变速恒频双馈风电机组对提高微网动态特性的协调控制研究

Inertia of the distributed generation based on power electronic interface is small relative to the conventional synchronous generator, which makes the microgrid lack of inertia. During micogrid translate from grid into islanding operation mode, microgrid cannot establish power balance instantly, which relult in the voltage frequency fluctuation and influence the stability of the microgid. In this project, a control strategy is proposed for the a variable speed constant frequency wind turbine with doubly fed induction generator(DFIG) to coordinate with distributed generators as microturbine and the fuel cell, and participate in primary frequency control and voltage regulating support. This can improve the dynamic behavior of a microgrid system during transfer from normal to islanding mode operations. In the primary frequency control, DFIG the wind generator rotor kinetic energy control is released or absorpted to participate microgrid primary frequency control by adjusting the wind generator rotor speed. In the voltage control, DFIG wind generator rotor side converter control is proposed to support microgrid transient voltage regulation, and the overspeed and the voltage instability are avoided through pitch angle control to reduce the variable speed wind turbine mechanical torque effectively. As the result, the transient voltage stability of DFIG wind turbine is improved, and transient voltage support ability to the micogrid is provided.

基于电力电子装置接口的分布式电源相对于常规同步发电机惯性很小，使得微网缺乏惯性。在微网从并网向独立运行切换过程中，微网由于缺乏惯性无法瞬间建立能量平衡，微网电压频率波动较大，不利于微网的稳定运行。本项目将变速恒频双馈风电机组频率电压控制的快速性、暂态性与微网中微型燃气轮机、燃料电池等分布式电源的延时性、持续性相配合，协调控制，提高微网的动态特性。在微网频率控制中，DFIG 风电机组采用转子动能控制，通过调整风电机组转子转速释放或吸收转子部分动能参与微网调频；在微网电压控制中，对DFIG风电机组转子侧变频器进行暂态电压控制以控制风电机组发出无功功率支持微网电压，并通过桨距角控制有效降低变速风电机组机械转矩，避免出现风电机组超速及电压失稳，从而改善DFIG风电机组的暂态电压稳定性，为微网提供暂态电压支持能力。

微电网由并网运行模式转孤岛运行模式的平滑切换是微电网供电可靠性研究的重要内容。为提高切换过程的暂态稳定性，针对风光储互补型微电网，在考虑有功功率缺额情况下，设计并提出了基于双馈感应风机有功功率综合控制模型的微电网平滑切换控制策略，利用风机和蓄电池的协调控制减小切换过程的暂态波动。该综合控制模型包括最大功率跟踪控制模块、虚拟惯性控制模块、转速恢复模块和转速保护模块。虚拟惯性控制和蓄电池的协调作用实现了微网运行模式的平滑切换，转速恢复模块和转速保护模块确保了双馈风机安全、稳定运行。微电网孤岛模式下的频率稳定性是微电网安全稳定运行的重要因素。为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。通过在双馈感应风电机组(DFIG)中加入虚拟惯量控制环节，增加了微网惯性，释放转子中储存的部分动能为微电网频率提供动态支持。为解决虚拟惯性控制环节加入后转子转速恢复过程中DFIG的有功功率再次跌落问题，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，通过试错法分析了不同风速下参数取值对微网频率的影响，制定了不同风速下的DFIG虚拟惯量控制系数曲线与功频静态系数曲线，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。利用DFIG无功调节能力参与微电网电压控制，考虑到中低压微网线路参数RX比值较大的特性，在传统下垂控制中增加LRT矩阵，提高微网电压稳定性。最后在DigSILENT PowerFactory软件平台上搭建了包含柴油机、DFIG、光伏电池的微电网模型，验证了方法的有效性。本项目研究结果对提高风电渗透率较高的微电网的频率、电压稳定性有显著效果，具有较高的科学意义。