計及轉(zhuǎn)速平滑恢復的雙饋風電機組自適應頻率控制策略

楊德健，許益恩，高洪超，鄭太英，金恩淑

計及轉(zhuǎn)速平滑恢復的雙饋風電機組自適應頻率控制策略

楊德健1，許益恩2，高洪超3，鄭太英4，金恩淑1

(1.現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術教育部重點實驗室(東北電力大學)，吉林 吉林 132012；2.南通大學電氣工程學院，江蘇 南通 226019；3.清華大學電機工程與應用電子技術系，北京 100084；4.浙江大學電氣工程學院，浙江 杭州 310058)

為解決現(xiàn)有雙饋風電機組頻率控制策略不能充分利用轉(zhuǎn)子動能支撐電網(wǎng)頻率及風機轉(zhuǎn)速恢復造成的二次頻率沖擊問題，提出了一種計及轉(zhuǎn)速平滑恢復的雙饋風電機組自適應頻率控制策略。首先在電網(wǎng)頻率支撐階段，借助指數(shù)函數(shù)將風電機組頻率控制系數(shù)和電網(wǎng)頻率偏差建立耦合關系，使頻率控制系數(shù)隨頻率偏差增加而變大，從而使風電機組在頻率支撐階段釋放更多能量，提高頻率最低點；其次在風機轉(zhuǎn)速恢復階段，借助一次遞減函數(shù)在預設時間內(nèi)將控制系數(shù)平滑減少至零，實現(xiàn)可控的轉(zhuǎn)速恢復，同時消除轉(zhuǎn)速恢復對頻率的二次沖擊。最后，通過EMTP-RV軟件搭建了IEEE 4機2區(qū)域的電力系統(tǒng)模型，驗證了所提策略的有效性。

雙饋風電機組；頻率響應；平滑轉(zhuǎn)速恢復；自適應控制

0 引言

隨著“碳達峰，碳中和”戰(zhàn)略的提出，新能源發(fā)電發(fā)展迅速，我國電網(wǎng)中包括風電、光伏等新能源發(fā)電比重不斷增加，以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)成為我國電力系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢[1-2]。風電憑借分布范圍廣、開發(fā)成本較低、發(fā)電技術較成熟等優(yōu)勢，在新能源發(fā)電中占據(jù)重要地位[3-5]。為實現(xiàn)有功與無功解耦、最大功率追蹤(Maximum Power Point Tracking, MPPT)等高級控制策略，雙饋風力發(fā)電機組(Doubly-Fed Induction Generator, DFIG)借助電力電子器件接入到電網(wǎng)中，導致其轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率解耦，從而造成電力系統(tǒng)整體慣性水平和一次調(diào)頻能力下降[6]。在電網(wǎng)發(fā)生擾動后電網(wǎng)最大頻率偏差增大，隨著風電滲透率的日益提高，該現(xiàn)象將愈發(fā)嚴重[7-9]。若電網(wǎng)頻率跌落至閾值49 Hz以下，電力系統(tǒng)第三道防線“低頻減載”保護機制啟動，切除部分負載，防止電網(wǎng)崩潰[10]。由此可見，規(guī)?；L電并網(wǎng)后電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性勢必會面臨巨大的挑戰(zhàn)，這使得DFIG主動參與系統(tǒng)調(diào)頻已然成為當今研究熱點之一[11-12]。

風機通過超速控制、變槳控制及兩者協(xié)調(diào)控制策略可為系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)留有一定的有功備用[13-15]。文獻[13]提出了一種慣量控制和變槳控制相結(jié)合的控制策略，有效改善了系統(tǒng)頻率的穩(wěn)態(tài)特性，但實際運行中，槳距角的頻繁動作會加重風機的機械疲勞，縮短變槳系統(tǒng)壽命。文獻[14]采用超速控制與虛擬慣量控制協(xié)同控制策略參與系統(tǒng)調(diào)頻，雖然該方法有利于延長風機變槳系統(tǒng)壽命，然而風機長期運行于減載模式，縮小了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍，弱化了高頻擾動下風機調(diào)頻能力，且不利于風電場的經(jīng)濟運行。

