風(fēng)電機(jī)組參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的策略研究

張志恒

(國網(wǎng)江蘇省電力有限公司連云港供電分公司， 江蘇 連云港222000)

0 引言

隨著風(fēng)力發(fā)電在我國的應(yīng)用范圍越來越廣泛,風(fēng)電不斷地進(jìn)入到電網(wǎng)中, 風(fēng)電與電網(wǎng)之間相互影響的范圍、 程度、 方式在不斷深入, 帶來了一系列融合問題, 如電壓劇烈波動(dòng)、 微機(jī)保護(hù)誤動(dòng)作、 頻率振蕩等[1-5]。

目前, 風(fēng)力發(fā)電所引起的系統(tǒng)頻率問題日益為人們所關(guān)注。 由于風(fēng)電機(jī)組自身特有的解耦式控制方式, 風(fēng)力機(jī)的機(jī)械動(dòng)能和電網(wǎng)頻率之間沒有直接聯(lián)系, 其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量沒有應(yīng)用到電網(wǎng)之中, 因此電網(wǎng)頻率的瞬時(shí)波動(dòng)有所增加。 此外, 風(fēng)電場輸出功率的隨機(jī)性和波動(dòng)性, 使得電力系統(tǒng)需要更多的備用功率, 以滿足電網(wǎng)頻率一次調(diào)節(jié)的要求, 增加了系統(tǒng)的運(yùn)行成本[6-7]。

針對風(fēng)電所引起的電網(wǎng)頻率問題, 國家電網(wǎng)公司《風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》 要求, 風(fēng)電場具備參與電力系統(tǒng)調(diào)頻、 調(diào)峰和備用的能力, 能夠?qū)崿F(xiàn)有功功率的連續(xù)平滑調(diào)節(jié), 并保證風(fēng)電場有功控制系統(tǒng)的快速性和可靠性。 現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具備強(qiáng)大的控制優(yōu)勢, 能夠適時(shí)調(diào)節(jié)自身的各種輸出狀態(tài), 輔助性地解決電網(wǎng)中發(fā)生的各種相關(guān)問題。

1 風(fēng)電機(jī)組控制策略和功率追蹤模式

1.1 風(fēng)電機(jī)組的控制策略

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)包括對風(fēng)輪機(jī)的控制和對變流器的控制, 其控制框圖如圖1 所示。 轉(zhuǎn)子側(cè)換流器能夠?qū)崿F(xiàn)對有功功率和無功功率的分別獨(dú)立控制, 其有功功率控制是按照風(fēng)力機(jī)控制后給出的功率指令進(jìn)行, 能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的間接控制, 從而使風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在最佳轉(zhuǎn)速狀態(tài), 即捕獲最大的風(fēng)功率。

圖1 風(fēng)電機(jī)組的控制框圖(以DFIG 為例)

圖中, 實(shí)線表示的是控制后輸出信號, 虛線表示的是測量信號, 點(diǎn)劃線表示的是給定信號； 控制給定信號用上標(biāo)ref 表示, 控制反饋測量信號用上標(biāo)meas 來表示。

1.2 風(fēng)電機(jī)組的功率追蹤模式

風(fēng)輪機(jī)的所有運(yùn)行狀態(tài)分為四種模式, 即啟動(dòng)區(qū)、Cp恒定區(qū)、 轉(zhuǎn)速恒定區(qū)、 功率恒定區(qū)。 一般情況下, 風(fēng)輪機(jī)處于Cp恒定區(qū), 即最大功率追蹤區(qū)。 風(fēng)電機(jī)組的參考功率值Pref隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωr相關(guān)的曲線如圖2 所示, 其數(shù)學(xué)表達(dá)式可由公式(1)描述。

圖2 風(fēng)電機(jī)組的功率追蹤曲線

式中,Pmax為風(fēng)電機(jī)組輸出最大有功；ω0為風(fēng)輪機(jī)入網(wǎng)轉(zhuǎn)速；ω1是在轉(zhuǎn)速恒定區(qū)時(shí)的轉(zhuǎn)速大??；ωmax為風(fēng)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速；kopt為圖2 中功率追蹤曲線的系數(shù)。

