基于RT-LAB半实物仿真平台的风电机组一次调频实验方法研究

颜 宁，张冠锋,2，满林坤，马少华，赵海川

（1. 沈阳工业大学 电气工程学院，辽宁 沈阳 110870；2. 国网辽宁省电力有限公司 电力科学研究院，辽宁 沈阳 110003；3. 国网辽宁省电力有限公司 经济技术研究院，辽宁 沈阳 110015）

国家能源局发布“十三五规划”中指出：要大规模提高清洁能源并网，实现电能替代[1]。风力发电机组(wind turbine, WT)作为分布式能源(distributed generation, DG)的典型代表，并网规模逐年提高[2]。为了提高WT并网运行的稳定性，WT应具有快速响应系统频率特性。DFIG作为典型的机型，具有电网频率与转速、功率与电磁等解耦特性，但其频率响应速度不快，不能很好地平抑电网干扰加大给系统带来的安全隐患问题[3-5]。

通过对国内外对风电机组的调频控制方法进行分析可知，目前应用最为广泛的包括减载、惯性、下垂三种控制方式[6-7]。减载控制主要是保留的DFIG运行过程中部分有功功率，作为备用调频的手段，但存在减小风能利用率、间接地提高发电成本等问题；惯性控制主要是将转子的动能作为备用调频的手段，通过吸收或释放来实现WT频率控制，但转子快速变化过程中会存在频率二次变化的可能性；下垂控制主要是模拟同步发电机，通过调节差值来实现频率控制[8]。

本文根据上述分析，考虑经济性及调控的准确性，将惯性与下垂控制相结合，采用RT-LAB半实物仿真平台搭建DFIG频率响应模型，验证下垂控制与虚拟转动惯量相结合控制策略的有效性。通过基本理论研究、仿真分析、半实物仿真平台验证等过程，使学生更为准确地体会学科研究的重要理论及方法，为科研能力的提高奠定基础[9]。

1 DFIG控制系统基本设计

1.1 DFIG并网特性

DFIG采用转子侧变流器的 PWM 系统与电网相连，具体如图1所示[10]。图中Q,Qref为机侧网侧无功功率实际值、参考值，Vrdref, Vrqref为机侧dq同步坐标系下的电压参考值，Vgdref, Vgqref为网侧dq同步坐标系下的电压参考值，Udc, Udcref为直流母线电压实际值、参考值，ird为机侧dq同步坐标系下电流值。

图1 DFIG并网特性示意图

DFIG控制主要是采用网侧变流器、转子侧变流器动态控制功率输出[11-12]，电网频率与转子进行解耦，实现定、转子有功功率Ri_S, Ri_R与无功功率Qi_S, Qi_R解耦控制。通过控制电磁转矩来保证转子运行在最大功率曲线特性范围内，具体等效电路如图2所示。图中Ri_S, Ri_R为定、转子绕组电阻，Xm为电枢电抗，Xi_Sσ,Xi_Rσ为定转子漏抗，为定、转子绕组电压，为电枢电压，s为转差率。

图2 DFIG的等效电路

1.2 DFIG频率响应特性

当大量DFIG接入后，整个系统的转动惯量将减小，导致频率响应特性降低[13-14]，通常情况下一次调频的持续时间在10～30 s，但DFIG具有快速响应特性，一般持续时间在2～6 s，因此，可以根据不同控制目标及策略快速响应系统的频率变化，若频率偏差超过限值时，采用变桨系统改变DFIG的出力，使得频率快速到达稳定。

1）基于虚拟转动惯量的控制模式。

DFIG在电网频率fw发生突变的情况下，其特性与同步发电机组类似，当 fw降低时，DFIG运行速度降低，将DFIG的动能转换成电能；当fw升高时，DFIG运行速度提高，将DFIG的电能转换成动能，采用虚拟转动惯量来控制 DFIG频率特性，具体流程如图 3所示。

为了使DFIG对电网提供有效的频率支撑，需加入频率支撑控制模块，输入的变量主要包括 fw，d轴的电压Vi_Sd；并通过最大功率跟踪装置来修正有功功率输出的参考值P*i_ref，输入的变量主要包括转子转速ωw，DFIG 有功功率 Pi_G，Pi_G为直流环节功率输出Pi_DC与Pi_S之和。

图3 基于虚拟转动惯量的控制流程图

2）基于虚拟转动惯量与下垂的联合控制模式。

虚拟转动惯量与下垂联合控制过程中，引入DFIG调频系数Kp，将其定义为ΔPi变化标幺值与 Δfi(f*i_ref-fw)变化标幺值的比，通过调节Kp,ωw,β等，实现频率的调节，调频的控制策略及流程如图4—5所示，图中H为惯性常量，Td为阻尼系数，Cp(λ,β)为风能利用系数。

图4 DFIG调频控制策略

图5 DFIG调频控制的流程图

2 实验平台的构建

RT-LAB半实物仿真平台是将风电机组等实验设备接入仿真计算机中[15]，通过模拟部分对象特性，并与连接的实验设备相结合，在上位机中对控制对象进行建模和仿真，有效实现监控、记录及显示实验过程及结果的功能。RT-LAB半实物仿真平台具有采集信号响应速度快、操作性强、可靠性高等特点，可广泛应用于高校的实验教学中，通过实验实现理论联系实际的宗旨。具体的系统连接如图6所示。

图6 RT-LAB半实物仿真平台基本组成结构

2.1 DFIG一次调频系统仿真模型建立

设计基于RT-LAB半实物仿真平台对风电机组进行一次调频控制实验。首先，通过RT-LAB搭建频率响应模型，部分子模型搭建示意如图7—8所示，并设置仿真系统参数，主要包括风速vw，跌落的频率f，跌落的时间点t，仿真的步长Δt，仿真需要分析DFIG在功率输出较大情况下的一次频响特性。

学生在进行仿真分析时，主要仿真的内容包括：

（1）当电网瞬间产生频率跌落时，DFIG产生的惯性响应时间及对应的功率；

（2）采用虚拟转动惯量控制时，DFIG瞬间可以补偿的ΔPi值；

（3）考虑f的持续性，下垂控制的功率补偿值。

2.2 基于RT-LAB的DFIG一次调频系统实验步骤

在进行DFIG一次调频实验时，搭建RT-LAB半实物仿真平台，物理实验设备主要有 DFIG、IGBT、监控台、储能装置等。

为验证频率调节的有效性，采集DFIG实际的U,I,ωw,β等数据，调节储能装置，模拟跌落的频率f、跌落的时间点t等，与仿真数据设置保持一致。

学生在进行实验操作时，主要进行的步骤包括：

（1）测试不同控制方法下DFIG的频率响应特性及功率输出；

（2）测试理论提及的频率控制方法下DFIG功率输出及补偿功率值。

图7 DFIG一次调频仿真模型

图8 DFIG一次调频电网与频率控制环节仿真模型

3 结语

高校的人才培养要理论结合实际、理论应用实际。本文通过对DFIG一次调频控制进行理论创新，采用仿真分析方法验证控制策略的有效性；在此基础上，通过风电机组 DFIG与储能装置连接，模拟电网跌落时DFIG频率响应特性，为学生提供了理论—仿真—实验相结合的教学体系，让学生深刻地学习到以风电机组一次调频为代表的、电力系统及自动化学科理论及实践的知识。

基于RT-LAB的控制系统实验平台具有一定的扩展性，通过实验与仿真相结合的方式分析不同被控对象的特性，有效地提高资源的利用率，为学生后续实验提供基本平台，为电气工程专业开展相关研究提供支撑。