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(jì)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(fù)荷波動(dòng)后，風(fēng)電場應(yīng)當(dāng)承擔(dān)起部分調(diào)頻任務(wù)。然而，對(duì)于目前廣泛采用的變速恒頻風(fēng)電機(jī)組，其解耦控制策略使機(jī)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(jī)的一次調(diào)頻能力。此外，變速恒頻風(fēng)電機(jī)組通常運(yùn)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(duì)風(fēng)電機(jī)組參與系統(tǒng)調(diào)頻的控制策略進(jìn)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(jī)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(gè)主要原因，一是不斷增加的并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)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(jì)效益；三是風(fēng)電機(jī)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(jī)組更快，能有效減輕常規(guī)機(jī)組的調(diào)頻壓力[8-9]。

針對(duì)變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的調(diào)頻控制能力，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)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(hào)來獲得額外的有功參考信號(hào)，即虛擬慣量控制，從而使風(fēng)機(jī)具有參與系統(tǒng)調(diào)頻的能力[10-11]。當(dāng)風(fēng)電場無其他任何功率備用時(shí)，此種利用轉(zhuǎn)子動(dòng)能提供有功支撐的方法僅能提供短時(shí)的有功支持，且在低風(fēng)速下可能引起風(fēng)機(jī)失穩(wěn)或停轉(zhuǎn)等不安全因素[12]。針對(duì)上述問題，可以在風(fēng)機(jī)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(jìn)行短暫的調(diào)頻支援[13]。對(duì)于長時(shí)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(xiàn)[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(jī)捕獲的風(fēng)功率，從而達(dá)到弱電網(wǎng)的負(fù)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(xiàn)[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(shí)動(dòng)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(xiàn)[17]提出將運(yùn)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(jī)組的實(shí)際發(fā)電能力得以匹配，但在超低風(fēng)速時(shí)風(fēng)機(jī)的調(diào)頻能力有限且不利于風(fēng)機(jī)的自身穩(wěn)定。

上述研究的重點(diǎn)多集中在變速恒頻風(fēng)電機(jī)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(dú)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(jī)（doubly fed induction generator，DFIG），本文提出變速恒頻風(fēng)電機(jī)組以改進(jìn)的超速與變槳協(xié)調(diào)控制為基礎(chǔ)，并配合常規(guī)機(jī)組進(jìn)行調(diào)頻控制的協(xié)調(diào)控制策略。為了風(fēng)機(jī)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(shí)風(fēng)機(jī)保持MPPT運(yùn)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(jī)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(jī)組調(diào)頻策略

1.1 DFIG模型及原理

雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組主要包括風(fēng)輪機(jī)、DFIG和AC-DC-AC變換器等，圖1是簡化的雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)。AC-DC-AC變換器由兩個(gè)背靠背連接的電壓型PWM變換器構(gòu)成：靠近雙饋電機(jī)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(shí)現(xiàn)雙饋電機(jī)的變速恒頻運(yùn)行；GSC一般運(yùn)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(duì)AC-DC-AC變頻器的控制調(diào)整實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子電流勵(lì)磁分量與轉(zhuǎn)矩分量的解耦控制，從而達(dá)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(jī)組簡化結(jié)構(gòu)Fig.1 Simplified structure of DFIG

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

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

當(dāng)風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，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(jìn)而當(dāng)系統(tǒng)頻率變化或波動(dòng)時(shí)，便可通過控制槳距角的變化來調(diào)整風(fēng)電機(jī)組的有功出力。該方法多適用于風(fēng)電機(jī)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?yàn)榈惋L(fēng)速時(shí)為了使風(fēng)機(jī)最大限度地捕獲風(fēng)能，DFIG風(fēng)電機(jī)組通常處于MPPT運(yùn)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(dāng)槳距角變化速率頻繁時(shí)，也容易加劇風(fēng)機(jī)機(jī)械部分的磨損。超速法的實(shí)質(zhì)為轉(zhuǎn)移運(yùn)行點(diǎn)減載，將額定風(fēng)速以下的任意風(fēng)速所對(duì)應(yīng)的風(fēng)力機(jī)運(yùn)行點(diǎn)都向其峰值點(diǎn)右側(cè)移動(dòng)，則穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的有功出力小于最大值，轉(zhuǎn)速則大于MPPT運(yùn)行時(shí)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(jī)組處于非額定功率運(yùn)行時(shí)[18]。

通過以上分析可以看出，改變槳距角或轉(zhuǎn)移運(yùn)行點(diǎn)的方法，均可以調(diào)整風(fēng)電機(jī)組的有功出力。增大槳距角或?qū)⑦\(yùn)行點(diǎn)右移均可減小風(fēng)電機(jī)組的有功出力，實(shí)現(xiàn)減載運(yùn)行。但二者適用的情況不同：變槳法多適用于風(fēng)電機(jī)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(jī)組處于非額定功率運(yùn)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(dāng)超速法無法滿足調(diào)頻需求時(shí)再啟動(dòng)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(jī)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(tái)DFIG機(jī)組減載運(yùn)行時(shí)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(dāng)利用DFIG機(jī)組的功率備用來支持系統(tǒng)調(diào)頻時(shí)，最多可以提供當(dāng)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(jìn)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(shí)風(fēng)電機(jī)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(jì)算公式為

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

式中，PMPPT為當(dāng)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(gè)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(dāng)?shù)娘L(fēng)速模式，按照選定的風(fēng)速模式進(jìn)行減載運(yùn)行。頻率響應(yīng)環(huán)節(jié)采用類似于同步發(fā)電機(jī)的下垂控制原理進(jìn)行模擬。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷增加導(dǎo)致頻率下降時(shí)，需要讓風(fēng)電機(jī)組提高有功出力，該有功控制環(huán)節(jié)會(huì)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(jī)組為系統(tǒng)提供有功出力增量。

