田新首, 遲永寧，湯海雁，李庚銀

(1. 華北電力大學 電氣與電子工程學院，北京102206; 2. 中國電力科學研究院，北京100192)

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一種雙饋風電機組頻率控制器

田新首1，2, 遲永寧2，湯海雁2，李庚銀1

(1. 華北電力大學 電氣與電子工程學院，北京102206; 2. 中國電力科學研究院，北京100192)

摘要：雙饋風電機組的解耦控制使輸出的有功功率無法響應電網(wǎng)頻率的變化，其最大功率跟蹤控制也無法為電網(wǎng)提供備用功率，使風電機組難以為系統(tǒng)調(diào)頻提供持續(xù)的有功功率支撐。為此，提出一種基于運行工況差異性的減載運行方案，高出力時通過變槳控制、低出力時通過變速和變槳協(xié)調(diào)控制來實現(xiàn)有功功率備用。引入機組參與因子的概念，并應用于頻率控制器的設(shè)計中，該控制器以易于準確測量的機組電磁功率、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、槳距角和系統(tǒng)頻率為觀測對象，實時參與系統(tǒng)的頻率控制過程。理論與仿真分析表明，該頻率控制器能夠保證機組全工況參與調(diào)頻過程，有效提高了風電并網(wǎng)系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：雙饋風電機組；虛擬備用；最優(yōu)動能；參與因子；頻率控制器

隨著風電機組單機容量及風電場規(guī)模的不斷提高，風力發(fā)電在電網(wǎng)中所占比重逐漸增高，風電場隨機功率對接入電網(wǎng)的沖擊給電網(wǎng)的安全運行帶來許多不穩(wěn)定因素[1-2]。雙饋風電機組作為目前商業(yè)化的主力機型，采用了變頻器控制而使風機有功出力與系統(tǒng)頻率解耦，使其失去了對電網(wǎng)頻率的快速有效響應。為了獲得最大的風能利用率，雙饋風電機組通常運行在最大功率跟蹤控制狀態(tài)，無法為電力系統(tǒng)提供有功功率備用，更增加了系統(tǒng)的調(diào)頻壓力。

圍繞著大規(guī)模風電并網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性問題，學術(shù)界開展了大量的研究工作。目前，針對風電場并網(wǎng)對電網(wǎng)頻率動態(tài)特性的影響及頻率控制的研究主要集中在2個方面：一是利用風電機組自身的旋轉(zhuǎn)動能[3-6]參與系統(tǒng)調(diào)頻，此方法的缺點是低風速時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較低，調(diào)頻能力有限，且頻率控制過程中轉(zhuǎn)速下降造成風功率捕獲能力下降，會引起二次頻率沖擊；二是采用有功功率備用技術(shù)[7]。對于雙饋風電機組采用功率備用方法參與系統(tǒng)調(diào)頻，目前主要通過超速運行控制、變槳控制來實現(xiàn)。文獻[8-13]分析了雙饋風電機組參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的原理，給出了基于最優(yōu)轉(zhuǎn)速的機組減載運行方案，但在機組高出力情況下未考慮機組超發(fā)功率的能力，且并未給出機組運行狀態(tài)對機組參與頻率控制的影響。文獻[14-20]基于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和風速的特點，劃分不同的風速區(qū)間，在低風速區(qū)采用超速法，高風速區(qū)采用變槳法，但一次調(diào)頻控制器的設(shè)計以風速信號作為控制模式切換的依據(jù)，由于機組葉片及尾流效應的影響，風速在實際運行中難以準確測量，影響機組頻率控制的準確度。另外，目前設(shè)計的減載運行方案普遍缺乏對超速法與變槳法切換過程的穩(wěn)定性研究，影響機組頻率控制穩(wěn)定性。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以雙饋風電機組為研究對象，結(jié)合文獻[6]對雙饋風電機組不同運行工況下的調(diào)頻能力進行研究，提出一種實用的頻率控制器，以易于準確測量的機組電磁功率、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、槳距角和系統(tǒng)頻率為觀測對象。槳距角控制在全功率輸出下參與機組的減載運行和系統(tǒng)的頻率控制，實現(xiàn)機組全工況的穩(wěn)定運行。風電機組通過在高出力下優(yōu)先虛擬備用，中出力與低出力下基于機組最優(yōu)動能實現(xiàn)有功備用，引入機組參與系統(tǒng)頻率控制的參與因子和系統(tǒng)頻率變化信號實現(xiàn)機組的頻率控制。仿真結(jié)果表明，當系統(tǒng)頻率變化時，該雙饋風電機組頻率控制器能夠提供持續(xù)的有功功率支撐，提高了電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。

