胥心怡, 武家輝，姚磊，張強

(1.可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)控制教育部工程研究中心(新疆大學(xué)),烏魯木齊市 830047；2.國網(wǎng)新疆綜合能源服務(wù)有限責(zé)任公司，烏魯木齊市 830011)

0 引 言

目前風(fēng)電接入比例越來越高，這使包括頻率穩(wěn)定在內(nèi)的電力系統(tǒng)維持穩(wěn)定性及安全性面臨著巨大的挑戰(zhàn)。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(doubly-fed induction generator，DFIG)采用了矢量控制技術(shù)，具有功率解耦控制、最大風(fēng)能跟蹤、高風(fēng)能利用率等優(yōu)點，是風(fēng)電市場的主流機型。DFIG因為其運行特性，沒有常規(guī)機組所具備的慣性響應(yīng)能力，因此風(fēng)機在大規(guī)模并網(wǎng)后，使電力系統(tǒng)的慣性響應(yīng)能力明顯降低，同時也導(dǎo)致了含風(fēng)電電力系統(tǒng)的慣性顯著減弱。當(dāng)電力系統(tǒng)遇到擾動時，頻率不能夠保持在規(guī)定的范圍中波動，將會對系統(tǒng)整體的安全穩(wěn)定性造成一定影響[1]。若內(nèi)部存在的慣量過少，將加快系統(tǒng)頻率跌落的速度。為了加強電網(wǎng)對風(fēng)電的接納能力，需對風(fēng)電機組的控制模塊或者控制方法做出改進，使其提供一定的慣量支撐。

在電力系統(tǒng)出現(xiàn)功率缺額情況下，頻率最初的跌落速度以及頻率跌落的最低值、維持的時間與電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的能力等一些關(guān)鍵因素和電力系統(tǒng)整體的慣性響應(yīng)能力密不可分[2]。DFIG的機電解耦特性易造成系統(tǒng)整體等效慣量的降低和電網(wǎng)頻率特性惡化等問題，這類問題能夠通過虛擬慣量控制的方法來進行改善[3]。目前，對于提升存在風(fēng)電接入的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法已有一些研究。文獻[4-5]把重點放在了討論DFIG并網(wǎng)對整體慣量水平以及頻率變化過程的影響，只從理論上分析了風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)在虛擬慣量控制作用下的暫態(tài)穩(wěn)定影響機理，沒有考慮復(fù)雜故障情況時的影響。文獻[6]提出一種能夠提高系統(tǒng)虛擬慣量的自適應(yīng)控制策略，但所采用的慣量控制方法使系統(tǒng)產(chǎn)生不同程度的振蕩。文獻[7]推導(dǎo)出虛擬同步發(fā)電機控制器參數(shù)與虛擬慣量之間的關(guān)系，所提出的協(xié)調(diào)控制方法受控制器參數(shù)影響較大。文獻[8-9]中的虛擬慣量控制方法，著重研究了風(fēng)電機組虛擬慣量控制參數(shù)的變化范圍，但系統(tǒng)控制效果對參數(shù)要求較高，在實際運行中對維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定效果并不大。文獻[10-11]提出的慣量控制策略能夠有效提高電力系統(tǒng)頻率的動態(tài)響應(yīng)性能，使系統(tǒng)穩(wěn)定性得到顯著改善。上述文獻的研究減少了大規(guī)模DFIG接入電網(wǎng)引起頻率擾動的效果，但是上述文獻都未對風(fēng)機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速做出相應(yīng)的優(yōu)化。文獻[12]利用控制風(fēng)機的轉(zhuǎn)子達到頻率支撐的目的，并通過頻率控制策略，得到最優(yōu)的輸出功率曲線。文獻[13-14]表明了目前針對風(fēng)電機組虛擬慣量控制方面的研究主要是通過風(fēng)電機組轉(zhuǎn)子動能提供慣性支撐，沒有考慮采用協(xié)同控制的方法。文獻[15-16]均提出采用協(xié)同控制策略在系統(tǒng)功率缺額時提供瞬時功率支撐并為電網(wǎng)提供較長時間的頻率支撐。但沒有具體討論協(xié)同虛擬慣量控制技術(shù)在不同工況時對DFIG并網(wǎng)系統(tǒng)的影響。

