何廷一，孫 領(lǐng)，王晨光，李勝男，李崇濤，陳亦平

避免頻率二次跌落的風(fēng)電場一次調(diào)頻功率分配方法

何廷一1，孫 領(lǐng)2，王晨光2，李勝男1，李崇濤2，陳亦平3

(1.云南電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217；2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710049；3.中國南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，廣東 廣州 510623)

風(fēng)電場基于下垂控制參與系統(tǒng)一次調(diào)頻時，參數(shù)整定不當(dāng)可能引發(fā)機(jī)組轉(zhuǎn)速保護(hù)動作進(jìn)而帶來頻率二次跌落問題。為此，提出了一種避免頻率二次跌落的風(fēng)電場一次調(diào)頻功率分配方法。首先結(jié)合下垂控制的響應(yīng)過程分析了轉(zhuǎn)速保護(hù)動作帶來頻率二次跌落問題的物理機(jī)理，然后基于轉(zhuǎn)速及功率約束條件提出了風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻功率評估方法，進(jìn)而得到風(fēng)電場的調(diào)頻功率評估方法和風(fēng)電場一次調(diào)頻功率分配方法?；贛atlab/Simulink搭建了含有風(fēng)電場的仿真模型。仿真結(jié)果表明，所提方法可充分發(fā)揮風(fēng)電機(jī)組的調(diào)頻能力，并避免頻率二次跌落問題。

下垂控制；一次調(diào)頻；頻率二次跌落；調(diào)頻功率評估；功率分配

0 引言

隨著全球范圍內(nèi)能源危機(jī)、環(huán)境污染以及氣候變化等問題的凸顯，新能源的開發(fā)和利用日益成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)[1-2]。風(fēng)電因具備成本較低、技術(shù)成熟等優(yōu)勢，已成為目前最具競爭力的新能源發(fā)電技術(shù)[3-4]。但大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)也給電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性帶來了新的挑戰(zhàn)。一方面，風(fēng)電機(jī)組通過變流器實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，從而機(jī)組轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)頻率之間失去直接的耦合關(guān)系；另一方面，為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的有效利用，風(fēng)電機(jī)組通常采用最大功率跟蹤(Maximum Power Point Tracking, MPPT)控制，無法對系統(tǒng)頻率起到調(diào)節(jié)作用[5-8]。

因此，為提升大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)下電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性，風(fēng)電機(jī)組應(yīng)具備調(diào)頻能力，可通過功率備用控制[9-12]和轉(zhuǎn)子動能控制[13-14]等方式來實(shí)現(xiàn)。功率備用控制需借助機(jī)組超速控制或槳距角控制來實(shí)現(xiàn)，降低了風(fēng)電場的經(jīng)濟(jì)效益，增加了風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械磨損程度，具有一定的局限性。轉(zhuǎn)子動能控制主要包括虛擬慣性控制和下垂控制，這種控制方式不會影響到正常運(yùn)行時機(jī)組對于風(fēng)能的有效利用，因此具有良好的應(yīng)用前景。但轉(zhuǎn)子動能控制中慣性系數(shù)和下垂系數(shù)過小不利于充分發(fā)揮風(fēng)電機(jī)組的調(diào)頻能力，系數(shù)過大易導(dǎo)致機(jī)組轉(zhuǎn)速越限，進(jìn)而轉(zhuǎn)速保護(hù)動作并帶來頻率二次跌落問題。