此外，DFIG可通過釋放轉(zhuǎn)子動能參與系統(tǒng)調(diào)頻，其調(diào)頻過程主要包含頻率支撐和轉(zhuǎn)速恢復兩個階段。在頻率支撐階段，鑒于風機轉(zhuǎn)子具有快速吞吐動能的能力，因此，最常見的控制方法是在轉(zhuǎn)子側(cè)控制器中附加頻率控制回路，模擬常規(guī)同步機組的慣性響應和一次調(diào)頻特性，即比例微分(PD)虛擬慣量控制，實現(xiàn)DFIG主動參與系統(tǒng)調(diào)頻[16]。由于D控制器對頻率微分量敏感，本文主要介紹風機參與一次調(diào)頻，因此將PD控制器簡化為P控制器。文獻[17]通過附加P控制器到轉(zhuǎn)子側(cè)控制回路中，實現(xiàn)了DFIG參與系統(tǒng)調(diào)頻，提高了頻率最低點，然而該策略采用固定頻率控制系數(shù)，限制了不同風速下DFIG的調(diào)頻潛力及低轉(zhuǎn)速下易引起風機失速。為此，文獻[18]提出了基于風機有效旋轉(zhuǎn)動能的變系數(shù)頻率控制策略，充分挖掘了不同風速下風機的調(diào)頻潛力，同時有效預防了風機失速現(xiàn)象。然而上述研究主要側(cè)重于風機自身運行狀態(tài)，對于不同擾動場景下風機調(diào)頻特性的研究不足。

DFIG利用轉(zhuǎn)子動能參與電力系統(tǒng)調(diào)頻后，風機轉(zhuǎn)速會偏離MPPT運行所對應的最優(yōu)轉(zhuǎn)速，弱化了風能捕獲效率，不利于風電場的經(jīng)濟運行。文獻[19]提出基于有功功率階躍式變化的轉(zhuǎn)速恢復策略，但由于風機有功出力突變，導致了嚴重的頻率二次跌落，在高風電滲透水平下，甚至低于頻率最低點。為此，文獻[20]提出風機有功出力“斜坡”衰減的控制策略，在一定程度上緩解了二次頻率跌落，但延遲了轉(zhuǎn)速恢復時間，進一步影響了風機捕獲風能。文獻[21]借助恒定加速功率來驅(qū)動風機轉(zhuǎn)速恢復，然而該方法需要的機械輸入功率很難直接測量。文獻[22]借助儲能裝置，在消除二次頻率跌落的同時，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速快速恢復，然而由于儲能裝置系統(tǒng)成本較高，對服務于頻率與轉(zhuǎn)速恢復控制，大規(guī)模配置并不經(jīng)濟。文獻[23]提出了基于邏輯回歸函數(shù)的變系數(shù)下垂控制，實現(xiàn)了平滑的恢復轉(zhuǎn)速，但采用頻率微分量作為控制輸入，受噪音影響大。此外，該方法整定的參數(shù)偏多，給實際工程應用增加困難。

針對上述問題，本文提出了一種計及轉(zhuǎn)速平滑恢復的DFIG自適應頻率控制策略。該策略在現(xiàn)有基于風機有效旋轉(zhuǎn)動能的控制策略的基礎上加以改進，首先在電網(wǎng)頻率支撐階段，借助指數(shù)函數(shù)將頻率控制系數(shù)與電網(wǎng)頻率偏差建立耦合關系，使得DFIG在不同場景下充分利用轉(zhuǎn)子動能為電網(wǎng)提供優(yōu)質(zhì)的頻率響應服務。其次在轉(zhuǎn)速恢復階段，借助一次遞減函數(shù)，使控制系數(shù)在預設時間內(nèi)平滑衰減至零，使得DFIG平穩(wěn)切換至MPPT運行模式，從而在實現(xiàn)平穩(wěn)可控的轉(zhuǎn)速恢復的同時，消除了轉(zhuǎn)速恢復對電網(wǎng)的二次頻率沖擊。最后，基于EMTP-RV搭建了含DFIG的電力系統(tǒng)模型，在不同風速和擾動場景下，驗證了所提頻率控制策略的有效性。

