楊仁杰

(國網安徽省電力有限公司檢修分公司， 安徽 合肥 230000)

0 引言

傳統(tǒng)的雙饋風力發(fā)電機組(Doubly-Fed Induction Wind Power Generator, DFIG)運行控制方法是采用MPPT模式，加之DFIG的有功和無功與電網解耦，當系統(tǒng)發(fā)生負荷擾動時，DFIG無法像同步機一樣快速釋放功率響應系統(tǒng)頻率變化[1-3]，隨著大規(guī)模風電并網，對電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行與控制產生較大沖擊，本文介紹風電參與電網調頻控制方法，再根據(jù)風電機組的減載水平使風電機組留有功率備用參與系統(tǒng)調頻，對風速進行分段，為低風速段、中風速段以及高風速段，設計有功功率控制環(huán)節(jié)控制器，使得風電機組通過減載運行留有功率備用參與到系統(tǒng)調頻中，提高風電的消納能力并保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行與控制，為碳達峰、碳中和貢獻力量。

1 DFIG調頻原理

為了兼顧虛擬慣性控制在暫態(tài)過程中的快速性以及下垂控制短暫的有功支撐改善頻率偏差值提出了一種綜合慣性控制，在有功功率控制系統(tǒng)同時引入頻率偏差信號與頻率變化率信號累加求和，這種控制方式可以進一步改善風機的頻率響應能力，該方法的有功參考值如式(1)所示[4]。

(1)

式中，Kpf為下垂系數(shù)，Kdf為慣性系數(shù)，Δf為頻率偏差，ΔP為有功增量，P為綜合慣性控制有功參考值。圖1給出了綜合慣性控制原理框圖。

圖1 綜合慣性控制原理框圖

當風機運行于最大功率追蹤區(qū)域，DFIG的最大有功出力為Popt，當采用超速減載時，使得DFIG運行于超速減載曲線的次優(yōu)功率運行點，定義風電場的減載水平系數(shù)為k%，則實行限功率后其有功出力值為：

(2)

式中，Pdel為減載k%時DFIG的有功輸出參考值，Cpdel為減載運行時的風能捕獲系數(shù)，進而定義次優(yōu)功率追蹤曲線轉速-機械功率比例系數(shù)kdel為：

(3)

圖2給出了處于次優(yōu)功率追蹤曲線下DFIG轉子轉速與機械功率原理圖。

圖2 超速減載控制次優(yōu)功率曲線原理圖

由圖2分析，超速減載后的有功輸出參考值Pdel_ωr[5]：

(4)

式中，PA1為超速減載運行時A點的有功輸出，PB1為減載運行是B點的有功出力。

當風機運行于最大功率追蹤模式時，在轉子轉速一定的情況下，不同的槳距角βi對應著不同的輸出功率，且隨著槳距角的增大風機出力減小，因此風機可以通過調整槳距角βi從而留有功率備用參與系統(tǒng)的調頻控制。圖3為不同槳距角時轉速恒為βopt時風輪機特性曲線簇。

圖3 不同槳距角所對應的風輪機特性曲線簇

當轉子轉速為ωopt時，P1為β1=0時最大功率追蹤模式下的最大機械功率，隨著β1至β3等間隔遞增，在同一最優(yōu)轉子轉速下ωopt情況下風輪機的機械功率Pm隨著轉速β發(fā)生相應的變化。當運行于MPPT模式下，變槳距風輪機存在唯一使得Cp取得極大值滿足：

Cp(λopt(βi),βi)=Cp(βi)

(5)

從而最優(yōu)葉尖速比λopt(βi)滿足以下關系：

(6)

由于1點位于極佳功率曲線Popt1，故有：

(7)

假設槳距角減載水平為k%，則相同風速下可知變槳減載后風輪機輸出的機械能Pdel為：

(8)

式(8)表明，減載水平為k%與槳距角βi有關。調整槳距角βi可使得系統(tǒng)留有一定的功率備用在承擔調頻任務時對系統(tǒng)進行長期的有功支撐。假定初始槳距角為βm，可推出滿足一定減載比例的預置槳距角βm：

(9)

2 計及調頻適應性的綜合調頻控制方案

2.1 基于減載水平的不同風速工況分區(qū)

當在額定風速以下超速減載不能完全實現(xiàn)k%水平的減載時(一般為10%～20%)，就要協(xié)助槳距角進行頻率調節(jié)，此時：

Pdel=Pdel_ωr+Pdel_β

(10)

