避免頻率二次跌落的風電場一次調頻功率分配方法

何廷一，孫 領，王晨光，李勝男，李崇濤，陳亦平

避免頻率二次跌落的風電場一次調頻功率分配方法

何廷一1，孫 領2，王晨光2，李勝男1，李崇濤2，陳亦平3

(1.云南電網(wǎng)公司電力科學研究院，云南 昆明 650217；2.西安交通大學電氣工程學院，陜西 西安 710049；3.中國南方電網(wǎng)電力調度控制中心，廣東 廣州 510623)

風電場基于下垂控制參與系統(tǒng)一次調頻時，參數(shù)整定不當可能引發(fā)機組轉速保護動作進而帶來頻率二次跌落問題。為此，提出了一種避免頻率二次跌落的風電場一次調頻功率分配方法。首先結合下垂控制的響應過程分析了轉速保護動作帶來頻率二次跌落問題的物理機理，然后基于轉速及功率約束條件提出了風電機組調頻功率評估方法，進而得到風電場的調頻功率評估方法和風電場一次調頻功率分配方法?；贛atlab/Simulink搭建了含有風電場的仿真模型。仿真結果表明，所提方法可充分發(fā)揮風電機組的調頻能力，并避免頻率二次跌落問題。

下垂控制；一次調頻；頻率二次跌落；調頻功率評估；功率分配

0 引言

隨著全球范圍內能源危機、環(huán)境污染以及氣候變化等問題的凸顯，新能源的開發(fā)和利用日益成為人們關注的焦點[1-2]。風電因具備成本較低、技術成熟等優(yōu)勢，已成為目前最具競爭力的新能源發(fā)電技術[3-4]。但大規(guī)模風電并網(wǎng)也給電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性帶來了新的挑戰(zhàn)。一方面，風電機組通過變流器實現(xiàn)并網(wǎng)，從而機組轉速和系統(tǒng)頻率之間失去直接的耦合關系；另一方面，為了實現(xiàn)風能的有效利用，風電機組通常采用最大功率跟蹤(Maximum Power Point Tracking, MPPT)控制，無法對系統(tǒng)頻率起到調節(jié)作用[5-8]。

因此，為提升大規(guī)模風電并網(wǎng)下電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性，風電機組應具備調頻能力，可通過功率備用控制[9-12]和轉子動能控制[13-14]等方式來實現(xiàn)。功率備用控制需借助機組超速控制或槳距角控制來實現(xiàn)，降低了風電場的經(jīng)濟效益，增加了風電機組的機械磨損程度，具有一定的局限性。轉子動能控制主要包括虛擬慣性控制和下垂控制，這種控制方式不會影響到正常運行時機組對于風能的有效利用，因此具有良好的應用前景。但轉子動能控制中慣性系數(shù)和下垂系數(shù)過小不利于充分發(fā)揮風電機組的調頻能力，系數(shù)過大易導致機組轉速越限，進而轉速保護動作并帶來頻率二次跌落問題。

當前，國內外學者主要基于離線仿真模型來整定風機轉子動能控制參數(shù)。文獻[15]通過時域仿真分別研究了慣性系數(shù)和下垂系數(shù)對于系統(tǒng)頻率的影響，進而確定合適的參數(shù)取值范圍，而對參數(shù)設置的一般性方法未進行闡述。文獻[16]在傳統(tǒng)的轉子動能控制中增加了風機退出調頻控制，基于時域仿真模型不斷調整風機退出調頻時刻和轉子動能控制參數(shù)。該方法沒有考慮風電場中風機間的風速差異，且控制參數(shù)的調整方法缺乏定量說明。文獻[17-18]考慮了不同風機對應風速的差異性并提出了變下垂系數(shù)的控制策略，但是所提策略中，風機在未參與調頻時處于減載運行狀態(tài)，因而在風能利用方面有所損失。文獻[19]依據(jù)轉速大小對風機調頻能力進行評估，進而實現(xiàn)調頻功率在不同風機間的協(xié)調分配，但缺少對于風機可提供的調頻功率的評估。文獻[20]考慮了風機轉速限值，并通過系統(tǒng)頻率響應模型計算調頻時風機轉速的極小值和穩(wěn)態(tài)值，進而得到不觸發(fā)轉速保護動作的下垂系數(shù)取值上限，但所述方法需在線估計系統(tǒng)的不平衡功率，從而下垂系數(shù)取值上限的確定會受估計值準確度的影響。文獻[21]提出了時變下垂系數(shù)的控制策略，下垂系數(shù)在設定的時間點后線性減小使得風機平緩退出調頻，但在時間設定的合理性方面有待進一步研究。在上述方法中，缺乏對于風機調頻過程中轉速和功率約束的綜合考慮；且上述方法主要涉及的是機組層面轉子動能控制參數(shù)的整定，而在實際工程中則是由站級控制確定風電場一次調頻功率，再分配至風電場內各臺參與調頻的機組，因而需要考慮風電場可提供的調頻功率和風電場內不同風速下機組的調頻能力。