2 風(fēng)電機(jī)組參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的控制策略

風(fēng)電機(jī)組參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的控制框圖如圖3所示。 其在風(fēng)電機(jī)組原有控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上, 附加了風(fēng)機(jī)的頻率調(diào)節(jié)模塊[8-12]。 此頻率模塊可根據(jù)電網(wǎng)頻率的實(shí)際波動(dòng)狀況進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組的一次調(diào)頻或慣性響應(yīng)控制過程。

圖3 風(fēng)電機(jī)組參與頻率調(diào)節(jié)的控制框圖

風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行不同類型頻率響應(yīng)的判據(jù)如下:

式中,Lf、Tf是風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行慣性響應(yīng)和一次調(diào)頻控制的閾值: 當(dāng)電網(wǎng)的運(yùn)行頻率偏差較大(如Tf＝0. 05 Hz) 時(shí), 風(fēng)電機(jī)組優(yōu)先進(jìn)行一次調(diào)頻過程,所形成的變量Δk附加在了功率追蹤環(huán)節(jié)中, 使得風(fēng)電機(jī)組為電網(wǎng)系統(tǒng)提供更多備用功率； 當(dāng)系統(tǒng)頻率波動(dòng)較快(如Lf＝0. 03 Hz/ s) 時(shí), 風(fēng)電機(jī)組可進(jìn)行瞬時(shí)的慣性響應(yīng), 風(fēng)機(jī)的輸出參考功率P′ref值立即發(fā)生相應(yīng)變化ΔP, 以減緩電網(wǎng)的能量突變過程。

2.1 風(fēng)電機(jī)組的慣性響應(yīng)控制

從同步發(fā)電機(jī)組的慣性特征中可找到風(fēng)電機(jī)組的慣性響應(yīng)方法。 由同步發(fā)電機(jī)組可知, 電網(wǎng)頻率波動(dòng)時(shí)機(jī)組輸出功率的變化是因?yàn)橘|(zhì)塊旋轉(zhuǎn)動(dòng)能的釋放或吸收, 其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:式中,Ek為機(jī)組具有的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能； ΔPs為機(jī)組輸出功率的變化量；J為同步機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω為機(jī)組轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度。

因此, 若要模擬同步發(fā)電機(jī)組的慣性特征, 風(fēng)電機(jī)組則應(yīng)該隨系統(tǒng)頻率的變化而改變其最大功率追蹤參考值P′ref的大小, 其變化量ΔP可表達(dá)如下:

式中,Jw為風(fēng)電機(jī)組的虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量, 其值為負(fù)數(shù)； 39. 44Jw為風(fēng)電機(jī)組的慣量系數(shù)。 根據(jù)以上分析設(shè)計(jì)的風(fēng)電機(jī)組慣性響應(yīng)模塊如圖4 所示。

圖4 中設(shè)置了死區(qū), 使風(fēng)電機(jī)組僅在系統(tǒng)頻率快速變化時(shí)才啟動(dòng)慣性響應(yīng)模塊。 此模塊對于系統(tǒng)頻率的變化率按慣量系數(shù)(k1＝39. 44Jw) 形成輸出功率的波動(dòng)量ΔP, 因此頻率變化越快, 風(fēng)電機(jī)組的功率波動(dòng)就越大。 最后, 功率波動(dòng)量ΔP與功率追蹤參考值P′ref之和將構(gòu)成機(jī)組新的輸出功率參考值Pref, 從而真正改變風(fēng)電機(jī)組的輸出功率大小。

2.2 風(fēng)電機(jī)組的一次調(diào)頻控制

風(fēng)電機(jī)組采用一種超速減載的功率備用法, 具體過程如圖5 所示。 在正常情況下, 風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行于減載功率曲線PT1 上的A 點(diǎn), 為電網(wǎng)提供一定的備用功率。 當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時(shí), 風(fēng)電機(jī)組可以變換至相應(yīng)的功率曲線PT2 或PT3 上, 在穩(wěn)定后, 風(fēng)電機(jī)組將運(yùn)行于B 點(diǎn)或C 點(diǎn), 從而增加或者減少風(fēng)電機(jī)組的輸出功率, 完成對系統(tǒng)的一次調(diào)頻過程。

