双馈型风电机组的惯性控制

24电气开关2014NO4文章编号1004289X201404002406双馈型风电机组的惯性控制王琼，白丽燕，桑海燕，杨旭东，刘晓红兰州供电公司，甘肃兰州730050摘要在分析双馈风电机组运行特性和控制策略的基础上，提出双馈风电机组的惯性控制策略。该策略附加一个频率控制环节来为风电机组的有功功率控制系统提供一个额外的有功参考信号，进而使风电机组能够及时响应系统频率来调整其有功输出。通过对含风电装机容量系统的仿真分析，验证该控制策略在系统出现功率不平衡后，能够利用双馈风电机组的惯量使风电场具备对系统频率快速响应的能力，从而提高了基于双馈风电机组的大规模风电场接入电网后的电力系统频率稳定性。关键词双馈型风力发电机组；频率；惯性特性；惯性控制中图分类号TM61文献标识码BTHEINERTIALCONTROLOFDOUBLEFEDWINDDRIVENGENERATORSETWANGQIONG，BAILIYAH，SANGHAIYAN，YANGXUDONG，XIAOHONGLANZHOUPOWERSUPPLYCOMPANY，LANZHOU730050，CHINAABSTRACTONTHEBASISOFANALYZINGOPERATINGCHARACTERISTICSOFTHEDOUBLEFEDWINDDRIVENGENERATORSETANDCONTROLSTRATEGY，THEINERTIALCONTROLSTRATEYGOFTHEDOUBLEFEDWINDDRIVENGENERATORYSETHASBEANPROPOSEDINTHEPAPERTHESTRATEGYADDSAFREQUENCYCONTROLLOOPTOPROVIDEANEXTRAACTIVEREFERENCESIGNALFORTHEACTIVEPOWERCONTROLSYSTEMOFTHEWINDDRIVENGENERATORSET，THUSMAKINGTHEWINDDRIVENGENERATORSETBEANLETORESPONDTHESYSTEMFREQUENCYINTIMETOREGULATEITSACTIVEOUTPUTBYSIMULATIONANALYSISTOCONTAINTHEWINDGENERATOREQUIPPEDCAPACITORSYSTEM，ITISVERIFIEDTHATTHECONTROLSTRATEGYCANUSETHEINERTIAOFTHEDOUBLEFEDWINDDRIVENGEUERATORSETTOMAKEWINDELECTRICFIELDHAVEFASTRESPONSEABILITYTOTHESYSTEMFREQUENCYAFTERTHESYSTEMPOWERISIMBALANCE，THASINCREASINGSTABILITYOFELECTRICSYSTEMFREQUENCYAFTERLARGESCALEWINDELECTRICFIELDTOBECONNECTEDINTOANELECTRICNETWORKBASEDONTHEDOUBLEFEDWINDGENERATORSETKEYWORDSDOUBLEFEDWINDDRIVENGENERATORSET；FREQUENCY；INERNTIALCHARACTERISTIC；INERTIALCONTROLL引言风力发电作为目前技术比较成熟，经济效益较好的可再生能开发利用方式，已经被越来越多的国家列为能源发展的首要战略。而双馈型风电机组以其具有较强风能捕获能力、改善风电场功率因数及电压稳定性的性能成为目前大型风电场的主流机型。双馈型风电机组通过转子侧接换流器实现对风电机组的变速恒频控制，捕获最大风能。中间的直流电压总线实现了电机与电网之间的解耦。因此，电网中频率的变化对发电机转子没有任何影响，因而其旋转动能被“隐藏”起来，对电力系统的惯量几乎没有贡献。随着系统中风机渗透率增加，电力系统表现出来的惯性将减少，因此各种系统突发事件如发电机组的解列或负载突然变化时会产生更高的频率变化率。这意味着旋转储备只剩较少的时问来调节功率失衡，这可能引起较大的频率偏差。因此，有必要研究双馈风电机组的频率控制策略，进而提高含大型风电场系统的频率控制能力。本文从双馈型风力机组的惯性特性的角度出发，研究了频率的惯性响应阶段的控制策略。