2双馈感应风机的有功功率控制

1、提高含大规模风电系统频率响应的双馈机组控制策略摘要：由于风电在电力系统的发电结构中保持着一个重要的比例，我们可以预见到投入使用的火电机组将会越来越少。在这种情况下，由于缺乏机组频率支持，系统频率的安全会受到影响。为了应对系统的这一变化，要求风电机组应积极向系统提供频率支撑。这就要求风力机输出的有功功率应可控，使其拥有足够的发电裕度来满足频率响应。本文提出双馈感应发电机（DFIG）的控制策略，通过仿真结果验证该方法在根据运营者要求进行调节的有效性以及在不同风速条件下运行的稳定性。其次，本文将探讨几种双馈感应发电机为系统提供支撑的控制策略。仿真结果表明，本文所提策略能提高高风电渗透电力系统的调节性

2、能。关键词：双馈感应发电机（DFIG），频率响应，调节，风电。1引言风能是世界上电力系统最重要的可再生资源。目前，风能资源丰富的地区，风力发电已逐渐取代化石燃料发电厂的能力1。这种趋势下，当风力电机逐渐取代传统电厂时，系统运营者将遭遇频率控制的挑战。目前，大多数的风力发电场都运行在最大风能捕获状态下来追求经济效益最大化。然而，这种类型的操作不能保持足够发电量裕度来对频率进行响应，在孤岛运行情况下这一问题会更加突出。尤其是在非高峰时段风力生产相对较高时，化石燃料电厂可能由于风力资源过剩需要强制切出，这将会导致系统频率响应储备减少。出于安全考虑，希望风力机能提供频率响应。因此，一些供电公司需要更改

3、它们的电网导则以满足这种操作需求。例如，ESB国家电网已经更改了电网导则要求风电像传统电厂一样可以保持系统平衡，如有载调速响应，设定点控制，频率响应和爬坡速率23。考虑到运行备用，电网运行要求风电应提供Delta生产备用来应对传统发电旋转备用不足的情况45。为了使风力机实现频率响应，控制有功输出对系统频率响应的控制是必要的。最近，由于先进的电力电子技术，变速风机的有功功率控制正变的更成熟。关于风力发电机组中的频率控制也有相关文献报道。文献6-10介绍了风机频率响应的惯性和速度下垂控制。就像速度控制器能自动控制有功输出一样，风机的频率控制环能对系统频率下降做出响应。然而，由于风速的可变性，速度下

4、垂控制有其自身的局限性。提出控制方案的有效性是依赖于运行的稳定性和可用发电裕量。由于风能和传统能源相比具有间歇性使得控制风机的输出量更有挑战性。例如，当一个操作要求超越可用风电的极限，使得转子速度处于不稳定运行区域内时，就会出现稳定性问题11。因此，风电机组的运行稳定性和有功可控性之间的协调需要进一步定义。从和传统机组类似的观点出发，速度下垂响应控制需要风机保留一定的发电裕量。如果存储系统不被考虑，这种控制策略不可避免的就会以牺牲最大功率输出为代价。然而，高成本的存储装置系统在大型风电场可能不会有经济效益。这一形势激励我们考虑一种牺牲更少风能的控制策略。风机中频率响应控制的讨论将从双馈感应发电

5、机（DFIG）的有功功率控制开始。随着操作者期望风机能为系统提供频率响应，双馈电机的控制应该能够跟踪操作的命令，并在所有风力条件下保持稳定性12。通过一个全面控制方案的介绍后，本文将引导关于双馈发电机频率调整的策略探讨，这也是本文的主题。仿真测试结果验证了提出的操作策略能提高频率质量。研究也证实了风机频率响应的贡献能减轻传统电厂的负担。2双馈感应风机的有功功率控制目前，双馈感应风机有功功率控制的一般做法是利用背靠背变流器调节直轴转子电流“丁，通过适当的配置，【山调节阻碍风轮机转矩的电磁转矩，电磁转矩反过来又决定了转子转速。电磁转矩的调节与转子转速控制决定了双馈感应风机的有功功率输出13巾6。A

6、.中速风况自由运行方式（FR模式）WindturbineaeradvnamrcmodetDFIGmcciel1¥JJS->magneticConversion双馈感应风机有功功率控制方案图1.图1显示了跟踪操作命令的控制方案。先发送给双馈感应风机一个设定值命令，随着转子转速反馈，转矩命令用来计算生成直轴转子电流。选择适当参考,将跟随电磁转矩的变化，抵消风机机械转矩的变化。由于风机叶片的桨距角固定，机械功率可能与要求功率不同。因此，转矩和之间的差异使转子根据以下关系加速或减速:dijiJ-=Tech一夏m式中外表示转子转速。转子速度的改变可能会影响风机的叶尖速比，然后改变功率系数

7、，进而影响DFIG机电能量采集的改变1417。如果Qn和、川达到平衡，转子转速将会停留在一个新的状态。方程(1)表明风力发电系统的转动惯量能吸收或释放对由风速波动引起的能量波动。然而，转子转速可能在一个广泛的范围中变动。200300400500600700000900(C)1.5900图2.中等风况FR模式下双馈感应风机命令追踪性能。(a)风速。=10.50200300400500600700800Timeinsecond(b)输出功率跟踪。(c)转子转速图2表示的是中等风速下包功率输出控制的性能。风速图2(a)波动行为使转子转速上下波动。只要转子运行在允许的操作范围，双馈感应风机的输出功率图

