基于改進(jìn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和槳距角協(xié)調(diào)控制的變速風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻策略

彭海濤，何 山，2，袁 至，2，陳 潔，2，董新勝，徐立軍

（1.新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830017；2.可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)控制教育部工程研究中心，新疆 烏魯木齊 830017；3.國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830011；4.新疆工程學(xué)院 新疆煤礦機(jī)電工程技術(shù)研究中心，新疆 烏魯木齊 830023）

0 引言

隨著風(fēng)電滲透率的不斷升高，電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定面臨極大挑戰(zhàn)［1-2］。一方面，與傳統(tǒng)同步機(jī)組相比，變速風(fēng)電機(jī)組通過電力電子裝置接入電網(wǎng)［3］，提供更低的慣性，高滲透率風(fēng)電接入電網(wǎng)會(huì)弱化系統(tǒng)的等效慣性并降低系統(tǒng)一次、二次調(diào)頻能力；另一方面，風(fēng)電出力的隨機(jī)波動(dòng)增加了功率不平衡事件的發(fā)生，系統(tǒng)頻率特性進(jìn)一步惡化，尤其是大規(guī)模、集中式風(fēng)電接入弱送端電網(wǎng)下的頻率穩(wěn)定問題凸顯［4-5］。因此，對(duì)風(fēng)電進(jìn)行必要的控制，使其參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)就顯得不可或缺。

目前，針對(duì)變速風(fēng)電機(jī)組參與電網(wǎng)頻率控制的研究主要從慣性控制、儲(chǔ)能控制以及減載控制3 個(gè)方面展開。慣性控制能夠模擬傳統(tǒng)同步機(jī)組的慣性響應(yīng)能力，阻尼系統(tǒng)頻率過快變化，機(jī)組以最大功率點(diǎn)跟蹤模式運(yùn)行，釋放旋轉(zhuǎn)動(dòng)能提供短時(shí)功率支撐，提高系統(tǒng)慣性響應(yīng)能力。文獻(xiàn)［6］提出了一種綜合頻率調(diào)節(jié)方案，有效地改善頻率支撐不足問題。該控制方案建立了轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)動(dòng)能和系統(tǒng)頻率間的耦合關(guān)系，但只能提供短時(shí)功率支撐，無法預(yù)留足夠的功率備用參與系統(tǒng)一次頻率調(diào)節(jié)，且風(fēng)電機(jī)組退出調(diào)頻后，可能導(dǎo)致系統(tǒng)頻率二次跌落［7］。儲(chǔ)能系統(tǒng)具有響應(yīng)快速、控制靈活等特點(diǎn)，在風(fēng)電機(jī)組或風(fēng)電場(chǎng)配置一定容量的儲(chǔ)能［8］，可彌補(bǔ)高滲透率風(fēng)電接入帶來的功率不平衡問題。文獻(xiàn)［9］提出了一種基于儲(chǔ)能技術(shù)的風(fēng)電場(chǎng)虛擬慣量補(bǔ)償策略，避免了頻率二次跌落現(xiàn)象發(fā)生。文獻(xiàn)［10］提出在風(fēng)電機(jī)組直流母線上并聯(lián)超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置，提高系統(tǒng)的慣量支撐和一次調(diào)頻能力。上述方案可以較好地輔助風(fēng)電參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)，但需要綜合考慮風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行工況、儲(chǔ)能裝置荷電狀態(tài)等因素，計(jì)算過程較為復(fù)雜，且受制于儲(chǔ)能裝置高成本的限制。

變速風(fēng)電機(jī)組可以通過減載控制預(yù)留功率裕度以協(xié)助目標(biāo)頻率恢復(fù)，其控制方法主要包括轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制、槳距角控制、協(xié)調(diào)控制等。文獻(xiàn)［11］設(shè)計(jì)了一種等效轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速減載曲線，改善系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性。文獻(xiàn)［12-13］提出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與變槳相結(jié)合的減載控制策略，引入風(fēng)電機(jī)組靜調(diào)差系數(shù)參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)［14］提出一種變系數(shù)控制策略，減小風(fēng)速波動(dòng)和負(fù)荷擾動(dòng)對(duì)虛擬慣性環(huán)節(jié)的影響。盡管上述控制方案能提供持續(xù)的功率支撐，但轉(zhuǎn)子減速引起的頻率響應(yīng)衰減意味著風(fēng)電機(jī)組無法實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功頻靜特性，機(jī)組穩(wěn)態(tài)頻率響應(yīng)為非線性，且難以預(yù)測(cè)，可能導(dǎo)致系統(tǒng)中多臺(tái)發(fā)電機(jī)組出力分配不均。針對(duì)此不足，文獻(xiàn)［15］引入槳距角靜調(diào)差系數(shù)，使風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻具有線性頻率下垂響應(yīng)特性，但由于變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)為機(jī)械部件，提升有功出力的響應(yīng)速度相對(duì)緩慢，頻繁的槳距角調(diào)節(jié)不可避免地增加了機(jī)組疲勞載荷，縮短使用壽命。

