1、第39卷 第11期 电力系统保护与控制 Vol.39 No.11 2011 年 6 月 1 日 Power System Protection and Control Jun. 1, 2011 变速恒频双馈风力发电机辅助系统调频的研究 彭喜云，刘瑞叶 （哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150001） 摘要：目前变速恒频双馈风力发电机（DFIG）采用解耦控制策略，DFIG 的输出功率不受系统频率影响，对系统没有频率支撑作用。为改善这一问题，在传统的 DFIG 控制中加入辅助频率控制环节，让 DFIG 表现出常规发电机组的惯性响应效果。为了防止 DFIG 因参与频率调节而导致其
2、停转，给系统频率的恢复带来不利影响，提出将 DFIG 的转子转速引入辅助频率控制环节，该方法能够有效避免 DFIG 停转情况的发生。仿真结果证明，加入辅助频率调节功能的 DFIG 能够有效地改善系统的动态频率特性。 关键词：双馈风力发电机；转动惯量；频率调节；节距角；转子转速 Research on the frequengcy regulation of aidding system of VSCF double-fed wind generator PENG Xi-yun，LIU Rui-ye （School of Electrical and Automation，Harbin Inst
3、itute of Technology，Harbin 150001，China） Abstract：The present VSCF double-fed wind generatorsDFIG adopt （）decoupling controland the output of DFIG. isn，t affected by the frequency of the systemso the ，present DFIG cannt support the frequency of the power systemTo solve this problemthis ，article make
4、s the traditional DFIG show the response of inertia as regular generating unit by adding the auxiliary frequency regulation to the traditional DFIGT o avoid the DFIG stop due to participating frequency regulationwhich brings ，adverse effects to the recovery of the systems frequency，this article intr
5、oduces a novel algorithm to prevent that kind of situation by introducing the rotor speed of DFIG to auxiliary frequency regulationThe simulation results show that the DFIG with auxiliary frequency regulation can improve the dynamic frequency of the system effectively Key words：double-fed wind gener
6、ators；moment of inertia；frequency regulation；pitch angle；rotor speed 中图分类号： TM761 文献标识码：A 文章编号： 1674-3415(2010)11-0056-060 引言 风力发电作为一种绿色能源在世界各地得到了大力推广，风电在电网中的比例迅速成长1-2。变速恒频双馈风力发电机具有风能利用率高、容量小等优点，从而得到迅速的应用3。随着风电的渗透功率增加， 系统的频率调节任务也越来越艰巨。日前，国家能源局组织制定的风电并网技术标准已完成初稿，对风电机组提出了频率调节的要求，从而为风电大规模开发创造条件。因此，研究风电
7、机组参与系统的频率调节意义重大。国内在这方面的研究还很少，国外研究比较多，主要基于以下三种方法： 1）节距角控制方式4-7。在风电机组的节距角控制中引入频率偏差控制环节。这种方法具有较差的经济性，目前不具备实用性。 2）追踪次最优功率曲线。这种方法和方法1 类似，它们均属于备用功率控制方式，可以对系统提供较长时间的功率支撑，但经济性差，目前同样不具备实用性。 3）转子动能控制8-10。文献4-10通过在风电机组引入频率控制环节，通过释放转子的部分动能参与系统的频率调节。该方法不影响风电机组运行的经济性，具有较强的实用性。但文献1-8均没有考虑风电机组的转速，风机转速较小时，引入转子动能控制可能