假設超速減載之后，轉子轉速達到最大值ωmax，此時對應的風輪機輸出功率為Pa，根據(jù)此時的Pa求解出減載前的功率Pb，其滿足：

Pa=(1-k%)Pb

(11)

由于減載前時風機仍然未達到最大轉速，采用MPPT運行模式，穩(wěn)定運行時槳距角為0，根據(jù)風機最大功率追蹤曲線得到相應的轉子轉速ω0，其滿足：

(12)

式中，v0為減載比例系數(shù)為k%時DFIG的超速減載臨界風速，進而推出：

(13)

進而可以推出此時風能捕獲利用系數(shù)Cp：

(14)

由于此時Pb為已知量，可知定比例減載系數(shù)的超速減載臨界風速v0與ω0以及Pb滿足下式：

(15)

因為Pb與ω0已知，進而可以逆向求出減載比例為k%時超速減載的臨界風速v0。當v小于v0，可以通過超速減載實現(xiàn)k%的減載，當v大于v0時無法通過超速減載實現(xiàn)k%的減載，進而需要借助槳距角控制協(xié)通超速減載實現(xiàn)k%的減載，隨著風速進一步上升，風電機組轉子轉速達到ωmax，此時風機的超速減載控制失效，僅通過變槳控制實現(xiàn)k%的減載。

2.2 基于轉子動能與功率備用協(xié)調控制的綜合調頻控制方案

由前文可知在不同減載水平下以及不同的風速區(qū)間段風電機組實現(xiàn)限功率運行留有功率備用的控制方法不同，當系統(tǒng)發(fā)生負荷擾動時需要調用這部分功率備用，相反只需在各個風速區(qū)間段通過附加有功控制環(huán)節(jié)將這部分功率調用出來即可，考慮到轉子動能控制可以使DFIG表現(xiàn)出類似于同步發(fā)電機組的慣性響應能力，響應速度快，在上文分析的基礎上設計了一種計及風速分段以及調頻適應性的綜合調頻方案，圖4給出了基于一定減載水平的風速分區(qū)有功功率控制圖。

圖4 基于減載水平的風速分區(qū)有功功率控制圖

當v

圖5給出了結合轉子動能控制與功率備用控制的綜合控制框圖。

圖5 計及調頻適應性的綜合調頻控制方案

其中槳距角控制機構的頻率響應滿足：

Δβ=KβΔf

(16)

式中，Δβ為中風速與高風速槳距角控制動作響應系統(tǒng)頻率變化Δf的槳距角變化量，Kβ為比例系數(shù)。

超速減載留有的功率備用對系統(tǒng)的有功支撐滿足下式：

(17)

式中，Ki與Kp分別為附加有功控制器的積分系數(shù)與比例系數(shù)。

3 仿真分析

本章節(jié)基于MATLAB/Simulink平臺改進了3機9節(jié)點電網仿真模型如圖6所示，將一個額定容量為100 MW的DFIG機組Gw替換到元模型中的功率平衡節(jié)點，2個額定容量為100 MW的同步發(fā)電機組G1與G2，DFIG的額定運行風速為12 m/s，在仿真10 s時系統(tǒng)的負荷PL1增加30 MW，在仿真過程中取DFIG的減載水平為20%，為了驗證上文中所提出的綜合調頻控制的有效性，分別在低風速、中風速以及高風速三種不同的風速工況進行仿真驗證。

圖6 3機9節(jié)點電網結構圖

3.1 低風速工況下仿真分析

設置低風速工況下的風速為10 m/s，此時DFIG機組僅通過超速減載留有有功備用，在仿真10 s時有功負荷負荷PL1增加30 MW。圖7為DFIG在低風速工況下運行時DFIG不參與系統(tǒng)調頻、采用慣性控制以及采用綜合調頻控制時系統(tǒng)的頻率變化圖。

圖7 低風速工況下系統(tǒng)頻率動態(tài)響應圖

在10 s時系統(tǒng)的有功負荷增加30 MW，當風電機組不參與調頻時，系統(tǒng)頻率最大頻率偏差為0.23 Hz，一度跌落至49.77 Hz，在負荷擾動發(fā)生50 s后頻率最終穩(wěn)定在49.8 Hz。當采用慣性控制時，在系統(tǒng)頻率變化的初期會一定程度上緩解系統(tǒng)頻率下跌的速度，但相較于DFIG不參與調頻時，無法改善系統(tǒng)頻率穩(wěn)態(tài)偏差。當采用綜合調頻控制時，DFIG通過轉子動能控制以及有功備有控制迅速釋放轉子中所存儲的旋轉動能提供有功支撐，加之有功備用控制可以對系統(tǒng)進行長期支撐，所以相較于風機不參與調頻時系統(tǒng)的頻率得到了改善，由穩(wěn)態(tài)時的49.8 Hz提升到49.83 HZ，頻率進入穩(wěn)態(tài)時間相較于慣性控制以及無調頻控制快了10 s左右。因此當風機采用綜合調頻控制參與系統(tǒng)頻率調節(jié)時，由于其快速的有功爬坡能力會快速響應系統(tǒng)頻率變化，改善較大負荷擾動時的頻率變化，保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行與控制。

