風(fēng)電慣量響應(yīng)及一次調(diào)頻控制策略研究綜述

武繼聰 曹興宇 黃燃

摘要：隨著并網(wǎng)行動(dòng)不斷推進(jìn)，尤其是在大力發(fā)展新能源的背景下，風(fēng)電大規(guī)模接入電網(wǎng)中，但這也使得電力系統(tǒng)日趨復(fù)雜化，容易出現(xiàn)各種不穩(wěn)定性的問題。為了解決大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)而出現(xiàn)的調(diào)頻能力不足問題，同時(shí)提升風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行的適應(yīng)能力，確保風(fēng)電機(jī)組具有慣量響應(yīng)和一次調(diào)頻能力，本文對(duì)風(fēng)電慣量響應(yīng)與一次調(diào)頻的理論進(jìn)行分析，并進(jìn)行仿真與實(shí)測。結(jié)果表明，該系統(tǒng)方案能在多種頻率變化工況下快速慣量響應(yīng)和一次調(diào)頻響應(yīng)，且能為電網(wǎng)提供穩(wěn)定的支撐，進(jìn)而提升風(fēng)電機(jī)組頻率的適應(yīng)性。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機(jī)組；慣量響應(yīng)；一次調(diào)頻；控制策略

DOI：10.12433/zgkjtz.20240648

風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目大規(guī)模鋪開，并大規(guī)模接入電網(wǎng)。當(dāng)前，我國風(fēng)電容易受天氣的影響，具有較強(qiáng)的不確定性和間歇性，這給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來了較大的挑戰(zhàn)。從現(xiàn)狀來看，風(fēng)力發(fā)電大多為變速風(fēng)機(jī)，通過電力電子器件并入電網(wǎng)中，但難以快速響應(yīng)電力系統(tǒng)頻率變化。在大規(guī)模并網(wǎng)的情況下，勢必會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成影響，降低電力系統(tǒng)的質(zhì)量。從本質(zhì)上看，風(fēng)力發(fā)電并入電網(wǎng)后，電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)的原因有兩個(gè)方面：一是在風(fēng)力發(fā)電過程中，天氣因素對(duì)風(fēng)能的影響較大，一定程度上影響風(fēng)力發(fā)電的穩(wěn)定性；二是風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與電力系統(tǒng)頻率存在解耦關(guān)系，在慣量響應(yīng)及一次調(diào)頻能力不足的情況下，難以保證電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性和功率平衡性。因此，要想有效推進(jìn)風(fēng)電發(fā)展，確保風(fēng)電機(jī)組順利并網(wǎng)運(yùn)行，要保證風(fēng)電機(jī)組具有良好的慣量響應(yīng)及一次調(diào)頻能力，能快速響應(yīng)電力系統(tǒng)頻率，從而保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

一、風(fēng)電慣量響應(yīng)和一次調(diào)頻的理論分析

（一）慣量響應(yīng)

風(fēng)電機(jī)組的慣量響應(yīng)功能，是指響應(yīng)電網(wǎng)頻率變化率，主要通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子存儲(chǔ)功能在短時(shí)間內(nèi)提供功率支撐，響應(yīng)速度較快。要想有效發(fā)揮出發(fā)風(fēng)電機(jī)組慣量響應(yīng)的功能，應(yīng)滿足以下條件：

條件1：啟動(dòng)慣量響應(yīng)使能開關(guān)，并關(guān)閉一次調(diào)頻使能開關(guān)。

條件2：

式中，df/dt表示頻率變化率，單位為Hz/s；df+表示頻率變化率上線，取0.3Hz/s；df-表示頻率變化

率下限，取-0.3Hz/s；?f表示頻率偏差量，單位為Hz。

條件3：風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行正常，同時(shí)網(wǎng)測功率P＞20％Pn。

在頻率變化階段，當(dāng)滿足條件2時(shí)，觸發(fā)風(fēng)電機(jī)組慣量響應(yīng)功能，而在頻率恢復(fù)階段，不觸發(fā)風(fēng)電機(jī)組的慣量響應(yīng)功能。為避免慣量響應(yīng)時(shí)因功率降低引起共振，進(jìn)而引起風(fēng)電機(jī)組故障停機(jī)問題，需設(shè)置條件3的功率限制。

