含變速恒頻風(fēng)電場的電網(wǎng)頻率協(xié)調(diào)控制策略

李燦，李超，康正，張軍勇

（1.山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，山東濟南 250061；2.國網(wǎng)青島供電公司，山東青島 266002；3.國網(wǎng)濱州供電公司，山東濱州 256600）

近年來，風(fēng)力發(fā)電發(fā)展迅速，穿透率不斷增加，含風(fēng)電的地區(qū)電網(wǎng)在發(fā)生負荷波動后，風(fēng)電場應(yīng)當承擔起部分調(diào)頻任務(wù)。然而，對于目前廣泛采用的變速恒頻風(fēng)電機組，其解耦控制策略使機組有功功率無法響應(yīng)系統(tǒng)頻率的變化，使其并不具備類似傳統(tǒng)同步發(fā)電機的一次調(diào)頻能力。此外，變速恒頻風(fēng)電機組通常運行在最大功率跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）狀態(tài)，無法提供額外的有功功率參與頻率控制。因此，有必要對風(fēng)電機組參與系統(tǒng)調(diào)頻的控制策略進行研究[1-6]。

目前，歐洲許多國家的電網(wǎng)要求風(fēng)力發(fā)電場應(yīng)能提供有功調(diào)節(jié)及備用風(fēng)輔助功能，至少具備類似于同步發(fā)電機組的頻率響應(yīng)及調(diào)頻控制能力[7]。要求風(fēng)電場參與有功出力調(diào)節(jié)有3個主要原因，一是不斷增加的并網(wǎng)風(fēng)電機組，在技術(shù)上可以很方便地為電網(wǎng)提供有功頻率支持；二是AGC和頻率控制屬于電網(wǎng)的輔助服務(wù)范疇，通過參與輔助服務(wù)，可以為風(fēng)電場帶來經(jīng)濟效益；三是風(fēng)電機組的變換器采用交流變頻控制技術(shù)，功率控制速度比常規(guī)機組更快，能有效減輕常規(guī)機組的調(diào)頻壓力[8-9]。

針對變速恒頻風(fēng)電機組的調(diào)頻控制能力，國內(nèi)外學(xué)者對其進行了深入的研究[6-13]。早期的研究主要通過將頻率變化率和頻率變化量作為輸入信號來獲得額外的有功參考信號，即虛擬慣量控制，從而使風(fēng)機具有參與系統(tǒng)調(diào)頻的能力[10-11]。當風(fēng)電場無其他任何功率備用時，此種利用轉(zhuǎn)子動能提供有功支撐的方法僅能提供短時的有功支持，且在低風(fēng)速下可能引起風(fēng)機失穩(wěn)或停轉(zhuǎn)等不安全因素[12]。針對上述問題，可以在風(fēng)機的頻率控制環(huán)節(jié)中引入附加頻率控制環(huán)節(jié)，使調(diào)頻效果得到一定改善，但仍只能進行短暫的調(diào)頻支援[13]。對于長時間的調(diào)頻控制方法，主要有轉(zhuǎn)速控制和槳距控制兩種方法[10-13]。文獻[14-15]分別采用改變槳距角和轉(zhuǎn)速的方法控制變速風(fēng)機捕獲的風(fēng)功率，從而達到弱電網(wǎng)的負荷平衡和頻率穩(wěn)定，但沒有分析協(xié)調(diào)控制的方法。文獻[16]提出了轉(zhuǎn)速控制與槳距控制的協(xié)調(diào)控制方法，但該策略在任何風(fēng)速條件下都采用兩者同時動作，沒有分析在不同風(fēng)速條件下兩者的協(xié)調(diào)控制策略。文獻[17]提出將運行風(fēng)速分為低、中、高3種風(fēng)速模式，目的是使風(fēng)電場的有功控制指令與風(fēng)電機組的實際發(fā)電能力得以匹配，但在超低風(fēng)速時風(fēng)機的調(diào)頻能力有限且不利于風(fēng)機的自身穩(wěn)定。

