海上風(fēng)場(chǎng)與海島微網(wǎng)交互調(diào)頻機(jī)制及控制策略研究

王中權(quán)， 李衛(wèi)東， 綦 曉， 屈濤濤， 周胤博， 劉 敏， 高會(huì)文

（1.南方電網(wǎng)南方海上風(fēng)電聯(lián)合開(kāi)發(fā)有限公司， 廣東 珠海 519070； 2.暨南大學(xué) 能源電力研究中心， 廣東珠海519070； 3.暨南大學(xué) 國(guó)際能源學(xué)院， 廣東 珠海 519070）

0 引言

“粵港澳大灣區(qū)”能源供給與經(jīng)濟(jì)發(fā)展矛盾日益突出，為充分發(fā)揮大灣區(qū)區(qū)位能源優(yōu)勢(shì)、優(yōu)化能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)，截至2020 年底，大灣區(qū)已計(jì)劃建設(shè)超過(guò)1 GW 裝機(jī)容量的海上風(fēng)電。 而大規(guī)模風(fēng)電接入末端薄弱電網(wǎng)將對(duì)系統(tǒng)頻率造成巨大沖擊，嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行， 配套建設(shè)儲(chǔ)能將極大增加運(yùn)維成本。因此，有效協(xié)調(diào)閑置資源以提高海上風(fēng)電調(diào)頻能力，具有重要的研究意義和價(jià)值。

針對(duì)風(fēng)電機(jī)組功率與電網(wǎng)頻率解耦問(wèn)題，虛擬慣量控制能夠使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模擬同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量特性[1]， 從而引起了研究人員的廣泛關(guān)注。 文獻(xiàn)[2]從傳統(tǒng)同步系統(tǒng)頻率響應(yīng)機(jī)理出發(fā)，構(gòu)建了系統(tǒng)頻率響應(yīng)的廣義慣量響應(yīng)體系及分析方法。文獻(xiàn)[3]對(duì)風(fēng)電機(jī)組PD 虛擬慣量控制的響應(yīng)特性和響應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了分析， 探究了虛擬慣量控制參數(shù)對(duì)風(fēng)電機(jī)組參與系統(tǒng)調(diào)頻的影響。 文獻(xiàn)[4]進(jìn)一步提出了風(fēng)-火系統(tǒng)模糊自適應(yīng)虛擬慣量控制策略。 文獻(xiàn)[5]提出采用風(fēng)電場(chǎng)額定功率5%的儲(chǔ)能裝置協(xié)助風(fēng)電場(chǎng)慣量支撐， 從而使風(fēng)電場(chǎng)具有接近于同容量同步發(fā)電機(jī)的慣量支撐水平。 文獻(xiàn)[6]在原有傳統(tǒng)虛擬慣量控制策略的基礎(chǔ)上， 采用遺傳算法離線(xiàn)優(yōu)化不同轉(zhuǎn)速下的頻率控制系數(shù)。

針對(duì)風(fēng)電輸出功率的隨機(jī)波動(dòng)性， 利用儲(chǔ)能裝置的快速響應(yīng)能力能夠有效提高風(fēng)電消納水平[5]。 文獻(xiàn)[7]采用PID 控制器對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行控制，以調(diào)節(jié)風(fēng)電柴油發(fā)電系統(tǒng)頻率，提升了頻率調(diào)節(jié)效果。 文獻(xiàn)[8]采用協(xié)同控制理論，設(shè)計(jì)了不同風(fēng)速下運(yùn)行在最大功率跟蹤狀態(tài)（Maximum Power Point Tracking，MPPT）的風(fēng)電機(jī)組變系數(shù)控制策略， 以及儲(chǔ)能協(xié)同風(fēng)電機(jī)組提供調(diào)頻響應(yīng)的雙層協(xié)同控制策略。 文獻(xiàn)[9]考慮到風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)儲(chǔ)備電量和電池儲(chǔ)能的荷電狀態(tài)， 設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)荷電狀態(tài)反饋控制， 使電池儲(chǔ)能的荷電狀態(tài)盡可能保持在最優(yōu)值。然而，通過(guò)配套儲(chǔ)能系統(tǒng)雖能提高電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性， 但當(dāng)前儲(chǔ)能裝置建造成本居高不下， 使得系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性與頻率穩(wěn)定性之間存在沖突，難以?xún)扇?/p>

