張旭航，趙晶晶，李 敏

(1.國網(wǎng)上海電力公司電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，上海 浦東新區(qū) 200120；2.上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海 楊浦 200090)

DFIG風(fēng)電機(jī)組有功控制對電網(wǎng)頻率的影響

張旭航1，趙晶晶2，李 敏2

(1.國網(wǎng)上海電力公司電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，上海 浦東新區(qū) 200120；2.上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海 楊浦 200090)

基于雙饋風(fēng)機(jī)的風(fēng)電場大規(guī)模并網(wǎng)會降低電網(wǎng)等效慣量，頻率調(diào)節(jié)能力變差。為使風(fēng)電機(jī)組也能參與電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)，提出在轉(zhuǎn)子側(cè)附加虛擬慣量控制和超速控制的調(diào)頻策略，使風(fēng)電機(jī)組有類似同步發(fā)電機(jī)的靜態(tài)調(diào)頻特性。虛擬慣量能夠釋放轉(zhuǎn)子動能，為頻率提供短暫支撐；超速控制留出備用容量，彌補(bǔ)慣量控制引起的頻率二次跌落，并減小穩(wěn)態(tài)誤差。最后，仿真分析了大規(guī)模風(fēng)電場接入上海電網(wǎng)時風(fēng)電參與調(diào)頻對上海電網(wǎng)頻率的影響。

雙饋風(fēng)機(jī)；虛擬慣量控制；超速控制；一次調(diào)頻

0 引言

風(fēng)力發(fā)電作為目前最具有開發(fā)規(guī)模的新能源發(fā)電方式，在電力系統(tǒng)中尤其是風(fēng)能資源豐富的區(qū)域的滲透率不斷增加。風(fēng)力發(fā)電規(guī)模的飛速發(fā)展帶來了巨大的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益，但也給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來新的挑戰(zhàn)[1]。大多數(shù)風(fēng)電場采用雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組(doubly fed induction generator，DFIG)，基于解耦控制的DFIG不會對系統(tǒng)產(chǎn)生有效的頻率響應(yīng)，對系統(tǒng)慣量沒有貢獻(xiàn)，電力系統(tǒng)慣量會隨著風(fēng)電滲透率的增加而降低。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生有功功率缺額時，頻率變化，雙饋風(fēng)機(jī)不能對此做出快速的響應(yīng)，風(fēng)電滲透率越高，頻率偏差越大，嚴(yán)重時會使系統(tǒng)頻率越限，大大降低系統(tǒng)穩(wěn)定性。而且DFIG機(jī)組一般是在最大功率跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)模式下運(yùn)行，風(fēng)機(jī)捕獲最大功率，輸出的有功功率是最大值，不能為系統(tǒng)頻率變化提供備用容量，就無法參與系統(tǒng)的一次調(diào)頻[2]。所以風(fēng)電接入電力系統(tǒng)時，僅常規(guī)發(fā)電機(jī)組參與調(diào)頻。

為了提高DFIG機(jī)組接入電網(wǎng)的動態(tài)穩(wěn)定性，國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了大量研究，主要通過對風(fēng)機(jī)附加調(diào)頻控制器來實現(xiàn)。為了提高風(fēng)電并網(wǎng)的慣量，使其能夠和常規(guī)發(fā)電機(jī)一樣響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化，文獻(xiàn)[3-8]提出在轉(zhuǎn)子側(cè)附加慣性響應(yīng)，通過釋放風(fēng)力機(jī)組轉(zhuǎn)子存儲的動能進(jìn)行短時間調(diào)頻，能夠在頻率變化初期快速響應(yīng)頻率變化率。為了使風(fēng)電機(jī)組留有一次備用，文獻(xiàn)[9-10]提出虛擬慣量控制和超速備用相結(jié)合的控制方法，解決了模擬慣量控制方法容易引起的二次頻率跌落問題，減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率偏差。但是，超速控制適合在額定風(fēng)速以下采用，在風(fēng)速超過額定值之后，風(fēng)機(jī)不再運(yùn)行在MPPT模式，不能再通過加速轉(zhuǎn)子獲取備用容量參與調(diào)頻，文獻(xiàn)[11-15]提出在高風(fēng)速下，在風(fēng)電機(jī)組側(cè)附加槳距角控制，文獻(xiàn)[16]提出在DFIG機(jī)組側(cè)附加虛擬慣量和槳距角控制，調(diào)節(jié)槳距角大小留出備用容量，用于微電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)，使得DFIG機(jī)組虛擬慣量控制的快速性、暫態(tài)性與槳距角控制及柴油機(jī)一次調(diào)頻的延時性、持續(xù)性協(xié)調(diào)控制配合，從而提高微電網(wǎng)的動態(tài)頻率特性。