圖8表示DFIG機組的轉子轉速動態(tài)響應圖。當DFIG不參與調頻其轉子轉速維持在1.128 pu，當采用慣性控制時，在頻率變化初期，附加的慣性控制使其轉子轉子減小釋放旋轉動能，在擾動發(fā)生后的17 s下降至1.1 pu，此后需要從電網吸收功率來進行轉速恢復。當采用綜合調頻控制時。當系統(tǒng)頻率下跌，附加有功控制環(huán)節(jié)控制其轉子轉速釋放旋轉動能，此時轉子轉速會減小到1.05 pu，由于超速減載的有功備用也是長時間的有功支撐，故相較于傳統(tǒng)的慣性控制其轉子轉速不會恢復至轉速控制前的參考值，進而不存在系統(tǒng)頻率二次跌落問題，從而驗證了低風速采用綜合調頻控制的正確性。

圖8 低風速工況下DFIG轉子轉速動態(tài)響應圖

3.2 中風速工況下仿真分析

設置中風速工況下的風速為11 m/s，此時DFIG機組通過超速減載以及槳距角減載控制留有有功備用，在仿真10 s時有功負荷負荷PL1增加30 MW，系統(tǒng)頻率變化、各同步發(fā)電機組的有功出力、DFIG機組的有功出力、槳距角變化以及轉子轉速的動態(tài)響應圖分別如圖9～11所示。

圖9為DFIG在中風速工況下運行時DFIG不參與系統(tǒng)調頻、采用慣性控制以及采用綜合控制時系統(tǒng)的頻率變化圖。

圖9 中風速工況下系統(tǒng)頻率動態(tài)響應圖

在10 s時系統(tǒng)的有功負荷增加30 MW時，若DFIG不參與系統(tǒng)的頻率調節(jié)，頻率最大偏差為0.22 Hz，影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行與控制，在擾動發(fā)生后50 s系統(tǒng)頻率穩(wěn)定在49.81 Hz，穩(wěn)態(tài)偏差為0.19 Hz。當采用慣性控制時，在系統(tǒng)頻率變化的初期會一定程度上緩解系統(tǒng)頻率下跌的速度，但最大頻率偏差為0.25 Hz，在擾動發(fā)生后60 s系統(tǒng)頻率穩(wěn)定在49.81 Hz，無法改善系統(tǒng)頻率穩(wěn)態(tài)偏差。當采用綜合調頻控制時，DFIG在轉子動能控制以及有功備用控制的轉子轉速控制與變槳距角協(xié)調控制下，系統(tǒng)頻率由DFIG不參與調頻時的49.78 Hz提高到49.89 Hz，且調頻速度相較于無調頻控制快了20 s。因此中風速通過采用綜合調頻控制可對系統(tǒng)提供長時間的有功支撐。

圖10～11分別表示DFIG在中風速工況下運行時DFIG不參與系統(tǒng)調頻、采用慣性控制以及采用綜合調頻控制時DFIG機組的槳距角以及轉子轉速動態(tài)響應圖。

圖10 中風速工況下DFIG機組槳距角變化動態(tài)響應圖

圖11 中風速工況下DFIG機組的轉子轉速動態(tài)響應圖

在DFIG不參與系統(tǒng)調頻時，DFIG的槳距角穩(wěn)定在4°，轉子轉速維持在1.172 pu。當采用慣性控制時，其槳距角相較于無調頻控制無變化，轉子轉速在附加的慣性控制情況下轉速減小釋放動能，在負荷擾動發(fā)生10 s后下降至1.136 pu，隨后從電網吸收功率恢復轉速至擾動發(fā)生前的1.172 pu。當采用綜合調頻控制時，由于轉子轉速超速減載留有一定的功率備用，在10 s系統(tǒng)擾動發(fā)生后，通過轉子動能控制以及功率備用控制協(xié)調控制釋放轉子動能，增大DFIG的有功出力，轉子轉速降低至1.104 pu，同時，槳距角在槳距角控制下減小槳距角增大風機出力，槳距角由不參與調頻時的4°變化至1.423°，響應系統(tǒng)頻率變化，驗證了中風速段綜合調頻控制正確性。

