基于MPPT模式下的云南電網(wǎng)風(fēng)機(jī)調(diào)頻策略

張杰，暢昶，楊蕾，向川，何鑫，奚鑫澤，王德林

（1.云南電力調(diào)度中心，云南 昆明 650011；2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 611756；3.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217）

0 前言

云南電網(wǎng)部分運(yùn)行方式下新能源占比已經(jīng)超過50%，由于新能源本身的波動(dòng)性，且云南電網(wǎng)對于新能源參與一次調(diào)頻的經(jīng)驗(yàn)不足，目前多處區(qū)域已發(fā)生較為嚴(yán)重的頻率振蕩問題，利用新能源參與一次調(diào)頻已成為當(dāng)前云南電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究熱門。

風(fēng)機(jī)可利用的有功資源充沛，但由于風(fēng)速的波動(dòng)較難預(yù)測，風(fēng)機(jī)難以穩(wěn)定的向系統(tǒng)提供有功備用以支撐頻率穩(wěn)定性。當(dāng)前相關(guān)研究較多，文獻(xiàn)[1-2]為我國對于新能源并網(wǎng)的基本規(guī)范要求，其中對于新能源一次調(diào)頻做出了基本的技術(shù)規(guī)范；文獻(xiàn)[3]通過對同步發(fā)電機(jī)與風(fēng)機(jī)進(jìn)行建模分析，得出風(fēng)機(jī)參與調(diào)頻可以提高系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的結(jié)論；文獻(xiàn)[4]詳細(xì)分析了一次調(diào)頻參數(shù)對于系統(tǒng)頻率的影響，提出一種新能源一次調(diào)頻參數(shù)的設(shè)置方法；文獻(xiàn)[5]分析了虛擬慣量控制以及參數(shù)整定，并提出了高滲透率下的一種高風(fēng)速下風(fēng)機(jī)參與調(diào)頻的控制策略。

本文針對云南電網(wǎng)對于新能源參與調(diào)頻經(jīng)驗(yàn)不足的情況下，提出一種適于云南電網(wǎng)的風(fēng)機(jī)一次調(diào)頻折線圖，以及風(fēng)機(jī)參與調(diào)頻的控制策略，通過調(diào)整轉(zhuǎn)子側(cè)控制策略和槳距角控制，使風(fēng)機(jī)在不同風(fēng)速段調(diào)整有功備用量，以達(dá)到一次調(diào)頻的效果。

1 風(fēng)機(jī)一次調(diào)頻參數(shù)整定

新能源電機(jī)與同步機(jī)不同，沒有調(diào)速器進(jìn)行一次調(diào)頻，是通過保留有功備用或配置儲(chǔ)能設(shè)備，并利用相應(yīng)的有功控制系統(tǒng)或加裝獨(dú)立控制裝置來實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻功能[6]。根據(jù)我國對于新能源參與調(diào)頻的技術(shù)規(guī)定，新能源一次調(diào)頻折線函數(shù)[2]如式(1)所示：

式中，f為系統(tǒng)實(shí)際頻率，fN為額定頻率，fd為一次調(diào)頻死區(qū)(設(shè)定0.05Hz)，PN為額定功率，P0為有功功率初值，δ為一次調(diào)頻調(diào)差率(設(shè)定0.02)。

表示為下垂曲線如圖1所示。

圖1 風(fēng)機(jī)一次調(diào)頻下垂曲線

技術(shù)規(guī)定中規(guī)定新能源并網(wǎng)死區(qū)空間為±0.05內(nèi)，調(diào)差率為0.02~0.03，上、下擾幅值不小于10%PN，過頻、低頻頻率斜率定義如式(2)所示：

云南電網(wǎng)頻率越上限情況較多，且鑒于該區(qū)域?qū)τ谛履茉匆淮握{(diào)頻技術(shù)尚未有完善規(guī)定，故在首次應(yīng)用一次調(diào)頻技術(shù)時(shí)，應(yīng)當(dāng)保障風(fēng)機(jī)在可接受調(diào)頻次數(shù)內(nèi)，死區(qū)應(yīng)留有足夠空間，下擾幅值應(yīng)大于10%PN以留有足夠調(diào)頻空間[6]。

根據(jù)式(2)可知，過頻、低頻斜率與調(diào)差率δ呈反比，故可調(diào)整調(diào)差率δ為較大值，減小調(diào)差斜率以風(fēng)機(jī)得以平穩(wěn)調(diào)頻。綜上可對比現(xiàn)有技術(shù)規(guī)定得到云南電網(wǎng)一次調(diào)頻參數(shù)對比表，如表1所示。