目前，海島微網(wǎng)群及海上風(fēng)電研究相對(duì)獨(dú)立，而交互環(huán)境下海島微網(wǎng)群與海上風(fēng)電分布式調(diào)頻策略研究尚處空白。 本文以具有“粵港澳大灣區(qū)”區(qū)位能源特色的海島微網(wǎng)群與海上風(fēng)機(jī)群為研究對(duì)象，提出二者在交互環(huán)境下的調(diào)頻機(jī)制。針對(duì)不同運(yùn)行工況下風(fēng)機(jī)慣量支撐能力， 設(shè)計(jì)了自適應(yīng)動(dòng)態(tài)量化因子， 以避免風(fēng)機(jī)在調(diào)頻過(guò)程中發(fā)生轉(zhuǎn)速恢復(fù)狀態(tài)跳變?cè)斐深l率二次擾動(dòng)， 從而有效提高了海上風(fēng)電調(diào)頻能力， 大幅緩解了對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

1 電力系統(tǒng)調(diào)頻模型建立

1.1 海上風(fēng)場(chǎng)多機(jī)等值模型

海上風(fēng)場(chǎng)通常采用直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（D-PMSG）， 簡(jiǎn)化后二階多機(jī)等值并網(wǎng)頻率響應(yīng)模型如圖1 所示。 圖中：Pm為風(fēng)電機(jī)組獲取的機(jī)械功率；Pe為發(fā)電機(jī)輸出的電磁功率；Cp為風(fēng)能利用系數(shù)；ρ 為空氣密度；r 為風(fēng)力機(jī)葉片半徑；ΔPVIC為風(fēng)機(jī)虛擬慣量功率變化參考值；T 為電磁功率與機(jī)械功率的轉(zhuǎn)矩差；ωw為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；kopt為MPPT 最優(yōu)跟蹤系數(shù)；Jw為風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Te為逆變器響應(yīng)時(shí)間常數(shù)。

圖1 海上風(fēng)場(chǎng)等值模型Fig.1 Equivalent model of offshore wind farm

風(fēng)電機(jī)組獲取的機(jī)械功率為[10]～[12]

1.2 海島微網(wǎng)可調(diào)分布式電源模型

以珠海大萬(wàn)山島微網(wǎng)、東澳島微網(wǎng)、桂山島微網(wǎng)為例，其存在大量冗余儲(chǔ)能系統(tǒng)，大多以柴油發(fā)電機(jī)作為主供電源， 為便于仿真和控制器參數(shù)整定， 本文采用簡(jiǎn)化的儲(chǔ)能系統(tǒng)模型和柴油發(fā)電機(jī)模型，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程可表示如下[13]，[14]：

式中：GDGi為柴油發(fā)電機(jī)組傳遞函數(shù)；TDGi為柴油發(fā)電機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)；Gbi為儲(chǔ)能系統(tǒng)傳遞函數(shù)；Tbi為儲(chǔ)能系統(tǒng)慣性時(shí)間常數(shù)。

1.3 單區(qū)域電力系統(tǒng)調(diào)頻模型

以珠海電網(wǎng)結(jié)構(gòu)為例， 搭建單區(qū)域負(fù)荷頻率控制模型，如圖2 所示，包括3 臺(tái)600 MW 火電機(jī)組、120 MW 海上風(fēng)電場(chǎng)、3 個(gè)海島微網(wǎng)，以IEEE9節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)模型為例，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。 其中，火電機(jī)組模型包括發(fā)電機(jī)模型、 再熱鍋爐模型以及汽輪機(jī)模型[15]，分別如式（7）～（9）所示，由于火電機(jī)組調(diào)頻模型相對(duì)成熟，本文不再做詳細(xì)闡述。

圖2 單區(qū)域電力系統(tǒng)調(diào)頻模型Fig.2 Frequency regulation model of single-area power system

圖3 IEEE9 節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.3 Topology of IEEE9-bus power system

式中：ui，Xgi和Tgi分別為第i 個(gè)火電廠鍋爐的控制信號(hào)、出力及動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間常數(shù)；Pri，Kri和Tri分別為第i 個(gè)火電廠汽輪機(jī)的功率輸出、 增益系數(shù)及響應(yīng)時(shí)間常數(shù)；Pgi和Tti分別為第i 個(gè)火電廠調(diào)速器功率輸出及響應(yīng)時(shí)間常數(shù)。

