基于分段頻率變化率的風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻控制策略

單煜，汪 震，周昌平，劉瑞煦，梁丹琦

（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江省杭州市 310027）

0 引言

以推動(dòng)“碳達(dá)峰、碳中和”為契機(jī)，加快調(diào)整優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，以新能源為主體的電力電子設(shè)備大量接入電網(wǎng)，其有功功率-頻率解耦的控制特性使未來電力系統(tǒng)逐漸演變?yōu)樾履茉锤邼B透的低慣量電力系統(tǒng)［1］。

為有效解決負(fù)荷突變引起的頻率快速跌落問題，許多學(xué)者開始在風(fēng)電機(jī)組層面探究風(fēng)電機(jī)組參與系統(tǒng)一次調(diào)頻的控制策略，通過在風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)中利用風(fēng)電機(jī)組電力電子接口設(shè)備的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行功率補(bǔ)償參與一次調(diào)頻。主要的調(diào)頻策略包括綜合慣性控制［2-4］、短時(shí)功率增發(fā)控制［5-7］、虛擬同步機(jī)控制［8］以及功率備用控制［9］。

綜合慣性控制能夠提高系統(tǒng)對(duì)頻率的調(diào)節(jié)能力，為使風(fēng)電機(jī)組具有持續(xù)調(diào)頻能力，風(fēng)電機(jī)組可采用降載運(yùn)行方式提供功率儲(chǔ)備，但為了兼顧調(diào)頻需求和經(jīng)濟(jì)性，降載運(yùn)行更適用于高風(fēng)速機(jī)組，風(fēng)電場(chǎng)中風(fēng)電機(jī)組大部分以中低風(fēng)速運(yùn)行時(shí)難以參與調(diào)頻［10］。同時(shí)，綜合慣性控制涉及一次調(diào)頻后的轉(zhuǎn)速恢復(fù)過程，此過程吸收有功功率，將引發(fā)系統(tǒng)頻率二次跌落［11］。另外，綜合慣性控制動(dòng)作具有自發(fā)性，不能作為主動(dòng)控制手段。

相較于綜合慣性控制，短時(shí)功率增發(fā)控制能人為設(shè)定功率參考值，調(diào)頻更具主動(dòng)性。文獻(xiàn)［5］利用階梯式慣量控制，有效減小最大頻率變化率（rate of change of frequency，ROCOF）和頻率偏差，但該策略在階段切換時(shí)會(huì)引起巨大的頻率二次跌落。對(duì)此，文獻(xiàn)［6］提出通過斜坡過渡的控制策略，并利用粒子群算法求解參數(shù)，有效減小了調(diào)頻和轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段切換過程的功率偏差，但增發(fā)功率僅與風(fēng)速有關(guān)，不能根據(jù)功率缺額釋放。文獻(xiàn)［7］提出基于跟蹤曲線的短時(shí)功率增發(fā)控制，在風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子側(cè)變流器加入有功增量，以降低轉(zhuǎn)速移動(dòng)工作點(diǎn)，從而減小功率輸出，削弱切換過程的頻率二次跌落，然而該策略調(diào)頻和轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段時(shí)間長(zhǎng)，不適用于功率波動(dòng)頻繁的場(chǎng)景。

考慮到實(shí)際系統(tǒng)中的復(fù)雜工況，有部分研究提出了基于頻率信號(hào)的自適應(yīng)控制方案，如文獻(xiàn)［12］較早提出基于分段控制的風(fēng)電有功功率-頻率控制，通過頻率分段使風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在不同的有功控制區(qū)間；文獻(xiàn)［13］根據(jù)頻率閾值分3 個(gè)階段依次啟動(dòng)陸上電網(wǎng)電源、網(wǎng)側(cè)電壓源型換流器（VSC）和海上風(fēng)電場(chǎng)側(cè)VSC 以提高經(jīng)濟(jì)效益。文獻(xiàn)［14］還進(jìn)一步考慮ROCOF 的大小和方向變化以加速調(diào)整低頻降載啟動(dòng)時(shí)間和降載幅度，提高頻率緊急控制效果。

