全功率型風電機組調(diào)頻控制器的實用化辨識方法

金泳霖，晁璞璞，劉志輝，張 凱，張睿浩，崔浩瀚，李衛(wèi)星

（大連理工大學電氣工程學院，遼寧省大連市 116024）

0 引言

近年來，隨著新能源占比的提升和高壓直流輸電系統(tǒng)的廣泛應用，電力電子設備大規(guī)模接入電網(wǎng)，新型電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運行特性發(fā)生顯著變化。相對于傳統(tǒng)同步發(fā)電機組，風電機組通過電力電子變換器并網(wǎng)，具有低慣性和非同步特點，在常規(guī)的最大功率點跟蹤（MPPT）模式下不能對電網(wǎng)的頻率變化做出響應，大規(guī)模并網(wǎng)后會引發(fā)系統(tǒng)慣量降低和一次調(diào)頻容量不足等問題。同時，風電機組的出力具有波動性和不確定性，使得電網(wǎng)的頻率問題日益突顯［1］。

深入研究風電大規(guī)模接入電力系統(tǒng)的頻率問題，構(gòu)建能夠表征實際風電機組頻率響應特性的仿真模型，并準確辨識其頻率控制結(jié)構(gòu)和參數(shù)是關(guān)鍵。目前，風電機組的仿真建模研究多集中于對故障穿越特性的模擬［2］，頻率方面的研究集中于調(diào)頻控制策略的設計和簡化頻率響應模型的推導。文獻［3］提出了虛擬慣量與下垂控制協(xié)同的調(diào)頻策略，采用時變參數(shù)避免轉(zhuǎn)子失速；文獻［4］提出了基于粒子群優(yōu)化（PSO）算法的風電機組下垂控制系數(shù)優(yōu)化方法，減小了頻率二次跌落深度。然而，在僅依靠轉(zhuǎn)子動能的情況下，風電機組無法提供持續(xù)的有功支撐，需要通過減載控制留取備用容量［5］。針對此問題，文獻［6］提出了一種減載系數(shù)變化的風電機組調(diào)頻控制策略，使其備用功率能夠得到充分釋放，但未將常用的虛擬慣量控制納入設計。在頻率響應模型推導方面，文獻［7-8］建立了采用綜合慣量控制的風電機組頻域模型，實現(xiàn)了對風電機組慣性支撐能力的量化分析；文獻［9］在上述研究的基礎(chǔ)上，建立了風電機組虛擬慣量的延時影響機理模型，明確了虛擬慣量延時對系統(tǒng)頻率動態(tài)的作用；上述文獻均未考慮減載備用控制對相關(guān)模型的影響，功率可調(diào)裕度較小。文獻［10-11］提出了基于減載備用和下垂控制的風電機組調(diào)頻響應模型，能夠為系統(tǒng)級頻率響應特性分析提供支撐；文獻［12］則建立了計及機組的綜合慣量控制和場站內(nèi)風速差異的電力系統(tǒng)擴展的系統(tǒng)頻率響應（SFR）模型，較好地反映了風電場對系統(tǒng)頻率的影響，但缺少對于超速減載控制和槳距角減載控制的考量?？傮w來看，目前的主流調(diào)頻控制策略基本為超速減載控制、槳距角控制、虛擬慣量控制和下垂控制的一種或多種的簡單協(xié)同，機組的調(diào)頻響應模型尚無法涵蓋全工況和全調(diào)頻控制策略。

