曾德燦，黃劍鋒

（惠州學院 電子信息與電氣工程學院，廣東 惠州 516007）

以雙饋風力發(fā)電機為主要機型的風電場對電網(wǎng)的系統(tǒng)慣性沒有貢獻［1］，這不利于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性的維持．GILLIAN L等［2］對愛爾蘭國家的局部電網(wǎng)進行了探索，MILLER N W等［3］對美國的公布式微電網(wǎng)進行了探索，鄭黎明等［4］通過仿真實驗的方式研究了風場占主電網(wǎng)的比重的大小對電網(wǎng)頻率穩(wěn)定影響越大．對于雙饋型風力發(fā)電機參與電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)節(jié)主流的有2種研究思路：一是增加系統(tǒng)虛擬慣性，二是儲備功率．MORREN J等［5］提出在電網(wǎng)頻率變化時改變風力機風輪的轉(zhuǎn)速來提高系統(tǒng)的虛擬慣性．國內(nèi)關于電網(wǎng)頻率波動的雙饋風力發(fā)電機并網(wǎng)控制的研究尚少，李和明等［6］提出在低風速階段增加虛擬慣性，間接提高了風力機在低風速階段并網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性．

本文通過引入電網(wǎng)頻率變化參數(shù)設計虛擬慣性控制環(huán)，增加系統(tǒng)虛擬慣性，通過改進轉(zhuǎn)速控制器和槳距控制器使風力機的減載運行，使風場儲備功率．通過Matlab/Simulink建立以水電為主風電為輔的兩區(qū)域兩機電力系統(tǒng)模型，驗證不同風況下設計的有效性．

1 影響電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的因素與傳統(tǒng)雙饋風力機的控制策略

1.1 影響電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的因素

以同步發(fā)電機為主的傳統(tǒng)電網(wǎng)中頻率是維持穩(wěn)定的［4］，其中發(fā)電機的轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)的功率與負載的關系可表示如下：

其中，J為發(fā)電機的轉(zhuǎn)動慣量，ωs為發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，Pgen表示發(fā)電機的向電力系統(tǒng)輸送的功率，Pload則為電網(wǎng)總負載，p為同步發(fā)電機的極對數(shù)．

由式（1）、（2）可知影響電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的主要因素有J、Pgen、Pload，同時由電力系統(tǒng)的負載發(fā)生突變時將會引起電系統(tǒng)的頻率的變化（圖1）.可以看出負載變化量一定的情況下，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量J越大，頻率的變化量就越小，即相對大的系統(tǒng)慣量能夠起到穩(wěn)定系統(tǒng)頻率的作用．

圖1 電網(wǎng)頻率隨負載突變產(chǎn)生變化

1.2 傳統(tǒng)的雙饋風力發(fā)電機控制策略

傳統(tǒng)的雙饋風力發(fā)電機的控制策略主要分2個階段：在額定風速以下階段，風力發(fā)電機保持槳距角不變，通過控制發(fā)電機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)最大風能捕獲；在高于額定風速階段，主要通過調(diào)節(jié)槳距角，限制風力機獲取能量，控制風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速和功率，確保風力機功率恒定輸出．

其中，低風速階段典型的速度控制環(huán)如圖2所示．發(fā)電機的轉(zhuǎn)速可以通過由P-ω關系得到，反應了風中處于最大風能捕獲時發(fā)電機轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律［7］．

圖2 轉(zhuǎn)速控制器

當功率在0.75 pu以下時，電機的參考轉(zhuǎn)速的計算公式如下．

當功率高于0.75 pu時，電機的參考轉(zhuǎn)速維持在1.2 pu．

典型的槳距控制環(huán)如圖3，槳距控制用于限制高于額定風速時風機輸出功率的穩(wěn)定性．

圖3 槳距控制器

傳統(tǒng)的控制器只是針對單臺風機的控制，變速恒頻控制的雙饋風力發(fā)電機使得發(fā)電機的轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率解耦，沒有涉及到并網(wǎng)頻率的控制，即電網(wǎng)頻率的變化將與風機的轉(zhuǎn)速無關，所以傳統(tǒng)的控制器不具備頻率響應能力．因此，雙饋風力發(fā)電機的并網(wǎng)對電網(wǎng)的系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性沒有貢獻．

2 仿真建模與控制策略的改進

2.1 兩區(qū)域兩機電網(wǎng)模型

為研究雙饋風力發(fā)電機并網(wǎng)對電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的影響，利用Matlab/Simulink仿真軟件建立了以450 MW水電為主，10臺*1.5 MW的雙饋風電機組成的風電場為輔的兩區(qū)域兩機電力系統(tǒng)的模型（圖4）．

圖4 兩區(qū)域兩機模型

2.2 并網(wǎng)型雙饋風力機的控制策略改進

傳統(tǒng)的并網(wǎng)型雙饋風力機的控制策略對系統(tǒng)慣性沒有貢獻．因此，本文設計了虛擬轉(zhuǎn)矩控制環(huán)節(jié)（圖5），為虛擬慣性控制做好準備.圖5中：f為測得電網(wǎng)實時頻率，f0為電網(wǎng)工頻，LPF為低通濾波器，HPF為高通濾波器，Tinertia為輸出的虛擬慣性轉(zhuǎn)矩．

圖5 虛擬轉(zhuǎn)矩控制環(huán)節(jié)

