雙饋風(fēng)電系統(tǒng)參與頻率調(diào)節(jié)的小擾動(dòng)穩(wěn)定性分析

李軍軍， 李圣清， 匡洪海

(湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南株洲 412007)

雙饋風(fēng)電系統(tǒng)參與頻率調(diào)節(jié)的小擾動(dòng)穩(wěn)定性分析

李軍軍， 李圣清， 匡洪海

(湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南株洲 412007)

為了分析風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)后對電網(wǎng)頻率的影響，建立考慮調(diào)頻的雙饋風(fēng)電系統(tǒng)小擾動(dòng)穩(wěn)定性分析的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)風(fēng)速的變化，研究功率控制策略，額定風(fēng)速以下采用最大功率追蹤控制，實(shí)現(xiàn)輸出功率最大;額定風(fēng)速以上采用恒功率控制，保證整個(gè)系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運(yùn)行;考慮負(fù)荷動(dòng)態(tài)模型時(shí)，分析風(fēng)速變化對系統(tǒng)特征值的影響;利用Matlab建模進(jìn)行時(shí)域仿真。理論研究和仿真結(jié)果表明，在全風(fēng)速變化區(qū)間，能實(shí)現(xiàn)輸出功率調(diào)節(jié)，系統(tǒng)能保持較好的小擾動(dòng)穩(wěn)定;增加頻率調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)后，風(fēng)電系統(tǒng)在一定程度上能參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)，有效地改善電網(wǎng)的頻率特性，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性。

頻率調(diào)節(jié);雙饋風(fēng)力發(fā)電;小擾動(dòng);最大功率跟蹤;負(fù)荷動(dòng)態(tài)模型

0 引言

并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般分為兩大類，即恒速恒頻型和變速恒頻型。雙饋異步發(fā)電機(jī)型交流勵(lì)磁變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)是目前主流的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。通過實(shí)施交流勵(lì)磁可改變轉(zhuǎn)子電流的頻率、幅值和相位，實(shí)現(xiàn)變速恒頻運(yùn)行以及輸出有功、無功解耦;變換器容量為風(fēng)輪機(jī)的25% ～30%，變換器投資低、功率損耗低［1］。由于機(jī)組并網(wǎng)采用電力電子接口技術(shù)，導(dǎo)致機(jī)組電磁系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)解耦，對電網(wǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的貢獻(xiàn)微乎其微，無法像常規(guī)機(jī)組那樣參與電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)［2］。隨著風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)運(yùn)行，勢必會(huì)減少整個(gè)系統(tǒng)的慣量，惡化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)頻率特性，危及電網(wǎng)的安全運(yùn)行，有必要采取相應(yīng)措施，國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)［3－5］研究了雙饋風(fēng)電系統(tǒng)的最大功率追蹤控制策略;文獻(xiàn)［6－10］研究了雙饋風(fēng)電系統(tǒng)定轉(zhuǎn)子側(cè)控制系統(tǒng)并進(jìn)行了建模仿真;文獻(xiàn)［11－17］建立了雙饋風(fēng)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行了小擾動(dòng)分析;文獻(xiàn)［18－21］研究了雙饋風(fēng)電系統(tǒng)中，在增加頻率調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)后對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響以及如何有效參與電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)。但上述研究只是針對某一風(fēng)速，未能考慮全風(fēng)速下的運(yùn)行情況;小擾動(dòng)分析數(shù)學(xué)模型較簡單，沒有涉及負(fù)荷動(dòng)態(tài)模型的影響。

為研究風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)頻率的影響，建立考慮頻率調(diào)節(jié)的雙饋風(fēng)電系統(tǒng)小擾動(dòng)穩(wěn)定性分析的數(shù)學(xué)模型，通過理論分析與仿真研究全風(fēng)速條件下的功率控制策略以及風(fēng)電系統(tǒng)利用輔助調(diào)頻環(huán)節(jié)如何參與電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)。

1 風(fēng)電參與系統(tǒng)調(diào)頻的原理

風(fēng)輪機(jī)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能［20］為

式中:J為風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;ωt為風(fēng)輪機(jī)角速度。風(fēng)輪機(jī)輸出功率為