當(dāng)前，國內(nèi)外學(xué)者主要基于離線仿真模型來整定風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動能控制參數(shù)。文獻(xiàn)[15]通過時域仿真分別研究了慣性系數(shù)和下垂系數(shù)對于系統(tǒng)頻率的影響，進(jìn)而確定合適的參數(shù)取值范圍，而對參數(shù)設(shè)置的一般性方法未進(jìn)行闡述。文獻(xiàn)[16]在傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子動能控制中增加了風(fēng)機(jī)退出調(diào)頻控制，基于時域仿真模型不斷調(diào)整風(fēng)機(jī)退出調(diào)頻時刻和轉(zhuǎn)子動能控制參數(shù)。該方法沒有考慮風(fēng)電場中風(fēng)機(jī)間的風(fēng)速差異，且控制參數(shù)的調(diào)整方法缺乏定量說明。文獻(xiàn)[17-18]考慮了不同風(fēng)機(jī)對應(yīng)風(fēng)速的差異性并提出了變下垂系數(shù)的控制策略，但是所提策略中，風(fēng)機(jī)在未參與調(diào)頻時處于減載運(yùn)行狀態(tài)，因而在風(fēng)能利用方面有所損失。文獻(xiàn)[19]依據(jù)轉(zhuǎn)速大小對風(fēng)機(jī)調(diào)頻能力進(jìn)行評估，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)頻功率在不同風(fēng)機(jī)間的協(xié)調(diào)分配，但缺少對于風(fēng)機(jī)可提供的調(diào)頻功率的評估。文獻(xiàn)[20]考慮了風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速限值，并通過系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型計算調(diào)頻時風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的極小值和穩(wěn)態(tài)值，進(jìn)而得到不觸發(fā)轉(zhuǎn)速保護(hù)動作的下垂系數(shù)取值上限，但所述方法需在線估計系統(tǒng)的不平衡功率，從而下垂系數(shù)取值上限的確定會受估計值準(zhǔn)確度的影響。文獻(xiàn)[21]提出了時變下垂系數(shù)的控制策略，下垂系數(shù)在設(shè)定的時間點(diǎn)后線性減小使得風(fēng)機(jī)平緩?fù)顺稣{(diào)頻，但在時間設(shè)定的合理性方面有待進(jìn)一步研究。在上述方法中，缺乏對于風(fēng)機(jī)調(diào)頻過程中轉(zhuǎn)速和功率約束的綜合考慮；且上述方法主要涉及的是機(jī)組層面轉(zhuǎn)子動能控制參數(shù)的整定，而在實(shí)際工程中則是由站級控制確定風(fēng)電場一次調(diào)頻功率，再分配至風(fēng)電場內(nèi)各臺參與調(diào)頻的機(jī)組，因而需要考慮風(fēng)電場可提供的調(diào)頻功率和風(fēng)電場內(nèi)不同風(fēng)速下機(jī)組的調(diào)頻能力。

針對上述問題，本文首先從機(jī)組層面分析了風(fēng)電機(jī)組基于下垂控制參與一次調(diào)頻時轉(zhuǎn)速保護(hù)動作引發(fā)頻率二次跌落的物理機(jī)理，然后基于轉(zhuǎn)速及功率約束條件提出了不同風(fēng)速下風(fēng)電機(jī)組的調(diào)頻功率評估方法，進(jìn)而得到風(fēng)電場調(diào)頻功率評估方法和風(fēng)電場一次調(diào)頻功率分配方法。所述方法可充分發(fā)揮不同風(fēng)速下風(fēng)電機(jī)組的調(diào)頻能力，并避免轉(zhuǎn)速保護(hù)動作帶來的頻率二次跌落問題。

1 機(jī)組層面的風(fēng)電下垂控制分析

1.1 下垂控制模型

在研究頻率問題時，可不考慮風(fēng)機(jī)軸系扭振現(xiàn)象，從而將風(fēng)輪機(jī)、傳動軸和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子視為一個剛體，則忽略阻尼時風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程為

風(fēng)能利用系數(shù)用以表征風(fēng)力機(jī)捕獲風(fēng)能的能力，且常用的一種函數(shù)表達(dá)式為

風(fēng)機(jī)的主控制一般為MPPT控制，在MPPT控制的基礎(chǔ)上，可附加下垂控制使得風(fēng)機(jī)能夠參與系統(tǒng)的一次調(diào)頻。且做機(jī)理分析時，忽略風(fēng)機(jī)內(nèi)部功率損耗以及變流器的快速動態(tài)過程，即風(fēng)機(jī)電磁功率能夠準(zhǔn)確跟蹤功率參考值，則有式(6)。

