嚴(yán)干貴，趙偉哲，張禮玨

(1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.國網(wǎng)江西省電力有限公司 電力科學(xué)研究院，江西 南昌 330000；3.中國電建集團吉林省電力勘測設(shè)計院有限公司，吉林 長春 130000)

低碳電力推動風(fēng)電大規(guī)模發(fā)展，風(fēng)電占比顯著增加.風(fēng)電機組輸出功率受風(fēng)速、氣壓等因素影響，具有隨機性、間歇性和波動性等特點.因此，風(fēng)電并網(wǎng)容量的不斷增加給包括電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性在內(nèi)的電力系統(tǒng)安全運行問題帶來新挑戰(zhàn).眾所周知，雙饋感應(yīng)風(fēng)電機組在風(fēng)力發(fā)電中仍占主導(dǎo)地位[1]，其經(jīng)變流器接入電網(wǎng)，當(dāng)風(fēng)電機組運行于最大功率跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)模式下時，風(fēng)電機組不能響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化，對系統(tǒng)慣性無貢獻[2]，導(dǎo)致系統(tǒng)整體慣性降低，惡化了系統(tǒng)運行安全性.因此，高風(fēng)電滲透電力系統(tǒng)的調(diào)頻問題愈加突出.

提高電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)能力的有效途徑是配置一定的旋轉(zhuǎn)備用容量.部分國家如挪威[3]、英國[4]、德國[5]等都制定了相應(yīng)的并網(wǎng)準(zhǔn)則，要求風(fēng)電場需配置足夠備用容量以滿足系統(tǒng)調(diào)頻需求.

國內(nèi)外專家學(xué)者在風(fēng)電機組調(diào)頻控制策略設(shè)計領(lǐng)域做了大量研究.文獻[6]首先提出通過模擬同步發(fā)電機組慣性，使風(fēng)電機組可短時響應(yīng)系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)；文獻[7]對于光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出特性進行分析.針對光伏并網(wǎng)發(fā)電在遇到頻率波動時不具備慣性和調(diào)頻能力的問題，提出了應(yīng)用儲能補償系統(tǒng)的調(diào)頻需求，通過對儲能逆變器采用虛擬同步發(fā)電機控制策略，使光-儲作為一整體對外具備類似同步發(fā)電機特性，同時該系統(tǒng)還擁有保證光伏對外輸出功率穩(wěn)定的能力；文獻[8]提出通過控制風(fēng)電機組轉(zhuǎn)子變速運行，使風(fēng)電機組運行于減載(Deloading Power Point Tracking，DPPT)模式，使之具有可持續(xù)向上調(diào)節(jié)功率空間[9～10].變速法響應(yīng)速度快、支撐持續(xù)時間長，但受上限轉(zhuǎn)速限制，在高風(fēng)速工況下風(fēng)電機組可允許變速范圍非常有限，所能提供的備用功率支撐也微乎其微；為此，文獻[11]提出變速、變槳相協(xié)調(diào)的減載調(diào)頻控制策略，在高風(fēng)速下通過變槳降低機組出力，使機組仍能預(yù)留足夠備用容量以備系統(tǒng)調(diào)頻之需，但變槳調(diào)節(jié)速度慢，易造成機械磨損.

本文設(shè)計了雙饋感應(yīng)風(fēng)電機組減載調(diào)頻運行模式，基于PSCAD/EMTDC平臺，構(gòu)建變速與變槳協(xié)調(diào)的減載調(diào)頻控制策略，分析了不同運行工況下風(fēng)電機組調(diào)頻能力的差異性.與此同時，圍繞風(fēng)電機群參與電力系統(tǒng)調(diào)頻問題，驗證了所提出的風(fēng)電機群調(diào)頻控制策略的有效性，并且基于實測風(fēng)速數(shù)據(jù)分析了風(fēng)電機群不同減載程度參與調(diào)頻的經(jīng)濟性.

1 DFIG-WT減載運行曲線

根據(jù)風(fēng)力機風(fēng)能捕獲原理：

(1)

Cp=Cp(β，λ)，

(2)

λ=λ(Vm，ω)，

(3)

最優(yōu)風(fēng)能捕獲功率為槳距角和轉(zhuǎn)速的函數(shù)

Popt=f(βopt，ωopt)，

(4)

式中：ρ為空氣密度(kg/m3)；R為葉片半徑(m)；Vm為風(fēng)速(m/s)；Cp為風(fēng)能捕獲系數(shù)；λ為葉尖速比；β為槳距角(°)；ω為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，ωmin<ω<ωmax(rpm).因此，可通過“變速法”或“變槳法”調(diào)節(jié)風(fēng)力機轉(zhuǎn)速或槳矩角，使其偏離最佳運行點，即可使機組具備“向上”調(diào)節(jié)功率的能力.次優(yōu)模式下風(fēng)力機捕獲的風(fēng)功率可表示為

P=f(βopt+Δβ，ωopt+Δω)

.

