P014双馈变速风力发电机组的频率调节特性的研究

双馈变速风力发电机组的频率调节特性的研究StudyforregulationofthefrequencycharacteristicsofDoubly-fedvariablespeedwindturbine冯学敏1林礼清2温步瀛1（1.福州大学电气工程与自动化学院，福建福州350108；2.福建水口水力发电有限公司，福建省闽清县350800）摘要：本文建立带双馈变速风力发电机组的系统仿真模型，一方面在转子侧加装响应系统频率变化的频率控制环节，通过控制转子动能来实现频率控制；另一方面通过在桨距角控制上附加频率控制环节，使得在高功率控制中的桨距角控制也能对频率控制做出贡献。通过综合以上两种调频方法，可以获得了较好的风电调频性能。仿真结果证明了上述做法的正确性。关键词：双馈；风力发电；频率调节特性０引言近几年来，能源危机和环境污染日益严重，风力发电作为一种可再生能源越来越受到人们的重视。双馈变速风力发电机组由于能够实现最大风能捕获，并实现有功和无功的解耦控制，逐渐成为风力发电的主流机型。但是，随着风力装机容量的加大，替代了一定量的常规机组，使得电力系统的惯量有所下降，必然会对电网的频率控制产生不利影响[1]。当系统频率变化时，系统中旋转机组的动能在原动机输入尚未变化时承担着动态过程的能耗。频率随时间变化的过程主要决定于有功功率缺额的大小与系统中所有转动部分（例如汽轮机，发电机，调相机，电动机及其驱动的机械设备）等的机械惯性[2]。而双馈变速风力发电机组的控制策略，使其机械功率与系统的机械功率解耦，故失去了对系统频率的快速响应。可以预见，当大规模的双馈风力发电机组并入电网，替代一部分的常规机组，必然会降低系统的惯量。所以应该增加双馈变速风力发电机组的控制，来实现其对系统惯量的贡献。常规机组的频率响应分为三个阶段，第一个阶段：因为功率不平衡，同步发电机转子将吸收或者释放一部分动能，转速改变，导致频率变化。该阶段主要决定于系统的动态性能，称之为“惯性响应”。第二阶段，当频率改变量超出了一次调频机组的死区，激活调速器改变有功输入，即所谓的一次调频。第三阶段，当功率平衡建立，仍存在稳态的频率偏差，系统的自动发电控制（AGC）机组启动，发电机组的给定值将改变，频率恢复，称为二次调频。通过在（doublyfedinductiongenerator）DFIG上附加控制环节，模拟常规机组调节的前两个阶段，可以使得风电机组也具有一定的惯性。国内外研究风电机组参与频率控制的重点主要分为两类，一类是模拟常规机组的惯性响应，文献[3]通过在转子电流有功分量上附加与频率变化有关的参考量，使其响应系统频率变化，该类调节的优点是调节非常快，缺点是调节容量有限，且调节时间短暂。第二类是模拟常规机组的一次调频特性，文献[4]提出通过在桨距角控制闭环上附加一个随频率变化的参考量，通过控制风能利用系数来调节系统有功，进而控制频率。该类的优点是调节容量较前一种来的要大，但是调节时间缓慢，因为其正常运行时不能运行在最佳叶尖速比，所以风能利用效率低下。文献[5]提出在转子功率控制环上附加模拟惯性和一次调频分量的功率分量，可以提前抑制频率变化，但仍然受转速上限影响，调节容量不可能很大。此外还可以利用储能系统，文献[6]提出在发电机母线上加装超导储能单元SMES(superconductingmagneticenergystoragesystem),自由的收发有功功率和无功功率，因此也能参与频率控制。文献[7]提出利用飞轮储能，由于其响应时间快，损耗低，容量较大，也适合用于双馈机的频率控制。本文提出在转子功率控制环节上附加一个模拟常规机组一次调频特性的频率控制环节，并做了相应的仿真分析。并且综合利用转子功率环节和桨距角控制环节，利用二者在调节上各自的优点进行综合控制，并在MATLAB环境下对该方法进行了仿真分析，仿真结果证明了该方法的有效性，得出风电场也能够在一定程度上参与频率控制。1风电机组的频率控制环节1.1常规机组的一次调频常规机组的功频静特性系数为：（1）***PKf∆=∆推出（2）****PKf∆=∆如果在双馈机组的功率控制环节中附加一个随频率变化的功率参考值，则可以模拟常规机组一次调频过程。1.2双馈机组在转子功率控制环节中附加频率控制环节传统的双馈变速风力发电机组的功率控制环节如图1，其中，为发电机机端测mdP量功率，，分别为发电机测量转速和mfΩcfΩ参考转速，为转速偏差，为功率控f∆ΩcdP制参考值。图1传统的双馈变速风力发电机组的功率控制环节Fig.1Thepowercontrolloopoftraditionaldouble-fedvariablespeedwindturbinepower通过上一节的描述，只要在功率参考值上附加一个随频率波动的参考值，就可以响应系统频率的变化调节转子电流有功分量，从而获得类似常规机组的惯性响应特性。图2为附加了模拟一次调频特性的频率控制环节的控制框图。其中分别为频率参cf考值，为频率控制差值，为调差系数。f∆fK图2附加了模拟一次调频特性的频率控制环节的控制框图Fig.3Thecontrolblockdiagramoffrequencycontrolloopaddedtosimulatethecharacteristicsofprimaryfrequencycontrol.1.3双馈机组的桨距角控制环节附加频率控制环节变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相比，具有在额定功率点以上输出功率平稳的特点，因而大型风力发电机组越来越多的采用了变桨距技术。典型的桨距角控制是根据转速信号进行控制。控制信号的给定值恒定，为额定转速。转速反馈信号与给定值进行比较，当转速超过额定转速时，桨叶节距就向迎风面积减小的方向转动一个角度，反之就向迎风面积增大的方向转动一个角度。桨距角控制框图如图3.其中，分别为桨距角测量值βcβ和参考值。