礎(chǔ)上加以適當(dāng)改進(jìn)。它的一個(gè)重要特點(diǎn)是充分利用了DFIG機(jī)組快速注入功率的能力。比例控制模型的頻率調(diào)節(jié)模塊見圖3，其它部分與慣性控制模型相同。

圖3 比例控制頻率控制模塊Fig.3 Frequency control module of proportional control

該方案與文獻(xiàn)［18］中的頻率控制方法主要的不同是增加了低通濾波器和washout濾波器。低通濾波器可以濾除高頻噪音信號，washout濾波器可以阻斷穩(wěn)態(tài)輸入信號，使控制過程對穩(wěn)態(tài)頻率偏差不起作用。

與慣性控制相比，比例控制沒有增加系統(tǒng)的慣性，系統(tǒng)頻率變化率較大，但DFIG機(jī)組注入功率會增大，最終系統(tǒng)頻率下降反而會減少。

4 仿真分析

4.1 仿真系統(tǒng)模型

通過matlab／simulnk建模了含風(fēng)電場的仿真系統(tǒng)模型，如圖4所示。風(fēng)電場由20臺2 MW的DFIG組成，其輸出額定功率為40 MW。L1、L2和L3為系統(tǒng)負(fù)荷，L1的有功負(fù)荷為67 MW，L2的有功負(fù)荷為52 MW，L3的有功負(fù)荷為81 MW。整個(gè)系統(tǒng)仿真主要參數(shù)取值如表1所示。

圖4 含風(fēng)電場的仿真系統(tǒng)模型Fig.4 Simulation of power system with wind farm

表1 仿真模型參數(shù)Tab.1 Parameters of simulation model

4.2 控制方法分析比較

在以下三種情況下對節(jié)點(diǎn)10在2 s時(shí)突然增加45 MW恒定有功負(fù)荷來進(jìn)行分析比較。

1）DFIG機(jī)組不參與頻率控制；

2）采用慣性控制參與頻率控制；

3）采用比例控制參與頻率控制。

圖5（a）顯示了在負(fù)荷突增45 MW三種情況下的頻率表現(xiàn)。從圖中可以看出，DFIG機(jī)組不參與頻率控制時(shí)，負(fù)荷增加引起頻率有較大幅度的波動(dòng)，且調(diào)整時(shí)間比較長。采用慣性控制時(shí)，頻率波動(dòng)幅度明顯減少，采用比例控制時(shí)，頻率波動(dòng)幅度最小。

圖5（b）顯示了三種情況下的有功功率表現(xiàn)：比例控制快速有功功率的注入大于慣性控制。慣性控制由于會使系統(tǒng)慣性增大，轉(zhuǎn)速變化減小，DFIG機(jī)組提供的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為有功功率減少，其快速注入功率的特點(diǎn)沒有充分利用，而比例控制提供的有功功率更多。DFIG機(jī)組有功的迅速注入，有利于快速平衡負(fù)荷波動(dòng)所需功率，給常規(guī)發(fā)電機(jī)組足夠時(shí)間增大輸出功率，當(dāng)DFIG機(jī)組開始進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)后，其輸出功率迅速下降，而此時(shí)常規(guī)發(fā)電機(jī)組輸出功率的增加已足夠平衡負(fù)荷波動(dòng)功率。

圖5 兩種控制方法頻率、有功、轉(zhuǎn)速響應(yīng)比較Fig.5 Comparison of two control methods in frequency，active power，rotor speed responses

慣性控制與比例控制相比，在頻率調(diào)節(jié)方面取得了更好的控制效果，但轉(zhuǎn)速變化相對較大。DFIG的轉(zhuǎn)速是有極限的，處于一定范圍內(nèi)才能使DFIG機(jī)組才能安全運(yùn)行。圖5（c）顯示了兩種控制方案下DFIG機(jī)組轉(zhuǎn)速的變化，可以看出比例控制轉(zhuǎn)速變化幅度更大，而慣性控制轉(zhuǎn)速變化較小。

5 控制策略的改進(jìn)

我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T15945－2008規(guī)定，電力系統(tǒng)正常運(yùn)行條件下頻率偏差限值±0.2 Hz。DFIG機(jī)組的轉(zhuǎn)速范圍一般在0.7～1.2（p.u.）。由此可以得到頻率和轉(zhuǎn)速這兩個(gè)頻率調(diào)節(jié)的極限值?？傻贸鲇腥N情況：1）頻率先到極限值；2）轉(zhuǎn)速先到極限值；3）兩者同時(shí)達(dá)到極限值。顯然，第3）種情況可最大限度地利用DFIG機(jī)組來參與系統(tǒng)頻率的控制。根據(jù)兩種控制方法的特點(diǎn)，可采用兩種方法結(jié)合控制的方式（以下稱為綜合控制），來調(diào)整轉(zhuǎn)速和頻率的變化關(guān)系進(jìn)行調(diào)整。