上述研究的重點多集中在變速恒頻風(fēng)電機組自身完成電網(wǎng)的調(diào)頻任務(wù)，然而風(fēng)電場自身的容量有限無法獨立完成電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定。因此，基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機（doubly fed induction generator，DFIG），本文提出變速恒頻風(fēng)電機組以改進的超速與變槳協(xié)調(diào)控制為基礎(chǔ)，并配合常規(guī)機組進行調(diào)頻控制的協(xié)調(diào)控制策略。為了風(fēng)機自身的穩(wěn)定性，本文采用設(shè)置風(fēng)速門檻帶的方法，在超低風(fēng)速時風(fēng)機保持MPPT運行不參與系統(tǒng)調(diào)頻。利用該控制策略，可以充分發(fā)揮風(fēng)電場的有功發(fā)出能力，通過與常規(guī)機組協(xié)調(diào)控制可以有效提升地區(qū)電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性。

1 雙饋風(fēng)電機組調(diào)頻策略

1.1 DFIG模型及原理

雙饋感應(yīng)風(fēng)電機組主要包括風(fēng)輪機、DFIG和AC-DC-AC變換器等，圖1是簡化的雙饋感應(yīng)風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)。AC-DC-AC變換器由兩個背靠背連接的電壓型PWM變換器構(gòu)成：靠近雙饋電機轉(zhuǎn)子一側(cè)的轉(zhuǎn)子側(cè)變換器（RSC）和靠近電網(wǎng)側(cè)的網(wǎng)側(cè)變換器（GSC）。RSC通過控制轉(zhuǎn)子電流電壓，實現(xiàn)雙饋電機的變速恒頻運行；GSC一般運行在高功率因數(shù)整流模式，為RSC提供恒定的直流母線電壓。通過對AC-DC-AC變頻器的控制調(diào)整實現(xiàn)轉(zhuǎn)子電流勵磁分量與轉(zhuǎn)矩分量的解耦控制，從而達到DFIG有功功率和無功功率解耦控制的目的。

圖1 雙饋感應(yīng)風(fēng)電機組簡化結(jié)構(gòu)Fig.1 Simplified structure of DFIG

雙饋風(fēng)電機組的功率-轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線如圖2所示，圖中各實線代表了一定風(fēng)速條件下不同槳距角時風(fēng)電機組輸出功率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速間的關(guān)系。在正常運行狀態(tài)時，風(fēng)電機組通常按照最大功率點跟蹤（maximum power point tracing，MPPT）方式運行。

圖2 DFIG風(fēng)電機組功率-轉(zhuǎn)速曲線Fig.2 Power-speed performance curves of DFIG

當風(fēng)機穩(wěn)定運行時，增大槳距角能夠減小風(fēng)能的利用率以產(chǎn)生一部分備用功率，進而當系統(tǒng)頻率變化或波動時，便可通過控制槳距角的變化來調(diào)整風(fēng)電機組的有功出力。該方法多適用于風(fēng)電機組為額定功率輸出（即風(fēng)速在額定風(fēng)速以上）的情況[5]。因為低風(fēng)速時為了使風(fēng)機最大限度地捕獲風(fēng)能，DFIG風(fēng)電機組通常處于MPPT運行狀態(tài)，且槳距角為0。然而，槳距角控制速度較慢，往往具有一定的延遲，且當槳距角變化速率頻繁時，也容易加劇風(fēng)機機械部分的磨損。超速法的實質(zhì)為轉(zhuǎn)移運行點減載，將額定風(fēng)速以下的任意風(fēng)速所對應(yīng)的風(fēng)力機運行點都向其峰值點右側(cè)移動，則穩(wěn)定運行時，風(fēng)電機組的有功出力小于最大值，轉(zhuǎn)速則大于MPPT運行時的最優(yōu)轉(zhuǎn)速。該方法只適用于額定風(fēng)速以下即風(fēng)電機組處于非額定功率運行時[18]。

通過以上分析可以看出，改變槳距角或轉(zhuǎn)移運行點的方法，均可以調(diào)整風(fēng)電機組的有功出力。增大槳距角或?qū)⑦\行點右移均可減小風(fēng)電機組的有功出力，實現(xiàn)減載運行。但二者適用的情況不同：變槳法多適用于風(fēng)電機組為額定功率輸出，即風(fēng)速在額定風(fēng)速以上的情況；超速法適用于額定風(fēng)速以下，即風(fēng)電機組處于非額定功率運行。