在單區(qū)域電力系統(tǒng)中， 發(fā)電功率與負(fù)荷需求之間的不平衡將引發(fā)頻率波動(dòng)， 該有功-頻率動(dòng)態(tài)過(guò)程可表示為

式中：M 和D 分別為系統(tǒng)的慣性常數(shù)和阻尼常數(shù)；ΔPgi為火電廠功率變化值；ΔPMG為海島微網(wǎng)功率變化值；ΔPWF為海上風(fēng)場(chǎng)功率變化值；ΔPLoad為電網(wǎng)負(fù)荷變化值。

本文采用的D-PMSG 模型參數(shù)[3]為T(mén)e=0.02，kopt=0.578 7，Jw=10.38；火電機(jī)組模型參數(shù)[15]為T(mén)r1=Tr2=Tr3=7，Tt1=Tt2=Tt3=0.3，Tg1=Tg2=Tg3=0.2，Kr1=Kr2=Kr3=0.3，R1=R2=R3=0.02； 本文算例中的其他模型參數(shù)為M=25，D=0.5，TDGi=4，Gbi=1，Kp=5，Kd=1。

2 海上風(fēng)場(chǎng)與海島微網(wǎng)虛擬慣量控制分析

2.1 海上風(fēng)場(chǎng)虛擬慣量控制分析

目前， 虛擬慣量控制方法是通過(guò)改變風(fēng)電機(jī)組逆變器參考功率以控制輸出電磁功率， 其通過(guò)計(jì)算頻率偏差的微分信號(hào)模擬傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)機(jī)械慣性，即提供慣量支撐，通過(guò)頻率偏差比例環(huán)節(jié)模擬傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)下垂特性，即一次調(diào)頻過(guò)程，隨后利用二者之和改變風(fēng)電機(jī)組逆變器參考輸入功率。 因此，當(dāng)系統(tǒng)頻率出現(xiàn)波動(dòng)后，風(fēng)電機(jī)組通過(guò)釋放或吸收風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子動(dòng)能， 可快速調(diào)節(jié)輸出電磁功率參與調(diào)頻。

PD 虛擬慣量控制下，風(fēng)電機(jī)組功率變化為[16]

此時(shí)，系統(tǒng)慣性時(shí)間常數(shù)增加了Kd。 在引入風(fēng)機(jī)虛擬慣量控制環(huán)節(jié)后， 忽略頻率變化引起的PMPPT變化，當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生后，系統(tǒng)頻率最大變化率可表示為

因此，虛擬慣量控制參數(shù)Kd可直接降低系統(tǒng)頻率變化率。

2.2 海島微網(wǎng)虛擬慣量控制分析

在微網(wǎng)中， 通常會(huì)配置一定數(shù)量的儲(chǔ)能系統(tǒng)及柴油發(fā)電機(jī)， 而為了保證微網(wǎng)在孤島運(yùn)行的穩(wěn)定性，在微網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)往往留有功率備用或冗余。 因此， 在保證微網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定裕度的前提下，有效利用該部分電源，協(xié)同海上風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行輔助調(diào)頻， 對(duì)提高海上風(fēng)場(chǎng)并網(wǎng)友好性具有重要作用。

為此，在虛擬慣量控制框架下，本文提出將海上風(fēng)場(chǎng)虛擬慣量控制參考功率同時(shí)分配給海島微網(wǎng)，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)及柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，以此補(bǔ)償不同風(fēng)速下海上風(fēng)場(chǎng)虛擬慣量的變化。 如圖4 所示，海上風(fēng)場(chǎng)與海島微網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)交互調(diào)頻。

圖4 海上風(fēng)場(chǎng)與海島微網(wǎng)交互模型Fig.4 Interaction between offshore wind farm and island microgrids

以珠海萬(wàn)山海島新能源微網(wǎng)國(guó)家級(jí)示范項(xiàng)目為例，如圖5 所示，桂山島微網(wǎng)設(shè)有3 臺(tái)1 MW 的柴油發(fā)電機(jī)和2 MW 2.4 h 的儲(chǔ)能系統(tǒng)，東澳島微網(wǎng)設(shè)有2 臺(tái)1 MW 的柴油發(fā)電機(jī)和0.5 MW 6 h的儲(chǔ)能系統(tǒng)， 大萬(wàn)山島微網(wǎng)設(shè)有1 臺(tái)1 MW 的柴油發(fā)電機(jī)和0.5 MW 4 h 的儲(chǔ)能系統(tǒng)。 在理想情況下， 該分布式電源均可作為輔助海上風(fēng)場(chǎng)提供慣量支撐的有效設(shè)備。圖中實(shí)線(xiàn)為功率交互方向，虛線(xiàn)為信息交互方向。

