云南電網(wǎng)低頻問(wèn)題下風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制研究

何廷一，王晨光，李勝男，陳亦平，李崇濤，高琴

(1.云南電網(wǎng)公司電力科學(xué)院，昆明市 650217；2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安市 710049； 3.中國(guó)南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，廣州市 510623)

0 引 言

2016年云南電網(wǎng)與南網(wǎng)主網(wǎng)異步互聯(lián)后，由于系統(tǒng)慣量小、水電占比高，缺乏快速調(diào)頻手段，頻率穩(wěn)定問(wèn)題突出。隨著新能源機(jī)組投產(chǎn)規(guī)模逐步擴(kuò)大，充分挖掘新能源的快速調(diào)頻能力已經(jīng)成為了業(yè)界共識(shí)。2019年云南電網(wǎng)開(kāi)始投入新能源機(jī)組一次調(diào)頻向下調(diào)節(jié)功能來(lái)改善大容量直流閉鎖后的高頻特性。

直流頻率限制器(frequency limit controller，F(xiàn)LC)[1]定位于大擾動(dòng)后頻率穩(wěn)定控制措施。而實(shí)際運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)，單機(jī)甩負(fù)荷都會(huì)引起直流FLC動(dòng)作，僅2019年750 MW以內(nèi)的功率擾動(dòng)導(dǎo)致直流FLC動(dòng)作(動(dòng)作死區(qū)為±0.14 Hz)的案例就有十余起，且事故擾動(dòng)量最小僅有248 MW。如何發(fā)揮風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻功率上調(diào)節(jié)功能，改善電網(wǎng)頻率低周問(wèn)題也成為研究的關(guān)注點(diǎn)。

由于風(fēng)電、光伏等新能源機(jī)組正常運(yùn)行在最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)控制下[2]，不具備頻率響應(yīng)能力，只有改進(jìn)了自身控制方式[3-6]的風(fēng)電機(jī)組可以通過(guò)釋放轉(zhuǎn)子動(dòng)能短時(shí)上調(diào)有功出力。轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制[3]有虛擬慣性控制、下垂控制和綜合慣性控制。這僅解決了如何讓風(fēng)電機(jī)組具有調(diào)頻能力的問(wèn)題，如何根據(jù)系統(tǒng)特性進(jìn)行控制參數(shù)整定，并實(shí)現(xiàn)與其他調(diào)頻資源的協(xié)調(diào)，避免轉(zhuǎn)速恢復(fù)帶來(lái)的頻率二次跌落問(wèn)題仍有待深入研究。

目前關(guān)于風(fēng)電與其他調(diào)頻資源相互作用對(duì)系統(tǒng)頻率影響的研究，多集中在其與常規(guī)同步發(fā)電機(jī)調(diào)速器控制協(xié)同方面。文獻(xiàn)[7]探討了不同風(fēng)電滲透率、系統(tǒng)備用容量下，風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)控制設(shè)計(jì)原則。文獻(xiàn)[8]針對(duì)不同頻率敏感單元之間的協(xié)調(diào)問(wèn)題，指出了風(fēng)電動(dòng)態(tài)功率支撐會(huì)延遲常規(guī)同步機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作，從而惡化系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)，故提出了通過(guò)設(shè)置協(xié)調(diào)參數(shù)合理調(diào)度風(fēng)電場(chǎng)與常規(guī)同步機(jī)組的動(dòng)態(tài)功率。目前涉及直流輸電的頻率協(xié)同優(yōu)化主要集中在直流FLC與常規(guī)同步機(jī)組調(diào)速器的協(xié)調(diào)[9]，關(guān)于直流FLC與常規(guī)同步機(jī)組調(diào)速器控制及風(fēng)電的協(xié)調(diào)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究較少。然而，隨著大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)，直流送端系統(tǒng)中常規(guī)同步機(jī)組比例減少，系統(tǒng)中的等效慣量和備用容量都減少。因此，研究風(fēng)電與常規(guī)同步機(jī)組調(diào)速器控制及直流FLC相互作用對(duì)系統(tǒng)頻率的影響規(guī)律，以提升系統(tǒng)頻率穩(wěn)定也十分必要。