1 DFIG運行特性

本節(jié)簡要介紹DFIG的結(jié)構及其控制系統(tǒng)，其中，DFIG控制系統(tǒng)由轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制器和網(wǎng)側(cè)變流器控制器組成：轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制器負責調(diào)節(jié)輸入到電網(wǎng)的有功和無功功率；網(wǎng)側(cè)變流器控制器用于維持直流環(huán)節(jié)(DC-Link)電壓的穩(wěn)定。圖1給出了典型雙饋風力發(fā)電機組結(jié)構。

1.1 風力機模型

圖1 典型雙饋風力發(fā)電機組結(jié)構

其中，

1.2 MPPT控制

DFIG運行在MPPT控制模式時，其輸出參考功率MPPT為[24]

其中，

2 電網(wǎng)頻率動態(tài)指標的機理分析

根據(jù)文獻[25]，系統(tǒng)頻率響應(System Frequency Response, SFR)模型為

對式(7)進行拉氏反變換，可得系統(tǒng)頻率偏差時域的表達式

對式(8)求導可得

其中，

(2) 在轉(zhuǎn)速恢復階段，根據(jù)能量守恒定律，DFIG通過減少有功出力，可實現(xiàn)其轉(zhuǎn)速恢復，然而有功出力階躍式地減少會造成系統(tǒng)短時有功缺額，即Δ增大，從而導致嚴重的電網(wǎng)頻率二次沖擊。

綜上，通過設計合理的DFIG頻率控制策略可有效緩解電網(wǎng)頻率的最大偏差、變化率以及風機轉(zhuǎn)速恢復對系統(tǒng)頻率的二次沖擊。

3 DFIG頻率控制策略

本節(jié)將分別介紹現(xiàn)有DFIG頻率控制策略和改進后的頻率控制策略。

3.1 現(xiàn)有DFIG頻率控制策略

圖2給出了現(xiàn)有頻率控制策略的原理圖。此時，DFIG頻率控制回路有功出力為

式中，為頻率控制系數(shù)。

由于上述策略采用的頻率控制系數(shù)為固定值，限制了不同風速下DFIG的調(diào)頻潛力。為此，文獻[18]提出了基于DFIG有效旋轉(zhuǎn)動能的變系數(shù)頻率控制，其頻率控制系數(shù)的表達式為

3.2 計及轉(zhuǎn)速平滑恢復的自適應頻率控制策略

針對上述問題，本文分別在頻率支撐階段和轉(zhuǎn)速恢復階段整定與電網(wǎng)頻率偏差耦合的控制系數(shù)以及時變控制系數(shù)，構建了一種計及轉(zhuǎn)速平滑恢復的自適應頻率控制策略，其邏輯結(jié)構如圖3所示。

圖3 計及轉(zhuǎn)速平滑恢復的DFIG自適應頻率控制策略

下面將分別對所提頻率控制策略中頻率支撐階段和轉(zhuǎn)速恢復階段的控制系數(shù)的整定進行詳細闡述。

3.2.1頻率支撐階段的控制系數(shù)sup

如圖3所示，本文借助指數(shù)函數(shù)將頻率控制系數(shù)與電網(wǎng)頻率偏差建立耦合關系，得到電網(wǎng)頻率支撐階段的頻率控制系數(shù)sup，其表達式如式(14)所示。

圖4 頻率支撐階段的控制系數(shù)

從圖4中可以看出，在擾動初期，控制系數(shù)主要根據(jù)轉(zhuǎn)速變化；隨著電網(wǎng)頻率偏差?逐漸增大，關于電網(wǎng)頻率偏差的指數(shù)函數(shù)起決定性作用，即頻率控制系數(shù)sup隨電網(wǎng)頻率偏差的增加而變大，從而使DFIG釋放更多的能量參與系統(tǒng)調(diào)頻，減小最大頻率偏差。

3.2.2轉(zhuǎn)速恢復階段的控制系數(shù)rec

在電網(wǎng)頻率支撐階段，由于DFIG輸出電磁功率大于輸入機械功率，DFIG轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速持續(xù)下降，并伴隨其有功出力減少。根據(jù)搖擺方程式可知，當輸出電磁功率與輸入機械功率相等時，風機轉(zhuǎn)速收斂。在文獻[22]中，若DFIG轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速滿足式(15)，則可判定其轉(zhuǎn)速收斂。