針對DFIG并網(wǎng)系統(tǒng)的慣量特性，對基于DFIG轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制和虛擬慣量控制協(xié)同控制下風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的出力變化展開分析。從DFIG的電磁轉(zhuǎn)矩方程出發(fā)，考慮風(fēng)機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化對系統(tǒng)慣量的影響，從理論上推導(dǎo)出有功控制的表達形式，控制風(fēng)電中的虛擬慣量，搭建轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制模塊及虛擬慣量控制模塊，并深入討論在不同工況下協(xié)同慣量控制對含風(fēng)電的電力系統(tǒng)中風(fēng)電慣量支撐能力的影響。研究結(jié)果可以為含風(fēng)電的電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行提供理論支撐。

1 DFIG的虛擬慣量特性

1.1 DFIG電磁轉(zhuǎn)矩控制

在dq坐標下建立DFIG的暫態(tài)模型，ψsd、ψsq、ird、irq、ωr為狀態(tài)變量。得到DFIG在dq坐標軸下的磁鏈方程：

(1)

式中：ψsd、ψsq為定子磁鏈的dq軸分量；ψrd、ψrq是轉(zhuǎn)子磁鏈的dq軸分量；isd、isq為定子電流的dq軸分量；ird、irq為轉(zhuǎn)子電流的dq軸分量；Lm表示定子繞組間的互感，也表示轉(zhuǎn)子繞組間的互感；Ls表示定子繞組本身的自感；Lr表示轉(zhuǎn)子繞組本身的自感[17]。此外，電壓方程為：

(2)

式中：usd、usq為定子電壓的dq軸分量；urd、urq表示轉(zhuǎn)子電壓的dq軸分量；Rs和Rr分別為定子和轉(zhuǎn)子繞組各相電阻；ω1、ωs分別為發(fā)電機的同步角速度、轉(zhuǎn)差角速度；p為微分算子。轉(zhuǎn)矩方程為：

Te=npLm(isqird-irqisd)

(3)

式中：Te為電磁轉(zhuǎn)矩；np為DFIG的極對數(shù)。

將式(1)代入式(2)簡化后：

(4)

式中：us表示定子電壓矢量的幅值。

結(jié)合式(2)得到電壓方程：

(5)

DFIG選擇定子磁鏈定向矢量控制后，其輸出的有功功率與無功功率的表達式更加簡潔，有利于對系統(tǒng)的精確計算，從而使變換器控制變得簡單。定子磁鏈定向矢量控制是高性能調(diào)速方法，不易受到轉(zhuǎn)子參數(shù)影響，但易受積分過程的影響，若控制目標為系統(tǒng)功率，控制系統(tǒng)的特性最佳[18]。采用該方法時，忽略定子電阻的電壓，則磁鏈方程為：

(6)

式中：ψs表示風(fēng)力發(fā)電機定子中含有的磁鏈幅值。

電流方程：

(7)

當(dāng)定子輸出的有功及無功保持一定時，令式(4)中微分項為0得到：

(8)

將電壓方程、電流方程代入式(3)能夠得到電磁轉(zhuǎn)矩方程：

(9)

可以通過電磁轉(zhuǎn)矩與q軸轉(zhuǎn)子電流之間的關(guān)系，來改變風(fēng)電機組的電磁轉(zhuǎn)矩從而控制有功功率，實現(xiàn)虛擬慣量控制。

1.2 DFIG轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制

DFIG的主要控制系統(tǒng)有轉(zhuǎn)速控制模塊、轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制模塊和電網(wǎng)側(cè)變換器控制模塊。轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)包括風(fēng)機電磁轉(zhuǎn)矩控制和槳矩角控制。發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩起到控制轉(zhuǎn)子側(cè)變換器和網(wǎng)側(cè)無功功率的作用。

若某一時刻風(fēng)速發(fā)生突變時，要改變轉(zhuǎn)速參考值，選擇忽略無功電壓對系統(tǒng)的影響，轉(zhuǎn)子電流有急劇的變化，可以得到與電磁轉(zhuǎn)矩相關(guān)聯(lián)的變換器電流內(nèi)環(huán)控制模型[19]。該變換器的電流內(nèi)環(huán)控制模型可簡化成：

(10)

