黃柯昊，吳水軍，趙偉，董俊，朱博

云南風(fēng)電場(chǎng)一次調(diào)頻的有功功率分配策略研究

黃柯昊1，吳水軍2，趙偉1，董俊1，朱博1

（1. 昆明理工大學(xué) 電力工程學(xué)院，云南 昆明 650500；2. 云南電力試驗(yàn)研究院(集團(tuán))有限公司，云南 昆明 650217）

為了減少新能源裝機(jī)容量逐年增長(zhǎng)對(duì)系統(tǒng)調(diào)頻的危害，防止云南電網(wǎng)高周切機(jī)現(xiàn)象，需要新能源積極參與調(diào)頻過(guò)程，以減緩火電、水電調(diào)頻廠的壓力。由于在機(jī)組層直接調(diào)頻會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電測(cè)頻出現(xiàn)誤差且協(xié)調(diào)性能差，針對(duì)此問(wèn)題，首先在風(fēng)電場(chǎng)層控制中引入綜合慣性控制計(jì)算功率缺額；其次依據(jù)預(yù)測(cè)風(fēng)速將雙饋風(fēng)電機(jī)組分類，利用規(guī)則排隊(duì)法進(jìn)行一次調(diào)頻的有功功率實(shí)時(shí)分配；再依據(jù)預(yù)測(cè)功率在每個(gè)控制周期內(nèi)實(shí)時(shí)刷新各類機(jī)組出力限值，將功率指令實(shí)時(shí)傳遞至機(jī)組層響應(yīng)頻率的變化；最后基于MATLAB/SIMULINK平臺(tái)搭建雙饋風(fēng)電場(chǎng)仿真模型。仿真結(jié)果表明，利用基于風(fēng)速預(yù)測(cè)的規(guī)則排隊(duì)法進(jìn)行功率分配能改善調(diào)頻效果。

一次調(diào)頻；風(fēng)速差異化；風(fēng)速預(yù)測(cè)；規(guī)則排隊(duì)法；實(shí)時(shí)功率分配

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)和運(yùn)行成本逐步降低，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展十分迅速，風(fēng)電滲透水平不斷攀升，裝機(jī)容量已經(jīng)超越了許多發(fā)達(dá)國(guó)家，成為風(fēng)電大國(guó)。截至2017年底，云南電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)風(fēng)電裝機(jī)8 786 MW，約占云南統(tǒng)調(diào)總裝機(jī)的10%。當(dāng)大規(guī)模風(fēng)電并入電網(wǎng)后，風(fēng)電的隨機(jī)性和波動(dòng)性影響著電網(wǎng)的安全運(yùn)行，加大了火電、水電調(diào)頻廠的調(diào)頻壓力，因此新能源參與調(diào)頻的重要性也日益突出，急需風(fēng)電參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)來(lái)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。云南電網(wǎng)的頻率問(wèn)題主要體現(xiàn)在當(dāng)電力系統(tǒng)突然失去負(fù)荷或向非同步系統(tǒng)送電的直流輸電通道突然發(fā)生閉鎖時(shí)，系統(tǒng)頻率升高。如何挖掘雙饋風(fēng)電機(jī)組（doubly fed induction generator，DFIG）的調(diào)頻能力，優(yōu)化調(diào)頻功率分配策略以應(yīng)對(duì)云南電網(wǎng)面臨的高頻問(wèn)題，是本文研究的重點(diǎn)。