8、2(b)的实线成功地跟踪指令图2(b)的虚线。B.高速风况-桨距角控制方式(PAC模式)保证包功率控制和保持双馈感应风机稳定运行是一件不容易的事。如果七想未能正确设置，转子的速度可能超过转速的上下限，引起稳定性问题11o因此,需要采取一些行动避免这种情况。例如，以固定桨距角运行的双馈感应风机在跟踪恒功率命令时，如果风速不断上升时，将使4增加。当%即将达到速度上限时，应通过降低7g来减小叫。降低J.的一个重要途径是通过调整叶片桨距角B来改变风能需求。当接近速度上限时，上限速度参考量与4进行比较。如果错误信号是正值，应增加£来减少。因此，必要保持低于上风度极限%；门。需要指出的是，速度调

9、节器采用比例控制（P控制）。如风力将逐渐减少，0逐渐减少到0度然后操作切换回自由运行模式。由于这种操作是基于风力机叶片桨距角的调节，所以它被命名为桨距角控制模式。这种思想也用于风速可能上升使输出功率超出铭牌额定功率时，控制最大风能请求的范围。桨距角控制的原理图如图3表示。需要指出的是，比例控制器以山5m和纬丁之间的适当的速度差额仔细挑选，确保5不超过纬在我们的控制模型中，叱和4忒5分别设置为1.2p.u和1.3p.u。比例控制器的增益应设置为3至10来满足适当的桨距角响应。桨距角控制器的其他参数为：等于0.11,%等于10。C.低速风况改进的线性斜率控制模式（MLSC模式）如果可用风力资源低于

10、双馈感应风机的要求，应优先保持双馈感应风机稳定情况。当风电功率低于操作设定点（P。），应减少外来降低乙也。因此，一个线性斜率控制策略被应用，以防止转子转速的进一步减少。图4显示了线性斜率控制模式（MLSC）是如何运用到低风速条件。由于低风速条件下风电资源可能会低于，MLSC应保证以下关系：式中他为设置点得对应的转子转速。定义如下:Pg/cpr式中他表小切入转子速度,，匚士表小双馈感应风机的切入功率（。白Pzart）（3。一tu.rt）方程（2）表明己小适应转子转速叫的改变。当叫低于M，方程（2）右边的第二项变为负，引起匕小的减少。因此匕小的减少将使Tem减小。需要指出的是，P点户线应于右半边低

11、功率曲线相交，从而保证足够的转矩减少量。这个线性斜率策略的方法是自动调整反转矩来保持转子速度的偏差，以保持良好的稳定性。这个方法的灵感来自于文献11,其理念是为了限制转子运行在一个较窄的范围。然而，文献11中的斜率线性策略主要是用来平滑设置点Z周围风力的波动。本文介绍的MLSC模式是进一步定义式（2）、（3）线性斜率，从而确保在设定点以高于可用风力资源情形下转子速度的控制的稳定性。需要指出的是，考虑到稳定性，算式（3）中的直线斜率计算值大于文献11中的值。0.200020.40.60,83。1OJr(PU)12powervs.rotorspeedcurve864ooosdwQ?图4.倾斜线性可

12、变控制策略3所有风速区域控制方案的协调本文提出控制模式的目的是在不同风速下保证指令的跟踪和运行的稳定性。所有风速区域内控制策略的原理图如图5所示。图5描述了控制模式的执行是由测量的转子转速所决定。Hindlurhiiwbarnnlvnumicn'korirl图5.所有风速区域内控制策略的原理图FR和PAC模式保证了中高风速下功率追踪的稳定。当风速下降到低速范围，MLSC模式被激活用以稳定双馈感应风机系统。为了协调这三种控制模式，的设置应遵守以下规则:PC7n<i=P。+siopc(,r卬/W3口，当知临近1时，MLSC模式将被激活通过减少3小来保证双馈感应风机的稳定。双馈感应风机

13、的桨距角在MLSC和FR模式中保持在0度。第一个原因是固定桨距角可以避免过多的桨距角调整，并避免更多的磨损。另一个原因是0度桨距角不仅可以在某些叶尖速比下优化功率系数同时能更容易实现恒功率控制。表1总结了双馈感应风机执行策略的操作条件。TABLEIConditionsforDFIGstoOperateintheIntroducedThreeCocsttrolModes(b)400FRmode200-MLSCmodePACmodeEo0pp-0i110020030040050060070080。900100080090010004005006007001.5N1d0.510020030030置2

14、0f100(d)Illi1118009001000400500600700Timeinsecond100200300Conditions见伍d刈lingroiorspeedpitchangle8VI1SCmodeR+尸sf口即:(卬13小)31rEfixedsu1FRmodeR3al<3rSJfixedat00PAC'imxJe已variable表1.图6.运行在所有风速条件双馈感应风机的性能。(a)风速.(b)功率跟踪曲线.转子速度.(d)桨距角图6显示了所有的风力条件下双馈感应风机的运行性能。图6(a)显示的是双馈感应风机在中、低、高风速下的测试波形。图6(b)表明，除MLSC模式外，双馈感应风机的输出可以保持追踪功率指令巴。在MLSC操作模式下，因为与设置太高，双馈感应风机需要通过改变指令来适应低风力保持稳定的要求。这就是为什么功率波动在MLSC模式下显得明显的原因。图6(c)表明随着转子的速度接近速度上限,叶片桨距控制系统开始增加桨距角来限制转子转速的增加，桨距角波形如图6(d)所示。图6(c)还表明了较大的转子转速范围可能导致转换器设计的额外负担。这种广泛的速度范围将需要更高的转子电压，因此需要较高的直流电压。4风力连续频率调整的讨论参与调节的机组，无论是用以连