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变速恒频双馈风电机组频率控制策略图文

变速恒频双馈风电机组频率控制策略

曹　军,王虹富,邱家驹

（浙江大学电气工程学院,浙江省杭州市310027

摘要:

传统的变速双馈风电机组解耦控制策略对于系统频率支撑作用微乎其微。

文中在分析变速

双馈风电机组参与系统频率控制特性的基础上,在传统变速双馈风电机组解耦控制中附加风电机组频率控制单元。

控制系统包含频率控制、转速延时恢复、转速保护系统和与常规机组配合等4个功能模块。

仿真结果表明,该控制策略不仅对暂态频率偏差具有快速的响应能力,而且能够使转子转速以更快的速度恢复到最佳运行状态,与系统的频率控制。

关键词:

风电机组;变速双馈电机;频率控制中图分类号:

TM614;TM761

收稿日期:

2009203213;修回日期:

2009204204。

0　引言

发展。

、最具规模开发,在电网中所占的比例不断增加。

因此,为减少风电并网给电力系统带来的冲击,电网公司提出了严格的风电场并网技术导则,而有功、频率控制能力是其中重要的技术要求之一[123]。

目前实际运行的风电场主要采用以下2种风电机型:

基于异步机的固定转速风电机组和基于双馈感应电机（DFIG的变速恒频风电机组（以下简称DFIG机组。

由于DFIG优良的有功、无功解耦控制性能[425],使其逐步成为风电市场主流机型。

但是,传统的DFIG机组并没有参与系统频率控制,由于DFIG机组控制系统实现了机械和电磁系统的解耦,随着频率的变化其转子机械部分不能自动做出快速响应,因此可以说传统的DFIG机组对系统转动惯量的贡献微乎其微[627]。

随着大量DFIG机组替代一些常规机组,势必会减少整个系统的转动惯量,恶化系统的动态频率特性。

因此,有必要深入研究DFIG机组的频率控制特性,开发实用、有效的DFIG机组频率控制器。

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:

1备用功率控制（PRC方式。

传统的DFIG机组一般运行在最大风能追踪控制模式下,输出的有

。

当系统频率降低时,不能提供持续、稳定的额外有功支撑,无法参与系统频率控制。

鉴于此,文献[6,829]提出正常情况下通过控制桨距角或调整功率—转速最优曲线来减少一部分有功输出,留作备用功率。

当系统频率降低时,通过调节桨距角或机组有功功率参考值,增加有功输出参与频率调整。

但这一策略在当前形势下不具备经济性和实用性。

2转子动能控制（KEC方式[10216]。

由于风电机组转子中储存了大量的旋转动能,文献[14]提出通过附加一定的频率控制环节将转子部分动能转化为电磁功率参与系统频率控制,但所提出的控制方法并没有考虑不同运行工况下风电机组的调频能力,且转子的自然恢复需要很长的一段过程,不利于下一阶段系统频率的支撑。

本文在文献[14]所提出的频率控制基础上进行了适当的改进,提出一种带分布式信号过滤单元的DFIG机组频率控制器,从而能够有选择地快速响应频率的变化;同时,此控制器还包含转速延时恢复控制模式,使得DFIG机组转子能够快速恢复到最优转速状态。

1　DFIG机组频率控制特性分析

与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。

假设频率从f0变化到f1,转子转速从ω0到

—

87—第33卷　第13期2009年7月10

日Vol.33　No.13July10,2009

ω1,转子释放的动能为:

ΔE=H（ω20-ω2

1。

H为惯性时间常数,与常规火电机组相当。

由于DFIG机组控制系统实现了变转速运行,转子转速有很大的运行空间,可以从风速较大时的超同步ω=1.2（标幺值到风速较低时次同步ω=0.7运行,即风电机组最大可以提供转子66%的动能,而常规火电机组转子转速运行范围仅为0.95~1.00,约提供转子9.75%的动能。

因此当风电机组在电网中占一定比例时,其对于系统转动惯量的贡献不容忽视。

图1为系统频率由50.00Hz降到49.94Hz时,风电机组与常规火电机组频率响应特性比较。

风电机组附加频率控制环节（控制策略见第2节,转子转速ω从1.2000降到1.0153,常规火电机组安装有调速器（模型和参数见附录A。

由图中曲线看出,火电机组由于调速器动作增加原动机输入,提供持续的额外有功支撑,但反应有一定延时电机组对于频率变化可以做出快速响应,速需要一定的恢复过程

图1　机组频率响应特性比较

Fig.1　Comparisonoffrequencyresponse

根据上面的分析,DFIG机组频率控制特性与

常规发电机组相比具有一些不同之处:

1快速性,即当控制系统有功参考值发生变化时,DFIG机组输出的有功功率能够快速跟踪其变化;

2暂态性,由于DFIG机组是通过调整转子转速,释放或吸收转子部分动能,改变其有功输出,而并不能调整原动机的输入变化,因此只能提供短暂的有功支撑;

3根据能量守恒原理,风电机组转子转速需要一段过程才能恢复到最佳运行状态。

2　DFIG机组频率控制策略

2.1　DFIG机组频率控制器设计应考虑的问题

针对上述DFIG机组频率控制特性的分析,DFIG机组频率控制器的设计应考虑如下几个问题:

1要充分利用其快速性,使DFIG机组能够提

供比常规机组更快的有功支撑;

2针对其暂态性,应使DFIG机组只对动态频率变化有响应,而对于频率稳态误差,则由常规机组进行调整;

3频率控制完成后,应使DFIG机组转子转速以较快的速度恢复到最佳运行状态,同时应尽量减少转速恢复过程对于频率控制的影响;

4DFIG机组的快速性、暂态性应与常规机组的延时性、持续性相配合,两者协调控制,各自发挥其优点。

2.2　DFIG机组频率控制方案

通过上面对于DFIG,2所

图2　DFIG机组频率控制方案Fig.2　SchemeforfrequencycontrolofDFIG

图中DFIG机组频率控制系统主要包括4部分:

频率控制模块、转速延时恢复模块、与常规发电机协调控制模块和转速保护系统模块。

2.2.1　频率控制模块

频率控制模块是在文献[14]所提出的频率控制基础上为解决2.1节所述的问题1和2而设计的。

它既保留了原有控制器响应的快速性,同时增加了分布式信号过滤器。

分布式信号过滤器是一种高通滤波器,作用是阻断稳态输入信号,使频率控制模块只对动态频率偏差响应,在稳态频率偏差时不起作用。

信号过滤器的时间常数Ks决定了暂态频率偏差的响应时间,Ks越大响应时间越长,机组输出的有功越多,但是返回到稳态运行的时间也越长。

而Ks参数如何整定成为需研究的问题之一。

如果大型风电场所有机组的时间常数Ks都设定为相同值,一是可能导致有的机组过度调频而有的机组仍具有调频能力却无法发挥,二是所有机组遵循相同的功率曲线下降和恢复,不利于系统频率的调整。

为避免这些情况发生,提出了分布式信号过滤器的概念,即风电机组对于不同运行工况,时间

—

9

7—

常数Ks设定不同值,这里的运行工况是指转子转速的运行区间,当风速越大转子转速越快时,可以提供的额外有功支撑也越多,时间常数设定值越大,反之则设定较小的时间常数值。