針對風電機組參數(shù)辨識方面的研究多集中于機組主電路、穩(wěn)態(tài)控制器和故障穿越控制器參數(shù)的辨識，頻率控制器參數(shù)的辨識較少。文獻［13］通過推導風電機組轉(zhuǎn)子側(cè)控制器的解耦模型，基于L-M 優(yōu)化算法辨識了轉(zhuǎn)子側(cè)控制器務參數(shù)，但未考慮非穩(wěn)態(tài)控制參數(shù)對辨識結(jié)果的影響。文獻［14］將長短期記憶（LSTM）神經(jīng)網(wǎng)絡與改進粒子群優(yōu)化（IPSO）算法相結(jié)合，實現(xiàn)了風電機組變流器比例-積分（PI）控制參數(shù)辨識；文獻［15］基于PSO 分步尋優(yōu)算法，解決了永磁風機變流器內(nèi)環(huán)PI 參數(shù)和無功電流支撐系數(shù)無法同時辨識的難點；這兩種方法僅考慮了部分低電壓穿越工況，未涉及頻率擾動。文獻［16-17］分別采用改進的卡爾曼濾波法和最小二乘辨識算法，估算出風電機組和風電場的等效虛擬慣量參數(shù)，但無法直接確定風電機組的虛擬慣量系數(shù)。文獻［18］基于狼群算法，在PSASP 平臺實現(xiàn)了風電場一次調(diào)頻參數(shù)的最優(yōu)辨識。然而，機電暫態(tài)仿真模型結(jié)構(gòu)與實際控制器結(jié)構(gòu)可能存在較大差異，其參數(shù)辨識結(jié)果往往不能反映實際情況?？梢钥闯?，上述風電機組調(diào)頻控制器參數(shù)的辨識均以頻率控制器結(jié)構(gòu)已知為前提，且存在算法復雜、實現(xiàn)難度高、難以適應實際工程的問題。

為了克服以上問題，以因風能利用率高、故障率低等優(yōu)點被廣泛使用的全功率型風電機組為例，建立能夠覆蓋國內(nèi)主流型號綜合調(diào)頻控制的通用電磁暫態(tài)模型；基于機組調(diào)頻響應特性與調(diào)頻控制策略/參數(shù)的對應關(guān)系，提出采用機組實測頻率響應特性曲線形態(tài)辨識調(diào)頻控制器結(jié)構(gòu)、采用機組實測頻率響應特性曲線特征值辨識調(diào)頻控制器參數(shù)的實用化辨識方法。通過與實際機組封裝模型和現(xiàn)場試驗的頻率擾動響應特性的對比分析發(fā)現(xiàn)，本文建立的全功率型風電機組電磁暫態(tài)模型具有較高的模擬精度。

1 全功率型風電機組的通用調(diào)頻控制模型

本文建立的全功率型風電機組通用模型結(jié)構(gòu)如圖1 所示。圖中：vw為風速；ηdel為減載備用系數(shù)；PMPPT為MPPT 模式下的有功功率；Pdel為減載運行模式下的有功功率；Pref為有功功率參考值；ΔPref為有功功率參考值調(diào)節(jié)量；ωopt為MPPT 模式下的風機轉(zhuǎn)速；ωdel為減載運行模式下的風機轉(zhuǎn)速；ωr為實際 轉(zhuǎn) 速；ωr，ref為 轉(zhuǎn) 速 參 考 值；βref為 槳 距 角 參 考 值；Flag1、Flag2、Flag3 為標志位。全功率型風電機組通過風力機捕獲風能，帶動永磁同步發(fā)電機（PMSG）發(fā)電，再經(jīng)過“背靠背”全功率變流器和機端變壓器同步并網(wǎng)，其參與調(diào)頻的方法主要包含綜合慣量控制（即轉(zhuǎn)子動能控制）、功率備用控制及兩類間的協(xié)同控制等。

圖1 全功率型風電機組的通用頻率控制模型Fig.1 Generalized frequency control model of full-power wind turbines

1.1 綜合慣量控制

綜合慣量控制由虛擬慣量控制和下垂控制兩部分構(gòu)成。前者通過模擬同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)動慣量特性，利用風電機組儲存的轉(zhuǎn)子動能參與系統(tǒng)調(diào)頻控制，響應系統(tǒng)頻率的變化率，其輸出特性可表示為：

式中：ΔP1為虛擬慣量控制器輸出的有功調(diào)節(jié)量；P0為風電機組穩(wěn)態(tài)有功輸出，減載運行時P0=Pdel；K1u和K1d、fdb1和fdb2、rdb1和rdb2分 別 為 頻 率 下 降 和 上升時的虛擬慣量系數(shù)、調(diào)頻死區(qū)和頻率變化率死區(qū)；f為系統(tǒng)頻率；Δf為系統(tǒng)頻率偏差；t為時間。

下垂控制在風電機組有功功率參考值的基礎(chǔ)上，疊加了一路正比于系統(tǒng)頻率偏差的有功功率參考值參與系統(tǒng)調(diào)頻。響應特性可表示為：

