收稿日期：2021-12-23

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51907106）；江蘇省高校自然科學(xué)基金（20KJB470026）

通信作者：金朝陽（1991—），男，博士、副研究員，主要從事可再生能源并網(wǎng)方面的研究。zhaoyang.jin@sdu.edu.cn

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1572 文章編號(hào)：0254-0096（2023）04-0173-07

摘 要：隨著風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)，電網(wǎng)頻率穩(wěn)定成為不可忽略的關(guān)鍵問題之一，雙饋風(fēng)電機(jī)組可通過釋放、存儲(chǔ)旋轉(zhuǎn)動(dòng)能參與平抑系統(tǒng)頻率波動(dòng)，改善系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性。不同運(yùn)行工況下，雙饋風(fēng)電機(jī)組釋放、存儲(chǔ)旋轉(zhuǎn)動(dòng)能的能力存在差異，基于此，該文量化分析釋放、存儲(chǔ)旋轉(zhuǎn)動(dòng)能的能力，提出一種可變?cè)鲆娴南到y(tǒng)頻率波動(dòng)平抑策略，即低頻偏移時(shí)，控制增益設(shè)定為風(fēng)電機(jī)組旋轉(zhuǎn)動(dòng)能釋放能力的一次函數(shù)；高頻偏移時(shí)，控制增益設(shè)定為風(fēng)電機(jī)組旋轉(zhuǎn)動(dòng)能存儲(chǔ)能力的一次函數(shù)，該策略在避免頻率波動(dòng)平抑能力不足和過度調(diào)節(jié)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率波動(dòng)平抑的自主控制，基于EMTP-RV軟件平臺(tái)的仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該文所提頻率波動(dòng)平抑控制策略的有效性。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；頻率穩(wěn)定；雙饋風(fēng)電機(jī)組；動(dòng)能釋放能力；動(dòng)能儲(chǔ)存能力；時(shí)變?cè)鲆?/p>

中圖分類號(hào)：TM614 """""""""""" """""""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

隨著化石燃料的日益枯竭、環(huán)境污染的日益加劇，以風(fēng)電為代表的新能源在電網(wǎng)中的滲透率日益提升，然而風(fēng)能所具有的間歇性、隨機(jī)性、波動(dòng)性特點(diǎn)成為電網(wǎng)安全運(yùn)行關(guān)注的重點(diǎn)問題之一［1-5］。

雙饋風(fēng)電機(jī)組（doubly-fed induction generators， DFIG）是目前市場(chǎng)中應(yīng)用最廣泛的一類風(fēng)電機(jī)組，具有控制靈活等優(yōu)點(diǎn)；然而，為實(shí)現(xiàn)不同風(fēng)速下的最大功率跟蹤（maximum power point tracking， MPPT），DFIG轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率間無耦合關(guān)系［6-12］，使得電網(wǎng)整體慣性下降，也就是說，電網(wǎng)抗擾動(dòng)能力降低，頻率偏差易超標(biāo)。此外，與常規(guī)火電機(jī)組相比，DFIG對(duì)于頻率偏差更為敏感，電網(wǎng)頻率偏差超標(biāo)時(shí)，更易脫網(wǎng)，從而引起嚴(yán)重的有功功率缺失，導(dǎo)致系統(tǒng)頻率驟降，觸發(fā)嚴(yán)重的連鎖故障［6］。因此，隨著風(fēng)電在電網(wǎng)中滲透率的日益攀升，電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性勢(shì)必面臨巨大挑戰(zhàn)［4-6，11］，為此運(yùn)行人員需調(diào)度更多的快速響應(yīng)備用，系統(tǒng)運(yùn)行成本顯著上升。