綜上所述，目前變速風(fēng)電機(jī)組減載控制研究多側(cè)重于調(diào)整控制系數(shù)以提高頻率調(diào)節(jié)能力，使機(jī)組盡最大可能參與調(diào)頻，優(yōu)化系統(tǒng)頻率擾動(dòng)極值，但忽略了功率跟蹤方法對(duì)頻率響應(yīng)的影響，極少考慮滿足系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性要求的一次調(diào)頻控制方案。針對(duì)以上問題與不足，本文在分析不同功率跟蹤方法對(duì)頻率響應(yīng)影響的基礎(chǔ)上，提出一種改進(jìn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和槳距角協(xié)調(diào)控制的一次調(diào)頻策略，為風(fēng)電機(jī)組預(yù)留功率裕度和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)頻需求提供解決方案，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制無法滿足功率裕度需求時(shí)，引入槳距角調(diào)差系數(shù)，充分利用轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制的優(yōu)越性，降低機(jī)組疲勞載荷，使其具備與傳統(tǒng)同步機(jī)組相似的功頻靜特性，提高其參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)服務(wù)的一致性和可預(yù)測(cè)性。

1 風(fēng)電機(jī)組減載控制策略

目前主流變速恒頻風(fēng)電機(jī)組包括雙饋型和直驅(qū)型2 種，雖然兩者的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理不同，但在變流器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和功率控制策略方面相似，分別通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)和電網(wǎng)側(cè)變流器實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，提高風(fēng)能利用效率。變速風(fēng)電機(jī)組通過改變自身有功功率輸出，預(yù)留調(diào)頻所需功率裕度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)一次頻率調(diào)節(jié)，其控制方法主要包括轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制和槳距角控制。風(fēng)電機(jī)組減載控制原理圖如附錄A圖A1所示。

1.1 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制是利用轉(zhuǎn)子加、減速，使風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行于非最大功率點(diǎn)跟蹤模式，通過將轉(zhuǎn)速從最優(yōu)轉(zhuǎn)速ω0提高到ω1或減少到ω2來改變風(fēng)能捕獲系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組減載控制，但升葉尖速比方案優(yōu)于降葉尖速比方案，原因如下：

1）升葉尖速比方案控制轉(zhuǎn)子加速使葉尖速比λ增大，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行于功率系數(shù)Cp的穩(wěn)定部分，當(dāng)采用降葉尖速比方案時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定性可能會(huì)下降［16］；

2）風(fēng)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受到嚴(yán)格控制，轉(zhuǎn)速過低可能導(dǎo)致機(jī)組停轉(zhuǎn)，而升葉尖速比方案的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量?jī)?chǔ)存了更多的動(dòng)能，可快速參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)。

1.2 槳距角控制

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制響應(yīng)速度快，但受到最大轉(zhuǎn)速的限制，存在控制盲區(qū)，當(dāng)風(fēng)速超出額定風(fēng)速后，需要進(jìn)一步采用槳距角控制實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組減載控制。如附錄A 圖A1 所示，在同一初始風(fēng)速v0下，通過變槳調(diào)節(jié)將槳距角從初始值β0增加到β1來實(shí)現(xiàn)同樣的減載運(yùn)行。槳距角控制提供頻率調(diào)節(jié)的主要缺點(diǎn)是變槳系統(tǒng)響應(yīng)速度較慢，頻繁的槳距角動(dòng)作容易造成機(jī)械裝置磨損，從而縮短風(fēng)電機(jī)組使用壽命。

1.3 疲勞載荷分析

風(fēng)電機(jī)組參與一次調(diào)頻可改善系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性，然而風(fēng)電機(jī)組屬于疲勞器械，參與調(diào)頻需要頻繁改變有功出力來主動(dòng)響應(yīng)頻率的變化，將導(dǎo)致機(jī)組的槳距角和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩頻繁動(dòng)作，增加疲勞損傷，縮短風(fēng)電機(jī)組使用壽命。風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻過程中產(chǎn)生的疲勞損傷主要包括以下2 類［17］：一類是傳動(dòng)軸形變扭矩Ts，風(fēng)電機(jī)組主軸將承受由有功出力變化而引起的疲勞載荷，轉(zhuǎn)矩的不平衡狀況將導(dǎo)致材料微裂紋積累；另一類是塔筒底部彎矩MT，風(fēng)輪平面?zhèn)鬟f至塔筒的水平循環(huán)推力會(huì)引起塔筒振動(dòng)，而在風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻過程中可能會(huì)加大該振幅。