式中：ΔP2為下垂控制器輸出的有功參考值調(diào)節(jié)量；K2u和K2d分別為上、下調(diào)下垂系數(shù)。

若同時采用虛擬慣性控制和下垂控制，可使轉(zhuǎn)子動能主動響應系統(tǒng)頻率的變化率和偏差，但在轉(zhuǎn)速下降至極限或頻率恢復過程中，轉(zhuǎn)子需吸收有功功率以提高轉(zhuǎn)速，頻率存在二次跌落風險。

1.2 功率備用控制

若要實現(xiàn)真正意義上的一次調(diào)頻，風電機組須在運行時預留調(diào)頻備用功率，主要有超速和槳距角減載控制兩種方式。這是因為風電機組的風能利用率Cp由葉尖速比λ和槳距角β共同決定，改變λ（與轉(zhuǎn)速成正比）和β可間接改變Cp，實現(xiàn)功率備用。

槳距角減載控制（如附錄A 圖A1 所示）：隨著槳距角β的增大，風電機組工作點由A變?yōu)锽，輸出功率減小?；诖嗽?，槳距角控制可根據(jù)設定的ηdel實現(xiàn)減載運行，并在系統(tǒng)出現(xiàn)頻率擾動時，實時調(diào)整槳距角調(diào)整有功輸出，實現(xiàn)一次調(diào)頻。

超速減載控制：由附錄A 圖A1 可以進一步看出，槳距角一定時，在每個風速下都有唯一的轉(zhuǎn)速ωopt使風電機組達到最優(yōu)葉尖速比λopt，從而使風電機組達到最大風能利用狀態(tài)，如式（3）所示。

式中：R為風輪半徑。

控制風電機組轉(zhuǎn)速偏離ωopt即可實現(xiàn)功率減載，為調(diào)頻提供功率備用。若通過降低轉(zhuǎn)速實現(xiàn)，機組穩(wěn)定性會降低，一般采用超速控制。如附錄A圖A1 所示，采用超速控制后，風電機組運行點由A移動至C，風能利用率由CP，max減小至CP，del，對應葉尖速比由λopt變?yōu)棣薲el。當系統(tǒng)出現(xiàn)頻率擾動時，可通過有功功率的吸收和釋放實現(xiàn)一次調(diào)頻。

一般來講，超速減載控制的響應速度較快，但受轉(zhuǎn)速上下限的限制；變槳距角控制涉及機械部分動作，響應速度較慢且會加速機組磨損。工程上可采用二者結(jié)合的方式：低風速場景下，為保證機組功率輸出的穩(wěn)定性，通常不參與系統(tǒng)調(diào)頻，可設置有功閾值Pth限制調(diào)頻控制系統(tǒng)動作；中風速場景下，采用超速減載控制；轉(zhuǎn)速受限的高風速場景下，采用槳距角控制。虛擬慣量和下垂控制貫穿中高風速場景，所生成的有功指令作用至備用控制生成的穩(wěn)態(tài)減載運行功率Pdel，作為頻率擾動下的功率指令值，不同調(diào)頻控制策略的啟用與協(xié)同可通過圖1 中的標志位實現(xiàn)靈活選擇。根據(jù)數(shù)十個風電場的實測結(jié)果分析可知，如圖1 所示的全功率型風電機組的通用頻率控制模型基本能夠涵蓋國內(nèi)目前主流型號風電機組的調(diào)頻策略。

2 調(diào)頻控制器結(jié)構(gòu)的實用化辨識

2.1 調(diào)頻控制器結(jié)構(gòu)與頻率響應特性的對應關(guān)系

風電機組的調(diào)頻響應特性由初始運行狀態(tài)、穩(wěn)態(tài)控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)、頻率控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)共同決定。其中，初始運行狀態(tài)和穩(wěn)態(tài)控制器的辨識已有較多研究［13］，本文主要聚焦于調(diào)頻控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)的辨識。

調(diào)頻控制器的結(jié)構(gòu)決定頻率響應的曲線形態(tài)，參數(shù)決定頻率響應的幅值。辨識其控制器結(jié)構(gòu)，即通過風電機組頻率響應的曲線形態(tài)辨識圖1 所示機組通用頻率控制器結(jié)構(gòu)中標志位的導通方式。不同的控制器結(jié)構(gòu)（標志位導通方式）對應的典型頻率響應曲線形態(tài)如圖2 所示，頻率設定值和頻率變化率均為49.89 Hz 和0.5 Hz/s，穩(wěn)態(tài)有功功率分別為0.3、0.3、0.3、0.3、0.33、0.3、0.56、0.5 p.u.。在限幅環(huán)節(jié)、死區(qū)、機組控制策略和參數(shù)等因素的共同作用下，不同工況風電機組的頻率響應曲線形態(tài)并不一致。在多種多樣的響應曲線形態(tài)中，圖2 總結(jié)遴選出了可用于控制器結(jié)構(gòu)高效辨識的8 種典型響應形態(tài)，其與調(diào)頻控制器結(jié)構(gòu)的對應關(guān)系具體如下。

