一種雙饋風(fēng)電機(jī)組頻率控制器

田新首, 遲永寧，湯海雁，李庚銀

(1. 華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京102206; 2. 中國電力科學(xué)研究院，北京100192)

?

一種雙饋風(fēng)電機(jī)組頻率控制器

田新首1，2, 遲永寧2，湯海雁2，李庚銀1

(1. 華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京102206; 2. 中國電力科學(xué)研究院，北京100192)

摘要：雙饋風(fēng)電機(jī)組的解耦控制使輸出的有功功率無法響應(yīng)電網(wǎng)頻率的變化，其最大功率跟蹤控制也無法為電網(wǎng)提供備用功率，使風(fēng)電機(jī)組難以為系統(tǒng)調(diào)頻提供持續(xù)的有功功率支撐。為此，提出一種基于運(yùn)行工況差異性的減載運(yùn)行方案，高出力時(shí)通過變槳控制、低出力時(shí)通過變速和變槳協(xié)調(diào)控制來實(shí)現(xiàn)有功功率備用。引入機(jī)組參與因子的概念，并應(yīng)用于頻率控制器的設(shè)計(jì)中，該控制器以易于準(zhǔn)確測(cè)量的機(jī)組電磁功率、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、槳距角和系統(tǒng)頻率為觀測(cè)對(duì)象，實(shí)時(shí)參與系統(tǒng)的頻率控制過程。理論與仿真分析表明，該頻率控制器能夠保證機(jī)組全工況參與調(diào)頻過程，有效提高了風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：雙饋風(fēng)電機(jī)組；虛擬備用；最優(yōu)動(dòng)能；參與因子；頻率控制器

隨著風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量及風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的不斷提高，風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)中所占比重逐漸增高，風(fēng)電場(chǎng)隨機(jī)功率對(duì)接入電網(wǎng)的沖擊給電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來許多不穩(wěn)定因素[1-2]。雙饋風(fēng)電機(jī)組作為目前商業(yè)化的主力機(jī)型，采用了變頻器控制而使風(fēng)機(jī)有功出力與系統(tǒng)頻率解耦，使其失去了對(duì)電網(wǎng)頻率的快速有效響應(yīng)。為了獲得最大的風(fēng)能利用率，雙饋風(fēng)電機(jī)組通常運(yùn)行在最大功率跟蹤控制狀態(tài)，無法為電力系統(tǒng)提供有功功率備用，更增加了系統(tǒng)的調(diào)頻壓力。

圍繞著大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性問題，學(xué)術(shù)界開展了大量的研究工作。目前，針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)頻率動(dòng)態(tài)特性的影響及頻率控制的研究主要集中在2個(gè)方面：一是利用風(fēng)電機(jī)組自身的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能[3-6]參與系統(tǒng)調(diào)頻，此方法的缺點(diǎn)是低風(fēng)速時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較低，調(diào)頻能力有限，且頻率控制過程中轉(zhuǎn)速下降造成風(fēng)功率捕獲能力下降，會(huì)引起二次頻率沖擊；二是采用有功功率備用技術(shù)[7]。對(duì)于雙饋風(fēng)電機(jī)組采用功率備用方法參與系統(tǒng)調(diào)頻，目前主要通過超速運(yùn)行控制、變槳控制來實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[8-13]分析了雙饋風(fēng)電機(jī)組參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的原理，給出了基于最優(yōu)轉(zhuǎn)速的機(jī)組減載運(yùn)行方案，但在機(jī)組高出力情況下未考慮機(jī)組超發(fā)功率的能力，且并未給出機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)對(duì)機(jī)組參與頻率控制的影響。文獻(xiàn)[14-20]基于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和風(fēng)速的特點(diǎn)，劃分不同的風(fēng)速區(qū)間，在低風(fēng)速區(qū)采用超速法，高風(fēng)速區(qū)采用變槳法，但一次調(diào)頻控制器的設(shè)計(jì)以風(fēng)速信號(hào)作為控制模式切換的依據(jù)，由于機(jī)組葉片及尾流效應(yīng)的影響，風(fēng)速在實(shí)際運(yùn)行中難以準(zhǔn)確測(cè)量，影響機(jī)組頻率控制的準(zhǔn)確度。另外，目前設(shè)計(jì)的減載運(yùn)行方案普遍缺乏對(duì)超速法與變槳法切換過程的穩(wěn)定性研究，影響機(jī)組頻率控制穩(wěn)定性。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以雙饋風(fēng)電機(jī)組為研究對(duì)象，結(jié)合文獻(xiàn)[6]對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組不同運(yùn)行工況下的調(diào)頻能力進(jìn)行研究，提出一種實(shí)用的頻率控制器，以易于準(zhǔn)確測(cè)量的機(jī)組電磁功率、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、槳距角和系統(tǒng)頻率為觀測(cè)對(duì)象。槳距角控制在全功率輸出下參與機(jī)組的減載運(yùn)行和系統(tǒng)的頻率控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)組全工況的穩(wěn)定運(yùn)行。風(fēng)電機(jī)組通過在高出力下優(yōu)先虛擬備用，中出力與低出力下基于機(jī)組最優(yōu)動(dòng)能實(shí)現(xiàn)有功備用，引入機(jī)組參與系統(tǒng)頻率控制的參與因子和系統(tǒng)頻率變化信號(hào)實(shí)現(xiàn)機(jī)組的頻率控制。仿真結(jié)果表明，當(dāng)系統(tǒng)頻率變化時(shí)，該雙饋風(fēng)電機(jī)組頻率控制器能夠提供持續(xù)的有功功率支撐，提高了電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。

