CN104917201A - 模拟惯性与超速相结合的双馈风机有功频率控制器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟惯性与超速相结合的双馈风机有功频率控制器及方法，包括：依次连接的频率偏差检测模块、隔直模块、调节量整定模块、延时模块以及速度保护模块；实时电网频率信号与频率整定值分别输入频率偏差检测模块得到此时电网的频率偏差信号；频率偏差信号经过隔直模块进入调节量整定模块，调节量整定模块根据频率偏差信号得到转速调节量；转速保护模块使DFIG机组在转速异常情况下退出调频，并延时一定时间后才能重新投入调频。本发明有益效果：大规模双馈风电并网取代常规同步发电机将导致系统惯量降低从而恶化系统频率暂态稳定性，本发明提出的综合频率控制器能有效的改善这一问题。

Description

模拟惯性与超速相结合的双馈风机有功频率控制器及方法

技术领域

本发明涉及双馈风力发电机技术领域，尤其涉及一种模拟惯性与超速法控制相结合的双馈风机有功频率综合控制器及方法。

背景技术

风力发电作为目前最成熟、最具有规模开发条件的新能源发电方式，在电力系统中尤其是风能资源丰富的区域渗透率不断增加。风力发电规模飞速发展带来了巨大的环境效益和经济效益，但也给电力系统的安全稳定运行带来新的挑战。

双馈风力发电机(doubly fed induction generation，DFIG)具有发电效率高变频器容量小的特点，已经成为目前大型风电场的主力机型之一。其电力电子换流器在实现最大功率跟踪的同时，也使得转子转速和电网频率之间不再存在耦合关系，不能像传统同步发电机一样通过转子释放或者存储动能阻尼系统频率变化，即风电机组转子动能被变频器完全“隐藏”。从全系统角度看，风电机组的转动惯量为零，基于DFIG机组的风电场大规模接入会明显减弱系统的频率动态响应特性。并且其运行在最大功率跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)模式时效率已达最大化无法参与系统的一次调频。

为了降低大规模DFIG机组接入对电网频率稳定性的影响，常见的改进方法有：

1、利用转子存储的动能进行短时间调频，附加有功频率控制环节以模拟同步发电机的频率响应特性，使变速风机具有一定的虚拟惯性；

2、通过超速或变桨距角的方法降低发电机效率，使其留有余力参与系统的一次调频；

3、利用飞轮、电池组等储能系统协助风电场参与系统频率调整的方法也得到了很多研究者的关注。

DFIG机组惯性大、转速调节范围较宽，因此上述方法理论上能模拟出比同步电机更大的“模拟惯量”；但是DFIG机组在转速较低时能够提供的动能有限，退出调频后转速恢复过程输出功率降低将引起电网频率的二次跌落，调频过程中运行点偏离最大功率跟踪点也将加深这一不利影响。并且，完善的风电场频率调节能力，要求风电机组同时具备可控的惯性响应和一次调频能力，减载后一次调频与惯性控制有机结合的综合控制方法较为少见。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提供了一种模拟惯性与超速相结合的双馈风机有功频率控制器及方法。该方法能够使双馈风机利用转子动能和减载备用容量有效支持系统的惯性调频、减小静态频率误差，并且避免了过度调频可能带来的系统频率二次冲击。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种模拟惯性与超速相结合的双馈风机有功频率控制器，包括：依次连接的频率偏差检测模块、隔直模块、调节量整定模块、延时模块以及速度保护模块；

实时电网频率信号f_mea与频率整定值f_ref分别输入频率偏差检测模块得到此时电网的频率偏差信号Δf；频率偏差信号Δf经过隔直模块进入调节量整定模块，调节量整定模块根据频率偏差信号Δf得到转速调节量；转速保护模块使DFIG机组在转速异常情况下退出调频，并延时一定时间后才能重新投入调频。