式中：Gq(s)為電機傳遞函數(shù)；τ為變換器慣性響應(yīng)時間常數(shù)[20]；s表示復(fù)參數(shù)。

風(fēng)電機組用改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的方式來改變輸出功率，從而達到慣性響應(yīng)的目的，電網(wǎng)頻率變化過程中瞬時時刻的功率增量決定慣性響應(yīng)的能力。DFIG轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制是在電網(wǎng)頻率波動的過程中，用改變雙饋風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，控制發(fā)電機的輸出功率，對含風(fēng)電的電力系統(tǒng)進行暫態(tài)的功率支撐[21]。建立如圖1所示的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制模塊，圖中：Tmax和Tmin分別為電磁轉(zhuǎn)矩的最大值、最小值。

圖1 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制模塊Fig.1 Modules of rotor speed control

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制模型為：

(11)

通過上述分析可知，雙饋風(fēng)力發(fā)電機的電磁功率會在系統(tǒng)出現(xiàn)故障的情況下有所降低，造成風(fēng)電機組運行加速。由于雙饋風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制模塊主要存在于轉(zhuǎn)子側(cè)的變換器中，當(dāng)風(fēng)機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化時，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器會快速動作，因此通過控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速來控制輸出電磁轉(zhuǎn)矩的變化，實現(xiàn)對有功功率的控制。從而得出，利用DFIG的轉(zhuǎn)速特性可以達到調(diào)整雙饋風(fēng)力發(fā)電機輸出有功功率的目的，對外表現(xiàn)出慣量特性，有益于提高電網(wǎng)的暫態(tài)性能，進而提高慣性響應(yīng)能力[22]。

隨著風(fēng)電滲透率的增加，在無虛擬慣性響應(yīng)狀態(tài)下，含風(fēng)電的電力系統(tǒng)的慣性響應(yīng)能力逐漸降低；當(dāng)風(fēng)電伴隨虛擬慣性響應(yīng)時，含風(fēng)電的電力系統(tǒng)頻率變化率明顯降低，機組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降低，釋放動能，系統(tǒng)慣性時間會短暫增加，慣性響應(yīng)能力有所提升，給DFIG并網(wǎng)提供慣量支撐。

2 基于協(xié)同慣量控制的DFIG并網(wǎng)策略

2.1 DFIG的虛擬慣量控制模塊

虛擬慣量控制的主要作用在系統(tǒng)頻率變化過程的初始階段，抑制頻率的快速波動。本節(jié)中，虛擬慣量控制是在雙饋風(fēng)力發(fā)電機的有功功率控制系統(tǒng)中附加功率控制模塊，將系統(tǒng)頻率實時變化率作為控制過程的輸入，通過改變轉(zhuǎn)子側(cè)變換器電流參考值改變電磁轉(zhuǎn)矩，虛擬出與同步機組一樣的慣性效應(yīng)，響應(yīng)系統(tǒng)頻率的變化[23]。

在慣性響應(yīng)過程中，DFIG的動能變?yōu)椋?/p>

(12)

式中：ΔEDFIG為DFIG機組動能的變化量；JDFIG為DFIG機組的轉(zhuǎn)動慣量；ωr0為DFIG轉(zhuǎn)子初角速度；P、SN分別為DFIG機組極對數(shù)、額定容量。

為了更好地實現(xiàn)風(fēng)電機組在系統(tǒng)頻率波動時抑制波動和減小頻率差的能力[24]，利用在轉(zhuǎn)子動能參與電力系統(tǒng)調(diào)頻時，將虛擬慣量控制模塊引入風(fēng)電機組有功功率控制系統(tǒng)中。

當(dāng)DFIG加入虛擬慣量控制時，其動能變化為：

(13)

式中：Jequ為DFIG機組的虛擬轉(zhuǎn)動慣量；ωs0、Δωs分別為系統(tǒng)初始同步角速度、同步角速度增量。

由式(12)和式(13)得到DFIG虛擬轉(zhuǎn)動慣量：

(14)

在風(fēng)電機組功率控制系統(tǒng)里加入附加環(huán)節(jié)，將DFIG的旋轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)變成電磁功率后再輸出，可以在一定時間內(nèi)響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化，這類比于常規(guī)發(fā)電機組的慣量變化機理。該附加環(huán)節(jié)主要是以系統(tǒng)頻率為輸入信號，建立起系統(tǒng)頻率與風(fēng)電機組有功功率之間的關(guān)系式，利用DFIG的電磁轉(zhuǎn)矩來響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化。所建立的虛擬控制模塊如圖2所示。圖中：fs為系統(tǒng)頻率；fn為系統(tǒng)額定頻率，為50 Hz。

圖2 虛擬慣量控制模塊Fig.2 Modules of virtual inertia control

進而可以得到虛擬慣量控制模塊電磁轉(zhuǎn)矩增量為：

(15)