图3典型的桨距角控制环节Fig.3Atypicalpitchanglecontrolloop通过在传统的桨距角控制环上增加一个随频率变化的桨距角参考值，使得系统频率变化时，通过控制桨叶节距来控制发电机有功，进而参与系统的频率调整。控制框图如图4，其中为桨距角频率控制参考值。freqβ图4附加频率控制环节的桨距角控制环节Fig.5Atypicalpitchanglecontrolloopaddedfrequencycontrolloop2仿真分析本文在matlab环境下，建立了一个带双馈风力发电机组的简单系统如图5。风电场包含6台型号相同的1.5MW双馈风电机组，风电场出口电压为575V,经升压变压器升压至10kV，然后经30kM架空线路再与变压器相连，电压升至110KV接到电网，风速为10m/s时，风力发电机组的发电功率为5.1MW，在0.5s的时候，把电网的频率阶跃至50.2HZ，此过程假定风速不变。为了清晰看出风电机组的调频特性，把扰动信号设为阶跃信号。图5带双馈变速风力发电机的系统仿真模型Fig.5Thesystemwithsomedouble-fedvariablespeedwindturbines未加任何辅助控制环节的情况下，当系统频率出现阶跃变化的情况下，系统频率和发电机有功功率如图6和图7所示：图6系统频率特性曲线Fig.6thecharacteristiccurveofsystemfrequency图7风力发电机有功功率曲线Fig.7Activepowercurveofwindturbine可以看出未加任何辅助控制环节的双馈风力发电机组，当系统频率阶跃至50.2Hz时，5S内有功下降只有100KW，不足1.1%，可以看出双馈风力发电机组的惯量很低,所以传统的双馈风力发电机组对系统频率几乎没有响应。综合转子功率控制环节和桨距角控制环节，其它仿真仿真环境不变，系统频率和风力发电机有功功率如图8和图9：图8风力发电机有功功率曲线Fig.8thecharacteristiccurveofsystemfrequency图9系统频率特性曲线Fig.9Activepowercurveofwindturbine从图中可以看出，通过综合转子控制环节控制模块和桨距角控制模块，不仅响应时间较短不足0.1S，有功很快就降到4.6MW，调节容量达到8%，1S之后，桨距角控制环节作用显现，5S的时候有功已经下降到了4.1MW，即有快速响应的优点，又能调节较常时间，有效的克服了单一控制的缺点，不失为一种较好的控制手段，但调节容量仍受初始桨距角限制。4结语本文总结了国内外研究风电调频的研究方法，通过对转子功率环节上附加频率控制环节，或者桨距角控制环节上附加频率控制环节，都可以达到参与频率控制的目的。但是，通过在转子功率控制环节上附加模拟惯性响应的频率控制环节的方法，响应速度最快，响应容量较高，但调节时间较短，只能短时弥补有功不平衡；在转子功率控制环节上附加模拟一次调频的频率控制环节的方法，响应速度一般，响应容量较小，调节时间较长，可以长时间参与调节；在桨距角上附加频率控制环节，响应时间最长，响应容量最高，调节时间也最长。通过综合以上两种方法，既能快速响应，又能加大调节时间，有效的克服各自的缺点，仿真结果验证了该方法的正确性。随着风电技术的发展，大容量的变速恒频双馈风力发电机组越来越多，风电机组参与频率控制将是大势所趋，而采用综合控制的手段可以使得双馈机组参与频率控制获得一个满意的效果。参考文献[1]关宏亮，迟永宁，王伟胜等．双馈变速风电机组频率控制的仿真研究[J]．电力系统自动化，2007，31(7)：61-65.[2]蔡邠．电力系统频率．中国电力出版社，1998．[3]JanakaEkanayake，NickJenkins．Comparisonoftheresponseofdoubly-fedandfixed-speedinductiongeneratorwindturbinestochangesinnetworkfrequency．IEEEtransactionsonenergyconversion，2004，19(4)：800-802．[4]Holdsworth.L，Ekanayake.J.B，Jenkins.N，Powersystemfrequencyresponsefromfixedspeedanddoublyfedinductiongenerator-basedwindturbines，WindEnergy，2003，7(1)：21-25．[5]JohanMorren,SjoerdW.H.deHaan,WilL.Kling,etal.Windturbinesemulatinginertiaandsupportingprimaryfrequencycontrol,2006,21(1):433-434．[6]M.G.Molina，P.E.Mercado，E.H.Watanabe．AnalysisofUsingFACTSControllerswithSuperconductingMagneticEnergyStorageinthePrimaryFrequencyControlofPowerSystems[J]．Transmission＆DistributionConferenceandExposition：LatinAmerica，2006，15(18)：1-7．[7]张建成，黄立培，陈志业．飞轮储能系统及其运行控制技术研究[J]．中国电机工程学报，2003，23(3)：108-111．作者简介：作者简介：作者简介：作者简介：冯学敏，1985年出生，男，汉族，福建永安市人，硕士，主要研究方向为风电并网后的电力系统优化运行。Email：[e-mail]。林礼清（1951-），男，福建籍，总工程师，长期从事水电厂生产运行和技术管理工作。温步瀛，1967年出生，男，汉族，福建永泰县人，博士，副教授，硕士生导师，主要研究方向为电力系统（含风电）优化运行、电力市场。