1雙饋風電機組減載運行方案

1.1減載運行算法

雙饋風電機組正常運行在最大功率跟蹤狀態(tài)，捕獲的機械功率

(1)

式中：ρ為空氣密度；A為葉片掃過的面積；veq為風速；Cp(β,λ)為風機的風能轉(zhuǎn)換效率，是槳距角β與葉尖速比λ的函數(shù)。

給定的槳距角β與葉尖速比λ，則風能轉(zhuǎn)換效率[6]

(2)

其中：

(3)

(4)

式中：R為風力機葉片半徑，ω為風力機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

圖1　雙饋風電機組功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

為使風電機組在系統(tǒng)功率出現(xiàn)缺額、系統(tǒng)頻率下降時能夠提供持續(xù)的有功功率支撐，通過設(shè)計減載方案使雙饋風電機組正常運行時留取部分備用功率。在滿足系統(tǒng)調(diào)頻要求的基礎(chǔ)上，需要考慮發(fā)電機、變流器的容量限制和軸系疲勞累積等因素的制約。本文忽略調(diào)頻過程因轉(zhuǎn)矩變化對機組軸系等的影響，假設(shè)機組滿足最大出力的動態(tài)要求?；陔p饋風電機組在不同出力情況下的運行特性，設(shè)計了一種減載運行方案，如圖2所示。

k—機組備用容量百分比，取值范圍0～100%；PE—機組輸出電磁功率；—次最優(yōu)風能轉(zhuǎn)換效率；—高出力時最優(yōu)功率；—次最優(yōu)功率；PN—額定功率，標幺值取1；—高出力、槳距角不為零時可實現(xiàn)的虛擬備用容量。圖2　雙饋風電機組減載運行實施方案

1.2減載運行曲線

由雙饋風電機組減載運行實施方案可得雙饋風電機組減載運行曲線，并與最大功率跟蹤控制運行曲線和優(yōu)先采用超速法留取備用容量運行曲線作比較，如圖3所示。

曲線1—本文算法下的減載運行曲線，曲線2—采用優(yōu)先超速法的減載運行曲線，曲線3—最大功率跟蹤控制運行曲線。圖3　雙饋風電機組運行曲線比較

由圖3可知：在相同風速下，采用功率備用方法時風電機組的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高，當風電機組參與系統(tǒng)調(diào)頻時可以提供持續(xù)的有功功率支撐。在相同的功率備用要求下，本文算法下的減載運行方案動能增加量更大，有利于風電機組參與系統(tǒng)調(diào)頻。假設(shè)風速veq=8m/s，采用最大功率跟蹤控制時機組運行于E點，采用優(yōu)先超速法時機組運行于F點，采用本文方法留備用時機組運行于G點。3種不同控制方法可釋放的動能分別為：

(5)

式中：ΔEE、ΔEF、ΔEG分別為運行于E點、F點、G點的可釋放動能；JD為機組總轉(zhuǎn)動慣量；ωE、ωF、ωG分別為運行于E點、F點、G點的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，取標幺值。