根據(jù)文獻(xiàn)［18］，Ts可以通過傳動(dòng)軸形變量θs和剛度Ks表示，即：

式中：ωr和ωg分別為風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速；ηg為齒輪箱增速比。MT可通過計(jì)算風(fēng)電機(jī)組軸向推力系數(shù)Ct近似求得：

式中：R為風(fēng)輪半徑；ρ為空氣密度；v為風(fēng)輪輪廓中心水平風(fēng)速；λ為葉尖速比；β為槳距角；Ht為塔筒高度。

2 減載控制下一次調(diào)頻特性分析

考慮到不同減載控制方式的特點(diǎn)，風(fēng)電機(jī)組在中、低風(fēng)速下優(yōu)先通過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制預(yù)留功率裕度；當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制無法滿足功率裕度需求時(shí)，進(jìn)一步采用槳距角控制，協(xié)助轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制共同為系統(tǒng)提供功率支撐。2 種控制方法的頻率響應(yīng)特性不同，下文將分析兩者對(duì)系統(tǒng)頻率響應(yīng)的影響。

2.1 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制下風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻響應(yīng)分析

頻率下垂控制可以集成至轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制器中，模擬傳統(tǒng)同步機(jī)組一次調(diào)頻響應(yīng)能力。傳統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)方案產(chǎn)生的有功功率響應(yīng)取決于所采用的功率跟蹤方法，商業(yè)風(fēng)電機(jī)組最常用的2 種功率跟蹤方法分別為轉(zhuǎn)矩控制和功率信號(hào)反饋［19］。目前大量研究集中于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制技術(shù)的機(jī)組短期頻率響應(yīng)方面［20］，未考慮功率跟蹤方法對(duì)一次調(diào)頻響應(yīng)的影響，下面將分析不同功率跟蹤方法對(duì)基于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制的風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻響應(yīng)的影響。

2.1.1 轉(zhuǎn)矩控制

轉(zhuǎn)矩控制中，轉(zhuǎn)速參考值ωref通過測(cè)量風(fēng)電機(jī)組的有功輸出以及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速-功率參考跟蹤特性曲線產(chǎn)生，轉(zhuǎn)速誤差εω經(jīng)過比例積分（proportional integral，PI）控制器，得到轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)Tref。通過對(duì)轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)Tref或功率跟蹤基準(zhǔn)P*ref附加頻率下垂控制，進(jìn)而釋放轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)動(dòng)能為系統(tǒng)提供功率支撐?？刂瓶驁D和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速-功率參考跟蹤特性曲線見附錄A 圖A2。在下垂控制作用下，風(fēng)電機(jī)組電磁功率增加，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速由初始位置A點(diǎn)向B點(diǎn)減速，其轉(zhuǎn)速參考值ωref（由于有功輸出的增加而增大）與測(cè)量轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωr（由于電磁轉(zhuǎn)矩大于機(jī)械轉(zhuǎn)矩而減?。┲g的轉(zhuǎn)速誤差εω將導(dǎo)致P*ref減小，直至轉(zhuǎn)子加速恢復(fù)至初始位置A點(diǎn)轉(zhuǎn)速ωrA（該過程中假設(shè)調(diào)頻期間風(fēng)速不變）。

由上述分析可知，使用轉(zhuǎn)矩控制實(shí)現(xiàn)功率跟蹤時(shí)，比例積分控制器通過對(duì)轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)Tref的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωr的無差調(diào)節(jié)，即使風(fēng)電機(jī)組通過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制預(yù)留功率裕度，ωr在頻率支撐階段（有功功率輸出增加階段）將自動(dòng)恢復(fù)，機(jī)組最終維持在初始運(yùn)行狀態(tài)，無法提供穩(wěn)態(tài)有功功率支撐。