1.2 DFIG調(diào)頻控制環(huán)節(jié)

基于圖2所示的DFIG功率-轉(zhuǎn)速特性曲線，本文采用一種超速與變槳協(xié)調(diào)的減載調(diào)頻控制策略。該策略的原則是：優(yōu)先使用超速法，以獲得較快的調(diào)頻相應(yīng)速度；當超速法無法滿足調(diào)頻需求時再啟動變槳法。根據(jù)不同的風(fēng)速條件，將DFIG減載調(diào)頻控制策略分成低風(fēng)速（<11.7）、中風(fēng)速（11.7~13.0）、高風(fēng)速（>13.0）3種控制模式，首先設(shè)定風(fēng)電機組初始減載比例系數(shù)d0%，圖2中MPPT曲線和減載曲線所圍成的區(qū)域就是有功控制區(qū)域。

假設(shè)一臺DFIG機組減載運行時所具備的功率備用ΔPR可表示為

式中，d%為減載比例系數(shù)；PMPPT為MPPT曲線功率值?？梢?，當利用DFIG機組的功率備用來支持系統(tǒng)調(diào)頻時，最多可以提供當前風(fēng)速下ΔPR的有功備用。減載比例系數(shù)d%具體取值需根據(jù)不同情況下需要的支持備用容量確定。

基于傳統(tǒng)的DFIG有功控制環(huán)節(jié)，本文提出一種改進的有功控制環(huán)節(jié)框圖如圖3所示。輸入量為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速wr、風(fēng)速VW和電網(wǎng)頻率f，以及初始減載比例系數(shù)d0%。輸出量是槳距角β和轉(zhuǎn)子側(cè)控制器的參考有功功率Pw。

圖3 DFIG減載調(diào)頻控制器Fig.3 Frequency load controller and of DFIG

頻率偏移時風(fēng)電機組的有功功率變化量可以通過頻率響應(yīng)環(huán)節(jié)得出，其計算公式為

式中，f、fref分別為電網(wǎng)實測頻率和參考頻率；Rf頻率響應(yīng)特性系數(shù)。此時減載水平變?yōu)?/p>

式中，PMPPT為當前風(fēng)速下的最大可用有功功率。

該調(diào)頻控制環(huán)節(jié)由4個主要的環(huán)節(jié)組成：風(fēng)速模式判定環(huán)節(jié)、超速和變槳控制環(huán)節(jié)和頻率響應(yīng)環(huán)節(jié)。首先根據(jù)各輸入量選定適當?shù)娘L(fēng)速模式，按照選定的風(fēng)速模式進行減載運行。頻率響應(yīng)環(huán)節(jié)采用類似于同步發(fā)電機的下垂控制原理進行模擬。當系統(tǒng)負荷增加導(dǎo)致頻率下降時，需要讓風(fēng)電機組提高有功出力，該有功控制環(huán)節(jié)會調(diào)節(jié)參考轉(zhuǎn)速wref使轉(zhuǎn)速降低，或讓槳距角β減小，從而使風(fēng)電機組為系統(tǒng)提供有功出力增量。

本文兼顧機組運行穩(wěn)定性和需要提供的調(diào)頻能力，對功率追蹤曲線以整定的風(fēng)速門檻值為界進行分段處理。如圖4所示，在超低風(fēng)速輸出功率較低時，不要求其參與調(diào)頻，仍然采取最大功率跟蹤方式；在風(fēng)速較高且大于門檻值時，風(fēng)電功率較高，希望其適當參與系統(tǒng)調(diào)頻，此時采取減載功率追蹤方式。分段后的風(fēng)電功率曲線，其風(fēng)速分段門檻值和功率減載的程度如何整定，需兼顧機組和電網(wǎng)的需求。

