华北石油管理局有限公司电力分公司 河北省沧州市 062550
摘要：文中针对不确定性风电并网产生的无序冲击的问题，对双馈风电机组的负荷频率控制进行了深入研究。首先，建立双馈风电机组模型并研究其在不同风速下的运行机理；然后，对含双馈风机的电网施加基于内模控制的负荷频率控制方法，以抑制风力发电对区域电网的不良影响，达到更好地调节系统频率的目的；最后通过Simulink/Matlab作为仿真平台搭建仿真模型验证该控制方法的有效性。
关键词：双馈风力发电机；飞轮储能；负荷频率控制；仿真模型
1 引言
能量是人们赖以生活和社会能够继续发展的基石。能量采集方式的改善和提升促使了社会发展和人们生活水平的提高[1-4]。新型能源的出现为以传统化石能源为基础的电能获取方式打开了新的局面，其中风能由于其清洁、安全，并能持续不断地提供能量等特点，成为最具发展前景的新型能源之一。随着大规模风电接入系统，风能由于其较大的波动性和间歇性造成较大的电力系统频率波动，对电网的安全稳定运行带来了巨大的挑战。
负荷频率控制能够有效降低由于风能的无序冲击等原因导致的电网频率变化。文献[5]通过调整PI控制器降低了由于风电的不稳定性造成的电网频率变化。文献[6]提出了一种基于补偿灵敏度PID法施加负荷频率控制。文献[7]将自抗扰控制应用到了含风电的互联电网中来进行负荷频率控制。文献[8]将惯性控制引进风机控制中，由于惯性控制策略增加了系统的总惯量，增加了风机对系统的调节能力。
本文在风速不断变化的情况下，采用惯性控制策略控制各个风电机组，即当负荷的变化使电力系统的频率受到干扰时，风力发电机可以参与到系统的负荷频率控制中，使其降低由于风速变化导致的电网频率的波动。
2 双馈风电机组
2.1双馈风机模型
双馈风机有以下几个重要的组成部分：风轮，机械传动部分，双馈发电机，变频器，励磁系统，控制系统。“双馈”意味着电网向风机定子供给电压，变流器向风机转子供给电压。该双馈机系统能够在被限定的范围下改变速度转动。
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图1 双馈风机模型
这使得分别向风机定子和转子供给能量有了可能性。双馈风力机的基本结构如图1所示。
有许多方法可以模拟实际风速。本文使用了实际风速可以分解成的几个相对重要的风速来建立模型：基本风，阵风，阶跃风和随机风。实际风速可以用以下这个公式来表达：
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（1）
式中：
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是风速的基本构成部分，为不变的值；
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为阵风分量；
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为阶跃风分量；
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为随机风分量。
2.2双馈风机运行机理
通过控制双馈风机转子侧绕组上的转换器来实现定子侧绕组上的恒定频率恒定电压输出的目的。在双馈风机在稳定情况下，定子侧和转子侧的磁场处在相对稳定的状态，由于风机定子里的三相电流相位互差三分之一个周期且全为正弦产生了转动磁场并以角速度
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来转动，由于其转子的励磁电流一直转动也可以生成一个不停转动的磁场，其转动速度为
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：
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（2）
式中：
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是定子电流产生的磁通的角速度；
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是励磁电流产生的磁通的角速度；
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为是风机的转子旋转的角速度；s为转差率；
由上述等式可以看出，通入转子的直流电流产生的磁通的角频率是
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，其与转子的转差率s有一些联系。根据该公式
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，通入风机转子的直流电流产生磁通的频率与流过风机定子的交流电流产生磁通频率的关系由以下公式表示：
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（3）
式中：
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是通入风机转子的直流电流产生磁通；
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是流过风机定子的交流电流产生磁通的频率；s为转差率。
双馈风机系统运行的根本的原理是，电动机转速n改变时，由调节转子侧励磁电流的频率
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可以使定子输出的频率
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维持不变。双馈风机的转速变化可分为三中类型：（1）次同步运行；（2）超同步运行；（3）同步运行状态。
3 含双馈风机的负荷频率控制
3.1 风电机组的负荷频率调节模型
图2为包含风机的负荷频率调节模型。
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图2 风力机组的负荷频率调节模型
上图中，
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是传统发电机发出的有功，
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是风机功率。
3.2 采用惯性控制策略的双馈风机负荷频率控制分析
惯性控制策略的思想为：利用“虚拟”惯性控制信号增加系统的虚拟总惯量，改善因风机的接入导致的系统惯量降低产生的不良影响。其实没有实际上増加系统的总惯性，増加的是虚拟惯量，“虚拟”惯量参考信号由频率信号和转速信号共同作用获取。图3显示了惯性控制模型示意图：
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图3 简化的惯性控制模型
上图中：
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是风机转子的旋转速度，
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是风机转子的最佳的旋转速度频率变化信号
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由下式表示为：
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（4）
在等式（4）中，
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通过高频滤波器
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，让高频信号能够穿过。
因为本文考虑了风机输出功率的变化，故
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为持续变化的。得到“虚拟”惯性控制的参考信号中的转速功率调节信号
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由下式表示为：
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（5）
通过等式（4），式（5）得到“虚拟”惯性控制的参考信号：
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（6）
频率开始变化时
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，所以可得到：
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（7）
根据式（4）可以得到以下关系：
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（8）
代入式（7）得：
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（9）
从式（9）可以看出，在惯性控制策略下，当
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时，整个电网实际的总惯性从
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变到
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，此控制策略实际上是提高了电网中虚拟的惯性系数，实现了惯性控制的目的。
通过上述分析，将惯性控制策略应用于双馈风机的负荷频率控制中可以增加系统的总惯性，相当于双馈风机参与了系统的频率调节。故风机通过惯性控制很好地改善了系统由于负载的改变而引起的频率的波动，提高系统的稳定性。
4 算例仿真分析
本文采用含双馈风机的两区域电网进行仿真验证，其负荷频率控制的原理图如下所示：
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图4 含风力机组的两区域负荷频率控制
具体参数为：区域一的参数为
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，
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，
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，
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，
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。区域二的参数
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，
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，
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，
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。第一个区域和第二个区域风电渗透率分别为8%和15%。第一区和第二区均在
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和
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遇到
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负载瞬间的变化。
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图5 两个区域在不施加控制和施加惯性控制对比波形图
上图中：（a）部分为区域一不施加控制和施加惯性控制对比波形图；（b）部分为区域二不施加控制和施加惯性控制对比波形图。
由图5可知采用惯性控制策略对区域电网进行负荷频率控制能很好地改善电网频率波动。
5 结论
针对风电并网产生的冲击问题，本文首先通过建立仿真双馈风机模型和含双馈风机的区域电网模型；然后采用惯性控制策略对风机进行负荷频率控制；最后通过仿真验证采用惯性控制策略的含风机电网负荷频率控制方法可有效降低风速变化导致的电网频率波动。
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