因?yàn)楸壤刂祁l率控制效果更好，且對轉(zhuǎn)速反應(yīng)更為靈敏，所以采用其作為測試的控制方法，推出控制策略如下：

1）當(dāng)控制中頻率先達(dá)到極限值或兩者同時(shí)達(dá)到極限值，采用比例控制。轉(zhuǎn)速保持在極限范圍內(nèi)。

2）當(dāng)轉(zhuǎn)速先達(dá)到極限值，采用慣性控制和比例控制相結(jié)合的綜合控制策略，充分利用慣性控制轉(zhuǎn)速變化小和比例控制頻率變化小的優(yōu)點(diǎn)。

M的取值根據(jù)具體工況進(jìn)行調(diào)整，盡量增大DFIG機(jī)組參與頻率控制的范圍。

下面來驗(yàn)證綜合控制策略可以調(diào)整轉(zhuǎn)速和頻率波動(dòng)幅度的關(guān)系。在同樣仿真系統(tǒng)模型中取負(fù)荷突然增加30 MW時(shí)值為M，從仿真結(jié)果中用其工具的Data Stalisttics（數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)）得出同樣對負(fù)荷突增45 MW的情況進(jìn)行仿真。當(dāng)時(shí)，即頻率變化很大的時(shí)候，采用慣性控制，使DFIG機(jī)組轉(zhuǎn)速變化不會太大，保持轉(zhuǎn)速在安全范圍內(nèi)，保證DFIG機(jī)組的正常運(yùn)行；當(dāng)時(shí)，采用比例控制，充分利用該控制的調(diào)頻效果更好的特點(diǎn)。

圖6 綜合控制與前兩種控制方法頻率、有功、轉(zhuǎn)速比較Fig.6 Comparison between the comprehensive conrtol and the first two control stategy in frequency，active power，rotor speed reaponses

圖6的仿真結(jié)果證明了綜合控制策略能夠在一定程度上協(xié)調(diào)頻率和轉(zhuǎn)速的變化，證明了該控制策略的可行性。

然而DFIG機(jī)組在風(fēng)速較大時(shí)處于超同步運(yùn)行、風(fēng)速較低時(shí)處于亞同步運(yùn)行狀態(tài)。而處于這兩種狀態(tài)，轉(zhuǎn)速在負(fù)荷擾動(dòng)下更容易超出安全范圍。因此，將上述控制策略更正為

f（ω）的取值如圖7曲線所示，當(dāng)轉(zhuǎn)速偏移較大時(shí)，f（ω）取0，只用慣性控制，保持轉(zhuǎn)速在安全范圍內(nèi)運(yùn)行。這樣在轉(zhuǎn)速變化小時(shí)充分利用比例控制調(diào)頻效果好的特點(diǎn)，在轉(zhuǎn)速偏移較大時(shí)，采用慣性控制，防止轉(zhuǎn)速超出安全范圍而造成停機(jī)脫網(wǎng)來電力系統(tǒng)帶來的危害。M、ω1和ω2取值要根據(jù)具體的工況來定，其具體的選取方法還有待進(jìn)一步研究。

圖7 函數(shù)f（ω）的取值Fig.7 Value of function f（ω）

6 結(jié)論

本文論述了DFIG機(jī)組參與電力系統(tǒng)頻率控制的原理及現(xiàn)在研究較為成熟的控制方法和一種改進(jìn)控制方法，并通過仿真，對兩種控制方法在頻率控制、有功和轉(zhuǎn)速方面進(jìn)行了比較，分析了兩者控制方法的特點(diǎn)：慣性控制轉(zhuǎn)速變化更小，而比例控制頻率控制效果更好。為了最大限度地利用DFIG機(jī)組參與頻率控制的能力，推出了將其用兩種控制相結(jié)合的綜合控制策略，仿真結(jié)果證明了該控制策略可以協(xié)調(diào)頻率和轉(zhuǎn)速變化。最后考慮DFIG機(jī)組可能處于超同步或亞同步的運(yùn)行狀態(tài)，修正了控制策略，在保護(hù)DFIG機(jī)組安全運(yùn)行的同時(shí)，最大限度地利用了DFIG機(jī)組參與系統(tǒng)頻率控制的能力，在一定程度上提高了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

［1］ 雷亞洲（Lei Yazhou）.與風(fēng)電并網(wǎng)相關(guān)的研究課題（Studies on wind farm integration into power system）［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化（Automation of Electric Power Systems），2003，27（8）：84－89.