3.3 高風速工況下仿真分析

設置高風速工況下的風速為15 m/s，此時DFIG機組通過槳距角減載控制留有有功備用，在仿真10 s時有功負荷負荷PL1增加30 MW。

圖12為DFIG在高風速工況下運行時DFIG不參與系統(tǒng)調頻、采用慣性控制以及采用綜合控制時系統(tǒng)的頻率變化圖。

圖12 高風速工況下系統(tǒng)頻率動態(tài)響應圖

在10 s時系統(tǒng)發(fā)生有功負荷擾動，當DFIG不參與調頻時，系統(tǒng)頻率最大偏差為0.21 Hz，穩(wěn)態(tài)偏差為0.19 Hz。當采用慣性控制時，在系統(tǒng)頻率變化的初期會一定程度上緩解系統(tǒng)頻率下跌的速度，但最大頻率偏差為0.24 Hz，在擾動發(fā)生后50 s系統(tǒng)頻率穩(wěn)定在49.81 Hz，無法改善系統(tǒng)頻率穩(wěn)態(tài)偏差。當采用綜合調頻控制時，在調頻初期在慣性控制作用下頻率下跌速度得到一定程度上的緩解，隨后采用變槳控制將有功備用釋放出來，由于槳距角慣性時間常數(shù)大，在頻率下跌的初期無法進行相應的有功支撐，但由于槳距角控制有功調節(jié)范圍大，DFIG參與調頻時頻率最大偏差較不參與調頻時高0.08 Hz，并最終穩(wěn)定在49.89 Hz，且調頻速度相較于無調頻控制快了15 s，顯著的改善了系統(tǒng)的頻率變化，驗證了該策略的有效性以及槳距角控制有功調節(jié)范圍廣。

圖13～14分別表示DFIG在高風速工況下運行時DFIG不參與系統(tǒng)調頻、采用慣性控制以及采用綜合調頻控制時DFIG機組的槳距角以及轉子轉速動態(tài)響應圖。

圖13 高風速工況下DFIG機組的槳距角變化響應圖

在DFIG不參與系統(tǒng)調頻時，DFIG的槳距角穩(wěn)定在9.33°，轉子轉速維持在1.2 pu。當采用慣性控制時，其槳距角相較于無調頻控制無變化，轉子轉速在附加的慣性控制情況下轉速減小釋放動能，在負荷擾動發(fā)生10 s后下降0.023 pu至1.177 pu，隨后從電網吸收功率恢復轉速至擾動發(fā)生前的1.2 pu。當采用綜合調頻控制時，其轉子轉速下降至1.188 pu，隨后緩慢上升直到1.2 pu，與此同時，由變槳控制所存儲的有功備用得以釋放，槳距角由初始時刻9.33°減小到7.736°，有功出力隨著槳距角的減小而增大，響應系統(tǒng)頻率變化，驗證了高風速段綜合調頻控制正確性。

圖14 高風速工況下DFIG機組的轉子轉速變化響應圖

通過對比圖7、圖9、圖12不同風速工況下系統(tǒng)頻率動態(tài)響應圖可知，當處于低風速的風電機組只能采用超速減載控制留有功率備用，且風電機組的有功出力值偏低，雖然一定程度上提高了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)頻率，但對比中風速以及高風速工況下可知，采用變槳控制留有功率備用更大，對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率貢獻大。

4 結論

本文首先通過分析DFIG參與電網頻率調節(jié)的數(shù)學原理，針對風電機組減載水平劃分風速區(qū)間段，分別在不同風速區(qū)間段采用不同的控制方式，設計了一種計及調頻適應性的綜合調頻控制方案，可以使得轉子動能控制與有功備用控制靈活結合，在低風速段采用綜合慣性控制與超速減載控制的協(xié)調控制方式，可以充分發(fā)揮慣性控制的快速性以及有功備用控制的持久性，在中風速段，考慮到僅僅通過超速減載控制無法實現(xiàn)定減載水平的有功備用，因此需要協(xié)調變槳控制，從而結合綜合慣性控制實現(xiàn)DFIG快速持久地參與到系統(tǒng)的頻率調節(jié)中，在高風速段，附加慣性與變槳控制協(xié)同控制使得DFIG參與到系統(tǒng)頻率調節(jié)中，通過仿真驗證了所提出的綜合調頻控制的有效性。