基于双馈风机的调频电源改造方案

Posted 2022-05-04 studyer_domi

摘要：大规模风电集中并网对电网安全稳定运行带来了严重挑战。目前，风电场传统控制结构只响应风速变化，而对于系统的频率调节性能贡献较小。本文提出了在双馈风机直流侧添加储能系统以提高调频能力的电源改造方案。通过分析新结构下原有双馈风机控制策略的不足，提出了响应系统频率变化的换流器控制策略，与风机原有虚拟惯量控制策略与变桨距控制策略结合，实现风电机组对系统频率的综合控制。通过仿真分析，验证了在所提控制方案下变速风电机组具备较好的调频能力，不仅在较大系统中体现对于风电机组外接线近端与远端频率的调节能力，还可以在较小系统中，提高频率恢复速度。

关键词：双馈风机；调频；储能系统；直流侧电容

0  前言

风电出力具有不确定性，使得风电的大规模集中接入给电网安全运行带来挑战。现阶段相关研究均以充分利用风能资源为前提条件，但风电场的调节能力由于辅助设备的匮乏与自身调节能力的羸弱，使得风电场对系统频率缺乏有效的支持能力[1-5]，含风电场电网的运行安全性受到了潜在威胁。

为提高风电的可接纳容量，促进与电网的协调发展，建设“电网友好型”风电场逐渐成为风力发电发展的趋势。在确保自身稳定运行的前提下，风电机组应具备常规机组对电网提供动态支持的友好特性，调频能力是其中重要的一方面。

针对风电场参与系统频率调整，理论研究更多关注风电机组的惯性控制和一次调频控制。文献[6-7]总结了惯性控制、转子超速控制与变桨距控制三种较为成熟的风机调频控制策略。通过对比可知，以惯性控制响应速度最快，以变桨距控制调节能力最强。现阶段多采用组合控制方式，以发挥不同调频手段的优点。但受制于风速变化与机组运行状态的影响，风机自身调频策略的容量可信度难以保证。通过添加辅助设备增加风电调频能力的研究集中在添加储能设备平抑风电出力波动[8-15]。文献[16]中DFIG与传统火电机组结合，提出电网限负荷条件下综合减载控制策略。文献[17]将飞轮储能与双馈风机（Double-Fed Induction Generator，DFIG）在并网点相连，系统依靠飞轮装置承担风电场的有功控制与调频需求，容易造成储能容量大，成本高的问题。文献[18]将风电自身调频手段与储能有机结合起来，从宏观角度上分析，用储能弥补前者在响应速度与容量可信度等方面的不足的方案可行性，可以使风电具备全风况下的惯性响应与频率调节能力，并提高系统的整体技术经济性。

为提高风电机组的调频能力，本文通过分析常用风电机组DFIG的传统控制结构及一次调频特性，提出添加储能系统以提高风机调频能力的电源改造方案，为风机更好地发挥类似传统机组的调频能力提供改造方法。通过在直流侧添加储能系统，以保证直流侧电容电压的稳定，通过对比添加前后系统模型的变化阐述网侧换流器控制结构改变的必要性及具体改变。为验证所提风机结构及控制策略的前提下风机调频能力的增强，本文基于传统连接无穷大电网的双馈风机的基础上，分析了风机连接无穷大电网时对于频率变化过程的改善与风机连接同步发电机与负荷时对于频率的调节作用。