一种模拟惯性与超速相结合的双馈风机有功频率控制器的控制方法，包括以下步骤：

(1)确定双馈风力发电机捕获的最大风功率，并得到双馈风力发电机最大功率跟踪曲线方程；

(2)电网频率正常工作时风力机组运行在超速减载状态，通过超速法提高转子存储动能并获得调频备用容量；

(3)当检测到系统频率偏差超过控制死区时，根据频率偏差大小、转子转速、超速减载量确定转速调节量，双馈风力机组根据转速调节量和转子转速确定给定输出有功功率参考值。

(4)对双馈风力机组参与系统一次调频时静态调差系数进行整定，使得其具有与传统发电机一样的下垂特性；

所述步骤(1)中风力发电机的捕获的最大风功率为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{opt}=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρC}}_{p_{opt}}({\mathrm{\λ}}_{opt},\mathrm{\β}){\mathrm{AU}}_w^3\\ C_{p_{opt}}({\mathrm{\λ}}_{opt},\mathrm{\β})=0.22(\frac{116}{{\mathrm{\λ}}_i}-0.4\mathrm{\β}-5)e^{\frac{-12.5}{{\mathrm{\λ}}_i}}\\ \frac{1}{{\mathrm{\λ}}_i}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{opt}+0.08\mathrm{\β}}-\frac{0.035}{{\mathrm{\β}}^3+1}\\ {\mathrm{\λ}}_{opt}=\frac{w_{t_{opt}}R}{U_w}\end{array}\right.$

其中，P_opt为给定风速下风力机捕获的最大功率，ρ为空气密度，C_opt为与叶尖速比λ_opt、桨距角β相关的最优风能转换率系数，A为风机扫过的面积，U_w为风速，w_topt为风机旋转角速度，R为叶片半径。

所述步骤(1)中双馈风力发电机最大功率跟踪曲线方程具体为：

$P_{opt}=k_{opt}{w}_r^3$

式中：

$k_{opt}=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}\left(\frac{C_{P_{opt}}}{{\mathrm{\λ}}_{opt}^3}\right){\mathrm{\πR}}^5$

${\mathrm{\ω}}_r=\left(\frac{p}{2}\right){\mathrm{G\ω}}_t$

式中：P_opt为风力机捕获的最大功率，k_opt为由风力机空气动力学所确定的功率跟踪系数，ρ为空气密度，C_Popt最优功率转换系数，λ_opt为最优叶尖速比，R为叶片半径，ω_r为转子转速，p为发电机极对数，G为齿轮箱传递系数，w_t为风机旋转角速度。

所述步骤(3)中的转速调节量为：

$\mathrm{\Δ}w=\frac{k_{opt}-k_{de}}{3k_{opt}(1-d\%)}\×w_r\×\frac{\mathrm{\Δ}f}{f_b-f_a}$

其中，k_optk_de分别为减载前后功率跟踪系数，d％表示减载量大小，w_r为转子转速，Δf为频率偏差量大小，f_bf_a为正常情况下电网频率调节上下限，通常情况下电网频率下降不允许超过0.5Hz。

本发明的有益效果：

1、大规模双馈风电并网取代常规同步发电机将导致系统惯量降低从而恶化系统频率暂态稳定性，本发明提出的综合频率控制器能有效的改善这一问题。

2、本发明提出的模拟惯性控制和超速法相结合的综合调频控制方法，具有调频功能完善、调频过程平稳的特点，能够有效减小负荷扰动引起的频率波动幅值和静态频率误差。进一步研究提出的控制量整定方法使DFIG机组参与调频过程具有与传统发电机一样的下垂特性。

3、通过仿真分析验证了DFIG机组采用转速调节综合控制器后，系统频率特性得到有效改善。参与调频过程中转速维持在安全区域内，克服了一般动能控制方法调频时间短并且容易引发切机的问题。