2.2 協(xié)同慣量控制策略

當(dāng)風(fēng)速過低時，風(fēng)機轉(zhuǎn)子中儲存的慣量也相對較少，在風(fēng)機并網(wǎng)時能夠給系統(tǒng)釋放的慣量相對會降低；當(dāng)處于中高風(fēng)速或者額定風(fēng)速時，風(fēng)機轉(zhuǎn)子中包含一定的慣量，對維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性起到更顯著的作用，通過對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速進行控制，可以給予系統(tǒng)更多的虛擬慣量支撐。若只采用虛擬慣量控制方式，風(fēng)機轉(zhuǎn)子不能給予系統(tǒng)足夠的慣量支撐時間，且轉(zhuǎn)子慣量釋放完后，電網(wǎng)頻率如果不能在短時間內(nèi)進行恢復(fù)，有可能造成系統(tǒng)頻率的再次跌落，無法短時間內(nèi)對系統(tǒng)穩(wěn)定性進行有效改善[25]。而協(xié)同慣量控制能夠把轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制與雙饋風(fēng)力發(fā)電機虛擬慣量控制有效結(jié)合起來，在控制方式上達到互補，從而達到維持系統(tǒng)穩(wěn)定性最佳效果。

通過改變電磁轉(zhuǎn)矩，能夠?qū)崿F(xiàn)DFIG虛擬慣性響應(yīng)，電磁轉(zhuǎn)矩的變化量決定風(fēng)電機組的慣性時間常數(shù)值。本節(jié)計算雙饋風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)時系統(tǒng)中電磁轉(zhuǎn)矩增量，并建立如圖3所示的協(xié)同慣量控制模塊。

圖3 基于協(xié)同慣量控制的DFIG模型Fig.3 DFIG model based on cooperative inertia control

圖3中，虛擬慣量控制模塊和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制模塊相互作用于系統(tǒng)慣性響應(yīng)的全過程，因此電磁轉(zhuǎn)矩參考增量的構(gòu)成如下：

(16)

(17)

DFIG發(fā)電機轉(zhuǎn)子運動方程：

(18)

(19)

式中：HDFIG為慣量響應(yīng)時間常數(shù)；Tmech為機械轉(zhuǎn)矩。

當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時，轉(zhuǎn)子運動方程為：

(20)

則增量表示的轉(zhuǎn)子運動方程為：

(21)

將電磁轉(zhuǎn)矩增量ΔTem代入式(21)，得到頻域方程：

(22)

變換器響應(yīng)時間常數(shù)很小，在此取τ=0得到：

(23)

3 仿真分析

為了驗證虛擬慣量控制和DFIG轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速協(xié)同控制策略調(diào)節(jié)雙饋風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)系統(tǒng)有功出力及頻率調(diào)節(jié)的有效性，用Matlab/Simulink建立如圖4所表示的風(fēng)機并網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型。分析風(fēng)電并入電網(wǎng)下風(fēng)機有功響應(yīng)特性，進一步研究虛擬慣量控制和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制接入后系統(tǒng)的慣性響應(yīng)能力，對DFIG并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及慣量支撐能力展開分析。

圖4 風(fēng)機并網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型Fig.4 Simulation model of wind power grid-connection system

KpT和KiT決定了DFIG受到擾動后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的恢復(fù)時間。因此在圖4所示的仿真系統(tǒng)中設(shè)置不同的控制參數(shù)KpT和KiT，結(jié)合仿真曲線對不同控制器參數(shù)在控制模塊中的變化進行分析。在圖5中虛擬慣量控制參數(shù)KpT值依次取-3、-2、-1觀察系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖5 KpT的變化對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響Fig.5 The influence of KpT change on the stability of the system

KpT保持-2不變，組合調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速控制模塊中積分系數(shù)KiT，依次取-1、1、3，得到系統(tǒng)有功出力變化曲線圖，如圖6所示。

圖6 KiT的變化對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響Fig.6 The influence of KiT change on the stability of the system