电气开关2014NO42双馈风电机组的模型及控制策略DFIG在DQ同步旋转坐标系下的磁链、电压、功率和电磁转矩方程为LF，8LB8十LMR巾RLLLT七LMLJOJE,OR1，PSQS一亏，S一5SLM，R_P3DIM一。IMR式中为同步角速度；为转子电角速度；U、分别为定、转子电压矢量；，、，R分别为定、转子电流矢量；、分别为定、转子磁链矢量；、R、L。、分别为定、转子电阻、等效自感和互感；P、Q分别为DFIG的电磁转矩、定子侧有功、无功功率；P。为双馈电机的极对数。忽略定子电阻及定子磁链变化，将同步坐标系的D轴定向在定子电压矢量上，由式1可得DFIG定子侧有功、无功功率和电磁转矩方程P3LMQ一3US2。I一，RD由式2可知，当采用定子电压矢量定向控制，并保持定子磁链恒定时，DFIG机组定子侧有功功率或电磁转矩可通过转子电流的D轴分量控制，无功功率可以通过转子电流的Q轴分量，R0控制，从而实现了有功和无功功率的解耦控制。双馈感应发电机的有功功率控制主要体现在最大风能捕获上。最大风能捕获指的是当风力机工作在切入风速和最大转速值之间时，通过调节发电机的转速，获取最大的风能利用系数C。，进而使机组能够最大程度的吸收风能。本文采用的最大风能捕获的基本原理如图4所示。发电机的有功功率经过转速一功率曲线得到转速参考值并与发电机实际转速相比较，偏差值经过PI调节器得到参考转矩，再与发电机转速相乘，便得到发电机的参考有功功率P。将P。与做除法运算得到发电机控制信号，P。JP，4，图1最大风能捕获原理图在DFIG最大功率跟踪控制过程中，转子侧换流器仅根据风电机组转速变化调节有功输出。因此，当电网有功扰动时，风电机组仍然遵循其控制指令向电网输送功率，不能分担系统有功功率的变化，无法对系统扰动提供惯性支持。风力机转子中存储的动能可以表示为E3式中，为风力机转动惯量；为风力机转子转速。当系统频率从变化到时，转子转速将相应地从。变化到，则风力机转子吸收或释放的旋转动能为EL，一4由上式可知，若DFIG风电机组的转速运行范围为0812PU，则通过改变风电机组的转子最大可以提供56的转子动能。因此当DFIG风电机组或者风电场在电网中占到较大的比例时，其对整个系统转动惯量的贡献不容忽视。可称式4为DFIG风电机组所具有的隐藏动能，当利用该部分动能使DFIG风电机组的”隐藏惯量”得到体现后，变速风电机组将具备类似同步发电机的惯性响应能力，并在参与系统调频过程中减小频率变化率的最大值。通过控制DFIG风电机组的转子转速变化，并利用其转子动能所得到的风电机组的电磁功率为PDEACT5惯性时间常数往往表示发电机组利用其旋转动能提供功率输出所能持续的时间。若定义DFIG风电机组的惯性常数为H，则H可表示为日詈6电气开关2014NO4式中，S为视在功率；为风电机组的额定角速度。将日代人式16，且用标幺值来表示由转子动能所转换而来的电磁功率，可得到2日7由上述惯性控制原理可知，在DFIG风电机组转子侧变换器控制系统中的有功功率参考值上增加一个与系统频率相关联的额外有功功率值，可对原来的功率控制环节进行修正，使得风电机组可在较短的反应时间内调整其有功输出，即对系统频率具有了有效的响应。当系统频率保持在其额定值且不发生变化时，该附加的频率控制环节将不起任何作用。而当频率发生变化时，频率控制环节开始根据控制需求来动作。系统频率下降时，DFIG风电机组通过附加频率控制环节来降低其转子转速，从而将部分转子动能转化为有功功率输入系统。反之，当系统频率升高时，DFIG风电机组通过提高转子转速来吸收部分电磁功率，并将转化所得的有功功率储存于风电机组的转子中，从而减少了有功功率的输出，即实现了此时风电机组参与系统调频的目的J。综上可知，在DFIG风电机组的控制系统中增加一个额外的频率控制环节，既可以保持该种变速风电机组转速可控的优点，又能够使风电机组在系统频率变化时通过调节转子转速来吸收或者释放一部分转子动能，从而对系统频率产生有效的响应。在运用DFIG风电机组的惯性控制法设计其附加频率控制环节时，通常是参考惯性响应实现的基本原理，通过系统频率的变化率来获得额外的有功参考信号，从而使DFIG风电机组具有虚拟的惯性响应；由式7可知，当系统频率变化时，利用系统中各同步电机的转动惯量所能获得的快速有功支持应当正比于发电机转子转速的变化率，也即系统频率的变化率。