2.1.2 功率信號(hào)反饋

2.2 槳距角控制下風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻響應(yīng)分析

槳距角控制中，風(fēng)電機(jī)組通過減小槳距角β，增加有功功率輸出，從而參與系統(tǒng)一次頻率調(diào)節(jié)。功率跟蹤曲線見附錄A 圖A4。不同于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制，槳距角控制器集成的頻率下垂控制可以提供線性穩(wěn)態(tài)頻率響應(yīng)，原因在于槳距角控制和下垂控制之間不存在交互影響。當(dāng)系統(tǒng)頻率變化時(shí)，通過調(diào)節(jié)槳距角來降低風(fēng)輪葉片捕獲的機(jī)械功率，使風(fēng)電機(jī)組具備與傳統(tǒng)同步機(jī)組相似的功頻靜特性。槳距角靜調(diào)差系數(shù)σβ可以表示為：

式中：Δf為系統(tǒng)頻率偏差；ΔPw為風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻出力。

3 全風(fēng)況下風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻控制策略

下面提出一種風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻控制策略，不受功率跟蹤方法的影響，在全風(fēng)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組靜調(diào)差系數(shù)的整定，中、低風(fēng)速下無需啟動(dòng)槳距角控制，可以方便地集成至使用轉(zhuǎn)矩控制或功率信號(hào)反饋功率跟蹤的風(fēng)電機(jī)組中。

3.1 改進(jìn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制

變速風(fēng)電機(jī)組所捕獲的機(jī)械功率Pm可表示為：

式中：Ktrack為功率跟蹤系數(shù)。

改進(jìn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制基于功率跟蹤系數(shù)Ktrack調(diào)整主動(dòng)響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化，通過采用較大的葉尖速比計(jì)算Ktrack，在實(shí)現(xiàn)升葉尖速比的同時(shí)，預(yù)留調(diào)頻所需功率裕度，不同功率跟蹤方法的控制框圖如附錄A圖A5所示。當(dāng)系統(tǒng)有功需求變化時(shí)，功率跟蹤曲線通過調(diào)整Ktrack，保證其與系統(tǒng)頻率偏差Δf成比例變化，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻響應(yīng)，風(fēng)能利用系數(shù)Cp_req定義為：

式中：λ1、λ2分別為任意風(fēng)電機(jī)組1、2的葉尖速比。

所提改進(jìn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制方案的工作原理圖如圖1 所示。圖中：Kopt為最優(yōu)功率跟蹤系數(shù)。在低頻事件發(fā)生之前，風(fēng)電機(jī)組根據(jù)減載后的功率跟蹤曲線運(yùn)行于A點(diǎn)，提供調(diào)頻所需功率裕度。當(dāng)發(fā)生低頻事件時(shí)，負(fù)頻率偏差(-Δf)導(dǎo)致跟蹤曲線向左偏移，增加機(jī)組有功功率輸出，一次調(diào)頻響應(yīng)期間機(jī)組電磁轉(zhuǎn)矩大于機(jī)械轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一直保持減速，直至系統(tǒng)頻率趨于穩(wěn)定，此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩等于機(jī)械轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速趨于B點(diǎn)穩(wěn)定。無論采用轉(zhuǎn)矩控制或功率信號(hào)反饋，當(dāng)工作于B點(diǎn)時(shí)，功率誤差εp和轉(zhuǎn)速誤差εω都為0，滿足系統(tǒng)一次調(diào)頻需求。當(dāng)二次備用和三次備用被調(diào)度，系統(tǒng)頻率恢復(fù)至額定值（50 Hz）時(shí)，正頻率偏差(Δf)使功率跟蹤曲線向右偏移，機(jī)組功率裕度恢復(fù)至初始值。圖1 中的紅線和藍(lán)線分別顯示了低頻事件期間風(fēng)電機(jī)組頻率響應(yīng)軌跡和轉(zhuǎn)速恢復(fù)軌跡。

圖1 所提改進(jìn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制方案的工作原理圖Fig.1 Working principle diagram of proposed improved rotor speed control scheme

3.2 槳距角控制

在高風(fēng)速下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速ωlim時(shí)，風(fēng)電機(jī)組不具備調(diào)頻所需功率裕度，此時(shí)需要進(jìn)一步采用槳距角控制實(shí)現(xiàn)機(jī)組減載運(yùn)行。本文所提變槳頻率控制結(jié)構(gòu)如圖2 所示。圖中：βref為風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行于功率恒定區(qū)時(shí)的槳距角參考值；βrefmax、βrefmin分別為βref的最大值、最小值；Pw為風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際有功輸出；Tβ為槳距角調(diào)節(jié)器時(shí)間常數(shù)；fN為系統(tǒng)額定頻率；Δω為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速偏差。不同風(fēng)速、不同減載系數(shù)下所提變槳頻率控制結(jié)構(gòu)整定的預(yù)留槳距角如附錄A 圖A6 所示。變槳頻率控制器通過查表得到預(yù)留槳距角β0，整定出槳距角靜調(diào)差系數(shù)σβ，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)頻率起到調(diào)節(jié)作用，分擔(dān)系統(tǒng)不平衡功率，槳距角控制方程可表示為：