在觸發(fā)風(fēng)電機(jī)組慣量響應(yīng)功能后，主控系統(tǒng)計(jì)算出機(jī)組有功功率的變化值，計(jì)算公式如下：

（1）

式（1）中的?Piner為機(jī)組有功功率變化值；T為慣性時(shí)間常數(shù)，單位為s；fN為電網(wǎng)工頻頻率，單位為Hz。Pn表示風(fēng)電機(jī)組額定有功功率，單位為kW。

在風(fēng)電機(jī)組慣量響應(yīng)時(shí)，葉片儲(chǔ)存功能是機(jī)組有功功率的主要來源，從運(yùn)行安全方面考慮，有必要對(duì)風(fēng)電慣量響應(yīng)有功功率變化值進(jìn)行限幅，從而得出新的表達(dá)式：

（2）

在式（2）中，lowiner和highiner分別為慣量響應(yīng)功率變化限幅下限值和上限值，均取-10％ ，單位為pu。

整理式（1）和式（2），得知風(fēng)電機(jī)組慣量響應(yīng)期間的有功功率給定值為：

Pref=P0+?Piner ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式（3）中，Pref表示慣量響應(yīng)期間風(fēng)電機(jī)組有功功率給定值參考值，單位為kW；P0表示頻率開始變化時(shí)有功功率值，單位為kW。

（二）一次調(diào)頻

風(fēng)電機(jī)組的一次調(diào)頻功能，主要是通過控制槳距角的方式來保持長時(shí)功率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)響應(yīng)頻率偏差的有效控制。但響應(yīng)速度相對(duì)較慢，為確保風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻功能有效發(fā)揮，需要滿足以下條件：

條件1：打開風(fēng)電機(jī)組的一次調(diào)頻使能開關(guān)，關(guān)閉慣量響應(yīng)使能開關(guān)。

條件2：f＜fd-或f＞fa+。其中，f為電網(wǎng)頻率實(shí)際值，單位Hz；fd-和fa+分別為電網(wǎng)頻率下限閾值和上限閾值，分別取49.8Hz和50.2Hz。

條件3：風(fēng)電機(jī)組限功率正常運(yùn)行，同時(shí)網(wǎng)測功率P＞20％Pn。

在風(fēng)機(jī)一次調(diào)頻時(shí)，開槳與收槳操作需要借助邊槳系統(tǒng)來完成功率釋放，但最多釋放20％Pn的功率，為滿足這一條件，需對(duì)一次調(diào)頻有功功率變化值進(jìn)行限幅，由此獲得新的表達(dá)式：

（4）

在式（4）中，lowfre和highfre分別為一次調(diào)頻功率變化限幅下限值和上限值，均取10％ 。

風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻期間有功功率給定值為：

Pref=P0+?Ppri ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

在式（5）中，?Ppri為有功率變化量。

二、風(fēng)電慣量響應(yīng)和一次調(diào)頻控制策略綜述

（一）虛擬慣性控制

過去，同步發(fā)電機(jī)在工作過程中，之所以會(huì)出現(xiàn)頻率變化，主要原因在于發(fā)出功率和消耗功率無法實(shí)現(xiàn)平衡。為了抑制系統(tǒng)頻率變化，應(yīng)發(fā)揮轉(zhuǎn)動(dòng)慣量響應(yīng)作用。同步發(fā)電機(jī)慣量響應(yīng)原理為：同步發(fā)電機(jī)慣量響應(yīng)時(shí)間與系統(tǒng)頻率變化成反比關(guān)系，當(dāng)慣量響應(yīng)時(shí)間常數(shù)越大時(shí)，系統(tǒng)頻率變化就會(huì)越小。研究人員便從同步發(fā)電機(jī)的慣量響應(yīng)原理出發(fā)，通過設(shè)置虛擬慣性控制環(huán)節(jié)來解決風(fēng)電系統(tǒng)中存在的慣量響應(yīng)及一次調(diào)頻能力不足的問題，其原理：當(dāng)系統(tǒng)頻率有變化時(shí)，通過虛擬慣性控制環(huán)節(jié)快速響應(yīng)頻率變化的附加功率，以有效控制頻率變化，保證系統(tǒng)頻率能快速恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)。