本文提出一種基于分段ROCOF 的雙饋風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻控制策略。首先，利用ROCOF 預(yù)估頻率惡化程度，建立基于分段ROCOF 的風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻自適應(yīng)控制規(guī)則，基于不同ROCOF 區(qū)間采用變下垂綜合慣性控制、改進(jìn)短時(shí)功率增發(fā)控制及兩者的遞增轉(zhuǎn)速恢復(fù)，提升風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻適應(yīng)能力。其中，變下垂綜合慣性引入變系數(shù)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制、改進(jìn)短時(shí)功率增發(fā)控制通過集中控制實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)有功指令分配，利用本地初始ROCOF 預(yù)估功率不平衡量，設(shè)計(jì)功率整形函數(shù)主動(dòng)響應(yīng)頻率事件；最后，建立含雙饋風(fēng)電機(jī)組的四機(jī)兩區(qū)域模型，驗(yàn)證所提策略的有效性。

1 基于綜合慣性控制的風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻策略

圖1（a）所示為包含綜合慣性和轉(zhuǎn)速恢復(fù)的風(fēng)電機(jī)組控制框圖，在最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）模式的基礎(chǔ)上引入綜合慣性模塊，包含慣性模擬和下垂控制兩個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組輔助調(diào)頻，具有模擬同步機(jī)慣性特性以增加系統(tǒng)等效慣量和同步機(jī)一次調(diào)頻提高頻率最低點(diǎn)fnadir的優(yōu)點(diǎn)［11，15］。圖中:T1為時(shí)間常數(shù)；f為頻率；Δf為頻率偏差。

圖1 風(fēng)電機(jī)組的綜合慣性控制策略Fig.1 Integrated inertial control strategy for wind turbines

圖1（b）所示為典型的考慮風(fēng)電機(jī)組綜合慣性控制的頻率響應(yīng)曲線［11］，圖中:t0、tre、t1分別為調(diào)頻初始時(shí)刻、轉(zhuǎn)速恢復(fù)時(shí)刻和功率跟蹤時(shí)刻；fN為系統(tǒng)額定頻率。圖中可引出6 個(gè)頻率響應(yīng)特征量化指標(biāo):1）ROCOF；2）頻率最低點(diǎn)fnadir；3）二次跌落最低點(diǎn)；4）最大頻率偏差Δfmax=max(Δfnadir1，Δfnadir2)，其中Δfnadir1=fN-fnadir，Δfnadir2=fN-；5）穩(wěn)態(tài)頻率誤差Δfst；6）一次調(diào)頻響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)Δtres=t1-t0，Δtres表示頻率事件后風(fēng)電機(jī)組參與輔助調(diào)頻至工作點(diǎn)重新回到跟蹤曲線的時(shí)間，其值越大則說明控制策略的響應(yīng)周期更長(zhǎng)。

如圖1（a）所示，為恢復(fù)綜合慣性的釋放轉(zhuǎn)子動(dòng)能，風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻控制環(huán)還可包含轉(zhuǎn)速恢復(fù)環(huán)［16］，即在綜合慣性控制模塊的基礎(chǔ)上加入轉(zhuǎn)速恢復(fù)模塊。轉(zhuǎn)速恢復(fù)過程通常包含3 個(gè)階段，如圖1（c）所示。圖中:Pw為風(fēng)電機(jī)組的輸出功率；ω0為風(fēng)電機(jī)組初始運(yùn)行點(diǎn)對(duì)應(yīng)的初始轉(zhuǎn)速。

1）一次調(diào)頻階段（A→B）:綜合慣性控制動(dòng)作過程，功率緩慢下降，該過程圖1（a）中開關(guān)S 置于1?？紤]到轉(zhuǎn)速側(cè)面反映了風(fēng)速變化，本文采用基于轉(zhuǎn)速變化的分段變下垂控制適應(yīng)風(fēng)速差異［3］，表達(dá)式如下:

式中:KD(ωw)為風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速為ωw時(shí)的下垂系數(shù)；kmax為MPPT 系數(shù)；ω1為轉(zhuǎn)速的設(shè)定值；ωmin和ωmax分別為風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行的最小、最大轉(zhuǎn)速，本文設(shè)置ωmin=0.7 p.u.；z為比例系數(shù)，其物理意義為頻率偏差為0.1 Hz 時(shí)風(fēng)電機(jī)組增發(fā)功率ΔPKE1與PMPPT的比值，其中，MPPT 模式下風(fēng)電機(jī)組的功率。

