基于转子动能的DFIG频率控制策略研究

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1、基于转子动能的DFIG频率控制策略研究摘要：变速恒频双馈风电机(DoublyFedInduclionGeneralion)由于有功功率输出与电网频率解揺，而且一般采用最大风能跟踪模式，使得风机对电力系统的频率调节几乎没用贡献。因此本文在双馈风电机传统控制策略的基础上，通过研究双馈风电机转子动能与电力系统频率变化关系，提出转子动能控制策略。在最大风能跟踪基础上增加频率控制环节，使得电网频率变化时DFIG可迅速释放出“隐藏”的转子动能，从而为电力系统的频率变化提供支持。关键词：DFIG:转子动能；频率控制Rese

2、archonFrequencyControlofDFIGBasedonKi-neticEnergyAbstract:Adoublyfedinductiongeneration(DFIG)naturallydoesnotprovidefrequencysupportforgrid・BecauseDFIGdecouplesbetweentheoutputpowerandthegridfrequency,andlackpowerreserveonaccountofthemaximumpowerpointtrack

3、ingoperation・Therefore,thispaperrepresentsafrequencycontrolstrategybasedonkineticenergystoredinrotor.Increaseafrequencycontrolloopbasedonthemaximumpowerpointtrackingoperation,DFIGcanrapidlyreleasethe“hidderTkineticenergywhenfrequencychanges,asaresult,DFIGc

4、anprovidefrequencysupportforthegrid・Keywords:DFIG;kineticenergy;frequencycontrol⑵1引言随着电力电子技术的不断发展，风力发电技术日益成熟，风电机组的渗透率也不断提高，这使得电网频率稳定性面临的挑战越来越严峻“①。DFIG是目前实际运行风电场的主流机型，它通过电力电子变流器并网，使得转子转速与系统频率解耦，因此大规模的风电接入减小了电网的转动惯量。而且DFIG—般通过对转子侧变流器的控制运行在最大风能跟踪模式下,当系统频率降低时，没

5、有额外的备用功率来为系统频率提供支持。近年来国内外学者对风电机组参与电网调频的问题做了一些研究，目前主要有两种控制思路：备用功率控制策略：通过调节转了转速或者桨距角来改变转速-功率曲线来获得一部分的备用功率。当系统频率降低时，通过调节转子转速参考值或者桨距角来增发这部分有功功率，从而为电网频率提供稳态支持,3-5

6、o但是此种方法经济性较差。转子动能控制策略：通过增加频率控制环节来改变转子转矩或者有功功率参考値，使得变速恒频风电机组能够释放出叶片屮储存的大量动能，为电网频率变化提供暂态支持®⑼。本文在国内外学者

7、研究的基础上，深入分析了DFIG转子屮储存的旋转动能与电网频率变化的关系，在原有控制的基础上增加频率控制环节，并在资助信患：国家自然科学基金资助项目(NO.51207087)；上海市教委科研创新项目(12YZ134)oDigSILENT/PowerFactory平台上搭建DFIG模型,验证该策略具冇对屯网频率提供动态支持的能力。2DFIG变频器设计2.1DFIG频率控制特性分析DFIG—般运行在最大风能跟踪模式下，当电网频率降低时，原动机不能增发冇功功率来为电网频率提供支持，因此需要将电网频率变化引入DFI

8、G控制系统，使DFIG可在电网频率变化时快速释放或吸收部分转子动能来为电网提供频率支持。DFIG的转子转速一般运行在().7〜1.2的范围内，所以理论上DFIG可以为电网频率调节提供66%的转子动能。而常规火电机组的转子转速一般运行在0.95-1.00的范围内仅能提供越9.75%的转子动能⑴】。所以当风电在电网中渗透率较高时，这部分转子动能的利用对频率调节将会有不可忽视的贡献。与常规机组类似，在不考虑阻尼作用时，DFIG转子机械部分储存的动能为：其中丿为转动惯量，©为转子转速。频率变化时DFIG可释放的动能为

9、：dEbdcoP=—^JCD—匚dt1dt而惯性时间常数Jco2H=—2S〃其中为DF1G额定容量，为额定转速。©>1诃转子侧变流器3494049"5489000000399S97.99781199715996⑸199949504965传统发电机的惯性时间常数一般为2〜9s,DFIG的惯性时间常数一般为2~60°】。由此可得出，大规模双馈风电机组并网并未真止减小电力系统的惯性时间常数。山公式（2）和