王明揚，白 迪

（沈陽工程學院 a.研究生部；b.電力學院，遼寧 沈陽 110136）

隨著風力發(fā)電對電網的滲透不斷地增加，這給電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行帶來了一系列的挑戰(zhàn)，尤其是在有功功率控制方面。風電場調頻的目的是當電網頻率發(fā)生變化時，同步發(fā)電機會響應這種變化，風電場也會迅速改變其輸出有功功率并參與頻率恢復過程。與同步發(fā)電機相比，由于風的隨機性，風電場的頻率調節(jié)將更難以實現。

雙饋式風力發(fā)電機（DFIG）是風電行業(yè)中使用最廣泛的機型。其基本原理是通過電子變換技術調節(jié)風電機組的輸出與電網同步，實現轉子轉速和電網頻率的解耦，避免了對轉子轉速的苛刻要求。通過轉子側變流器控制轉子電壓，可以在一定程度上單獨控制DFIG的有功和無功功率輸出，但也無法響應系統(tǒng)頻率的變化。目前的風電場通常采用最大功率-轉子速度曲線，在不同風速下進行最大功率跟蹤。因此，在系統(tǒng)頻率下降時無法提供有功功率。隨著電網中風電滲透率的增加，電網中將需要配置更多的旋轉備用容量來消除瞬時的功率不平衡。因此，為了使風電場具備頻率調節(jié)能力以及響應電網頻率變化，風電場必須預留一些有功功率，這就使風力發(fā)電機必須從最大功率跟蹤狀態(tài)轉移到次優(yōu)點發(fā)電，這也必然導致風電場的經濟效益降低。文獻［1-3］研究風力風機的旋轉質量釋放能量；文獻［4］從最大有功功率跟蹤曲線減載風力機運行，以實現有功儲備。本文的研究重點是風電場頻率調節(jié)能力，將結合槳距角、轉子速度控制以及慣性控制。通過對比轉子速度控制（RSC）與慣性和槳距角控制（PAC），驗證了在使用不同的控制方式下，對系統(tǒng)頻率最低點的改善，實現短期和長期調頻控制。

1 風電機組參與一次調頻的基本原理

在電力系統(tǒng)中，通過平衡發(fā)電機發(fā)電量與負荷需求之間的關系來控制頻率。當發(fā)電機突然發(fā)生故障或接入大型負載時，系統(tǒng)頻率開始跌落，其跌落速度取決于系統(tǒng)的轉動慣量，此時發(fā)電廠需提供額外的頻率響應，即一次和二次調頻。一次調頻是有差調節(jié)，由發(fā)電機自動調速器提供額外輸出功率，限制電網頻率的變化，持續(xù)時間為10～30 s；二次調頻采用慢速調頻控制環(huán)節(jié)將頻率恢復到額定值，持續(xù)時間為30 s～30 min，為無差調節(jié)。隨著變速風電機接入的增加，系統(tǒng)的轉動慣量降低，響應系統(tǒng)頻率變化的能力下降。但風機轉子中旋轉的動能較為可觀，通過調整轉子轉速控制策略，使機組能夠響應系統(tǒng)頻率的變化，具備類似于傳統(tǒng)機組的慣性響應特性，其慣性時間約為2～6 s。當頻率偏差超過一定限值時，通過變速系統(tǒng)調節(jié)機組出力，從而參與系統(tǒng)的一次調頻，為系統(tǒng)頻率提供頻率支撐［5］。

2 雙饋風電機組的調頻策略

2.1 慣性控制

轉子慣性控制（Inertial control）是風電機組運行過程中，通過改變機組轉子側變流器的電流給定，控制轉子速度發(fā)生臨時性變化情況時短時釋放/吸收風電機組旋轉質體所存儲的部分動能，以快速響應系統(tǒng)頻率的暫態(tài)變化。

對于同步發(fā)電機，當電網頻率下降時，同步機轉速降低，旋轉動能釋放。對于風電場，需要附加額外的控制環(huán)節(jié)，如圖1所示，需要添加功率控制，以在電網頻率偏移期間利用存儲在風機葉片以及轉子中的動能。風機具有的旋轉動能E可由轉子轉速ω和轉動慣量J表示為