風(fēng)速發(fā)生波動(dòng)時(shí)，DFIG的有功出力也將隨之波動(dòng)，此時(shí)，為維持有功平衡，常規(guī)機(jī)組需不斷調(diào)整自己的發(fā)電出力，然而，與DFIG有功出力變化速率相比，常規(guī)機(jī)組的有功出力調(diào)節(jié)速度較慢，難以維持系統(tǒng)有功功率平衡，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)頻率波動(dòng)。隨著風(fēng)電滲透率的增加，常規(guī)機(jī)組大量處于停機(jī)狀態(tài)，系統(tǒng)慣性常數(shù)與調(diào)頻能力顯著下降，從而引起更大的頻率偏差，甚至可能觸發(fā)低頻減載裝置。

為減少因風(fēng)速波動(dòng)引起的頻率波動(dòng)，有必要對(duì)DFIG的有功出力進(jìn)行控制，即利用DFIG進(jìn)行頻率波動(dòng)平抑控制。DFIG參與頻率波動(dòng)平抑的策略主要分為兩類：1）在DFIG中配置儲(chǔ)能系統(tǒng)，利用儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑頻率波動(dòng)，即根據(jù)需要，將冗余的有功儲(chǔ)存到儲(chǔ)能系統(tǒng)或?qū)?chǔ)能系統(tǒng)中的有功釋放到電網(wǎng)中；2）利用DFIG轉(zhuǎn)子慣性平抑頻率波動(dòng)，即根據(jù)需要，將冗余的有功儲(chǔ)存到風(fēng)電機(jī)組旋轉(zhuǎn)葉輪中或?qū)⑿D(zhuǎn)葉輪中存儲(chǔ)的動(dòng)能釋放到電網(wǎng)中［12］。文獻(xiàn)［13］提出利用儲(chǔ)能裝置平抑頻率波動(dòng)控制策略，并取得良好的平抑波動(dòng)效果，然而，由于儲(chǔ)能成本過于昂貴，此類方法難以大規(guī)模推廣應(yīng)用。DFIG旋轉(zhuǎn)部件主要由齒輪箱、異步發(fā)電機(jī)、輪轂與葉片組成，其中葉片尺寸大、轉(zhuǎn)速慢，具有較大的慣性時(shí)間常數(shù)，因此DFIG轉(zhuǎn)子慣性時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于同容量的同步發(fā)電機(jī)［9］。換句話說，DFIG具有巨大的頻率波動(dòng)平抑潛力［6-12，14］。

除此之外，還可通過槳距角控制、直流母線電壓控制與虛擬同步控制等技術(shù)調(diào)整DFIG的有功輸出功率，平抑電網(wǎng)頻率波動(dòng)［13］。槳距角控制通過增加/減少槳距角實(shí)現(xiàn)動(dòng)能的存儲(chǔ)/釋放；直流母線電壓控制通過改變直流母線電壓實(shí)現(xiàn)動(dòng)能的存儲(chǔ)/釋放；虛擬同步技術(shù)通過控制變流器，使DFIG具備類似于同步發(fā)電機(jī)的有功功率-頻率調(diào)節(jié)特性，平抑頻率波動(dòng)。一般來講，上述頻率波動(dòng)平抑方法的調(diào)節(jié)能力有限，很難應(yīng)對(duì)較大幅度的電網(wǎng)頻率波動(dòng)。因此，本文主要關(guān)注如何利用DFIG轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)動(dòng)能平抑頻率波動(dòng)。

