主動調(diào)頻對大容量風電機組載荷靈敏度響應(yīng)分析

李成晨，劉曉輝，卓 然，宋 珂，劉二恩

（許昌許繼風電科技有限公司，河南 許昌 461000）

0 引言

隨著風力發(fā)電成為主流發(fā)電形式，目前已有很多國家對風電場參與電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)頻控制的并網(wǎng)運行發(fā)布了導(dǎo)則或規(guī)程。如加拿大電力供應(yīng)商要求在并網(wǎng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)調(diào)頻需求時，風電場應(yīng)至少提供5%額定功率的調(diào)頻備用容量，持續(xù)時間不低于20 s[1]。同時德國、英國、丹麥和瑞典等國也提出了相關(guān)要求[2]。

國內(nèi)外很多學(xué)者對風電機組主動參與電網(wǎng)調(diào)頻進行了深入的研究。文獻[3]利用變頻器雙閉環(huán)控制回路將頻率變化率作為控制量，使風電機組實現(xiàn)模擬慣量控制，因電流環(huán)控制參數(shù)過于敏感導(dǎo)致控制穩(wěn)定性很難保證。文獻[4]在雙饋電機的轉(zhuǎn)子側(cè)增加輔助功率控制環(huán)，將風輪轉(zhuǎn)子與電網(wǎng)頻率波動進行耦合，利用轉(zhuǎn)子釋放慣性動能短時間實現(xiàn)功率支撐。文獻[5]通過將風電機組轉(zhuǎn)速扭矩曲線運行點平移的方法實現(xiàn)降載預(yù)留調(diào)頻備用運行，實現(xiàn)了預(yù)留備用參與調(diào)頻。

本文對主動調(diào)頻策略下機組載荷響應(yīng)進行了研究，分析具有電網(wǎng)頻率主動支撐功能的風電機組載荷響應(yīng)，提出在保證機組安全前提下風電機組電網(wǎng)頻率支撐的邊界支撐次數(shù)。

1 主動調(diào)頻策略

主動調(diào)頻策略的本質(zhì)是通過控制變流器模擬同步發(fā)電機的工作原理[6]，從而獲得類似同步發(fā)電機的運行特性，實現(xiàn)類似同步發(fā)電機的有功調(diào)頻與無功調(diào)壓功能。有功-頻率控制實際上是模擬同步發(fā)電機的調(diào)速器[7]，用以表征有功功率和系統(tǒng)頻率的下垂特性，通過檢測功率差ΔP來控制虛擬機械轉(zhuǎn)矩輸出而調(diào)節(jié)頻率，并采用主動調(diào)頻阻尼系數(shù)來描述頻率發(fā)生單位變化時的輸出功率變化量，其控制框圖如圖1所示。

圖1 有功-頻率控制框圖Fig.1 Active power-frequency control block diagram

圖中，ωr，Popt，P1，f，f*，Δf和Kf分別為風電機組轉(zhuǎn)速、正常運行功率、需要調(diào)節(jié)的有功功率、電網(wǎng)頻率、電網(wǎng)頻率參考值、電網(wǎng)頻率與參考值差值和一次調(diào)頻系數(shù)?？刂七壿嫗轱L電機組采集f，計算出與f*間的Δf，Δf乘Kf獲得P1，將有功功率加至當前風機可發(fā)功率Popt上，計算總的功率需求P，轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩需求給變流器強制執(zhí)行。風電機組主控系統(tǒng)控制風機槳距、轉(zhuǎn)速和扭矩，實現(xiàn)有功調(diào)頻功能。主動調(diào)頻分為針對電網(wǎng)頻率變化的一次調(diào)頻控制和電網(wǎng)頻率變化率的慣性調(diào)頻控制，本文主要對一次調(diào)頻策略參數(shù)進行仿真分析。

2 風電機組主動調(diào)頻策略仿真方案

2.1 主動調(diào)頻策略仿真因素水平設(shè)計

一次調(diào)頻控制依據(jù)的是電網(wǎng)頻率的變化，采用下垂控制計算支撐功率值，并與風機實時功率進行疊加，計算得出功率調(diào)節(jié)目標值，功率變化ΔP為

式中:Δf為電網(wǎng)頻率變化量；fN為電網(wǎng)基準頻率；PN為風電機組額定功率；Kf為一次調(diào)頻系數(shù)。

對電網(wǎng)頻率的支撐過程如圖2所示。

圖2 一次調(diào)頻策略仿真變量示意Fig.2 The simulation variables of primary frequency modulation strategy

在支撐過程中，電網(wǎng)頻率跌落幅值和變化時間不同均會要求機組呈現(xiàn)不同的支撐情況，即跌落幅值要求不同的支撐功率，電力頻率跌落時間對應(yīng)支撐時間?；謴?fù)策略表征為風電機組完成要求支撐功能后功率恢復(fù)正常運行的一種方法，本文主要采用以某一固定功率保持一段時間后恢復(fù)正常。各仿真變量因素水平見表1。

