雙饋風(fēng)電機(jī)組單機(jī)參與電網(wǎng)調(diào)頻的研究

李德才 蔡梅園 李海波 尹為剛 柯余東

隨著化石能源日益枯竭，能源問(wèn)題已經(jīng)成為限制社會(huì)發(fā)展的重要問(wèn)題。風(fēng)力發(fā)電以其技術(shù)成熟、成本較低和可大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用的優(yōu)勢(shì)，成為具有競(jìng)爭(zhēng)力的發(fā)展方向。但受氣候條件的制約，風(fēng)電出力具有間歇性和波動(dòng)性的特點(diǎn)，在常規(guī)控制方式下，風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械旋轉(zhuǎn)與電網(wǎng)頻率解耦合，使得風(fēng)電機(jī)組無(wú)法為電力系統(tǒng)提供慣性。隨著風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)容量的增加，電力系統(tǒng)的調(diào)頻、調(diào)峰問(wèn)題日益突出，因此，風(fēng)電機(jī)組需要具備功率調(diào)節(jié)和頻率調(diào)控的綜合控制能力。

近些年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)風(fēng)電場(chǎng)參與電網(wǎng)調(diào)頻做了大量研究。根據(jù)相關(guān)研究成果，現(xiàn)有的解決方法主要有虛擬慣量法、槳距角控制法和儲(chǔ)能法。其中，虛擬慣量法是通過(guò)釋放儲(chǔ)存在風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子中的機(jī)械能，來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)組輸出功率的提高；槳距角控制法是通過(guò)預(yù)留部分功率，來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)組輸出功率的改變；風(fēng)電機(jī)組與儲(chǔ)能系統(tǒng)相互配合的方法，可以響應(yīng)電網(wǎng)頻率的波動(dòng)，使機(jī)組具備參與電網(wǎng)調(diào)頻的能力。

為研究雙饋風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻的可行性以及控制策略，本文以中國(guó)海裝3.2MW雙饋風(fēng)電機(jī)組為研究對(duì)象，根據(jù)機(jī)組參數(shù)，在Matlab/Simulink仿真平臺(tái)上搭建仿真模型，對(duì)上述3種調(diào)頻方法進(jìn)行對(duì)比分析。

雙饋風(fēng)電機(jī)組建模

雙饋風(fēng)電機(jī)組主要由葉片、塔筒、主軸、變速箱、雙饋發(fā)電機(jī)、變流器等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。葉片將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，雙饋發(fā)電機(jī)則把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，并由變壓器輸送到電網(wǎng)。3.2MW機(jī)組的基本參數(shù)如表1所示。

一、機(jī)械模型

根據(jù)公式（5）可以推導(dǎo)出變流器控制策略（如圖3）：網(wǎng)側(cè)、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制都將有功、無(wú)功功率解耦，變流器的內(nèi)外環(huán)控制均選用標(biāo)準(zhǔn)的PI控制。

三、變槳模型

當(dāng)風(fēng)速未達(dá)到額定值時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的輸出功率在額定值之下，此時(shí)機(jī)組保持最佳槳距角；當(dāng)風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速時(shí)，需通過(guò)變槳控制系統(tǒng)改變槳距角，以此降低風(fēng)能利用系數(shù)，使風(fēng)電機(jī)組的輸出功率維持在額定值，機(jī)組進(jìn)入定功率狀態(tài)。變槳控制原理如圖4所示，其中，Tp為變槳系統(tǒng)等效慣性時(shí)間常數(shù)。

3種調(diào)頻方法的對(duì)比研究

國(guó)家能源局發(fā)布的《風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻的技術(shù)要求與測(cè)試規(guī)程》要求，風(fēng)電機(jī)組應(yīng)實(shí)現(xiàn)有功功率的連續(xù)平滑調(diào)節(jié)，參與一次調(diào)頻，并要求：當(dāng)頻率下降時(shí)，機(jī)組應(yīng)增加有功功率，有功增加量上限宜在6%～10%Pn范圍內(nèi)；機(jī)組響應(yīng)時(shí)間應(yīng)不大于5s，持續(xù)時(shí)間不小于10s。但是在常規(guī)風(fēng)電機(jī)組控制方式下，風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)完全解耦，機(jī)組出力與電網(wǎng)頻率無(wú)關(guān)，不能滿(mǎn)足機(jī)組參與系統(tǒng)一次調(diào)頻的需求。風(fēng)電機(jī)組常常工作在不同風(fēng)速條件下，本文選取8.5 m/s作為代表風(fēng)速來(lái)驗(yàn)證不同方法實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻的可行性，并展示機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性。仿真系統(tǒng)的初始負(fù)荷和發(fā)電量平衡，即系統(tǒng)的初始頻率f=50Hz。如圖5所示，在4s時(shí)，電網(wǎng)負(fù)荷增加，而后電網(wǎng)頻率從50Hz下降到49.8Hz。風(fēng)電機(jī)組在檢測(cè)到電網(wǎng)頻率下降后，將改變控制策略，實(shí)現(xiàn)輸出功率的提高。

一、虛擬慣量法

風(fēng)電機(jī)組具有很大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并且雙饋電機(jī)可以變轉(zhuǎn)速發(fā)電，這些特性給予了風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻的能力。