本文首先分析云南電網(wǎng)的調(diào)頻特性以及統(tǒng)調(diào)風(fēng)機(jī)潛在調(diào)頻能力，提出通過(guò)釋放風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能參與一次調(diào)頻改善電網(wǎng)頻率低周問(wèn)題的必要性和可行性；然后建立包含多類型調(diào)頻資源的系統(tǒng)頻率仿真簡(jiǎn)化模型；近一步針對(duì)云南電網(wǎng)頻率低周問(wèn)題，研究并提出多調(diào)頻資源協(xié)調(diào)下風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制設(shè)計(jì)思路及整定方法；最后基于云南電網(wǎng)典型運(yùn)行場(chǎng)景，驗(yàn)證風(fēng)機(jī)的調(diào)頻效果，分析各風(fēng)速下風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制參數(shù)取值規(guī)律，并對(duì)比不同風(fēng)速下風(fēng)機(jī)的調(diào)頻能力。為實(shí)際工程中將風(fēng)電調(diào)頻在電網(wǎng)頻率低周問(wèn)題下納入云南電網(wǎng)調(diào)頻體系提供一定的參考。

1 云南電網(wǎng)頻率低周問(wèn)題下風(fēng)電參與一次調(diào)頻的必要性和可行性分析

1.1 新能源高滲透下的調(diào)頻問(wèn)題

隨著以風(fēng)電為代表的新能源裝機(jī)占比的逐步提高，作為送端的云南異步電網(wǎng)呈現(xiàn)出了以下顯著特性：

1)從電源側(cè)來(lái)看，云南電網(wǎng)水火等常規(guī)同步機(jī)組的發(fā)電空間被擠壓，常規(guī)同步機(jī)組日常開(kāi)機(jī)減少，電網(wǎng)低慣量運(yùn)行場(chǎng)景已經(jīng)在系統(tǒng)小負(fù)荷運(yùn)行方式下出現(xiàn)。云南電網(wǎng)本身是高比例水電系統(tǒng)，受水輪機(jī)“水錘效應(yīng)”影響，水電機(jī)組3～5 s內(nèi)的快速一次調(diào)頻能力缺乏，導(dǎo)致云南電網(wǎng)在系統(tǒng)頻率為0.04～0.07 Hz范圍內(nèi)缺乏快速調(diào)頻手段，頻率波動(dòng)頻繁。

2)從負(fù)荷側(cè)來(lái)看，在系統(tǒng)中等負(fù)荷或大負(fù)荷運(yùn)行方式下，云南電網(wǎng)直流外送電量超過(guò)本地負(fù)荷使用電量，直流系統(tǒng)作為剛性負(fù)荷無(wú)法阻尼頻率變化，電網(wǎng)的負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)顯著降低，小功率擾動(dòng)下極易引發(fā)頻率大幅波動(dòng)。

1.2 風(fēng)機(jī)潛在調(diào)頻能力

到2020年底，云南電網(wǎng)風(fēng)電統(tǒng)調(diào)裝機(jī)容量為9 000 MW，冬季風(fēng)電大發(fā)期日常正常出力波動(dòng)在4 000～6 000 MW之間。可見(jiàn)風(fēng)機(jī)大多處于中高轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子中儲(chǔ)存的動(dòng)能量可觀，因此電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)風(fēng)機(jī)蘊(yùn)藏著很大的潛在調(diào)頻能力。國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究和試驗(yàn)還表明[10-12]，風(fēng)電的一次調(diào)頻響應(yīng)滯后時(shí)間可以縮短到0.5～1.0 s，其屬于優(yōu)質(zhì)的快速頻率響應(yīng)資源。