附图说明

图1为典型模拟惯量综合控制方法示意图；

图2为带调速器的常规发电机下垂频率控制特性曲线；

图3为同一风速情况下，DFIG减载示意图；

图4为本发明DFIG转速调节综合控制原理图；

图5为负荷突增时，DFIG参与调频过程中输出功率、捕获功率与转速之间的关系示意图；

图6为减速过程与加速过程中功率变化示意图；

图7为本发明仿真系统算例结构示意图；

图8为本发明实施例负荷L2突增100MW时系统频率响应对比图；

图9为本发明实施例DFIG机组输出有功功率变化曲线；

图10为本发明实施例DFIG机组转速变化曲线；

图11为本发明实施例DFIG机组参与调频过程中输入机械功率变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

1、DF I G机组惯性调频与一次调频特性分析

1.1转子动能控制方法

风力发电机存储在转子中的动能为：

$E=\frac{1}{2}{\mathrm{J\ω}}^2$

式中：J为机械转动惯量，ω为转速。DFIG机组的转速调节范围一般为同步转速±0.2pu，通过控制转子转速变化释放或者吸收转子动能参与系统调频，转速改变前后转子的动能增量为：

$\mathrm{\Δ}E=\frac{1}{2}J({\mathrm{\ω}}_2^2-{\mathrm{\ω}}_1^2)$

式中：ΔE为转子的动能变化量，ω₁和ω₂分别为调频前后转子转速。通过在DFIG转子侧变换器的有功功率参考值上增加一个与系统频率变化相关联的额外有功功率参考值，可以使变速风机利用存储的动能主动响应系统频率变化，模拟常规发电机的频率响应特性。如下图1中虚线框内为典型模拟惯性频率控制器，完整的附加有功频率控制器还包括转速保护模块、转速恢复模块、与常规机组协调模块等辅助控制模块。

图1中附加频率控制器所得有功功率为：

$\mathrm{\Δ}P=-(\mathrm{\Δ}f*\frac{1}{R}+K_f\frac{d\mathrm{\Δ}f}{dt})$

忽略系统损耗，写成类似于常规发电机转子运动方程形式可得：

$(2H_s+K_f)\frac{d\mathrm{\Δ}f}{dt}=P_M-P_E-(D+\frac{1}{R})\mathrm{\Δ}f---\left(1\right)$

式中：H_s为常规发电机的惯性常数，K_f为比例系数，1/R为下垂系数，Δf为系统频率变化量，P_M为风力机输入机械转矩，P_E为输出电磁转矩，D为负载阻尼系数。由(1)式可知，当K_f大于零时能产生与传统发电机类似的转动惯量，1/R大于零时能增加阻尼系数改善频率动态响应性能。

系统频率发生突变时，模拟惯性控制充分发挥了DFIG能快速调节有功输出的特性，利用转子存储的动能使风力机组能提供短暂的有功支持，提高了系统频率的暂态稳定性。但是由于无有功备用容量，因此无法持续为系统提供调频作用，风机转速低于阀值时将退出调频进入转速恢复阶段。

1.2减载控制方法

常规发电机可以通过调速器改变进气阀门开度来调节输入机械功率从而使发电机参与一次调频，带调速器的常规发电机具有下垂特性，其输出功率增量如图2所示与频率偏差成比例变化关系，即：

ΔP＝-K_G*Δf

式中，K_G是机组的单位调节功率，K_G的倒数就是常规发电机组的静态调差系数，即：

$\mathrm{\δ}=\frac{1}{K_G}=\frac{\mathrm{\Δ}f}{\mathrm{\Δ}P}$

为了具有相同的下垂调频特性，DFIG机组处于最大功率跟踪运行模式时应该具有一定的备用容量，否则其只能在频率升高时发挥作用，而频率降低时不能发挥作用。获得备用容量可行的方法有两种：一种方法是超速法，使其正常工作时的运行速度大于最大功率跟踪时的最优转速从而降低风力机组的效率，需要增加输出功率时再控制转速降低使风机能捕获更多的机械功率；另一种方法是增加风机的桨距角以减小捕获风功率。如下图3所示为减载控制示意图：