慣性常量H定義為

式中:S為視在功率;ωn為風(fēng)輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速。將上式中的J代入式(2)得

標(biāo)幺值表示為

電網(wǎng)頻率變化時(shí)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速釋放或吸收部分旋轉(zhuǎn)動(dòng)能就可改變風(fēng)電機(jī)組輸出功率，為電網(wǎng)提供頻率支持，維持頻率的穩(wěn)定。

2 考慮頻率調(diào)節(jié)的雙饋風(fēng)電系統(tǒng)

2.1 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由風(fēng)輪機(jī)、雙饋發(fā)電機(jī)、雙PWM變換器、濾波電感L0、變壓器、負(fù)荷及電網(wǎng)組成。

圖1 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)Fig.1 Doubly-fed wind power generation system

2.2 風(fēng)輪機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)

風(fēng)輪機(jī)輸出的機(jī)械功率為

式中:ρ為空氣密度;r為葉片半徑;vm為風(fēng)速;λ為葉尖速率比;Cp為風(fēng)能利用系數(shù);β為槳距角。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)原理［22］如圖2所示。

圖2 風(fēng)力機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)Fig.2 Driven system of wind power unit

風(fēng)輪機(jī)及電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程為

式中:ωg為異步電機(jī)轉(zhuǎn)速;Te為電磁轉(zhuǎn)矩;Tm為風(fēng)輪機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩;TD為能量傳遞裝置的阻轉(zhuǎn)矩;Tsh為從次傳動(dòng)軸傳遞給剛性齒輪的轉(zhuǎn)矩;Jt、Jg分別為風(fēng)輪機(jī)和電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;v為齒輪傳動(dòng)比，且

式中:ξ為次傳動(dòng)軸受力變形后的轉(zhuǎn)角;Tξ為軸上形成該轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)矩;k與C1、C2、C3為常數(shù)。

風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速ωt和異步電機(jī)轉(zhuǎn)速ωg的關(guān)系為

2.3 雙饋電機(jī)模型

考慮雙饋電機(jī)(doubly－fed induction generator，DFIG)4階暫態(tài)模型為

式中:Rs為定子電阻;Usd、Usq、isd、isq分別為定子 d、q軸電壓和電流;Urd、Urq分別為轉(zhuǎn)子d、q軸電壓;E'd、E'q分別為d、q軸暫態(tài)電勢;T'0為轉(zhuǎn)子回路短路時(shí)間常數(shù);Xs、X's分別為電機(jī)穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)電抗;Ls、Lr分別為定、轉(zhuǎn)子漏感;Lm為勵(lì)磁電感;且

其中:Rr為轉(zhuǎn)子電阻;ψrd、ψrq分別為轉(zhuǎn)子磁鏈 d、q分量。

2.4 網(wǎng)側(cè)及直流環(huán)節(jié)模型

如圖1所示，在d－q坐標(biāo)系下，網(wǎng)側(cè)滿足

式中:ωgr為電網(wǎng)角頻率;Ugd、Ugq和 igd、igq分別為變換器2輸出電壓、電流d、q分量;R0為變換器2側(cè)電阻;LT為變壓器折算到一次側(cè)的電感。

直流電容器上電壓Udc、電流滿足

式中:C為直流電容;id1、id2分別為變換器1輸出和變換器2輸入電流。

忽略變換器自身損耗，根據(jù)功率不變原則有

轉(zhuǎn)子、變換器2輸出的有功功率 Pr、Pg可表示為

式中:ird、irq分別為電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)電流d、q分量。

2.5 負(fù)荷動(dòng)態(tài)模型

感應(yīng)電機(jī)在電力負(fù)荷中占有相當(dāng)大的比重，對電力系統(tǒng)運(yùn)行有較大影響。通常感應(yīng)電機(jī)定子繞組電磁暫態(tài)過程遠(yuǎn)比轉(zhuǎn)子以及電力系統(tǒng)快得多，故定子暫態(tài)過程忽略不計(jì)，采用三階模型能很好地反映其性能，負(fù)荷模型可等效為靜態(tài)負(fù)荷與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。圖中，G、H為負(fù)荷中靜態(tài)部分阻抗的導(dǎo)納;KH為容量折算比;Uld、Ulq分別為負(fù)荷端電壓d、q分量;X、R分別為線路電感和電阻;E'g為感應(yīng)電機(jī)暫態(tài)電勢。