從旋轉質量提取的功率描述如下：

發(fā)電機組利用其旋轉動能維持功率輸出持續(xù)的時間稱為慣性時間常數，可將其定義為

式中，ωs為轉子額定轉速；S為視在功率。

將式（2）中J代入式（3）中，用標么值表示為

所釋放的功率與等效轉動慣量J、轉子轉速ω和轉子轉速的變化率dω/dt有關。對于耦合電網頻率變化，式（2）中的dω/dt由慣性控制回路的電網頻率變化率dfgrid/dt代替，如圖1所示。式（2）中的系數J、ω可以用作控制系數Kic。利用風機轉子轉速ω，從DFIG的功率-轉速特性曲線獲得最優(yōu)功率信號Popt。當電網頻率改變時，慣性控制回路負責將附加的功率調節(jié)信號ΔPic發(fā)送到參考功率Pref。Pref和Pmea之間的功率誤差信號Perr由轉子側變流器控制，調節(jié)發(fā)電機轉子電流Iqr。在DFIG控制器中增加一個輔助控制回路，使葉片慣性響應支持電網中的一次頻率控制。

圖1 雙饋風力發(fā)電機慣性控制

2.2 槳距角控制

槳距角控制（Pitch angle control）是通過改變槳葉的迎風角度限制風機輸入的機械能量，使其處于最大功率點之下的某一運行點［6］，從而留出一定的備用容量。在風況一定的情況下，槳距角越大，機組留有的備用容量也就越大。由于葉片槳距最初處于減載操作狀態(tài)，風機可以根據系統(tǒng)調頻需求提供更多的有功功率，幫助恢復頻率。

圖2 同槳距角下轉子轉速的風力機機械功率曲線

在額定風速Vw=12 m/s和特定風機葉片角度下，從風中獲取的機械功率僅與DFIG轉子速度相關，如圖2所示［7］。DFIGPAC設計用于輸出不同槳距角的最大功率。不同槳距角下的最大功率隨轉子速度幾乎呈線性變化。這條穿過圖2中所有曲線的虛線是不同槳距角β和變化的轉子速度ω的最大機械功率軌跡。對于Pmax隨ω的變化，這種關系如式（5）所示。

類似地，Pm和β的關系為

式中，Pmax、Pm為風機最大功率和輸入功率；K1、K2、K3和K4是線性擬合函數的系數。

圖2顯示了額定風速下的Pm曲線，對于其他風速可以獲得類似的曲線。

由于本文的主要目的是測試風電場的頻率調節(jié)能力，因此風機、變速箱、軸和發(fā)電機的傳動系統(tǒng)簡單地集中在一個等效的公共軸上。傳動系的單質量模型為

式中，Htot為等效慣性時間常數；Tm為機械轉矩；Te為電磁轉矩；Ps為定子輸出功率。

DFIG下垂特性被認為與同步電機相同。因此，當系統(tǒng)負荷增加時，風電場可以像同步電機一樣參與負荷分配。電網頻率恢復的PAC方案如圖3所示。

圖3 槳距角控制

風力風機的機械功率參考Pref由初始機械功率Pmo和補償功率ΔP決定。補償功率與風力發(fā)電場的下垂特性和電網頻率變化Δf有關。如果系統(tǒng)頻率下降，風電場預計產生的補償功率由下列公式給定：

式中，fref是穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)頻率；fgrid是測量的系統(tǒng)頻率。

2.3 轉子轉速控制

轉子轉速控制（Rotor speed control）是使風機轉子運行在次優(yōu)轉速下，以便在頻率偏差的情況下提供一定量的功率儲備?；陲L機功率-轉子速度曲線實現轉子速度控制，利用輸出功率和DFIG轉子速度之間的關系，捕獲在不同風速下的最大跟蹤功率，發(fā)電機轉子速度應隨風速變化并保持最佳的葉尖速比。

風力發(fā)電場的轉子速度控制的基礎是風力機在減載模式下工作，當電網頻率下降時可以將預留功率釋放到電網中。風力機的輸入機械功率與風速、葉片槳距角和轉子速度有關。機械功率Pm、風速Vw和轉子速度ω的關系如圖4所示。為了儲備10%備用容量，對于Vw=12 m/s的額定風速，風力機應在最大功率點C（Pmax=1.0 pu）下減載運行，同時存在兩個平衡點A和B（Pm=0.9 pu），在不同的風速下，總是可以找到兩個在90%的Pmax減載工作點。連接所有減載的操作點，可以獲得左和右減載參考曲線。