8、导致风电机组的停转而恶化系统后期的频率调节性能。 为解决以上问题，本文提出一种将转子转速引入转子动能控制的新方法，该方法能够进一步改善系统的频率调节性能。 彭喜云，等 变速恒频双馈风力发电机辅助系统调频的研究 - 57 - 1 含 DFIG 的系统频率特性分析 电力系统的频率特性是指电力系统功率不平衡时系统频率的变化特性。当电力系统的发电功率小于负荷功率时，系统的频率降低；当发电功率大于负荷功率时，电网频率将上升。 频率变化率ddft反映了电网有功功率平衡遭到破坏后系统频率的变化速度，其表达式为： d2dfHPt= （1） 其中：H为惯性时间常数；P为系统的有功功率缺额。惯性时间常数是影响系统
9、频率变化率的一个重要因素。在负荷扰动的初期，P一定时，系统中各发电机组的调速系统还来不及动作，ddft主要由惯性时间常数决定。系统的惯性时间常数越大，ddft的值越小， 反之，ddft的值就越大。若系统的惯性时间常数很小，系统的大扰动可能会造成系统频率越限甚至导致系统频率的崩溃。大型电厂同步发电机组的典型惯性时间常数通常在29 s 的范围之内， 风电机组惯性时间常数的典型值为 26 s。 风电机组并网后并没有减少系统总的旋转动能数量，由于 DFIG 的控制方式，使 DFIG 的固有转动惯量没有表现出来，导致系统的惯性时间常数下降，对系统的频率性能产生不利影响。 当系统频率从0f移动到1f时，
10、同步发电机的转速从0移动到1，释放的动能为： 2201()EH= （2） 其中，H为惯性时间常数。 考虑系统的频率下降比较严重的情况，同步发电机转速从 1.0 下降到 0.95，释放出来的动能大约是转子动能的9.75%。 若DFIG转子的转速从1.20降到 1.0，转子释放的动能为=1.0 时转子动能的44%，其值远大于常规的发电机组。因此，在 DFIG控制中加入辅助频率控制功能，可以在系统频率发生变化的初期，通过释放或储存转子的动能改变DFIG的输出功率， 抑制系统频率在系统有功功率不平衡时过快变化，改善系统的频率性能。 当风速较小时， DFIG的一部分功率由常规发电机组代替， 常规发电机组
11、对系统有足够的转动惯量。这种情况下的 DFIG 对系统的惯性时间常数影响较小，DFIG 可以不参加系统的频率调节。而当转子转速较大时，风电场的输出功率也较大，此时大量的 DFIG 并网对系统惯性时间常数的影响不可忽视， 此时需要 DFIG 辅助系统的频率调节。 在 DFIG功率控制环加入辅助频率控制功能，可以使 DFIG快速地响应系统频率的变化，但 DFIG 支撑系统频率的时间有限。如果 DFIG 释放的转子动能过多，可能导致 DFIG 停转，反而对系统后期的频率恢复不利。因此，DFIG 参与系统的频率调节应当发挥其响应迅速的优势，与系统的常规调频结合起来，实现优势互补。 2 DFIG 辅助频
12、率控制策略 本文根据以上分析设计的辅助频率控制环节如图 1 所示。系统频率处于正常情况时，通过设置死区使 DFIG 追踪最优功率曲线而不参与系统频率调节。一旦系统的频率变化率ddft或频率偏差f超过死区范围， DFIG 通过释放或储存其转子的动能，对系统的频率迅速做出反应，为系统提供早期的频率支撑。其中图 1 的参考功率修正值的fP、*fP分别为： fpddfffPKKft= （3） *f1fPP= （4） 式中，pfK、fK为比例系数。 rPopt+-PmaxPmin+-PDFIG转子侧逆变器PI控制器IqrfddtKpfKf+-+L*PfPf11 图 1 DFIG 的辅助频率控制环节示意图
13、 Fig.1 Schematic diagram of the auxiliary frequency regulation of DFIG 图1的1为DFIG的转子转速r与参与辅助频率调节的最低转子转速L之差。将1通过一个限幅环节得到1，限幅环节的最小值设置为 0。当10， DFIG 不参与系统的频率调节。 本文的L取值为 0.9。当系统的频率升高时，可以不用考虑 DFIG 转子转速越限，若减少 DFIG 的输出功率而导致 DFIG 的转子转速升高， 节距角会进行调节，从而保证转子转速不超过其极限值。 系统的频率发生变化的几秒后，传统发电机组的调速器开始动作，调整原动机功率的输出值。以- 5