文獻(xiàn)［14］提出基于頻率偏差的頻率波動(dòng)平抑控制方法（frequency fluctuation mitigation，F(xiàn)FM），使DFIG轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)頻率剛性耦合，響應(yīng)系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)變化，該控制方法中DFIG的工作方式由頻率偏差方向決定：高頻頻率偏移時(shí)，將系統(tǒng)中冗余的有功功率儲(chǔ)存為DFIG轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)動(dòng)能；低頻頻率偏移時(shí)，將DFIG轉(zhuǎn)子中儲(chǔ)存的動(dòng)能釋放到電網(wǎng)，補(bǔ)償功率缺額。文獻(xiàn)［3］借助試錯(cuò)法對(duì)控制增益與頻率波動(dòng)平抑性能之間的關(guān)系進(jìn)行了分析，研究表明，系統(tǒng)頻率波動(dòng)平抑性能隨增益的增加而提高，然而控制增益增加到一定程度后，風(fēng)電機(jī)組將對(duì)頻率波動(dòng)進(jìn)行過度平抑，從而引起風(fēng)電機(jī)組失穩(wěn)，進(jìn)而導(dǎo)致更嚴(yán)重的頻率偏差，如何設(shè)置增益是當(dāng)前頻率波動(dòng)平抑策略亟需解決的關(guān)鍵問題之一。文獻(xiàn)［15］構(gòu)建了計(jì)及頻率偏差的變?cè)鲆骖l率波動(dòng)平抑策略，但該方法未考慮風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，在低頻擾動(dòng)期間易造成風(fēng)電機(jī)組失速問題。文獻(xiàn)［16-17］提出基于轉(zhuǎn)速的可變?cè)鲆骖l率波動(dòng)平抑控制方法，但該方法僅適用于低頻偏差，高頻偏差時(shí)，頻率波動(dòng)平抑性能受到限制，可能頻繁觸發(fā)槳距角控制，引起機(jī)械疲勞。

為在確保DFIG安全運(yùn)行和減少機(jī)械疲勞的前提下提高風(fēng)電場(chǎng)頻率波動(dòng)平抑能力，本文首先分析不同頻率偏差系數(shù)對(duì)系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的影響，并在此基礎(chǔ)上提出基于DFIG運(yùn)行工況的可變控制增益，解決因恒增益控制引起的DFIG頻率波動(dòng)平抑能力不足的問題。最后，基于EMTP-RV軟件進(jìn)行不同風(fēng)電滲透率下的仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文所提控制策略的有效性。

1 DFIG控制

根據(jù)貝茲理論，DFIG風(fēng)電機(jī)組葉片捕獲的機(jī)械功率為：

[Pm=12ρAv3windCP（β，λ）]"""" （1）

式中：[Pm]——DFIG葉片捕獲的機(jī)械功率；[ρ]——空氣密度，kg/m3；[A]——風(fēng)輪迎風(fēng)掃掠面積，m2；[CP]——風(fēng)能利用系數(shù)；[vwind]——進(jìn)入風(fēng)電機(jī)組掃掠面積前的風(fēng)速，m/s。

式（1）中，風(fēng)能利用系數(shù)[CP]由風(fēng)輪葉尖速比和槳距角決定，具體如式（2）和式（3）所示。

[CP（β，"λ）=0.6450.00912λ+-5-0.4（2.5+β）+116λie21λi]""" （2）

[λi=1λ+0.08（2.5+β）-0.0351+（2.5+β）3] （3）

式中：[λ]——風(fēng)輪葉尖速比；[β]——槳距角。

在[β=0°]時(shí)，[CP]隨λ變化，導(dǎo)致DFIG捕獲的機(jī)械功率[Pm]發(fā)生變化。機(jī)械功率[Pm]存在理論上的最大值，對(duì)應(yīng)的風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速稱為最優(yōu)轉(zhuǎn)速。不同風(fēng)速下最大機(jī)械功率點(diǎn)的連線則為最大功率追蹤曲線。

其他構(gòu)成風(fēng)電機(jī)組的主要部分如二質(zhì)塊、異步發(fā)電機(jī)、變流器等模型主要參考文獻(xiàn)［18］。

DFIG中儲(chǔ)存的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能為：

[EDFIG=12JDFIGω2r]"""""" （4）

式中：[EDFIG]——DFIG中儲(chǔ)存的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，J；[JDFIG]——DFIG轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，s；[ωr]——風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速，rad/s。

DFIG中可釋放的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能[ΔErel]為：

[ΔErel=12JDFIG（ω2r-ω2min）] （5）

式中：[ωmin]——DFIG的最小轉(zhuǎn)速。從式（5）可看出，風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速越高，DFIG可向系統(tǒng)釋放的動(dòng)能越多。