［2］ 遲永寧，劉燕華，王偉勝，等（Chi Yongning，Liu Yanhua，Wang Weisheng，et al）.風(fēng)電接入對電力系統(tǒng)的影響（Study on impact of wind power interation on power system）［J］.電網(wǎng)技術(shù)（Power System Technology），2007，31（3）：77－81.

［3］ 彭建春，黃純，江輝（Peng Jianchun，Huang Chun，Jiang Hui）.兩區(qū)域負(fù)荷頻率的智能自適應(yīng)PID控制（Intelligent adaptive PID control for two－area loadfrequency）［J］.電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)（Proceedings of the CSU－EPSA），1999，11（2）：55－60.

［4］ 《電力系統(tǒng)調(diào)頻與自動(dòng)發(fā)電控制》編委會.電力系統(tǒng)調(diào)頻與自動(dòng)發(fā)電控制［M］.北京：中國電力出版社，2006.

［5］ 卞松江，呂曉美，相會杰，等（Bian Songjiang，LüXiaomei，Xiang Huijie，et al）.交流勵(lì)磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略的仿真研究（Modeling and simulation of AC excited VSCF wind power systems）［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)（Proceedings of the CSEE），2005，25（16）：57－62.

［6］ 張開明（Zhang Kaiming）.基于PSCAD／EMTDC變速恒頻風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)仿真（Simulation of the variable－speed constant－frequency wind turbine control system based on PSCAD／EMTDC）［J］.電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)（Proceedings of the CSU－EPSA），2008，20（3）：70－76.

［7］ 高景得，王詳珩，李發(fā)海.交流電機(jī)及其系統(tǒng)的分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［8］ Holdsworth L，Ekanayake J B，Jenkins N.Power system frequency response from fixed－speed and doubly fed induction generator－based wind turbines［J］.Wind Energy，2004，7（1）：21－35.

［9］ 韓民曉，崔軍立，姚蜀軍，等（Han Minxiao，Cui Junli，Yao Shujun，et al）.大量風(fēng)電引入電網(wǎng)時(shí)的頻率控制特性（Frequency control characteristics for a power system with large amounts of wind power）［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化（Automation of Electric Power Systems），2008，32（1）：29－33.

［10］Le－Ren Chang－Chin，Chin－Min Hung，Yao－Ching Yin.Dynamic reserve allocation for system contingency by DFIG wind farms［J］.IEEE Trans on Power Systems，2008，23（2）：729－736.

［11］Rawn B G，Lehn P W，Maggiore M.Control methodology to mitigate the grid impact of wind turbines［J］.IEEE Trans on Energy Conversion，2007，22（2）：431－438.

［12］Morren J，de Haan S W H，Kling W L，et al.Wind turbines emulating inertia and supporting primary frequency control［J］.IEEE Trans on Power Systems，2006，21（1）：433－434.

［13］Lalor G，Mullane A，O＇Malley M.Frequency control and wind turbine technologies［J］.IEEE Trans on Power Systems，2005，20（4）：1905－1913.

［14］關(guān)宏亮，遲永寧，王偉勝，等（Guan Hongliang，Chi Yongning，Wang Weisheng，et al）.雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)電機(jī)組頻率控制的仿真研究（Simulation on frequency control of doubly fed induction generator based wind turbine）［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化（Automation of Electric Power Systems），2007，31（7）：61－65.

［15］Ekanayake J，Jenkins N.Comparison of the response of doubly fed and fixed－speed induction generator wind turbines to changes in network frequency［J］.IEEE Trans on Energy Conversion，2004，19（4）：800－802.

［16］Mauricio J M，Marano A，Gomez－Exposito A，et al.Frequency regulation contribution through variable－speed wind energy conversion systems［J］.IEEE Trans on Power Systems，2009，24（1）：173－180.

［17］曹軍，王虹富，邱家駒（Cao Jun，Wang Hongfu，Qiu Jiaju）.變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組頻率控制策略（Frequency control strategy of variable－speed constantfrequency doubly－fed induction generator wind turbines）［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化（Automation of Electric Power Systems），2009，33（13）：78－82.

［18］de Almeida R G，Lopes J A P.Participation of doubly fed induction wind generators in system frequency regulation［J］.IEEE Trans on Power Systems，2007，22（3）：944－950.

［19］Ullah N R，Thiringer T，Karlsson D.Temporary primary frequency control support by variable speed wind turbines－potential and applications［J］.IEEE Trans on Power Systems，2008，23（2）：601－612.