圖4 風(fēng)速模式判定模塊Fig.4 Decision module of wind speed modes

為了防止實際控制過程中因風(fēng)速在門檻值上下變動造成風(fēng)電機組在參與調(diào)頻與不參與調(diào)頻之間頻繁切換，影響機組壽命和控制穩(wěn)定性，可將門檻值擴展為門檻帶[vwL，vwH]，當風(fēng)速由高于vwH進入該帶時，保持機組參與調(diào)頻，只有在風(fēng)速低于vwL時才退出調(diào)頻功能，進入常規(guī)的最優(yōu)功率跟蹤狀態(tài)；當風(fēng)速由低于vwL進入該帶時，保持機組最優(yōu)功率運行狀態(tài)，只有在風(fēng)速高于vwH時才又進入調(diào)頻模式。根據(jù)風(fēng)電場實際運行經(jīng)驗，本文設(shè)定門檻帶為[6 m/s，8 m/s]。

2 電網(wǎng)頻率協(xié)調(diào)控制策略

2.1 雙饋風(fēng)電場有功分配策略

電網(wǎng)中常伴隨著負荷的波動，此時需要風(fēng)電場承擔主要的調(diào)頻任務(wù)。當風(fēng)電場接收到控制系統(tǒng)的調(diào)頻指令時，需要將該指令下發(fā)到對應(yīng)于不同風(fēng)速的各風(fēng)電機組。不同風(fēng)速的風(fēng)機所能承擔的調(diào)頻能力不同，一般來說，對應(yīng)風(fēng)速越大的風(fēng)機承擔的調(diào)頻能力就越大。不同風(fēng)速下的風(fēng)電機組根據(jù)自身的權(quán)重增加出力，完成系統(tǒng)的調(diào)頻任務(wù)。

本文引入分配因子DFWT來協(xié)調(diào)不同風(fēng)速下的風(fēng)電機組有功出力，如式（5）所示。

式中，W（VW）是對應(yīng)于不同風(fēng)速水平的權(quán)重系數(shù)，如表1所示。一般而言，風(fēng)速越大，權(quán)重值越大。N（VW）是風(fēng)電場對應(yīng)風(fēng)速VW的風(fēng)電機組數(shù)。對應(yīng)每一臺發(fā)電機，有功功率指令定義如下：

式中，ΔPWFcmd為風(fēng)電場總的有功功率變化量；Pref（VW）為對應(yīng)風(fēng)速VW的每一臺風(fēng)機的有功參考指令。

表1 不同風(fēng)速的權(quán)重值Tab.1 Weighting factors to different wind speeds

風(fēng)電場調(diào)度控制系統(tǒng)如圖5所示。電網(wǎng)頻率變化時，風(fēng)電場調(diào)度中心接收到功率參考值ΔPWFcmd，然后根據(jù)公式（5）協(xié)調(diào)不同風(fēng)速下的風(fēng)電機組出力值ΔPrefi，下發(fā)至各風(fēng)電機組調(diào)頻控制器。風(fēng)電場通過上述的有功控制策略，能夠保證高風(fēng)速的風(fēng)電機組承擔更多的調(diào)頻任務(wù)，有利于保持各風(fēng)電機組的穩(wěn)定運行。

圖5 風(fēng)電場有功控制系統(tǒng)Fig.5 Active control system of the wind farm

2.2 常規(guī)機組配合協(xié)調(diào)控制策略

當內(nèi)部總負荷突增或某些分布式電源出力降低時，會導(dǎo)致頻率的快速下降，僅靠低頻減載的方法會導(dǎo)致失去部分負荷。此時，可以充分發(fā)揮具有快速調(diào)節(jié)能力風(fēng)電機組的有功補償能力，配合常規(guī)機組進行有功補償，維持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性。圖6表示風(fēng)電機組和常規(guī)機組的頻率協(xié)調(diào)控制示意圖。

功率控制系統(tǒng)通過對風(fēng)電場、常規(guī)火電機組及并網(wǎng)系統(tǒng)的實時協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)三者有功功率平衡的控制目標。當負荷出現(xiàn)變化時，系統(tǒng)功率不再平衡，頻率變化量為Δf，此時依靠常規(guī)火電機組和風(fēng)電機組協(xié)調(diào)進行頻率控制分別得到常規(guī)機組和風(fēng)電機組的有功指令PUcmd、PWFcmd，協(xié)調(diào)參與電網(wǎng)調(diào)頻。當負荷切除時，風(fēng)電機組以更大的減載水平運行，留有更多的功率備用；負荷接入時，風(fēng)電機組釋放功率備用補償負荷需求。本文以接入負荷頻率跌落為例的功率控制系統(tǒng)流程圖如圖7所示。