DFIG中可存儲(chǔ)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能[ΔEsto]為：

[ΔEsto=12JDFIG（ω2max-ω2r）]"""""" （6）

式中：[ωmax]——DFIG的最大允許轉(zhuǎn)速。從式（6）可看出，風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速越低，DFIG從電網(wǎng)吸收并儲(chǔ)存旋轉(zhuǎn)動(dòng)能的能力越強(qiáng)。

2 DFIG頻率波動(dòng)平抑策略

2.1 現(xiàn)有頻率波動(dòng)平抑策略

與同步發(fā)電機(jī)相比，DFIG轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速具有較大的可調(diào)節(jié)區(qū)間，能根據(jù)控制需求將轉(zhuǎn)子中儲(chǔ)存的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能釋放到電網(wǎng)中或?qū)⑷哂嗟挠泄β蕛?chǔ)存到轉(zhuǎn)子中減少風(fēng)電機(jī)組有功出力，從而平抑電網(wǎng)頻率波動(dòng)。

利用DFIG對(duì)電網(wǎng)頻率波動(dòng)進(jìn)行平抑的控制策略如圖1所示，圖中0.45 pu/s為DFIG有功出力最大變化率，[Pmax]和[Pmin]分別為DFIG有功出力的上限與下限。DFIG附加有功變化量[ΔP]與系統(tǒng)頻率偏差的關(guān)系為：

[ΔP=-（fsys-fnom）×R=-Δf×R]" （7）

式中：[fsys]——系統(tǒng)實(shí)際頻率，Hz；[fnom]——系統(tǒng)額定頻率，Hz；[Δf]——頻率偏差，Hz；[R]——附加控制回路增益。

structure of DFIG

DFIG參與頻率波動(dòng)平抑控制時(shí)，其有功出力[Pref]為：

[Pref=PMPPT+ΔP=kgω3r-Δf×R]"" （8）

式中：[PMPPT]——DFIG運(yùn)行于MPPT狀態(tài)時(shí)的有功出力；[kg]——最大功率追蹤系數(shù)。

由式（8）可知，DFIG參與系統(tǒng)頻率波動(dòng)平抑控制時(shí)，有功出力主要取決于頻率波動(dòng)控制增益，因此控制增益的設(shè)定將直接影響頻率波動(dòng)平抑性能。此外，頻率波動(dòng)平抑期間，風(fēng)電機(jī)組有功出力與風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速和頻率偏差密切相關(guān)，其最大功率追蹤系數(shù)kg保持不變。

2.2 控制增益取值對(duì)系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)的影響

借助EMTP-RV仿真平臺(tái)，對(duì)不同控制增益（即控制增益分別取為0、20與50）下的系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖2所示。需指出的是：系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)與仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)以及風(fēng)速波動(dòng)特性等多種因素有關(guān)。仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)與風(fēng)速的波動(dòng)特性將在本文算例部分進(jìn)行詳細(xì)介紹，此處不再累述。

變動(dòng)風(fēng)速下，DFIG有功出力的波動(dòng)導(dǎo)致系統(tǒng)頻率發(fā)生變化，其變化程度取決于風(fēng)速變化。由圖2清晰可知，DFIG工作于MPPT狀態(tài)時(shí)（即控制增益設(shè)為0），頻率波動(dòng)最嚴(yán)重，最大高頻頻率偏移為0.113 Hz，最大低頻偏移為[-0.080 Hz]，DFIG轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化范圍為0.268 pu，頻率偏差超過0.1 Hz的持續(xù)時(shí)間為18.27 s。與DFIG工作于MPPT狀態(tài)（即制增益設(shè)為0）相比，當(dāng)控制增益設(shè)為20時(shí)，頻率波動(dòng)平抑效果更好，此時(shí)最大高頻頻率偏移由0.113 Hz減至0.101 Hz，最大低頻偏移由[-0.080 Hz]減至[-0.067 Hz]，DFIG轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化范圍增至0.304 pu，頻率偏差超過[0.1 Hz]的持續(xù)時(shí)間由18.27 s降至12.28 s。當(dāng)控制增益由20進(jìn)一步增至50時(shí)，頻率波動(dòng)平抑效果隨之進(jìn)一步得到提升。此時(shí)，最大高頻頻率偏差進(jìn)一步降至0.091 Hz， DFIG轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化范圍進(jìn)一步增至0.348 pu，頻率偏差超過0.1 Hz的持續(xù)時(shí)間進(jìn)一步降至5.29 s。若采用更大的控制增益，DFIG轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化范圍將更大，易超過最低轉(zhuǎn)速限制，從而引起轉(zhuǎn)速失速，并造成嚴(yán)重的頻率偏差。