1雙饋風(fēng)電機(jī)組減載運(yùn)行方案

1.1減載運(yùn)行算法

雙饋風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行在最大功率跟蹤狀態(tài)，捕獲的機(jī)械功率

(1)

式中：ρ為空氣密度；A為葉片掃過的面積；veq為風(fēng)速；Cp(β,λ)為風(fēng)機(jī)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率，是槳距角β與葉尖速比λ的函數(shù)。

給定的槳距角β與葉尖速比λ，則風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率[6]

(2)

其中：

(3)

(4)

式中：R為風(fēng)力機(jī)葉片半徑，ω為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

圖1　雙饋風(fēng)電機(jī)組功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

為使風(fēng)電機(jī)組在系統(tǒng)功率出現(xiàn)缺額、系統(tǒng)頻率下降時(shí)能夠提供持續(xù)的有功功率支撐，通過設(shè)計(jì)減載方案使雙饋風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)留取部分備用功率。在滿足系統(tǒng)調(diào)頻要求的基礎(chǔ)上，需要考慮發(fā)電機(jī)、變流器的容量限制和軸系疲勞累積等因素的制約。本文忽略調(diào)頻過程因轉(zhuǎn)矩變化對(duì)機(jī)組軸系等的影響，假設(shè)機(jī)組滿足最大出力的動(dòng)態(tài)要求。基于雙饋風(fēng)電機(jī)組在不同出力情況下的運(yùn)行特性，設(shè)計(jì)了一種減載運(yùn)行方案，如圖2所示。

k—機(jī)組備用容量百分比，取值范圍0～100%；PE—機(jī)組輸出電磁功率；—次最優(yōu)風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率；—高出力時(shí)最優(yōu)功率；—次最優(yōu)功率；PN—額定功率，標(biāo)幺值取1；—高出力、槳距角不為零時(shí)可實(shí)現(xiàn)的虛擬備用容量。圖2　雙饋風(fēng)電機(jī)組減載運(yùn)行實(shí)施方案

1.2減載運(yùn)行曲線

由雙饋風(fēng)電機(jī)組減載運(yùn)行實(shí)施方案可得雙饋風(fēng)電機(jī)組減載運(yùn)行曲線，并與最大功率跟蹤控制運(yùn)行曲線和優(yōu)先采用超速法留取備用容量運(yùn)行曲線作比較，如圖3所示。

曲線1—本文算法下的減載運(yùn)行曲線，曲線2—采用優(yōu)先超速法的減載運(yùn)行曲線，曲線3—最大功率跟蹤控制運(yùn)行曲線。圖3　雙饋風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行曲線比較