2）轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段（B→C）:當(dāng)參考功率Pw，ref小于機(jī)械功率Pm時(shí)，風(fēng)電機(jī)組進(jìn)入轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段，圖1（a）中開關(guān)切換至2，轉(zhuǎn)速恢復(fù)模塊動(dòng)作。此時(shí)，若瞬時(shí)減小風(fēng)電機(jī)組的輸出電磁功率將引起如圖1（b）所示的頻率二次跌落。在轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段，在特定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)根據(jù)轉(zhuǎn)速和時(shí)間變化采用如式（2）所示平滑轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略來調(diào)整功率參考值Pre(ωw，t)［17］:

式中:ωre和ωC分別為轉(zhuǎn)速恢復(fù)時(shí)刻tre和風(fēng)電機(jī)組切換為MPPT 模式時(shí)風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速；Δtre為轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段時(shí)長(zhǎng)；ΔPre為轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段的減發(fā)功率，ΔPre=Pw，ref(ωre)-PMPPT(ωre)。

3）MPPT 階段（C→A）:根據(jù)圖1（a），當(dāng)PMPPT滿足式（3）時(shí)，風(fēng)電機(jī)組功率隨轉(zhuǎn)速上升直到輸出功率回到MPPT 工作點(diǎn)。

文獻(xiàn)［18］指出，系統(tǒng)中存在負(fù)荷頻繁投切、負(fù)荷波動(dòng)、風(fēng)速變化引起的風(fēng)電機(jī)組輸出功率隨機(jī)波動(dòng)等不同大小和時(shí)間尺度的功率不平衡問題。為了應(yīng)對(duì)高風(fēng)電滲透率系統(tǒng)中復(fù)雜的工況變化，上述綜合慣性控制無法完全滿足不同功率波動(dòng)下的一次調(diào)頻控制策略需求。因此，文中將基于風(fēng)電機(jī)組參與調(diào)頻系統(tǒng)的ROCOF 特性，提出一種風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻控制策略，提高風(fēng)電機(jī)組支持電網(wǎng)調(diào)頻控制的適應(yīng)能力。

2 基于ROCOF 的風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻控制

2.1 ROCOF 與功率缺額的關(guān)系

風(fēng)電機(jī)組利用綜合慣性參與調(diào)頻后，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)方程等效為［15］:

式中:HS為系統(tǒng)等效慣性時(shí)間常數(shù)，滿足HS=HG(1-p)［19］，其中，p為風(fēng)電滲透率，在本文中定義為風(fēng)電場(chǎng)投入容量SW與系統(tǒng)總投入容量SB之比；HG為同步發(fā)電機(jī)組等效慣性時(shí)間常數(shù)［20］；DS為等效阻尼系數(shù)；PGi和PL分別為同步發(fā)電機(jī)i和負(fù)荷的功率；KJ和KD分別為風(fēng)電機(jī)組綜合慣性控制的虛擬慣性系數(shù)和下垂系數(shù)。

將式（4）進(jìn)行線性化，考慮功率不平衡量ΔPunb，可得系統(tǒng)初始ROCOF 為:

式中:F(t0)為系統(tǒng)在t0時(shí)刻的ROCOF，與ΔPunb成正比，故可根據(jù)上式將ROCOF 劃分為不同區(qū)間，采用特定的控制策略實(shí)現(xiàn)風(fēng)電輔助調(diào)頻的優(yōu)化。

2.2 ROCOF 變化區(qū)間的確定原理

據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15945—2008 規(guī)定，電力系統(tǒng)正常運(yùn)行條件下頻率偏差限值為±0.2 Hz［21］。進(jìn)一步，針對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率偏差Δfst設(shè)定兩個(gè)閾值:δ0=0.1 Hz，δ1=0.2 Hz，在此基礎(chǔ)上根據(jù)Δfst大小劃分為3 個(gè)頻率響應(yīng)區(qū)（0 ≤|Δfst|＜δ0（區(qū)間Ⅰ）、δ0≤|Δfst|＜δ1（區(qū) 間Ⅱ）、|Δfst|≥δ1（區(qū) 間Ⅲ）），如圖1（b）所示。