由于加入虛擬慣性控制環(huán)節(jié)，通過控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子釋放動(dòng)能來為系統(tǒng)提供附加功率，所以能確保風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻功能發(fā)揮，從而保證系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性。但是在為系統(tǒng)提供附加功率時(shí)，會(huì)明顯降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，難以滿足風(fēng)機(jī)所需功率，由此可能會(huì)引起二次頻率跌落，甚至引起嚴(yán)重的風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)事故。針對(duì)這一問題，研究人員對(duì)虛擬慣性控制環(huán)節(jié)進(jìn)行了改進(jìn)，具體方法如下：風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子釋放一半功能時(shí)，附加功率隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降低加以控制，同時(shí)在風(fēng)機(jī)恢復(fù)轉(zhuǎn)速時(shí)，將參考有功功率設(shè)置為機(jī)械功率與電磁功率的平均值。雖然改進(jìn)后的方法能夠避免出現(xiàn)二次頻率跌落的問題，但是存在調(diào)頻能力不足的問題，具體表現(xiàn)為調(diào)頻速度慢、轉(zhuǎn)速恢復(fù)速度慢，未充分考慮風(fēng)機(jī)輸出附加功率與系統(tǒng)頻率之間的關(guān)聯(lián)性，因此未采取有效的響應(yīng)措施以應(yīng)對(duì)頻率變化。總的來說，虛擬慣性控制的方法，能夠有效控制系統(tǒng)頻率變化，保證系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性，但存在抑制時(shí)間短、調(diào)頻能力弱的局限性。

（二）有功功率下垂特性控制

慣性控制環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)頻率變化的調(diào)頻控制時(shí)間較短，仍然需要依靠風(fēng)電機(jī)組的調(diào)速器來發(fā)揮一次調(diào)頻功能。而風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是通過電力電子器件并網(wǎng)，此時(shí)慣性控制與一次調(diào)頻將整合成為雙回路附加控制環(huán)節(jié)來控制頻率變化及偏差，即有功功率下垂特性控制，如圖1所示。

圖1 ?有功功率下垂特性控制

為避免風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子速度降低而引起系統(tǒng)二次頻率跌落問題，研究人員以虛擬慣性系數(shù)和下垂系數(shù)為切入點(diǎn)，改進(jìn)調(diào)頻控制的策略，具體將調(diào)頻控制的過程分為了兩個(gè)階段：一是風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子提供調(diào)頻能力但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降低的階段，采用轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行虛擬慣性系數(shù)和下垂系數(shù)設(shè)計(jì)；二是風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子逐漸恢復(fù)階段，具體是通過模糊邏輯變比例的方式進(jìn)行控制。這一控制策略可以降低轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段的功率，從而減少對(duì)電網(wǎng)的不利影響。但這一控制策略有其局限性，主要是基于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子存儲(chǔ)足夠功能的情況下。

（三）減載控制

為提升風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻能力，研究人員提出了減載控制的策略，主要是通過降低風(fēng)機(jī)的風(fēng)能捕獲來能來完成減載操作。具體的控制方法有兩種：一種是槳距角控制法，通過改變風(fēng)機(jī)葉片槳距角影響風(fēng)能利用系數(shù)，其間需要借助機(jī)械裝置來完成控制。針對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的一次調(diào)頻，在功率足夠不需要風(fēng)量發(fā)電參與的情況下，可增加槳距角來降低風(fēng)險(xiǎn)利用系數(shù)；反之，在系統(tǒng)頻率大幅變得且呈降低趨勢，可通過減少槳距角提高風(fēng)能利用系數(shù)，以滿足一次調(diào)頻所需的有功功率。另一種是超速減載控制法，這一控制方法是基于風(fēng)機(jī)在次優(yōu)功率模式下，使風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于MPPT模式下的轉(zhuǎn)速，以此滿足一次調(diào)頻時(shí)所需的能量，從而保證電力系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性。

上述兩種控制方法出于風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性的考慮，雖能改善風(fēng)力發(fā)電一次調(diào)配能力不足的問題，但是通過改變槳距角的方式使機(jī)組的機(jī)械機(jī)構(gòu)發(fā)生變化，可能會(huì)降低其響應(yīng)速度，如果是頻繁作業(yè)，還會(huì)導(dǎo)致機(jī)組的機(jī)械結(jié)構(gòu)出現(xiàn)磨損問題，影響保障機(jī)組的使用壽命。針對(duì)這一問題，研究人員提出基于交流變頻技術(shù)的超速減載控制方法，可使調(diào)配指令響應(yīng)速度更加快速，由此為一次調(diào)頻提供更多的有功功率，也能避免因風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降低而導(dǎo)致二次頻率跌落。總而言之，減載控制的方法，可為風(fēng)力發(fā)電一次調(diào)頻提供有力支撐，但是減載操作只能夠通過改變槳距角的方式完成，因而在調(diào)配響應(yīng)速度上也存在一定的不足。

