基于双馈风力发电机与电池储能系统的并网频率支撑仿真研究

摘要

随着风电并网比例不断提高，电力系统等效惯量降低，负荷扰动下的频率稳定问题更加突出。针对双馈风力发电机组并网后频率支撑能力不足的问题，本文基于 MATLAB/Simulink 建立 2 MW 双馈风力发电机与电池储能系统协同并网仿真模型，分析风机气动特性以及电池储能系统参与频率支撑的动态效果。仿真结果表明，风机输出功率受风速和叶尖速比影响显著，合理控制风机运行点是提高风能捕获效率的基础。在负荷扰动工况下，电池储能系统能够通过快速有功功率响应补偿系统功率缺额，提高频率最低点并减小最大频率偏差。多工况对比结果显示，当负荷扰动由 10% 增加到 20% 时，储能峰值输出功率随之增大，体现出其对不同扰动强度的动态支撑能力。

**关键词：**双馈风力发电机；电池储能系统；频率支撑；MATLAB/Simulink；风电并网

1 引言

风能具有清洁、可再生和分布广泛等优点，是新能源发电的重要组成部分。双馈感应发电机因其变流器容量较小、调速范围较宽、可独立调节有功和无功功率等特点，被广泛应用于并网风力发电系统。然而，与传统同步发电机相比，风电机组通过电力电子变流器接入电网后，其转子机械惯量与电网频率之间的耦合减弱。当系统发生负荷突增或功率扰动时，频率跌落可能更加明显。

电池储能系统具有响应速度快、功率调节灵活和控制方式简单等优点，可在扰动初期快速提供有功功率支撑，从而改善系统频率动态性能。因此，研究双馈风力发电机与电池储能系统协同参与频率支撑，对于提高风电并网系统稳定性具有实际意义。本文以 2 MW 双馈风力发电机组为对象，结合电池储能系统建立仿真分析模型，并通过多负荷扰动工况验证储能系统对频率稳定性的改善效果。

2 DFIG-BESS 并网系统模型

本文所建立的 DFIG-BESS 并网模型主要包括双馈风力发电机、转子侧变流器、网侧变流器、电池储能系统、输电线路、负荷模块以及功率和频率测量模块。双馈风力发电机负责风能捕获与并网发电，转子侧变流器主要实现转速和电磁转矩控制，网侧变流器主要维持直流母线电压稳定并控制并网电流。电池储能系统通过快速调节有功功率参与频率支撑。

风机气动功率可表示为：
$$P_w=0.5\ast rho\ast A\ast C_p(lambda,beta)\ast v^3$$

式中，rho 为空气密度，A 为叶轮扫掠面积，C_p 为风能利用系数，lambda 为叶尖速比，beta 为桨距角，v 为风速。由该关系可知，风机可捕获功率与风速三次方近似相关，同时受叶尖速比和风能利用系数影响。仿真参数中，机组额定功率为 2 MW，定子线电压为 690 V，极对数为 2，转动惯量为 90 kg*m^2，最优叶尖速比为 7.2，最大风能利用系数约为 0.4412。

3 频率支撑控制思路

在负荷扰动发生后，若系统有功功率供需不平衡，系统频率将偏离额定值。无储能参与时，系统主要依靠风电机组和等效调节环节缓慢恢复，扰动初期频率跌落较明显。加入 BESS 后，储能系统根据频率偏差快速输出有功功率，在扰动初期补偿功率缺额，从而抑制频率下降。

本文采用“主模型结构说明 + 等效频率动态模型多工况分析”的方式进行实验。完整 Simulink 主模型用于展示 DFIG-BESS 并网系统结构、控制对象和测量点；风机气动特性由模型参数计算得到；多负荷扰动下的频率支撑结果基于等效频率动态模型生成。该处理方式能够突出 BESS 快速有功功率补偿机理，并提高多工况对比实验的可重复性。