超速法基于交流变频控制技术，控制速度远比桨距角控制速度快，其主要受最大转速限制有一定控制盲区，因此适用于额定风速以下区域。变桨距法执行机构为机械部件，桨距角调节速度相对较慢导致采用直接桨距角控制的风电机组参与调频的效果不明显，并且变桨系统频繁的动作加剧机械损耗，增加了检修费用容易减短风机使用寿命。因此条件允许的情况下，优先使用超速的方法获得备用容量。

2、DFIG机组转速调节综合控制

风电场具备惯性响应能力能减小系统频率变化率提高系统频率的暂态稳定性，具有备用有功功率能够增大/减小输入机械功率参与系统的一次调频，因此完善的风电场频率调节策略应该同时具备这两种能力。如前文所述，风机获得备用容量可以通过超速法和变桨距法，变桨距法与模拟惯性相结合的方法受到变桨距法自身缺陷限制明显。超速法主要受到速度极值限制，根据风电部门运行统计，风机输出功率超过额定值80％的概率一般不超过运行时间的10％，因而超速控制在大部分情况下都可以适用。转速提高也使风机存储更多可用于调频的动能，因此本发明采用的是超速法与模拟惯性控制结合的方法。

2.1转速调节综合控制原理与调频动态过程分析

风力发电机的捕获的最大风功率可表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{opt}=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρC}}_{p_{opt}}({\mathrm{\λ}}_{opt},\mathrm{\β}){\mathrm{AU}}_w^3\\ C_{p_{opt}}({\mathrm{\λ}}_{opt},\mathrm{\β})=0.22(\frac{116}{{\mathrm{\λ}}_i}-0.4\mathrm{\β}-5)e^{\frac{-12.5}{{\mathrm{\λ}}_i}}\\ \frac{1}{{\mathrm{\λ}}_i}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{opt}+0.08\mathrm{\β}}-\frac{0.035}{{\mathrm{\β}}^3+1}\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中：P_opt为给定风速下风力机捕获的最大功率，ρ为空气密度，C_opt为最优风能转换率，λ_opt为最优叶尖速比，β为桨距角，A为风机扫过的面积，U_w为风速。叶尖速比λ_opt＝w_toptR/U_w，w_topt为风机旋转角速度，R为叶片半径。

由于实际运行中风速较难精确检测，无法直接给出与之相对应的最佳转速，故一般不直接采取转速闭环控制，而是通过控制输入机械功率与电磁功率平衡以此实现对转速的间接控制。不考虑损耗的条件下，DFIG机组以当前转子转速ω_r唯一确定P_opt作为转子侧有功功率控制系统中的有功参考值P_ref，调节转速能方便直接地调节输出功率。由(2)式可得最大功率跟踪曲线方程为：

$P_{opt}=k_{opt}{w}_r^3$

式中：

$k_{opt}=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}\left(\frac{C_{P_{opt}}}{{\mathrm{\λ}}_{opt}^3}\right){\mathrm{\πR}}^5$

${\mathrm{\ω}}_r=\left(\frac{p}{2}\right){\mathrm{G\ω}}_t$

式中：k_opt为由风力机空气动力学所确定的常数，通常由厂家给定，p为发电机极对数，G为齿轮箱传递系数。

如图4所示为控制器的原理框图：电网频率正常时风力机组运行在超速减载状态，当检测到系统频率偏差超过控制死区时，按(5)式根据当前的转速和减载情况输出转速调节量Δw，DFIG机组根据(w_r+Δw)确定给定输出功率参考值。

具体包括：依次连接的频率偏差检测模块、隔直模块、调节量整定模块、延时模块以及速度保护模块；

通过检测电网频率得到实时电网频率信号f_mea输入控制器，将频率信号与频率整定值f_ref比较得到此时电网的频率偏差信号Δf；调节量整定模块根据频率偏差信号Δf以及其它参数按如下(5)式得到转速调节量大小Δω；双馈风力机组根据(w_r+Δω)确定新的最优功率参考值P_ref送给定转子侧变流器，最终达到双馈风机输出功率响应电网频率波动目的。其中：隔直环节能够消除电网稳态频率误差的影响，使偏差信号Δf大于控制死区时控制器才动作。转速保护模块使DFIG机组在转速异常情况下退出调频，并延时一定时间后才能重新投入调频。