圖5 風(fēng)電機(jī)組的功率備用策略

圖6 是風(fēng)電機(jī)組的一次調(diào)頻控制模塊。 其輸入量為電網(wǎng)實(shí)測頻率f和額定頻率fref, 對其偏差Δf進(jìn)行比例調(diào)節(jié), 產(chǎn)生Δk的值, 從而形成新的風(fēng)機(jī)功率追蹤曲線k′de, 改變風(fēng)電機(jī)組的輸出功率。 電網(wǎng)負(fù)荷增加, 使系統(tǒng)頻率下降能夠增大機(jī)組功率曲線系數(shù)k′de的值, 提高機(jī)組的輸出功率； 電網(wǎng)負(fù)荷減少, 使系統(tǒng)頻率升高, 則進(jìn)行相反的過程。 通常情況下, 風(fēng)電機(jī)組是在kde0＝0. 8kopt的風(fēng)機(jī)功率曲線上穩(wěn)定運(yùn)行, 而曲線系數(shù)的變化量Δf值被限制在(-0. 2kopt, 0. 2kopt)。 此外, 電網(wǎng)頻率處于(50-Δfmin, 50+Δfmin) 時(shí), 風(fēng)機(jī)將處于一次調(diào)頻的死區(qū), 即曲線系數(shù)變化量Δk為0。

圖6 風(fēng)電機(jī)組的一次調(diào)頻模塊

慣性響應(yīng)與一次調(diào)頻控制使風(fēng)電機(jī)組參與了電網(wǎng)頻率的調(diào)節(jié), 為系統(tǒng)頻率的控制發(fā)揮了風(fēng)電自身的作用, 從而增強(qiáng)了系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性。

3 風(fēng)電機(jī)組頻率控制策略的仿真分析

針對一含風(fēng)電的電網(wǎng)仿真系統(tǒng), 其結(jié)構(gòu)如圖7 所示, 包含一個(gè)風(fēng)力發(fā)電場G3和兩個(gè)火力發(fā)電廠G1、 G2, 在系統(tǒng)中共有3 處有功負(fù)荷(L1、L2和L3), 火力發(fā)電廠G1和G2均配有勵(lì)磁系統(tǒng)和有功控制系統(tǒng), 在風(fēng)電機(jī)組的功率控制系統(tǒng)中加入頻率控制模塊, 通過對風(fēng)電機(jī)組慣性和一次調(diào)頻的仿真分析, 可驗(yàn)證風(fēng)機(jī)頻率控制策略的有效性。 此仿真模型中各風(fēng)電場機(jī)組的參數(shù)見表1—2。

圖7 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

表1 風(fēng)機(jī)參數(shù)

表2 同步發(fā)電機(jī)G1、 G2 參數(shù)

3.1 風(fēng)機(jī)慣性響應(yīng)過程的仿真分析

初始時(shí)風(fēng)電機(jī)組及電網(wǎng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài), 風(fēng)速穩(wěn)定為7 m/ s。 在3 s 時(shí)電網(wǎng)出現(xiàn)500 ms時(shí)長40 MW 大小的有功功率投切, 電網(wǎng)頻率和風(fēng)電機(jī)組輸出功率的仿真結(jié)果如圖8 所示, 其中虛線表示風(fēng)機(jī)無慣性響應(yīng)控制策略, 實(shí)線表示有慣性響應(yīng)控制策略時(shí)的情況。

圖8 風(fēng)電機(jī)組的慣性響應(yīng)

從圖8 可知, 系統(tǒng)頻率的快速下降引發(fā)了風(fēng)電機(jī)組的慣性響應(yīng)控制, 圖8 (b) 的仿真結(jié)果說明,在慣性響應(yīng)的過程中, 風(fēng)電機(jī)組通過風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的快速降低, 其輸出功率會突然增加, 形成了對系統(tǒng)頻率變化的有效慣性響應(yīng), 因此頻率的波動(dòng)比機(jī)組沒有慣性控制時(shí)有所減緩(圖8 (a) )。

3.2 風(fēng)機(jī)一次調(diào)頻過程的仿真分析

初始時(shí)風(fēng)電機(jī)組及電力系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài), 風(fēng)速恒定為7 m/ s。 從3 s 時(shí)電力系統(tǒng)開始增加50 MW 負(fù)荷并引起電網(wǎng)頻率的下降, 系統(tǒng)頻率和機(jī)組輸出功率的仿真結(jié)果如圖9 所示, 其中實(shí)線表示風(fēng)電機(jī)組有一次調(diào)頻控制策略, 虛線表示風(fēng)電機(jī)組無一次調(diào)頻控制策略的情況。