1）dΔf/dt與Δfst的關(guān)系

由于Δfst為滯后指標(biāo)，不能及時(shí)反映系統(tǒng)缺額大小，故需要利用其與ROCOF 的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將區(qū)間映射至ROCOF 下。由于系統(tǒng)的等效阻尼與等效調(diào)差系數(shù)的倒數(shù)不在同一數(shù)量級(jí)，假設(shè)穩(wěn)態(tài)時(shí)功率不平衡量由同步發(fā)電機(jī)組承擔(dān)，其有功出力增量ΔPG為:

式中:RS為系統(tǒng)的等效調(diào)差系數(shù)，滿足RS=RG/(1-p)［19］，其中，RG為同步發(fā)電機(jī)組等效調(diào)差系數(shù)。

根據(jù)式（6）可得:

式中:ΔPunb，max為臨界功率不平衡量，其物理意義為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率偏差為δ1時(shí)對(duì)應(yīng)的功率偏差；ΔPG，max為同步發(fā)電機(jī)有功出力的最大值。

將式（7）代入式（5）可得ΔPunb，max對(duì)應(yīng)的初始ROCOF的絕對(duì)值F1為:

2）基于F(t0)的頻率分區(qū)

由上述分析可知，可將頻率穩(wěn)態(tài)偏差區(qū)間映射至ROCOF 上，同樣可分為3 個(gè)區(qū)間，在有名值下滿足:

（1）區(qū)間Ⅰ:0 ≤|F(t0)|＜δ0/[(2HS+KJ)RS]；

（2）區(qū) 間Ⅱ:δ0/[(2HS+KJ)RS]≤|F(t0)|＜δ1/[(2HS+KJ)RS]；

（3）區(qū)間Ⅲ:|F(t0)|≥δ1/[(2HS+KJ)RS]。

在實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行中只要運(yùn)行方式確定，系統(tǒng)參數(shù)在短期內(nèi)將不發(fā)生變化，在故障發(fā)生前可在線評(píng)估得到［22］，從而基于不同的頻率響應(yīng)區(qū)，采用相應(yīng)的調(diào)頻策略實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組參與調(diào)頻的優(yōu)化。

2.3 基于ROCOF 的控制策略

為了滿足針對(duì)不同功率不平衡量的調(diào)頻控制需求，本文提出如圖2 所示的一次調(diào)頻控制，包含綜合慣性控制模塊、改進(jìn)短時(shí)功率增發(fā)控制模塊以及轉(zhuǎn)速恢復(fù)模塊。其中，轉(zhuǎn)速恢復(fù)模塊為前兩者的公用模塊?？刂撇呗暂敵龅膮⒖加泄β蔖w，ref與無功功率Qw，ref經(jīng)矢量控制得到轉(zhuǎn)子dq軸電壓參考值vrd，ref和vrq，ref，產(chǎn)生空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）信號(hào)控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器。

圖2 基于ROCOF 的風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻控制策略Fig.2 Control strategy of wind turbine for frequency regulation based on ROCOF

各控制策略對(duì)應(yīng)ROCOF 區(qū)間及主要作用如表1 所示，不同頻率響應(yīng)區(qū)對(duì)應(yīng)的控制策略如下:

表1 ROCOF 區(qū)間設(shè)置原則Table 1 Segment setting principle of ROCOF

1）當(dāng)F(t0)在區(qū)間Ⅰ時(shí)，綜合慣性控制模塊啟動(dòng)；

2）當(dāng)F(t0)在區(qū)間Ⅱ時(shí)，使用綜合慣性控制模塊，在滿足退出調(diào)頻條件后，轉(zhuǎn)速恢復(fù)并轉(zhuǎn)入MPPT 模式；

3）當(dāng)F(t0)在區(qū)間Ⅲ時(shí)，切換為改進(jìn)短時(shí)功率增發(fā)控制模塊，并與轉(zhuǎn)速恢復(fù)模塊配合。

2.4 基于ROCOF 的改進(jìn)短時(shí)功率增發(fā)控制

2.4.1 控制策略設(shè)計(jì)

基于ROCOF 的改進(jìn)短時(shí)功率增發(fā)控制如圖2所示，輸入為初始ROCOF 以及變化時(shí)間t，經(jīng)整形函數(shù)得到的輸出為增發(fā)功率ΔPKE2。