針對上述問題，本文首先從機組層面分析了風電機組基于下垂控制參與一次調頻時轉速保護動作引發(fā)頻率二次跌落的物理機理，然后基于轉速及功率約束條件提出了不同風速下風電機組的調頻功率評估方法，進而得到風電場調頻功率評估方法和風電場一次調頻功率分配方法。所述方法可充分發(fā)揮不同風速下風電機組的調頻能力，并避免轉速保護動作帶來的頻率二次跌落問題。

1 機組層面的風電下垂控制分析

1.1 下垂控制模型

在研究頻率問題時，可不考慮風機軸系扭振現(xiàn)象，從而將風輪機、傳動軸和發(fā)電機轉子視為一個剛體，則忽略阻尼時風機轉子運動方程為

風能利用系數(shù)用以表征風力機捕獲風能的能力，且常用的一種函數(shù)表達式為

風機的主控制一般為MPPT控制，在MPPT控制的基礎上，可附加下垂控制使得風機能夠參與系統(tǒng)的一次調頻。且做機理分析時，忽略風機內部功率損耗以及變流器的快速動態(tài)過程，即風機電磁功率能夠準確跟蹤功率參考值，則有式(6)。

而下垂控制對應的附加功率表達式為

1.2 下垂控制過度響應分析

下垂控制參數(shù)設定不當時，可能出現(xiàn)過度響應現(xiàn)象，即下垂控制對應的附加功率過大，將帶來頻率二次跌落問題。下面結合圖1進行說明。

圖1 風機下垂控制過度響應示意圖

在風速恒定的情況下，風機初始穩(wěn)定于點，此時風機處于最大功率跟蹤狀態(tài)。當系統(tǒng)頻率低于工頻時，在下垂控制的作用下，風機的電磁功率曲線如圖2中藍線所示。由于轉速不能突變，風機運行點由點變?yōu)辄c，此時電磁功率大于機械功率，風機開始減速。當風機運行到點時，風機轉速降至限值，此時電磁功率仍大于機械功率。為避免風機因無平衡點而失速脫網(wǎng)，轉速保護動作將下垂控制切除，進而風機運行到點，此時機械功率大于電磁功率，風機開始加速并重新穩(wěn)定到點。

值得注意的是，風機從點運行至點時，系統(tǒng)會出現(xiàn)較大的功率跌落，這將導致頻率的二次跌落，從而對頻率穩(wěn)定性造成威脅。

當然，實際運行時圖1中的藍色曲線會隨著頻率的變化而變化，此時的頻率二次跌落機理分析與上述類似，不再贅述。

2 風電機組調頻功率評估

根據(jù)前述分析可知，風電機組下垂控制引起的頻率二次跌落問題本質上是由風電機組功率調節(jié)量過大引發(fā)的。因此，應對風電機組參與調頻時能夠提供的功率進行評估，即確定機組可提供的最大調頻功率。

根據(jù)式(1)，可知穩(wěn)態(tài)時有式(10)成立。

2.1 風機可上調功率評估

以的情況為例，圖2給出了風機功率上調的動態(tài)過程，用來說明式(15)的物理意義。

進一步，考慮風機變流器功率限制后，式(15)可修改為

圖3 風機可上調功率評估結果

由式(18)可知，低風速機組的可上調功率主要受轉速下限的約束，高風速機組的可上調功率主要受并網(wǎng)功率上限的約束。

2.2 風機可下調功率評估

圖4 附加不同恒定功率后風機功率下調動態(tài)過程

圖5 風機調頻功率評估結果

3 風電場調頻功率評估和場內一次調頻功率分配方法

單臺風電機組對電網(wǎng)的功率支撐作用有限[23]，因此這里基于風電場層面的下垂控制，并結合前述風電機組調頻功率的評估結果，來確定風電場內一次調頻功率的合理分配方法。

3.1 風電場調頻功率評估

3.2 風電場內一次調頻功率分配方法

在風電場層面，考慮調頻死區(qū)時，下垂控制的表達式為

風電場下垂系數(shù)計算公式為

根據(jù)式(24)—式(28)，可得風電場內機組對應的調頻功率為

綜上，系統(tǒng)出現(xiàn)功率擾動時，風電場內機組根據(jù)式(29)參與系統(tǒng)一次調頻。因為功率分配考慮到了機組的調頻能力，因而可避免機組轉速保護動作引起的頻率二次跌落問題。