相對(duì)于常規(guī)機(jī)組，雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率是解耦的，不能提供慣量響應(yīng)[1-2]。因此文獻(xiàn)[3-4]在風(fēng)電機(jī)組層控制下，提出了一種利用頻率微分得到虛擬慣量的控制方法，使風(fēng)電機(jī)組像同步機(jī)一樣產(chǎn)生慣量參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)。在電網(wǎng)頻率發(fā)生偏移時(shí)，雙饋風(fēng)電機(jī)組可以將儲(chǔ)存的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能釋放出來(lái)增加有功，也可以吸收多余的有功轉(zhuǎn)換為預(yù)留的旋轉(zhuǎn)備用動(dòng)能，能夠短暫地為電網(wǎng)系統(tǒng)提供慣量響應(yīng)[5]。文獻(xiàn)[6-7]利用頻率的偏差得到下垂控制，以此控制轉(zhuǎn)子動(dòng)能進(jìn)行一次調(diào)頻。而文獻(xiàn)[8-10]在虛擬慣量控制的基礎(chǔ)上加入下垂控制形成綜合慣性控制，引入頻率偏差和頻率變化率，利用轉(zhuǎn)子中存儲(chǔ)的動(dòng)能進(jìn)一步提高風(fēng)電機(jī)組的頻率調(diào)整能力，改善電網(wǎng)頻率。文獻(xiàn)[11-12]根據(jù)不同風(fēng)速制定了不同的機(jī)組調(diào)頻控制策略，使調(diào)頻能與不同風(fēng)況相結(jié)合，更貼合實(shí)際。風(fēng)電機(jī)組層進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)能在發(fā)生擾動(dòng)過(guò)程中短暫地響應(yīng)電網(wǎng)系統(tǒng)頻率變化，具有快速性，能提高調(diào)頻效率。

由于雙饋風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電機(jī)組單元數(shù)量多，分布較廣，并不是單臺(tái)風(fēng)機(jī)簡(jiǎn)單疊加，如果直接對(duì)機(jī)組進(jìn)行調(diào)頻會(huì)使各臺(tái)機(jī)組之間的協(xié)調(diào)性能變差，聯(lián)絡(luò)線會(huì)出現(xiàn)功率不可控的情況，并且機(jī)組測(cè)頻諧波含量大，導(dǎo)致風(fēng)電測(cè)頻出現(xiàn)誤差。因此，文獻(xiàn)[13]在雙饋風(fēng)電場(chǎng)控制層加入了下垂控制，將計(jì)算出的待分配功率進(jìn)行有功分配使風(fēng)電機(jī)組間具有協(xié)調(diào)性。若考慮到風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)各機(jī)組的最大出力即裝機(jī)容量，并且裝機(jī)容量不完全相同，文獻(xiàn)[14-15]提出了按風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量比例分配法來(lái)進(jìn)行有功功率分配。在風(fēng)電場(chǎng)層進(jìn)行調(diào)頻分配可使機(jī)組間具有協(xié)調(diào)性，減少風(fēng)電測(cè)頻出現(xiàn)的誤差。

以上文獻(xiàn)對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組層調(diào)頻、雙饋風(fēng)電場(chǎng)層計(jì)算待分配功率方式以及調(diào)頻分配策略進(jìn)行了大量的研究，取得了顯著的成效。但在風(fēng)電場(chǎng)層控制加入綜合慣性控制的研究較少，同時(shí)在實(shí)際工程中各臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)速有差異，根據(jù)平均分配方法和風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量比例分配法進(jìn)行分配不能應(yīng)對(duì)復(fù)雜的實(shí)際工程，考慮預(yù)測(cè)風(fēng)速進(jìn)行分群，并少有文獻(xiàn)對(duì)其進(jìn)行一次調(diào)頻實(shí)時(shí)功率分配的研究。因此，本文結(jié)合云南風(fēng)電場(chǎng)在異步聯(lián)網(wǎng)背景下針對(duì)外送直流通道閉鎖時(shí)面臨的高頻問(wèn)題，以預(yù)測(cè)風(fēng)速作為雙饋風(fēng)電機(jī)組分群依據(jù)，并在風(fēng)電場(chǎng)層控制中加入綜合慣性控制計(jì)算功率缺額，依據(jù)預(yù)測(cè)功率在每個(gè)控制周期內(nèi)實(shí)時(shí)刷新各類機(jī)組出力限值，利用基于風(fēng)速預(yù)測(cè)的規(guī)則排隊(duì)法進(jìn)行實(shí)時(shí)功率分配。

1 風(fēng)電場(chǎng)有功控制原理

風(fēng)電場(chǎng)控制主要分為3層：電網(wǎng)層、風(fēng)電場(chǎng)層以及風(fēng)電機(jī)組層[16-18]。本文對(duì)風(fēng)電場(chǎng)參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的有功功率分配主要集中在風(fēng)電場(chǎng)層[19-20]。風(fēng)電場(chǎng)層有功的控制過(guò)程如圖1所示。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)層有功功率控制框圖