整形函數(shù)為一個(gè)按照時(shí)間的分段函數(shù)，即

式中:KSIC為增發(fā)功率系數(shù)；Ksub為減功率系數(shù)，令Ksub=Δtcon/(Δttotal-Δtcon)，其中，Δtcon為恒功率階段時(shí)長(zhǎng)，Δttotal為ΔPKE2下降至0 的總時(shí)長(zhǎng)。

為了利用本地量測(cè)估計(jì)慣性中心頻率，可利用文獻(xiàn)［23］提出的測(cè)點(diǎn)頻率法得到?？紤]到一階慣性環(huán)節(jié)在濾除高頻噪聲的同時(shí)可能發(fā)生F(t0)延時(shí)，將在研究中采用ROCOF 峰值逼近法來估計(jì)F(t0)，具體原理見附錄A。

2.4.2 控制效果

在上述短時(shí)功率增發(fā)策略作用下，與轉(zhuǎn)速恢復(fù)模塊配合，風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)將經(jīng)歷如圖3 所示E→A→B→C→D→E階段。

圖3 改進(jìn)短時(shí)功率增發(fā)控制功率-轉(zhuǎn)速曲線Fig.3 Power-rotor speed curves of improved short-term power over-generation control

假設(shè)初始時(shí)刻風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)位于E點(diǎn)，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組接到增發(fā)控制指令時(shí)，風(fēng)電機(jī)組功率將經(jīng)歷如下狀態(tài)演變過程:

1）恒增發(fā)功率階段（E→A→B）:此階段風(fēng)電機(jī)組增發(fā)功率按式（9）第1 行表達(dá)式計(jì)算，隨著轉(zhuǎn)子動(dòng)能的釋放，風(fēng)電機(jī)組總功率因轉(zhuǎn)速減小而下降；

2）增發(fā)功率線性下降階段（B→C）:此階段補(bǔ)充在恒增發(fā)功率階段后，增發(fā)功率ΔPKE2按式（9）第2 行表達(dá)式線性下降以緩解頻率二次跌落和轉(zhuǎn)速恢復(fù)慢的問題；

3）轉(zhuǎn)速恢復(fù)（C→D）:當(dāng)風(fēng)電機(jī)組輸出功率下降至滿足Pw，ref＜Pm到達(dá)tre時(shí)刻，風(fēng)電機(jī)組退出調(diào)頻并按式（2）進(jìn)行轉(zhuǎn)速恢復(fù)。

4）MPPT 階段（D→E）:轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段至滿足Pre＜PMPPT后風(fēng)電機(jī)組進(jìn)入MPPT 階段。

對(duì)比現(xiàn)有的短時(shí)功率增發(fā)控制，改進(jìn)策略優(yōu)點(diǎn)如下:

1）傳統(tǒng)的短時(shí)功率增發(fā)控制通常在恒功率階段預(yù)設(shè)增發(fā)功率，當(dāng)發(fā)生頻率變化超過閾值時(shí)啟動(dòng)［5］，響應(yīng)具有延時(shí)且增發(fā)功率與功率缺額無關(guān)。因此，利用ROCOF 作為觸發(fā)條件，并利用其估算調(diào)頻容量需求可加快主動(dòng)響應(yīng)速度，合理確定風(fēng)電機(jī)組增發(fā)功率。

2）文獻(xiàn)［7］提出的自適應(yīng)慣性控制的功率變化曲線如圖3中E→A′→B′→C′→D′→E階段所示。當(dāng)有功功率參考值Pw，ref與機(jī)械功率Pm相交時(shí)，瞬間減小功率進(jìn)入轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段，這導(dǎo)致轉(zhuǎn)速恢復(fù)慢、頻率以及二次跌落大等問題。在恒功率階段和轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段間引入有功銜接階段能防止功率突變，緩解頻率二次跌落幅度［24］。

2.4.3 風(fēng)電場(chǎng)的協(xié)調(diào)控制

針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)中各風(fēng)電機(jī)組可用旋轉(zhuǎn)動(dòng)能差異，需對(duì)式（9）得到的功率增量ΔPKE2在風(fēng)電場(chǎng)中n臺(tái)風(fēng)電機(jī)組間按可用旋轉(zhuǎn)動(dòng)能比例進(jìn)行分配。

