变速恒频双馈风电机组频率控制策略图文.docx

1、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

2、: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

3、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

4、 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

5、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 ,DFI

6、G 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 f 0变化到 f 1, 转子转速从 0到87 第 33卷 第 13期 2009年 7月 10 日 Vol. 33 No. 13J uly 10, 20091, 转子释放的动能为 :E =H (20-21 。 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 =1.

7、2(标 幺值 到风速较低时次同步 =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. 951. 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 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

8、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 Comparison of frequency response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

9、 ;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

10、频率控制的影响 ;4 DFIG 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 Scheme for frequency control of DFIG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

11、 。 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 K s 决定了暂态频率偏 差的响应时间 , K s 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 K s 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 K s 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

12、 , 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97 常数 K s 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

13、 , 控制结构如 图 3所示 。 转速测量值 m 与参考值 ref 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 Structure of speed delaying recovery module参考值 ref 的选取主要依据风电场实时测量的 风速 V w , 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

14、 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 V alue of proportional gains m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

15、机组在前一台机组延 时基础上再增加 t 。 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 K h =1, 输出的参考值 P ref 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 min 时 , f 0, , min 7。1利用 MA TLAB/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,

16、17, 其中发电机 G1G4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 101. 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 , L 1和 L 2为系统负荷 , L 1的有功负荷为 188MW , L 2的有功负荷为 152MW。图 5 算例结构Fig. 5 Structure of

17、 simulation system3. 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 K s 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 K p =1, K i =0. 1。节点 7的负荷 L 1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

18、响应Fig. 6 F requency and active pow er responses ofDFIG with frequency control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 K s , 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

19、 ; 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 of DFIG with s

20、peed delayingrecoverymodule图 8 增加协调控制的系统频率 、 常规机组有功响应 Fig. 8 Frequency and active pow er responses of convention units with coordination control4 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 ,

21、 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. aep s 2info. com/aep s/ch/index. asp x 。参 考 文 献1ACKERMANN T. Wind power in power systems. New Y ork ,N Y , USA :Wiley , 2005.2雷亚洲 . 与风电并网相关的研究课题 . 电力系统自动化 ,2003,18 27(8 :84289.L EI Yazhou.

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