圖4中左、右減載功率參考曲線可以應用于具有可變風速的風電場頻率調節(jié)。當處于C點時，風機輸出最大功率，對應著最大功率點處的轉速。如果此時控制風機轉速超過C點轉速，則風機的輸出功率減小，保留了一部分備用容量。如果需要增加風機的輸出功率，控制風機轉速下降至圖中的D點，此時，機械功率和電磁功率再次達到了平衡，從而實現了有功控制。對于恒定風速和風電場初始輸出功率為P0時，圖4所示的A是不穩(wěn)定點，而B是穩(wěn)定點。因為在電網頻率下降時，風電場需要提供更多的有功功率ΔP。在點A處，電磁轉矩Pe=Po+ΔP將大于機械功率Pm，風力機上的不平衡轉矩將導致轉子減速。因此，風力機將無法提取足夠的機械功率。轉子減速和較小的機械功率提取的過程將一直持續(xù)到風力機停滯。另一方面，如果電網頻率上升，風電場會減少輸出的有功功率，隨后，機械功率Pm將大于電磁轉矩Pe，不平衡扭矩將導致轉子加速并提取更多的機械功率ΔP。這個過程將一直持續(xù)到在曲線C-B上找到一個新的平衡點。

轉子速度與式（7）給出的機械扭矩和電磁扭矩有關。隨著電網頻率的變化，由于干擾，ωs不能簡單地假設在1 pu不變。為了方便，定子側功率Ps和電網頻率ωs用電力Pe和轉子速度ω表示。轉矩方程描述為

風力發(fā)電場的轉子轉速控制流程如圖5所示。風電P0是初始風電場輸出功率，在電網頻率恢復期間保持恒定。預期在頻率下降期間，利用其下垂特性輸出額外的有功功率。

圖5 轉子轉速控制

3 實驗及結果分析

本文所提出的控制方案在圖6所示的4總線系統(tǒng)上進行測試。在總線1上為公共電網。在總線2上的負載變化導致電網頻率的變化。具有相關DFIG和轉換器的風力機位于總線4上。在初始基頻角β0=1.6°時，保留了10%的功率用于頻率調節(jié)。

圖6 測試系統(tǒng)

隨著負荷的變化，比較了PAC及慣性控制。在T=1.2 s時，負載從5.9 MW增加到6.5 MW，需要風力發(fā)電場提供額外的功率來維持電網負載平衡和恢復頻率。在沒有頻率控制環(huán)節(jié)的情況下，風力發(fā)電場的輸出功率保持不變，同步發(fā)電機提高了負荷，電網頻率如圖7所示。通過慣性控制，風電場旋轉質量的動能迅速釋放到電網，以確保電網頻率不會突降。慣性控制和PAC控制將電網最小頻率從49.81 Hz分別提高到49.86 Hz和49.84 Hz；同樣也可以清楚地看出，通過慣性控制，風力發(fā)電場不能長時間穩(wěn)定地輸出額外功率。對于槳距角控制，雖然由于機械響應較慢而無法快速增加有功輸出，但能夠穩(wěn)定地提供有功輸出，提高頻率調節(jié)能力。圖8顯示了對于相同的負載增加，具有轉子速度控制的風力發(fā)電場頻率調整的能力。在圖7和圖8中，RSC可以提供比慣性控制更多的有功功率支持來改善最小電網頻率。

圖7 響應負載增加慣性和PAC控制系統(tǒng)頻率變化

圖8 響應負載增加轉子轉速控制系統(tǒng)頻率變化

4 結論

本文研究并比較了慣性、槳距角和轉子轉速3種類型的控制方法。

慣性控制可以極大地幫助管理頻率偏移，但是轉子不能長時間處于轉速上升或下降階段，僅能在短時間內表現良好，并且變速風機轉子速度存在極值約束，不能作為長期調頻使用。

RSC能夠通過以次優(yōu)的轉子速度減載運行，提供備用電力。通過調節(jié)轉子速度，可以在調頻期間將額外的功率提供給電網。RSC響應迅速，它能夠比PAC更好地抑制頻率偏差開始時的頻率下降或上升。還能夠在很長一段時間內提供頻率支持。RSC的缺點是存在控制盲區(qū)，由于風力機本身對轉子轉速的限制，只能工作在特定的風速區(qū)間。

槳距角控制能夠使風力機功率轉速曲線整體下移減載運行，留有備用功率。槳距角控制的調節(jié)能力較強，調節(jié)范圍較大，可以實現全風速下的功率控制。但由于其執(zhí)行機構為機械部件，風電場不能快速地輸出備用功率來抑制電網頻率的初始下降，最低點頻率改善并不明顯。

在分析和仿真結果的基礎上，可以得出慣性控制和RSC都能快速響應電網頻率降低改善最小電網頻率，幫助恢復電網頻率的最優(yōu)點。慣控制性響應迅速但對穩(wěn)態(tài)偏移無支撐；槳距角控制響應慢，但能夠長期有功支撐，兩種控制方式存在互補性，因此可以將不同的調頻方式組合起來，更好的幫助系統(tǒng)頻率的支撐。