本文提出在中低風(fēng)速下，DFIG機(jī)組附加虛擬慣量控制和超速控制策略，使DFIG機(jī)組與常規(guī)同步發(fā)電機(jī)一起參與電網(wǎng)一次調(diào)頻。在頻率下跌時，增加輸入的機(jī)械功率參與調(diào)頻，減小頻率穩(wěn)態(tài)誤差，使DFIG機(jī)組具有與常規(guī)同步發(fā)電機(jī)同樣的功頻靜特性。以未來大規(guī)模風(fēng)電場接入上海電網(wǎng)規(guī)劃模型為基礎(chǔ)，仿真分析在定風(fēng)速和變風(fēng)速這2種風(fēng)速工況下負(fù)荷發(fā)生變化時，風(fēng)電參與調(diào)頻對上海電網(wǎng)頻率的影響。

1 DFIG有功功率控制

1.1 虛擬慣量控制原理

同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程為

(1)

式中：H是發(fā)電機(jī)組慣性時間常數(shù)；ω為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；PT和PE分別是機(jī)械功率和電磁功率。電網(wǎng)發(fā)生擾動，導(dǎo)致系統(tǒng)頻率突變后，發(fā)電機(jī)調(diào)速器響應(yīng)速度慢，頻率變化初期，原動機(jī)出力沒有增加，轉(zhuǎn)子會減速釋放動能，轉(zhuǎn)化成電磁功率來減緩頻率變化。由于DFIG機(jī)組通過變流器并入電網(wǎng)，使得發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)頻率之間不再存在耦合關(guān)系，DFIG機(jī)組轉(zhuǎn)子動能被“隱藏”，轉(zhuǎn)速不再主動響應(yīng)頻率變化，即不能在頻率變化時釋放轉(zhuǎn)子動能為系統(tǒng)提供慣性支持。虛擬慣量控制即模擬發(fā)電機(jī)組的慣量特性，使轉(zhuǎn)速和頻率相耦合，頻率突變時，將系統(tǒng)頻率變化率作為輸入變量，機(jī)組快速釋放轉(zhuǎn)子動能或吸收電網(wǎng)多余功率，增加或減小有功功率參考值來反映阻尼頻率的變化，即

(2)

式中：ΔP1是慣性控制產(chǎn)生的功率；Kin是慣性控制系數(shù)；Δf是系統(tǒng)頻率偏差。DFIG機(jī)組運(yùn)行在MPPT模式時，附加虛擬慣量控制，使有功功率參考值增大，能為系統(tǒng)頻率變化提供暫態(tài)支撐，但缺乏有功備用，轉(zhuǎn)子釋放動能的時間通常很短，所以短時功率支撐過后，容易引發(fā)頻率二次跌落。若使DFIG機(jī)組長時間參與一次調(diào)頻，需使機(jī)組留出一定的備用容量為系統(tǒng)提供長時間的頻率支撐。

1.2 超速控制原理

超速控制使DFIG調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)速大于MPPT時的最優(yōu)轉(zhuǎn)速，DFIG機(jī)組就不再運(yùn)行在MPPT模式，機(jī)組有功出力減少，留出有功備用容量，在頻率跌落時可類似與同步發(fā)電機(jī)一次頻率調(diào)節(jié)的功率-頻率下垂曲線參與調(diào)頻。

為了使DFIG機(jī)組在頻率變化時有更好的控制效果，當(dāng)DFIG機(jī)組運(yùn)行在MPPT曲線時，本文將虛擬慣量控制和超速控制相結(jié)合共同參與調(diào)頻，其工作原理如圖1所示。