由圖3可知：在相同風(fēng)速下，采用功率備用方法時(shí)風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組參與系統(tǒng)調(diào)頻時(shí)可以提供持續(xù)的有功功率支撐。在相同的功率備用要求下，本文算法下的減載運(yùn)行方案動(dòng)能增加量更大，有利于風(fēng)電機(jī)組參與系統(tǒng)調(diào)頻。假設(shè)風(fēng)速veq=8m/s，采用最大功率跟蹤控制時(shí)機(jī)組運(yùn)行于E點(diǎn)，采用優(yōu)先超速法時(shí)機(jī)組運(yùn)行于F點(diǎn)，采用本文方法留備用時(shí)機(jī)組運(yùn)行于G點(diǎn)。3種不同控制方法可釋放的動(dòng)能分別為：

(5)

式中：ΔEE、ΔEF、ΔEG分別為運(yùn)行于E點(diǎn)、F點(diǎn)、G點(diǎn)的可釋放動(dòng)能；JD為機(jī)組總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ωE、ωF、ωG分別為運(yùn)行于E點(diǎn)、F點(diǎn)、G點(diǎn)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，取標(biāo)幺值。

由式(5)可以看出，G點(diǎn)可釋放的動(dòng)能最大，對(duì)風(fēng)電機(jī)組參與系統(tǒng)調(diào)頻最有利。

1.3減載運(yùn)行穩(wěn)定性

由雙饋風(fēng)電機(jī)組減載運(yùn)行實(shí)施方案和運(yùn)行曲線，得相應(yīng)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率Cp的變化過程，并與最大功率跟蹤控制、優(yōu)先超速法的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率變化過程作比較，如圖4所示。

曲線1—本文算法留備用方法，曲線2—低風(fēng)速下采用優(yōu)先超速法留備用方法，曲線3—無備用運(yùn)行方法。圖4　Cp與β、λ的關(guān)系

在圖4中，對(duì)于曲線1(ABCDE)，A點(diǎn)為切入風(fēng)速，隨風(fēng)速的增加葉尖速比λ減小，槳距角β先增加后減小，風(fēng)速變化過程中槳距角β與葉尖速比λ保持連續(xù)變化，且葉尖速比λ最大，保證了風(fēng)速變化過程中轉(zhuǎn)速控制與槳距角控制的穩(wěn)定；對(duì)于曲線2，由于采用優(yōu)先調(diào)速法，只有在調(diào)速法無法實(shí)現(xiàn)備用容量時(shí)才投入變槳控制，使得風(fēng)速變化時(shí)僅葉尖速比λ是連續(xù)變化的，控制切入點(diǎn)處槳距角有突變，影響機(jī)組的穩(wěn)定性；對(duì)于曲線3，同樣可保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，但其以最大風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率為控制目標(biāo)，正常運(yùn)行時(shí)無備用功率。

2雙饋風(fēng)電機(jī)組實(shí)用頻率控制器設(shè)計(jì)

在當(dāng)前運(yùn)行條件下，雙饋風(fēng)電機(jī)組參與系統(tǒng)調(diào)頻的能力可通過參與因子來衡量[6]。參與因子的表達(dá)式為

式中：μ1為反映機(jī)組功率備用狀態(tài)的一次調(diào)頻參與因子，μ2為反映機(jī)組動(dòng)能的慣量參與因子。

結(jié)合雙饋風(fēng)電機(jī)組的控制特性和減載運(yùn)行方案，引入機(jī)組參與系統(tǒng)頻率控制參與因子μ，設(shè)計(jì)雙饋風(fēng)電機(jī)組實(shí)用頻率控制器，輸入量采用工程實(shí)際中易于測(cè)量的電磁功率PE、風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω和電網(wǎng)頻率f，輸出量為下達(dá)給被控對(duì)象轉(zhuǎn)子側(cè)控制器的功率參考值Pref和槳距角參考值βref。設(shè)計(jì)框圖如圖5所示。

PI—比例積分，proportional plus integral的縮寫；ωref—轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速實(shí)際給定值；βref0—槳距角的實(shí)際給定值。圖5　雙饋風(fēng)電機(jī)組頻率控制器

圖5的頻率控制器由4個(gè)主要控制模塊組成：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速參考值給定模塊(模塊1)、槳距角參考值給定模塊(模塊2)、附加有功快速給定模塊(模塊3)、轉(zhuǎn)速保護(hù)模塊(模塊4)。

