SCI论文（www.lunwensci.com）
摘要： 随着风电机组装机容量的不断增加， 系统总惯量越来越低， 已严重威胁电网运行的稳定性。针对此问题， 首先分析双馈风 电机组的发电原理， 然后结合虚拟同步机的惯量响应以及调频控制机制， 提出一种全风况下双馈风电机组参与系统频率支撑的方 法。在恒转速区， 采用基于虚拟惯量与一次调频协同控制的方法， 即基于频率偏差与频率变化率作为控制输入， 该方法可具备两 者优点， 既具备快速性， 且频率未恢复到死区前， 在机组正常运行的前提下， 功率可满足持续支撑; 在最大功率系数区， 采用虚 拟惯量调频与亚最优功率系数运行协调控制， 机组通过变转速运行在非最优功率系数点上， 预留一部分能量， 减少因转速下降可 能造成的机组失速停机; 在恒功率区， 采用虚拟惯量调频与桨距角协调控制， 通过桨距角预留一部分能量， 减少转速恢复时可能 对电网造成的二次伤害。最后在 MATLAB/SIMULINK 中搭建模型进行仿真， 验证了提出方法的有效性与可行性。
Research on Frequency Support of Doubly-fed Wind Turbine under Full Wind Conditions
Li Zhaoxia， Xue Shun， Zhou Wei， Zhou Bo
(Zhejiang Institute of Communications, Hangzhou 311112. China)
Abstract: At present, with the increasing penetration of large-scale wind generator in power system brings the system total moment of inertia decrease and makes the region power system under threat. To solve this problem, the power generation principle of doubly-fed wind turbine is analyzed in detail, and then combines the inertia and primary frequency control strategy of the synchronizer, a method of doubly-fed wind turbine to participate in the system frequency support under full wind conditions is proposed . In the constant speed region, the cooperative control method based on the virtual inertia and primary frequency is adopted, that is, based on frequency deviation and change rate as the control input, the method can have the advantages of both, it has the rapidity, and can satisfy the continuous power support, under the premise of normal operation of the unit before the frequency returns to the dead zone . In the maximum power coefficient region, the virtual inertia and primary frequency control and sub-optimal power operation are used . The unit runs at the sub-optimal power coefficient point by changing the rotor speed, reserving part of energy to reduce the stall caused by the speed drop . In the constant power region, virtual inertia and primary frequency control and pitch control are used. A part of energy is reserved through the pitch angle control to reduce the secondary damage to the grid that may be caused by the speed recovery. These methods are verified through MATLAB/SIMULINK, and proved effective and feasible. Key words: double-fed induction generator (DFIG); full wind conditions; inertia and primary frequency control; sub-optimal power control; MATLAB/SIMULINK