对于相同工况的风电机组,可以在前一步整定基础上做少量调整以避免所有机组功率曲线同时下降和恢复。

关于转速和时间常数设置的具体关系有待进一步深入研究。

2.2.2　转速延时恢复模块

转速延时恢复模块是为帮助转子转速以更快的速度恢复到最佳运行状态而设计的,控制结构如图3所示。

转速测量值ωm与参考值ωref的偏差经过PI控制器,并乘以比例系数m,从而不断调整机组有功参考值,最终达到最佳运行状态

。

图3　转速延时恢复模块结构

Fig.3　Structureofspeeddelayingrecoverymodule

参考值ωref的选取主要依据风电场实时测量的风速Vw,由风速计算风电机组可能利用的最大风能,并通过功率—转速最优曲线得到此风速下转子最优转速参考值。

延时主要是为减少转速恢复功能对于有功支撑的削弱。

如图3当恢复模块不起作用时比例系数取值为0,经过一定延时t,触发器动作,比例系数变为m。

为减少动作过程有功参考值的突然跃变,m取值采用图4所示的梯形曲线,当转速恢复后触发器再动作将比例系数设置为0,使转速延时恢复模块退出运行

。

图4　比例系数m取值

Fig.4　Valueofproportionalgainsm

延迟时间t的整定一般是在频率控制启动后

5s~30s左右,但是对于大型风电场所有机组不能整定为相同时间。

因为当同一时间所有机组都进入转速恢复模式时,提供的有功功率同时减少可能导致系统频率的二次跌落[16]。

因此,整定过程中应先确定第1台机组的延时t,其他机组在前一台机组延时基础上再增加Δt。

2.2.3　与常规发电机协调控制模块

与常规发电机协调控制模块主要考虑充分发挥风电机组的快速性和常规机组的持续性,为系统提供更有效的频率支撑。

其结构如图2所示,图中Kh=1,输出的参考值Pref连接到常规火电厂调速器（调速器模型见附录A图A1。

2.2.4　转速保护系统模块

转速保护系统模块可以避免深度调频而导致的转子转速低于最低值ωmin时,f0,,ωmin7。

1利用MATLAB/Simulink建立如图5所示的

仿真系统。

算例系统是在经典的两区域四机模型基础上稍加改动[13,17],其中发电机G1~G4都安装有励磁系统、调速器和电力系统稳定器（PSS,风电场接入节点5,其总装机容量为45MW,包含30台1.5MW的DFIG机组。

为便于仿真,将其分为3个区域,每个区域用1台10×1.5MW的等值机组代替。

机组通过机端箱式变压器从690V升压到35kV,再经风电场出口升压变压器升压到220kV。

C1和C2为无功补偿装置,L1和L2为系统负荷,L1的有功负荷为188MW,L2的有功负荷为152MW

。

图5　算例结构

Fig.5　Structureofsimulationsystem

3.2　仿真分析

仿真过程中,区域1风速为额定风速12m/s,区域2和3的风速为10m/s。

频率控制模块参数K=200,R=500。

区域1,2,3的分布式信号过滤器的时间常数设置Ks分别为19s,10s,8s,延迟时间整定为13.4s,25.4s,27.4s,转速恢复模块PI控制器参数Kp=1,Ki=0.1。

节点7的负荷L1在5s时突然增加50MW恒

—

8—

定负荷,观测频率下降过程中,系统和风电机组的响

应情况,如图6所示

。

图6　DFIG机组有功响应

Fig.6　Frequencyandactivepowerresponsesof

DFIGwithfrequencycontrol

图6（a为附加频率控制环节后,系统的频率响应曲线。

图6（b为对应的DFIG机组发出的有功功率变化曲线。

从图中曲线可以看出,与文献[14]所提出的控制策略相比,附加带分布式信号过滤单元的频率控制环节后,DFIG机组不仅可以有选择地对暂态频率偏差做出响应,而且可以根据不同风电机组的运行工况设置不同的时间常数Ks,从而充分发挥机组的调频能力,发出更多的有功功率,有助于系统频率的支撑;而增加转速延时恢复模式后对频率和有功虽然有一定的影响,但影响并不是很明显。

图7为增加转速延时恢复模块后,DFIG机组转子转速恢复曲线。

由图中看出,转速延时恢复功能在基本不影响系统频率调整的基础上,能够使转子转速以更快的速度恢复到最佳状态,风速越大、转子转速越快时恢复效果越明显,从而为下一次频率控制做好准备。

图8为增加协调控制环节后,系统频率和常规机组有功功率响应曲线。

通过对风电机组与常规机组的协调控制,常规发电机可以更有效地参与系统频率调节,有利于系统频率的支撑

。

DFIG机组转速响应ofDFIGwithspeeddelaying

recovery

module

图8　增加协调控制的系统频率、常规机组有功响应Fig.8　Frequencyandactivepowerresponsesofconventionunitswithcoordinationcontrol

4　结语

与常规发电机组相比,DFIG机组频率控制具有快速性、暂态性,且转子转速恢复需要一定的过程。

本文提出的频率控制系统附加了分布式信号过滤器,不仅能够有选择地快速响应频率的变化,提供有效的功率支撑,而且通过增加转速延时恢复模块可以使转子转速在基本不影响频率调整的基础上,以更快的速度恢复到最优转速状态,转子转速越快时转速恢复效果越明显。

同时,风电机组还可以与常规机组协调控制,发挥各自的优点,为系统提供更强有力的频率支撑。

附录见本刊网络版（http:

//www.aeps2info.com/aeps/ch/index.aspx。

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男,通信作者,博士研究生,主要研究方向:

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E2mail:

power_308@zju.edu.cn

王虹富（1984—

男,硕士研究生,主要研究方向:

电力系统稳定与风电并网。

邱家驹（1944—

男,博士,教授,博士生导师,主要研究方向:

电力系统分析和控制。

FrequencyControlStrategyofVariable2speedConstant2frequencyDoubly2fedInductionGenerator

WindTurbines

CAOJun,WANGHongfu,QIUJiaju

（ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China