圖2 典型頻率響應庫Fig.2 Typical frequency response library

由圖2（a）至（d）可以看出，虛擬慣量控制與下垂控制對應的標志位Flag1 和Flag2 可通過風電機組在頻率斜率跌落和穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)的響應情況確定。若二者均為0，則風電機組不響應頻率變化，有功功率始終保持不變；若Flag1 為1 且Flag2 為0，則風電機組僅在頻率下降階段增發(fā)有功功率，頻率穩(wěn)定和恢復階段均無響應；若Flag1 為0 且Flag2 為1，則風電機組有功功率的上調(diào)量與頻率偏差量始終呈現(xiàn)近似正比關(guān)系，直至調(diào)頻控制強制退出或頻率恢復至死區(qū)內(nèi)；若Flag1 為1 且Flag2 為1，則風電機組有功功率的上調(diào)量為上述兩種情況的疊加，頻率跌落至穩(wěn)定值時存在明顯的有功跌落，但因下垂控制的存在，頻率穩(wěn)定期間內(nèi)仍能維持有功上調(diào)。

由圖2（e）至（h）可知，超速減載控制和槳距角減載控制主要影響風電機組在中風速和高風速場景下有功上調(diào)的可持續(xù)時間。由于虛擬慣量控制僅在頻率跌落階段短暫響應，一般僅依靠轉(zhuǎn)子動能即可實現(xiàn)，故只有在風電機組配備了下垂控制的情況下，才需要減載備用控制提供持續(xù)的有功上調(diào)能力。據(jù)此，分析減載備用控制時，默認風電機組至少配備了下垂控制。在中風速場景下若Flag3 為0，則風電機組依靠轉(zhuǎn)子動能僅可維持數(shù)秒的有功上調(diào)，直至調(diào)頻控制因轉(zhuǎn)速下限的限制而退出，有功功率出現(xiàn)明顯跌落；若Flag3 為1，則風電機組可持續(xù)增發(fā)有功功率直至頻率恢復。類似地，槳距角減載控制的標志位Flag4 也可通過風電機組在高風速場景下的有功上調(diào)可持續(xù)時間判斷。

綜上，本節(jié)明確了調(diào)頻控制器結(jié)構(gòu)與頻率響應曲線形態(tài)之間的對應關(guān)系，結(jié)合充足的風電機組頻率擾動實測數(shù)據(jù)即可實現(xiàn)調(diào)頻控制器結(jié)構(gòu)辨識。

2.2 調(diào)頻控制器結(jié)構(gòu)的實用化辨識方法

根據(jù)2.1 節(jié)不同標志位的組合方式與調(diào)頻響應曲線形態(tài)的對應關(guān)系，提出調(diào)頻控制器結(jié)構(gòu)的實用化辨識方法，辨識次序和步驟如下。

步驟1：頻率響應特性庫構(gòu)建。在不同風速和不同頻率擾動下，對實際機組或黑盒模型進行測試，建立包含頻率和有功功率數(shù)據(jù)的頻率響應特性曲線庫。文中，風速場景以0.5 m/s 間隔取值，覆蓋切入至切出風速整個運行區(qū)間。頻率擾動基于文獻［19］規(guī)定的慣量響應和調(diào)頻響應測試工況擴展得到，建議 頻 率 變 化 率 范 圍 為±0.1 ～±1 Hz/s，間 隔0.05 Hz/s；頻率擾動設定值為48.0 ～51.5 Hz，間隔0.1 Hz，死區(qū)附近間隔0.01 Hz。