与一般模拟惯性控制方法不同，此处调节过程转速一直处于安全区域内，转速保护模块只在故障情况下才动作。延时模块可防止转速恢复过程中频繁投切。

图5所示为系统负荷突增时DFIG机组调频全过程功率-转速变化示意图。

调频前DFIG机组运行在超速减载点2，当系统频率发生较大波动时电磁功率由点2立即增加ΔP_m到点3，此时由于输出电磁功率大于风机捕获机械功率，转子将减速释放动能；由图可见转速降低到最优转速之前风机捕获的机械功率将随w_r减小由点2增加ΔP_w到点4，而电磁功率则随w_r减小由点3减小到点4(点4与MPPT点重合时为调频能力极限)，最终ΔP_w＝ΔP_m时发电机功率达到新的平衡状态，输出功率维持增加ΔP_w参与一次调频。一般情况下，Δf在系统二次调频作用下逐渐减小Δw也随之下降，在风力机组自身控制调节作用下，转子将缓慢加速运行返回减载运行点，加速过程相对减速过程来说时间较长，避免了风机转速恢复过程导致输出功率降低对系统的频率造成冲击。

DFIG参与调频的整个过程，输出功率沿2→3→4→2变化，输入功率沿2→4→2变化，此过程既释放了转子动能分担系统突变的功率，也充分利用了备用容量参与系统一次调频。系统频率突增时的调频过程与上述过程相反，同理可知转子先加速后减速最终返回平衡点。功率变化曲线如下图6所示：

图6中，面积S₁为转子减速过程释放的动能，面积S₂为转子加速过程吸收的动能，加速面积等于减速面积时运行点最终返回起点,即：

$\mathrm{\Δ}E=\frac{1}{2}J(W_2^2-W_4^2)={\∫}_{t_1}^{t_2}(P_m-P_w)dt={\∫}_{t_3}^{t_4}(P_w-P_m)dt$

综上所述，采取转速调节综合控制策略后，DFIG机组根据系统频率波动大小释放转子动能和增加捕获机械功率，有效的支持系统频率稳定，从而改善了风电场接入电网后降低系统惯量的不利影响。由于DFIG通过提高转速存储了更多动能并留有一定的备用容量，整个调频过程转子转速位于安全区域内，因此风机参与调频后不存在切机风险。DFIG机组参与一次频率调整还需整定出合理的静态频率特性，使其具有跟传统发电机一样的下垂特性。

2.2综合控制特性分析及控制

静态调差系数大小对维持系统频率稳定具有重要影响。静态调差系数越小，发电机组调频能力越强，更易保证频率稳定，但实际运行中，过小的静态调差系数可能导致系统内各发电机组间负荷分配不合理，使机组调速系统无法稳定运行,因此DFIG机组参与系统一次调频需对其调差系数合理整定。设超速减载后功率跟踪曲线方程为：

$P_{del}=k_{de}{w}_r^3$

式中：k_de为减载功率跟踪系数。用d％表示减载量大小，最大功率跟踪点与超速点功率关系为：

P₂＝(1-d％)P₁  (3)

则下垂系数可表示为：

${\mathrm{\δ}}_{*}=\frac{1}{{K_G}_{*}}=\frac{{\mathrm{\Δf}}_{*}}{{\mathrm{\ΔP}}_{*}}=\frac{\mathrm{\Δ}f}{f_{0}d\%}$

对于常规发电机δ值一般为3％-5％，电力系统的频率跌落幅度一般不允许超过0.5Hz,因此若风电机组具备与通常汽轮发电机组相似的静态频率特性，机组的减载水平应为20％-33％，可通过调节功率跟踪曲线。为了使DFIG机组具有与图2所示发电机一样的下垂特性，则需要控制调频过程中稳定运行点4的位置。点4的位置不易直接控制，可通过控制点3的突增功率与Δf成正比进而控制点4的位置。DFIG机组调频前运行在减载点2，频率扰动后风电机组输出功率变为：