在系統(tǒng)日常方式安排時(shí)，云南電網(wǎng)水電機(jī)組盡管響應(yīng)速度降低，但根據(jù)開(kāi)機(jī)方式一次調(diào)頻向上備用一般在最大單機(jī)功率850 MW以上。直流FLC上調(diào)節(jié)量在2 500 MW以上，下調(diào)節(jié)容量在2 000 MW以上。因此在電網(wǎng)頻率低周問(wèn)題下，通過(guò)附加轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制讓風(fēng)電參與一次調(diào)頻，在系統(tǒng)遭受擾動(dòng)初期，可以充分發(fā)揮其快速抑制頻率變化率、減小頻率最大偏差的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)常規(guī)水電和火電機(jī)組一次調(diào)頻響應(yīng)滯后時(shí)間長(zhǎng)[13-15]和水電機(jī)組“水錘效應(yīng)”的固有缺陷；在擾動(dòng)中后期，可以與水火等常規(guī)同步機(jī)組或直流FLC協(xié)調(diào)配合，避免風(fēng)機(jī)進(jìn)入轉(zhuǎn)速恢復(fù)過(guò)程中引起的頻率二次跌落問(wèn)題。

2 系統(tǒng)頻率仿真簡(jiǎn)化模型

為了便于從與系統(tǒng)耦合的角度研究風(fēng)電與常規(guī)同步機(jī)組及直流FLC相互作用對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)頻率的影響。本文在系統(tǒng)頻率響應(yīng)(system frequency response，SFR)模型[16]上加入直流FLC模型和風(fēng)機(jī)模型，建立了系統(tǒng)頻率仿真簡(jiǎn)化模型。

2.1 系統(tǒng)模型

系統(tǒng)頻率仿真簡(jiǎn)化模型如圖1所示。圖中：ΔPAL和ΔPDL分別為交流負(fù)荷和直流負(fù)荷功率增量；H和D分別為系統(tǒng)慣性時(shí)間常數(shù)和系統(tǒng)阻尼系數(shù)；Δf為系統(tǒng)頻率偏差，Δf=f-fref，f為系統(tǒng)頻率，fref為系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)頻率；KH、KT分別為水電、火電的開(kāi)機(jī)系數(shù)；ΔPH、ΔPT和ΔPW分別為水電、火電和風(fēng)電有功出力增量；GH(s)和GT(s)分別為水電和火電機(jī)組頻率響應(yīng)傳遞函數(shù)。圖1中的參數(shù)均以常規(guī)同步機(jī)組開(kāi)機(jī)容量Ssyn(MW)為基準(zhǔn)折算。

圖1 系統(tǒng)頻率仿真簡(jiǎn)化模型Fig.1 Simplified model of system frequency simulation

水電開(kāi)機(jī)系數(shù)KH和火電開(kāi)機(jī)系數(shù)KT根據(jù)區(qū)域水火的大致開(kāi)機(jī)比確定，KH和KT的關(guān)系為：

KT+KH=1

(1)

2.2 常規(guī)同步發(fā)電機(jī)頻率響應(yīng)模型

根據(jù)文獻(xiàn)[17]，水電和火電頻率響應(yīng)模型分別如圖2和圖3所示。

圖2 水電機(jī)組頻率響應(yīng)模型Fig.2 Frequency response model of hydropower unit

圖3 火電機(jī)組頻率響應(yīng)模型Fig.3 Frequency response model of thermal power unit

水電頻率響應(yīng)模型GH(s)中，RH、TG、TH、TR和TW分別為水電機(jī)組調(diào)差系數(shù)、調(diào)速器時(shí)間常數(shù)、暫態(tài)下垂時(shí)間常數(shù)、復(fù)位時(shí)間常數(shù)和水錘時(shí)間常數(shù)。

火電頻率響應(yīng)模型GT(s)中，RT、TG、TC、TR和FH分別為火電調(diào)差系數(shù)、調(diào)速器時(shí)間常數(shù)、蒸汽容積時(shí)間常數(shù)、再熱時(shí)間常數(shù)和高壓缸比例系數(shù)。

2.3 直流FLC模型

云南電網(wǎng)的直流控制邏輯為：在正常情況下為恒定功率控制，在頻率越限情況下為頻差鎖定控制。本文直流FLC模型采用反向頻差復(fù)歸模型，反向頻差復(fù)歸模型的控制邏輯如圖4所示。