2.1減載運(yùn)行

模塊1與模塊2采用減載方案實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)電機(jī)組的減載運(yùn)行。當(dāng)備用容量百分比k給定后，由雙饋風(fēng)電機(jī)組減載運(yùn)行實(shí)施方案得到雙饋風(fēng)電機(jī)組的減載運(yùn)行曲線。

模塊1通過計(jì)算得到風(fēng)電機(jī)組有功功率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系，高出力時(shí)給定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為最大值，中出力和低出力時(shí)按有功功率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的減載運(yùn)行。模塊2通過計(jì)算得到風(fēng)電機(jī)組有功功率與槳距角的函數(shù)關(guān)系，在高出力初始槳距角不為零時(shí)，通過槳距角進(jìn)行控制并考慮風(fēng)電機(jī)組自身的功率穿透能力，利用虛擬備用實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的減載運(yùn)行；在高出力初始槳距角為零時(shí)，通過槳距角控制實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的減載運(yùn)行；中出力和低出力時(shí)，通過槳距角控制配合模塊1的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的減載運(yùn)行。模塊1與模塊2協(xié)調(diào)控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和槳距角，確定風(fēng)電機(jī)組的減載運(yùn)行點(diǎn)。

2.2頻率控制

2.2.1模塊1

當(dāng)系統(tǒng)頻率波動(dòng)時(shí)，在高出力下，保持轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速給定為最大值不變；在中出力與低出力下，根據(jù)系統(tǒng)頻率變化與機(jī)組一次調(diào)頻參與因子，采用變參數(shù)更改運(yùn)行曲線的方法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的控制。其表達(dá)式為：

式中：ω0為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的初始值，ω1為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的目標(biāo)值，b為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速給定變化率，K1為比例因數(shù)，K2為積分因數(shù)，t為時(shí)間。

2.2.2模塊2

當(dāng)系統(tǒng)頻率波動(dòng)時(shí)，在高出力下，根據(jù)系統(tǒng)頻率變化與機(jī)組一次調(diào)頻參與因子，采用變參數(shù)更改功率與槳距角對(duì)應(yīng)關(guān)系的方法對(duì)槳距角進(jìn)行控制，并利用虛擬備用的方法實(shí)現(xiàn)機(jī)組的頻率控制；在中出力與低出力下，配合轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制，根據(jù)系統(tǒng)頻率變化與機(jī)組一次調(diào)頻參與因子，采用變參數(shù)更改功率與槳距角對(duì)應(yīng)關(guān)系的方法對(duì)槳距角進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的頻率控制。其表達(dá)式為：

式中：β0為槳距角初始值，β1為槳距角目標(biāo)值，c為槳距角給定變化率。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與槳距角初始值為本文減載方案對(duì)應(yīng)的給定值，目標(biāo)值為最大功率跟蹤控制對(duì)應(yīng)的給定值。

2.2.3模塊3

類似于虛擬慣量控制，并引入慣量參與因子的影響，功能是利用存儲(chǔ)在旋轉(zhuǎn)質(zhì)塊中的動(dòng)能快速參與系統(tǒng)調(diào)頻。其表達(dá)式為

式中：ΔPf為附加有功功率給定值，K3為微分因數(shù)。2.2.4模塊4

由于調(diào)頻過程往往伴隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的下降，控制過程中需考慮風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速約束，在頻率控制器中加入模塊4，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速過低時(shí)閉鎖模塊3，以免風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速越限。

3算例分析

為驗(yàn)證本文所提頻率控制策略的有效性，利用DIgSILENT/PowerFactory仿真軟件建立“3機(jī)10節(jié)點(diǎn)”算例系統(tǒng)，如圖6所示。該系統(tǒng)的負(fù)荷包括320 MW不變負(fù)荷和30 MW沖擊負(fù)荷，電源包括一個(gè)由45臺(tái)2 MW雙饋風(fēng)電機(jī)組組成的風(fēng)電場(chǎng)、火電機(jī)組G1和G2，各電廠的同步機(jī)組模型包括原動(dòng)機(jī)和調(diào)速系統(tǒng)模型，機(jī)組及電力系統(tǒng)的模型和參數(shù)均采用典型值，風(fēng)電滲透率約25%。

