風(fēng)電場一次調(diào)頻控制策略研究

王明揚，白 迪

（沈陽工程學(xué)院 a.研究生部；b.電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136）

隨著風(fēng)力發(fā)電對電網(wǎng)的滲透不斷地增加，這給電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行帶來了一系列的挑戰(zhàn)，尤其是在有功功率控制方面。風(fēng)電場調(diào)頻的目的是當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時，同步發(fā)電機會響應(yīng)這種變化，風(fēng)電場也會迅速改變其輸出有功功率并參與頻率恢復(fù)過程。與同步發(fā)電機相比，由于風(fēng)的隨機性，風(fēng)電場的頻率調(diào)節(jié)將更難以實現(xiàn)。

雙饋式風(fēng)力發(fā)電機（DFIG）是風(fēng)電行業(yè)中使用最廣泛的機型。其基本原理是通過電子變換技術(shù)調(diào)節(jié)風(fēng)電機組的輸出與電網(wǎng)同步，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)頻率的解耦，避免了對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的苛刻要求。通過轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制轉(zhuǎn)子電壓，可以在一定程度上單獨控制DFIG的有功和無功功率輸出，但也無法響應(yīng)系統(tǒng)頻率的變化。目前的風(fēng)電場通常采用最大功率-轉(zhuǎn)子速度曲線，在不同風(fēng)速下進行最大功率跟蹤。因此，在系統(tǒng)頻率下降時無法提供有功功率。隨著電網(wǎng)中風(fēng)電滲透率的增加，電網(wǎng)中將需要配置更多的旋轉(zhuǎn)備用容量來消除瞬時的功率不平衡。因此，為了使風(fēng)電場具備頻率調(diào)節(jié)能力以及響應(yīng)電網(wǎng)頻率變化，風(fēng)電場必須預(yù)留一些有功功率，這就使風(fēng)力發(fā)電機必須從最大功率跟蹤狀態(tài)轉(zhuǎn)移到次優(yōu)點發(fā)電，這也必然導(dǎo)致風(fēng)電場的經(jīng)濟效益降低。文獻［1-3］研究風(fēng)力風(fēng)機的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量釋放能量；文獻［4］從最大有功功率跟蹤曲線減載風(fēng)力機運行，以實現(xiàn)有功儲備。本文的研究重點是風(fēng)電場頻率調(diào)節(jié)能力，將結(jié)合槳距角、轉(zhuǎn)子速度控制以及慣性控制。通過對比轉(zhuǎn)子速度控制（RSC）與慣性和槳距角控制（PAC），驗證了在使用不同的控制方式下，對系統(tǒng)頻率最低點的改善，實現(xiàn)短期和長期調(diào)頻控制。

1 風(fēng)電機組參與一次調(diào)頻的基本原理

在電力系統(tǒng)中，通過平衡發(fā)電機發(fā)電量與負荷需求之間的關(guān)系來控制頻率。當(dāng)發(fā)電機突然發(fā)生故障或接入大型負載時，系統(tǒng)頻率開始跌落，其跌落速度取決于系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量，此時發(fā)電廠需提供額外的頻率響應(yīng)，即一次和二次調(diào)頻。一次調(diào)頻是有差調(diào)節(jié)，由發(fā)電機自動調(diào)速器提供額外輸出功率，限制電網(wǎng)頻率的變化，持續(xù)時間為10～30 s；二次調(diào)頻采用慢速調(diào)頻控制環(huán)節(jié)將頻率恢復(fù)到額定值，持續(xù)時間為30 s～30 min，為無差調(diào)節(jié)。隨著變速風(fēng)電機接入的增加，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量降低，響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化的能力下降。但風(fēng)機轉(zhuǎn)子中旋轉(zhuǎn)的動能較為可觀，通過調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制策略，使機組能夠響應(yīng)系統(tǒng)頻率的變化，具備類似于傳統(tǒng)機組的慣性響應(yīng)特性，其慣性時間約為2～6 s。當(dāng)頻率偏差超過一定限值時，通過變速系統(tǒng)調(diào)節(jié)機組出力，從而參與系統(tǒng)的一次調(diào)頻，為系統(tǒng)頻率提供頻率支撐［5］。