圖1 虛擬慣量與超速協(xié)調(diào)控制框圖Fig.1 Block diagram of virtual inertia and over-speed coordination control

DFIG按照10%減載水平運(yùn)行，附加的虛擬慣量和超速控制模擬發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻，由頻率變化增發(fā)相應(yīng)的功率為

(3)

式中：Kd是一次調(diào)頻系數(shù)；Δf是系統(tǒng)頻率偏差；fmeas是頻率測量值；fref是頻率參考值。在不同風(fēng)速下，要使得DFIG機(jī)組有最好的調(diào)頻效果，則Kd和Kin的取值需要隨著風(fēng)機(jī)捕獲的功率大小選擇一個較合適的數(shù)值。

圖2 上海市500 kV主網(wǎng)架結(jié)構(gòu)Fig.2 Main grid structure of 500kV in Shanghai

2 仿真分析

2.1 系統(tǒng)模型

基于DIgSILENT/PowerFactory仿真平臺，根據(jù)上海市500 kV主網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，搭建如圖2所示的仿真系統(tǒng)模型。石洞口第二發(fā)電廠、外高橋二期、外高橋三期、漕涇發(fā)電廠總裝機(jī)容量分別為1 200 、1 800、2 000、2 000 MW，黃渡站從宜華直流受入功率2 800 MW，練塘站從林楓直流及浙江電網(wǎng)受入功率4 122 MW，遠(yuǎn)東站從特高壓復(fù)奉直流受入功率6 000 MW，系統(tǒng)總等值負(fù)荷為18 377 MW。

在顧路站和楊高站分別接入1個風(fēng)電場，風(fēng)電機(jī)由單機(jī)容量為5 MW的雙饋風(fēng)機(jī)組成，雙饋風(fēng)機(jī)模型由風(fēng)力機(jī)、雙饋發(fā)電機(jī)、脈沖寬度調(diào)制 (pulse width modulation，PWM)變流器和變流器控制系統(tǒng)組成。每個風(fēng)電場各400臺風(fēng)機(jī)，總裝機(jī)容量4 000 MW，滲透率為16.7%。

電網(wǎng)發(fā)生負(fù)荷擾動時，由常規(guī)發(fā)電機(jī)、DFIG機(jī)組共同參與電網(wǎng)的一次頻率調(diào)節(jié)。仿真結(jié)果使用標(biāo)幺值，DFIG機(jī)組的功率基準(zhǔn)值為各風(fēng)電場總裝機(jī)容量，轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)值為額定轉(zhuǎn)速，發(fā)電廠有功出力基準(zhǔn)值為發(fā)電機(jī)組總裝機(jī)容量。由于本文中2個風(fēng)電場的風(fēng)電機(jī)組數(shù)量和裝機(jī)容量均相同，故仿真結(jié)果均附上風(fēng)電場的參數(shù)變化。

2.2 定風(fēng)速下負(fù)荷變化的仿真分析

在10 m/s的定風(fēng)速下，當(dāng)t=30 s時，系統(tǒng)中負(fù)荷增加500 MW，對比分析DFIG機(jī)組附加虛擬慣量控制和超速控制、附加虛擬慣量控制、無控制這3種情況對系統(tǒng)頻率特性的影響。系統(tǒng)頻率以及風(fēng)電有功出力的變化等如圖3所示。

圖3 負(fù)荷增加500 MW的控制效果Fig.3 Control performance with load increasing 500MW

由圖3(a)—3(c)可知：DFIG機(jī)組無控制時，負(fù)荷增加，系統(tǒng)頻率降低，由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)頻率的解耦關(guān)系，機(jī)組有功出力對頻率變化沒有響應(yīng)，風(fēng)電不參與一次調(diào)頻，僅由同步發(fā)電機(jī)提供有功支撐，頻率的最低點跌至49.76 Hz，頻率下降速率最快。DFIG機(jī)組附加慣性控制環(huán)節(jié)，初始頻率變化瞬間，機(jī)組快速響應(yīng)頻率變化率，通過降低轉(zhuǎn)速釋放轉(zhuǎn)子動能，增加了機(jī)組有功出力，有功功率參考值增加到0.352 pu，為系統(tǒng)提供有功支撐，相比無控制時，系統(tǒng)頻率變化減緩，頻率偏差減小了10 mHz。但慣量控制持續(xù)時間短，不能有效增加原動機(jī)的有功輸出，慣量支撐后，機(jī)組恢復(fù)轉(zhuǎn)速過程中又重新吸收電磁功率，會導(dǎo)致頻率的二次下跌。