圖6　仿真系統(tǒng)

分別在不同出力模式下采用不同的風(fēng)電機(jī)組控制方案進(jìn)行仿真分析，出力模式分別為高出力、中出力和低出力，控制方案分別為風(fēng)電機(jī)組不參與系統(tǒng)調(diào)頻、風(fēng)電機(jī)組采用本文所提頻率控制技術(shù)參與系統(tǒng)調(diào)頻。備用容量百分比k取0.1，系統(tǒng)元件參數(shù)相同，仿真事件為5 s時(shí)30 MW的沖擊負(fù)荷突然投入運(yùn)行，導(dǎo)致系統(tǒng)頻率降低。

3.1高出力時(shí)頻率響應(yīng)特性

圖7為風(fēng)電機(jī)組高出力工況下的頻率響應(yīng)特性。

圖7　高出力時(shí)調(diào)頻過程

由圖7可以看出：高出力工況下，雙饋風(fēng)電機(jī)組不參與系統(tǒng)調(diào)頻時(shí)，系統(tǒng)頻率最低值為48.4 Hz，機(jī)組有功出力基本不變；雙饋風(fēng)電機(jī)組采用本文設(shè)計(jì)的頻率控制器時(shí)，系統(tǒng)頻率最低值為48.9 Hz，機(jī)組有功出力增加9 MW。因此，在高出力工況下，當(dāng)系統(tǒng)頻率擾動(dòng)時(shí)，采用本文設(shè)計(jì)的頻率控制器可使系統(tǒng)頻率下降減少0.5 Hz。

3.2中出力時(shí)頻率響應(yīng)特性

圖8為風(fēng)電機(jī)組中出力工況下的頻率響應(yīng)特性。

圖8　中出力時(shí)調(diào)頻過程

由圖8可以看出：中出力工況下，雙饋風(fēng)電機(jī)組采用本文設(shè)計(jì)頻率控制器時(shí)，系統(tǒng)頻率最低值為49.2 Hz，機(jī)組有功出力增加5 MW；雙饋風(fēng)電機(jī)組不參與系統(tǒng)調(diào)頻時(shí)，系統(tǒng)頻率最低值為48.4 Hz，機(jī)組有功出力基本不變。因此，在機(jī)組中出力工況下，當(dāng)系統(tǒng)頻率擾動(dòng)時(shí)，采用本文設(shè)計(jì)的頻率控制器可使系統(tǒng)頻率下降減少0.8 Hz。

3.3低出力時(shí)頻率響應(yīng)特性

圖9為風(fēng)電機(jī)組低出力工況下的頻率響應(yīng)特性。

圖9　低出力時(shí)調(diào)頻過程

由圖9可以看出：在低出力工況下，雙饋風(fēng)電機(jī)組采用本文設(shè)計(jì)頻率控制器時(shí)，系統(tǒng)頻率最低值為49.1 Hz，機(jī)組有功出力增加3 MW；雙饋風(fēng)電機(jī)組不參與系統(tǒng)調(diào)頻時(shí)，系統(tǒng)頻率最低值為48.4 Hz，機(jī)組有功出力基本不變。因此，在機(jī)組低出力工況下，系統(tǒng)頻率擾動(dòng)時(shí)采用本文設(shè)計(jì)的頻率控制器可使系統(tǒng)頻率下降減少0.7 Hz。

3.4結(jié)果分析

由以上仿真對(duì)比分析可知，雙饋風(fēng)電機(jī)組無附加頻率控制時(shí)，電網(wǎng)頻率擾動(dòng)下系統(tǒng)頻率變化幅度較大；采用本文所提頻率控制器，在不同出力條件下均可對(duì)電網(wǎng)頻率擾動(dòng)提供差異化的持續(xù)有功功率支撐，對(duì)電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性有顯著提高。