圖3 負(fù)荷動(dòng)態(tài)模型Fig.3 Load dynamic model

根據(jù)圖3可列方程并整理得

式中:KL為負(fù)載率;a為機(jī)械負(fù)載中與轉(zhuǎn)速無關(guān)部分所占的百分率;n為負(fù)載指數(shù)。

2.6 頻率控制環(huán)節(jié)

含調(diào)頻環(huán)節(jié)的雙饋風(fēng)電控制系統(tǒng)，如圖4所示，其中的頻率調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)如圖5所示。該模塊包含3個(gè)單元，即頻率調(diào)節(jié)模塊，轉(zhuǎn)速保護(hù)模塊和轉(zhuǎn)速恢復(fù)模塊。

圖4 考慮頻率調(diào)節(jié)的雙饋風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)Fig.4 Doubly-fed wind power generation control system considering frequency regulation link

圖5 頻率調(diào)節(jié)模塊Fig.5 Frequency regulation model

頻率調(diào)節(jié)模塊作用是傳遞頻率調(diào)節(jié)的功率信號(hào)，其輸出的功率信號(hào)為

式中:δ為調(diào)差系數(shù);Δf'm為通過濾波器的頻率偏移量。低通濾波器濾除高頻噪音信號(hào)，Washout濾波器消除穩(wěn)態(tài)信號(hào)的影響，只對動(dòng)態(tài)頻率變化響應(yīng)。

轉(zhuǎn)速保護(hù)模塊防止轉(zhuǎn)速超越安全運(yùn)行范圍極限時(shí)對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)造成破壞，若該模塊輸出P*f=0，則退出頻率調(diào)節(jié)。

轉(zhuǎn)速恢復(fù)模塊的作用是使轉(zhuǎn)速更快地恢復(fù)到最佳運(yùn)行狀態(tài)，該模塊采用PI控制器調(diào)節(jié)，其輸出為

圖6為考慮風(fēng)電參與調(diào)頻時(shí)的調(diào)頻模型。PP

式中，D為系統(tǒng)阻尼。為常規(guī)機(jī)組調(diào)頻控制的有功信號(hào);PG為常規(guī)機(jī)組輸出的有功功率;為風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻控制的有功功率;Pg為負(fù)荷為風(fēng)電系統(tǒng)輸出的有功功率;Pcf為風(fēng)電機(jī)組與常規(guī)機(jī)組調(diào)頻功率協(xié)調(diào)信號(hào);PT為互聯(lián)電網(wǎng)輸送的有功功率。穩(wěn)態(tài)下，有功功率滿足

當(dāng)式(19)不成立時(shí)，頻差Δf不為零，迫使各機(jī)組通過調(diào)速系統(tǒng)改變原動(dòng)機(jī)的出力，轉(zhuǎn)子釋放或吸收部分旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，使電網(wǎng)頻率穩(wěn)定在允許范圍之內(nèi)，本文不考慮常規(guī)機(jī)組的頻率調(diào)節(jié)，因此忽略PG，PT。

由圖6得到PA與Δf的關(guān)系，即

圖6 電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)模型Fig.6 Regulation frequency model of power system

由圖5可知，由風(fēng)電機(jī)組頻率控制得到的有功功率為

若系統(tǒng)滿足式(19)，Δf為零，若負(fù)荷突變 (可看做擾動(dòng))，式(19)不成立，Δf不為零。

3 功率控制策略

風(fēng)速vm在［4 m/s，12 m/s］范圍內(nèi)變化時(shí)，槳距角維持為零，λ保持最佳值λopt，Cp有最大值Cpmax。最佳功率追蹤控制(maximum power point tracking，MPPT)的目的就是按風(fēng)速變化及時(shí)調(diào)整風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速，使λ始終維持在λopt。風(fēng)輪機(jī)最優(yōu)功率Pm－opt僅取決于其轉(zhuǎn)速，即

式中:kt=0.5ρπr5Cpmax/λopt3。本文采用基于葉尖速比控制策略，其基本思想是維持λ為最佳值λopt，控制方法原理簡單，通過一個(gè)PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)，如圖7所示。