因此，运用虚拟惯性控制法所获得的额外有功参考信号P可以通过一个与系统频率变化率的正比关系来得到P一DT8式中，KF为控制比例系数，通常为定值。另外，在具体的控制设计中，往往还应加入低通滤波器等相关辅助控制设备，以消除控制信号中的噪声干扰或者个别过大的信号。由第二章可知，得到的参考转矩，再与发电机转速相乘，便得到发电机的参考有功功率P。，这样，附加的频率控制环节，既可以加在发电机的参考转矩上，进而影响发电机的参考有功功率如图1，也可以直接加在发电机的参考有功功率上，最终改变发电机的有功输出如图2ES。本文选取的是第一种方法进行仿真。图2加在参考转矩上的惯性控制方法图3加在参考功率上的惯性控制方法J，当电网正常运行时，电网频率变化率半为0，则变U频器中附加的频率控制模块不起任何作用。当系统出现功率缺额，频率发生变化时，双馈感应电机的有功功率参考设定点将会被附加的频率控制模块修改，参考J，设定点的值将等于电网频率变化率半的函数。模拟的U惯量正比于控制器常数，这个控制环节在电网频率超出指定的限值时会改变DFIG有功功率的设定点。双馈感应风电机组在增加了附加频率控制环节之后，能够在电网频率发生变化时快速、有效的响应，改善了双馈感应风电机组的惯性特性。3仿真研究31基于MATLABSIMULINK的仿真模型建立为验证本文所提出的DFIG风电机组参与系统惯性控制策略的有效性，在MATLABSIMULINK仿真平台上建立了一个含大规模风电并网的算例系统。该仿真系统是由一台同步发电机，一台风力发电机及负载若干组成，如图所示。电气开关2014NO42723456LOAD3图4仿真模型图该仿真系统如图4所示，其中GL是一台额定功率为900MW的同步发电机，G2为一台等值了额定容量为60015MW大规模风电场的DFIG风电机组，G3为无穷大电源，其作用只是启动DFIG风电机组，风电机组启动后，G3断开，L1、L2和IJ3都为系统负荷，其中L3是在DFIG风电机组稳定运行后投入的。每台同步发电机均配备了调速器和电力系统稳定器PSS，等值的DFIG风电机组则选取了SIMULINK模型库中的DFIGAVERAGE模型。仿真中中搭建的惯性控制环节如图5所示。一F0|图5仿真时的惯性控制策略32仿真参数的设定图5中，参数，K在仿真时并不是可以随意选取的，都有其对应的范围，当选去一个后，就有一个最大的值。选取TS01，02，05，1，2，5，10，仿真确定相应的K的最大值。仿真结果如下11012OL3O140L50L60170时间S图6同参数时的加与不加惯性控制时的DFIG有功输出对比习姆凸JE丑锯基00L1OL2OL30140150160170时间S图7不同参数时的加与不加惯性控制时的DFIG有功输出对比110L20130140150160170时间S图8不同参数时的加与不加惯性控制时的DFIG有功输出对比O7507006506O055110L2OL30140L50160170时间S图9不同参数时的加与不加惯性控制时的DFIG有功输出对比11O12OL30140150160170时间S图L0不同参数时的加与不加惯性控制时的DFIG有功输出对比ND、丑镰雷0H0ND丑簿0H0ND、丑辑忙0H凸28电气开关2014NO4从上述图可以看出，系数，决定了DFIG转子动能释放的快慢，越大，释放越慢；系数K决定转子动能释放的多少，系数越大，转子动能释放的能量越多。同时，当选取一个时，对应的KMH有这样的关系当较小时，KMH是的25倍，当较大时，KH约是的2倍，并有倍数逐渐减小的趋势。分析与的关系能够帮助我们在选取参数的时候更加有目的性，能够选取到更加合适的参数。J丑00JE弓J锯0凸图11不同参数时的加与不加惯性控制时的DFIG有功输出对比图12不F司参数时的加与不加惯性控制时的DFIG有功输出对比33仿真结果其中，参数，K的选取对于实验的结果有比较大的影响，选取1，K138H，仿真的结果如图13所示。上图对比了无惯性控制和采用惯性控制的系统频率、DFIG功率及DFIG转速的动态响应。很明显，增加了惯性控制环节之后，系统频率下降的速率明显减小。