4結(jié)論

通過理論研究和仿真分析，對(duì)本文所提的雙饋風(fēng)電機(jī)組頻率控制方案得出如下結(jié)論：

a)在機(jī)組高出力時(shí)，通過變槳控制來實(shí)現(xiàn)功率備用，機(jī)組中出力和低出力時(shí)通過變速與變槳協(xié)調(diào)控制來實(shí)現(xiàn)功率備用，相同備用功率要求下可獲得更大的動(dòng)能。

b)機(jī)組全風(fēng)速區(qū)參與調(diào)頻，有效提高了風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。

c)該控制策略同時(shí)協(xié)調(diào)虛擬慣量控制和一次調(diào)頻控制，兼顧機(jī)組參與頻率控制的快速性和有功支撐的持續(xù)性。以機(jī)組出力、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、槳距角和電網(wǎng)頻率為輸入量，在工程中均能夠準(zhǔn)確測(cè)量，易于工程化應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李軍軍, 吳政球. 風(fēng)電參與一次調(diào)頻的小擾動(dòng)穩(wěn)定性分析[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2011, 31(13): 1-9.

LI Junjun, WU Zhengqiu. Small Signal Stability Analysis of Wind Power Generation Participating in Primary Frequency Regulation[J]. Proceeding of the CSEE, 2011, 31(13): 1-9.

[2] 丁宇, 陳永華, 李雪明, 等. 大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)控制技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J]. 廣東電力, 2011, 24(5): 24-28，38.

DING Yu, CHEN Yonghua, LI Xueming, et al. Status Quo and Prospect on Control Technique for Large-scale Synchronization of Wind Power[J]. Guangdong Electric Power, 2011, 24(5): 24-28,38.

[3] 李和明, 張祥宇, 王毅，等. 基于功率跟蹤優(yōu)化的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組虛擬慣性控制技術(shù)[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2012, 32(7): 32-39.

LI Heming, ZHANG Xiangyu, WANG Yi, et al. Virtual Inertia Control of DFIG-based Wind Turbines Based on the Optimal Power Tracking[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(7): 32-39.

[4] 彭喜云, 劉瑞葉. 變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)輔助系統(tǒng)調(diào)頻的研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2011, 39(11): 56-61.

PENG Xiyun, LIU Ruiye. Research on the Frequency Regulation of Adding System of VSCF Double-fed Wind Generator[J]. Power System Protection and Control, 2011, 39(11): 56-61.

[5] ULLAH N R， THIRINGER T，KARLSSON D. Temporary Primary Frequency Control Support by Variable Speed Wind Turbines-potential and Applications[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2008, 23(2): 601-612.

[6] 田新首, 王偉勝, 遲永寧, 等. 基于雙饋風(fēng)電機(jī)組有效儲(chǔ)能的變參數(shù)虛擬慣量控制[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2015, 39(5): 20-26.

TIAN Xinshou, WANG Weisheng, CHI Yongning, et al. Variable Parameter Virtual Inertia Control Based on Effective Energy of DFIG-based Wind Turbines[J]. Automation of Electric Power Systems, 2015, 39(5): 20-26.

[7] DE ALMEIDA R G, PECAS J A. Participation of Doubly Fed Induction Wind Generators in System Frequency Regulation[J]. IEEE Trans. on Power Systems, 2007, 22(3): 944-950.

[8] TENINGE A, JECU C, ROYE D, et al. Contribution to Frequency Control Through Wind Turbine Inertial Energy Storage[J]. IET Renewable Power Generation, 2009,3(3): 358-370.

[9] JACOB A, ANDREW B, JASON L, et al. A Tutorial of Wind Turbine Control for Supporting Grid Frequency Through Active Power Control[C]//2012 American Control Conference, June 27-29, 2012,Fairmont Queen Elizabeth,montreal,Canada. Piscataway:IEEE,2012: 3120-3131.

[10] ZERTEK A, VERBIC G, PANTOS M. Optimised Control Approach for Frequency Control Contribution of Variable Speed Wind Turbines[J]. IET Renewable Power Generation, 2012, 6(1): 17-23.

[11] 李燦, 李超, 康正, 等. 含變速恒頻風(fēng)電場(chǎng)的電網(wǎng)頻率協(xié)調(diào)控制策略[J]. 電網(wǎng)與清潔能源, 2014, 30(7): 62-67.

LI Can, LI Chao, KANG Zheng, et al. Frequency Coordinated Control Strategy of Variable-Speed Constant-Frequency Wind Farms in Power Grids[J]. Power System and Clean Energy, 2014, 30(7): 62-67.