圖2 變槳頻率控制結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of frequency control based on variable pitch

式中：Kpw、Kiw分別為變槳頻率控制器比例、積分系數(shù)；βf為調(diào)頻控制產(chǎn)生的參考槳距角。

3.3 改進(jìn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和槳距角協(xié)調(diào)控制的一次調(diào)頻策略

綜上所述，基于改進(jìn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與槳距角協(xié)調(diào)控制的一次調(diào)頻控制框圖如圖3 所示。圖中：Pe為風(fēng)電機(jī)組的電磁功率。當(dāng)風(fēng)電功率過剩或需要風(fēng)電機(jī)組主動(dòng)參與系統(tǒng)一次調(diào)頻時(shí)，風(fēng)電機(jī)組得到減載指令，將不再運(yùn)行于最大功率點(diǎn)跟蹤模式，其控制決策系統(tǒng)接收來自風(fēng)電場(chǎng)調(diào)度層的減載系數(shù)d、風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際有功輸出Pw、風(fēng)速v、轉(zhuǎn)速靜調(diào)差系數(shù)σω、槳距角靜調(diào)差系數(shù)σβ等參數(shù)，根據(jù)測(cè)量的轉(zhuǎn)速判斷選擇切換3.1 節(jié)及3.2 節(jié)提出的控制策略，在額定轉(zhuǎn)速以下采用改進(jìn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制，在額定轉(zhuǎn)速以上采用槳距角控制。風(fēng)電機(jī)組的輸出功率保持在一個(gè)恒定區(qū)域，并留有一定的功率儲(chǔ)備，保證只有風(fēng)電機(jī)組超過額定轉(zhuǎn)速時(shí)，槳距角才發(fā)生動(dòng)作，使風(fēng)電機(jī)組具備與傳統(tǒng)同步機(jī)組相似的功頻靜特性，進(jìn)而協(xié)助轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制共同為系統(tǒng)提供功率支撐。

所提策略充分考慮了風(fēng)電機(jī)組的調(diào)頻能力，根據(jù)各自的特點(diǎn)將轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制和槳距角控制相結(jié)合，預(yù)留調(diào)頻所需功率裕度，消除功率跟蹤方法與下垂控制間的交互影響，滿足電網(wǎng)一次調(diào)頻控制要求，改善風(fēng)電機(jī)組的調(diào)頻特性，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組像傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)組一樣具備下垂特性。其控制流程如附錄A圖A7所示。具體控制步驟如下：

1）當(dāng)風(fēng)電機(jī)組接收到減載控制指令時(shí)，獲取相應(yīng)的減載系數(shù)d、轉(zhuǎn)速靜調(diào)差系數(shù)σω和槳距角靜調(diào)差系數(shù)σβ，同時(shí)測(cè)量系統(tǒng)頻率偏移Δf和風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωr；

2）判斷系統(tǒng)頻率偏移的絕對(duì)值|Δf|是否超過調(diào)頻死區(qū)Δfd，其中設(shè)定Δfd=0.03 Hz，若是，則Δf=Δfd，否則Δf=0；

3）若轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速小于額定轉(zhuǎn)速ωlim，則風(fēng)電機(jī)組采用改進(jìn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制參與系統(tǒng)一次調(diào)頻，若轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于額定轉(zhuǎn)速，則采用槳距角控制，使風(fēng)電機(jī)組具備一次頻率調(diào)節(jié)能力。

4 算例分析

采用雙饋風(fēng)電機(jī)組驗(yàn)證所提控制策略的有效性，在MATLAB／Simulink搭建如附錄B圖B1所示的兩區(qū)域4機(jī)系統(tǒng)，對(duì)改進(jìn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與槳距角協(xié)調(diào)參與電網(wǎng)一次調(diào)頻進(jìn)行仿真分析。圖中：G1為有160 臺(tái)1.5 MW 雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)組的風(fēng)電場(chǎng)；G2—G4均為具有一次調(diào)頻的火電廠（容量均為900 MW）；系統(tǒng)負(fù)荷L1、L2均為有功負(fù)荷，容量為800 MW；系統(tǒng)其余參數(shù)如附錄B表B1所示。