表1 云南電網(wǎng)風(fēng)機(jī)調(diào)頻參數(shù)對比

根據(jù)表中數(shù)據(jù)，云南電網(wǎng)風(fēng)機(jī)一次調(diào)頻的下垂曲線可調(diào)整為圖2所示。

圖2 云南電網(wǎng)風(fēng)機(jī)一次調(diào)頻下垂曲線

圖2 可以直觀得到，該調(diào)頻策略對于過頻調(diào)節(jié)更為顯著，有功下限更低，且過頻、低頻斜率更為緩和，適用于云南電網(wǎng)風(fēng)機(jī)調(diào)頻[7-8]，應(yīng)當(dāng)注意的是，該策略為宏觀上的粗略調(diào)整，具體應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況對參數(shù)做出調(diào)整。

2 風(fēng)機(jī)一次調(diào)頻控制實(shí)現(xiàn)策略

目前云南電網(wǎng)廣泛使用的為雙饋異步風(fēng)力機(jī)(Doubly-fed Induction Generator, DFIG)，其控制策略通常將風(fēng)機(jī)變流器部分解耦為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器[9]，且兩者都通過外環(huán)來控制功率和直流電壓，并未具備一次調(diào)頻功能，而風(fēng)機(jī)在云南地區(qū)新能源裝機(jī)容量已十分龐大，風(fēng)機(jī)參與調(diào)頻可極大減緩云南電網(wǎng)的頻率波動(dòng)問題。

2.1 有功備用下的調(diào)頻策略

為使風(fēng)機(jī)參與有功調(diào)節(jié)，需要保留一定的有功裕量，當(dāng)系統(tǒng)頻率下降時(shí)可以提供有功支撐。為減少棄風(fēng)量，當(dāng)前云南電網(wǎng)所安裝的風(fēng)機(jī)組多為最大功率追蹤控制(Maximum Power Point Tracking, MPPT)，這是由于一定風(fēng)速下，槳距角固定時(shí)，風(fēng)機(jī)輸出的最大電磁功率與葉片角速度呈3次方關(guān)系，即：

式中，Pem為最大電磁功率，ωw為風(fēng)機(jī)葉片角速度，ωr為轉(zhuǎn)子角速度，np為極對數(shù)，N為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變比，kw為風(fēng)力機(jī)常數(shù)，與槳距角和葉尖速比相關(guān)。

綜上所述，風(fēng)機(jī)的有功變化可由轉(zhuǎn)速不同進(jìn)行分段控制，圖3為云南電網(wǎng)所用某型號(hào)風(fēng)機(jī)全轉(zhuǎn)速運(yùn)行曲線。

圖3 風(fēng)機(jī)有功-轉(zhuǎn)速曲線

圖3 中紅色實(shí)線為MPPT下風(fēng)機(jī)有功隨轉(zhuǎn)速變化曲線，0AB段為低風(fēng)速下風(fēng)機(jī)啟動(dòng)階段，BC段即為式(3)所示最大功率追蹤區(qū)，CD段為轉(zhuǎn)速恒定區(qū)，控制轉(zhuǎn)子側(cè)變流器使風(fēng)機(jī)保持額定轉(zhuǎn)速，D段為功率恒定區(qū)，通過控制槳距角達(dá)到恒轉(zhuǎn)速下的額定功率。容易得出，此模式可使風(fēng)機(jī)保持在功率最優(yōu)輸出，但由于有功滿發(fā)，無法參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)。

圖3 中黑色虛線為一種超速減載控制[8]，即在確定風(fēng)速下總使風(fēng)機(jī)處于較高轉(zhuǎn)速，使風(fēng)機(jī)總處于有功欠發(fā)狀態(tài)，以此保留有功裕量，完成一次調(diào)頻?？紤]圖2中頻率下擾幅值為10%PN，則可調(diào)整曲線基于MPPT向下偏移0.1 pu，且在功率恒定時(shí)調(diào)節(jié)槳距角與轉(zhuǎn)子側(cè)變流器，使有功穩(wěn)定在0.9 pu，作為系統(tǒng)頻率下降時(shí)的有功支撐。同時(shí)，風(fēng)機(jī)應(yīng)能正常啟動(dòng)，考慮圖2中頻率上擾幅值為20%PN，應(yīng)保留風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后0.2 pu有功量，以使風(fēng)機(jī)在系統(tǒng)頻率上升時(shí)仍有有功備用。綜上，風(fēng)機(jī)可調(diào)功率為圖3中兩塊陰影部分之和。