3.1 不同工況下協(xié)同慣量控制的并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

3.1.1 風(fēng)速突變時風(fēng)機并網(wǎng)系統(tǒng)的有功功率出力分析

風(fēng)速具有隨機性且預(yù)測準確性差，風(fēng)電機組的輸出功率與風(fēng)速的3次方成正比，小幅的風(fēng)速波動也會對有功出力造成很大的影響。由于風(fēng)速波動特性造成風(fēng)電功率的波動，從而對系統(tǒng)頻率產(chǎn)生影響。本節(jié)在風(fēng)機并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行后的第40 s設(shè)置了如圖7所示變化范圍在8 ～14 m/s的階躍風(fēng)，采用協(xié)同慣量控制對該系統(tǒng)的輸出功率和有功支撐時間進行對比分析。

圖7 階躍風(fēng)速Fig.7 Step wind speed

圖8給出了在風(fēng)速突變情況下無附加控制與協(xié)同慣量控制下DFIG并網(wǎng)系統(tǒng)有功特性的變化曲線。由圖8可知，在第40 s時無附加控制的風(fēng)機并網(wǎng)系統(tǒng)的有功功率受到階躍風(fēng)速的影響，輸出功率突增后有明顯跌落，波動持續(xù)時間較長，恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)速度較慢。而基于協(xié)同慣量控制下的風(fēng)機并網(wǎng)系統(tǒng)受到階躍風(fēng)的影響較小，風(fēng)速達到14 m/s時能夠較好地適應(yīng)風(fēng)速突變情況。在系統(tǒng)輸出功率發(fā)生跌落到趨于穩(wěn)定的時間段內(nèi)，輸出功率相比于無附加控制時有較小幅度地波動，風(fēng)電機組能夠響應(yīng)且提供了一定的功率支撐。

圖8 階躍風(fēng)速下系統(tǒng)的有功出力Fig.8 Active power output of the system under step wind speed

3.1.2 短路故障下風(fēng)機并網(wǎng)系統(tǒng)的有功出力特性分析

雙饋風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)系統(tǒng)在第40 s發(fā)生單相接地故障，設(shè)置故障持續(xù)的時間為0.02 s，風(fēng)電機組釋放有功功率，如圖9所示。從圖9中可知，不含附加控制的DFIG并網(wǎng)系統(tǒng)比協(xié)同慣量控制系統(tǒng)釋放更多的有功功率。第40.02 s故障切除后，含協(xié)同慣量控制系統(tǒng)釋放和吸收的有功功率均比無附加控制系統(tǒng)少，同時含協(xié)同慣量控制的DFIG并網(wǎng)后系統(tǒng)趨于穩(wěn)定的速度更快。

圖9 單相接地時系統(tǒng)的有功功率Fig.9 Active power of the system when single-phase grounded

圖10給出發(fā)生兩相接地故障時DFIG并網(wǎng)系統(tǒng)的有功功率輸出曲線。從圖10中可知，DFIG在協(xié)同慣量控制的作用下減少有功出力，同時也從系統(tǒng)內(nèi)部吸收更少的有功功率。在DFIG有功跌落時間段內(nèi)，協(xié)同慣量控制對有功特性的作用并不大，二者有功出力基本一致。

在兩相短路故障瞬間，協(xié)同慣量控制下的雙饋風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)系統(tǒng)有功功率跌落較低，如圖11所示。從圖11中可以看到，通過DFIG快速的有功功率控制體現(xiàn)出更大的虛擬慣量，仿真結(jié)果證明了上述理論分析的準確性。

三相短路時系統(tǒng)的有功功率曲線如圖12所示。圖12所示工況中DFIG在有功輸出恢復(fù)階段系統(tǒng)仍然處在振蕩過程中，這段時間內(nèi)協(xié)同慣量控制動作，為系統(tǒng)提供了可觀的功率支撐，但短暫的功率支撐引起系統(tǒng)較大功率波動。但是在40.05 s時，協(xié)同慣量控制使系統(tǒng)輸出功率二次跌落的幅度減小，改善了系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性。

圖10 兩相接地時系統(tǒng)的有功功率Fig.10 Active power of the system when two-phase grounded

圖11 兩相短路時系統(tǒng)的有功功率Fig.11 Active power of the system when phase-to-phase short circuit

圖12 三相短路時系統(tǒng)的有功功率Fig.12 Active power of the system when three-phase short circuit

3.2 復(fù)雜故障下DFIG并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

針對含風(fēng)電的電力系統(tǒng)中DFIG在復(fù)雜故障下不同的出力情況，通過對控制模塊參數(shù)進行調(diào)整，來滿足對DFIG輸出有功功率的控制，分析比較僅含虛擬慣量控制及附加DFIG轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制時并網(wǎng)系統(tǒng)頻率、有功出力的變化過程。