由式(5)可以看出，G點可釋放的動能最大，對風電機組參與系統(tǒng)調(diào)頻最有利。

1.3減載運行穩(wěn)定性

由雙饋風電機組減載運行實施方案和運行曲線，得相應的風能轉(zhuǎn)換效率Cp的變化過程，并與最大功率跟蹤控制、優(yōu)先超速法的風能轉(zhuǎn)換效率變化過程作比較，如圖4所示。

曲線1—本文算法留備用方法，曲線2—低風速下采用優(yōu)先超速法留備用方法，曲線3—無備用運行方法。圖4　Cp與β、λ的關(guān)系

在圖4中，對于曲線1(ABCDE)，A點為切入風速，隨風速的增加葉尖速比λ減小，槳距角β先增加后減小，風速變化過程中槳距角β與葉尖速比λ保持連續(xù)變化，且葉尖速比λ最大，保證了風速變化過程中轉(zhuǎn)速控制與槳距角控制的穩(wěn)定；對于曲線2，由于采用優(yōu)先調(diào)速法，只有在調(diào)速法無法實現(xiàn)備用容量時才投入變槳控制，使得風速變化時僅葉尖速比λ是連續(xù)變化的，控制切入點處槳距角有突變，影響機組的穩(wěn)定性；對于曲線3，同樣可保證機組穩(wěn)定運行，但其以最大風能轉(zhuǎn)換效率為控制目標，正常運行時無備用功率。

2雙饋風電機組實用頻率控制器設(shè)計

在當前運行條件下，雙饋風電機組參與系統(tǒng)調(diào)頻的能力可通過參與因子來衡量[6]。參與因子的表達式為

式中：μ1為反映機組功率備用狀態(tài)的一次調(diào)頻參與因子，μ2為反映機組動能的慣量參與因子。

結(jié)合雙饋風電機組的控制特性和減載運行方案，引入機組參與系統(tǒng)頻率控制參與因子μ，設(shè)計雙饋風電機組實用頻率控制器，輸入量采用工程實際中易于測量的電磁功率PE、風力機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω和電網(wǎng)頻率f，輸出量為下達給被控對象轉(zhuǎn)子側(cè)控制器的功率參考值Pref和槳距角參考值βref。設(shè)計框圖如圖5所示。

PI—比例積分，proportional plus integral的縮寫；ωref—轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速實際給定值；βref0—槳距角的實際給定值。圖5　雙饋風電機組頻率控制器

圖5的頻率控制器由4個主要控制模塊組成：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速參考值給定模塊(模塊1)、槳距角參考值給定模塊(模塊2)、附加有功快速給定模塊(模塊3)、轉(zhuǎn)速保護模塊(模塊4)。

2.1減載運行

模塊1與模塊2采用減載方案實現(xiàn)雙饋風電機組的減載運行。當備用容量百分比k給定后，由雙饋風電機組減載運行實施方案得到雙饋風電機組的減載運行曲線。

模塊1通過計算得到風電機組有功功率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系，高出力時給定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為最大值，中出力和低出力時按有功功率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)風電機組的減載運行。模塊2通過計算得到風電機組有功功率與槳距角的函數(shù)關(guān)系，在高出力初始槳距角不為零時，通過槳距角進行控制并考慮風電機組自身的功率穿透能力，利用虛擬備用實現(xiàn)風電機組的減載運行；在高出力初始槳距角為零時，通過槳距角控制實現(xiàn)風電機組的減載運行；中出力和低出力時，通過槳距角控制配合模塊1的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制實現(xiàn)風電機組的減載運行。模塊1與模塊2協(xié)調(diào)控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和槳距角，確定風電機組的減載運行點。

2.2頻率控制

2.2.1模塊1

當系統(tǒng)頻率波動時，在高出力下，保持轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速給定為最大值不變；在中出力與低出力下，根據(jù)系統(tǒng)頻率變化與機組一次調(diào)頻參與因子，采用變參數(shù)更改運行曲線的方法實現(xiàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的控制。其表達式為：