圖4 反向頻差復(fù)歸模型控制邏輯Fig.4 The model of FLC reverting under inverse frequency deviation

(2)

式中：SDL為直流系統(tǒng)容量。

2.4 風(fēng)機(jī)模型

當(dāng)前，云南電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)風(fēng)機(jī)幾乎都是雙饋異步風(fēng)機(jī)。在研究頻率問(wèn)題時(shí)，對(duì)于雙饋異步風(fēng)機(jī)的簡(jiǎn)化建模是保留風(fēng)功率模型、軸系模型和最大功率跟蹤曲線控制，將風(fēng)機(jī)變流器中間控制過(guò)程用低通濾波器等效[18-20]，附加了轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制、轉(zhuǎn)速保護(hù)模塊和轉(zhuǎn)速恢復(fù)模塊的風(fēng)機(jī)模型如圖5所示。

圖5 風(fēng)機(jī)模型Fig.5 Model of a wind turbine

風(fēng)功率模型中，ρ為空氣質(zhì)量密度，kg/m3；R為風(fēng)力機(jī)葉片半徑，m；v為風(fēng)速，m/s；β為槳距角；λ為葉尖速比；Pwn為風(fēng)機(jī)額定有功功率，MW；Cp(λ，β)為風(fēng)能利用系數(shù)，其近似表達(dá)式為[20]：

(3)

(4)

(5)

式中：ωw為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速；ωwn為風(fēng)力機(jī)額定轉(zhuǎn)速，rad/s。

(6)

(7)

式中：Cpmax為最大風(fēng)能利用系數(shù)；λopt為最佳葉尖速比。Cpmax和λopt可通過(guò)如下方式求得。

因?yàn)轱L(fēng)機(jī)在MPPT區(qū)都是定槳距角運(yùn)行，所以令Cp對(duì)λ求導(dǎo)得：

(8)

(9)

當(dāng)β一定時(shí)，聯(lián)立式(3)和式(9)即可求取Cpmax，聯(lián)立式(4)和式(9)即可求取λopt。例如，當(dāng)β=0時(shí)，Cpmax=0.438，λopt=6.32；當(dāng)β=2時(shí)，Cpmax=0.402，λopt=7.3。

根據(jù)風(fēng)況，風(fēng)機(jī)在穩(wěn)態(tài)情況下可能運(yùn)行在MPPT區(qū)或恒轉(zhuǎn)速區(qū)，或是恒功率區(qū)。最大功率跟蹤曲線如圖6所示。

圖6 最大功率跟蹤曲線Fig.6 Curve of maximum power point tracking

轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制中，Kdf和Kpf分別為虛擬慣性控制系數(shù)和下垂控制系數(shù)；ΔPd為轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制環(huán)節(jié)輸出信號(hào)；Tf為虛擬慣性控制環(huán)節(jié)低通濾波器時(shí)間常數(shù)；Tv為變流器等效環(huán)節(jié)低通濾波器時(shí)間常數(shù)。

在系統(tǒng)頻率低周情況下，風(fēng)機(jī)附加轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制參與系統(tǒng)頻率調(diào)整，當(dāng)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速ωw低于最低轉(zhuǎn)速ωmin時(shí)，轉(zhuǎn)速保護(hù)模塊就會(huì)動(dòng)作，將轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制和轉(zhuǎn)速恢復(fù)模塊切除，風(fēng)機(jī)恢復(fù)最大功率追蹤曲線控制，從而瞬間給系統(tǒng)帶來(lái)負(fù)的功率沖擊，引起系統(tǒng)頻率二次跌落。

由于本文沒(méi)有在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制下垂控制環(huán)節(jié)中設(shè)置高通濾波器，為避免風(fēng)機(jī)調(diào)頻后影響系統(tǒng)的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)恢復(fù)頻率，本文采用補(bǔ)償功率的方法設(shè)置轉(zhuǎn)速恢復(fù)模塊[20]，補(bǔ)償功率ΔPrec表達(dá)式為：