[12] 丁磊, 尹善耀, 王同曉, 等. 結(jié)合超速備用和模擬慣性的雙饋風(fēng)機(jī)頻率控制策[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2015, 39(9): 2385-2391.

DING Lei, YIN Shanyao, WANG Tongxiao, et al. Integrated Frequency Control Strategy of DFIGs Based on Virtual Inertia and Over-Speed Control[J]. Power System Technology, 2015, 39(9): 2385-2391.

[13] OWAID G I A, ELZAWAWI A, ELGAMMAL M. Improved Inertia and Frequency Support from Grid-connected DFIG Wind Farms[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2011,26(2):1-9.

[14] 張昭遂, 孫元章, 李國杰, 等. 超速與變槳協(xié)調(diào)的雙饋風(fēng)電機(jī)組頻率控制[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2011, 35(17): 20-25.

ZHANG Zhaosui, SUN Yuanzhang, LI Guojie, et al. Frequency Regulation by Doubly Fed Induction Generator Wind Turbines Based on Coordinated over Speed Control and Pitch Control[J]. Automation of Electric Power Systems, 2011, 35(17): 20-25.

[15] 曹張潔. 雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組參與系統(tǒng)一次調(diào)頻的控制策略研究[D]. 西安：西安交通大學(xué), 2012.

[16] MA H T, CHOWDHURY B H. Working Towards Frequency Regulation with Wind Plants: Combined Control Approaches[J]. IET Renewable Power Generation, 2010, 4(4): 308-316.

[17] 胡婷. 大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行頻率穩(wěn)定與控制策略研[D]. 北京：華北電力大學(xué), 2014.

[18] CHANG-CHIEN L R, LIN W T, YIN Y C. Enhancing Frequency Response Control by Dfigs in the High Wind Penetrated Power Systems[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2011, 26(2): 710-7l8.

[19] CHANG-CHIEN L R, YIN Y C. Strategies for Operating Wind Power in a Similar Manner of Conventional Power Plant[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2009, 24(4): 926-934.

[20] 吳子雙, 于繼來, 彭喜云. 高風(fēng)速段次優(yōu)功率追蹤方式的風(fēng)電調(diào)頻方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2013, 28(5): 112-119.

WU Zishuang, YU Jilai, PENG Xiyun. DFIG’s Frequency Regulation Method only for High Wind Speed with Suboptimal Power Tracking[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2013, 28(5): 112-119.

A Kind of Frequency Controller for Doubly-fed Induction Generators

TIAN Xinshou1,2, CHI Yongning2, TANG Haiyan2, LI Gengyin1

(1. School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China; 2.China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

Abstract：Decoupling control of double-fed induction generators (DFIG) may cause output active power being unable to respond to changes of power grid frequency and its maximum power point tracking (MPPT) control can not provide backup power for the power grid, which may make generators hard to provide continuous active power support for system frequency regulating. Therefore, this paper presents a kind of deloading running scheme based on diversities of different running conditions which is able to realize active power backup by adopting pitch control at the time of high output while variable speed control and pitch control at the time of low output. Concept of participation factor is introduced and applied in design on frequency controller. This controller takes electromagnetic power of the unit, rotor speed, pitch angle and system frequency which can be correctly measured as observation objects for participating in real-time frequency control. Theoretical and simulated analysis indicates that this frequency controller can ensure the unit participate in frequency regulation under all operating conditions and effectively improve frequency stability of the wind power grid-connected system.

Key words：doubly-fed induction generator (DFIG); virtual reserve; optimal kinetic energy; participation factor; frequency controller

收稿日期：2016-01-21修回日期：2016-04-08

基金項(xiàng)目：國家電網(wǎng)公司基礎(chǔ)性前瞻性科技項(xiàng)目(NYB17201400158)

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.06.008

中圖分類號(hào)：TM315

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-290X(2016)06-0043-07

作者簡(jiǎn)介：

田新首(1985)，男，河南濮陽人。在讀博士研究生，主要研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電與并網(wǎng)穩(wěn)定性。

遲永寧(1973)，男，山東淄博人。高級(jí)工程師，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)轱L(fēng)電并網(wǎng)、電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制。

湯海雁(1981)，男，安徽巢湖人。高級(jí)工程師，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電與并網(wǎng)穩(wěn)定性。

(編輯李麗娟)