式中：ω0為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的初始值，ω1為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的目標值，b為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速給定變化率，K1為比例因數(shù)，K2為積分因數(shù)，t為時間。

2.2.2模塊2

當系統(tǒng)頻率波動時，在高出力下，根據(jù)系統(tǒng)頻率變化與機組一次調(diào)頻參與因子，采用變參數(shù)更改功率與槳距角對應關(guān)系的方法對槳距角進行控制，并利用虛擬備用的方法實現(xiàn)機組的頻率控制；在中出力與低出力下，配合轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制，根據(jù)系統(tǒng)頻率變化與機組一次調(diào)頻參與因子，采用變參數(shù)更改功率與槳距角對應關(guān)系的方法對槳距角進行控制，實現(xiàn)機組的頻率控制。其表達式為：

式中：β0為槳距角初始值，β1為槳距角目標值，c為槳距角給定變化率。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與槳距角初始值為本文減載方案對應的給定值，目標值為最大功率跟蹤控制對應的給定值。

2.2.3模塊3

類似于虛擬慣量控制，并引入慣量參與因子的影響，功能是利用存儲在旋轉(zhuǎn)質(zhì)塊中的動能快速參與系統(tǒng)調(diào)頻。其表達式為

式中：ΔPf為附加有功功率給定值，K3為微分因數(shù)。2.2.4模塊4

由于調(diào)頻過程往往伴隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的下降，控制過程中需考慮風機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速約束，在頻率控制器中加入模塊4，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速過低時閉鎖模塊3，以免風機轉(zhuǎn)速越限。

3算例分析

為驗證本文所提頻率控制策略的有效性，利用DIgSILENT/PowerFactory仿真軟件建立“3機10節(jié)點”算例系統(tǒng)，如圖6所示。該系統(tǒng)的負荷包括320 MW不變負荷和30 MW沖擊負荷，電源包括一個由45臺2 MW雙饋風電機組組成的風電場、火電機組G1和G2，各電廠的同步機組模型包括原動機和調(diào)速系統(tǒng)模型，機組及電力系統(tǒng)的模型和參數(shù)均采用典型值，風電滲透率約25%。

圖6　仿真系統(tǒng)

分別在不同出力模式下采用不同的風電機組控制方案進行仿真分析，出力模式分別為高出力、中出力和低出力，控制方案分別為風電機組不參與系統(tǒng)調(diào)頻、風電機組采用本文所提頻率控制技術(shù)參與系統(tǒng)調(diào)頻。備用容量百分比k取0.1，系統(tǒng)元件參數(shù)相同，仿真事件為5 s時30 MW的沖擊負荷突然投入運行，導致系統(tǒng)頻率降低。

3.1高出力時頻率響應特性

圖7為風電機組高出力工況下的頻率響應特性。

圖7　高出力時調(diào)頻過程

由圖7可以看出：高出力工況下，雙饋風電機組不參與系統(tǒng)調(diào)頻時，系統(tǒng)頻率最低值為48.4 Hz，機組有功出力基本不變；雙饋風電機組采用本文設(shè)計的頻率控制器時，系統(tǒng)頻率最低值為48.9 Hz，機組有功出力增加9 MW。因此，在高出力工況下，當系統(tǒng)頻率擾動時，采用本文設(shè)計的頻率控制器可使系統(tǒng)頻率下降減少0.5 Hz。

3.2中出力時頻率響應特性

圖8為風電機組中出力工況下的頻率響應特性。

圖8　中出力時調(diào)頻過程

由圖8可以看出：中出力工況下，雙饋風電機組采用本文設(shè)計頻率控制器時，系統(tǒng)頻率最低值為49.2 Hz，機組有功出力增加5 MW；雙饋風電機組不參與系統(tǒng)調(diào)頻時，系統(tǒng)頻率最低值為48.4 Hz，機組有功出力基本不變。因此，在機組中出力工況下，當系統(tǒng)頻率擾動時，采用本文設(shè)計的頻率控制器可使系統(tǒng)頻率下降減少0.8 Hz。