ΔPrec=frec(t)ΔPd

(10)

式中：frec(t)為補(bǔ)償函數(shù)。

(11)

式中：trec,on為轉(zhuǎn)速恢復(fù)啟動(dòng)時(shí)刻；Trec為補(bǔ)償函數(shù)時(shí)間常數(shù)。

風(fēng)機(jī)電磁功率Pwe在轉(zhuǎn)速恢復(fù)模塊啟動(dòng)后會(huì)先減小再增大。因此風(fēng)機(jī)在轉(zhuǎn)速恢復(fù)過(guò)程中會(huì)不可避免地對(duì)系統(tǒng)頻率造成二次影響。需要說(shuō)明的是，采用PI轉(zhuǎn)速恢復(fù)控制[19]也會(huì)給系統(tǒng)頻率造成二次影響。只不過(guò)PI轉(zhuǎn)速恢復(fù)控制是導(dǎo)致頻率短暫升高，補(bǔ)償功率的方式是導(dǎo)致頻率短暫降低。

風(fēng)電有功出力增量ΔPW表達(dá)式為：

ΔPW=KW(Pwe-Pwe，0)

(12)

式中：Pwe,0為系統(tǒng)遭受擾動(dòng)前風(fēng)機(jī)的電磁功率；KW為風(fēng)電開(kāi)機(jī)系數(shù)。

(13)

式中：SW為風(fēng)電開(kāi)機(jī)容量，MW。

3 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制參數(shù)設(shè)計(jì)

本文不考慮電網(wǎng)并網(wǎng)風(fēng)機(jī)的機(jī)間差異和場(chǎng)間差異，將電網(wǎng)所有并網(wǎng)風(fēng)機(jī)聚合為一臺(tái)風(fēng)機(jī)，從風(fēng)機(jī)與系統(tǒng)耦合的角度考慮風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制參數(shù)Kdf和Kpf的整定。

3.1 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制參數(shù)設(shè)計(jì)思路

一般當(dāng)風(fēng)機(jī)出力超過(guò)自身額定的0.2時(shí)需要參與系統(tǒng)頻率調(diào)整[20]。則風(fēng)機(jī)在MPPT控制下出力在0.2 pu對(duì)應(yīng)自身轉(zhuǎn)速ωin可由式(14)求得。

(14)

聯(lián)立式(7)和式(14)，并代入λopt即可求得ωin對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)風(fēng)速vin，vin為參與調(diào)頻風(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)風(fēng)速下限，其表達(dá)式為：

(15)

由圖6可知，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)頻率低周問(wèn)題后，MPPT控制下出力在0.2 pu的風(fēng)機(jī)可向上調(diào)量充足，但轉(zhuǎn)速可變化范圍較小。如果不考慮風(fēng)機(jī)死區(qū)和低通濾波器的作用，由圖5可知，當(dāng)風(fēng)機(jī)采用轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制參與系統(tǒng)頻率調(diào)整時(shí)，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程為：

(16)

進(jìn)一步，假設(shè)調(diào)頻初期風(fēng)機(jī)機(jī)械功率的變化等于電磁功率的變化，由式(16)化簡(jiǎn)得：

(17)

則由式(17)可知，系統(tǒng)頻率低周問(wèn)題越嚴(yán)重，在擾動(dòng)初期風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化就越快，變化量就越大。如果參與調(diào)頻的風(fēng)電機(jī)組都采用同樣的輔助調(diào)頻參數(shù)Kdf和Kpf，處在低轉(zhuǎn)速的風(fēng)機(jī)在系統(tǒng)嚴(yán)重故障下相對(duì)容易觸發(fā)轉(zhuǎn)速保護(hù)動(dòng)作。此外，當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行在恒轉(zhuǎn)速區(qū)并接近恒功率區(qū)時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速可變化范圍大，但風(fēng)機(jī)向上可調(diào)節(jié)量較??；只有中高風(fēng)速下運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組有著較大的轉(zhuǎn)速變化范圍和可觀的上調(diào)節(jié)量。