圖9 風(fēng)電機(jī)組的一次調(diào)頻

從圖9 可知, 在風(fēng)電機(jī)組參與一次調(diào)頻之后,機(jī)組的轉(zhuǎn)速降低, 同時(shí)機(jī)組的輸出功率增加, 風(fēng)電機(jī)組釋放了備用功率從而減緩了電力系統(tǒng)中的功率不平衡狀況。 由于風(fēng)電機(jī)組的一次調(diào)頻控制, 系統(tǒng)頻率與額定值的偏差沒有一次調(diào)頻控制時(shí)縮小, 因此電網(wǎng)頻率的響應(yīng)結(jié)果有了顯著的改善。

3.3 風(fēng)機(jī)綜合調(diào)頻過程的仿真分析

初始時(shí)風(fēng)速恒定為7 m/ s, 風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行于功率追蹤區(qū), 電力系統(tǒng)處于供電-負(fù)荷的平衡狀態(tài)。 在3 s 時(shí)電網(wǎng)開始增加50 MW 的有功負(fù)荷, 系統(tǒng)因功率失衡而產(chǎn)生頻率波動(dòng), 風(fēng)電機(jī)組參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)的仿真結(jié)果如圖10 所示, 其中實(shí)線表示有頻率控制策略時(shí)效果, 虛線表示無頻率控制策略時(shí)效果。

在電網(wǎng)負(fù)荷增加時(shí), 系統(tǒng)頻率會首先快速降低, 之后再穩(wěn)定運(yùn)行于某一頻率值上。 因?yàn)樵谙到y(tǒng)頻率快速下降時(shí), 風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行了慣性支持, 所以電網(wǎng)頻率的初始下降速率將有所減緩。 之后風(fēng)電機(jī)組又根據(jù)電網(wǎng)頻率的偏差進(jìn)行了一次調(diào)頻控制, 調(diào)整了機(jī)組功率追蹤曲線系數(shù), 從而縮小了系統(tǒng)頻率與額定值(50 Hz) 的偏差。 圖10 (a) 顯示在風(fēng)電機(jī)組附加頻率控制模塊后, 電網(wǎng)頻率的響應(yīng)效果變好, 頻率下降變得緩慢且頻率的穩(wěn)態(tài)偏差變小?？傊? 引入本文的頻率控制策略后, 風(fēng)電機(jī)組可根據(jù)系統(tǒng)頻率的不同波動(dòng)情況進(jìn)行慣性支持、 一次調(diào)頻支持, 或者先后進(jìn)行慣性響應(yīng)和一次調(diào)頻支持, 提供對系統(tǒng)頻率的輔助調(diào)節(jié)功能, 電網(wǎng)頻率的響應(yīng)效果變得更好。 因此, 在高風(fēng)電滲透率地區(qū),風(fēng)電機(jī)組可附加本文的頻率控制模塊。

圖10 風(fēng)電機(jī)組的頻率響應(yīng)結(jié)果

4 結(jié)論

本文通過慣性控制和一次調(diào)頻相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)了風(fēng)電機(jī)組的頻率控制策略。 風(fēng)機(jī)慣性響應(yīng)控制是通過在風(fēng)電機(jī)組輸出功率的參考值上附加慣性變量來完成的, 而一次調(diào)頻控制則是通過改變機(jī)組的功率曲線從而提供備用功率。 這兩種調(diào)頻策略相互補(bǔ)充、 相互協(xié)調(diào), 實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組具備與傳統(tǒng)機(jī)組相似的頻率響應(yīng)特性, 從而可以使電網(wǎng)頻率更加穩(wěn)定。 利用一個(gè)電力系統(tǒng)模型的仿真分析, 證明本文所提出的慣性控制與一次調(diào)頻結(jié)合的調(diào)頻控制策略具有有效性, 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可對電網(wǎng)頻率提供動(dòng)態(tài)支持, 保證電網(wǎng)的穩(wěn)定性。