雖然頻率波動(dòng)平抑性能隨增益的增加而提高，但控制增益增加到一定程度后，風(fēng)電機(jī)組將對(duì)頻率波動(dòng)進(jìn)行過度平抑，引起風(fēng)電機(jī)組失穩(wěn)，導(dǎo)致更嚴(yán)重的頻率偏差。因此，為提高頻率波動(dòng)平抑性能，并避免風(fēng)電機(jī)組失速，需對(duì)頻率波動(dòng)平抑控制增益進(jìn)行合理整定。

2.3 改進(jìn)頻率波動(dòng)平抑策略

為確保風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行的同時(shí)提高風(fēng)電場(chǎng)頻率波動(dòng)平抑能力，本文提出高頻頻率偏移和低頻偏移時(shí)采用不同可變?cè)鲆娴念l率波動(dòng)平抑策略。頻率偏差為負(fù)時(shí)，需將風(fēng)電機(jī)組中存儲(chǔ)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能釋放至電網(wǎng)，抬升頻率，可按式（9）確定控制增益[Ra]：

[Ra=C（ω2r-ω2min）]""" （9）

式中：[C]——頻率波動(dòng)平抑系數(shù)；[（ω2r-ω2min）]——DFIG存儲(chǔ)的有效旋轉(zhuǎn)動(dòng)能。按式（9）計(jì)算控制增益[Ra]時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為最小值時(shí)控制增益為零，風(fēng)電機(jī)組無需參與頻率平抑，避免低風(fēng)速時(shí)風(fēng)電機(jī)組失速現(xiàn)象，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增大，控制增益隨之增加，風(fēng)電機(jī)組可釋放動(dòng)能的能力增加；因此，提出的控制策略可有效抑制低頻頻率偏差波動(dòng)。

頻率偏移為正時(shí)，DFIG需從電網(wǎng)中吸收能量存儲(chǔ)在DFIG中，阻止頻率的進(jìn)一步提升。此時(shí)，若繼續(xù)按式（9）設(shè)定控制增益，將頻繁啟動(dòng)槳距角控制，造成機(jī)械疲勞。為避免這一問題，本文提出計(jì)及DFIG儲(chǔ)存動(dòng)能能力的高頻偏差控制增益[Rb]確定方法，具體為：

[Rb=C（ω2max-ω2r）]"" （10）

式中：[（ω2max-ω2r）]——DFIG在該轉(zhuǎn)速下從電網(wǎng)中吸收能量的能力。按式（10）計(jì)算控制增益[Rb]時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為最大值時(shí)控制增益為零，風(fēng)電機(jī)組無需參與頻率平抑，減少高風(fēng)速時(shí)槳距角控制頻繁啟動(dòng)，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速減少，控制增益隨之提升，風(fēng)電機(jī)組可存儲(chǔ)動(dòng)能的能力增加；因此，提出控制策略可有效抑制高頻頻率偏差波動(dòng)。

