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风力发电机模拟惯性并支持一次频率控制
摘 要—变速风力涡轮机在电网中的渗透率不断提高，将导致常规发电厂的连接数量减少。这将要求改变电网频率的控制方式。在这封信中，提出了一种让变速风力涡轮机模拟惯性并支持一次频率控制的方法。从存储在涡轮叶片旋转质量中的动能获得所需功率。
索引词—频率控制，稳定性，风力发电。
I. 介绍
与电网连接的风力涡轮机数量在稳步增长，一些国家（例如丹麦）已经具有高渗透率的风力涡轮机。
如今，电网频率是由常规电厂控制的。控制的目的是使频率保持在指定的范围内。为此常规发电机配备有所谓的初级和次级控制。此外，在发电和消耗功率之间不平衡的情况下，电网的惯性限制了频率变化的速率。如今，一些电网运营商都要求风电场对一次频率控制做出贡献[1]但是很难实现，因为能源（风）是不可直接控制的。到目前为止，仅提出了一种方法来满足此要求，在这种情况下，风力涡轮 机在正常情况下不提供最大的可用最大功率，因此有一定控制电源的余量。[2]
类似于常规发电机，风力涡轮机在其叶片的旋转质量中具有大量动能。在变速风力涡轮机的情况下，由于旋转速度通过电力电子转换器与电网频率解耦，所以该能量将不会对电网的惯性有贡献。在这封信中，提出了附加控制措施，使电网可以使用“隐藏惯性”。这样，风力涡轮机可以 1）模拟惯性，2）支持主频率控制一段时间。
II. 风力发电机惯性
所提出的方法利用了存储在风力涡轮机旋转质量中的动能，该动能由下式给出：
（1）
图 1.建议的控制器。上部分支：风轮控制。中间分支：惯性仿真。下分支：频率控制支持。
与风轮的惯性及其转速有关。在电力工程中，通常使用所谓的惯性常数H
（2）
其中S是标称视在功率。惯性常数具有时间维，并指示发电机仅通过使用其动能即可提供标称功率的持续时间。大型发电厂发电机的典型惯性常数在 2–9 s 的范围内[3]. 风力涡轮 机的典型值具有大致相同的值：大约 2–6 s[4]. 这意味着将风力涡轮机引入电网并不一定减少可用动能的数量。提出了附加控制来模拟惯性并支持初级频率控制。
III. 建议的控制器
通常，变速风力涡轮机的控制器会尝试将涡轮机保持在最佳速度，以产生最大功率。控制器给出一个基于测得的速度和功率的转矩设定点（见图 1）。
转矩设定点是变频器控制的输入，通过控制发电机电流来实现转矩。提出了一种额外的控制器，该控制器根据电网频率的偏差和电网频率的变化率来调整转矩设定值。仿真惯量与控制器常数成正比，对主频率控制的支持与成正比，在后者中，当电网频率超过某些限制时，将激活后一个环路。
仅进行了仿真，以显示风力涡轮机支持一次频率控制的 能力。在此示例中，没有仿真额外的惯性。 使用了小网格模型。它由两个同步发电机（20兆瓦和80兆瓦），一个总负载（120 兆瓦）和六个变速 DFIG 风 力发电机（每个 2.75 兆瓦）组成，如[5]. 仅对其中一台 涡轮机进行了仿真。其输出电流乘以六。
图 2.控制器 ON（稳定）和控制器 OFF（虚线）时同步发电机断开的响应。（a）电网频率。（b）风力发电机功率。（c）风力发电机转速。
模拟了一个事件，其中20 MW的同步发电机在t=5s时突然断开。这导致频率变化。频率变化率尤其取决于系统惯性。
在图2中，仿真显示了控制器处于关闭状态（虚线）而 控制器处于打开状态（实线）。图 2（a）显示两种情况下的初始响应是相同的。当超过49.9 Hz的频率极限时，f-support 控制器将被激活，其频率将比控制器OFF时的频率略高。
图 2（b）示出了风力涡轮机的输出功率。当频率超过 其极限并激活控制器时，它会增加。由于来自风力涡轮机 的动能被用来向电网提供更多的电力，因此涡轮机的转速 正在降低[见图 2（c）]。涡轮在t=25s时恢复正常运行。
此时，功率下降到远低于其初始值的值，因为涡轮机不再处于其最佳速度。另外，需要功率来使涡轮加速至其最佳运行速度，这意味着仅一部分可用的空气动力被传输到电网。功率的下降还解释了为什么图2（a）中的频率曲线在t=25s之后各不相同。
V. 讨论和结论
图 2（a）显示风力涡轮机仅以 0.35p.u.运转所产生的用于支撑的额外功率约为 0.1p.u.。在较高功率下，风力涡轮机支持一次频率控制的能力会更好，因为存储在叶片中的动能会增加。在支撑期间，风力涡轮机的转速降低。结果，当频率控制支持结束时，功率将大大降低，如图 2（b）所示。这种功率下降在大多数情况下都是不可取的，尤其是当完整 的风电场显示出这种行为时。在较大的风电场中，可以通过在不同时间终止涡轮机的频率控制支持来部分减轻这种影响。同样，逐渐改变为正常操作，而不是示例中应用的突然更改，将改善行为。从这封信的结果中可以得出的主要结论是，变速风力涡轮机能够通过应用其他控制回路来支持一次频率控制并模拟惯性。为此，使用存储在涡轮叶片的“隐藏惯性”中的动能。
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