首先從各臺(tái)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)采集到電壓abc作為鎖相環(huán)（PLL）的輸入，然后由PLL得到風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)的頻率，作為綜合慣性控制的輸入，再運(yùn)用虛擬慣量控制的頻率微分以及下垂控制的頻率偏差得到風(fēng)電場(chǎng)待分配功率Δcom。如式（1）所示：

式中：Δcom為整個(gè)風(fēng)場(chǎng)層有功的缺額量，即待分配量；k為虛擬慣量系數(shù)；R為下垂系數(shù)；為風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的頻率；Δ為頻率的偏差。

2 基于風(fēng)速預(yù)測(cè)的規(guī)則排隊(duì)法有功分配

基于風(fēng)速預(yù)測(cè)的規(guī)則排隊(duì)法有功功率分配流程圖如圖2所示。

2.1 風(fēng)速的預(yù)測(cè)

圖2 基于風(fēng)速預(yù)測(cè)的規(guī)則排隊(duì)法分配流程圖

式中：為空氣密度；為葉輪半徑；P為風(fēng)能利用系數(shù)。

2.2 風(fēng)電機(jī)組分群

由于風(fēng)場(chǎng)內(nèi)的各臺(tái)風(fēng)電機(jī)組所處海拔不同，因此預(yù)測(cè)到的風(fēng)速可能出現(xiàn)風(fēng)速差異化的情況。為了能盡可能接近風(fēng)場(chǎng)的實(shí)際情況，以預(yù)測(cè)風(fēng)速為依據(jù)把風(fēng)場(chǎng)內(nèi)機(jī)組劃分為4類不同的機(jī)組。

2.3 風(fēng)電機(jī)組出力上下限的確定

2.4 風(fēng)電機(jī)組的升、降功率能力

每類風(fēng)機(jī)的升、降功率能力值通過(guò)式（5）（6）計(jì)算：

2.5 降功率排序

機(jī)組是否需要進(jìn)行降功率是由待分配量Δcom的正負(fù)決定。如果Δcom小于零表明需要進(jìn)行降功率控制，反之就需要升功率控制。現(xiàn)以降功率控制為例進(jìn)行分析。

表1 不同情況下各臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的功率補(bǔ)償量

（1）一類機(jī)組降功率

（2）二類機(jī)組降功率

（3）三類機(jī)組降功率

（4）四類機(jī)組降功率

（5）所有機(jī)組均不滿足降功率控制

若所有種類機(jī)組降功率能力之和仍小于待分配量，風(fēng)場(chǎng)內(nèi)所有機(jī)組按出力下限運(yùn)行，盡量抑制頻率的抬升，每類機(jī)組的功率補(bǔ)償量與工況（4）相同。

由于升功率控制與降功率控制策略相似，只有分配順序與降功率順序不同。

3 仿真分析

3.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本文結(jié)合云南某風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行特性，利用MATLAB/SIMULINK仿真軟件構(gòu)建如圖3所示雙饋風(fēng)電接入系統(tǒng)的仿真模型。預(yù)測(cè)風(fēng)速如圖4所示，首先將整個(gè)風(fēng)場(chǎng)機(jī)組劃分為4類，并將風(fēng)速基本一致的機(jī)組用一臺(tái)DFIG等值。整個(gè)風(fēng)場(chǎng)被等值為4臺(tái)機(jī)組，總裝機(jī)容量為6 MW（4×1.5 MW）。選擇了初始風(fēng)速9 m/s和10 m/s的機(jī)組作為低風(fēng)速群第1臺(tái)和第2臺(tái)機(jī)組，即DFIG1_1和DFIG1_2；初始風(fēng)速13 m/s和15 m/s的機(jī)組作為高風(fēng)速群第1臺(tái)和第2臺(tái)機(jī)組，即DFIG2_1和DFIG2_2。風(fēng)場(chǎng)內(nèi)部每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組都經(jīng)25 kV/575 V的箱變升壓后匯集到PCC，最后經(jīng)120 kV/25 kV的主變T1升壓后并入電網(wǎng)，L為風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)出口處的就地負(fù)荷。

圖3 風(fēng)電場(chǎng)分群后的系統(tǒng)圖

圖4 降功率控制中4臺(tái)風(fēng)機(jī)風(fēng)速的預(yù)測(cè)