当DFIG机组无惯性控制时，风电场对系统频率变化几乎没有响应；当DFIG机组采用惯性控制后，转子转速降低释放部分动能，转速下降幅度约为0O1PU，功率瞬时增加约为01PU，使系统频率降低的速度得到了有效减弱。、僻螺1丑锯00J0凸图13频率变化时，加与不加惯性控制的DFIG的频率、有功、转速对比从系统的频率曲线中可以看出，系统频率下降的速率虽然减小了，但是频率下降的幅值反而增加了。这是因为，DFIG增加了惯性控制后，当系统频率降低时，DFIG分担了一部分频率调节的功率，从而同步发电机的输出功率相对减少，从DFIG的有功输出与转子速度可以看出，DFIG转子速度降低，有功输出增加，但是，之后有一个DFIG转子速度恢复的过程，转速增加，输出功率减小，因而频率减小的幅值会增加。4总结大规模风电并网后会给系统惯性响应带来不利影响，为提高风电并网后系统的稳定性，提高含风电系统的整体惯性响应能力，有必要对风电机组的惯性控制策略及方法进行深入的探讨和研究。因此，本文就目前多数风电场中所使用的双馈感应风电机组研究了其参与系统惯性控制的控制策略。下转第32页32电气开关【2014NO4由此可见，当配出回路保护电器为限流型断路器时，在一般情况下，靠近变电所低压侧的出线回路，可以根据负荷的实际载流量来选择断路器，一般均能满足热稳定校验要求。3变电所远端K3处单相接地短路电流计算K3处为某高层屋顶景观照明配电回路，其安装容量为15KW，供电电缆长为180M，采用的断路器的脱扣器为热磁脱扣器，其断路器选用的IN40A，瞬时过电流脱扣器整定电流为10IN400A。选择YJV一15X10RAM电缆，利用公式3，算出其末端电压降为418，利用公式4，算出其末端单相接地短路电流为232A，低压断路器瞬时过电流脱扣器整定电流的13倍为400A13520A，校验保护灵敏度232A520A，即该断路器热磁脱扣器短路保护不满足末端短路的灵敏度要求。放大一级，电缆截面选用YJV一1516MM电缆，计算其末端电压降为266，计算末端单相接地短路电流为370A，校验保护灵敏度370A520A，可以看出，即使在放大一级的情况下，采用热磁脱扣器的短路保护仍然不满足末端短路的灵敏度要求。当出现这种情况时，继续放大导体的截面，以提高末端短路电流，但是这种方法一般比负荷计算的电缆截面要放大23级，经济性较差，一般不采用，另一种是将热磁脱扣器改为电子脱扣器，并设置短延时脱扣，这样其整定电流IS5IN200A，200A13260370A，满足了末端短路保护灵敏度的要求。6结束语通过前面的论证和计算，可以得出，将绝缘导体的热稳定校验公式中的I简单地理解为短路电流有效值，而不考虑断路器的分断能力以及允通能量，是不合理的，即使在短路电流很大的情况下，由于有断路器对电缆的保护，其热稳定的要求也是容易满足的。而对于长距离电缆配电，末端短路电流过小，一种方法是将电缆截面放大23倍，以提高末端短路电流，但是这种方法经济性较差，一般不建议采用；另一种方法是采用电子脱扣器的断路器，设置短延时脱扣，以满足短路保护及灵敏度的要求。参考文献1中机中电设计研究院有限公司GB500542011低压配电设计规范S北京中国计划出版社，20122中国航空工业规划设计研究院工业与民用配电设计手册M3版北京中国电力出版社，2005F3中国建筑标准设计研究院04DX1011建筑电气常用数据M北京中国计划出版社，2006收稿日期2014一O523作者简介马骧宇1981一，女。河南郑州人，中机十院国际工程有限公司工程师。主要从事电气工程设计王鹏1983一女，河南洛阳人。中机十院国际工程有限公司。工程师。主要从事电气工程设计。”“”十一”“上接第28页针对上述问题，本文开展了一系列相关研究，并得出了一些有益的结论，具体说明如下。1普通同步发电机发电机在系统频率减小时，输出有功功率有所增加，对系统具有一定惯性响应；双馈变速风电机组在系统频率发生变化时，输出功率的变化量略有改变，对系统的惯性响应则十分有限。2对双馈风电机组附加一个惯性控制环节，可以有效改善机组对系统的惯性响应特性，仿真分析表明增加了惯性控制环节的风电机组可以在系统频率波动的情况下，通过改变自身转子转速，吸收或者释放一部分动能，迅速平衡系统有功负荷波动，减慢系统频率波动。参考文献1李俊峰，等风光无限中国风电发展报告2011M2011，6中国环境科学出版社，20111462贺益康，胡家兵，LIEXU并网