圖7 葉尖速率比控制原理Fig.7 Tip speed ratio control

風(fēng)速 vm在［12 m/s，25 m/s］范圍內(nèi)變化時(shí)，變槳距角恒功率控制，濾除多余的風(fēng)能，使風(fēng)輪機(jī)輸出功率恒定。變槳距角控制結(jié)構(gòu)如圖8所示［19］。圖8中，Pmax為風(fēng)輪機(jī)輸出機(jī)械功率最大值;βmax和 βmin分別為槳距角的最大值和最小值。

圖8 槳距角控制系統(tǒng)Fig.8 Pitch angle control system

由圖8可得槳距角控制方程為

式中:βref為槳距角參考值;Tβ為槳距角機(jī)構(gòu)時(shí)間常

式中:Kω，Tω分別為控制器比例、積分時(shí)間常數(shù);Pref為功率參考值?？闪罘e分環(huán)節(jié)Φ =∫(Pref－Pm)dt。

4 系統(tǒng)的小信號(hào)線性化模型

根據(jù)第2節(jié)和第3節(jié)的分析，式(7)、式(9)、式(10)、式(11)、式(12)、式(13)、式(15)、式(23)和式(26)構(gòu)成了風(fēng)電系統(tǒng)參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)時(shí)的模型。將上述方程取增量形式，整理后，用矩陣形式表示，額定風(fēng)速以上，有

額定風(fēng)速以下，MPPT控制，不用考慮式(28)中的槳距角控制方程可得

5 風(fēng)速變化時(shí)的小擾動(dòng)分析

在潮流計(jì)算求穩(wěn)態(tài)值時(shí)，為了簡化分析，做以下假設(shè):忽略變換器自身及系統(tǒng)其他損耗;假定雙饋電機(jī)定子磁鏈與d軸方向一致，且忽略定子電阻的影響，則定子磁鏈 d分量 ψsd=ψs，ψs為定子磁鏈，定子磁鏈 q 分量 ψsq=0，Usd=0，Usq=Us，Us為定子電壓;直流電壓恒定不變。額定風(fēng)速以下，系統(tǒng)的特征值變化情況如表1所示(均采用實(shí)名制計(jì)算)。表1數(shù)據(jù)表明，當(dāng)風(fēng)速在額定風(fēng)速以下變化時(shí)，系統(tǒng)能保持小擾動(dòng)穩(wěn)定。

風(fēng)速 vm在［12 m/s，25 m/s］范圍內(nèi)變化時(shí)，風(fēng)輪機(jī)輸出功率隨風(fēng)速的增長將達(dá)到極限值，為確保安全穩(wěn)定運(yùn)行，調(diào)節(jié)槳距角恒功率控制。特征值變化情況如表2和表3所示，數(shù)據(jù)表明在額定風(fēng)速以上，系統(tǒng)也具有良好的穩(wěn)定性。

表2 風(fēng)速在額定風(fēng)速以上變化時(shí)系統(tǒng)特征值的變化1Table 2 System eigenvalues variation 1 when wind speed changed above rated wind speed

表3 風(fēng)速在額定風(fēng)速以上變化時(shí)系統(tǒng)特征值的變化2Table 3 System eigenvalues variation 2 when wind speed changed above rated wind speed

6 仿真研究

分析風(fēng)速在3.5～26 m/s范圍內(nèi)變化時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，仿真時(shí)間設(shè)為5.5 s，系統(tǒng)功率基值為2 MW，電壓基值為690 V，轉(zhuǎn)速基值為173 rad/s，仿真時(shí)功率、電壓、電流、轉(zhuǎn)速均以標(biāo)幺值表示。初始風(fēng)速設(shè)為3.5 m/s，在3.2 s時(shí)突增1 MW有功負(fù)荷。全風(fēng)速下，輸出功率可有效調(diào)節(jié)，兩種控制方式切換時(shí)能保持良好的小擾動(dòng)穩(wěn)定;負(fù)荷突變，風(fēng)電機(jī)組能參與頻率調(diào)節(jié)以改善電網(wǎng)的頻率特性，雙饋風(fēng)電仿真系統(tǒng)如圖9所示。