4.1 不同減載策略疲勞載荷分析

本節(jié)主要分析不同減載控制策略對(duì)機(jī)組疲勞載荷及損傷等效載荷（damage equivalent load，DEL）的影響，機(jī)組建模采用NREL-5 MW 模型，仿真實(shí)驗(yàn)中湍流風(fēng)、疲勞載荷計(jì)算基于SimWindFarm工具箱完成。

4.1.1 平均風(fēng)速8 m／s

附錄B 圖B2 為平均風(fēng)速8 m／s（湍流強(qiáng)度設(shè)為0.06，風(fēng)速低于額定風(fēng)速）時(shí)不同控制策略對(duì)機(jī)組狀態(tài)的影響。由圖B2（a）可見，槳距角控制、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制和本文所提控制策略均可有效實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組減載運(yùn)行，為系統(tǒng)提供持續(xù)的功率支撐。由圖B2（b）—（d）可知，所提控制策略下Ts的變化幅度下降明顯，對(duì)MT而言，槳距角控制以降葉尖速比運(yùn)行，有效減緩風(fēng)電機(jī)組MT的波動(dòng)狀況。

為進(jìn)一步對(duì)比不同控制策略下風(fēng)電機(jī)組疲勞載荷，本文對(duì)機(jī)組Ts、MT進(jìn)行雨流循環(huán)計(jì)數(shù)分析和DEL 計(jì)算，不同減載策略Ts、MT雨流循環(huán)統(tǒng)計(jì)的二元直方圖以及DEL 分別如附錄B 圖B3 —B5 所示。對(duì)Ts而言，所提控制策略疲勞載荷均值和幅值明顯降低，DEL 最小。這說明在低風(fēng)速段下所提控制策略對(duì)風(fēng)電機(jī)組的Ts具有一定優(yōu)化作用。對(duì)MT而言，槳距角控制對(duì)塔筒DEL 影響較小，但低速運(yùn)行下風(fēng)電機(jī)組有停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。此外，風(fēng)電機(jī)組在低風(fēng)速下僅依靠槳距角控制參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)，提升有功出力的響應(yīng)速度相對(duì)緩慢，控制難度較大。

4.1.2 平均風(fēng)速14 m／s

當(dāng)風(fēng)機(jī)處于高風(fēng)速下時(shí)，需通過槳距角控制實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組減載運(yùn)行。附錄B 圖B6 為平均風(fēng)速14 m／s（湍流強(qiáng)度設(shè)為0.06，風(fēng)速高于額定風(fēng)速）時(shí)不同控制策略對(duì)機(jī)組狀態(tài)的影響。由圖B6（a）可見，由于變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)為機(jī)械部件，響應(yīng)速度較慢，實(shí)際上功率無法完全穩(wěn)定于調(diào)度指令所規(guī)定的減載量處，當(dāng)風(fēng)速波動(dòng)較大時(shí)，容易偏離其減載量。由圖B6（b）—（d）可知，由于槳距角的頻繁調(diào)節(jié)，所提控制策略對(duì)Ts和MT影響較大。

不同減載策略Ts、MT雨流循環(huán)統(tǒng)計(jì)的二元直方圖以及DEL 分別如附錄B 圖B7 —B9 所示。相比于無功率儲(chǔ)備控制，采用所提控制策略時(shí)風(fēng)電機(jī)組Ts、MT的疲勞載荷均值較小，風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)軸形變扭矩和塔筒底部彎矩的DEL 有所減小。這說明所提控制策略在高風(fēng)速段下對(duì)風(fēng)電機(jī)組的Ts、MT具有一定的優(yōu)化作用。

綜合以上2 個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)比可知，所提控制策略能提供可靠的調(diào)頻功率裕度，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組全風(fēng)速范圍內(nèi)對(duì)系統(tǒng)的功率支撐，同時(shí)降低機(jī)組減載運(yùn)行時(shí)的疲勞載荷，延長(zhǎng)使用壽命。

4.2 所提控制策略一次調(diào)頻有效性分析

為驗(yàn)證所提策略一次調(diào)頻的有效性，設(shè)置恒定風(fēng)速和平均風(fēng)速較低、較高3 種工況進(jìn)行算例仿真，在恒定風(fēng)速和平均風(fēng)速較低的仿真中，考慮5 種風(fēng)電場(chǎng)有功調(diào)節(jié)策略，具體設(shè)置如下：

1）策略1（無下垂控制），風(fēng)電機(jī)組按轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制預(yù)留10 % 功率裕度，采用轉(zhuǎn)矩控制實(shí)現(xiàn)功率跟蹤；