14、8 - 电力系统保护与控制 系统的频率下降为例，发电机组调速器动作后，发电机组的原动机增加输出功率阻止了系统频率的下降并使系统频率向额定值靠近。当系统频率恢复到一定值后，DFIG 的辅助频率控制作用已经完成，辅助频率控制功能渐渐地退出，DFIG 的转速恢复，重新开始追踪最优功率曲线。 3 系统仿真分析 本文采用一个简化的电力系统，研究 DFIG 的频率响应特性，仿真系统的单线图如图 2 所示。 利用Matlab/Simulink建立如图2所示的仿真系统。仿真的电力系统由装机容量为 15 MW 的风电场、35 kV 变电站、一座容量为 200 MVA 的水电站以及电力网络组成。 其中风电场由 1
15、0 台 1.5 MW 的DFIG 组成，水电站的发电机组均安装了励磁系统和调速器。风电场通过升压变压器从 690 V 升压到35 kV，经过长度为 40 km 的 35 kV 线路向变电站供电。变电站的另一进线由长度为 50 km 的 110 kV 线路与水电站相连。通过断路器突加或突减负荷作为系统的扰动，对风电场分别投入和不投入 DFIG 的辅助频率控制功能，对系统进行相关的仿真，观察和分析系统频率变化以及风电场在辅助系统频率调节中的作用。 110 kV母线1110 kV母线250km架空线110 kV/35 kV变压器200 MVA水电站35 kV母线135 kV母线240 km架空线69
16、0 V母线35 kV/690 V变压器断路器负荷5 MW 33 MW400 kW负荷15 MW风电场 图 2 仿真系统单线图 Fig.2 Single-line diagram of simulation system 3.1 突加负荷的系统频率响应 变电站的初始负荷是 33 MW，断路器在 10 s时增加 5 MW 的负荷。变电站的负荷变化情况如图3 所示。模式一和模式二分别为风电场的 DFIG 没有辅助频率控制功能和有辅助频率控制功能的两种运行模式。 系统的频率响应曲线如图 4 所示。10 s 时增加5 MW 的负荷，系统的有功功率不足导致系统频率下降， 模式一的系统最低频率为 49.29
17、7 Hz， 模式二的系统最低频率 49.511 Hz。 模式一的系统频率偏差超过了紧急状况下的频率允许偏差（0.5 Hz） ，而模式二的系统频率偏差并没有超过紧急状况下的频率允许偏差。这说明加入了辅助频率控制功能的DFIG 参与了系统的频率调节，为系统提供了早期的频率支撑，改善了系统的频率调节性能。 40393837363534333231300102030405060仿真时间/sB35有功功率/MW模式一模式二 图 3 35 KV 变电站负荷曲线一 Fig.3 The first load curve of 35 kV substation 50.15049.949.849.749.649.
18、549.449.349.20102030405060仿真时间/s系统频率/Hz模式一模式二 图 4 系统的频率曲线一 Fig.4 The first frequency curve of power system 图 5 为风电场的输出功率曲线。 模式一的 DFIG的输出功率几乎不受系统频率变化的影响，当系统频率发生变化时，该运行模式的 DFIG 没有频率响应。而模式二的 DFIG 对系统频率存在响应。在1017 s 这段时间内，DFIG 的输出功率大于正常情况下的输出功率。随后，传统的发电机组的调速器开始动作改变原动机的输出功率，DFIG 的辅助频率控制功能渐渐退出， 转子转速恢复， 这时的
19、 DFIG输出功率有所下降。 DFIG 的转子转速如图 6 所示。当系统的频率下降，DFIG 通过释放转子的动能为系统提供早期的频率支撑，因此 DFIG 的转速下降。当传统的发电机组进入调频状态，系统频率恢复到一定值后，DFIG 的转子转速开始上升，为再次追踪最优功率 彭喜云，等 变速恒频双馈风力发电机辅助系统调频的研究 - 59 - 曲线提供条件。 201918171615141312110102030405060仿真时间/s风电场输出功率/MW模式一模式二10 图 5 风电场的输出功率曲线一 Fig.5 The first output curve of wind farm 1.231.2
20、21.211.21.191.181.171.160102030405060仿真时间/s风电机组转子转速/pu模式一模式二 图 6 DFIG 转子转速曲线一 Fig.6 The first rotational speed curve of DFIG 风力机的节距角曲线如图 7 所示。根据最优功率曲线的特性可知，在 DFIG 的转子转速没有超过其极限值时，风力机的节距角为零。 0.250.20.150.10.0500102030405060仿真时间/s节距角/()模式一模式二 图 7 风力机的节距角曲线一 Fig.7 The first pitch angle curve of DFIG 3.2