3.3低出力時頻率響應特性

圖9為風電機組低出力工況下的頻率響應特性。

圖9　低出力時調(diào)頻過程

由圖9可以看出：在低出力工況下，雙饋風電機組采用本文設(shè)計頻率控制器時，系統(tǒng)頻率最低值為49.1 Hz，機組有功出力增加3 MW；雙饋風電機組不參與系統(tǒng)調(diào)頻時，系統(tǒng)頻率最低值為48.4 Hz，機組有功出力基本不變。因此，在機組低出力工況下，系統(tǒng)頻率擾動時采用本文設(shè)計的頻率控制器可使系統(tǒng)頻率下降減少0.7 Hz。

3.4結(jié)果分析

由以上仿真對比分析可知，雙饋風電機組無附加頻率控制時，電網(wǎng)頻率擾動下系統(tǒng)頻率變化幅度較大；采用本文所提頻率控制器，在不同出力條件下均可對電網(wǎng)頻率擾動提供差異化的持續(xù)有功功率支撐，對電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性有顯著提高。

4結(jié)論

通過理論研究和仿真分析，對本文所提的雙饋風電機組頻率控制方案得出如下結(jié)論：

a)在機組高出力時，通過變槳控制來實現(xiàn)功率備用，機組中出力和低出力時通過變速與變槳協(xié)調(diào)控制來實現(xiàn)功率備用，相同備用功率要求下可獲得更大的動能。

b)機組全風速區(qū)參與調(diào)頻，有效提高了風電并網(wǎng)系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。

c)該控制策略同時協(xié)調(diào)虛擬慣量控制和一次調(diào)頻控制，兼顧機組參與頻率控制的快速性和有功支撐的持續(xù)性。以機組出力、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、槳距角和電網(wǎng)頻率為輸入量，在工程中均能夠準確測量，易于工程化應用。

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A Kind of Frequency Controller for Doubly-fed Induction Generators

TIAN Xinshou1,2, CHI Yongning2, TANG Haiyan2, LI Gengyin1

(1. School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China; 2.China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

Abstract：Decoupling control of double-fed induction generators (DFIG) may cause output active power being unable to respond to changes of power grid frequency and its maximum power point tracking (MPPT) control can not provide backup power for the power grid, which may make generators hard to provide continuous active power support for system frequency regulating. Therefore, this paper presents a kind of deloading running scheme based on diversities of different running conditions which is able to realize active power backup by adopting pitch control at the time of high output while variable speed control and pitch control at the time of low output. Concept of participation factor is introduced and applied in design on frequency controller. This controller takes electromagnetic power of the unit, rotor speed, pitch angle and system frequency which can be correctly measured as observation objects for participating in real-time frequency control. Theoretical and simulated analysis indicates that this frequency controller can ensure the unit participate in frequency regulation under all operating conditions and effectively improve frequency stability of the wind power grid-connected system.

Key words：doubly-fed induction generator (DFIG); virtual reserve; optimal kinetic energy; participation factor; frequency controller

收稿日期：2016-01-21修回日期：2016-04-08

基金項目：國家電網(wǎng)公司基礎(chǔ)性前瞻性科技項目(NYB17201400158)

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.06.008

中圖分類號：TM315

文獻標志碼：A

文章編號：1007-290X(2016)06-0043-07

作者簡介：

田新首(1985)，男，河南濮陽人。在讀博士研究生，主要研究方向為新能源發(fā)電與并網(wǎng)穩(wěn)定性。

遲永寧(1973)，男，山東淄博人。高級工程師，工學博士，主要研究方向為風電并網(wǎng)、電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制。

湯海雁(1981)，男，安徽巢湖人。高級工程師，工學博士，主要研究方向為新能源發(fā)電與并網(wǎng)穩(wěn)定性。

(編輯李麗娟)