步驟2：頻率響應特性曲線分段。將曲線庫中所有實測曲線分割為擾動前穩(wěn)態(tài)（t0至t1）、擾動發(fā)生時的暫態(tài)（t1至t2）、擾動穩(wěn)定時的暫穩(wěn)態(tài)（t2至t3）、擾動恢復時的暫態(tài)（t3至t4）和擾動后穩(wěn)態(tài)（t4至t5）5 個區(qū)間。其中，t0、t1、t2、t3、t4、t5分別為測試開始時刻、擾動開始時刻、有功功率達到暫穩(wěn)態(tài)的時刻、頻率開始恢復時刻、有功功率達到穩(wěn)態(tài)的時刻和測試結(jié)束時刻。

步驟3：調(diào)頻控制器結(jié)構(gòu)辨識。根據(jù)圖2 可知，F(xiàn)lag1 的辨識對應t1至t2區(qū)間，F(xiàn)lag2 對應t1至t4區(qū)間，F(xiàn)lag3 和Flag4 對應中風速和高風速場景下的t1至t3區(qū)間。進而，按照圖2 所示曲線形態(tài)與頻率控制器結(jié)構(gòu)的對應關(guān)系，計算待辨識曲線與圖2 典型曲線的歐氏距離，獲得相似性最高的曲線形態(tài)，對應選出標志位的導通方式，從而辨識出控制器結(jié)構(gòu)。

至此，形成了基于頻率響應曲線形態(tài)辨識調(diào)頻控制器結(jié)構(gòu)的方法，在此基礎(chǔ)上即可進行調(diào)頻控制器參數(shù)的辨識。

3 調(diào)頻控制器參數(shù)的實用化辨識

3.1 調(diào)頻控制器參數(shù)與頻率響應特性的對應關(guān)系

根據(jù)圖1 可知，調(diào)頻控制器的關(guān)鍵參數(shù)包含：參與調(diào)頻的有功閾值Pth、上/下調(diào)頻率變化率死區(qū)rdb1與rdb2、上/下調(diào)調(diào)頻死區(qū)fdb1與fdb2、上/下調(diào)虛擬慣量系數(shù)K1u與K1d、上/下調(diào)下垂系數(shù)K2u與K2d、減載備用系數(shù)ηdel和有功調(diào)節(jié)上/下限幅ΔPmax與ΔPmin。為保證風電機組運行的經(jīng)濟性，ΔPmax在數(shù)值上一般等于減載備用系數(shù)ηdel，無須分別辨識。此外，雖然頻率跌落和上升工況下以上參數(shù)的數(shù)值可能不同，但其對頻率響應特性的影響類似，本節(jié)將以頻率跌落工況為例，進行調(diào)頻控制參數(shù)與響應特性的對應關(guān)系分析，測試結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同參數(shù)對風電機組調(diào)頻響應的影響Fig.3 Influence of different parameters on frequency regulation response of wind turbines

1）參與調(diào)頻的有功閾值Pth

文獻［19］規(guī)定風電有功功率大于0.2 p.u.時應參與系統(tǒng)調(diào)頻。風電機組轉(zhuǎn)速（功率）較低時，參與調(diào)頻可能引起失速，一般不參與調(diào)頻，故Pth一般大于等于0.2 p.u.。由圖3（a）所示的頻率擾動工況測試的結(jié)果可知，Pth的數(shù)值大小主要影響風電機組響應頻率變化的穩(wěn)態(tài)有功范圍，Pth越大該范圍越小，其中，P表示風電機組穩(wěn)態(tài)運行時的有功功率。

2）頻率變化率死區(qū)rdb1和調(diào)頻死區(qū)fdb1

rdb1主要影響虛擬慣量控制響應頻率變化率的靈敏程度，而fdb1影響綜合慣量控制整體響應頻率偏差的靈敏程度。圖3（b）基于文獻［19］給出的3 種慣量響應測試工況進行對比，頻率設定值為49.5 Hz。圖中：實線表示有功功率；虛線表示頻率。圖3（b）和（c）所示的頻率擾動工況測試結(jié)果表明，兩種死區(qū)的增大會增加機組的響應延遲、縮小響應頻率變化的范圍，但過小又將導致機組調(diào)頻控制器頻繁動作、增加機械損耗和頻率振蕩風險。文獻［20］規(guī)定風電機組的一次調(diào)頻死區(qū)在±0.03～0.10 Hz 范圍內(nèi)，文獻［19］推薦的變化率死區(qū)為±0.3 Hz/s。