式中：為DFIG轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的采樣周期，采樣周期為260ms。

為恢復風機轉(zhuǎn)速，本文基于“時變”的控制思想，使控制系數(shù)及有功增量在預設時間內(nèi)平滑衰減至零，從而使DFIG有功出力平穩(wěn)切換至MPPT控制模式，實現(xiàn)平穩(wěn)可控的轉(zhuǎn)速恢復。

綜上，本文在控制系數(shù)sup的基礎上乘以一個隨時間逐漸遞減的一次函數(shù)，得到轉(zhuǎn)速恢復階段控制系數(shù)rec。其表達式如式(16)所示。

式中：tr為DFIG轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速收斂對應時刻；Δt為轉(zhuǎn)速恢復階段持續(xù)時間。

4 算例分析

如圖6所示，為了驗證所提策略的有效性，本文在EMTP-RV仿真軟件上搭建了IEEE 4機2區(qū)域系統(tǒng)進行仿真驗證。該系統(tǒng)包含一個風電場、4臺同步發(fā)電機組及靜負荷。

圖6 IEEE 4機2區(qū)域系統(tǒng)

下面將在風電滲透率為20%，風速分別為7.5 m/s和9.5 m/s的場景下，對DFIG采用MPPT控制、基于DFIG有效旋轉(zhuǎn)動能的變系數(shù)頻率控制(現(xiàn)有方法)及本文提出的頻率控制策略(優(yōu)化方法)時的控制效果進行分析與對比。具體算例如表1所示。

表1 算例設置

此外，DFIG的基礎調(diào)差系數(shù)為2%，電網(wǎng)頻率性能調(diào)節(jié)因子設為100，DFIG轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恢復時間Δ設為15 s。

在40 s時，預設同步機組SG3脫機作為本次仿真的擾動事件。圖7、圖8與圖9分別給出了算例1—3在上述三種不同控制策略下的仿真結(jié)果。

4.1 不同擾動的仿真分析

由于不同擾動下，電網(wǎng)頻率偏差存在差異。為驗證不同擾動下優(yōu)化方法的有效性，本節(jié)將結(jié)合算例1和算例2分別研究同步機組有功出力損失50 MW和90 MW情況下各控制策略的調(diào)頻性能。

4.1.1算例1——有功出力損失50 MW

由圖7(a)可知，DFIG采用MPPT控制時，無法為電網(wǎng)頻率提供支撐，電網(wǎng)頻率最低點為49.711 Hz。當DFIG采用現(xiàn)有方法時，電網(wǎng)頻率的最低點增加至49.748 Hz，其原因是DFIG向電網(wǎng)中注入了一定的旋轉(zhuǎn)動能，有功功率增加至43 MW，如圖7(b)所示。隨著DFIG轉(zhuǎn)速收斂，為恢復轉(zhuǎn)速，在49.920 s時，DFIG有功功率直接減少3 MW，導致頻率發(fā)生二次跌落，跌落值為49.873 Hz。當DFIG采用優(yōu)化方法時，電網(wǎng)頻率最低點進一步增加至49.764 Hz，這主要是因為在頻率支撐階段，優(yōu)化方法的控制系數(shù)與電網(wǎng)頻率偏差耦合，且隨頻率偏差增加而變大，DFIG短時有功出力更大，有功功率增加至46 MW，如圖7(b)所示。在轉(zhuǎn)速收斂階段，該方法借助一次遞減函數(shù)使得DFIG控制系數(shù)和有功出力在15 s內(nèi)平滑衰減至零，實現(xiàn)了平穩(wěn)可控的轉(zhuǎn)速恢復，同時有效地消除了頻率的二次跌落。

圖7 算例1的仿真結(jié)果

4.1.2算例2——有功出力損失90 MW

由圖8(a)可知，受大功率脫機影響，電網(wǎng)頻率跌落嚴重，DFIG不參與調(diào)頻時，電網(wǎng)頻率最低點進一步跌落至49.459 Hz，低于算例1。當DFIG采用現(xiàn)有方法和優(yōu)化方法時，電網(wǎng)頻率分別在43.021 s和43.031 s時達到最低點，分別為49.525 Hz和49.578 Hz，這主要是因為優(yōu)化方法中DFIG向電網(wǎng)注入了更多的有功；此外，調(diào)頻結(jié)束后，如圖8(b)所示，由于現(xiàn)有方法借助有功功率階躍變化驅(qū)動轉(zhuǎn)速恢復，系統(tǒng)頻率不可避免地發(fā)生了二次下跌；而優(yōu)化方法則得到了與算例1相似的轉(zhuǎn)速恢復效果。