超速減載下曲線的表達(dá)式即為：

式 中，ωA、ωB、ωC、ωD為ABCD點(diǎn) 所 對應(yīng)的轉(zhuǎn)速；ws為超速減載切入轉(zhuǎn)速，可根據(jù)式(3)與調(diào)頻上擾幅值計(jì)算得到，本文所用風(fēng)機(jī)模型ws≈0.9 pu；k1、k2為AB段與CD段的斜率，一般接近1；PB為B點(diǎn)對應(yīng)的有功值。

綜上，當(dāng)風(fēng)速大于ws時(shí)，風(fēng)機(jī)開始參與調(diào)頻，由式(1)以及表1所確定的云南電網(wǎng)一次調(diào)頻標(biāo)準(zhǔn)，在此有功備用策略基礎(chǔ)上可得到適于云南電網(wǎng)風(fēng)機(jī)一次調(diào)頻控制如圖4所示。

圖4 云南電網(wǎng)風(fēng)機(jī)一次調(diào)頻控制策略

圖4 中，wrn為風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速，DP作為調(diào)頻附加量，需令式(1)中的P0=0，由此結(jié)合超速減載使風(fēng)機(jī)協(xié)同其它發(fā)電機(jī)組參與系統(tǒng)的一次調(diào)頻。

2.2 虛擬慣量控制策略

一次調(diào)頻無法完全滿足風(fēng)機(jī)參與系統(tǒng)調(diào)頻時(shí)的響應(yīng)速度，傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)由于本身在原動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下有著恒定的轉(zhuǎn)速，當(dāng)系統(tǒng)頻率不穩(wěn)定時(shí)，轉(zhuǎn)子在慣性作用下迅速對系統(tǒng)做出反應(yīng)，利用其旋轉(zhuǎn)動(dòng)能發(fā)出或吸收多余的有功功率，以此提高系統(tǒng)穩(wěn)定性[10-11]。

同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速下的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能為。

式中，Es為同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，wn為同步轉(zhuǎn)速。

同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速處于恒定狀態(tài)，一般在0.95~1.0 pu波動(dòng)，根據(jù)式(5)則可得出同步電機(jī)所利用的轉(zhuǎn)子動(dòng)能為：

由式(6)可知，同步發(fā)電機(jī)正常狀態(tài)下利用了9.75%的額定轉(zhuǎn)子動(dòng)能便可提供較大的慣性作用[12-13]。

雙饋異步風(fēng)機(jī)不同于同步發(fā)電機(jī)，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速由風(fēng)速和轉(zhuǎn)矩角決定，其AC-DC-AC變流器可向其轉(zhuǎn)子側(cè)提供旋轉(zhuǎn)磁場，以此補(bǔ)足轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速，故其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速范圍較大，約為0.7~1.2 pu，考慮超速減載切入轉(zhuǎn)速為0.9 pu，則此時(shí)風(fēng)機(jī)仍可利用動(dòng)能為：

由式(7)可知，風(fēng)機(jī)可利用63%的額定轉(zhuǎn)子動(dòng)能，而傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)控制由于使用解耦結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)頻率互不相干，因此未能利用其充足的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

功率與動(dòng)能為微分關(guān)系，則風(fēng)機(jī)利用轉(zhuǎn)子動(dòng)能發(fā)出有功功率為：

引入慣性常數(shù)H，則有：

式中，Swn為風(fēng)機(jī)額定視在功率，wrn為轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速。

將式(9)代入式(8)，則有：

由此，將式(10)中各量表示為標(biāo)幺值，即為

為模擬同步電機(jī)相應(yīng)系統(tǒng)頻率波動(dòng)的特性，需要將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整為系統(tǒng)頻率，即：

式中，kd為慣性系數(shù)。

由式(12)可知，虛擬慣量實(shí)際可轉(zhuǎn)化為頻率波動(dòng)的微分控制，通過微分快速捕捉頻率變化的趨勢，并通過比例轉(zhuǎn)化為有功量，由此控制風(fēng)機(jī)多發(fā)或少發(fā)功率，以達(dá)到快速響應(yīng)的目的。

結(jié)合超速減載下的一次調(diào)頻控制，可將虛擬慣量視為另一組附加控制量，在一次調(diào)頻控制基礎(chǔ)上并入，其控制框圖如圖5所示。

圖5 虛擬慣量控制結(jié)構(gòu)

由圖5可知，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速處于超速減載范圍時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器有功外環(huán)參考值為：

