考慮風(fēng)速差異的風(fēng)電場調(diào)頻備用協(xié)調(diào)控制策略

張蕊，李曉明，高澤明，孟令聰，秦超，曾沅，張文旭

(1. 國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，石家莊市 050021； 2. 國網(wǎng)河北省電力有限公司，石家莊市 050021； 3. 智能電網(wǎng)教育部重點實驗室(天津大學(xué))，天津市 300072)

0 引 言

隨著風(fēng)電并網(wǎng)容量持續(xù)上升，傳統(tǒng)同步機組的并網(wǎng)容量在逐步降低，系統(tǒng)頻率的安全問題日益顯著[1-3]。雙饋感應(yīng)發(fā)電機(doubly-fed induction generator，DFIG)是目前風(fēng)電場廣泛采用的主流機型之一。由于采用了變流器控制，DFIG的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率解耦，無法主動響應(yīng)電網(wǎng)頻率變化[4]。為了保障系統(tǒng)的頻率安全，風(fēng)電機組應(yīng)承擔(dān)部分調(diào)頻任務(wù)[5]。目前，風(fēng)電參與系統(tǒng)一次調(diào)頻的措施主要包括虛擬慣性控制、下垂控制、轉(zhuǎn)速減載控制和槳距角控制等。其中，虛擬慣性控制[6-8]和下垂控制[9-10]主要是利用風(fēng)機的轉(zhuǎn)子動能參與調(diào)頻；超速減載控制[11-12]和槳距角控制[13]通過提前預(yù)留減載備用容量，在系統(tǒng)出現(xiàn)有功缺額時，釋放備用功率參與調(diào)頻?？紤]到虛擬慣性控制容易引發(fā)頻率的二次跌落[14]，本文主要圍繞DFIG的減載備用控制展開研究。

文獻(xiàn)[15]單純采用超速減載預(yù)留備用，但風(fēng)速改變時，風(fēng)電場減載備用也會發(fā)生變化。文獻(xiàn)[16]對超速減載曲線進(jìn)行改進(jìn)，在低風(fēng)速時采用固定減載率控制，在高風(fēng)速時采用恒功率減載控制。但高風(fēng)速情況下，該策略的減載備用較少，無法滿足高風(fēng)速情況下風(fēng)電場承擔(dān)更多減載備用的需求。文獻(xiàn)[17]采用改進(jìn)變槳控制策略，優(yōu)先利用高風(fēng)速機組變槳控制預(yù)留減載備用。但風(fēng)電場低風(fēng)速機組占比較大時，該方法難以發(fā)揮優(yōu)勢。文獻(xiàn)[18]提出了變調(diào)頻系數(shù)整定方法，改進(jìn)了調(diào)頻控制系統(tǒng)，但在預(yù)留減載備用時，人為設(shè)定風(fēng)速的權(quán)重系數(shù)，具有很大主觀因素。文獻(xiàn)[19]認(rèn)為DFIG有功輸出與風(fēng)速三次方成正比，提出按風(fēng)速三次方加權(quán)分配有功減載的控制策略，使高風(fēng)速機組承擔(dān)較多的減載備用。但該策略沒有考慮不同風(fēng)速機組的減載備用能力，超速減載情況下，高風(fēng)速機組由于轉(zhuǎn)速接近允許的最大轉(zhuǎn)速，減載備用能力較小，無法承擔(dān)較多減載備用。

綜上，已有研究主要是針對風(fēng)電場的有功控制能力，或者對最大功率追蹤模式(maximum power point tracking，MPPT)下的調(diào)頻控制進(jìn)行研究。但考慮不同風(fēng)速機組減載備用能力差異，協(xié)調(diào)風(fēng)電場調(diào)頻資源的控制方案卻少有研究?？紤]到受風(fēng)電場內(nèi)部尾流、地形的影響，風(fēng)機所處區(qū)域的風(fēng)速不同[20]，減載備用能力不同，也就是可用調(diào)頻容量不同。