由上述兩種算例分析可知，在不同擾動場景下，采用本文提出的頻率控制策略，可進一步提高電網(wǎng)頻率最低點，同時實現(xiàn)轉(zhuǎn)速平滑恢復。

4.2 風速的影響

由于sup與轉(zhuǎn)速呈正相關，從而影響DFIG的瞬時有功出力，為驗證不同風速下優(yōu)化方法的有效性，本節(jié)將研究風速為9.5 m/s時各控制策略的調(diào)頻性能。

從仿真結(jié)果可知，受風速影響，擾亂前DFIG有功出力增加至74 MW。從圖9(a)中可知，現(xiàn)有方法中電網(wǎng)頻率最低點提高了0.149 Hz，優(yōu)化方法提高了0.219 Hz，而算例2中現(xiàn)有方法僅提高了0.066 Hz，優(yōu)化方法提高了0.119 Hz，由此可見，在高風速場景下優(yōu)化方法和現(xiàn)有方法的調(diào)頻效果優(yōu)于算例2。此外，與現(xiàn)有轉(zhuǎn)速恢復方法相比，優(yōu)化方法依然可做到轉(zhuǎn)速平穩(wěn)恢復且電網(wǎng)頻率變化平緩，無較大的頻率波動。

5 結(jié)論

本文針對現(xiàn)有DFIG頻率控制策略不能充分利用轉(zhuǎn)子動能支撐電網(wǎng)頻率及風機轉(zhuǎn)速恢復造成的二次頻率沖擊問題，提出了一種計及轉(zhuǎn)速平滑恢復的DFIG自適應頻率控制策略，其特點如下：

(1) 在頻率支撐階段，借助指數(shù)函數(shù)將DFIG頻率控制系數(shù)和電網(wǎng)頻率偏差建立耦合關系，使控制系數(shù)隨頻率偏差增加而變大，實現(xiàn)了“先抑后揚”的調(diào)頻效果，解決了現(xiàn)有頻率控制策略不能充分利用風機轉(zhuǎn)子動能支撐電網(wǎng)頻率的問題。

(2)?在轉(zhuǎn)速恢復階段，借助一次遞減函數(shù)在預設時間內(nèi)將控制系數(shù)和有功出力平滑減少至零，從而實現(xiàn)平穩(wěn)可控的DFIG轉(zhuǎn)速恢復的同時，解決頻率二次跌落問題。

仿真結(jié)果表明，本文所提控制策略在不同擾動和風速場景下均能有效提高DFIG頻率響應能力，同時平滑轉(zhuǎn)速恢復過程及消除頻率二次跌落。

[1] 卓振宇, 張寧, 謝小榮, 等. 高比例可再生能源電力系統(tǒng)關鍵技術及發(fā)展挑戰(zhàn)[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2021, 45(9): 171-191.

ZHUO Zhenyu, ZHANG Ning, XIE Xiaorong, et al. Key technologies and developing challenges of power system with high proportion of renewable energy[J]. Automation of Electric Power Systems, 2021, 45(9): 171-191.

[2] 趙東元, 胡楠, 傅靖, 等. 提升新能源電力系統(tǒng)靈活性的中國實踐及發(fā)展路徑研究[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2020, 48(24): 1-8.

ZHAO Dongyuan, HU Nan, FU Jing, et al. Research on the practice and road map of enhancing the flexibility of a new generation power system in China[J]. Power System Protection and Control, 2020, 48(24): 1-8.

[3] 陳國平, 董昱, 梁志峰. 能源轉(zhuǎn)型中的中國特色新能源高質(zhì)量發(fā)展分析與思考[J]. 中國電機工程學報, 2020, 40(17): 5493-5506.

CHEN Guoping, DONG Yu, LIANG Zhifeng. Analysis and reflection on high-quality development of new energy with Chinese characteristics in energy transition[J]. Proceedings of the CSEE, 2020, 40(17): 5493-5506.