2.3 全風(fēng)速下的協(xié)調(diào)控制策略

通過以上分析可知，當(dāng)風(fēng)機(jī)處于超速減載切入轉(zhuǎn)速ws前，風(fēng)機(jī)應(yīng)工作于MPPT模式以完成風(fēng)機(jī)的正常啟動(dòng)與運(yùn)行[14-15]。而當(dāng)風(fēng)機(jī)處于切入轉(zhuǎn)速ws后，則啟動(dòng)超速減載下的一次調(diào)頻與虛擬慣性控制，使風(fēng)機(jī)參與系統(tǒng)的一次調(diào)頻。

除此之外，還需在風(fēng)機(jī)達(dá)到額定風(fēng)速時(shí)進(jìn)行槳距角b的控制，使風(fēng)機(jī)工作于額定轉(zhuǎn)速，此時(shí)控制策略如圖6所示。

圖6 槳距角控制結(jié)構(gòu)

綜上，可根據(jù)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速制定合理的控制策略，使風(fēng)機(jī)在不同工況時(shí)得以穩(wěn)定工作，其控制結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 風(fēng)機(jī)全轉(zhuǎn)速控制流程

3 仿真分析

本文建立四機(jī)兩區(qū)系統(tǒng)作為研究基礎(chǔ)，將參與調(diào)頻的風(fēng)機(jī)組以大容量風(fēng)機(jī)模型代替，通過將控制策略運(yùn)用于風(fēng)機(jī)模型對本文所提出的控制策略進(jìn)行驗(yàn)證，系統(tǒng)連接模型如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)模型連接圖

由圖8可看出，模型中風(fēng)機(jī)組連接在區(qū)域1上，通過改進(jìn)風(fēng)機(jī)中轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和槳距角控制策略，完成風(fēng)機(jī)參與調(diào)頻的功能。

通過改變風(fēng)速來測試風(fēng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的參與調(diào)頻情況，通過改變區(qū)域1相連接的負(fù)載來改變系統(tǒng)頻率，觀察風(fēng)機(jī)調(diào)頻能力和虛擬慣量響應(yīng)速度。

3.1 風(fēng)速變化下的風(fēng)機(jī)響應(yīng)

根據(jù)本文中的分析以及對控制策略的設(shè)計(jì)，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于調(diào)頻切入轉(zhuǎn)速ws時(shí)，風(fēng)機(jī)保持最初MPPT模式，有功以圖3中紅線為基準(zhǔn)，風(fēng)機(jī)不參與調(diào)頻功能，一次調(diào)頻和虛擬慣量都不啟動(dòng)；而當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于調(diào)頻切入轉(zhuǎn)速ws，風(fēng)機(jī)工作于超速減載控制，參與系統(tǒng)一次調(diào)頻，并啟動(dòng)虛擬慣量控制以加快響應(yīng)速度；當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到上限時(shí)，則啟動(dòng)槳距角控制，以使風(fēng)機(jī)正常工作。

因此，設(shè)置風(fēng)速從30 s開始以初始風(fēng)速7 m/s勻速增加到70 s，此時(shí)風(fēng)速為14 m/s，在此過程中負(fù)載保持恒定，虛擬慣量不參與調(diào)頻，則可得到圖9所示仿真結(jié)果。

圖9 中(a)為系統(tǒng)頻率變化圖，(b)為槳距角變化圖，(c)為風(fēng)機(jī)發(fā)出有功變化，(d)為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化。

圖9 風(fēng)速變化下風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)

結(jié)合圖(a)和(d)可知，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在0.9 pu以下時(shí)，風(fēng)機(jī)工作在MPPT模式，此時(shí)無論有無接入調(diào)頻控制，都不影響風(fēng)機(jī)發(fā)出最大有功；而當(dāng)轉(zhuǎn)速高于0.9 pu時(shí)，由于系統(tǒng)頻率偏高，此時(shí)若接入調(diào)頻控制，則風(fēng)機(jī)立刻啟動(dòng)一次調(diào)頻功能，發(fā)出有功迅速下降，從圖(c)中可以看出，有功較MPPT模式下降了約200MW，而系統(tǒng)頻率也從50.5下降至50.4以下；結(jié)合圖(b)和(d)可知，轉(zhuǎn)速高于1.2 pu時(shí)，槳距角開始升高，且從圖(d)中可以看出，超速減載將節(jié)省的有功儲(chǔ)存在了轉(zhuǎn)子動(dòng)能中，因此較MPPT模式更早達(dá)到1.2 pu。