針對以上問題，本文建立雙饋風(fēng)機可用調(diào)頻容量模型，分析雙饋風(fēng)機在不同風(fēng)速與不同轉(zhuǎn)速下的可用調(diào)頻容量。在此基礎(chǔ)上，提出考慮風(fēng)速差異的風(fēng)電場調(diào)頻備用協(xié)調(diào)控制策略。該策略根據(jù)不同風(fēng)速機組的可用調(diào)頻容量差異協(xié)調(diào)風(fēng)電場調(diào)頻資源，在滿足備用容量的同時充分利用轉(zhuǎn)子動能，通常僅需控制部分風(fēng)機，簡化控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。仿真結(jié)果表明，本文所提策略能使風(fēng)電場內(nèi)不同風(fēng)速機組協(xié)調(diào)配合，有效改善系統(tǒng)的頻率特性，緩解同步機調(diào)頻壓力。

1 雙饋風(fēng)機控制策略

1.1 雙饋風(fēng)機捕獲風(fēng)能原理

在分析雙饋風(fēng)機的預(yù)留備用容量時，首先需要考慮風(fēng)輪機部分[17]。風(fēng)輪機捕獲風(fēng)能，然后按照一定風(fēng)能利用效率將機械能轉(zhuǎn)化為電能，其物理特性一般用式(1)—(4)來描述，具體模型參數(shù)詳見文獻(xiàn)[21]。

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(4)

式中：ρ為大氣密度；R為風(fēng)機葉片半徑；v為風(fēng)速；Cp(λ,β)為風(fēng)機風(fēng)能利用系數(shù)；λi為中間變量；λ為葉尖速比；β為風(fēng)機槳距角；ωw為風(fēng)機機械轉(zhuǎn)速。

1.2 轉(zhuǎn)速減載控制優(yōu)勢

轉(zhuǎn)速減載控制包括低速減載和超速減載。低速減載，即通過降低風(fēng)機的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)減載，為了防止DFIG因轉(zhuǎn)速過低而脫網(wǎng)，通常將風(fēng)機的最小轉(zhuǎn)速限定在0.7 pu；超速減載，即采取提高DFIG的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)減載，出于安全考慮，需要設(shè)置風(fēng)機的最大轉(zhuǎn)速限制，一般取為1.2 pu。需要注意的是，轉(zhuǎn)速減載控制是使DFIG的轉(zhuǎn)速偏離MPPT點的轉(zhuǎn)速，改變其風(fēng)能捕獲效率，從而運行于減載曲線。變槳距減載是增大槳距角，使DFIG捕獲風(fēng)能效率減小，從而減小捕獲的風(fēng)功率。兩者相比，轉(zhuǎn)速減載控制不僅響應(yīng)速度快，而且不需要考慮變槳帶來的機械摩擦損耗。同時，考慮到風(fēng)機出力大于80%額定功率的概率通常低于10%[22]，比較而言采用控制轉(zhuǎn)速實現(xiàn)減載備用的方式更加普遍[23]。所以，本文選取控制轉(zhuǎn)速實現(xiàn)減載備用。

2 考慮風(fēng)速差異的風(fēng)電場調(diào)頻備用協(xié)調(diào)策略

2.1 雙饋風(fēng)機可用調(diào)頻容量分析

本文將風(fēng)電機組可用調(diào)頻容量定義為：某一風(fēng)速下的MPPT點功率與風(fēng)機實際輸出功率之差。具體分析如下：

在采用轉(zhuǎn)速減載控制策略下，不考慮槳距角控制減載，即β=0。風(fēng)能利用系數(shù)Cp(λ,β)是葉尖速比λ的函數(shù)，又因為λ=Rωw/v，所以Cp(λ,β)是轉(zhuǎn)速和風(fēng)速的函數(shù)，即：

(5)