3.2 降功率指令分配情況

在1 s時(shí)，PCC點(diǎn)切除2.76 MW負(fù)荷，產(chǎn)生高頻問(wèn)題，需要降功率控制。

圖5為并網(wǎng)點(diǎn)功率待分配量Δcom與風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際降功率對(duì)比圖。在運(yùn)用基于風(fēng)速預(yù)測(cè)的規(guī)則排隊(duì)法調(diào)頻分配后，高頻問(wèn)題最嚴(yán)重時(shí)功率減少了0.985 MW，占待分配量3.343 MW的29.46%，此時(shí)補(bǔ)償功率未達(dá)到待分配功率，因?yàn)樗袡C(jī)組只能按出力下限運(yùn)行，在允許下降的功率范圍內(nèi)才能保證安全穩(wěn)定運(yùn)行，滿足情況（5）。為進(jìn)一步驗(yàn)證規(guī)則排隊(duì)法的有效性，選取兩個(gè)不同時(shí)刻的待分配量Δcom與實(shí)際下降功率值作對(duì)比，如表2所示。

圖5 并網(wǎng)點(diǎn)功率缺額與風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際降功率對(duì)比

表2 不同時(shí)刻的待分配功率及實(shí)際降功率值

由表2可知，在1.016 3 s時(shí)，所有種類機(jī)組實(shí)際降功率值之和為0.590 0 MW，大于待分配功率絕對(duì)值0.467 3 MW。低、高風(fēng)速群降功率的風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)如圖6所示。由圖6（a）可知，前3臺(tái)機(jī)組降功率能力之和能滿足待分配量，第4臺(tái)機(jī)組DFIG1_1并沒(méi)有參與到調(diào)頻分配中，有3臺(tái)機(jī)組共同參與降功率，分別為高風(fēng)速群機(jī)組DFIG2_2、DFIG2_1以及低風(fēng)速群機(jī)組DFIG1_2，因此對(duì)應(yīng)表1第（3）種情況。

而在1.093 0 s時(shí)，所有種類機(jī)組實(shí)際降功率值之和為0.831 0 MW，大于待分配功率絕對(duì)值0.815 6 MW。對(duì)應(yīng)圖5（b）可知，有4臺(tái)機(jī)組共同參與降功率，分別為高風(fēng)速群DFIG2_2和DFIG2_1，以及低風(fēng)速群DFIG1_2和DFIG1_1，對(duì)應(yīng)表1第（4）種情況。

3.3 調(diào)頻效果仿真分析

如圖4所示為4臺(tái)機(jī)組超短期預(yù)測(cè)的風(fēng)速情況，選擇預(yù)測(cè)時(shí)段為1～10 s，預(yù)測(cè)周期為9 s。

據(jù)式（2）計(jì)算預(yù)測(cè)功率，選擇預(yù)測(cè)周期內(nèi)各類機(jī)組功率最小值作為各自的功率出力下限，結(jié)果如表3所示。

表3 根據(jù)預(yù)測(cè)得到各類機(jī)組出力下限

在1 s時(shí)PCC點(diǎn)切除2.76 MW負(fù)荷誘發(fā)高頻問(wèn)題，高、低風(fēng)速群機(jī)組有功功率如圖7、8所示。由于高風(fēng)速機(jī)組可降功率比較多先從高風(fēng)速機(jī)組開(kāi)始降功率控制，依據(jù)可降功率能力大小確定降功率順序?yàn)椋篋FIG2_2，DFIG2_1，DFIG1_2，DFIG1_1。

圖7 高風(fēng)速群機(jī)組有功功率

圖8 低風(fēng)速群機(jī)組有功功率

在1 s時(shí)發(fā)生高頻問(wèn)題。以圖7（a）為例，無(wú)附加調(diào)頻分配時(shí)，DFIG2_2機(jī)組不能持續(xù)降功率，功率從1.5 MW短暫地下降到1.389 MW又迅速回升，持續(xù)0.035 s左右；而附加調(diào)頻分配以后，根據(jù)算法可知DFIG2_2機(jī)組有富余的降功率能力，使風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速將多余的有功功率儲(chǔ)存，并減小風(fēng)機(jī)的有功輸出，在1 s以后從1.5 MW下降到1.233 MW，持續(xù)0.25 s左右。圖7（b）、圖8（a）和圖8（b）為其余3臺(tái)機(jī)組有功功率變化趨勢(shì)圖，由于DFIG2_1、DFIG1_2和DFIG1_1機(jī)組有、無(wú)附加調(diào)頻分配的有功功率下降趨勢(shì)與DFIG2_2機(jī)組大致相同，4臺(tái)機(jī)組在故障期間均能有效地降低功率。