（四）綜合協(xié)調(diào)控制

針對(duì)風(fēng)力發(fā)電一次調(diào)頻功率不足、快速調(diào)頻能力較低的問題，研究人員綜合上述控制策略的優(yōu)點(diǎn)，提出綜合協(xié)調(diào)控制策略。在這一控制策略中，主要是采用小信號(hào)增量法，構(gòu)建一次調(diào)頻動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)的解析模型。相比全狀態(tài)非線性仿真模型而言，這一控制策略是基于額定風(fēng)速以下的情況進(jìn)行分析，并未考慮到額定風(fēng)速以上的情況。為了確保在全風(fēng)狀態(tài)下機(jī)組的一次調(diào)頻能力，研究人員在此基礎(chǔ)上提出在最大功率追蹤區(qū)域結(jié)合使用虛擬慣性控制和超速減載控制方法，而在恒轉(zhuǎn)速和恒功率區(qū)，則結(jié)合使用虛擬慣性控制和槳距角控制方法。即便如此，上述控制策略也僅考慮了通過風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子存儲(chǔ)功能來提供一次調(diào)配，并未考慮到預(yù)留有功備用的優(yōu)化利用問題。

三、基于轉(zhuǎn)子功能和槳距角備用的調(diào)配系統(tǒng)方案

為有效抑制電網(wǎng)頻率變化，提升風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)適應(yīng)性，本文在綜合協(xié)調(diào)控制策略的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)風(fēng)電慣量響應(yīng)和一次調(diào)頻主控器算法，同時(shí)借助仿真平臺(tái)與現(xiàn)場實(shí)測對(duì)控制算法的正確性和有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

風(fēng)電機(jī)組的慣量響應(yīng)及一次調(diào)頻功能的發(fā)揮，需要借助主控系統(tǒng)和交流器協(xié)同完成操作。變流器對(duì)三相電網(wǎng)電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并將頻率、頻率變化率、慣量響應(yīng)及一次頻率標(biāo)準(zhǔn)上傳至主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)在接收信號(hào)后，根據(jù)慣量響應(yīng)及一次調(diào)頻使能標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行動(dòng)作。當(dāng)慣量響應(yīng)使能標(biāo)志位為1，并且檢測發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)頻率變化超過所設(shè)置的閾值，此時(shí)變流器慣量響應(yīng)標(biāo)志位置為1并傳至主控系統(tǒng)中，主控系統(tǒng)將當(dāng)前有功功率記錄P0，按照式（3）計(jì)算出有功功率給定值；當(dāng)一次調(diào)頻標(biāo)志位是1，并且變流器檢測電網(wǎng)頻率偏差超出閾值，此時(shí)變流器慣量響應(yīng)標(biāo)志位置1并上傳至主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)記錄當(dāng)前有功功率為P0，按照式（5）計(jì)算一次調(diào)頻期間有功功率給定值，同時(shí)恢復(fù)系統(tǒng)頻率后，將風(fēng)電機(jī)組切換為限功率運(yùn)行狀態(tài)。在風(fēng)電機(jī)組慣量響應(yīng)及一次調(diào)頻時(shí)，變流器主要作用是接收主控系統(tǒng)下發(fā)的轉(zhuǎn)矩指令。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，慣量響應(yīng)時(shí)間不超過500ms，一次調(diào)頻響應(yīng)時(shí)間不超過5s。為滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，將慣量響應(yīng)及一次調(diào)頻時(shí)間分為兩個(gè)階段：一是通過變流器和主控系統(tǒng)的通訊延時(shí)，將時(shí)間控制在200ms左右；二是功率調(diào)節(jié)階段，慣量響應(yīng)速度較快，功率調(diào)節(jié)時(shí)間控制在200ms左右。

四、實(shí)測結(jié)果

為驗(yàn)證慣量響應(yīng)及一次調(diào)頻算法的正確性和有效性，在某項(xiàng)目現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)測，將電網(wǎng)適應(yīng)性測試車在風(fēng)電機(jī)組升壓變壓器和電網(wǎng)之間進(jìn)行串聯(lián)，由此產(chǎn)生相應(yīng)的頻率擾動(dòng)，測試結(jié)果如表1所示。

從表1可知，開啟慣量響應(yīng)功能后，對(duì)電網(wǎng)頻率變化進(jìn)行檢測，頻率變化超過0.3Hz，風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行慣量響應(yīng)，響應(yīng)時(shí)間約為440ms，能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

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