3）虛擬慣量系數(shù)K1u

K1u主要影響電力系統(tǒng)的最大頻率變化率和頻率最低點。測試工況同圖3（b）中的工況c，測試結(jié)果如圖3（d）所示，K1u的增加將提高頻率變化時風電機組的有功調(diào)節(jié)量。根據(jù)文獻［21］可知，風電機組的等效慣性時間常數(shù)TJ一般設置為8～12 s，換算成虛擬慣量控制系數(shù)為0.16～0.24。

4）下垂系數(shù)K2u

K2u主要影響電力系統(tǒng)在頻率擾動期間的整體頻率偏差量。測試工況同圖3（a），測試結(jié)果如圖3（e）所示，下垂系數(shù)的增加將提高頻率擾動全程的有功調(diào)節(jié)量。根據(jù)文獻［21］可知，風電機組的下垂系數(shù)一般設置在10～50 范圍內(nèi)。

5）減載備用系數(shù)ηdel

ηdel同時影響風電機組的穩(wěn)態(tài)運行有功出力與頻率擾動下的有功調(diào)節(jié)量。測試工況同圖3（a），測試結(jié)果見圖3（f），更大的ηdel意味著更大的有功上調(diào)空間（即ΔPmax增大），但同時降低了穩(wěn)態(tài)有功出力，不利于機組的經(jīng)濟運行。文獻［19］要求風電機組的有功調(diào)節(jié)上/下限ΔPmax與ΔPmin分別在6%～10%和10%～20%的范圍內(nèi)，故減載備用系數(shù)應大于6%。

由于相關(guān)標準已給出了參數(shù)范圍或推薦值，辨識過程可在此基礎(chǔ)上，根據(jù)調(diào)頻控制器中務關(guān)鍵參數(shù)對頻率響應特性的影響及靈敏度，基于建立的風電機組頻率響應特性庫中曲線的特征值，用簡單的最小二乘算法實現(xiàn)實用化辨識。

3.2 調(diào)頻控制器參數(shù)的實用化辨識方法

基于上述分析，待辨識參數(shù)與頻率響應特性曲線特征值的對應關(guān)系如表1 所示。

表1 待辨識參數(shù)及對應的響應曲線特征值Table 1 Parameters to be identified and corresponding eigenvalues of response curves

基于表1，本文所提調(diào)頻控制器參數(shù)的實用化辨識方法的辨識次序和步驟如下。

1）步驟1：辨識參與調(diào)頻的有功閾值Pth

在2.2 節(jié)建立的頻率響應特性曲線庫中，提取頻 率 斜 率 變 化（0.1 Hz ＜|Δf|≤1.5 Hz，0.3 Hz/s ＜|df/dt|，推薦頻率設定值為49、51 Hz，頻率變化率為±1 Hz/s）工況下，風電機組不響應頻率變化的最大穩(wěn)態(tài)有功功率P即為機組參與調(diào)頻的有功閾值Pth，可直接觀測獲得。

2）步驟2：辨識減載備用系數(shù)ηdel

提取恒功率區(qū)對應風速區(qū)間內(nèi)風電機組在穩(wěn)態(tài)運行期間的有功輸出，即減載備用后的最大輸出P0，max，由式（4）計算出ηdel為：

式中：Pn為風電機組的額定有功功率。

3）步驟3：辨識調(diào)頻死區(qū)fdb1與fdb2

提取風電機組在Pth＜P0≤Psp（Psp為風電機組超速減載ηdel后恰好達到轉(zhuǎn)速上限時的有功功率）對應風速范圍內(nèi)，頻率斜率變化（0.3 Hz/s ＜|df/dt|，推薦±1 Hz/s）工況下，有功功率響應頻率變化的最高頻率（頻率跌落工況）和最低頻率（頻率上升工況），即為和。fdb1與fdb2可由式（5）計算：

式中：fn為系統(tǒng)額定頻率。

4）步驟4：辨識有功調(diào)節(jié)上/下限ΔPmax與ΔPmin

提取風電機組頻率斜率變化（0.3 Hz ＜|df/dt|，推薦頻率設定值為48.0 Hz、51.5 Hz，頻率變化率為±1 Hz/s）工況下，頻率擾動期間風電機組的最大、最 小 有 功 功 率P1，max和P1，min。ΔPmax與ΔPmin可 表示為：