$P_2^{\′}=P_2+\mathrm{\Δ}P=k_{del}{(w_r+\mathrm{\Δ}w)}^3=k_{del}(w_r^3+3w_r^2\mathrm{\Δ}w+3w_r{\mathrm{\Δw}}^2+{\mathrm{\Δw}}^3)$

在转速调节范围不大的情况下，可认为w_r＞＞Δw,所以：

$k_{del}(w_r^3+3w_r^2\mathrm{\Δ}w+3w_r{\mathrm{\Δw}}^2+{\mathrm{\Δw}}^3)\≈k_{del}(w_r^3+3w_r^2\mathrm{\Δ}w)$

即：

$\mathrm{\Δ}P=k_{de}3w_r^2\mathrm{\Δ}w=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_{max}}{f_b-f_a}*\mathrm{\Δ}f---\left(4\right)$

式中：ΔP_max为图5中突增功率ΔP_m所能达到的极限值，简称为极限调频功率，极限调频功率不宜太大以免转速进入功率不稳定区域。由图5可看出，极限调频功率为最大功率跟踪点(点1)与减载功率曲线上转速相同的点(点5)的之间功率差值。最大功率跟踪点和超速减载点功率分别为：

$P_1=k_{opt}{\mathrm{\ω}}_1^3$

$P_2=k_{de}{\mathrm{\ω}}_2^3$

由(3)式两点的功率关系可得两点的转速关系：

${\mathrm{\ω}}_1={\mathrm{\ω}}_5=\sqrt[3]{\frac{k_{de}}{k_{opt}(1-d\%)}}{\mathrm{\ω}}_2$

将点5转速代入减载功率跟踪曲线方程可得：

$P_5=k_{de}\frac{k_{de}}{k_{opt}(1-d\%)}{\mathrm{\ω}}_2^3=\frac{k_{de}}{k_{opt}(1-d\%)}{P}_2$

所以：

${\mathrm{\ΔP}}_{max}=P_1-P_5=\frac{1}{1-d\%}{P}_2-\frac{k_{de}}{k_{opt}(1-d\%)}{P}_2=\frac{k_{opt}-k_{de}}{k_{opt}(1-d\%)}{P}_2$

将ΔP_max代入(4)式并化简后可得：

$\mathrm{\Δ}w=\frac{k_{opt}-k_{de}}{3k_{opt}(1-d\%)}\×w_r\×\frac{\mathrm{\Δ}f}{f_b-f_a}---\left(5\right)$

其中，k_optk_de分别为减载前后功率跟踪系数，d％表示减载量大小，w_r为转子转速，Δf为频率偏差量大小，f_bf_a为正常情况下电网频率调节上下限，通常情况下电网频率下降不允许超过0.5Hz。

由(4)(5)两式可看出，功率跟踪系数和频率调节范围为整定参数，可根据静态调差系数调整。频率调节范围内Δf∝Δw∝ΔP,从而DFIG机组参与系统一次调频具有与传统发电机一样的下垂特性。

3、仿真分析

本发明基于经典四机两区域系统，在MATLAB/Simulink中搭建了如图7所示的算例系统，其中G1、G3和G4分别为容量为400MW和1000MW的火电厂，2号节点处G2为风电场(风电场由200台1.5MW的双馈风力发电机组成)，风电场额定容量为系统总容量14.2％。负荷L1和L2为恒定有功负荷分别为500MW和1000MW。选取各个发电厂的额定容量为其功率基值，转速基值为DFIG机组的额定转速。

3.1系统负荷突变时频率响应仿真分析

风速为9m/s，调频范围为±0.5Hz，DFIG机组通过超速的方法处于11％减载状态，负载L2在10.0s时刻由1000MW突增到1100MW，导致系统频率降低。图8为DFIG机组分别采取无附加频率控制、一般模拟惯性控制、转速调节综合控制三种控制方式时，负载扰动后系统频率波动曲线对比情况，由图中可看出：