并網(wǎng)點(diǎn)頻率變化趨勢(shì)如圖9所示。當(dāng)1 s時(shí)系統(tǒng)發(fā)生高頻問(wèn)題，系統(tǒng)無(wú)附加調(diào)頻分配時(shí)有功功率過(guò)剩，頻率升至50.358 Hz；若系統(tǒng)附加調(diào)頻分配后，各類機(jī)組在各自參與降功率的時(shí)間段內(nèi)，減少有功功率輸出，使系統(tǒng)過(guò)剩的有功功率下降，頻率降低至50.287 Hz，有效抑制了并網(wǎng)點(diǎn)頻率的上升。

圖9 降功率控制風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)頻率圖

4 結(jié)論

本文在風(fēng)場(chǎng)層下垂控制的基礎(chǔ)上引入虛擬慣量控制形成綜合慣性控制，計(jì)算待分配功率；為了能盡可能地接近實(shí)際風(fēng)場(chǎng)的情況，根據(jù)預(yù)測(cè)風(fēng)速對(duì)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行風(fēng)速差異化分群；最后針對(duì)高頻問(wèn)題，利用基于風(fēng)速預(yù)測(cè)的規(guī)則排隊(duì)法進(jìn)行有效性驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，基于風(fēng)速預(yù)測(cè)的規(guī)則排隊(duì)法能夠根據(jù)待分配功率的大小對(duì)風(fēng)電場(chǎng)層的有功進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，從而響應(yīng)頻率的實(shí)時(shí)變化，有改善頻率效果，可完成風(fēng)電場(chǎng)的一次頻率調(diào)整，降低測(cè)頻出現(xiàn)誤差并使風(fēng)場(chǎng)內(nèi)各機(jī)組間具有協(xié)調(diào)性。

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Research on Active Power Allocation Strategy of Primary Frequency Regulation in Yunnan Province Wind Farms

HUANG Kehao1, WU Shuijun2, ZHAO Wei1, DONG Jun1, ZHU Bo1

(1. Faculty of Electric Power Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China;2. Yunnan Electric Power Test & Research Institute (Group) Co., Ltd., Kunming 650217, China)

In order to reduce the harm of new energy installed capacity increasing year by year to system frequency regulation, and to prevent phenomenon of high frequency generator trip in Yunnan Power Grid, new energy is needed to actively participate in frequency regulation process to reduce the frequency regulation pressure of thermal power plant and hydropower plant. Direct frequency regulation at the wind turbine level will lead to errors in frequency measurement and poor coordination performance. In order to solve this problem, firstly, the integrated inertial control is introduced into the wind farm layer control to calculate the power shortage. Secondly, thedoubly fed induction generators (DFIG) are classified according to the predicted wind speed, and the regular queuing method is used to allocate the active power of primary frequency regulation in real time. Then, according to the predicted power, the output limits of various units are refreshed in each control cycle in real time, and the power command is transmitted to the unit layer in real time to respond to the change of frequency. Finally, the simulation model of doubly fed wind farm is built based on MATLAB/Simulink platform. The simulation results show that the frequency regulation effect is improved by using the regular queuing method based on wind speed prediction.

primary frequency regulation; differentiation of wind speed; wind speed prediction; regular queuing method; real time power allocation

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2021.08.003

TM73

A

1672-0792(2021)08-0018-09

2021-05-31

國(guó)家基金重點(diǎn)項(xiàng)目（52037003）；云南省重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目（202002AF080001）

黃柯昊（1995—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)樾履茉磪⑴c一次調(diào)頻策略；

吳水軍（1980—），男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾履茉唇尤雽?duì)電力系統(tǒng)的影響；

趙 偉（1994—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)樾履茉磪⑴c一次調(diào)頻策略；

董 ?。?977—），男，講師，研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)故障檢測(cè)與保護(hù)控制、新能源發(fā)電控制；

朱 博（1997—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)樾履茉磪⑴c一次調(diào)頻策略。