圖9 雙饋風(fēng)電仿真系統(tǒng)Fig.9 Doubly-fed wind power simulation system

風(fēng)速變化如圖10所示，t=0.58 s，達(dá)到切入風(fēng)速4 m/s時(shí)，風(fēng)輪機(jī)啟動(dòng)。在MPPT控制策略下，風(fēng)輪機(jī)輸出功率、雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩隨風(fēng)速增加，如圖11～圖13所示;Cp、λ保持在最大值和最佳值以獲得最大輸出功率，如圖14、圖15所示;雙饋風(fēng)電系統(tǒng)及雙饋電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子輸出功率也隨風(fēng)速增大，如圖16～圖18所示，轉(zhuǎn)子電流變化如圖19所示。t=2.26 s，達(dá)到額定風(fēng)速12 m/s時(shí)，采用恒功率控制。在槳距角控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下，λ、β及Cp隨風(fēng)速變化，如圖20～圖22所示;直流電壓為1 200 V基本恒定，如圖23所示，雙饋電機(jī)定子電壓、電流變化如圖24、圖25所示，從圖中可知額定風(fēng)速以上風(fēng)電系統(tǒng)及電機(jī)定轉(zhuǎn)子輸出功率、定轉(zhuǎn)子電流基本維持不變。t=5 s，達(dá)到切除風(fēng)速時(shí)，風(fēng)輪機(jī)停機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩、風(fēng)輪機(jī)輸出功率和雙饋電機(jī)輸出功率、直流電壓、定轉(zhuǎn)子側(cè)電流為零;t=3.2 s時(shí)，負(fù)荷突變，風(fēng)電參與調(diào)頻后，系統(tǒng)頻率變化更小，如圖26～圖28所示。

圖10 風(fēng)速的變化Fig.10 Wind speed variation

圖11 風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械功率Fig.11 Wind turbine output mechanical power

圖12 雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)速變化Fig.12 DFIG motor speed variation

圖13 雙饋電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩Fig.13 DFIG motor electromagnetic torque

圖14 額定風(fēng)速以下的葉尖速比Fig.14 Tip speed ratio under rated wind speed

圖15 額定風(fēng)速以下Cp的變化Fig.15 Cpvariation under rated wind speed

圖16 雙饋風(fēng)電系統(tǒng)向電網(wǎng)輸送的功率Fig.16 DIFG wind power system output power to grid

圖17 雙饋電機(jī)定子輸出的功率Fig.17 DFIG stator output power

圖18 雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子輸出的功率Fig.18 DFIG rotor output power

圖19 雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子電流d，q分量Fig.19 DFIG rotor current d，q components

圖20 額定風(fēng)速以上的葉尖速比Fig.20 Tip speed ratio above rated wind speed

圖21 額定風(fēng)速以上槳距角的變化Fig.21 Pitch angle variation above rated wind speed

圖22 額定風(fēng)速以上Cp的變化Fig.22 Cpvariation above rated wind speed

圖23 直流電壓Fig.23 Direct voltage

圖24 雙饋電機(jī)定子電壓d，q分量Fig.24 DFIG stator voltage d，q components

圖25 雙饋電機(jī)定子電流d，q分量Fig.25 DFIG stator current d，q components

圖26 未加頻率控制環(huán)節(jié)負(fù)荷不變系統(tǒng)的頻率Fig.26 System frequency under no frequencycontrol link when load keep constant

圖27 未加頻率控制環(huán)節(jié)突增負(fù)荷系統(tǒng)的頻率Fig.27 System frequency under no frequency control link when increase load

圖28 加頻率控制環(huán)節(jié)突增負(fù)荷系統(tǒng)的頻率Fig.28 System frequency of adding frequency control link when increase load