DFIG機(jī)組附加虛擬慣量控制和超速控制，頻率偏差和頻率變化率都最小，頻率最低點為49.847 Hz，相比無控制時減少了89 mHz。由于超速控制使轉(zhuǎn)子中存儲了更多的動能，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降低至0.958 pu，且留有有功備用，防止了慣性控制導(dǎo)致頻率的二次下跌，減小了頻率的穩(wěn)態(tài)偏差，相比前2種情況，穩(wěn)態(tài)頻率提高了10 mHz。所以DFIG機(jī)組附加慣量控制和超速控制能有效改善系統(tǒng)的頻率波動，并降低頻率的穩(wěn)態(tài)偏差，調(diào)頻效果最好。

由圖3(d)可知：以石洞口第二發(fā)電廠為例，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷突然增加時，風(fēng)電機(jī)組附加慣性控制和超速控制參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)中常規(guī)同步發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)壓力得到了一定程度的緩解。

圖4 負(fù)荷減少500 MW系統(tǒng)頻率Fig.4 Network frequency with load decreasing 500 MW

圖4為系統(tǒng)中負(fù)荷減少500 MW時，系統(tǒng)頻率的變化。圖4可知：風(fēng)電機(jī)組無控制時頻率的最高點為50.175 Hz，頻率變化率最大。風(fēng)電機(jī)組附加慣性控制和超速控制后使轉(zhuǎn)子吸收電網(wǎng)多余功率，轉(zhuǎn)化為動能存儲在轉(zhuǎn)子中，轉(zhuǎn)速升高，風(fēng)電場有功出力減小，系統(tǒng)頻率最高點升至50.099 Hz，頻率偏差相比無控制時減少了76 mHz。由此說明，虛擬慣量控制和超速控制對負(fù)荷減少同樣效果明顯。

2.3 變風(fēng)速下負(fù)荷變化的仿真分析

風(fēng)電場的風(fēng)速隨時變化，為了驗證虛擬慣量和超速控制相結(jié)合的控制策略在變風(fēng)速風(fēng)況下同樣起作用，在DIgSILENT中設(shè)置1組變風(fēng)速，如圖5所示。仿真事件為系統(tǒng)在50 s時負(fù)荷增加800 MW，臨時負(fù)荷占總負(fù)荷比例4.35%。

圖5 實時風(fēng)速Fig.5 Time-varying wind speed

根據(jù)不同的風(fēng)速，設(shè)置合適的虛擬慣量系數(shù)和一次調(diào)頻系數(shù)，如圖6所示。

圖6 變風(fēng)速下控制參數(shù)的選取Fig.6 Selection of control parameters under time-varying wind speed

對比風(fēng)電機(jī)組附加虛擬慣量控制和超速控制、無控制兩種情況下系統(tǒng)的頻率變化，DFIG的有功出力、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、石洞口第二發(fā)電廠有功出力如圖7所示。

圖7 實時風(fēng)速下變系數(shù)控制效果Fig.7 Control performance with using variable coefficient under time-varying wind speed

由圖7可見，風(fēng)電機(jī)組在無控制情況下，機(jī)組捕獲最大功率，一直維持最優(yōu)葉尖速比，DFIG機(jī)組有功出力和轉(zhuǎn)速均隨著風(fēng)速的變化而相應(yīng)變化。50 s時大功率臨時負(fù)荷投入后，DFIG機(jī)組不參與一次調(diào)頻，降低系統(tǒng)等效慣量，由圖7(a)可看出頻率跌落至49.78 Hz，之后頻率波動幅度一直較大。