因此可見(jiàn)，同一套轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制參數(shù)并不同時(shí)適用于任一風(fēng)速運(yùn)行下的風(fēng)電機(jī)組，且也不能發(fā)揮各風(fēng)電機(jī)組的調(diào)頻能力。雖然在實(shí)際工程中，不會(huì)讓風(fēng)機(jī)根據(jù)風(fēng)速變化采用變參數(shù)的方式參與系統(tǒng)頻率調(diào)整。但在參數(shù)整定時(shí)可以研究不同風(fēng)速下風(fēng)機(jī)的調(diào)頻能力，其轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制參數(shù)設(shè)置范圍，為風(fēng)電機(jī)組采用統(tǒng)一的轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制參數(shù)提供參考。

對(duì)于區(qū)域電網(wǎng)來(lái)講，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行方式及其最大可信事故的變化調(diào)整風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制參數(shù)，參與調(diào)頻的風(fēng)機(jī)的風(fēng)速應(yīng)在vin和vn之間。

對(duì)于投有直流FLC功能的云南電網(wǎng)而言，風(fēng)機(jī)在系統(tǒng)頻率低周問(wèn)題下的功能應(yīng)該是在保證不會(huì)引起頻率二次跌落的同時(shí)減小系統(tǒng)頻率最大偏差和改善直流FLC的動(dòng)作情況。

3.2 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制參數(shù)整定方法

圖7 風(fēng)機(jī)參數(shù)整定流程Fig.7 Setting process of wind turbine parameters

因?yàn)橥綑C(jī)的開(kāi)機(jī)容量Ssyn和風(fēng)電開(kāi)機(jī)容量SW已經(jīng)確定，這里忽略風(fēng)電載荷比變化對(duì)于同步機(jī)開(kāi)機(jī)規(guī)模的擠占影響。

步驟2：通過(guò)圖7給出的參數(shù)整定流程，確定風(fēng)速在vin和vn之間不會(huì)出現(xiàn)頻率二次跌落的Kdf和Kpf組合，將v、Kdf、Kpf、Δfmax和EDL存入到矩陣T中。其中，Δfmax為頻率最大偏差；EDL為直流負(fù)荷功率增量積分，表示為：

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步驟3：依據(jù)矩陣T，根據(jù)Δfmax和EDL隨著v、Kdf和Kpf的變化關(guān)系，分析不同風(fēng)速下風(fēng)機(jī)的虛擬慣性控制系數(shù)Kdf和下垂控制系數(shù)Kpf取值規(guī)律并對(duì)比其調(diào)頻能力，結(jié)合頻率、直流FLC和風(fēng)機(jī)的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)一步確定不同風(fēng)速下風(fēng)機(jī)的Kdf和Kpf參數(shù)取值范圍。

綜上，在系統(tǒng)某一運(yùn)行方式下對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)在不同風(fēng)速下的Kdf和Kpf參數(shù)取值范圍得以確定，為后續(xù)風(fēng)機(jī)采用統(tǒng)一的轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制參數(shù)提供參考。

4 算例分析

4.1 虛擬慣性控制系數(shù)取值規(guī)律以及各風(fēng)速下風(fēng)機(jī)調(diào)頻能力對(duì)比分析

為分析虛擬慣性控制系數(shù)Kdf的取值規(guī)律以及同一Kdf取值下風(fēng)機(jī)在不同風(fēng)速下的調(diào)頻能力，圖8給出了風(fēng)機(jī)運(yùn)行在MPPT區(qū)，Kpf=10時(shí)，不同Kdf取值對(duì)應(yīng)的最大頻率偏差和直流負(fù)荷功率增量積分絕對(duì)值曲線。

圖8 不同Kdf下Δfmax和|EDL|曲線Fig.8 Δfmax and |EDL|curves under different Kdf

由圖8可知，同一Kpf和Kdf取值下，風(fēng)機(jī)改善系統(tǒng)的頻率最大偏差和直流FLC的動(dòng)作量的能力隨著風(fēng)速增大而減小。由圖8(a)可知，在某一特定風(fēng)速下，風(fēng)機(jī)改善頻率最大偏差的能力會(huì)隨著Kdf的增大先增大后減?。伙L(fēng)機(jī)改善直流FLC動(dòng)作量的能力會(huì)隨著Kdf的增大不斷減小。