當(dāng)電網(wǎng)頻率低于50Hz時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電量及轉(zhuǎn)速將共同用于計(jì)算變流器的輸出電壓（如圖6）。在此過(guò)程中，由于電磁轉(zhuǎn)矩大于輸入的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速將持續(xù)下降。為保持系統(tǒng)的穩(wěn)定、減少振蕩，該方法將轉(zhuǎn)速也作為輸入量與機(jī)組功率一起用于電流環(huán)控制。本文利用虛擬慣量法進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)頻仿真時(shí)，假設(shè)風(fēng)速保持8.5m/s不變，并且槳距角始終為 0o。

當(dāng)檢測(cè)到電網(wǎng)頻率下降時(shí)，變流器將改變控制，并增加電磁轉(zhuǎn)矩的輸出，使得機(jī)組的輸出功率增加10%，以滿(mǎn)足電網(wǎng)對(duì)于風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻的要求。風(fēng)電機(jī)組輸出功率如圖7（a）所示，4s后機(jī)組的輸出功率從2.5MW增加到2.82MW，并保持穩(wěn)定。但如圖7（b）所示，在此過(guò)程中，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速持續(xù)下降，所以，此方法只可作為短期的一次調(diào)頻使用。同時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差率也在下降，為保證定子頻率與電網(wǎng)一致，轉(zhuǎn)子電流的頻率也需降低（如圖8）。

二、槳距角控制法

通過(guò)變槳控制可實(shí)現(xiàn)機(jī)組減載，進(jìn)而滿(mǎn)足電網(wǎng)對(duì)機(jī)組限負(fù)荷與調(diào)頻的需求。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷增加時(shí)，可通過(guò)減小槳距角來(lái)捕獲更多的風(fēng)能，提高發(fā)電量，從而為系統(tǒng)提供頻率支持。

風(fēng)電機(jī)組輸出功率如圖9（a）所示，4s后機(jī)組的輸出功率從2.18MW增加到2.5MW，并保持穩(wěn)定。如圖9（b）所示，槳距角從2.66o減小到0o，風(fēng)能利用系數(shù)從0.41增加到0.47。此方法可以長(zhǎng)時(shí)間提高風(fēng)電機(jī)組的輸出功率，能夠滿(mǎn)足風(fēng)電機(jī)組參與一次調(diào)頻的需要。但是此方法會(huì)導(dǎo)致機(jī)組滿(mǎn)發(fā)時(shí)間減少，影響風(fēng)電場(chǎng)收益。

三、儲(chǔ)能法

儲(chǔ)能方法主要有抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、電池儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、超級(jí)電容儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能、儲(chǔ)氫、儲(chǔ)熱等。考慮到風(fēng)電機(jī)組所處的地理位置與氣候條件，壓縮空氣儲(chǔ)能被認(rèn)為是一種適合風(fēng)電機(jī)組的儲(chǔ)能方法。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外已有多位學(xué)者提出了多種形式的風(fēng)電機(jī)組與壓縮空氣儲(chǔ)能結(jié)合的方法。結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)，如圖10所示，本文建議在變速箱高速端增加單級(jí)平行齒輪傳動(dòng)軸，通過(guò)將部分轉(zhuǎn)矩傳送到壓縮機(jī)，并將機(jī)械能以壓縮空氣的形式儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣罐中。當(dāng)電網(wǎng)頻率下降時(shí)，儲(chǔ)存的壓縮空氣將被釋放出來(lái)，并在膨脹機(jī)中膨脹做功，所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩由齒輪箱傳遞到雙饋電機(jī)用于提高機(jī)組發(fā)電量。

結(jié)論

對(duì)于雙饋風(fēng)電機(jī)組單機(jī)一次調(diào)頻的難題，本文介紹了虛擬慣量法、槳距角控制法和儲(chǔ)能法三種解決方法。其中，對(duì)虛擬慣量法和槳距角控制法進(jìn)行仿真研究的結(jié)果表明，采用虛擬慣量的方法，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的同時(shí)，機(jī)組可以維持10s以上10%的功率輸出增加。但是由于該方法通過(guò)轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)子動(dòng)能的方式來(lái)增加輸出功率，在調(diào)頻過(guò)程中，機(jī)組轉(zhuǎn)速將會(huì)持續(xù)下降，所以，此方法只可作為短期的一次調(diào)頻使用。槳距角控制法可以預(yù)留部分功率，當(dāng)電網(wǎng)頻率下降時(shí)，通過(guò)減小槳距角來(lái)增大風(fēng)能利用系數(shù)，進(jìn)而提高風(fēng)電機(jī)組的輸出功率。但是此方法會(huì)導(dǎo)致機(jī)組滿(mǎn)發(fā)時(shí)間減少，影響風(fēng)電場(chǎng)收益。此外，風(fēng)電機(jī)組與儲(chǔ)能結(jié)合的方法可以使機(jī)組充分利用風(fēng)能，而電網(wǎng)對(duì)機(jī)組頻率響應(yīng)的要求則由儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，但是增加儲(chǔ)能設(shè)備會(huì)導(dǎo)致成本的增加。

（作者單位：中國(guó)船舶集團(tuán)海裝風(fēng)電股份有限公司）