5）步驟5：辨識下垂系數(shù)K2u與K2d

提取風電機組在頻率階躍變化（推薦頻率設定值 范 圍為48.0 Hz 至fn+fdb1和fn+fdb2至51.5 Hz），且ΔP1+ΔP2未達到有功調(diào)節(jié)上下限的工況中，t2至t3區(qū)間內(nèi)的風電機組有功功率平均值，即特征值P23。然后，由式（7）計算得到下垂控制器輸出的有功參考值調(diào)節(jié)量ΔP2，結(jié)合式（2）利用最小二乘法計算得到K2u與K2d。

6）步驟6：辨識頻率變化率死區(qū)rdb1與rdb2

提取風電機組在頻率斜率變化時（0.1 Hz ＜|Δf|≤1.5 Hz，推薦頻率設定值為49、51 Hz），虛擬慣量控制模塊響應頻率變化的最大頻率變化率（頻率跌落工況）r和最小頻率變化率（頻率上升工況），即為頻率變化率死區(qū)rdb1與rdb2。此類測試工況下，風電機組的有功調(diào)節(jié)量為虛擬慣量控制與下垂控制指令的疊加，故虛擬慣量控制的指令值為：

其中，ΔP2可由步驟3 和步驟5 的辨識結(jié)果結(jié)合擾動期間的頻率數(shù)據(jù)和式（2）計算得到。

7）步驟7：辨識虛擬慣量系數(shù)K1u與K1d

提取風電機組在頻率斜率變化（推薦頻率設定值 范 圍 為48 Hz 至fn+fdb1和fn+fdb2至51.5 Hz，頻 率變 化 率 范 圍 為-1 Hz/s ≤df/dt＜rdb1和rdb2＜df/dt≤1 Hz/s）且ΔP1+ΔP2未達到有功調(diào)節(jié)上下限的工況中，t1至t2區(qū)間內(nèi)的有功功率平均值即為特征值P12。然后，結(jié)合式（1）、式（8）利用最小二乘法計算得到K1u與K1d。

綜上，務步驟的辨識方法見附錄A 表A1。從表A1 可以看出，所提全功率型風電機組調(diào)頻控制器參數(shù)辨識方法不涉及復雜計算，具有較好的工程實用性。

4 方法驗證

4.1 基于“黑盒”封裝模型的方法驗證

為驗證論文所提全功率型風電機組調(diào)頻控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)的實用化辨識方法的有效性，本節(jié)以某廠家提供的MATLAB/Simulink 某型號全功率型風電機組“黑盒”封裝模型為基準，參照文獻［2］，對其穩(wěn)態(tài)控制器進行辨識后（網(wǎng)側(cè)變流器內(nèi)、外環(huán)PI 參數(shù)分別為0.25、8 和10、3 500，機側(cè)變流器內(nèi)、外環(huán)PI 參數(shù)分別為0.5、17 和0.001 8、0.1），構(gòu)建了通用頻率控制白盒模型，如附錄A 圖A2 所示。根據(jù)文獻［19］，對廠家封裝模型在小風、大風場景（減載后有功出力分別為0.3、0.9 p.u.）下的22 種頻率擾動工況進行了測試，具體見附錄A 表A2 和表A3。采用提出的辨識方法，辨識出的調(diào)頻控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)見表A4。

為直觀展示本文提出方法的有效性，基于附錄A 表A4 的辨識結(jié)果構(gòu)建的白盒仿真模型與廠家封裝模型在其中6 種工況下的響應特性對比如圖4 所示，有功功率在頻率擾動期間的平均絕對偏差如附錄A 圖A3 所 示。圖A3（a）的A1～A4 號 和A5～A8 號工況分別對應小風和大風場景下附錄A 表A2的4 種 擾 動 工 況，圖A3（b）的B1～B7 號 和B8～B14 號工況分別對應小風和大風場景下表A3 的7 種擾動工況。

圖4 “黑盒”模型與仿真模型結(jié)果對比Fig.4 Comparison of “black-box” model and simulation model results

綜合圖4 和附錄A 圖A3 可知，基于本文提出的風電機組調(diào)頻控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)的辨識方法所建立的仿真模型，在務個頻率擾動工況下均能準確跟蹤廠家“黑盒”封裝模型的頻率和功率響應特性，有功功率的平均絕對偏差小于0.005 p.u.，證明了提出方法的有效性。