表1 一次調(diào)頻調(diào)頻控制參數(shù)因素水平Table 1 Primary FM control parameter level

2.2 載荷仿真方案設(shè)計

以某公司生產(chǎn)的2 000 kW變速變槳全功率風電機組為例進行仿真分析，采用風電行業(yè)載荷通用仿真軟件GH Bladed，將主動調(diào)頻策略內(nèi)置于外部控制器中，模擬不同電網(wǎng)條件下機組載荷響應(yīng)，該仿真方法與文獻[8]相近。仿真過程中采用正常風廓線NWP風模型仿真風電機組正常運行情況下的極限載荷響應(yīng)，風速為5～20 m/s，風速步長為1 m/s；采用正常湍流風NTM風模型計算風電機組正常發(fā)電狀態(tài)下的疲勞載荷響應(yīng)，風速從切入到切出，風速步長為2 m/s，風種子為12個。

2.3 載荷響應(yīng)分析評價指標

（1）極限載荷

極限載荷為采用時間序列載荷的絕對值最大值。

（2）等效疲勞載荷

等效疲勞載荷Leq采用經(jīng)典雨流計數(shù)原理下某等效應(yīng)力循環(huán)次數(shù)下獲得的等效載荷水平[9]。

式中:Ri為第i個級別的應(yīng)力幅值；ni為第i個級別的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；m為斜率值，文中m=4；N為等效應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。

（3）敏感度系數(shù)

本文引入敏感系數(shù)E準確評估主動調(diào)頻策略參數(shù)與風電機組主導(dǎo)載荷的相關(guān)性[10]，E越高表明該參數(shù)的變化對載荷產(chǎn)生的影響越大。

式中:ΔF為不確定因素F的變化率，%，本文指調(diào)頻策略參數(shù)的變化率；ΔA為因素F變化為ΔF時目標載荷的變化率，%。

（4）邊界電網(wǎng)支撐次數(shù)分析

將不同支撐次數(shù)的調(diào)頻策略對風電機組產(chǎn)生的疲勞疊加至機組疲勞載荷中，計算機組等效疲勞載荷，迭代支撐次數(shù)直至機組計算等效疲勞載荷達到機組設(shè)計載荷，以此時電網(wǎng)支撐發(fā)生次數(shù)為邊界支撐次數(shù)。

3 風電機組載荷響應(yīng)分析

風電機組極限響應(yīng)情況采用葉根彎矩Mxy、輪轂扭矩Mx和彎矩Myz、偏航軸承彎矩Mxy和塔底彎矩Mxy作為載荷目標；疲勞載荷選擇葉根Mx和My、輪轂Mx和My、偏航軸承My和塔底My作為目標載荷，評估不同調(diào)頻策略下的機組疲勞載荷響應(yīng)[11]。

采用仿真載荷與未啟用調(diào)頻策略時載荷相比的方法對數(shù)據(jù)進行歸一化處理。

3.1 不同電網(wǎng)支撐功率下風電機組載荷響應(yīng)分析

（1）載荷響應(yīng)分析

不 同 支 撐 電 網(wǎng) 功 率3%PN，5%PN，7%PN，10%PN，12%PN和14%PN下機組極限載荷與無主動策略時載荷比例值見圖3，載荷敏感系數(shù)見表2。

圖3 不同支撐功率下風電機組載荷響應(yīng)Fig.3 Load response of wind turbine under different supporting power

表2 不同支撐功率策略下風電機組載荷敏感系數(shù)Table 2 Table of load sensitivity coefficients under different supporting power strategies

由表2可知，當風電機組向上支撐電網(wǎng)過程中，通過增加發(fā)電機扭矩強行支撐，發(fā)電機轉(zhuǎn)速降低，傳動鏈扭矩上升，支撐過程中對輪轂Mx影響較大，極限達到7%，疲勞11%，其他方向載荷影響比較小。

各部件極限敏感系數(shù)、疲勞載荷敏感系數(shù)中，輪轂中心Mx方向最大，在10%PN支撐功率范圍內(nèi)，隨著支撐功率的增加敏感度明顯提高，當支撐功率為10%PN時達到最大值；當支撐功率高于10%PN時，通過強加扭矩的方法增加支撐功率作用不明顯，在滿足電網(wǎng)支撐要求下，盡可能選擇較低的支撐功率可以降低機組載荷波動；從敏感度分布分析，當支撐功率為7%PN以內(nèi)時，載荷敏感系數(shù)較低，可以抑制機組載荷的上升和波動速度。

（2）邊界電網(wǎng)支撐次數(shù)分析

極限支撐次數(shù)如表3所示，隨支撐功率的增加，邊界電網(wǎng)支撐次數(shù)由每天350次降低至155次，支撐功率大于7%PN后，機組邊界支撐次數(shù)迅速降低。