將式(2)和式(5)代入式(1)，可得：

(6)

Pw是風(fēng)速v和轉(zhuǎn)速ωw的函數(shù)。令式(6)對轉(zhuǎn)速ωw求導(dǎo)，當(dāng)導(dǎo)數(shù)為0時，即為最大風(fēng)能利用效率Cpmax，將此時風(fēng)機的轉(zhuǎn)速記為ωMPPT。

雙饋風(fēng)電機組的轉(zhuǎn)速安全運行區(qū)間為0.7～1.2 pu[24]。對于轉(zhuǎn)速安全區(qū)間范圍內(nèi)的任一風(fēng)速，根據(jù)式(6)可得最大風(fēng)電功率Pwmax，然后可以利用式(1)計算出在此風(fēng)速下隨轉(zhuǎn)速變化的任一功率Pw，那么二者之間的可用調(diào)頻容量ΔP為：

(7)

如式(7)所示，風(fēng)機的可用調(diào)頻容量不僅和風(fēng)速有關(guān)，而且和風(fēng)機轉(zhuǎn)速密切相關(guān)。

圖1給出了雙饋風(fēng)機可用調(diào)頻容量隨風(fēng)速和轉(zhuǎn)速變化的情況，以圖中紅色虛線分界，大體上呈現(xiàn)V字型分布。

圖1 DFIG可用調(diào)頻容量分布Fig.1 Distribution of available frequency-regulation capacity of DFIG

從圖1中選取5組風(fēng)速，得到可用調(diào)頻容量曲線和雙饋風(fēng)機轉(zhuǎn)速的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 可用調(diào)頻容量-轉(zhuǎn)速曲線Fig.2 Curve of available frequency-regulation capacity vs rotor speed

由圖2可知，不同風(fēng)速下，風(fēng)機可用調(diào)頻容量為0的就是MPPT點，風(fēng)機轉(zhuǎn)速大于MPPT點的轉(zhuǎn)速時，風(fēng)機工作在超速減載模式，反之，風(fēng)機工作在低速減載模式。低風(fēng)速下，超速減載能提供較多的調(diào)頻容量，因此，低風(fēng)速下風(fēng)機采用超速減載更合適；高風(fēng)速下，低速減載可以提供更多的調(diào)頻容量，但低速減載容易引發(fā)風(fēng)機脫網(wǎng)，需要對轉(zhuǎn)速進(jìn)行安全約束[24]，在參與調(diào)頻情況下使風(fēng)機最低轉(zhuǎn)速限制在0.8 pu，轉(zhuǎn)速范圍控制在0.8～1.2 pu。

2.2 風(fēng)電場調(diào)頻協(xié)調(diào)控制策略

以MPPT點對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為界限，圖3給出了利用風(fēng)機轉(zhuǎn)速雙向調(diào)節(jié)特性，繪制的轉(zhuǎn)速雙向減載控制圖。圖3中，對于風(fēng)速9 m/s來說，超速減載運行模式下，DFIG最大超速減載運行點為圖中的B點，最大超速減載功率為dAB；低速減載模式下，DFIG最大低速減載運行點為圖中的C點，最大低速減載功率為dAC。

圖3 風(fēng)機減載控制與可用備用容量Fig.3 Wind turbine de-loading control and available reserve capacity

(8)

(9)

(10)

圖4 不同風(fēng)速下DFIG的可用調(diào)頻容量Fig.4 Available frequency-regulation capacity of DFIG with different wind speeds

本文根據(jù)圖4制定風(fēng)機減載策略，風(fēng)速位于6.5～8.0 m/s，采取超速減載策略；風(fēng)速位于9.0～10.5 m/s，采取低速減載策略；風(fēng)速位于8.0～9.0 m/s，由于2種策略的最大減載功率差異較小，考慮到采用超速減載策略下，系統(tǒng)發(fā)生負(fù)荷突增擾動時，風(fēng)機轉(zhuǎn)速降低，一方面捕獲更多的風(fēng)功率，另一方面風(fēng)機轉(zhuǎn)速降低過程中釋放部分動能，更有利于緩解系統(tǒng)功率缺額，改善系統(tǒng)頻率特性。