7 結(jié)語

風(fēng)電機(jī)組參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)，與常規(guī)機(jī)組不同，風(fēng)電系統(tǒng)無法改變原動(dòng)機(jī)的出力，是通過控制與電機(jī)相連的變換器來實(shí)現(xiàn)的。額定風(fēng)速以下，采用最大功率追蹤控制;額定風(fēng)速以上，采用恒功率控制，在較大的風(fēng)速變化范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)和控制，并保持小擾動(dòng)穩(wěn)定性，兩種控制策略切換過程中，對系統(tǒng)的沖擊小，具有很好的穩(wěn)定性;增加頻率輔助調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)后風(fēng)電能參與電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)，較好地改善頻率特性，時(shí)域仿真很好地驗(yàn)證了理論分析的正確性，所設(shè)計(jì)的控制方案達(dá)到了要求，為風(fēng)電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定地并網(wǎng)運(yùn)行提供一些可借鑒的理論依據(jù)和分析方法。

［1］ 劉其輝，賀益康，張建華.并網(wǎng)型交流勵(lì)磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26(23):109 －115.

LIU Qihui，HE Yikang，ZHANG Jianhua.Investigation of control for AC-exited VSCF wind power generation system connected to grid［J］.Proceedings of the CSEE，2006，26(23):109 －115.

［2］ 曹軍，王虹富，邱家駒.變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組頻率控制策略［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，33(13):78 －82.

CAO Jun，WANG Hongfu，QIU Jiaju.Frequency control strategy of vaiable speed constant frequency doubly-fed induction generator wind turbines［J］.Automation of Electric Power Systems，2009，33(13):78－82.

［3］ 馬袆煒，俞俊杰，吳國祥.雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤控制策略［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，24(4):202 －208.

MA Yiwei，YU Junjie，WU Guoxiang.MPPT control strategy for doubly-fed wind power generation［J］.Transactions of China Electrotechincal Society，2009，24(4):202 －208.

［4］ 王琦，陳小虎，紀(jì)延超.基于雙同步坐標(biāo)的無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大風(fēng)能追蹤控制［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2007，31(3):83 －90.

WANG Qi，CHEN Xiaohu，JI Yanchao.Maximal wind energy tracing control for brushless doubly fed wind turbine based on dual synchronous coordinates［J］.Power System Techology，2007，31(3):83 －90.

［5］ 肖如晶，楊向宇，曹江華.雙轉(zhuǎn)子永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大功率跟蹤控制［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2011，15(7):33 －39.

XIAO Rujing，YANG Xiangyu，CAO Jianghua.Maximum power tracking control of dual·rotor permanent magnet synchronous wind power generator［J］.Electric Machines and Control，2011，15(7):33－39.

［6］ 吳國祥，黃建明，陳國呈.變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電運(yùn)行綜合控

制策略［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2008，12(4):435 －443.

WU Guoxian，HUANG Jianming，CHEN Guochen.A synthetic control strategy for DFIG wind power generation［J］.Electric Machines and Control，2008，12(4):435 － 443.

［7］ 徐大平，肖運(yùn)啟，秦濤.變槳距型雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)控制及建模仿真［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(6):100 －108.

XU Daping，XIAO Yunqi，QIN Tao.Cutting-in control of varible pitch doubly fed wind power generation system and its modeling and simulation［J］.Power System Technology，2008，32(6):100 －108.

［8］ 肖運(yùn)啟.雙饋風(fēng)電機(jī)組線性建模及特性分析［J］.電機(jī)控制與應(yīng)用，2010，37(5):7－13.

XIAO Yunqi.DFIG linear modeling and chatacteristic analyzing［J］.Electric Machines ＆ Control Application，2010，37(5):7－13.

［9］ 李晶，宋家驊，王偉勝.大型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組建模與仿真［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004，24(6):100 －105.

LI Jing，SONG Jiahua，WANG Weisheng.Modeling and dynamic simulation of varaible speed wind turbine with large capacity［J］.Proceedings of the CSEE，2004，24(6):100 －105.

［10］ LEI Yaozhou，GORDON A M.Modeling of the wind turbine with a doubly fed induction generation for grid integration studies［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion，2006，21(1):257－264.

［11］ 洪敏，李興源.雙饋風(fēng)力發(fā)電的小信號(hào)穩(wěn)定性分析及其控制研究［J］.繼電器，2007，35(14):1 －7.

HONG Min，LI Xingyuan.Analysis of small signal stability and control strategy of the grid integrated wind plant based on DFIG［J］.Relay，2007，35(14):1 －7.