2 雙饋風(fēng)電機組的調(diào)頻策略

2.1 慣性控制

轉(zhuǎn)子慣性控制（Inertial control）是風(fēng)電機組運行過程中，通過改變機組轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的電流給定，控制轉(zhuǎn)子速度發(fā)生臨時性變化情況時短時釋放/吸收風(fēng)電機組旋轉(zhuǎn)質(zhì)體所存儲的部分動能，以快速響應(yīng)系統(tǒng)頻率的暫態(tài)變化。

對于同步發(fā)電機，當(dāng)電網(wǎng)頻率下降時，同步機轉(zhuǎn)速降低，旋轉(zhuǎn)動能釋放。對于風(fēng)電場，需要附加額外的控制環(huán)節(jié)，如圖1所示，需要添加功率控制，以在電網(wǎng)頻率偏移期間利用存儲在風(fēng)機葉片以及轉(zhuǎn)子中的動能。風(fēng)機具有的旋轉(zhuǎn)動能E可由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω和轉(zhuǎn)動慣量J表示為

從旋轉(zhuǎn)質(zhì)量提取的功率描述如下：

發(fā)電機組利用其旋轉(zhuǎn)動能維持功率輸出持續(xù)的時間稱為慣性時間常數(shù)，可將其定義為

式中，ωs為轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速；S為視在功率。

將式（2）中J代入式（3）中，用標(biāo)么值表示為

所釋放的功率與等效轉(zhuǎn)動慣量J、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化率dω/dt有關(guān)。對于耦合電網(wǎng)頻率變化，式（2）中的dω/dt由慣性控制回路的電網(wǎng)頻率變化率dfgrid/dt代替，如圖1所示。式（2）中的系數(shù)J、ω可以用作控制系數(shù)Kic。利用風(fēng)機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω，從DFIG的功率-轉(zhuǎn)速特性曲線獲得最優(yōu)功率信號Popt。當(dāng)電網(wǎng)頻率改變時，慣性控制回路負責(zé)將附加的功率調(diào)節(jié)信號ΔPic發(fā)送到參考功率Pref。Pref和Pmea之間的功率誤差信號Perr由轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制，調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流Iqr。在DFIG控制器中增加一個輔助控制回路，使葉片慣性響應(yīng)支持電網(wǎng)中的一次頻率控制。

圖1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機慣性控制

2.2 槳距角控制

槳距角控制（Pitch angle control）是通過改變槳葉的迎風(fēng)角度限制風(fēng)機輸入的機械能量，使其處于最大功率點之下的某一運行點［6］，從而留出一定的備用容量。在風(fēng)況一定的情況下，槳距角越大，機組留有的備用容量也就越大。由于葉片槳距最初處于減載操作狀態(tài)，風(fēng)機可以根據(jù)系統(tǒng)調(diào)頻需求提供更多的有功功率，幫助恢復(fù)頻率。

圖2 同槳距角下轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的風(fēng)力機機械功率曲線

在額定風(fēng)速Vw=12 m/s和特定風(fēng)機葉片角度下，從風(fēng)中獲取的機械功率僅與DFIG轉(zhuǎn)子速度相關(guān)，如圖2所示［7］。DFIGPAC設(shè)計用于輸出不同槳距角的最大功率。不同槳距角下的最大功率隨轉(zhuǎn)子速度幾乎呈線性變化。這條穿過圖2中所有曲線的虛線是不同槳距角β和變化的轉(zhuǎn)子速度ω的最大機械功率軌跡。對于Pmax隨ω的變化，這種關(guān)系如式（5）所示。

類似地，Pm和β的關(guān)系為

式中，Pmax、Pm為風(fēng)機最大功率和輸入功率；K1、K2、K3和K4是線性擬合函數(shù)的系數(shù)。

圖2顯示了額定風(fēng)速下的Pm曲線，對于其他風(fēng)速可以獲得類似的曲線。

由于本文的主要目的是測試風(fēng)電場的頻率調(diào)節(jié)能力，因此風(fēng)機、變速箱、軸和發(fā)電機的傳動系統(tǒng)簡單地集中在一個等效的公共軸上。傳動系的單質(zhì)量模型為

式中，Htot為等效慣性時間常數(shù)；Tm為機械轉(zhuǎn)矩；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；Ps為定子輸出功率。