因此，優(yōu)先采用超速減載。在不需承擔(dān)調(diào)頻備用容量時，風(fēng)電場一般運行于MPPT方式，當(dāng)系統(tǒng)下發(fā)調(diào)度減載備用功率Pd時，所提減載備用策略如圖5所示。

圖5 減載控制協(xié)調(diào)流程Fig.5 Flow of coordinated de-loading control

將風(fēng)電場內(nèi)所有風(fēng)機按風(fēng)速從低到高排序分組，根據(jù)風(fēng)速差異協(xié)調(diào)風(fēng)電場調(diào)頻資源：

1)風(fēng)速較低的情況下：低風(fēng)速機組采用超速減載策略，可以提供足夠的調(diào)頻容量，低風(fēng)速機組優(yōu)先減載。

2)風(fēng)速較高的情況下：若所有低風(fēng)速組都已經(jīng)減載到最大，仍不滿足風(fēng)電場減載備用要求，需要部分高風(fēng)速風(fēng)機采用低速減載策略以提供減載備用。

風(fēng)電場的減載功率分配公式為：

(11)

協(xié)調(diào)不同風(fēng)機的減載功率，其本質(zhì)是結(jié)合每臺風(fēng)機的風(fēng)速，設(shè)置其轉(zhuǎn)速參考ωref，從而使得風(fēng)機轉(zhuǎn)速具有雙向調(diào)節(jié)能力。本文設(shè)計的雙饋風(fēng)機減載控制策略如圖6所示。

圖6中：Tm、Te分別為DFIG的機械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩；D為阻尼系數(shù)；Hw為慣性時間常數(shù)；Tref為電磁

圖6 風(fēng)機減載控制策略Fig.6 DFIG de-loading control strategy

轉(zhuǎn)矩參考；ωref1為MPPT模式下的轉(zhuǎn)速參考，可由功率的多項式函數(shù)擬合，如ωref1=aP2+bP+c，a、b、c為擬合系數(shù)；在轉(zhuǎn)速參考環(huán)節(jié)加入選擇開關(guān)，使風(fēng)機可以改變參考轉(zhuǎn)速，參考轉(zhuǎn)速ωref2可由可用調(diào)頻容量模型結(jié)合風(fēng)速查表確定，避免求解復(fù)雜的非線性方程。DFIG采用雙閉環(huán)設(shè)計，外環(huán)為有功、無功功率外環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流內(nèi)環(huán)。本文根據(jù)參考轉(zhuǎn)速得到參考功率Pref去控制變流器環(huán)節(jié)，從而實現(xiàn)風(fēng)力機和發(fā)電機之間的聯(lián)系。

3 仿真驗證

3.1 仿真模型

為了驗證本文所提控制策略的有效性，采用DIgSILENT/PowerFactory軟件搭建了4機2區(qū)域系統(tǒng)，其接線如圖7所示，同步發(fā)電機、負(fù)荷、網(wǎng)架等的模型參數(shù)詳見文獻(xiàn)[25]。

圖7 4機2區(qū)域系統(tǒng)接線圖Fig.7 Diagram of the modified 4-machine system

在發(fā)電機G2處并列接入一座裝機容量為300 MW的風(fēng)電場，共包含150臺2 MW的DFIG。假設(shè)根據(jù)風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)速分布的差異性，可將150臺風(fēng)機分為5組，每組內(nèi)風(fēng)機的風(fēng)速相同，不同組間風(fēng)機風(fēng)速不同。在考慮機組間風(fēng)速差異時，現(xiàn)有研究通常將風(fēng)電場等值成多臺機組[18-19]，不同機組的風(fēng)速不同。根據(jù)風(fēng)電場風(fēng)速分布情況，5組風(fēng)機的風(fēng)機臺數(shù)分別為30、45、30、30和15臺。本文設(shè)置風(fēng)電場低風(fēng)速和風(fēng)電場高風(fēng)速2個算例，每個算例采用如下2種策略進(jìn)行仿真驗證對比：