21、 突减负荷的系统频率响应 突减负荷时，变电站的负荷变化情况如图 8 所示。变电站的初始负荷是 38 MW，断路器在 10 s时切除 5 MW 的负荷，系统的有功过剩导致了系统频率上升。 40393837363534333231300102030405060仿真时间/sB35有功功率/MW模式一模式二 图 8 35 kV 变电站负荷曲线二 Fig.8 The second load curve of 35 kV substation 系统的频率响应曲线如图 9 所示。模式一的系统最高频率为 50.566 Hz， 模式二的系统最高频率为50.317 Hz。两种运行模式下的系统频率越限情况和突加负荷
22、情况一样。 50.850.750.650.550.450.350.250.1500102030405060仿真时间/s系统频率/Hz模式一模式二 图 9 系统的频率曲线二 Fig.9 The second frequency curve of power system 风电场的输出功率曲线如图 10 所示。 系统频率上升，模式二运行方式下的 DFIG 参与了系统频率调节，立即减小 DFIG 的有功功率输出以阻系统频率的上升。此时风力机的输出功率大于 DFIG 的输出功率，DFIG 的转速上升。DFIG 的转速如图 11所示。 但转子转速上升幅度很小， 这是因为当 DFIG的转子转速超过一定值后
23、，风电机组开始调节节距角，使 DFIG 的转子转速不超过其极限值。 - 60 - 电力系统保护与控制 1615141312110102030405060仿真时间/s风电场输出功率/MW模式一模式二10 图 10 风电场的输出功率曲线二 Fig.10 The second output curve of wind farm 1.2141.2131.2121.2111.211.2091.2081.2070102030405060仿真时间/s风电机组转子转速/pu模式一模式二 图 11 DFIG 转子转速曲线二 Fig.11 The second rotational speed curve of
24、DFIG 风力机的节距角曲线如图 12 所示。 节距角进行调整，阻止了 DFIG 的转速超过其极限值。风力机节距角的调整使 DFIG 在系统频率较高时，具有较大的调节能力，而系统频率较低时的 DFIG 辅助频率调节功能受到了转子转速的限制。 20.80.60.40.200102030405060仿真时间/s节距角/()模式一模式二11.21.41.61.8 图 12 风力机的节距角曲线二 Fig.12 The second pitch angle curve of DFIG 4 总结 本文利用 DFIG 转子释放或存储转子动能辅助系统进行频率调节，研究了 DFIG 对系统频率的动态响应过程。
25、仿真结果表明， 加入辅助频率控制功能的DFIG提高了系统的频率调节性能。为了防止 DFIG 过度释放转子动能而导致其停转，避免对系统后期的频率调节产生不利影响，本文在辅助频率控制环节引入了 DFIG 的转子转速作为输入量，当转子转速低于其设置的最低辅助频率控制转速时，DFIG 不再参与系统的频率调节， 从而有效地防止 DFIG 停转。该算法对风电渗透功率较高的系统或处于孤岛运行下的微网的频率控制具有较高参考价值。 参考文献 1 冯希科, 邰能灵, 宋凯. 风力发电机对配电网影响的比较分析J. 电力系统保护与控制, 2009, 37(21): 25-30, 94. FENG Xi-ke, TAI
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35、：2010-10-11； 修回日期：2010-11-04 作者简介： 杨 洪（1972-） ，男，讲师，工学硕士，研究方向为智能控制技术及应用、 设备故障诊断、 嵌入式技术研究与应用；E-mail：yang_ 古世甫（1982-） ，男，助理实验师，研究方向为微弱信号处理、设备故障诊断、智能控制技术及应用；E-mail：gushifu626_ 崔明东（1979-） ，男，工程硕士，主要从事计算机监控及网络通信、 电力设备故障智能化监测与诊断方面的研究工作。 （上接第 55 页 continued from page 55） 6 Filomena A D，Salim R H，de Oliveir
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