DFIG机组不加控制的情况下频率下降最快且降幅较大，波动幅值已超出要求；

采取一般模拟惯性控制方法能使风力机组响应系统频率波动，有效地抑制了频率波动最大幅值。但是由于风机转速较低所能提供的动能有限，大约10s后风力机组退出调频对系统频率造成二次冲击，随着风电场规模加大冲击效果也将随之加剧；

采取转速调节综合控制策略，频率偏差超过调频控制死区(±0.2Hz)后调频控制发生作用。调频初期依靠转子释放动能有效抑制了系统频率波动，频率最小值由49.38Hz提升为49.66Hz，频率的变化幅值减少了45.1％，对系统惯性支持作用明显，能将频率控制在要求范围内。风力机组不仅在系统频率跌落初期抑制波动，在系统一次调频过程中长时间分担调频发电机的不平衡功率，与无附加控制相比，静态频率偏差减小了约0.05Hz。由于超速法使发电机存储了更多动能并且运行点逐渐向最大功率跟踪点接近，因此DFIG机组全程避免了一般模拟惯性控制方法带来的二次冲击，使频率恢复过程得到改善。

3.2有功功率输出特性分析

图9为频率突增扰动过程中，DFIG机组在三种控制方式下的输出功率变化情况。DFIG机组无附加频率控制时，风力机组运行在最大风能追踪控制模式，其输出功率保持0.225pu对系统频率变化无响应。采用一般模拟惯性控制方法，能够利用存储动能响应系统频率变化因此调频开始时输出功率增加，但是在20s时，频率控制环节因为转速过低被强制切除，这也导致了系统频率的二次冲击。采用转速调节综合控制方法，正常时输出功率由0.225降低到0.2pu(减载11％)，调频开始后输出功率响应系统频率变化快速增加，随着转速和频率偏差减小逐渐减小但是较小速度相对更慢，最终输出功率变为减载前功率，备用容量完全发挥作用，因此DFIG机组能有效参与系统长期调频。

3.3转速变化过程分析

图10为DFIG机组参与调频过程中转速变化情况。DFIG机组无附加频率控制情况下，风电机组运行在最大风能追踪控制模式，机组对系统频率变化无响应，其转速仅根据风速的变化进行调整，保持最优叶尖速比，以追踪最大风能。采用一般模拟惯性控制情况下，转动部分储存的动能有限并且没有可控的能量来源，如果调频过度，最终因为转速过低而强行切除频率控制环节，造成系统频率的二次波动。采用转速调节综合控制方法时，稳定运行时转速由0.85增加到1.02pu存储了更多动能有利于调频，最终转速趋近于最优转速而不是转速下限值因此且无切机风险。

3.4输入机械功率特性分析

图11为DFIG机组参与调频过程中输入机械功率变化情况。从图中可以看出，DFIG机组采用一般模拟惯性控制方法在调频过程中捕获的风功率一直在降低直到退出调频进入转速恢复阶段，转子损失的动能一部分用于系统调频另外一部分用于弥补机械功率损失，这一因素进一步降低了风力机组可调频时间。DFIG机组采用转速调节综合控制的方法，调频过程中捕获风功率一直在增加最大幅度约为0.05pu。

通过仿真分析验证了DFIG机组采用转速调节综合控制策略后，频率特性得到有效改善。参与调频过程中转速维持在安全区域内，克服了一般动能控制方法调频时间短并且容易引发切机的问题。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种模拟惯性与超速相结合的DFIG机组有功频率控制器，其特征是，包括：依次连接的频率偏差检测模块、隔直模块、调节量整定模块、延时模块以及速度保护模块；