DFIG下垂特性被認(rèn)為與同步電機相同。因此，當(dāng)系統(tǒng)負荷增加時，風(fēng)電場可以像同步電機一樣參與負荷分配。電網(wǎng)頻率恢復(fù)的PAC方案如圖3所示。

圖3 槳距角控制

風(fēng)力風(fēng)機的機械功率參考Pref由初始機械功率Pmo和補償功率ΔP決定。補償功率與風(fēng)力發(fā)電場的下垂特性和電網(wǎng)頻率變化Δf有關(guān)。如果系統(tǒng)頻率下降，風(fēng)電場預(yù)計產(chǎn)生的補償功率由下列公式給定：

式中，fref是穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)頻率；fgrid是測量的系統(tǒng)頻率。

2.3 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制（Rotor speed control）是使風(fēng)機轉(zhuǎn)子運行在次優(yōu)轉(zhuǎn)速下，以便在頻率偏差的情況下提供一定量的功率儲備?；陲L(fēng)機功率-轉(zhuǎn)子速度曲線實現(xiàn)轉(zhuǎn)子速度控制，利用輸出功率和DFIG轉(zhuǎn)子速度之間的關(guān)系，捕獲在不同風(fēng)速下的最大跟蹤功率，發(fā)電機轉(zhuǎn)子速度應(yīng)隨風(fēng)速變化并保持最佳的葉尖速比。

風(fēng)力發(fā)電場的轉(zhuǎn)子速度控制的基礎(chǔ)是風(fēng)力機在減載模式下工作，當(dāng)電網(wǎng)頻率下降時可以將預(yù)留功率釋放到電網(wǎng)中。風(fēng)力機的輸入機械功率與風(fēng)速、葉片槳距角和轉(zhuǎn)子速度有關(guān)。機械功率Pm、風(fēng)速Vw和轉(zhuǎn)子速度ω的關(guān)系如圖4所示。為了儲備10%備用容量，對于Vw=12 m/s的額定風(fēng)速，風(fēng)力機應(yīng)在最大功率點C（Pmax=1.0 pu）下減載運行，同時存在兩個平衡點A和B（Pm=0.9 pu），在不同的風(fēng)速下，總是可以找到兩個在90%的Pmax減載工作點。連接所有減載的操作點，可以獲得左和右減載參考曲線。

圖4中左、右減載功率參考曲線可以應(yīng)用于具有可變風(fēng)速的風(fēng)電場頻率調(diào)節(jié)。當(dāng)處于C點時，風(fēng)機輸出最大功率，對應(yīng)著最大功率點處的轉(zhuǎn)速。如果此時控制風(fēng)機轉(zhuǎn)速超過C點轉(zhuǎn)速，則風(fēng)機的輸出功率減小，保留了一部分備用容量。如果需要增加風(fēng)機的輸出功率，控制風(fēng)機轉(zhuǎn)速下降至圖中的D點，此時，機械功率和電磁功率再次達到了平衡，從而實現(xiàn)了有功控制。對于恒定風(fēng)速和風(fēng)電場初始輸出功率為P0時，圖4所示的A是不穩(wěn)定點，而B是穩(wěn)定點。因為在電網(wǎng)頻率下降時，風(fēng)電場需要提供更多的有功功率ΔP。在點A處，電磁轉(zhuǎn)矩Pe=Po+ΔP將大于機械功率Pm，風(fēng)力機上的不平衡轉(zhuǎn)矩將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子減速。因此，風(fēng)力機將無法提取足夠的機械功率。轉(zhuǎn)子減速和較小的機械功率提取的過程將一直持續(xù)到風(fēng)力機停滯。另一方面，如果電網(wǎng)頻率上升，風(fēng)電場會減少輸出的有功功率，隨后，機械功率Pm將大于電磁轉(zhuǎn)矩Pe，不平衡扭矩將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子加速并提取更多的機械功率ΔP。這個過程將一直持續(xù)到在曲線C-B上找到一個新的平衡點。

轉(zhuǎn)子速度與式（7）給出的機械扭矩和電磁扭矩有關(guān)。隨著電網(wǎng)頻率的變化，由于干擾，ωs不能簡單地假設(shè)在1 pu不變。為了方便，定子側(cè)功率Ps和電網(wǎng)頻率ωs用電力Pe和轉(zhuǎn)子速度ω表示。轉(zhuǎn)矩方程描述為

