基于可变系数的双馈风机虚拟惯量与超速控制协调的风光柴微电网频率调节技术︱本刊学术
上海电力学院电气工程学院的研究人员赵晶晶、吕雪、符杨、胡晓光，在2015年第5期《电工技术学报》上撰文，为了提高风光柴微电网孤岛运行时的频率稳定性，将变速恒频双馈感应风力发电机（DFIG）和柴油机作为调频电源，通过DFIG的虚拟惯量、转速和桨距角的协调控制与柴油机的一次调频相配合，共同抑制负荷波动和风速变化引起的微网频率变化。低于额定风速时，DFIG采用虚拟惯量控制和超速控制；高于额定风速时，采用虚拟惯量控制和自动桨距角控制。以此弥补虚拟惯量控制作用时转速恢复过程的功率跌落问题，并为微网提供持久的功率支撑。
为保证此调频策略在时变风速中的有效性，通过不同风速下的参数分析制定了DFIG的虚拟惯量控制系数曲线与功频静特性系数曲线，实现了可变系数控制。并在DigSILENTPowerFactory软件平台上搭建了包含柴油机、DFIG、光伏电池的微电网模型，验证了此策略的有效性。
频率是保证微电网安全稳定运行的重要控制参数，尤其是在孤岛运行模式下，此时一般由柴油机或储能系统承担调频任务[1]。但柴油机的频率响应速度相对较慢，在兆瓦级的中压微电网系统中，当出现较大程度的有功缺额时，依靠安装较大容量的储能系统来快速平抑频率波动是不经济的。
随着电力电子技术的日益成熟，变速恒频双馈感应风电机组由于具有较宽的转速运行范围和较大的装机容量而被广泛采用。与恒速风电机组相比，它能够根据风速变化在运行中保持最佳叶尖速比以获得最大风能。类似地，光伏电池也是通过电力电子变流器接入电网，为了保证太阳能利用率，也是运行在最大光能追踪模式下。
因此，风电和光伏的大量接入使得孤岛运行的微电网等效惯量小的问题变得突出，当出现较小功率缺额时就会出现较显著的频率波动；而且它们的最大功率追踪策略使其不能为系统提供备用，当出现较大负荷扰动或发电机切机时，微网的频率稳定性将受到严峻挑战。
为了提高孤岛运行微电网的动态频率稳定性，文献[2]提出了基于虚拟同步发电机思想的微电网逆变电源控制策略，文献[3]提出了一种虚拟惯性频率控制策略，使微电网电源具有类似于同步发电机转子的惯性。但以上文献都建立在微网中配备了超级电容、飞轮储能等快速功率响应特性的储能装置的前提下，实际上，风电机组也可以作为迅速有效的调频电源。
如何控制变速风力发电机组使其具有频率调节能力是近年的研究热点，目前国内外学者提出了一些控制策略。为了增加系统惯量，文献[4，5]提出了虚拟惯量控制的概念，文献[6]进行了进一步研究,提出了通过在风电机组转子侧变流器功率外环附加控制环节使转子转速与电网频率不再解耦的控制策略。
文献[7]分析了控制参数及变流器电流限值对调频效果的影响，但只考虑了恒定风速的情况，而且忽视了转速恢复过程中的功率跌落问题。以上利用附加控制环节，使DFIG转子转速与电网频率刚性耦合的虚拟惯量控制策略只能为电网提供短暂的频率支持，对减小频率稳态偏差是没有贡献的。因此文献[8，9]提出了使风电机组减载的控制策略。目前风电机组的备用容量一般通过调节转子转速和桨距角获取[10]。但是桨距角动作属于机械过程，响应速度相对较慢，而且过于频繁的动作容易造成风电机组的机械磨损。
在孤岛运行的风/光/柴微电网中，为了更充分的利用风电机组的调频能力，本文提出了双馈风机的可变系数虚拟惯量与超速协调的调频策略，使风电机组虚拟惯量控制的暂态性与转速控制、柴油机一次调频的持久性相协调，共同抑制由负荷、风速变化等引起的频率波动。
为了在时变风速下也能充分发挥DFIG的调频能力，本文通过试错法分析了不同风速下控制参数取值对微网频率的影响，制定了虚拟惯量控制曲线与超速控制时的功频静特性系数曲线，避免了采用统一控制系数带来的调频过度或调频不足问题，保证了此策略在微网实际运行中的可行性。
图1 微电网结构示意图
结论
为了使风电像常规机组一样灵活可控，本文提出了虚拟惯量和超速控制结合的DFIG调频策略。
首先分析了虚拟惯量控制的优缺点，仿真验证了它可以迅速响应微网频率变化率，对减小动态频率偏差有显著效果。但是它只能提供短暂的功率支撑，而且在低风速下，转速恢复过程会出现严重的功率跌落。所以本文在低于额定风速时使DFIG超速运行获得10%备用功率，风电机组因此可以参与一次调频，不仅使功率跌落问题得到了解决，风速及负荷扰动引起的动态及稳态频率偏差也可以进一步降低。
当高风速下出现负荷扰动时，由于自动桨距角控制的作用，功率跌落问题不再明显，而且风电机组高风速运行工况较少，因此不再设置备用。
为了避免采用统一控制系数导致风机调频能力不能充分发挥，本文通过分析不同风速下虚拟惯量控制系数和功频静特性系数取值对调频效果的影响，分别制定了控制系数取值曲线，实现了DFIG的变系数调频控制。
仿真表明可变系数的虚拟惯量与超速协调的控制策略可以有效分担柴油机的部分调频任务，由于DFIG采用交流变频控制技术，响应速度快，对提高微网动态频率特性有显著效果，而且适当的减载可以避免波谷负荷时风电机组的切机情况，这种控制策略对较大容量微电网的频率稳定有较高的参考意义，尤其是在风电渗透率较高的情况下。