設(shè)第i臺(tái)風(fēng)電機(jī)組初始轉(zhuǎn)速為ω0，i，每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組和整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)可用旋轉(zhuǎn)動(dòng)能EA，i和EA分別為:

式中:Hw為風(fēng)力機(jī)慣性時(shí)間常數(shù)；并令參與系數(shù)qi=EA，i/EA。

考慮到風(fēng)電機(jī)組瞬時(shí)增發(fā)功率不超過額定容量的20%，且存在功率上限，可根據(jù)式（11）確定第i臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的功率調(diào)整量ΔPKE2，i:

式中:P0，i為初始轉(zhuǎn)速為ω0，i時(shí)對(duì)應(yīng)的功率。

風(fēng)電場(chǎng)層的控制框架如圖4（a）所示，通過協(xié)調(diào)控制，不僅能更精準(zhǔn)地滿足功率需求，防止過調(diào)和欠調(diào)的發(fā)生，還能進(jìn)行合理功率分配，減少風(fēng)電機(jī)組失速風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 基于分段ROCOF 的風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻控制Fig.4 Primary frequency regulation control of wind turbine based on segmented ROCOF

3 風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻控制設(shè)計(jì)

在風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行中，考慮到風(fēng)電機(jī)組可用調(diào)頻容量受運(yùn)行工況影響，考慮通過部分風(fēng)電機(jī)組主動(dòng)降載為一次調(diào)頻做準(zhǔn)備；同時(shí)為避免風(fēng)電機(jī)組頻繁動(dòng)作，通過設(shè)置調(diào)頻死區(qū)與ROCOF 動(dòng)作判據(jù)配合。以下對(duì)一次調(diào)頻準(zhǔn)備以及整體流程進(jìn)行說明。

3.1 風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻準(zhǔn)備

風(fēng)電機(jī)組降載采用經(jīng)典的定比例備用持留方式，降載后功率Pde為:

式中:d為降載系數(shù)，通常設(shè)置為10%～20%［25］。上述風(fēng)電機(jī)組降載可通過超速和變槳控制實(shí)現(xiàn)運(yùn)行工作點(diǎn)偏移［9］。

3.2 調(diào)頻控制流程

基于ROCOF 的頻率控制整體流程如圖4（b）所示，具體步驟如下:

步驟1:死區(qū)判定。判斷系統(tǒng)頻率偏差的絕對(duì)值|Δf|是否大于死區(qū)范圍，其中設(shè)定調(diào)頻死區(qū)Δfband=0.03 Hz:若是，則繼續(xù)其余步驟，否則不參與調(diào)頻。

步驟2:基于ROCOF 的一次調(diào)頻控制。測(cè)量頻率ROCOF值F（t0），根據(jù)表1 所示ROCOF 區(qū)間規(guī)則選擇切換第1 章及2.4 節(jié)提及的控制策略。

4 算例分析

本文建立改進(jìn)的四機(jī)兩區(qū)域系統(tǒng)驗(yàn)證基于ROCOF 的風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻控制策略的有效性，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及具體參數(shù)見附錄B。系統(tǒng)含有4 臺(tái)同步發(fā)電機(jī)，額定容量均為100 MV·A，HG=6.5 s；風(fēng)電場(chǎng)由100×1.5 MW 的雙饋風(fēng)電機(jī)組構(gòu)成，風(fēng)電滲透率為27.27%，額定風(fēng)速為12 m/s，通過1 臺(tái)升壓變壓器經(jīng)母線10 接入該系統(tǒng)。風(fēng)電場(chǎng)布局如圖4（a）所示，各行等值風(fēng)電機(jī)組編號(hào)為C1 至C4 并考慮風(fēng)電機(jī)組尾流效應(yīng)［26］，所有風(fēng)電機(jī)組的具體電氣參數(shù)見文獻(xiàn)［27］，其中，前排風(fēng)電機(jī)組（C1）工作在降載模式，降載系數(shù)d=10%，其余風(fēng)電機(jī)組工作在MPPT 模式。風(fēng)電機(jī)組主要調(diào)頻控制參數(shù)見附錄C，其中綜合慣性控制中虛擬慣性系數(shù)選用文獻(xiàn)［2］設(shè)置。根據(jù)式（8）計(jì)算得F1=0.244 Hz。結(jié)合2.2節(jié)ROCOF 分段原則，具體閾值的計(jì)算結(jié)果及設(shè)定值（四舍五入）見附錄A 表A1。