(5)

次優(yōu)模式下，風(fēng)力機輸出功率偏離最大風(fēng)能捕獲功率值越大，機組可釋放功率越大.由于不同工況下機組運行約束不同，在設(shè)計機組減載水平時，需要考慮具體約束.

機組運行于功率追蹤區(qū)時通過“變速法”實現(xiàn)減載運行，即

P=f(βopt，ωopt+Δω)，

(6)

其中：Δβ=0°，定槳距運行.

功率恒定區(qū)時，受轉(zhuǎn)速極限限制，僅憑變速法難以實現(xiàn)風(fēng)電機組減載功率的有效調(diào)節(jié)，需輔之槳距角調(diào)節(jié)，即

P=f(βopt+Δβ，ωopt+Δω)，

(7)

其中：Δβ≠0°，變槳距運行.

不同風(fēng)速下機組減載運行曲線，如圖1所示.

圖1 不同風(fēng)況下減載運行示意圖

圖2 風(fēng)力機MPPT與DPPT運行模式下Pm-ωr曲線

考慮不同風(fēng)況下的運行約束，可以得到如圖2所示的風(fēng)電機組減載運行曲線.圖中ΔP為風(fēng)電機組減載運行時面對系統(tǒng)頻率跌落可釋放電磁功率，即風(fēng)電機組能夠參與電力系統(tǒng)向上調(diào)頻的備用容量.

為確定風(fēng)電機組參與系統(tǒng)調(diào)頻所需備用容量ΔP，本文定義機組減載程度del%：

(8)

式中：PN為額定功率，即本文所選功率基準(zhǔn)值.

2 減載調(diào)頻運行控制策略

根據(jù)風(fēng)力機減載運行曲線，協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器對發(fā)電機的變速控制和風(fēng)力機槳距角控制，以實現(xiàn)風(fēng)電機組的減載運行控制.

2.1 減載運行控制策略

在根據(jù)風(fēng)力機的運行曲線確定轉(zhuǎn)子運行曲線，當(dāng)參考力矩、參考無功功率給定后，求得相應(yīng)的參考轉(zhuǎn)子電流，進而控制轉(zhuǎn)子側(cè)變流器產(chǎn)生相應(yīng)轉(zhuǎn)子電壓，實現(xiàn)發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié).“變速法”通過降低輸出功率參考值，使風(fēng)電機組變速減載運行，控制原理如圖3所示.

圖3 “變速法”發(fā)電功率控制策略

圖4 “變槳法”控制策略

圖5 同步發(fā)電機組調(diào)速器控制框圖

圖6 同步發(fā)電機組下垂控制特性曲線

圖7 頻率響應(yīng)下垂控制器

圖8 減載調(diào)頻綜合控制策略

當(dāng)“變速法”動作后，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速或風(fēng)功率超過其極限值時，槳距角控制器動作，增加風(fēng)力機槳距角，降低風(fēng)力機機械輸出功率[9]，如圖4所示.

圖4中，ωr為發(fā)電機實際轉(zhuǎn)速；ωref為發(fā)電機轉(zhuǎn)速參考值；β、βref為槳距角運行值與參考值；βmax、βmin為槳距角最大值與最小值；max-rate、min-rate為槳距角變化率上限和下限.max表示取兩輸入信號大者，確保轉(zhuǎn)速超過最大值時槳距角控制動作.此時“粗調(diào)”槳距角，限制發(fā)電機轉(zhuǎn)速越限，保持風(fēng)電機組輸出功率恒定.

2.2 調(diào)頻控制策略

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，常規(guī)同步發(fā)電機組發(fā)展相對于新能源發(fā)電技術(shù)較為成熟，具有良好的穩(wěn)定性，調(diào)頻性能出色.本文通過分析借鑒同步發(fā)電機調(diào)頻機制，設(shè)計DFIG頻率響應(yīng)控制器，使其模擬同步發(fā)電機下垂特性，響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化.