圖9給出了風(fēng)速在9 m/s、Kpf=10時(shí)，不同Kdf取值下系統(tǒng)的頻率曲線、風(fēng)電有功出力增量曲線和直流負(fù)荷功率增量絕對(duì)值曲線。由圖9可知，Kdf越大，除了會(huì)降低風(fēng)機(jī)改善系統(tǒng)頻率最大偏差和直流FLC動(dòng)作量的能力，還會(huì)讓系統(tǒng)頻率在進(jìn)入直流FLC死區(qū)后出現(xiàn)嚴(yán)重超調(diào)，并隨著風(fēng)電有功出力跌落又導(dǎo)致頻率出現(xiàn)嚴(yán)重反調(diào)，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致頻率再次超過(guò)直流FLC動(dòng)作死區(qū)，引起直流FLC再次動(dòng)作。

圖9 v=9 m/s時(shí)不同Kdf下頻率f、風(fēng)電有功出力增量ΔPW和直流負(fù)荷出力增量絕對(duì)值|ΔPDL|曲線Fig.9 f，ΔPW and |ΔPDL|curves under different Kdf at v=9 m/s

因此，在系統(tǒng)小負(fù)荷運(yùn)行方式下，對(duì)于投入直流FLC功能的異步互聯(lián)送端高比例水電系統(tǒng)，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組采用統(tǒng)一的轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制參數(shù)參與系統(tǒng)頻率調(diào)整時(shí)，虛擬慣性控制系數(shù)Kdf建議取值在10～20之間。

4.2 下垂控制系數(shù)取值規(guī)律以及各風(fēng)速下風(fēng)機(jī)調(diào)頻能力對(duì)比分析

為分析下垂控制系數(shù)Kpf的取值規(guī)律以及同一Kpf取值下風(fēng)機(jī)在不同風(fēng)速下的調(diào)頻能力，圖10給出了風(fēng)機(jī)風(fēng)速在vin和vn(6～9 m/s為MPPT區(qū)，9.5 ～10.4 m/s為恒轉(zhuǎn)速區(qū))，Kdf=10時(shí)，不同Kpf取值對(duì)應(yīng)的最大頻率偏差和直流負(fù)荷功率增量積分絕對(duì)值曲線。

同樣由圖10可知，同一Kdf和Kpf取值下，當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行在MPPT區(qū)時(shí)，風(fēng)機(jī)改善頻率最大偏差和直流FLC動(dòng)作量的能力都隨著風(fēng)速增大而減小，差距相對(duì)較??；而當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行在恒轉(zhuǎn)速區(qū)時(shí)，風(fēng)機(jī)改善頻率最大偏差和直流FLC動(dòng)作量的能力雖然也都隨著風(fēng)速增大而減小，但差距相對(duì)較大。

由圖10可知，當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行在MPPT區(qū)和靠近MPPT區(qū)的恒轉(zhuǎn)速區(qū)時(shí)，增大Kpf顯著增強(qiáng)了風(fēng)電改善頻率最大偏差和直流FLC動(dòng)作量的能力，但Kpf到一定值時(shí)，增大Kpf對(duì)于提升風(fēng)機(jī)改善系統(tǒng)頻率最大偏差和直流FLC動(dòng)作量的能力幾乎沒(méi)有改變。此外，由圖10還可知，靠近恒功率區(qū)運(yùn)行的風(fēng)機(jī)幾乎沒(méi)有調(diào)頻能力。當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行在MPPT區(qū)時(shí)，在系統(tǒng)小負(fù)荷運(yùn)行方式下，如果風(fēng)機(jī)參與系統(tǒng)頻率調(diào)整，能將系統(tǒng)最大N-1故障下的頻率最大偏差縮小至少0.08 Hz。