風(fēng)力發(fā)電場的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制流程如圖5所示。風(fēng)電P0是初始風(fēng)電場輸出功率，在電網(wǎng)頻率恢復(fù)期間保持恒定。預(yù)期在頻率下降期間，利用其下垂特性輸出額外的有功功率。

圖5 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制

3 實驗及結(jié)果分析

本文所提出的控制方案在圖6所示的4總線系統(tǒng)上進行測試。在總線1上為公共電網(wǎng)。在總線2上的負載變化導(dǎo)致電網(wǎng)頻率的變化。具有相關(guān)DFIG和轉(zhuǎn)換器的風(fēng)力機位于總線4上。在初始基頻角β0=1.6°時，保留了10%的功率用于頻率調(diào)節(jié)。

圖6 測試系統(tǒng)

隨著負荷的變化，比較了PAC及慣性控制。在T=1.2 s時，負載從5.9 MW增加到6.5 MW，需要風(fēng)力發(fā)電場提供額外的功率來維持電網(wǎng)負載平衡和恢復(fù)頻率。在沒有頻率控制環(huán)節(jié)的情況下，風(fēng)力發(fā)電場的輸出功率保持不變，同步發(fā)電機提高了負荷，電網(wǎng)頻率如圖7所示。通過慣性控制，風(fēng)電場旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的動能迅速釋放到電網(wǎng)，以確保電網(wǎng)頻率不會突降。慣性控制和PAC控制將電網(wǎng)最小頻率從49.81 Hz分別提高到49.86 Hz和49.84 Hz；同樣也可以清楚地看出，通過慣性控制，風(fēng)力發(fā)電場不能長時間穩(wěn)定地輸出額外功率。對于槳距角控制，雖然由于機械響應(yīng)較慢而無法快速增加有功輸出，但能夠穩(wěn)定地提供有功輸出，提高頻率調(diào)節(jié)能力。圖8顯示了對于相同的負載增加，具有轉(zhuǎn)子速度控制的風(fēng)力發(fā)電場頻率調(diào)整的能力。在圖7和圖8中，RSC可以提供比慣性控制更多的有功功率支持來改善最小電網(wǎng)頻率。

圖7 響應(yīng)負載增加慣性和PAC控制系統(tǒng)頻率變化

圖8 響應(yīng)負載增加轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)頻率變化

4 結(jié)論

本文研究并比較了慣性、槳距角和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速3種類型的控制方法。

慣性控制可以極大地幫助管理頻率偏移，但是轉(zhuǎn)子不能長時間處于轉(zhuǎn)速上升或下降階段，僅能在短時間內(nèi)表現(xiàn)良好，并且變速風(fēng)機轉(zhuǎn)子速度存在極值約束，不能作為長期調(diào)頻使用。

RSC能夠通過以次優(yōu)的轉(zhuǎn)子速度減載運行，提供備用電力。通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子速度，可以在調(diào)頻期間將額外的功率提供給電網(wǎng)。RSC響應(yīng)迅速，它能夠比PAC更好地抑制頻率偏差開始時的頻率下降或上升。還能夠在很長一段時間內(nèi)提供頻率支持。RSC的缺點是存在控制盲區(qū)，由于風(fēng)力機本身對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的限制，只能工作在特定的風(fēng)速區(qū)間。

槳距角控制能夠使風(fēng)力機功率轉(zhuǎn)速曲線整體下移減載運行，留有備用功率。槳距角控制的調(diào)節(jié)能力較強，調(diào)節(jié)范圍較大，可以實現(xiàn)全風(fēng)速下的功率控制。但由于其執(zhí)行機構(gòu)為機械部件，風(fēng)電場不能快速地輸出備用功率來抑制電網(wǎng)頻率的初始下降，最低點頻率改善并不明顯。

在分析和仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，可以得出慣性控制和RSC都能快速響應(yīng)電網(wǎng)頻率降低改善最小電網(wǎng)頻率，幫助恢復(fù)電網(wǎng)頻率的最優(yōu)點。慣控制性響應(yīng)迅速但對穩(wěn)態(tài)偏移無支撐；槳距角控制響應(yīng)慢，但能夠長期有功支撐，兩種控制方式存在互補性，因此可以將不同的調(diào)頻方式組合起來，更好的幫助系統(tǒng)頻率的支撐。