3.2 慣性系數(shù)對虛擬慣量的作用

從式(12)可看出，影響虛擬慣量作用的為慣性系數(shù)kd。向風(fēng)機(jī)輸送恒定風(fēng)速，令負(fù)荷在30 s時(shí)減少400 MW，于50 s時(shí)恢復(fù)；在70 s時(shí)增加400 MW，于90 s時(shí)恢復(fù)，則可得到圖10所示的頻率和風(fēng)機(jī)有功變化。

圖10 負(fù)荷變化下慣性系數(shù)對調(diào)頻影響

從圖10中可以看出當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，風(fēng)機(jī)有功在一次調(diào)頻和虛擬慣量作用下發(fā)生了變化，當(dāng)負(fù)荷減小時(shí)，系統(tǒng)頻率升高，風(fēng)機(jī)立即調(diào)整有功下降，以防止頻率越限，負(fù)荷升高時(shí)則反向變化。

從圖中亦可得知，在不同的慣性系數(shù)下，風(fēng)機(jī)對于調(diào)頻的響應(yīng)速度也不同，慣性系數(shù)kd越大，風(fēng)機(jī)反應(yīng)越快。當(dāng)kd=0時(shí)，風(fēng)機(jī)過渡較為圓滑，但響應(yīng)速度稍慢；當(dāng)kd=8時(shí)，風(fēng)機(jī)有功開始出現(xiàn)超調(diào)量，隨反應(yīng)速度快，但其超調(diào)量不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，通過仿真觀察可以得知，本文所用風(fēng)機(jī)模型在慣性系數(shù)處于4~8間時(shí)，更為合適。

3.3 實(shí)況下的調(diào)頻測試

基于以上測試，可以驗(yàn)證本文所制定的控制策略對于風(fēng)機(jī)參與調(diào)頻有一定的效果。然而，實(shí)際生活中，風(fēng)速本身具有不確定性，負(fù)荷波動(dòng)也難以精準(zhǔn)預(yù)測，由此，可在仿真中設(shè)置負(fù)荷較大幅度的波動(dòng)，并向風(fēng)機(jī)提供如圖11所示的隨機(jī)風(fēng)速，以此驗(yàn)證該控制策略的實(shí)用性。

圖11 隨機(jī)風(fēng)速波動(dòng)圖

在此風(fēng)速波動(dòng)下，系統(tǒng)的頻率和風(fēng)機(jī)的有功功率變化如圖12所示。

圖12 實(shí)況下系統(tǒng)頻率與風(fēng)機(jī)功率變化

從圖12中可以看出，在波動(dòng)的風(fēng)速與負(fù)荷下，風(fēng)機(jī)可以向系統(tǒng)提供一部分功率，使系統(tǒng)頻率得到一定的控制，且該策略對于類似云南電網(wǎng)頻率越上限的情況有著較好的抑制效果，由此，驗(yàn)證本文所述風(fēng)機(jī)一次調(diào)頻控制策略可以用于實(shí)地進(jìn)行進(jìn)一步測試研究。

應(yīng)當(dāng)注意的是，本文所述參數(shù)整定結(jié)果并不一定適用于當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)機(jī)組，具體情況還需結(jié)合當(dāng)期特點(diǎn)進(jìn)一步改進(jìn)。

4 結(jié)束語

本文通過分析云南電網(wǎng)新能源調(diào)頻現(xiàn)狀，提煉云南電網(wǎng)所存在的問題，進(jìn)一步提出云南電網(wǎng)新能源調(diào)頻所需要的功能，本文所做的分析與驗(yàn)證，可歸納為以下幾點(diǎn)：

1）通過研究國家所規(guī)定的新能源一次調(diào)頻技術(shù)規(guī)范，在其基礎(chǔ)上提出了適于云南電網(wǎng)風(fēng)機(jī)組的下垂曲線，并對其中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了分析整定；

2）利用超速減載控制，結(jié)合分析得出的調(diào)頻曲線，為風(fēng)機(jī)制定減載曲線，結(jié)合一次調(diào)頻控制提出了基本的調(diào)頻策略；

3）在一次調(diào)頻基礎(chǔ)上引入了虛擬慣量控制，通過分析與推導(dǎo)，得出虛擬慣量控制結(jié)構(gòu)，并對于全風(fēng)速段下的分段控制制定了流程圖；

4）通過仿真分別驗(yàn)證了全風(fēng)速段的分段控制，一次調(diào)頻和虛擬慣量的作用，并通過設(shè)置隨機(jī)風(fēng)速與負(fù)荷波動(dòng)，以模擬風(fēng)機(jī)在實(shí)況中的調(diào)頻情況，經(jīng)過仿真驗(yàn)證，風(fēng)機(jī)可以在一定程度上對系統(tǒng)頻率進(jìn)行補(bǔ)償控制。