文 | 彭超，代海濤，王小虎，潘海寧

風電機組轉子慣性控制調(diào)頻技術研究

文 | 彭超，代海濤，王小虎，潘海寧

風力發(fā)電為新能源發(fā)展最快、最具競爭力的發(fā)電技術。截至2015年底，風力發(fā)電提供了全球約3.7%的電力需求，中國已然成為世界第一風力發(fā)電大國，風力發(fā)電量占國內(nèi)全部發(fā)電量的比例達到3.3%。2016年4月22日，國家能源局下發(fā)《關于建立燃煤火電機組非水可再生能源發(fā)電配額考核制度有關要求的通知》，提出燃煤火電機組均應承擔可再生能源發(fā)電的配額責任，2020年各燃煤發(fā)電企業(yè)承擔的可再生能源發(fā)電量配額，與火電發(fā)電量的比重應在15%以上?？梢灶A見，風力發(fā)電仍將有巨大的市場空間。

受氣候條件限制，風力發(fā)電輸出功率具有間歇性和隨機性的特點。大規(guī)模風力發(fā)電接入對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提出了挑戰(zhàn)。為保證電力系統(tǒng)安全可靠運行，風電越來越被認為需要具備系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)功能。

本文首先簡述了風力發(fā)電調(diào)頻技術，然后基于SIMPACK-Simulink聯(lián)合仿真方法，分析了風電機組采用轉子慣性控制方法參與一次調(diào)頻的動力學響應，為風電機組參與一次調(diào)頻的可行性提供技術支撐。

風力發(fā)電調(diào)頻技術

目前的風電機組主要有雙饋型和直驅型兩種，由于電力電子變流器的作用，變速機組的轉子與系統(tǒng)頻率解耦，無法在系統(tǒng)頻率變化時主動提供慣性支撐。而且，風電機組大都采用最大風能捕獲控制，運行于最大功率點附近，無法提供調(diào)頻所需的備用容量，尤其是在向上調(diào)節(jié)時。

不過，通過調(diào)節(jié)風電機組的控制，可以使得機組具備慣性響應和頻率調(diào)節(jié)能力。目前，主要通過轉子慣性、超速和變槳方式進行有功功率控制。

轉子慣性控制是在風電機組運行過程中，接收電力系統(tǒng)的調(diào)頻指令，臨時改變發(fā)電機轉矩控制，使得葉輪轉速變化，在短時間內(nèi)吸收/釋放機組傳動鏈中儲存的部分旋轉動能，提供類似于傳統(tǒng)機組的轉動慣量。

轉子超速控制是控制葉輪超速運行，使風電機組偏離最大功率捕獲點，提供一定容量的有功功率備用。超速控制僅適用于額定風速以下的運行工況。

變槳控制是通過控制葉片的槳距角偏離最優(yōu)點，使風電機組處于最大功率點以下運行，從而留出一定的備用容量。一般情況下，變槳控制多用于額定風速以上的工況。

轉子超速控制和變槳控制都會使得機組長期偏離最大功率點運行，犧牲發(fā)電量和經(jīng)濟效益。轉子慣性控制為臨時性控制措施，對發(fā)電量的影響較小。

轉子慣性控制調(diào)頻

當電力系統(tǒng)受機組脫網(wǎng)、線路故障、負荷突變等擾動，頻率發(fā)生變化時，臨時性動態(tài)調(diào)整風電機組的有功功率。

式中：Δf ——系統(tǒng)頻率偏差；ΔP ——風電機組有功功率增量；Kpf——頻率偏差的權重系數(shù)；Kdf——頻率偏差微分的權重系數(shù)。

在發(fā)電機轉矩控制上增加一個增量：

式中：ωg——發(fā)電機轉速；ΔT ——發(fā)電機轉矩增量。

為確定機組參與系統(tǒng)調(diào)頻所需備用容量，設定機組減載水平為η。結合常規(guī)發(fā)電機組靜調(diào)差系數(shù)的定義，減載水平為：

式中：P0——風電機組額定功率；f*——系統(tǒng)頻率；σf——靜調(diào)差系統(tǒng)。

電力系統(tǒng)頻率需保持在50Hz上下，偏移一般不超過±0.2Hz，靜調(diào)差系數(shù)一般為3%－5%。由式（3）可得減載水平為8%－13%，可設定雙饋感應式風電機組減載水平為10%。

動力學－控制聯(lián)合仿真

一、建模

基于SIMPACK-Simulink聯(lián)合仿真，分析雙饋風電機組采用轉子慣性控制參與一次調(diào)頻的動力學響應。

SIMPACK是出自德國宇航局的通用多體動力學仿真軟件，在風電機組動力學仿真方面應用普遍。采用專用模塊“RotorBlade Generation”生成彎扭耦合的柔性葉片，基于梁單元生成塔筒柔性體模型，以剛性傳動比簡化齒輪箱，通過接口力元調(diào)用NREL開發(fā)的AeroDyn氣動力計算程序，執(zhí)行葉片氣動力計算。風電機組多體動力學模型如圖 1所示。