此外，為了儲備功率，可通過超速控制設計風力機的減載運行控制環(huán)節(jié)［4］．綜合增加虛擬慣性和儲備功率的思路設計了改進后的轉(zhuǎn)速控制器（圖6），圖6虛框內(nèi)的A為增加了虛擬慣性轉(zhuǎn)矩Tinertia作為輸入的虛擬慣性控制環(huán)節(jié)．虛框B是以超速運設計的減載運行控制環(huán)節(jié)，p-ω關系圖中的虛線為風機減載運行的功率-轉(zhuǎn)速運行曲線，即按最大功率捕獲時功率的1-X%運行，則X%為儲備能量．

圖6 改進后的轉(zhuǎn)速控制器

傳統(tǒng)的槳距控制器只在高風速下切入控制，以獲得恒定功率的輸出．根據(jù)文獻［4］，槳距控制器還可以在任何風速下實現(xiàn)風力的減載運行．風力機減載運行可為風場儲備有功功率，根據(jù)這一思路對風力機的槳距控制器進行改進（圖7），圖7虛框C內(nèi)的減載功率與槳距角的關系，輸入為減載X%，即可視為儲備能量.f為測得電網(wǎng)實時頻率，f0為電網(wǎng)工頻，LPF為低通濾波器，即為將電網(wǎng)頻率變化參數(shù)作為槳距控制的輸入．

圖7 改進后的槳距控制器

改進后的槳距控制器不再只是運用于額定風速以上，而可以工作于整個運行階段的用于減載運行控制．當電網(wǎng)頻率波動時可通過槳距調(diào)節(jié)向電網(wǎng)輸出有功功率，幫助電網(wǎng)頻率的恢復．

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 低風速下的慣性控制

為驗證慣性控制對雙饋風機參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的效果，作如下工況下的仿真：

仿真工況：風場風速為8 m/s，水電機組為450 M，風力發(fā)電機組150 M，負載為200 M，1～3 s系統(tǒng)增加20 M負載．

仿真結(jié)果由圖8可知，增加虛擬慣性控制環(huán)的轉(zhuǎn)速控制，當頻率變化時可以對電網(wǎng)頻率提供短暫的支持，頻率的最大跌落值提高了0.15 Hz．但是20多處出了小幅度的二次跌落，之后快速回歸穩(wěn)態(tài)．

圖8 有無慣性控制的仿真結(jié)果對比

3.2 低風速下的減載運行控制

減載運行是通過減少風機功率輸出，達到能量儲備的目的，當頻率跌落時啟用備用能量，使得頻率恢復.

仿真工況：風場風速為8 m/s，水電機組為450 M，風力發(fā)電機組150 M，負載為200 M，1～3 s系統(tǒng)增加20 M負載．

仿真結(jié)果由圖9得知，低風速下的減載運行控制對電網(wǎng)頻率下降的最大值起到了抑制的作用．下降的最大值由原來的0.52 Hz，縮小為0.46 Hz．

圖9 有無減載運行控制的仿真結(jié)果對比

3.3 高風速下混合控制

風機運行于高風速段時，傳統(tǒng)的控制方法是調(diào)槳控制．本文采用改進后的慣性控制與減載運行控制策略相結(jié)合的控制策略．

仿真工況：風場風速為13 m/s，水電機組為450 M，風力發(fā)電機組150 M，負載為200 M，1～3 s系統(tǒng)增加20 M負載．

仿真結(jié)果由圖10可知，傳統(tǒng)的單個槳距控制運行的結(jié)果是系統(tǒng)頻率下降的最大值為0.36 Hz，混合控制運行下的頻率下降最大值是0.26 Hz，混合控制的結(jié)果更優(yōu)于傳統(tǒng)控制．

圖10 有無混合控制策略的仿真結(jié)果對比

4 結(jié)論

針對雙饋風力發(fā)電機并網(wǎng)對局部電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定沒有貢獻的情況，本文提出將電網(wǎng)頻率變化信息引入傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制器和槳距控制器，設計虛擬慣性控制環(huán)和減載運行控制環(huán)，同時對風力機的過程控制進行調(diào)整，低風速時選擇虛擬慣性控制或者減載運行控制，高風速時則選擇混合控制策略．建立兩機兩區(qū)域仿真模型，用于驗證所改進的控制策略，由結(jié)果分析知，額定風速以下的虛擬慣性控制和減載運行控制，以及額定風速以上的混合控制，均可使雙饋風力發(fā)電機對電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定起到一定的作用．

然而，這2種控制方式都存在著不足的地方，虛擬慣性控制可以在風力機實現(xiàn)在最大風能捕獲的情況下為系統(tǒng)提供短暫的功率支持，但風輪的速度變化會引起電網(wǎng)頻率的二次跌落，同時轉(zhuǎn)速可能觸及轉(zhuǎn)速極限．減載運行控制策略在高低風速下均可使用，但是減載運行將降低風機的效率，以槳距控制實現(xiàn)的減載運行可能引起變槳機構的磨損，影響部件壽命．總得來說，對于風資源豐富且長期工作的風電場而言，犧牲小的風機效率以獲得大規(guī)模的雙饋風力發(fā)電機組的并網(wǎng)運行是值得的．后續(xù)研究可對風力機的轉(zhuǎn)速控制器與槳距控制器以及全階段的過程控制進行優(yōu)化，并進行更多的實地驗證，以尋求風電并網(wǎng)控制的最優(yōu)控制策略．