不同慣量控制下系統(tǒng)有功出力對比如圖13所示。通過圖13可以看出，在復(fù)雜故障下，DFIG未加虛擬慣量控制時，其有功出力在增加的同時引起了較大振蕩。接入虛擬慣量控制后，僅能夠給予系統(tǒng)較少的虛擬慣量支撐。

圖13 不同慣量控制下系統(tǒng)有功出力對比Fig.13 System active power output comparison under different inertia controls

當(dāng)接入轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制后，兩種控制模塊對風(fēng)電機組進行協(xié)同控制，風(fēng)機啟動后迅速達到穩(wěn)定狀態(tài)，風(fēng)機的轉(zhuǎn)子能夠控制其自身的轉(zhuǎn)速并轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)子內(nèi)部隱藏的動能，向電網(wǎng)提供的有功功率變多。第40 ～40.02 s風(fēng)機受到擾動時，功率變化得到了一定的抑制，有功出力穩(wěn)定性有所提升。DFIG在動作過程中，吸收了其中部分突變功率，對風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)功率恢復(fù)提供了短暫的補償。擾動過后，風(fēng)機輸出功率逐漸回歸穩(wěn)定，為系統(tǒng)補償了一定的有功缺額，可以看出DFIG并網(wǎng)系統(tǒng)有功出力相應(yīng)增加。

當(dāng)在風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)中引入虛擬慣量控制，可使風(fēng)電機組具有更大的慣性，且隨著慣性響應(yīng)能力的提高，含風(fēng)電的電力系統(tǒng)頻率變化幅度逐漸減弱，可以更好地維持并網(wǎng)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性。

比較雙饋風(fēng)力發(fā)電機并入電網(wǎng)后頻率的變化情況，如圖14所示。圖14體現(xiàn)出伴隨虛擬慣量控制的頻率波動比未加入虛擬慣量控制時略微減小，而在無協(xié)同控制下，系統(tǒng)受到擾動時電網(wǎng)頻率波動較大。除此之外，在協(xié)同控制策略下，系統(tǒng)在擾動后振蕩平穩(wěn)時間也相應(yīng)縮短，具有較強的穩(wěn)定性。

采用協(xié)同慣量控制策略后的雙饋風(fēng)力發(fā)電機的響應(yīng)能力有所改善，風(fēng)電機組通過調(diào)整系統(tǒng)實時頻率以及頻率的變化量來控制雙饋風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率，并在系統(tǒng)頻率變化時利用機組的虛擬慣量為系統(tǒng)足夠的有功功率支撐，在一定情況下能增加含風(fēng)電的電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。因此，本文所提出的協(xié)同慣量控制策略在系統(tǒng)不同工況下可以給電力系統(tǒng)提供一定時間的頻率支撐，使風(fēng)電機組的暫態(tài)特性更加穩(wěn)定。

圖14 不同慣量控制下系統(tǒng)頻率變化情況Fig.14 System frequency variation under different inertia controls

4 結(jié) 論

本文針對風(fēng)電并入電網(wǎng)后等效慣性降低，慣性響應(yīng)能力減弱，對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響較大，提出不同于單一虛擬慣量控制的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與虛擬慣量協(xié)同控制策略。經(jīng)過詳細理論分析和Matlab/Simulink仿真對比無附加控制、伴隨虛擬慣量控制及協(xié)同慣量控制策略三種情況下雙饋風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)系統(tǒng)的有功出力和系統(tǒng)頻率變化過程，得出結(jié)論如下：

1)在系統(tǒng)處于不同工況下，DFIG利用對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速模塊的控制，在短時間內(nèi)迅速釋放有功功率，增強了DFIG的頻率響應(yīng)性能，減小了風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)中頻率的波動，可以為系統(tǒng)帶來充足的功率支撐。

2)通過仿真分析，證明了該協(xié)同慣量控制策略的可靠性，相比于無附加控制環(huán)節(jié)的含風(fēng)電的電力系統(tǒng)，所提出的協(xié)同慣量控制策略可以改進DFIG并網(wǎng)系統(tǒng)有功功率的動態(tài)響應(yīng)能力，有效提高了DFIG并網(wǎng)下的電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性。

未來將考慮對協(xié)同慣量控制中的參數(shù)進一步優(yōu)化調(diào)整，并對DFIG參與一次調(diào)頻系統(tǒng)的穩(wěn)定性展開研究。