附加虛擬慣量和超速控制時，在變系數(shù)的調(diào)節(jié)策略下，DFIG機(jī)組能夠根據(jù)風(fēng)速選擇合適的控制系數(shù)，從而抑制了由風(fēng)速變化引起的頻率波動。DFIG機(jī)組超速運(yùn)行，轉(zhuǎn)子存儲更多的動能，負(fù)荷增加，DFIG機(jī)組能夠快速響應(yīng)頻率變化率，增加功率參考值，釋放轉(zhuǎn)子動能，并根據(jù)頻率偏移量增發(fā)備用功率，提高微電網(wǎng)的動態(tài)頻率特性。可以看出，附加綜合控制后頻率的最低點由49.78 Hz提升至49.871 Hz，此時頻率偏移在0.2 Hz范圍內(nèi)。由圖7(b)、7(d)看出，在風(fēng)速變化的過程中，附加綜合控制后風(fēng)電機(jī)組和常規(guī)發(fā)電機(jī)組的有功出力變得平滑，波動幅度變小，降低了風(fēng)速波動性對電網(wǎng)造成的沖擊。

3 結(jié)論

風(fēng)電機(jī)組可以通過在轉(zhuǎn)子側(cè)附加虛擬慣量控制以模擬常規(guī)機(jī)組的慣量特性，在頻率跌落時快速釋放轉(zhuǎn)子動能，對頻率提供短暫支撐，但風(fēng)電機(jī)組虛擬慣量控制無法持續(xù)參與調(diào)頻。本文提出虛擬慣量和超速控制策略，通過提高風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使風(fēng)電機(jī)組降低風(fēng)功率捕獲效率，運(yùn)行在次優(yōu)功率跟蹤曲線，留有10%有功備用，參與系統(tǒng)一次調(diào)頻。通過仿真上海電網(wǎng)接入大規(guī)模風(fēng)電后發(fā)生擾動后的頻率變化，結(jié)果表明所提控制策略對減小系統(tǒng)頻率波動和穩(wěn)態(tài)偏差起到顯著作用。

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InfluenceofDFIGActivePowerControlonPowerGridFrequency

ZHANG Xuhang1, ZHAO Jingjing2, LI Min2

(1. Electric Power Economic Research Institute, State Grid SMEPC, Pudong New Area, Shanghai 200120, China; 2. College of Electrical Engineering, Shanghai University of Electric Power,Yangpu District, Shanghai 200090, China)

Large-scale grid-connected wind farms based on doubly fed induction generators (DFIGs) would reduce system equivalent inertia, and the ability of primary frequency control would deteriorate. In order to make the wind turbine can participate in the frequency adjustment of power grid, this paper proposes the frequency control strategy that adds the virtual inertia control and over-speed control on the rotor side, so that DFIGs have similar static frequency regulation performance of the synchronous generator. The virtual inertia control can release the kinetic energy of the rotor and provide short-term support for the frequency; the over-speed control can gain reserve capacity, compensate the secondary drop in the frequency caused by the inertia control, and reduce the steady-state error. Finally, this paper simulates and analyzes the influence of wind power participating in the frequency adjustment on the Shanghai power grid frequency during the large-scale wind farm access to the Shanghai power grid.

doubly fed induction generator; virtual inertia control; over-speed control; primary frequency control

國家自然科學(xué)基金項目(51207087)

Project supported by National Natural Science Foundation of China(51207087)

TK 01

A

2096-2185(2017)06-0015-06

10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2017.06.003

張旭航

張旭航(1962—)，男，碩士生導(dǎo)師，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)分析和仿真計算；

趙晶晶(1980—)，女，博士，副教授，研究方向為配電網(wǎng)無功優(yōu)化、風(fēng)電并網(wǎng)電壓穩(wěn)定與控制、微電網(wǎng)優(yōu)化與控制；

李 敏(1992—)，女，碩士，通訊作者，研究方向為新能源發(fā)電技術(shù)，風(fēng)機(jī)、儲能調(diào)頻控制，微電網(wǎng)控制，574347305@qq.com。

2017-09-27

(編輯 蔣毅恒)