4 仿真实验设计

仿真实验主要从三个方面展开：第一，分析风能利用系数随叶尖速比变化的规律；第二，分析不同风速下机械转速与气动功率之间的关系；第三，对比有无 BESS 时系统在负荷扰动后的频率响应。频率支撑实验设置 10%、15% 和 20% 三种负荷扰动工况，对比指标包括频率最低值、最大频率偏差和 BESS 峰值输出功率。

主要仿真参数如下

5 仿真结果与分析

5.1 风机气动特性分析

风能利用系数 C_p 随叶尖速比 lambda 变化的曲线存在明显峰值，说明风机并不能在任意转速下都获得最高捕获效率。只有当叶尖速比维持在最优值附近时，风机才能获得较大的风能利用系数。因此，在双馈风力发电系统中，通过转速控制实现最大功率跟踪，是提高风能捕获效率的重要基础。

不同风速下的转速-功率特性表明，风速升高会显著提高风机可捕获气动功率，功率曲线整体上移。最大功率曲线进一步说明，在最优 C_p 条件下，风速变化会对风机输出功率产生明显影响，这与风功率近似正比于风速三次方的理论关系一致。因此，风速波动会直接影响风电机组向电网注入的有功功率，并可能进一步引起并网系统频率波动。

5.2 BESS 频率支撑效果分析

在 10% 负荷扰动工况下，无 BESS 时系统频率最低值为 Hz，最大频率偏差为 Hz；加入 BESS 后，频率最低值提高到 Hz，最大频率偏差降低到 Hz，BESS 峰值输出功率为MW。结果表明，储能系统能够在扰动初期快速输出有功功率，减小功率缺额造成的频率跌落。

在 15% 负荷扰动工况下，无 BESS 时频率最低值为3 Hz，最大频率偏差为 Hz；加入 BESS 后，频率最低值提高到Hz，最大频率偏差降低到Hz，BESS 峰值输出功率为 MW。与 10% 扰动相比，负荷突增造成的频率偏差进一步增大，但储能系统仍能有效抬升频率最低点。

在 20% 负荷扰动工况下，无 BESS 时频率最低值为 Hz，最大频率偏差为 Hz；加入 BESS 后，频率最低值提高到 Hz，最大频率偏差降低到 Hz，BESS 峰值输出功率为MW。该工况下扰动幅度最大，频率跌落也最明显，但加入储能后最大频率偏差仍得到明显抑制。

综合三种工况可以看出，在相同负荷扰动条件下，加入 BESS 后系统频率最低值均有所提高，最大频率偏差均有所降低。随着扰动幅度由 10% 增加到 20%，BESS 峰值输出功率同步增大，说明储能系统能够根据频率偏差变化提供相应的有功功率支撑。需要说明的是，部分工况在仿真时间范围内尚未完全回到设定稳态带内，因此本文重点比较频率最低点、最大频率偏差和储能峰值功率，不单独夸大恢复时间指标。

6 结论

本文基于 MATLAB/Simulink 建立了双馈风力发电机与电池储能系统协同并网仿真模型，并对风机气动特性和 BESS 频率支撑效果进行了分析。研究结果表明，风机输出功率受风速和叶尖速比影响显著，合理控制风机运行点是提高风能捕获效率的重要基础。在负荷扰动条件下，BESS 能够通过快速有功功率响应补偿系统功率缺额，从而提高频率最低点、减小最大频率偏差，改善风电并网系统的动态频率稳定性。

多工况结果进一步表明，随着负荷扰动幅度增大，系统频率跌落程度逐渐加深，BESS 所需峰值输出功率也相应增加。与无储能方案相比，加入 BESS 后各工况下的频率响应均得到改善，说明储能系统可有效缓解风电并网条件下系统惯量不足和频率波动加剧的问题。后续研究可进一步引入电池 SOC 约束、储能容量优化、充放电功率限制、随机风速扰动以及电网短路故障等工况，使模型更加接近实际工程运行场景。