2）策略2（傳統(tǒng)下垂控制），風(fēng)電機(jī)組按轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制預(yù)留10 % 功率裕度，采用轉(zhuǎn)矩控制實(shí)現(xiàn)功率跟蹤，下垂系數(shù)Kd=20，控制策略如圖A2（a）所示；

3）策略3（傳統(tǒng)下垂控制），策略3 與策略2 類似，但功率跟蹤方法采用功率信號(hào)反饋實(shí)現(xiàn)，控制策略如圖A3（a）所示；

4）策略4（所提控制策略），機(jī)組按所提控制策略設(shè)置減載系數(shù)d=0.1 和轉(zhuǎn)速、槳距角靜調(diào)差系數(shù)σω=σβ=0.05，采用轉(zhuǎn)矩控制實(shí)現(xiàn)功率跟蹤；

5）策略5（所提控制策略），策略5 與策略4 類似，但功率跟蹤方法采用功率信號(hào)反饋實(shí)現(xiàn)。

4.2.1 場(chǎng)景1：恒定風(fēng)速

1）負(fù)荷突增系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

設(shè)恒定風(fēng)速為10 m／s，系統(tǒng)有功負(fù)荷L2在50 s時(shí)增加0.1 p.u.階躍負(fù)荷，此時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)功率缺額，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真波形如圖4 所示，圖中Pw為標(biāo)幺值，后同。不同策略效果對(duì)比如表1 所示，表中穩(wěn)態(tài)功率支撐為標(biāo)幺值。

表1 不同控制策略效果對(duì)比Table 1 Comparison of effect among different control strategies

圖4 場(chǎng)景1下負(fù)荷突增時(shí)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)比Fig.4 Comparison of system dynamic response during load surge under Scene 1

策略1 在系統(tǒng)功率需求變化時(shí)無法進(jìn)行有功調(diào)節(jié)，頻率偏移較大。策略2 可通過下垂控制實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)有功調(diào)節(jié)，頻率動(dòng)態(tài)性能稍有改善，然而調(diào)頻響應(yīng)后，有功輸出并未持續(xù)增加，無法提供穩(wěn)態(tài)有功功率支撐，其頻率響應(yīng)實(shí)際為慣性響應(yīng)，而非典型的一次調(diào)頻響應(yīng)。策略3 未出現(xiàn)轉(zhuǎn)速自動(dòng)恢復(fù)，風(fēng)電機(jī)組通過降低轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速提供持續(xù)的功率支撐，但功率跟蹤控制環(huán)節(jié)削弱了機(jī)組頻率響應(yīng)能力，頻率響應(yīng)不遵循線性頻率下垂特性。策略4 由于采用轉(zhuǎn)矩控制實(shí)現(xiàn)功率跟蹤，相比于策略3 不具備較好的慣性響應(yīng)能力，但與策略5 都可以產(chǎn)生預(yù)期的一次調(diào)頻響應(yīng)。策略4、5 下風(fēng)電機(jī)組靜調(diào)差系數(shù)分別為0.051 2和0.050 7，與設(shè)定的0.05基本相符，具備與傳統(tǒng)同步機(jī)組相似的功頻靜特性。

2）負(fù)荷突減系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

負(fù)荷突減的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真波形如附錄C 圖C1所示，不同策略效果對(duì)比如附錄C表C1所示。由圖可知，相同負(fù)荷擾動(dòng)情況下，5 種控制策略下的風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)態(tài)功率支撐分別為0、0、0.018 1、0.052 7、0.053 3 p.u.，其結(jié)果表明，所提控制策略產(chǎn)生的頻率下垂響應(yīng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)不受功率跟蹤方法的影響，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)組靜調(diào)差系數(shù)的整定，證明了本文所提一次調(diào)頻控制的頻率改善效果優(yōu)于傳統(tǒng)一次調(diào)頻控制。具體分析與負(fù)荷突增時(shí)基本類似，此處不再贅述。

4.2.2 場(chǎng)景2：平均風(fēng)速較低

1）負(fù)荷突增系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

設(shè)定平均風(fēng)速為8 m／s（湍流強(qiáng)度為0.06），系統(tǒng)有功負(fù)荷L2在300 s時(shí)增加0.1 p.u.階躍負(fù)荷，圖5給出了不同策略下系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線對(duì)比。由圖可知，風(fēng)速波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響，策略1、策略2下系統(tǒng)的頻率最低點(diǎn)分別為49.631、49.65 Hz，與策略1 和策略2 相比，采用策略3 時(shí)系統(tǒng)表現(xiàn)出較好的頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，頻率最低點(diǎn)為49.715 Hz，但風(fēng)電機(jī)組頻率響應(yīng)特性與設(shè)定的靜調(diào)差系數(shù)差異較大，相比之下采用策略4 和策略5 時(shí)，系統(tǒng)利用預(yù)留功率裕度，可以提供快速且長(zhǎng)時(shí)的功率支撐作用，頻率響應(yīng)遵循線性頻率下垂響應(yīng)特性，滿足系統(tǒng)一次調(diào)頻需求。