4 仿真分析

圖6 仿真系統(tǒng)模型

4.1 傳統(tǒng)下垂控制下的仿真分析

以系統(tǒng)出現(xiàn)功率缺額為例分析風電場參與調頻時的動態(tài)過程。在母線7處設置72 MW的負荷突增擾動，擾動發(fā)生時刻設置為5 s。圖7給出了傳統(tǒng)下垂控制下風電場參與調頻時的系統(tǒng)頻率曲線和機組轉速曲線。

圖7 傳統(tǒng)下垂控制下風機參與調頻仿真曲線

4.2 改進方式下的仿真分析

圖9 不同擾動下風機參與調頻仿真曲線

由圖9(a)可知，風電場采用本文所述控制方法參與一次調頻時，隨著擾動的增大，系統(tǒng)都未出現(xiàn)頻率二次跌落問題。結合圖9(b)、圖9(c)和圖9(d)可知，隨著擾動增大，風電場內不同風速下機組的調頻能力被逐漸挖掘。特別是當系統(tǒng)遭受負荷突增180 MW的擾動時，由圖9(b)和圖9(c)的綠色曲線可知：風電場內的低中風速機組在一次調頻結束后轉速穩(wěn)定在轉速限值附近，這表明機組的調頻能力已經(jīng)被充分挖掘；而高風速機組由于并網(wǎng)功率的限制，所分配的調頻功率較小，因而穩(wěn)態(tài)時轉速高于低中風速下機組對應的轉速。

5 結論

針對風電場基于下垂控制參與一次調頻可能帶來的頻率二次跌落問題，本文提出了考慮風電機組轉速和功率限制的風電場一次調頻功率分配方法，主要研究結論如下：

1) 低風速機組和高風速機組調頻能力受轉速和功率約束較為明顯，中風速機組調頻能力較強。

2) 傳統(tǒng)下垂控制下，低風速機組在參與調頻時易出現(xiàn)過度響應的情況，進而帶來頻率二次跌落問題，且調差系數(shù)越小，頻率二次跌落問題越嚴重。

3) 采用本文所提方法時，中風速機組將承擔更多調頻任務，進而可避免低風速機組因過度響應而帶來的頻率二次跌落問題。且風電場調差系數(shù)可以取到更小的值，有利于充分發(fā)揮機組的調頻能力。

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A method of primary frequency regulation power distribution in a wind farm to avoid secondary frequency drop

HE Tingyi1, SUN Ling2, WANG Chenguang2, LI Shengnan1, LI Chongtao2, CHEN Yiping3

(1. Electric Power Research Institute of Yunnan Power Grid Co., Ltd., Kunming 650217, China;2. School of Electrical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;3. Dispatching and Control Center of China Southern Power Grid, Guangzhou 510623, China)

Improper parameter setting may initiate a wind turbine speed protection action and then lead to a problem of secondary frequency drop, when a wind farm participates in primary frequency regulation based on droop control. Therefore, a method of primary frequency regulation power distribution in a wind farm to avoid secondary frequency drop is proposed. First, the physical mechanism of secondary frequency drop caused by the speed protection action is analyzed based on the response process of droop control. Then an evaluation method of wind turbine frequency regulation power is proposed considering the wind turbine speed and power limits. Then the evaluation method of wind farm frequency regulation power and the method of primary frequency regulation power distribution in a wind farm are obtained. A simulation model including a wind farm is established in Matlab/Simulink. The simulation results show that the proposed method could give full play to the frequency regulation capability of wind turbines and avoid the problem of secondary frequency drop.

droop control; primary frequency regulation; secondary frequency drop; frequency regulation power evaluation; power distribution

10.19783/j.cnki.pspc.211341

國家自然科學基金面上項目資助(51977167); 云南電網(wǎng)公司科技項目資助(YNKJXM20191240)

This work is supported by the General Program of National Natural Science Foundation of China (No. 51977167).

2021-10-04；

2022-02-22

何廷一(1987—)，男，碩士，高級工程師，研究方向為系統(tǒng)分析機網(wǎng)協(xié)調；E-mail: 584786940@qq.com

孫 領(1997—)，男，通信作者，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定分析與控制；E-mail: 2992091977@ qq.com

王晨光(1996—)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定分析與控制。E-mail: 931420988@qq.com

(編輯 葛艷娜)