從式（9）和式（10）可看出，參數(shù)[C]的取值將直接影響控制增益[Ra]和[Rb]的大小，進(jìn)而對(duì)頻率波動(dòng)平抑性能產(chǎn)生影響。一般來講，參數(shù)[C]取值越大，控制增益越大，有利于提高DFIG的頻率波動(dòng)平抑效果。然而，參數(shù)[C]取值過大，可能會(huì)導(dǎo)致調(diào)頻過程中控制增益變化過快，進(jìn)而引起更大的頻率偏差。實(shí)際工程中，可根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行工況、控制目的和系統(tǒng)慣性大小綜合確定參數(shù)[C]的取值。仿真中，將控制參數(shù)[C]的取值暫定為100。

圖3為不同轉(zhuǎn)速下改進(jìn)增益與現(xiàn)有增益的對(duì)比。如圖3中紅色實(shí)線所示，式（9）的意義在于系統(tǒng)頻率低于額定頻率時(shí)，可根據(jù)DFIG實(shí)時(shí)運(yùn)行工況確定控制增益大小，即在DFIG轉(zhuǎn)速較高時(shí)，采用較大的控制增益，反之，則采用較小的控制增益，從而在避免風(fēng)電機(jī)組失穩(wěn)的前提下，有效平抑頻率波動(dòng)。如圖3中虛線所示，式（10）的意義在于系統(tǒng)頻率高于額定頻率時(shí)，可根據(jù)風(fēng)電機(jī)組實(shí)時(shí)運(yùn)行工況確定DFIG的控制增益，即在DFIG轉(zhuǎn)速較高時(shí)，采用較小的控制增益，反之，則采用較大的控制增益，從而在避免頻繁啟動(dòng)槳矩控制的前提下，有效平抑頻率波動(dòng)。因此，本文提出的可變控制增益能在確保DFIG安全運(yùn)行和減少機(jī)械疲勞的前提下避免因采用恒控制增益時(shí)引起的頻率波動(dòng)平抑能力不足及平抑頻率波動(dòng)過度的問題。

3 仿真驗(yàn)證

3.1 仿真系統(tǒng)介紹

為驗(yàn)證改進(jìn)頻率波動(dòng)平抑策略在不同風(fēng)電滲透率下的有效性，本文基于EMTP-RV軟件搭建包括DFIG和常規(guī)火電機(jī)組兩種電源的仿真系統(tǒng)，如圖4所示。圖4中，常規(guī)火電機(jī)組為同步發(fā)電機(jī)組，配有調(diào)速器和自動(dòng)調(diào)壓器；負(fù)荷采用恒功率負(fù)荷模型表示。DFIG模型如圖5所示，由風(fēng)電機(jī)組

葉片模型、二質(zhì)量塊風(fēng)輪模型、異步發(fā)電機(jī)模型、DFIG控制器、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器（RSC）和網(wǎng)側(cè)變流器（GSC）等主要部分構(gòu)成。DFIG的MPPT運(yùn)行與頻率波動(dòng)平抑控制由DFIG控制器控制轉(zhuǎn)子變流器實(shí)現(xiàn)。

對(duì)圖4給出的仿真系統(tǒng)來說，負(fù)荷隨機(jī)擾動(dòng)、常規(guī)火電機(jī)組的隨機(jī)故障以及風(fēng)速隨機(jī)波動(dòng)等不確定性因素均會(huì)引起頻率波動(dòng)。若頻率偏差超標(biāo)，DFIG輸出功率將會(huì)隨之發(fā)生改變，對(duì)頻率波動(dòng)進(jìn)行平抑。仿真實(shí)驗(yàn)的主要目的是驗(yàn)證DFIG改進(jìn)頻率波動(dòng)平抑策略，并不關(guān)注仿真系統(tǒng)頻率波動(dòng)的誘因。為簡(jiǎn)單起見，仿真中僅考慮風(fēng)速隨機(jī)波動(dòng)導(dǎo)致的系統(tǒng)頻率波動(dòng)。圖6給出了用于仿真的時(shí)序風(fēng)速曲線，該風(fēng)速曲線由中國(guó)某風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)擬合而來。