對于同步發(fā)電機組，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)頻率相耦合，系統(tǒng)有功功率缺失引起頻率跌落，誘發(fā)同步發(fā)電機轉(zhuǎn)速下降，釋放轉(zhuǎn)子動能，阻尼頻率跌落.一段時間過后，調(diào)速器動作，其控制框圖，如圖5所示.

圖5中，ωr為同步發(fā)電機轉(zhuǎn)速；ω0為機租參考轉(zhuǎn)速；Kp為增益值；σ為同步發(fā)電機組調(diào)差系數(shù)；ΔY為渦輪機閥門改變量.

渦輪機閥門位置的改變，增加了發(fā)電機由機械功率到電磁功率的轉(zhuǎn)化量，發(fā)電機有功輸出增加，響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化.同步發(fā)電機有功輸出隨系統(tǒng)頻率下降而增發(fā)的特性稱為下垂特性，如圖6所示.

圖6中,fa、fb和Δfab分別為a、b狀態(tài)下系統(tǒng)頻率及對應(yīng)的系統(tǒng)頻率變化量；PGa、PGb和ΔPab分別為a、b狀態(tài)下發(fā)電機組有功出力及對應(yīng)的有功出力變化量.

DFIG頻率響應(yīng)控制器，如圖7所示.其中機組有功輸出增發(fā)量ΔP是系統(tǒng)頻率偏差的K倍，即

ΔP=Δf·K=(fsys-fn)·K，

(9)

式中：fsys為系統(tǒng)頻率(Hz)；fn為額定頻率(Hz)；K為頻率調(diào)整系數(shù).

頻率控制器動作后，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降，迅速釋放動能，同時槳距角參考值變化，觸發(fā)槳距角控制器再次動作，槳距角下降，電磁功率增大.電磁功率增大的同時，為維持轉(zhuǎn)子運動平衡，機械功率沿風(fēng)功率曲線逐漸上升，最終達(dá)到功率平衡.

本文設(shè)計減載調(diào)頻綜合控制策略，如圖8所示.

下垂控制調(diào)頻效果等同于同步發(fā)電機的一次調(diào)頻，即成比例的有差調(diào)節(jié)，該調(diào)節(jié)過程作用時間短，動作速度快，在風(fēng)電機組參與系統(tǒng)調(diào)頻控制中廣泛采用.

3 仿真分析

基于PSCAD建立850 kW雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，設(shè)計了不同風(fēng)速下風(fēng)電機組減載運行算例，對所提出控制策略有效性進行驗證.仿真結(jié)果中功率、轉(zhuǎn)速皆為標(biāo)幺值，選取風(fēng)電機組基本容量為基準(zhǔn)值，PB=PN=850 kW.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速最大值為1 900(rad/min)，本文所選轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)值為1 500(rad/min)，轉(zhuǎn)速極限值為1.27(p.u.).

3.1 減載控制仿真分析

本文設(shè)計不同運行工況下減載控制策略，其關(guān)鍵在于低、中、高風(fēng)速下槳距角是否動作、如何動作.因此首先通過仿真分析驗證不同運行工況下減載控制策略設(shè)計合理正確，根據(jù)風(fēng)電機組物理運行約束確定減載約束條件，從而得到不同風(fēng)速下減載能力.

3.1.1 減載方法驗證

取功率追蹤區(qū)、功率恒定區(qū)時不同風(fēng)速8 m/s、11 m/s、13 m/s進行仿真分析，5 s時降低有功功率參考值“Pb”，比較不同風(fēng)速下槳距角、轉(zhuǎn)速及電磁功率變化情況，仿真結(jié)果如圖9所示.

(a)Vw=8 m/s (b)Vw=11 m/s (c)Vw=13 m/s圖9 不同風(fēng)速下DFIG減載運行仿真曲線

圖9給出了不同工況機組減載運行時槳距角β、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωr及電磁功率Pe的動態(tài)響應(yīng)曲線.低風(fēng)速下，槳距角不動作，轉(zhuǎn)速明顯增大，電磁功率由0.32跌落至0.28，系統(tǒng)穩(wěn)定運行，風(fēng)電機組通過“變速法”實現(xiàn)6%減載運行；中、高風(fēng)速下，槳距角及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速均明顯增大，電磁功率跌落，風(fēng)電機組通過“變速法”與“變槳法”協(xié)調(diào)控制實現(xiàn)減載運行.其中，中風(fēng)速下減載幅度9%，高風(fēng)速下減載幅度7%.