[4] 盧一菲, 陳沖, 金成日, 等. 直驅(qū)永磁風電機組高電壓穿越協(xié)調(diào)控制策略[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2020, 48(15): 50-60.

LU Yifei, CHEN Chong, JIN Chengri, et al. HVRT coordinated control strategy of a direct-driven PMSG[J]. Power System Protection and Control, 2020, 48(15): 50-60.

[5] MENSOU S, ESSADKI A, NASSER T, et al. A direct power control of a DFIG based-WECS during symmetrical voltage dips[J]. Protection and Control of Modern Power Systems, 2020, 5(1): 36-47.

[6] 王同森, 程雪坤. 計及轉(zhuǎn)速限值的雙饋風機變下垂系數(shù)控制策略[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2021, 49(9): 29-36.

WANG Tongsen, CHENG Xuekun. Variable droop coefficient control strategy of a DFIG considering rotor speed limit[J]. Power System Protection and Control, 2021, 49(9): 29-36.

[7] 李軍徽, 馮喜超, 嚴干貴, 等. 高風電滲透率下的電力系統(tǒng)調(diào)頻研究綜述[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2018, 46(2): 163-170.

LI Junhui, FENG Xichao, YAN Gangui, et al. Survey on frequency regulation technology in high wind penetration power system[J]. Power System Protection and Control, 2018, 46(2): 163-170.

[8] BAO W, WU Q, DING L, et al. A hierarchical inertial control scheme for multiple wind farms with BESSs based on ADMM[J]. IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2021, 12(2): 751-760.

[9] 王瑞明, 徐浩, 秦世耀, 等. 風電場一次調(diào)頻分層協(xié)調(diào)控制研究與應用[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2019, 47(14): 50-58.

WANG Ruiming, XU Hao, QIN Shiyao, et al. Research and application on primary frequency regulation of wind farms based on hierarchical coordinated control[J]. Power System Protection and Control, 2019, 47(14): 50-58.

[10] 高翔. 現(xiàn)代電網(wǎng)頻率控制應用技術[M]. 北京: 中國電力出版社, 2010.

[11] 付華, 劉公權, 齊晨飛, 等. 計及微電網(wǎng)黑啟動的虛擬同步發(fā)電機調(diào)頻策略[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2020, 48(14): 59-68.

FU Hua, LIU Gongquan, QI Chenfei, et al. Frequency regulation strategy of a virtual synchronous generator-based microgrid considering the black start process[J]. Power System Protection and Control, 2020, 48(14): 59-68.

[12] 黃杰杰, 李生虎, 孫婷婷. 基于改進動態(tài)潮流的 DFIG 風電系統(tǒng)層級頻率模型預測控制[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2020, 48(22): 68-75.

HUANG Jiejie, LI Shenghu, SUN Tingting. Hierarchical frequency control for a power system with DFIG based on frequency prediction with improved dynamic power flow[J]. Power System Protection and Control, 2020, 48(22): 68-75.

[13] 王濟菘, 陳明亮. 虛擬慣量配合變槳控制的風機一次調(diào)頻實驗研究[J]. 電測與儀表, 2019, 56(23): 18-23.

WANG Jisong, CHEN Mingliang. An experimental study on primary frequency regulation of D-PMSG with virtual inertia and pitch control[J]. Electrical Measurement & Instrumentation, 2019, 56(23): 18-23.

[14] 蔡國偉, 鐘超, 吳剛, 等. 慮風電機組超速減載與慣量控制的電力系統(tǒng)機組組合策略[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2021, 45(16): 134-142.

CAI Guowei, ZHONG Chao, WU Gang, et al. Unit commitment strategy of power system considering overspeed load reduction and inertia control of wind turbine [J]. Automation of Electric Power Systems, 2021, 45(16): 134-142.

[15] ZERTEK A, GREGOR V, MILO? P. A novel strategy for variable-speed wind turbines’ participation in primary frequency control[J]. IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2012, 3(4): 791-799.

[16] WANG S, TOMSOVIC K. Fast frequency support from wind turbine generators with auxiliary dynamic demand control[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2019, 34(5): 3340-3348.