圖6 頻率協(xié)調(diào)控制示意圖Fig.6 Frequency coordination control

圖7 功率控制系統(tǒng)流程圖Fig.7 Power control system flow chart

圖7中ΔPcmd為頻率變化時的負荷需求，ΔPwind為風(fēng)電場實時功率備用。為了充分發(fā)揮風(fēng)電機組的有功補償能力及減少火電機組的啟停，當系統(tǒng)頻率變化時，風(fēng)電機組優(yōu)先進行調(diào)頻。風(fēng)電機組調(diào)頻裕度不滿足功率缺額時，再將剩余的有功增量分配至常規(guī)火電機組。如此，可以減少常規(guī)火電機組的啟停以及節(jié)約能源，并提高可再生能源的利用率。

3 仿真算例

本文以西北某風(fēng)電系統(tǒng)為例，建立60×1.5 MW風(fēng)電場以及地區(qū)接入地區(qū)電網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型，如圖8所示。公共連接點處的短路容量為600 MV·A，短路比為6.7。風(fēng)電場經(jīng)箱變和集中升壓變升至110 kV，經(jīng)升壓變T3升至220 kV，接入220 kV輸電網(wǎng)；常規(guī)火電機組接入110 kV母線側(cè)，經(jīng)100 km的架空傳輸線接入大電網(wǎng)，大電網(wǎng)采用理想電壓源等效模擬。

圖8 風(fēng)電場接入電網(wǎng)仿真示意圖Fig.8 of the access network of the wind farm

為了驗證本文提出的頻率協(xié)調(diào)控制策略的有效性，在PSCAD/EMTDC軟件中建立了如圖8所示的仿真模型。設(shè)定風(fēng)電場風(fēng)速為12 m/s，1 s時負荷突增30 MW，風(fēng)電場參與調(diào)頻過程如圖9所示。

圖9 風(fēng)電場調(diào)頻仿真輸出曲線Fig.9 Simulation results of the wind farm’s frequency response

在負荷投入前，風(fēng)電場減載運行，減載比例設(shè)定為20%，實際出力為64 MW，MPPT出力為80 MW，所留功率備用為MPPT出力和實際出力的差值，為16 MW。當30 MW負荷投入時，系統(tǒng)頻率下降，風(fēng)電機組響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化，由減載運行轉(zhuǎn)為MPPT運行，增發(fā)出力16 MW，功率備用變?yōu)? MW，三者關(guān)系如圖9所示。此時風(fēng)電場的功率備用無法滿足負荷的需求，需要常規(guī)火電機組配合出力，此時根據(jù)圖7所示的功率控制系統(tǒng)流程，火電機組增發(fā)14 MW。通過風(fēng)電場的協(xié)調(diào)調(diào)頻，減小了常規(guī)火電機組的出力，如圖10所示。并且通過變速風(fēng)電機組的快速調(diào)頻作用，使電網(wǎng)頻率的跌落程度減小，如圖11所示。

4 結(jié)語

圖10 常規(guī)機組有功出力Fig.10 Active power output of the conventional generation unit

圖11 協(xié)調(diào)控制頻率仿真曲線Fig.11 Frequency simulation results of coordinated control

基于地區(qū)電網(wǎng)中大規(guī)模變速恒頻風(fēng)電場，本文提出變速恒頻風(fēng)電機組以改進的超速與變槳協(xié)調(diào)控制為基礎(chǔ)，并配合常規(guī)機組進行調(diào)頻控制的協(xié)調(diào)控制策略。通過功率控制系統(tǒng)的功率分配作用，可以有效地發(fā)揮風(fēng)電機組的有功發(fā)出能力，并減小常規(guī)機組不必要的啟停，有利于節(jié)能減排。通過超速與變槳協(xié)調(diào)控制，變速恒頻風(fēng)電機組減載運行使風(fēng)電場留有一定的備用功率，可以保證電網(wǎng)在負荷波動時的功率平衡和頻率穩(wěn)定。后續(xù)工作將圍繞多區(qū)域互聯(lián)電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定展開更深入的研究。

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