基于虚拟惯量和频率下垂控制的双馈风电机组一次调频策略

沈阳工业大学电气工程学院、国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院的研究人员张冠锋、杨俊友、孙峰、戈阳阳、邢作霞，在2017年第22期《电工技术学报》上撰文，针对双馈风电机组（DFIGs）不具备调频控制能力的问题，设计DFIG一次调频控制策略，实现了DFIG参与电网一次调频。

研究DFIG功率控制原理和频率响应过程，并考虑虚拟惯量、频率下垂控制对应的响应时间尺度不同，提出基于虚拟惯量和频率下垂控制的DFIG一次调频策略，增强了DFIG应对频率变化时的暂态和稳态功率调节能力。

基于RT-LAB软件搭建了DFIG频率响应控制的半实物仿真平台，仿真与实测结果验证了该方法能够有效提高DFIG电网频率适应性。

随着风电装机容量在电网中的比例不断提高，风电的随机性及波动性给电网频率控制带来很大隐患，压缩了火电机组开机容量及调节空间，使得系统频率调整难度加大，一定程度上要求风电机组具备参与电网调频的能力。

近年来变速恒频双馈风电机组（Doubly-Fed Induction Generators, DFIGs）已成为风电市场主流机型，但由于DFIG与系统电磁功率解耦、转速与电网频率解耦、风力机惯性与系统解耦，因此失去了对系统频率的快速响应。另外，随着风电场渗透率升高，系统的整体惯性降低，当电网出现大干扰时，系统频率稳定性将受到严重  影响。

国内外学者提出的风电场调频控制策略主要分为转子惯性控制、下垂控制、减载控制三种类型[1,2]。文献[3-5]增加了惯性频率控制环节，在系统频率变化时，风电机组通过释放或者吸收转子中的一部分动能，相应增加或者减少有功出力，实现了风电机组的频率控制，该过程称为“惯性响应”，响应时间短，是一个暂态过程。

但文献[6]也指出，由于转子转速不能长时间维持在降速或升速状态，随着转子转速的恢复，有可能会造成系统频率的二次跌落或升高，且系统再次稳定时，将无法提供频率支撑。文献[7,8]提出了一种基于储能技术的风电场虚拟惯量补偿策略，能够有效补偿风电场虚拟惯量、协调风电-储能系统和常规电网之间的能量交换，使风电场迅速响应系统的频率变化，但由于技术成熟度和产业规模的影响，目前储能系统的成本很高，实现困难。

文献[9-11]采用减载控制，预留出一部分有功功率作为系统的调频备用以便为系统提供频率支持，该方法降低了风能利用率，在风电场规模增大时经济性降低。文献[12-14]采用下垂控制方法，使风电机组具有和同步发电机一样的频率下垂特性，有利于维持系统频率稳定，该过程模拟同步发电机一次调频的有差调节过程，是一个稳态过程，系统频率将会达到新的稳态点。而同时考虑风电机组虚拟模拟惯量控制的暂态过程和下垂控制的稳态过程的组合控制，未进行深入研究。

本文首先搭建了DFIG频率特性仿真模型，分析了风电机组虚拟惯量和下垂控制参与频率调节的原理，并实现两种控制方法在有功补偿环节上的有机结合，进一步增强了双馈风电机组在大功率和限功率输出情况下应对频率变化时的暂态和稳态调节能力。通过实验室RT-LAB软件搭建半实物仿真平台，验证了所提控制策略的有效性。

图1 双馈风电机组功率控制系统框图

图12 实验系统

结论

本文提出了基于虚拟惯量和频率下垂控制的双馈风电机组一次调频策略，能够使风电机组在频率跌落瞬间至新的稳态过程中，持续为电网提供频率支撑，消除了虚拟惯量控制过程中输出功率波动大、系统恢复至稳定后无法提供频率支撑的问题，并避免了下垂控制过程中无法为频率变化瞬间提供额外有功功率的情况，提高了DFIG电网频率适应性。

基于本文所提控制策略，搭建了RT-LAB、风电机组、储能系统的硬件在环仿真系统，仿真结果与实测数据比较验证了该方法的有效性，对研究大规模风电并网对系统频率稳定性影响和风电机组的调频控制改造具有重要而实际的意义。