為進一步驗證本文方法對功率擾動引起的頻率變化工況的適應性，建立了附錄A 圖A4 所示的由同步機、負荷和風電場組成的仿真系統(tǒng)，主要參數(shù)如表A5 所示。其中，風電場分別采用廠家“黑盒”封裝模型和所辨識出的“白盒”模型的單機倍乘模型，風電場在負荷突增和突減工況下的有功功率和系統(tǒng)頻率響應情況對比如圖5 所示。可以看出，提出的方法仍然可以很好地模擬風電場在系統(tǒng)中的響應特性，對功率擾動引起的頻率變化工況適應性較好，進一步證明了所提方法的有效性。

圖5 負荷功率擾動下的仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results under load power disturbance

4.2 基于現(xiàn)場實測的方法驗證

為進一步驗證本文提出的全功率型風電機組調(diào)頻控制器實用化辨識方法的正確性，依據(jù)區(qū)域電網(wǎng)的新能源場站快速頻率響應功能入網(wǎng)試驗方案對中國某實際風電場的頻率響應進行測試和辨識。根據(jù)要求，該風電場共測試了4 種工況，分別是出力為0.2～0.3 p.u.時限功率和不限功率的工況C1、C2 以及出力為0.5～0.9 p.u.時限功率和不限功率的工況C3、C4，限功率工況的所限功率不小于額定有功功率的15%。涉及的試驗內(nèi)容如附錄A 表A6 所示。在合適的風速下重復進行試驗以盡量避免實測工況的不確定性影響，每類試驗內(nèi)容取2 次有效試驗，共20 組試驗結(jié)果，采樣精度為0.01 s。本文節(jié)選了工況C1 下頻率階躍跌落至49.8 Hz 的第1 次試驗結(jié)果和工況C1 下頻率階躍上升至50.2 Hz 的第1 次試驗結(jié)果，見圖A5。

由附錄A 圖A5 可以看出，現(xiàn)場量測存在少量噪聲，由于提出的調(diào)頻控制器的實用化辨識方法主要關(guān)注風電機組有功響應的曲線形態(tài)和穩(wěn)態(tài)、暫穩(wěn)態(tài)值，現(xiàn)場量測噪聲對辨識過程的影響較小，采用基于SUREShrink 閾值的小波去噪法，即可基本避免噪聲對辨識過程的影響［22］。由于目前該地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度要求實際運行的風電場機組級不實施減載備用，且制定的測試規(guī)程暫未要求參照附錄A 表A2中的慣量響應特性測試工況，故該機組（整個場站的聚合等值風電機組）可辨識的參數(shù)僅包含：調(diào)頻死區(qū)、有功調(diào)節(jié)上下限和下垂系數(shù)3 類?；谑剑?）、式（5）、式（6）和式（7），參數(shù)辨識結(jié)果如表A7 所示，據(jù)此構(gòu)建出風電機組調(diào)頻仿真模型，節(jié)選圖A5 對應工況的仿真模型的頻率擾動響應特性進行展示，如圖A6 所示。

綜合附錄A 圖A5 和圖A6 可以看出，建立的風電機組仿真模型可精確跟蹤實際機組測試出的頻率和功率響應特性，證明了提出的全功率型風電機組調(diào)頻控制器的實用化辨識方法應用于現(xiàn)場試驗的有效性。

5 結(jié)語

本文建立了全功率型風電機組通用頻率控制模型，根據(jù)調(diào)頻響應曲線的形態(tài)和幅值，明確了其與務類控制結(jié)構(gòu)和參數(shù)的對應關(guān)系，提出了全功率型風電機組調(diào)頻控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)的實用化辨識方法。通過基于辨識結(jié)果構(gòu)建的“白盒”模型與廠家“黑盒”封裝模型及實際風電場在標準測試工況和功率擾動工況下的響應特性對比，驗證了提出的實用化辨識方法應用于廠家“黑盒”封裝模型和現(xiàn)場試驗的有效性。該方法可服務于風機制造商、電網(wǎng)調(diào)度和研究部門，用于實際風電系統(tǒng)的參數(shù)校核、性能驗證及控制策略設計等。

本文提出辨識方法的主要研究對象為跟網(wǎng)型控制的全功率型風電機組，后續(xù)將進一步驗證該方法對其他類別和組網(wǎng)方式新能源機組的適應性。

附錄見本刊網(wǎng)絡版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），掃英文摘要后二維碼可以閱讀網(wǎng)絡全文。