為了驗(yàn)證所提方法的有效性，分別對(duì)比以下兩種策略:本文所提控制策略與和文獻(xiàn)［7］所提自適應(yīng)慣性控制（風(fēng)電機(jī)組功率變化軌跡見圖3）。研究中考慮如下系統(tǒng)工況變化:當(dāng)t=10 s 時(shí)，負(fù)荷突增5%；當(dāng)t=50 s 時(shí)，負(fù)荷進(jìn)一步突增10%。相關(guān)仿真結(jié)果在圖5（a）至（d）中給出，用于比較不同方法的頻率恢復(fù)效果。另外，表2 還給出了最大頻率偏差Δfmax和一次調(diào)頻響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)Δtres的計(jì)算結(jié)果。

由圖5（a）可知，在前后兩次負(fù)荷突增下，系統(tǒng)初始ROCOF（|F(t0)|）分別處于區(qū)間Ⅱ和區(qū)間Ⅲ，依次啟動(dòng)了綜合慣性和改進(jìn)短時(shí)功率增發(fā)控制。由圖5（b）可知，在頻率跌落較小時(shí)（首次5%負(fù)荷突增），相比風(fēng)電機(jī)組無調(diào)頻能力場(chǎng)景，兩種方法都能較好抑制頻率跌落；頻率跌落進(jìn)一步增大時(shí)（后續(xù)10%負(fù)荷突增），本文提出的方法抗頻率擾動(dòng)能力更強(qiáng)、頻率跌落更小。從圖5（c）至（d）亦可看出，在后續(xù)10%負(fù)荷突增條件下，由于本文方法可提供更多的增發(fā)功率（ΔP），使得頻率跌落更少，從表2 中Δfmax計(jì)算數(shù)據(jù)也進(jìn)一步驗(yàn)證。此外，表2 中顯示本文方法的一次調(diào)頻響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)Δtres更短，有利于轉(zhuǎn)速快速恢復(fù)。

圖5 不同負(fù)荷擾動(dòng)下的系統(tǒng)響應(yīng)曲線對(duì)比Fig.5 Comparison of system response curves with different load disturbances

表2 調(diào)頻效果對(duì)比Table 2 Comparison of frequency regulation effect

5 結(jié)語

本文提出了基于ROCOF 的風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻控制策略，使風(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)不同功率不平衡量下基于ROCOF 分段區(qū)間的頻率自適應(yīng)控制。經(jīng)理論研究和仿真分析得到如下結(jié)論:

1）根據(jù)功率不平衡量與ROCOF 的線性關(guān)系，可根據(jù)本地頻率測(cè)量估計(jì)初始ROCOF，從而反映功率不平衡量大小。相較于頻率偏差信號(hào)作為控制策略的觸發(fā)信號(hào)，ROCOF 對(duì)擾動(dòng)檢測(cè)更具超前性。

2）綜合慣性控制能根據(jù)頻率自發(fā)調(diào)節(jié)功率增量，可對(duì)功率波動(dòng)場(chǎng)景進(jìn)行自適應(yīng)頻率調(diào)節(jié)。提出適用于較大擾動(dòng)場(chǎng)景下的基于ROCOF 的短時(shí)功率增發(fā)控制，通過測(cè)量ROCOF 初值預(yù)估調(diào)頻需求，確定瞬時(shí)增發(fā)功率，同時(shí)采用增發(fā)功率線性下降階段緩解頻率二次跌落；在風(fēng)電場(chǎng)層通過集中控制，按照初始旋轉(zhuǎn)動(dòng)能裕度進(jìn)行功率分配，使功率缺額主要由降載風(fēng)電機(jī)組和高風(fēng)速風(fēng)電機(jī)組承擔(dān)，提高一次調(diào)頻能力。將上述兩種控制策略結(jié)合，能有效提高風(fēng)電場(chǎng)參與調(diào)頻的能力。

后續(xù)研究工作中，將根據(jù)電網(wǎng)頻率的時(shí)空分布特性，分析本地初始ROCOF、慣量和不平衡功率的關(guān)系，同時(shí)考慮實(shí)際系統(tǒng)確定臨界功率不平衡量，從而合理設(shè)定ROCOF 閾值。

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