表3 不同支撐功率策略下風電機組邊界支撐次數(shù)Table 3 The boundary support times of wind turbine

3.2 不同電網(wǎng)支撐時間下風電機組載荷響應(yīng)分析

（1）載荷響應(yīng)分析

不同支撐時間（4，7，10，15，20 s和25 s）下機組極限、疲勞載荷與無支撐策略情況下的比例值如圖4所示。

圖4 不同支撐時間下風電機組載荷響應(yīng)Fig.4 Load response under different supporting time

由圖4可知:電網(wǎng)支撐過程中，隨支撐時間的增加，輪轂中心Mx明顯增加，這是因為增加發(fā)電機扭矩強行支撐電網(wǎng)會使發(fā)電機轉(zhuǎn)速降低，導(dǎo)致傳動鏈扭矩上升；隨支撐時間的增加，塔底和輪轂中心My和Mz緩慢增加，這是葉尖速比向更大推力方向移動所導(dǎo)致的。

不同支撐時間下風電機組載荷敏感系數(shù)見表4。輪轂中心Mx方向的載荷敏感度最大，且隨著支撐時間的增加敏感度明顯提高。當極限載荷為16s時，達到最大值5.3%，當疲勞載荷為19 s時，達到最大值14.5%，10～16 s時敏感系數(shù)基本穩(wěn)定。因此，支撐時間在10 s內(nèi)有利于機組平穩(wěn)運行。

表4 不同支撐時間下風電機組載荷敏感系數(shù)Table 4 Load sensitivity coefficient for different support time

（2）邊界支撐次數(shù)分析

隨電網(wǎng)支撐時間的增加，在機組機械載荷約束范圍內(nèi)，邊界電網(wǎng)支撐次數(shù)由每天275次降低至115次。不同支撐時間策略下風電機組邊界支撐次數(shù)見表5。由表5可知，支撐時間大于7 s后，機組載荷波動增加，邊界支撐次數(shù)迅速降低。

表5 不同支撐時間策略下風電機組邊界支撐次數(shù)Table 5 The boundary support times of wind turbine

3.3 不同恢復(fù)策略下風電機組載荷響應(yīng)分析

風電機組電網(wǎng)支撐結(jié)束后或者電網(wǎng)頻率恢復(fù)時，風電機組應(yīng)該以一定的恢復(fù)策略完成功率恢復(fù)。本文首先將功率恢復(fù)到某一設(shè)定功率保持一段時間，然后恢復(fù)到正常電網(wǎng)功率。不同設(shè)定恢復(fù)功率下風電機組載荷波動和沖擊情況如下。

（1）載荷響應(yīng)分析

恢復(fù)功率為1%PN，3%PN，5%PN，7%PN，10%PN和12%PN的機組極限載荷和疲勞載荷與無支撐策略情況下的比例值如圖5所示。

圖5 不同恢復(fù)功率下風電機組載荷響應(yīng)Fig.5 Load response under different recovery power

表6為不同恢復(fù)功率策略下風電機組載荷敏感系數(shù)表。由表6可知:不同恢復(fù)功率對機組極限載荷無影響；疲勞載荷只在傳動鏈Mx方向具有敏感性，達到5.8%；當恢復(fù)功率為5%PN以下時，載荷敏感度較低。

表6 不同恢復(fù)功率策略下風電機組載荷敏感系數(shù)Table 6 Load sensitivity coefficient for different recovery power

（2）邊界支撐次數(shù)分析

隨電網(wǎng)恢復(fù)功率的增加，邊界電網(wǎng)支撐次數(shù)由每天285次降低至180次（表7），恢復(fù)功率高于10%PN后，機組載荷波動增加，邊界支撐次數(shù)迅速降低。

表7 不同恢復(fù)功率策略下風電機組邊界支撐次數(shù)Table 7 The boundary support times of wind turbine

4 結(jié)論

本文對不同電網(wǎng)支撐功率、支撐時間及恢復(fù)策略下各控制參數(shù)進行了單因素對比仿真試驗，分別從極限載荷、1 Hz等效疲勞載荷、極限和疲勞敏感系數(shù)、邊界支撐次數(shù)等方面評估了電網(wǎng)支撐過程中風電機組各部件載荷變化情況，主動調(diào)頻策略對機組傳動鏈Mx方向有較大的影響，對其他部件載荷影響較小，通過在機組機械載荷約束下分析傳動鏈Mx與主動調(diào)頻策略參數(shù)的相關(guān)性，獲得如下結(jié)論。

①傳動鏈極限Mx比無調(diào)頻策略情況上升了3%～8%；1 Hz下等效疲勞載荷比無調(diào)頻策略情況下上升了2%～12%；極限敏感系數(shù)為1.1%～4%，疲勞敏感系數(shù)為5%～9%；在該研究機組機械載荷約束下每日邊界支撐電網(wǎng)次數(shù)為115～350次。

②結(jié)合極限和疲勞載荷與無電網(wǎng)調(diào)頻策略下增加的比例和載荷敏感系數(shù)確定主動調(diào)頻較為合理的參數(shù)范圍:支撐功率小于7%PN；支撐時間小于10 s；當恢復(fù)功率保持值為5%PN時，機組傳動鏈載荷波動敏感度最小，對機組載荷最有利。