3.1.2 確定減載能力

為進一步驗證該減載控制策略對風(fēng)電機組功率跌落的幅度影響，本文通過給定不同有功功率參考值(即不同ΔPb)，根據(jù)風(fēng)電機組狀態(tài)量的變化情況，分析其減載運行物理約束，并得到不同運行工況下減載能力.

風(fēng)速分別在8 m/s、11 m/s下，5 s時分別降低ΔPb=0.1及ΔPb=0.2，仿真結(jié)果如圖10、圖11所示.

圖10 不同ΔPb下仿真結(jié)果(功率追蹤區(qū))圖11 不同ΔPb下仿真結(jié)果(功率恒定區(qū))

圖10、圖11對比了不同ΔPb下風(fēng)電機組受減載控制后槳距角β、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωr及電磁功率Pe的響應(yīng)特性.由仿真結(jié)果可知，不同工況下，隨著ΔPb增加：槳距角動作幅度增大(低風(fēng)速下不動作)；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升幅度增大；電磁功率跌落幅度增大，即減載能力更強.但若繼續(xù)增大ΔPb，仿真結(jié)果如圖12所示，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速易超過其極限值；電磁功率大幅波動，影響風(fēng)電機組運行穩(wěn)定性.

(a)Vw=11 m/s (b)Vw=13 m/s圖12 ΔPb過大時仿真結(jié)果

因此，功率恒定區(qū)，減載幅度受轉(zhuǎn)速極限值及運行穩(wěn)定性限制；在低風(fēng)速下，轉(zhuǎn)速不會越限，但其可減載幅度很小.根據(jù)轉(zhuǎn)速極限以及功率穩(wěn)定約束，可近似得到不同風(fēng)速區(qū)間內(nèi)ΔPb的范圍，如表1所示.功率追蹤區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)速不會越限，ΔPb最大；隨風(fēng)速逐漸增大，ΔPb有所減小.

表1 不同風(fēng)速范圍下ΔPb取值

結(jié)合不同風(fēng)速下運行約束條件，可得到各運行工況下的仿真結(jié)果，如表2所示.不同風(fēng)速下減載前后功率曲線圖，如圖13所示.

表2 不同風(fēng)速下可減載功率仿真結(jié)果

圖13 不同風(fēng)速下減載前后功率曲線圖

結(jié)合表3和圖13，顯而易見，風(fēng)電機組在中等風(fēng)速下時減載能力最強.

3.2 調(diào)頻控制仿真分析

中等風(fēng)速下減載幅度最大，以中等風(fēng)速為例分析調(diào)頻控制的有效性.風(fēng)速為11 m/s，3 s加入減載控制模塊，增大轉(zhuǎn)速，使之減載運行；減載運行穩(wěn)定一段時間后，9 s系統(tǒng)功率跌落至49 Hz，仿真結(jié)果如圖14所示.

仿真結(jié)果表明，當(dāng)系統(tǒng)頻率下跌時，風(fēng)電機組頻率控制環(huán)節(jié)動作，轉(zhuǎn)速下降，釋放動能，同時槳距角變小，風(fēng)電機組輸出機械功率增大，實現(xiàn)風(fēng)電機組參與系統(tǒng)調(diào)頻.該仿真結(jié)果說明本文所設(shè)計減載調(diào)頻控制策略能夠在系統(tǒng)頻率波動時提有功支撐，響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化.

圖14 系統(tǒng)頻率跌落時風(fēng)電機組動態(tài)響應(yīng)仿真結(jié)果

圖15 相同減載與最大減載容量對比

圖16 各發(fā)電機組最大可減載程度圖

圖17 風(fēng)電場不同運行模式下全天發(fā)電量對比圖

3.3 兩臺機組優(yōu)化減載仿真分析

不同風(fēng)場同一時間風(fēng)況不同，同一風(fēng)場不同風(fēng)機之間的風(fēng)況也存在差異.當(dāng)需要風(fēng)機參與調(diào)頻時，若各風(fēng)機減載水平相同，平均分配減載功率必然存在不合理性.所以，根據(jù)不同風(fēng)況為各風(fēng)場乃至各風(fēng)機下派調(diào)頻任務(wù)變得尤為重要.