當(dāng)系統(tǒng)頻率偏差絕對(duì)值大于0.033 Hz時(shí)，DFIG啟動(dòng)頻率波動(dòng)平抑控制?；趫D4所示的仿真系統(tǒng)模型，下文將進(jìn)行不同風(fēng)電滲透率下的仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)本文提出的改進(jìn)頻率波動(dòng)平抑策略進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2 仿真場(chǎng)景1：風(fēng)電滲透率為18%

圖7為風(fēng)電滲透率為18%時(shí)的頻率波動(dòng)平抑仿真結(jié)果。從圖7a可見，當(dāng)采用改進(jìn)控制策略對(duì)DFIG進(jìn)行頻率波動(dòng)平抑控制時(shí)，高頻頻率偏移的最大值為0.096 Hz，低頻頻率偏差的最大值為-0.061 Hz，頻率偏差超過0.1 Hz的持續(xù)時(shí)間為3.09 s。若不對(duì)DFIG進(jìn)行頻率波動(dòng)平抑控制，高頻頻率偏移的最大值將高達(dá)0.113 Hz，低頻頻率偏差的最大值則為[-0.081 Hz]，頻率偏差超過0.1 Hz的持續(xù)時(shí)間為18.27 s。若采用恒增益對(duì)DFIG進(jìn)行頻率波動(dòng)平抑控制時(shí)，高頻頻率偏

c. 扭矩轉(zhuǎn)角

power penetration）

移的最大值為0.101 Hz，低頻頻率偏差的最大值為[-0.067 Hz]，頻率偏差超過0.1 Hz的持續(xù)時(shí)間減少到[12.28 s]。當(dāng)采用改進(jìn)控制策略對(duì)DFIG進(jìn)行頻率波動(dòng)平抑控制時(shí)，DFIG對(duì)系統(tǒng)頻率波動(dòng)平抑的貢獻(xiàn)更加顯著，尤其是高頻頻率偏差時(shí)。如圖7c所示，相對(duì)于恒增益控制策略，采用改進(jìn)控制策略后，扭矩轉(zhuǎn)角變化范圍更小，有效減少了機(jī)械疲勞問題。

3.3 仿真場(chǎng)景2：風(fēng)電滲透率為36%

圖8為風(fēng)電滲透率為36%時(shí)的頻率波動(dòng)平抑仿真結(jié)果。從圖8a可看出，當(dāng)DFIG不采取頻率波動(dòng)平抑控制時(shí)，高頻頻率偏移的最大值將高達(dá)0.218 Hz，低頻頻率偏差的最大值則為[-0.160 Hz]，頻率偏差超過0.1 Hz的持續(xù)時(shí)間為43.63 s。若采用恒增益對(duì)DFIG進(jìn)行頻率波動(dòng)平抑控制時(shí)，高頻頻率偏移的最大值為0.183 Hz，低頻頻率偏差的最大值為[-0.115 Hz]，頻率偏差超過0.1 Hz的持續(xù)時(shí)間減少到

power penetration）

35.44 s。當(dāng)采用改進(jìn)控制策略對(duì)DFIG進(jìn)行頻率波動(dòng)平抑控制時(shí)，高頻頻率偏移的最大值為0.181 Hz，低頻頻率偏差的最大值為[-0.116 Hz]，頻率偏差超過0.1 Hz的持續(xù)時(shí)間進(jìn)一步下降為31.05 s；且有效減少了扭矩轉(zhuǎn)角，緩解了風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械疲勞問題。

從上述仿真結(jié)果可看出，由于風(fēng)電滲透率更大，仿真場(chǎng)景2下的頻率偏差遠(yuǎn)大于仿真場(chǎng)景1。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因在于高風(fēng)電滲透率導(dǎo)致了系統(tǒng)慣量減少及系統(tǒng)調(diào)頻能力下降。當(dāng)風(fēng)電滲透率較大時(shí)，與恒增益頻率波動(dòng)平抑策略相比，本文提出的改進(jìn)控制策略能更有效的提升DFIG的頻率波動(dòng)平抑能力。