圖10 不同Kpf下Δfmax和|EDL|曲線Fig.10 Δfmax and |EDL|curves under different Kpf

圖11給出了Kdf=10，風(fēng)機(jī)在不同風(fēng)速不同Kpf取值下參與系統(tǒng)頻率調(diào)整后的系統(tǒng)頻率曲線和風(fēng)電增出力增量曲線。由圖11可知，低風(fēng)速(例如v=6 m/s)機(jī)組受到轉(zhuǎn)速限制，Kpf取值過(guò)大會(huì)引起轉(zhuǎn)速保護(hù)動(dòng)作，導(dǎo)致風(fēng)電出力瞬間跌落，從而給系統(tǒng)頻率帶來(lái)二次跌落問(wèn)題；當(dāng)風(fēng)速偏高(例如v=9 m/s和10 m/s)時(shí)，Kpf取值過(guò)大，會(huì)嚴(yán)重影響頻率恢復(fù)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)頻率的時(shí)間，因?yàn)楸舅憷霓D(zhuǎn)速恢復(fù)啟動(dòng)時(shí)刻trec,on設(shè)置為100 s，所以圖11(a)v=9 m/s對(duì)應(yīng)頻率曲線會(huì)出現(xiàn)較為明顯的頻率跌落現(xiàn)象；受出力幅值限制，靠近恒功率區(qū)運(yùn)行(例如v=10.4 m/s)的機(jī)組受機(jī)組限幅影響，所以調(diào)頻效果不佳。

圖11 不同風(fēng)速v、不同Kpf下頻率f和風(fēng)電有功出力量ΔPW曲線Fig.11 f and ΔPW curves under different v and Kpf

由上述分析可知，在系統(tǒng)小負(fù)荷運(yùn)行方式下，對(duì)于投入直流FLC功能的異步互聯(lián)送端高比例水電系統(tǒng)，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組采用統(tǒng)一的轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制參數(shù)參與系統(tǒng)頻率調(diào)整時(shí)，下垂控制系數(shù)Kpf取值受低風(fēng)速機(jī)組取值影響，取值不要超過(guò)30。

5 結(jié) 論

1)對(duì)于投入直流FLC功能的異步互聯(lián)送端高比例水電系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)采用轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制能夠很好地降低電網(wǎng)頻率峰值越限風(fēng)險(xiǎn)，改善直流FLC動(dòng)作情況。

2)對(duì)于投入直流FLC功能的異步互聯(lián)送端高比例水電系統(tǒng)，增大虛擬慣性控制系數(shù)Kdf，不利于改善頻率最大偏差，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)頻率在到達(dá)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)頻率前出現(xiàn)嚴(yán)重的超調(diào)和反調(diào)現(xiàn)象，帶來(lái)頻率二次跌落。

3)下垂控制系數(shù)Kpf是改善頻率最大偏差和減少直流FLC動(dòng)作量的關(guān)鍵。同等Kdf和Kpf參數(shù)取值情況下，風(fēng)電機(jī)組改善頻率最大偏差和直流FLC動(dòng)作量的能力都隨著風(fēng)速增大而減小，當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行在MPPT區(qū)時(shí)，其調(diào)頻能力差距相對(duì)較??；當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行在恒轉(zhuǎn)速區(qū)時(shí)，其調(diào)頻能力差距相對(duì)較大；靠近恒功率區(qū)運(yùn)行的機(jī)組幾乎沒(méi)有調(diào)頻能力。

4)低風(fēng)速機(jī)組Kpf取值受轉(zhuǎn)速約束限制，取值過(guò)大會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)速保護(hù)動(dòng)作帶來(lái)頻率二次跌落問(wèn)題；中高風(fēng)速機(jī)組Kpf取值過(guò)大雖然不會(huì)引起頻率二次跌落問(wèn)題，但嚴(yán)重影響頻率到達(dá)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)頻率的時(shí)間；增大Kpf到一定值時(shí)，繼續(xù)增大Kpf不能提升風(fēng)機(jī)改善頻率最大偏差和直流FLC動(dòng)作情況的能力。