圖5 珠海萬(wàn)山海島新能源微網(wǎng)國(guó)家級(jí)示范項(xiàng)目拓?fù)鋱DFig.5 Topology of national demonstration project of Zhuhai Wanshan island renewable energy microgrid

3 交互調(diào)頻機(jī)制及控制策略設(shè)計(jì)

海島微網(wǎng)中分布式電源具備快速功率響應(yīng)特性， 能夠有效支撐海上風(fēng)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定虛擬慣量控制。因此，本文利用柴油發(fā)電機(jī)和儲(chǔ)能系統(tǒng)作為微網(wǎng)的可調(diào)分布式電源， 對(duì)海上風(fēng)場(chǎng)虛擬慣量控制信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)功率分配，此時(shí)，微網(wǎng)功率響應(yīng)過(guò)程可表示為

式中：ΔPMG為第i 個(gè)微網(wǎng)的功率變化值；α 為動(dòng)態(tài)功率分配因子。

式中：ωr為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；ωmax，ωmin分別為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速上限、下限。

如圖6 所示，當(dāng)負(fù)荷增加后，在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速上、下限時(shí)，為避免過(guò)度慣量調(diào)控引發(fā)風(fēng)

圖6 自適應(yīng)動(dòng)態(tài)量化因子與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線(xiàn)Fig.6 The relation curve between the adaptive dynamic quantization factor and WTG speed

本文所設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)虛擬慣量控制的流程圖如圖7 所示。在自適應(yīng)動(dòng)態(tài)量化因子的作用下，圖中風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速越限情況的發(fā)生幾率將大大降低， 可有效提高風(fēng)機(jī)調(diào)頻能力。

圖7 風(fēng)電機(jī)組虛擬慣量控制流程圖Fig.7 Flow chart of virtual inertia control strategy

4 仿真結(jié)果分析

為驗(yàn)證所構(gòu)建的海上風(fēng)場(chǎng)與海島微網(wǎng)交互調(diào)頻機(jī)制的有效性， 以及所提出的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)量化因子在避免風(fēng)機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)速恢復(fù)狀態(tài)跳變方面的有效性， 本文基于圖2 所示模型在MATLAB/Simulink 中進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)， 分別完成了負(fù)荷階躍擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)和風(fēng)速躍變擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)。 所有物理量均采用標(biāo)幺值計(jì)算（頻率進(jìn)行了等量轉(zhuǎn)換）。

4.1 負(fù)荷階躍擾動(dòng)下系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性分析

令風(fēng)速保持在可能發(fā)生轉(zhuǎn)速恢復(fù)狀態(tài)跳變的范圍，設(shè)為7 m/s，同時(shí)令負(fù)荷在50 s 處發(fā)生+0.1 p.u. 的階躍擾動(dòng)， 分別基于不同控制策略進(jìn)行仿真，控制策略具體包括：

①without VIC：海上風(fēng)場(chǎng)不參與調(diào)頻；

②VIC of WTG： 海上風(fēng)場(chǎng)通過(guò)PD 虛擬慣量控制參與調(diào)頻；

③VIC of WTG and MGs：海上風(fēng)場(chǎng)和海島微網(wǎng)基于PD 虛擬慣量控制交互調(diào)頻；

④adaptive VIC of WTG and MGs： 海上風(fēng)場(chǎng)和海島微網(wǎng)在自適應(yīng)動(dòng)態(tài)量化因子下基于PD 虛擬慣量控制實(shí)現(xiàn)交互調(diào)頻。