本文兼顧機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性和需要提供的調(diào)頻能力，對(duì)功率追蹤曲線以整定的風(fēng)速門檻值為界進(jìn)行分段處理。如圖4所示，在超低風(fēng)速輸出功率較低時(shí)，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(shí)，風(fēng)電功率較高，希望其適當(dāng)參與系統(tǒng)調(diào)頻，此時(shí)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(jī)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(shí)際控制過程中因風(fēng)速在門檻值上下變動(dòng)造成風(fēng)電機(jī)組在參與調(diào)頻與不參與調(diào)頻之間頻繁切換，影響機(jī)組壽命和控制穩(wěn)定性，可將門檻值擴(kuò)展為門檻帶[vwL，vwH]，當(dāng)風(fēng)速由高于vwH進(jìn)入該帶時(shí)，保持機(jī)組參與調(diào)頻，只有在風(fēng)速低于vwL時(shí)才退出調(diào)頻功能，進(jìn)入常規(guī)的最優(yōu)功率跟蹤狀態(tài)；當(dāng)風(fēng)速由低于vwL進(jìn)入該帶時(shí)，保持機(jī)組最優(yōu)功率運(yùn)行狀態(tài)，只有在風(fēng)速高于vwH時(shí)才又進(jìn)入調(diào)頻模式。根據(jù)風(fēng)電場實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，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(fù)荷的波動(dòng)，此時(shí)需要風(fēng)電場承擔(dān)主要的調(diào)頻任務(wù)。當(dāng)風(fēng)電場接收到控制系統(tǒng)的調(diào)頻指令時(shí)，需要將該指令下發(fā)到對(duì)應(yīng)于不同風(fēng)速的各風(fēng)電機(jī)組。不同風(fēng)速的風(fēng)機(jī)所能承擔(dān)的調(diào)頻能力不同，一般來說，對(duì)應(yīng)風(fēng)速越大的風(fēng)機(jī)承擔(dān)的調(diào)頻能力就越大。不同風(fēng)速下的風(fēng)電機(jī)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(jī)組有功出力，如式（5）所示。

式中，W（VW）是對(duì)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(duì)應(yīng)風(fēng)速VW的風(fēng)電機(jī)組數(shù)。對(duì)應(yīng)每一臺(tái)發(fā)電機(jī)，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(duì)應(yīng)風(fēng)速VW的每一臺(tái)風(fēng)機(jī)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(shí)，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(jī)組出力值ΔPrefi，下發(fā)至各風(fēng)電機(jī)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(jī)組承擔(dān)更多的調(diào)頻任務(wù)，有利于保持各風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)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(jī)組配合協(xié)調(diào)控制策略

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

功率控制系統(tǒng)通過對(duì)風(fēng)電場、常規(guī)火電機(jī)組及并網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)三者有功功率平衡的控制目標(biāo)。當(dāng)負(fù)荷出現(xiàn)變化時(shí)，系統(tǒng)功率不再平衡，頻率變化量為Δf，此時(shí)依靠常規(guī)火電機(jī)組和風(fēng)電機(jī)組協(xié)調(diào)進(jìn)行頻率控制分別得到常規(guī)機(jī)組和風(fēng)電機(jī)組的有功指令PUcmd、PWFcmd，協(xié)調(diào)參與電網(wǎng)調(diào)頻。當(dāng)負(fù)荷切除時(shí)，風(fēng)電機(jī)組以更大的減載水平運(yùn)行，留有更多的功率備用；負(fù)荷接入時(shí)，風(fēng)電機(jī)組釋放功率備用補(bǔ)償負(fù)荷需求。本文以接入負(fù)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(shí)的負(fù)荷需求，ΔPwind為風(fēng)電場實(shí)時(shí)功率備用。為了充分發(fā)揮風(fēng)電機(jī)組的有功補(bǔ)償能力及減少火電機(jī)組的啟停，當(dāng)系統(tǒng)頻率變化時(shí)，風(fēng)電機(jī)組優(yōu)先進(jìn)行調(diào)頻。風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻裕度不滿足功率缺額時(shí)，再將剩余的有功增量分配至常規(guī)火電機(jī)組。如此，可以減少常規(guī)火電機(jī)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(diǎn)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(jī)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(yàn)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(shí)負(fù)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(fù)荷投入前，風(fēng)電場減載運(yùn)行，減載比例設(shè)定為20%，實(shí)際出力為64 MW，MPPT出力為80 MW，所留功率備用為MPPT出力和實(shí)際出力的差值，為16 MW。當(dāng)30 MW負(fù)荷投入時(shí)，系統(tǒng)頻率下降，風(fēng)電機(jī)組響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化，由減載運(yùn)行轉(zhuǎn)為MPPT運(yùn)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(shí)風(fēng)電場的功率備用無法滿足負(fù)荷的需求，需要常規(guī)火電機(jī)組配合出力，此時(shí)根據(jù)圖7所示的功率控制系統(tǒng)流程，火電機(jī)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(jī)組的出力，如圖10所示。并且通過變速風(fēng)電機(jī)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(jī)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(jī)組以改進(jìn)的超速與變槳協(xié)調(diào)控制為基礎(chǔ)，并配合常規(guī)機(jī)組進(jìn)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(jī)組的有功發(fā)出能力，并減小常規(guī)機(jī)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(jī)組減載運(yùn)行使風(fēng)電場留有一定的備用功率，可以保證電網(wǎng)在負(fù)荷波動(dòng)時(shí)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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