策略1：風(fēng)電機組按風(fēng)速三次方加權(quán)分配風(fēng)電場的可用調(diào)頻容量[19]。

策略2：本文所提策略。

3.2 算例1：風(fēng)電場低風(fēng)速

根據(jù)MPPT策略，該運行狀態(tài)下，風(fēng)電場最大有功出力為95 MW，假設(shè)調(diào)度中心要求風(fēng)電場提供10 MW的調(diào)頻備用容量。圖8給出了分別采用策略1和策略2時風(fēng)電場的減載過程，即風(fēng)電場接收到減載備用指令后，從最大功率跟蹤模式切換到減載備用運行模式的過程。

圖8 風(fēng)電場減載過程(算例1)Fig.8 Wind farm de-loading process (case 1)

由圖8可知，低風(fēng)速情況下，2種策略減載完成后風(fēng)電場出力相同，風(fēng)電場的可用調(diào)頻容量均滿足大于10 MW的要求。表1給出了低風(fēng)速情況下，策略1與策略2減載分配結(jié)果。由表1中結(jié)果可知，相對于策略1的全部機組參與減載，本文所提策略考慮不同機組的可用調(diào)頻容量差異，僅需減載2組機組即可滿足調(diào)頻備用容量要求。

表1 風(fēng)機減載功率分配(算例1)Table 1 Wind turbines de-loading power distribution (case 1)

為了進(jìn)一步對比策略1與策略2，設(shè)置如下仿真場景：在t=60 s時，系統(tǒng)負(fù)荷增加200 MW。圖9給出了負(fù)荷突增擾動后系統(tǒng)的頻率特性，圖10為采用2種策略下風(fēng)電場的出力曲線。由圖9和圖10可知，低風(fēng)速情況下，策略2可以提供與策略1相同的可用調(diào)頻容量。但在調(diào)頻備用釋放過程中，策略2的風(fēng)電場出力一直大于策略1，因此，本文所提策略對系統(tǒng)頻率的改善效果更優(yōu)。

圖9 系統(tǒng)頻率變化曲線(算例1)Fig.9 Curve of system frequency (case 1)

圖10 發(fā)生擾動時風(fēng)電場出力(算例1)Fig.10 Wind farm output under disturbance(case 1)

圖11為調(diào)頻過程中同步機出力。由圖11可知，本文所提策略可顯著緩解同步機調(diào)頻壓力。

圖11 同步機出力(算例1)Fig.11 Output of synchronous machine (case 1)

綜上，在低風(fēng)速下，本文所提策略可有效考慮不同機組的可用調(diào)頻容量差異，僅需部分風(fēng)機即可滿足調(diào)頻容量要求，簡化了控制復(fù)雜性，并且本文策略對系統(tǒng)頻率的改善效果優(yōu)于策略1。

3.3 算例2：風(fēng)電場高風(fēng)速

根據(jù)MPPT策略，在該運行狀態(tài)下，風(fēng)電場最大出力203 MW，假設(shè)調(diào)度中心下發(fā)減載20 MW指令。由于低風(fēng)速機組超速減載到最大也不能滿足風(fēng)電場減載備用要求，因此，需要部分高風(fēng)速機組低速減載以配合低風(fēng)速機組。圖12給出了高風(fēng)速情況下的風(fēng)電場減載過程。由圖12可知，分別采用策略1和策略2時，減載后風(fēng)電場出力相同，即2種策略預(yù)留了相同的可用調(diào)頻容量。