4 結(jié) 論

為提高DFIG的頻率波動(dòng)平抑性能，本文提出一種單獨(dú)可變?cè)鲆娴念l率波動(dòng)平抑策略，所提策略的創(chuàng)新點(diǎn)可總結(jié)如下：

1）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過修改轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制策略，在無有功備用的前提下主動(dòng)參與頻率波動(dòng)平抑， 針對(duì)低頻和高頻偏移時(shí)調(diào)頻需求，分別提出適用于低頻和高頻偏移的可變?cè)鲆妗?/p>

2）低頻偏移時(shí)，為避免低風(fēng)速時(shí)風(fēng)電機(jī)組失速同時(shí)有效地利用風(fēng)電機(jī)組旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，控制增益設(shè)定為風(fēng)電機(jī)組旋轉(zhuǎn)動(dòng)能釋放能力的一次函數(shù)；在提升頻率波動(dòng)平抑能力的同時(shí)解決低轉(zhuǎn)速時(shí)風(fēng)電機(jī)組失速問題。

3）高頻偏移時(shí)，為避免頻繁啟動(dòng)槳距角同時(shí)有效地利用風(fēng)電機(jī)組存儲(chǔ)動(dòng)能的能力，控制增益設(shè)定為風(fēng)電機(jī)組旋轉(zhuǎn)動(dòng)能存儲(chǔ)能力的一次函數(shù)；在提升頻率波動(dòng)平抑能力的同時(shí)解決高轉(zhuǎn)速時(shí)頻繁啟動(dòng)槳距角造成的機(jī)械疲勞問題。

仿真結(jié)果表明：本文提出的改進(jìn)頻率波動(dòng)平抑策略可在確保DFIG安全運(yùn)行、減少機(jī)械疲勞的前提下充分利用風(fēng)電機(jī)組自身旋轉(zhuǎn)慣量提高風(fēng)電場(chǎng)頻率波動(dòng)平抑能力，提高頻率穩(wěn)定性，緩解了風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械疲勞問題，有效支撐大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)。

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FREQUENCY FLUCTUATION MITIGATION SCHEME OF DOUBLY-FED WIND TURBINE GENERATOR BASED ON VARIABLE COEFFICIENTS

Yang Dejian1，Xu Yien2，Zheng Taiying3，Zhang Xinsong2，Hua Liang2，Jin Zhaoyang4

（1. Key Laboratory of Modern Power System Simulation and Control amp; Renewable Energy Technology Ministry of Education

（Northeast Electric Power University）， Jilin 132012， China；

2. School of Electrical Engineering， Nantong University， Nantong 226019， China；

3. School of Electrical Engineering， Zhejiang University， Hangzhou 310058， China；

4. Key Laboratory of Power System Intelligent Dispatch and Control of Ministry of Education （Shandong University）， Ji’nan 250061， China）

Abstract：With the large-scale grid-connection of wind power， the stability of grid frequency has become one of the key problems that cannot be ignored. Doubly-fed induction generators （DFIGs） can mitigate the frequency fluctuations by releasing the kinetic energy from the DFIG and storing the kinetic energy into the DFIG， thus improving the frequency stability. The energy-releasing and energy-storing capabilities are different when DFIGs are operating in various speed conditions. Therefore， this paper suggests employing different variable gains during over-frequency and under-frequency periods， respectively. During the under-frequency period， the control gain is set to a linear function of the energy-releasing capability； during the over-frequency period， the control gain is set to a linear function of the energy-storing capability； and thereby mitigating frequency fluctuation and avoiding the issues of insufficient and excessive mitigation of frequency fluctuation. This paper established a test power system with DFIGs based on an EMTP-RV simulator. Simulation results indicate that the proposed strategy is valid.

Keywords：wind power； frequency stability； DFIGs； energy-releasing capability； energy-storing capability； variable gain