0 引言
风能作为一种清洁能源， 在改善能源结构中有不可 或缺的作用。 2020 年我国提出双碳目标， 在 2030 年新能 源占比预计达到 22%， 2060 年新能源占比 58%。其中， 在新能源中占比最高的是风能。随着风力发电机组规模 的不断扩大， 装机容量在电力系统占比越来越高， 电网 的安全运行受到极大挑战[1-2]。一方面在于， 双馈风电机 组通过变流器与电网连接， 在实现最大功率跟踪的同 时， 失去了与电网频率耦合关系。即当电网频率发生改 变时， 机组不具备像常规同步机的调频能力[3-4]。另一方面， 风力发电的能量来源于风， 具备随机性与波动性 的特点。随着风电在电力系统中的渗透率不断提高， 电网的整体惯量减小， 电网的有功扰动造成系统频率 的波动越来越大， 此问题成为限制风电进一步发展的 主要因素。
世界各地区的电网对风电机组具备惯量响应能力的 要求不同， 与风电在电力系统中的比例、同步发电机接 入水平等因素有关。德国要求装机容量大于 100 MW 的 风电场必须具备参与调频的能力。加拿大魁北克水电公 司要求装机容量大于 10 MW 的风电场需具备参与调频的能力。爱尔兰电网导则要求风电通过功率预留参与 电 网频率调节[5]。我国在新国标 GB/T 40595-2021《并 网电源一次调频技术规定及试验导则》 中明确提出新 能源发电要和火电一样， 都具备一次调频能力。随着 国标的出台， 各地方能源局、电网公司随后出台了响 应细则， 要求新能源站必须具备一次调频能力， 但在 惯量方面， 只有云南电网出台了具体规定， 没有强制 规定。
目前双馈风力发电机组参与系统惯量调频主要有虚 拟惯性控制[6-9]、转子转速控制[10-12] 和桨距角控制[13-15]、 附加储能元件[16-18]4 种方式。文献[7-9]都是在传统的虚 拟惯性控制上做出优化， 其中文献[7-8]分别采用了自适 应算法与遗传算法， 可根据风机占比及风电机组运行工 况等， 文献[9]结合当前电网频率值， 动态调整风机调频 系数。文献[12]引入转速反馈的微分环节， 同时结合超 速控制， 使风机调频性能更优。文献[13]中风电机组在 不同风况下， 将惯量控制、转子超速控制与桨距角控制 结合起来， 实现全风况下风电机组均具备一次调频的能 力， 但只是在理论层面介绍， 没有明确如何和风机的实 际控制结合起来。文献[16]采用了变桨控制实现留有备 用功率， 避免转速的波动。为了在电网负荷突变时， 为 机组提供长时间的频率支撑， 且防止虚拟惯量转速恢复 时可能对电网造成的二次伤害， 文献[16]率先提出采用 储能装置， 文献[15]增加了模糊控制算法， 使虚拟同步 控制与储能系统配合更谐调。但对于较大风电场而言， 此方法建设成本过大及模糊控制方法较为复杂， 在工程 中较难推广。
为实现双馈风电机组全工况下对电网频率的支撑， 本文将风力发电机组发电特性与同步机惯量调频机制 有 效结合起来， 在不同发电工况， 针对不同的发电特 点， 分别采用不同的控制策略， 以实现对电网频率的支 撑， 减少恢复时对电网的二次伤害， 并通过 MATLAB/ SIMULINK进行仿真， 验证方法的有效性。
1 双馈风电机组频率控制基础
1.1 双馈机组有功控制策略
近年来， 双馈机组已成为风力发电的主流机型， 其 主要特点是在低于额定风速时， 可以在较大范围内调整 转速， 实现对最佳叶尖速比的跟踪， 额定风速以上， 根 据风速的变化调整桨距角大小， 使输出功率基本稳定在 额定功率[17]。由于受到共振条件、变流器容量、叶尖速 比等条件限制， 根据风速大小， 可分为以下 4 种运行阶 段： 恒转速阶段、变转速阶段、恒转速阶段、恒功率阶 段， 如图 1所示。
1.2 虚拟同步机惯量控制策略
惯量响应有短期向电网注入有功功率的能力， 直到 系统一次调频控制激活。传统意义上， 指电网频率变化 时， 基于能量守恒原理， 同步机释放或者储存转子动能， 实现发电量增加或者减少， 维持系统频率稳定。惯量响应能力与其物理质量块大小相关。则实现双馈机组惯量 控制， 首先需要建立电网频率与机组转速的关系。
风电机组的动能主要包括叶片、齿轮箱、发电机的 动能。由于机组质量巨大， 所以蕴含大量的动能。
假设当前电机的转速为 w0. 则机组中的动能为：
机组通过调整电机转速， 释放有功功率 ΔP， 改变发 电量， 对电网进行支撑。
2 双馈风电机组惯量控制策略
2.1 恒转速段，双馈风电机组虚拟惯量与一次调频协同 控制
机组在运行周期中， 有两个恒转速运行阶段， 考虑 刚起机时第一个恒转速段功率较小， 为避免造成欠速停 机， 所以不参与系统惯量调频， 这里的恒转速段， 指的 是变速段后、恒功率前的恒转速运行阶段。由于本阶段 目标转速确定， 可更准确地调整转速， 达到能量释放的 目的。下面控制方法将虚拟惯量及一次调频与风电机组 的控制结合起来， 以提供更佳的控制效果。
2.1.1 虚拟同步机惯量控制
电力系统中， 定义惯性时间常数 H定义为：
该方法引入电网频率的微分项， 可在电网频率变化 的瞬间快速进行频率支撑， 但在斜率方向发生改变， 但 频率仍未恢复至死区内时， 能量方向发生改变， 不利于 频率恢复， 如图 3所示。