圖12 風(fēng)電場減載過程(算例2)Fig.12 Wind farm de-loading process (case 2)

表2給出了高風(fēng)速情況下策略1和策略2的減載功率分配結(jié)果。由表2可知，機組2的超速減載備用能力較小，不能滿足策略1的分配要求，那么剩余減載部分需要其他4個機組按照策略1中計算出的比例分擔(dān)。策略2在風(fēng)電場風(fēng)速較高情況下，考慮不同機組的可用調(diào)頻容量差異，僅需控制部分機組即可滿足減載要求，簡化了控制復(fù)雜性。

表2 風(fēng)機減載功率分配(算例2)Table 2 Wind turbines de-loading power distribution (case 2)

在采用策略1和策略2下，t=30 s時系統(tǒng)負(fù)荷突增200 MW，系統(tǒng)的頻率變化曲線如圖13所示，風(fēng)電場出力變化如圖14所示。

圖13 系統(tǒng)頻率變化曲線(算例2)Fig.13 Curve of system frequency change (case 2)

圖14 發(fā)生擾動時風(fēng)電場出力(算例2)Fig.14 Wind farm output when disturbance occurs (case 2)

由圖13和圖14可知，在采用策略1和策略2時，系統(tǒng)的頻率穩(wěn)態(tài)點相同，說明2種策略下實現(xiàn)的可用調(diào)頻容量相同。采用策略1時，系統(tǒng)頻率最低點低于MPPT模式的最低點；策略2在30～52 s之間，風(fēng)電場出力一直大于策略1，系統(tǒng)頻率在這期間一直高于策略1和MPPT模式。這是因為策略2考慮了不同機組的可用調(diào)頻容量差異，優(yōu)先減載低風(fēng)速機組，除了預(yù)留相同的可用調(diào)頻容量外，還存在一部分轉(zhuǎn)子動能；當(dāng)擾動發(fā)生時，超速減載的低風(fēng)速機組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速會從最大值減小到MPPT點轉(zhuǎn)速，釋放一部分轉(zhuǎn)子動能，有利于系統(tǒng)的頻率恢復(fù)。圖15為調(diào)頻過程中同步機出力曲線。由圖15可知，本文所提策略可顯著降低同步機調(diào)頻壓力。

圖15 同步機G2出力(算例2)Fig.15 Output of synchronous machine G2 (case 2)

所以，在高風(fēng)速情況下，本文所提策略考慮不同機組的可用調(diào)頻容量差異，僅需控制部分機組減載，負(fù)荷擾動發(fā)生時，提高了頻率最低點，改善了系統(tǒng)頻率特性。

4 結(jié) 論

本文根據(jù)不同風(fēng)速機組可用調(diào)頻容量的差異，提出了考慮風(fēng)速差異的風(fēng)電場調(diào)頻備用協(xié)調(diào)控制策略。主要結(jié)論如下：

1)考慮到風(fēng)機轉(zhuǎn)速的雙向調(diào)節(jié)能力，本文構(gòu)建了雙饋風(fēng)機可用調(diào)頻容量模型，分析了不同風(fēng)速不同轉(zhuǎn)速下的可用調(diào)頻容量，為評估不同風(fēng)速下風(fēng)機的可用調(diào)頻容量和風(fēng)電場制定減載備用策略提供基礎(chǔ)。

2)本文提出的風(fēng)電場調(diào)頻備用協(xié)調(diào)控制策略，可有效考慮不同風(fēng)速機組間可用調(diào)頻容量的差異，充分協(xié)調(diào)風(fēng)電場的調(diào)頻資源，通常僅需控制部分低風(fēng)速機組，簡化了控制復(fù)雜性。與現(xiàn)有策略相比，本文策略不僅可預(yù)留足夠備用容量，而且存儲了大量轉(zhuǎn)子動能，對頻率的改善作用更為明顯，顯著緩解了同步機調(diào)頻壓力。