本文以風(fēng)速為8 m/s及11 m/s的兩臺850 kW風(fēng)電機組為例.根據(jù)本文仿真分析，8 m/s風(fēng)速下風(fēng)電機組最大減載幅度為6.82%，即可減載功率為58.0 kW.11 m/s風(fēng)速下風(fēng)電機組最大減載幅度為10.35%，即可減載功率為88.0 kW.需要該兩臺機組共同完成146 kW減載任務(wù)，如若不按照各自減載能力分配減載任務(wù)，而是平均分配需減載功率，即各自承擔(dān)73 kW，則此二臺機組運行情況如圖15所示.

從仿真結(jié)果可知，若按照平均分配需減載功率的原則(圖中藍(lán)色曲線)，在低風(fēng)速下槳距角動作，頻繁變槳將降低風(fēng)機使用壽命；中風(fēng)速下并未充分利用可減載功率，風(fēng)電機組運行效率較低.根據(jù)本文設(shè)計的減載原則(圖中綠色曲線)，可在不同風(fēng)速下充分利用各風(fēng)電機組調(diào)頻功率，又可避免頻繁變槳對風(fēng)機造成的機械磨損.

3.4 風(fēng)電場減載運行經(jīng)濟性分析

前文寫到，為了應(yīng)對風(fēng)功率不可預(yù)測性，德國電網(wǎng)導(dǎo)則要求風(fēng)電場保留其總裝機容量的9%作為功率備用.本文以東北地區(qū)某風(fēng)電場實測風(fēng)速數(shù)據(jù)為例，該風(fēng)電場裝配64臺G58-850 kW雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機組.結(jié)合仿真結(jié)論，得出圖16.

結(jié)果表明，風(fēng)場內(nèi)各風(fēng)電機組最大可下調(diào)功率受當(dāng)前風(fēng)況制約，最大減載程度僅為裝機容量3.59%，不切機情況下減載水平與德國電網(wǎng)導(dǎo)則要求相去甚遠(yuǎn).

另一方面，風(fēng)電場長期棄風(fēng)減載導(dǎo)致風(fēng)能極大的浪費.以1天風(fēng)速采樣數(shù)據(jù)為例，采樣周期為1分鐘.分別對比分析風(fēng)電場最大功率追蹤運行模式下全天發(fā)電量，減載9%風(fēng)電場全天發(fā)電量以及仿真所得最大減載程度發(fā)電量，如圖17所示.

以全天最大功率追蹤模式運行下的發(fā)電量(318.62 MW·h)為基準(zhǔn)，可以看出，恒定減載9%(201.12 MW·h)較本文測得最大減載程度發(fā)電量(279.63 MW·h)多損失24.64%發(fā)電量.

至此，恒定減載水平容易造成風(fēng)電場發(fā)電量大規(guī)模浪費.采用本文設(shè)計方法，系統(tǒng)頻率跌落時風(fēng)電場有能力提供一定有功支撐的前提下，降低了風(fēng)電場棄風(fēng)量，提高了風(fēng)電場經(jīng)濟性.

4 結(jié) 論

本文圍繞風(fēng)電機組參與系統(tǒng)調(diào)頻問題，設(shè)計了一種基于“變速”和“變槳”協(xié)調(diào)控制的減載調(diào)頻控制策略，通過理論和仿真分析得到如下結(jié)論：

(1)根據(jù)不同運行工況下的物理約束條件，整定出具備向上調(diào)節(jié)能力的初始運行點.

(2)不同風(fēng)速下減載調(diào)頻策略、對風(fēng)機運行的約束條件及減載能力不同，低風(fēng)速下受有功輸出限制，減載能力低，僅需“變速法”便可實現(xiàn)減載運行；中風(fēng)速下其轉(zhuǎn)速變動幅度大，因此其減載能力最強，需采用“變速法”和“間接變槳法”實現(xiàn)減載；高風(fēng)速下，其轉(zhuǎn)速已接近額定值，調(diào)節(jié)范圍小，且受風(fēng)電機組運行穩(wěn)定性限制，減載能力低，需采用“變速法”和“間接變槳法”實現(xiàn)減載.

(3)與過去研究成果相比，本文設(shè)計減載控制策略只需設(shè)定不同風(fēng)速下最大ΔPb及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速極限值，即可將“轉(zhuǎn)速”及“槳距”控制系統(tǒng)靈活切換.

(4)下垂控制對頻率響應(yīng)速度快，可瞬間釋放轉(zhuǎn)子動能實現(xiàn)對系統(tǒng)頻率的支撐.

(5)按風(fēng)電機組運行工況優(yōu)化配置各機組減載任務(wù)，可提高多機調(diào)頻效能，減少資源浪費.