2.1.2 虚拟一次调频控制
模拟同步机一次调频， 建立电功率与系统频率偏差 的关系， 引入频率—能量的比例回路， 即：
ΔP = KΔf ( 10)
如图 4所示， 当电网频率处于[f3.f4]时， 机组功率为 P， 当电网频率处于[f2.f3]时， 机组超发功率 ΔP， 及电 网频率处于[f4.f5]时， 机组限功率运行， 功率为 P-ΔP。 根据该图， 也可以确定比例系数。
则可根据当前转速得到新的目标转速。
该方法利用频率的偏差项， 在频率在死区外时， 可 持续提供功率的补充/释放， 以支撑电网频率。
2.1.3 虚拟惯量与一次调频协同控制
综上， 利用虚拟惯量控制可在频率变化的瞬间， 可 快速注入/吸收大量能量， 在频率仍未恢复正常死区范围 时， 一次调频可持续为电网提供能量。由此， 将上述两 种频率控制方式与风电机组控制结合起来， 可满足有效 支撑电网频率的效果。如图 5所示。由于电网频率的不 稳定性， 增加死区、低通滤波等环节。
2.2 变速段，双馈风电机组一次调频与追踪亚最优功率 曲线运行协同控制
在正常情况下， 双馈风电机组在变速段始终运行在 最佳 Cp 上， 如图 6 上 A点所示。
所谓亚最优功率曲线运 行[18]， 指通过一定的方法， 控制机组转速， 使机组偏离 最佳运行点， 如图中 B 点所示， 在实时风速下始终预留 一部分能量， 该预留能量可供电网长期频率调整。常规 发电机组静调差系数一般为 3%~10%， 本文预留 10% 的 能量。具体实现方法如图 7 所示。
在亚最优功率运行过程中， 机组仍可以电网频率的 变化， 进行惯量与一次调频协调控制。实时根据当前电 网频率的变化， 计算支撑的功率量， 并不断去修正亚最 优功率预留能量值， 过程如图 8 所示。
结合风电机组控制原理， 变速段频率支撑控制原理 框图如图 9 所示。
在风电机组的实际运行中， 根据风速判断运行状态， 并根据 Cp-λ 曲线， 实现特定能量的备用。当电网频率超 出死区时， 首先触发惯量响应， 而亚最优功率曲线备用 的能量由于惯性， 缓慢进行释放， 以补充惯量响应造成 的速度凹坑。
2.3 恒功率段，双馈风电机组一次调频与桨距角协同控制 机组在大风满发时， 由于转矩给定环饱和进入桨距角控制环。机组设计中的安全及冗余设计， 允许机组进 行一定容量短时间的超发。大型双馈风机桨距角执行机 构由液压泵、液压缸、曲柄连杆机构等组成， 变桨动作 有一定的迟滞性， 虽然由于技术的不断发展， 延时得到 大量改善， 最长不会超过 1 s， 但对于电网要求来说， 仍然不够。所以当电网频率改变时， 本文利用惯量与调 频协同控制迅速进行响应， 然后用桨距角来补充能量， 继续支撑电网频率及修复第一阶段惯量调频造成的转速 变化。
此部分桨距角控制较为简单， 只需根据当前电网频 率修正桨距角控制的目标值， 利用原有的 PI 控制即可实 现桨距角释放能量， 控制原理如图 10 所示。
3 双馈风电机组惯量控制仿真分析
为 了 验 证 以 上 方 法 的 控 制 效 果， 利 用 MATLAB/ SIMULINK 建立了图 11 所示的仿真系统。该系统包含 1 个风电场 (6.95×108 W) 和 2 个容量分别为 3 500 MVA、 1 200 MVA 的同步机 (G2 、G3) 以及一个 100 000 MVA 的电压源 (G4)， 其余为有功负荷。本文主要研究频率 下降后双馈机组的出力性能， 在该仿真系统中， 系统电 网为无限大， 虚线框中是与风电场等容量的同步机模型。
仿真时分别采用风速为 7 、8 、11 m/s 的湍流风， 分 别代表变速段、恒转速段、恒功率运行段， 电压源在 40 s 时切出， 使系统频率降低。死区设置为±0.05 Hz。
如图 12~14 所示， 电网频率发生阶跃变化， 由50 Hz 跌至 48 Hz， 则双馈机组在 3 种情况下均实现超发 10%Pn 功率， 持续 8 s 后， 由释放功率变为吸收功率， 并逐渐恢 复。以上测试结果证明， 该方法可满足持续为电网提供 惯量补偿的要求， 满足维持电网频率稳定的要求。
4 结束语
本文基于传统发电机惯量调频控制原理以及风电机 组发电原理， 提出了一种全风况下双馈风电机组的虚拟 惯量调频综合控制方法， 使风力发电机组对电力系统具 备惯量调频能力， 提高电力系统运行的稳定性。
( 1) 在恒转速段， 采用虚拟惯量调频控制方法， 即 基于频率变化率与频率偏差作为控制输入的方法， 具备 传统同步机惯量响应与一次调频两者的优点， 即响应的 快速性与持久性。
( 2) 在变速段， 采用亚功率曲线运行与虚拟惯量调 频结合的方法， 即通过控制机组转速， 使机组减载运行 在亚最优曲线上， 预留一部分能量， 可有效减少转速恢 复时， 可能对电网造成的二次伤害。
( 3) 在恒功率段， 采用桨距角控制与虚拟惯量调频 结合的方法， 由于桨距角动作往往有一定延迟， 通过虚
拟惯量调频可使频率响应速度加快。
通过仿真测试进一步验证基于上述方法的有效性， 风电机组可具备效果比同步机更好的电网惯量响应能力， 保障电网运行的安全性。
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