圖5 場(chǎng)景2下負(fù)荷突增時(shí)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)比Fig.5 Comparison of system dynamic response during load surge under Scene 2

2）負(fù)荷突減系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

同樣，在300 s 時(shí)，系統(tǒng)負(fù)荷突減0.1 p.u.階躍負(fù)荷，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真波形如附錄C 圖C2 所示，策略4 和策略5 在穩(wěn)態(tài)響應(yīng)能保持良好的頻率波動(dòng)抑制效果。相較于傳統(tǒng)一次調(diào)頻控制，本文所提一次調(diào)頻控制可釋放更多的風(fēng)電機(jī)組儲(chǔ)備功率，更好地改善了風(fēng)電系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性。

4.2.3 場(chǎng)景3：平均風(fēng)速較高

1）負(fù)荷突增系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

設(shè)定平均風(fēng)速為14 m／s（湍流強(qiáng)度為0.06），系統(tǒng)有功負(fù)荷L2在300 s 時(shí)增加0.1 p.u.階躍負(fù)荷，其系統(tǒng)頻率響應(yīng)動(dòng)態(tài)過程仿真波形如附錄C 圖C3 所示?？梢钥闯?，在高風(fēng)速下，風(fēng)電機(jī)組通過引入預(yù)留槳距角，實(shí)現(xiàn)功率恒定區(qū)機(jī)組減載備用運(yùn)行，在頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程中通過減小槳距角，增加風(fēng)能捕獲，進(jìn)而主動(dòng)響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化。在所提控制策略下，系統(tǒng)頻率最低點(diǎn)由49.604 Hz 提升至49.690 Hz，跌落幅度減少了21.72 %，對(duì)系統(tǒng)起到了顯著的慣性支撐，同時(shí)在一次調(diào)頻過程中能夠提供長(zhǎng)時(shí)的功率支撐作用，分擔(dān)系統(tǒng)不平衡功率。

2）負(fù)荷突減系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

負(fù)荷突減的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真波形如附錄C 圖C4 所示。由圖可知，所提一次調(diào)頻控制下，最大頻率偏差降至0.372 Hz，相較于無附加控制降低了21.7 %，負(fù)荷突減情況上述相似，不再贅述。由于變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)為機(jī)械部件，提升有功出力的響應(yīng)速度相對(duì)緩慢，當(dāng)風(fēng)速波動(dòng)較大時(shí)，風(fēng)電機(jī)組對(duì)系統(tǒng)頻率響應(yīng)的改善作用也受到相應(yīng)限制，有功支撐表現(xiàn)出的調(diào)頻特性波動(dòng)較大。

5 結(jié)論

本文在分析不同功率跟蹤方法對(duì)風(fēng)電機(jī)組頻率響應(yīng)影響的基礎(chǔ)上，考慮不同風(fēng)速下轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制與槳距角控制預(yù)留功率裕度方式和頻率響應(yīng)能力的不同，提出一種改進(jìn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和槳距角協(xié)調(diào)控制的一次調(diào)頻策略，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)組靜調(diào)差系數(shù)的整定，滿足系統(tǒng)一次調(diào)頻需求，通過仿真分析得出如下結(jié)論：

1）風(fēng)電機(jī)組采用常規(guī)下垂控制時(shí)，不同功率跟蹤方法對(duì)其動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能有較大影響，機(jī)組不能有效地利用轉(zhuǎn)子速度控制所預(yù)留的功率裕度提供一次頻率調(diào)節(jié)；

2）不同減載控制策略對(duì)風(fēng)電機(jī)組疲勞載荷影響不同，通過分析和計(jì)算不同策略機(jī)組疲勞載荷和DEL，仿真結(jié)果表明，本文所提控制策略有利于降低機(jī)組減載運(yùn)行時(shí)的疲勞載荷，延長(zhǎng)使用壽命；

3）本文所提控制策略產(chǎn)生的頻率下垂響應(yīng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)不受功率跟蹤方法的影響，在全風(fēng)況下能夠提供穩(wěn)態(tài)頻率響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)電機(jī)組靜調(diào)差系數(shù)的整定，提高了風(fēng)電場(chǎng)參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)服務(wù)的一致性和可預(yù)測(cè)性。

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