［12］ LI Hongmei，YI Dai.Small signal stability analysis of grid connected doubly fed induction generator under decoupled P-Q control［C］//Asia-Pacific Power and Energy Engineering Confer ernce，2009，March 27 －31，2009，Wuhan，China.2009:4918772.

［13］ YATEENDRA M，MISHRA S，LI Fangxing.Small signal stability analysis of a DFIG based wind power system under different modes of operation［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion，2009，24(4):972 －982.

［14］ LI Shanying，SUN Yu，WU Tao，et al.Analysis of small stability of grid connected doubly fed induction generators［C］//IEEE A-sia-Pacific Power and Energy Engineering Conferernce，March 28－31，2010，Chengdu，China.2010:5448420.

［15］ JORGE M，PHILIP C，REMUS T.DFIG turbine representation for small signal voltage control studies［C］//IEEE the 12th International Conference on Optimization of Electrical and Electronic E-quipment，May 20 －22，2010，Brasov，Romania.2010:31 －40.

［16］ FRANCOISE M，BIKASH C.Modelling and small signal analysis of a grid connected doubly fed induction generator［C］//IEEE Power Engineering Society General Meeting，June 12 －16，2005，San Francisco，USA.2005:2101 －2108.

［17］ WANG Chen，SHI Libao，WANG Liming，et al.Small signal stability analysis considering grid connected wind farms of DFIG type［C］//IEEE Power Engineering Society General Meeting，June 18 －22，2008，Pittsburg，USA.2008:4596207.

［18］ 馮學(xué)敏，林禮清，溫步瀛.雙饋風(fēng)電機(jī)組參與系統(tǒng)輔助頻率控制的仿真［J］.電力與電工，2009，29(3):9 －15.

FENG Xuemin，LIN Liqing，WEN Buying.Simulation of double －fed wind generator participating in auxilliary frequency control［J］.Electric Power and Electrical Engineering，2009，29(3):9 －15.

［19］ JUAN M M，ALEJANDRO M.Freuency regulation contribution through variable speed wind energy conversion systems［J］.IEEE Transactions on Power Systems，2009，24(1):173 －180.

［20］ JANAKA E，NICK J.Comparison of the response of doubly fed and fixed-speed induction generator wind turbines to changes in network frequency［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion，2004，19(4):800 －803.

［21］ ROGERIO G，PECAS L.Participation of doubly fed induction wind generation in system frequency regulation［J］.IEEE Transactions on Power System，2007，22(3):944 －950.

［22］ 肖勁松，倪維斗.大型風(fēng)力發(fā)機(jī)組的建模與仿真［J］.太陽能學(xué)報(bào)，1997，18(2):117 －127.

XIAO Jinsong，NI Weidou.Modeling and suimulation of large pitch regulation wind trubine system［J］.Acta Energiae Solaris Sinica，1997，18(2):117 －127.

(編輯:于雙)

Small signal stability analysis of doubly-fed wind power system participated in frequency regulation

LI Jun-jun， LI Sheng-qing， KUANG Hong-hai
(College of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou 412007，China)

Aiming at wind power system effects on power system，a small signal stability analysis mathematical model of doubly-fed wind power system considering adjust frequency is established.Power control scheme was researched according to wind speed variation:under rated wind speed，wind power system was controlled by maximum power point tracking scheme，and maximum output power was realized;above rated wind speed，constant power control method was applied，which ensures safe and stable system operation.Eigenvalues variation with wind speed change was analyzed considering load dynamic model;time domain simulation was performed after model was built by Matlab.Theory analysis and simulation show output power can be controlled and system keeps good small signal stability in full wind speed condition;wind power system participates in grid frequency regulation in a certain extent after frequency regulation link is added，which effectively improves grid frequency characteristics.Simulation results verify scheme feasibility and availability.

frequency regulation;doubly-fed wind power generation;small signal;maximum power point tracking;load dynamic model

TM 74

A

1007－449X(2012)08－0001－10

2011－11－11

國家自然科學(xué)基金(51077046)

李軍軍(1976—)，男，博士，講師，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電及其穩(wěn)定性;

李圣清(1966—)，男，博士，教授，研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量分析;

匡洪海(1972—)，女，博士研究生，副教授，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)控制。

李軍軍