实时电网频率信号与频率整定值分别输入频率偏差检测模块得到此时电网的频率偏差信号；频率偏差信号经过隔直模块进入调节量整定模块，调节量整定模块根据频率偏差信号得到转速调节量；转速保护模块使DFIG机组在转速异常情况下退出调频，并延时一定时间后才能重新投入调频。

2.如权利要求1所述的一种模拟惯性与超速相结合的双馈风机有功频率综合控制器的控制方法，其特征是，包括以下步骤：

（1）确定双馈风力发电机捕获的最大风功率，并得到双馈风力发电机最大功率跟踪曲线方程；

（2）电网频率正常工作时风力机组运行在超速减载状态，通过超速法提高转子存储动能并获得调频备用容量；

（3）当检测到系统频率偏差超过控制死区时，根据频率偏差大小、转子转速、超速减载量确定转速调节量，双馈风力机组根据转速调节量和转子转速确定给定输出有功功率参考值；

（4）对双馈风力机组参与系统一次调频时静态调差系数进行整定，使得其具有与传统发电机一样的下垂特性。

3.如权利要求2所述的一种模拟惯性与超速相结合的双馈风机有功频率综合控制方法，其特征是，所述步骤（1）中风力发电机的捕获的最大风功率为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{opt}=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρC}}_{p_{opt}}\left({\mathrm{\λ}}_{opt},\mathrm{\β}\right){\mathrm{AU}}_w^3\\ C_{p_{opt}}\left({\mathrm{\λ}}_{opt},\mathrm{\β}\right)=0.22\left(\frac{116}{{\mathrm{\λ}}_i}-0.4\mathrm{\β}-5\right)e^{\frac{-12.5}{{\mathrm{\λ}}_i}}\\ \frac{1}{{\mathrm{\λ}}_i}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{opt}+0.08\mathrm{\β}}-\frac{0.035}{{\mathrm{\β}}^3+1}\\ {\mathrm{\λ}}_{opt}=\frac{w_{t_{opt}}R}{U_w}\end{array}\right.$

其中，P_opt为给定风速下风力机捕获的最大功率，ρ为空气密度，C_opt为与叶尖速比λ_opt、桨距角β相关的最优风能转换率系数，A为风机扫过的面积，U_w为风速，为风机旋转角速度，R为叶片半径。

4.如权利要求2所述的一种模拟惯性与超速相结合的双馈风机有功频率综合控制方法，其特征是，所述步骤（1）中双馈风力发电机最大功率跟踪曲线方程具体为：

$P_{opt}=k_{opt}{w}_r^3$

式中：

$k_{opt}=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}\left(\frac{C_{P_{opt}}}{{\mathrm{\λ}}_{opt}^3}\right){\mathrm{\πR}}^5$

${\mathrm{\ω}}_r=\left(\frac{p}{2}\right){\mathrm{G\ω}}_t$

式中：P_opt为风力机捕获的最大功率，k_opt为由风力机空气动力学所确定的功率跟踪系数，ρ为空气密度，最优功率转换系数，λ_opt为最优叶尖速比，R为叶片半径，ω_r为转子转速，p为发电机极对数，G为齿轮箱传递系数，w_t为风机旋转角速度。

5.如权利要求2所述的一种模拟惯性与超速相结合的双馈风机有功频率综合控制方法，其特征是，所述步骤（3）中的转速调节量为：

$\mathrm{\Δ}w=\frac{k_{opt}-k_{de}}{3k_{opt}(1-d\%)}\×w_r\×\frac{\mathrm{\Δ}f}{f_b-f_a}$

其中，k_opt、k_de分别为减载前、后功率跟踪系数，d%表示减载量大小，w_r为转子转速，Δf为频率偏差量大小，f_b、f_a分别为正常情况下电网频率调节上、下限。

6.如权利要求2所述的一种模拟惯性与超速相结合的双馈风机有功频率综合控制方法，其特征是，所述步骤（4）中为了使双馈风力机组具有与传统发电机一样的下垂特性，需要通过控制突增功率点的突增功率与频率偏差量Δf成正比，进而控制稳定运行点的位置。