[17] VAN DE VYVER J, DE KOONING J, VANDEVELDE L, et al. Droop control as an alternative inertial response strategy for the synthetic inertia on wind turbines[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2016, 31(2): 1129-1138.

[18] HU Y, WU Y. Approximation to frequency control capability of a DFIG-based wind farm using a simple linear gain droop control[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2019, 55(3): 2300-2309.

[19] ULLAH N R, THIRINGER T, KARLSSON D. Temporary primary frequency control by variable speed wind turbines—potential and application[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2008, 23(2): 601-612.

[20] EL ITANI S, ANNAKKAGE U D, JOOS G. Short-term frequency support utilizing inertial response of DFIG wind turbines[C] // 2011 IEEE Power and Energy Society General Meeting, July 24-28, 2011, Detroit, MI, USA: 1-8.

[21] XU G, XU L. Improved use of WT kinetic energy for system frequency support[J]. IET Renewable Power Generation, 2017, 11(8): 1094-1100.

[22] 趙晶晶, 李敏, 何欣芹, 等. 基于限轉(zhuǎn)矩控制的風儲聯(lián)合調(diào)頻控制策略[J]. 電工技術學報, 2019, 34(23): 4982-4990.

ZHAO Jingjing, LI Min, HE Xinqin, et al. Coordinated control strategy of wind power and energy storage in frequency regulation based on torque limit control[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(23): 4982-4990.

[23] 勞煥景, 張黎, 宋鵬程, 等. 一種考慮最優(yōu)狀態(tài)動態(tài)恢復的風電持續(xù)調(diào)頻策略[J]. 電網(wǎng)技術, 2020, 44(12): 4504-4512.

LAO Huanjing, ZHANG Li, SONG Pengcheng, et al. Wind power sustained frequency regulation strategy with dynamic optimized state recovery behavior[J]. Power System Technology, 2020, 44(12): 4504-4512.

[24]YANG D, KIM J, KANG Y, et al. Temporary frequency support of a DFIG for high wind power penetration[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2018, 33(3): 3428-3437.

[25] SHI Q, LI F, CUI H. Analytical method to aggregate multi-machine SFR model with applications in power system dynamics studies[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2018, 33(6): 6355-6367.

Self-adaptive frequency control scheme of a doubly-fed induction generator with smooth rotor speed recovery

YANG Dejian1, XU Yien2, GAO Hongchao3, ZHENG Taiying4, JIN Enshu1

(1. Key Laboratory of Modern Power System Simulation and Control & Renewable Energy Technology Ministry of Education (Northeast Electric Power University), Jilin 132012, China; 2. College of Electrical Engineering, Nantong University, Nantong 226019, China; 3. Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;4. College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)

The existing frequency control method of doubly-fed induction generators (DFIGs) is unable to fully use the rotor rotational energy to support the frequency and a secondary frequency drop is caused during the rotor speed recovery of the DFIG. To address these issues, this paper suggests a self-adaptive frequency control scheme of a DFIG with smooth rotor speed recovery. First, during the frequency support stage, the coupling relationship between the droop control coefficient of DFIGs and the frequency deviation is established using the exponential function so that the control coefficient becomes large with the increasing frequency deviation. DFIGs can release more rotational energy to the power grid and then improve the frequency nadir. Secondly, during the speed recovery stage, the control coefficient gradually decreases to zero within the preset period by using the first-order decreasing function so as to achieve controllable rotor speed recovery and remove the secondary frequency drop. Finally, an IEEE 4-machine 2-area power system model is modeled using an EMTP-RVsimulation to illustrate the effectiveness of the proposed frequency control scheme.

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 51877112).

DFIG; frequency control; smooth rotor speed recovery; self-adaptive control

10.19783/j.cnki.pspc.210941

國家自然科學基金項目資助(51877112)；江蘇省高校自然科學基金項目資助(20KJB470026)

2021-07-21；

2021-09-10

楊德健(1990—)，男，博士，研究方向為風力發(fā)電并網(wǎng)控制技術；E-mail: dejian@ntu.edu.cn

許益恩(1998—)，男，通信作者，碩士，研究方向為風力發(fā)電并網(wǎng)控制技術。E-mail: 2011310014@stmail.ntu.edu.cn

(編輯 張愛琴)