如圖8（a）所示：當(dāng)發(fā)生負(fù)荷階躍擾動(dòng)后，系統(tǒng)最大頻率偏差從風(fēng)機(jī)不參與調(diào)頻的0.077 Hz、傳統(tǒng)PD 虛擬慣量控制下的0.061 Hz 減小至0.049 Hz，頻率調(diào)節(jié)時(shí)間從200 s，150 s 縮短至70 s，表明海島微網(wǎng)可調(diào)分布式電源可有效支撐海上風(fēng)場(chǎng)參與系統(tǒng)調(diào)頻，提供穩(wěn)定的虛擬慣量支撐；同理，在自適應(yīng)動(dòng)態(tài)量化因子作用下，系統(tǒng)最大頻率偏差和頻率調(diào)節(jié)時(shí)間得到了進(jìn)一步優(yōu)化。 如圖8（b），（c）所示，在發(fā)生負(fù)荷階躍擾動(dòng)后，傳統(tǒng)PD虛擬慣量控制下的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?.717 p.u. 降至0.688 p.u.， 下降了0.029 p.u.， 風(fēng)機(jī)輸出功率從0.21 p.u. 上升至0.27 p.u.， 使得風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速跌落至0.7 p.u.以下進(jìn)入轉(zhuǎn)速恢復(fù)狀態(tài)。 而所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)量化因子有效避免了風(fēng)機(jī)參與調(diào)頻導(dǎo)致的轉(zhuǎn)速恢復(fù)狀態(tài)跳變， 合理地將部分慣量支撐任務(wù)分配給微網(wǎng)可調(diào)分布式電源。如圖8（d）所示，自適應(yīng)動(dòng)態(tài)量化因子作用下的微網(wǎng)功率響應(yīng)峰值為0.078 p.u.， 比傳統(tǒng)PD 虛擬慣量控制的微網(wǎng)功率響應(yīng)峰值0.05 p.u.高出0.028 p.u.，這表明在自適應(yīng)動(dòng)態(tài)量化因子作用下， 微網(wǎng)在系統(tǒng)調(diào)頻過(guò)程中提供了更多的慣量支撐， 從而避免了系統(tǒng)頻率遭受二次擾動(dòng)，提高了系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性。

圖8 負(fù)荷階躍擾動(dòng)下系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of system dynamic responses under load step disturbance

4.2 風(fēng)速階躍擾動(dòng)下系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性分析

當(dāng)風(fēng)速為8 m/s，在50 s 處發(fā)生-1 m/s 的階躍擾動(dòng)下，系統(tǒng)頻率偏差響應(yīng)曲線(xiàn)如圖9（a）所示，系統(tǒng)最大頻率偏差從傳統(tǒng)PD 虛擬慣量控制下的0.026 Hz、海上風(fēng)場(chǎng)和海島微網(wǎng)基于PD 虛擬慣量控制交互調(diào)頻下的0.021 Hz 減少至0.016 Hz，頻率調(diào)節(jié)時(shí)間從200 s，150 s 縮短至130 s， 表明本文所提策略能大大地提高風(fēng)電場(chǎng)的調(diào)頻能力，穩(wěn)定系統(tǒng)頻率。 如圖9（b），（c）所示，在風(fēng)速階躍擾動(dòng)下， 傳統(tǒng)PD 虛擬慣量控制下的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?/p>

圖9 風(fēng)速階躍擾動(dòng)下系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of system dynamic responses under wind speed step disturbance

5 結(jié)論

本文以珠海萬(wàn)山海島新能源微網(wǎng)國(guó)家級(jí)示范項(xiàng)目為研究對(duì)象， 提出了海上風(fēng)場(chǎng)與海島微網(wǎng)交互調(diào)頻機(jī)制，在不額外增建輔助設(shè)備的情況下，提高了海上風(fēng)場(chǎng)的慣量支撐能力， 增強(qiáng)了電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性。 所提出的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)量化因子能夠有效避免風(fēng)機(jī)在提供慣量支撐過(guò)程中發(fā)生轉(zhuǎn)速恢復(fù)狀態(tài)跳變， 從而避免了由于轉(zhuǎn)速恢復(fù)對(duì)系統(tǒng)頻率所造成的二次沖擊。

本文側(cè)重海上風(fēng)場(chǎng)整體慣量支撐及頻率響應(yīng)特性的分析，采用了多機(jī)等值模型。實(shí)際風(fēng)場(chǎng)地理分布廣，單機(jī)捕獲風(fēng)速不同，未來(lái)需從單機(jī)角度分析進(jìn)一步研究和優(yōu)化， 從而提高海上風(fēng)場(chǎng)多機(jī)協(xié)同能力，使其能夠更高效合理地參與系統(tǒng)調(diào)頻。