在Simulink中建立風電機組控制器模型，包括發(fā)電機轉矩控制和葉片槳距角控制。發(fā)電機轉速與設定值的偏差作為輸入，經(jīng)轉矩PI模塊后，輸出發(fā)電機轉矩；經(jīng)槳距角PI模塊后，輸出葉片槳距角。風電機組處于額定功率以下運行時，轉矩控制模塊啟用；處于額定功率以上時，槳距角控制模塊啟用。

在上述控制器基礎上，引入式（1）所示轉子慣量控制算法，如圖 2所示。

通過SIMAT接口，執(zhí)行SIMPACK與Simulink之間的數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)聯(lián)合仿真。

二、穩(wěn)態(tài)風況仿真

以某2MW機組為例進行仿真。該機組發(fā)電機切入轉速為1000rpm，額定轉速為1780rpm，切入風速為3m/s，額定風速為10m/s。

假定電力系統(tǒng)在某時刻后的1s內(nèi)頻率下降0.2Hz，并持續(xù)10s，之后經(jīng)過1s恢復，如圖 3所示。

首先仿真5m/s穩(wěn)態(tài)風作用下，系統(tǒng)頻率下降后機組臨時增發(fā)10%功率。從250s開始電力系統(tǒng)頻率下降，12s后頻率恢復。發(fā)電機轉矩、轉速、機組輸出功率的動態(tài)響應如圖 4、圖 5、圖 6所示。

圖1 多體動力學模型

圖2 轉子慣量控制

圖3 系統(tǒng)頻率偏差

由仿真結果可知，在第250s系統(tǒng)頻率逐漸下降0.2Hz，發(fā)電機轉矩上升，轉速下降。有功功率輸出由262kW提高至最高293kW，上升幅度11.8%，超過了給定的10%。這是因為根據(jù)式（1），有功功率的增量不僅包含了頻率偏差Δf的比例項，還包含了頻率偏差的微分的比例項。

即使在穩(wěn)態(tài)風下，系統(tǒng)頻率下降，發(fā)電機功率快速增加至最高點后，并沒有保持在穩(wěn)定值，而是逐漸下降（251s－261s）。這是因為臨時改變發(fā)電機轉矩控制輸出，使得機組偏離了最大功率點運行，Cp系數(shù)減小，降低了風輪的一次能量捕獲效率。時間越長，偏離最大功率點越遠，Cp系數(shù)也越低，導致發(fā)電機功率輸出下降。

圖4 發(fā)電機轉速

圖5 發(fā)電機轉矩

圖6 發(fā)電機功率

在第261s－262s，系統(tǒng)頻率逐漸恢復，發(fā)電機功率大幅下降，這種情況下極易導致系統(tǒng)頻率二次下降。之后，發(fā)電機轉速、轉矩和功率逐漸向最優(yōu)運行點靠攏，歷時大約60s后恢復。

三、湍流風況仿真

仿真湍流風作用下，系統(tǒng)頻率下降后機組臨時增發(fā)10%功率的動力學響應。輪轂高度處平均風速為5m/s，湍流強度29.9%，如圖 7所示。

從250s開始電力系統(tǒng)頻率下降，12s后頻率恢復。發(fā)電機轉矩、轉速、機組輸出功率的動態(tài)響應如圖 8、圖 9、圖 10所示。為了便于分析比較，一并給出不考慮轉子慣性控制調(diào)頻時的動態(tài)響應曲線。

圖7 輪轂高度處平均風速

圖8 發(fā)電機轉速

圖9 發(fā)電機轉矩

圖10 發(fā)電機功率

由仿真結果可知，在第250s系統(tǒng)頻率逐漸下降后，發(fā)電機轉矩上升，轉速下降，功率上升。在第262s系統(tǒng)頻率恢復后，發(fā)電機轉矩、轉速和功率有一個較小的波動，之后歷時大約25s逐漸恢復至正常水平。

總體上，湍流風下轉子慣性控制能及時響應系統(tǒng)的調(diào)頻需求，且對發(fā)電機轉矩、轉速和功率的影響較小。

結論

（1）簡述了目前風電機組主流的調(diào)頻技術：轉子慣性控制、超速控制和變槳控制。

（2）采用轉子慣性控制方法，基于SIMPACK-Simulink聯(lián)合仿真，分析了5m/s穩(wěn)態(tài)風和湍流風下風電機組參與一次調(diào)頻的動態(tài)響應。結果表明，電力系統(tǒng)頻率下降0.2Hz并持續(xù)10s，風電機組能及時響應電力系統(tǒng)的調(diào)頻需求，保持發(fā)電運行，且系統(tǒng)恢復后，機組可以快速恢復至原先的正常發(fā)電水平。

（3）本文在風電機組參與電力系統(tǒng)一次調(diào)頻的技術可行性方面做了一些探索，為進一步的研究奠定了基礎。

（作者單位：國電聯(lián)合動力技術有限公司）

攝影：陳裕法