而下垂控制對應(yīng)的附加功率表達(dá)式為

1.2 下垂控制過度響應(yīng)分析

下垂控制參數(shù)設(shè)定不當(dāng)時，可能出現(xiàn)過度響應(yīng)現(xiàn)象，即下垂控制對應(yīng)的附加功率過大，將帶來頻率二次跌落問題。下面結(jié)合圖1進(jìn)行說明。

圖1 風(fēng)機(jī)下垂控制過度響應(yīng)示意圖

在風(fēng)速恒定的情況下，風(fēng)機(jī)初始穩(wěn)定于點(diǎn)，此時風(fēng)機(jī)處于最大功率跟蹤狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)頻率低于工頻時，在下垂控制的作用下，風(fēng)機(jī)的電磁功率曲線如圖2中藍(lán)線所示。由于轉(zhuǎn)速不能突變，風(fēng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)由點(diǎn)變?yōu)辄c(diǎn)，此時電磁功率大于機(jī)械功率，風(fēng)機(jī)開始減速。當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行到點(diǎn)時，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降至限值，此時電磁功率仍大于機(jī)械功率。為避免風(fēng)機(jī)因無平衡點(diǎn)而失速脫網(wǎng)，轉(zhuǎn)速保護(hù)動作將下垂控制切除，進(jìn)而風(fēng)機(jī)運(yùn)行到點(diǎn)，此時機(jī)械功率大于電磁功率，風(fēng)機(jī)開始加速并重新穩(wěn)定到點(diǎn)。

值得注意的是，風(fēng)機(jī)從點(diǎn)運(yùn)行至點(diǎn)時，系統(tǒng)會出現(xiàn)較大的功率跌落，這將導(dǎo)致頻率的二次跌落，從而對頻率穩(wěn)定性造成威脅。

當(dāng)然，實(shí)際運(yùn)行時圖1中的藍(lán)色曲線會隨著頻率的變化而變化，此時的頻率二次跌落機(jī)理分析與上述類似，不再贅述。

2 風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻功率評估

根據(jù)前述分析可知，風(fēng)電機(jī)組下垂控制引起的頻率二次跌落問題本質(zhì)上是由風(fēng)電機(jī)組功率調(diào)節(jié)量過大引發(fā)的。因此，應(yīng)對風(fēng)電機(jī)組參與調(diào)頻時能夠提供的功率進(jìn)行評估，即確定機(jī)組可提供的最大調(diào)頻功率。

根據(jù)式(1)，可知穩(wěn)態(tài)時有式(10)成立。

2.1 風(fēng)機(jī)可上調(diào)功率評估

以的情況為例，圖2給出了風(fēng)機(jī)功率上調(diào)的動態(tài)過程，用來說明式(15)的物理意義。

進(jìn)一步，考慮風(fēng)機(jī)變流器功率限制后，式(15)可修改為

圖3 風(fēng)機(jī)可上調(diào)功率評估結(jié)果

由式(18)可知，低風(fēng)速機(jī)組的可上調(diào)功率主要受轉(zhuǎn)速下限的約束，高風(fēng)速機(jī)組的可上調(diào)功率主要受并網(wǎng)功率上限的約束。

2.2 風(fēng)機(jī)可下調(diào)功率評估

圖4 附加不同恒定功率后風(fēng)機(jī)功率下調(diào)動態(tài)過程

圖5 風(fēng)機(jī)調(diào)頻功率評估結(jié)果

3 風(fēng)電場調(diào)頻功率評估和場內(nèi)一次調(diào)頻功率分配方法

單臺風(fēng)電機(jī)組對電網(wǎng)的功率支撐作用有限[23]，因此這里基于風(fēng)電場層面的下垂控制，并結(jié)合前述風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻功率的評估結(jié)果，來確定風(fēng)電場內(nèi)一次調(diào)頻功率的合理分配方法。

3.1 風(fēng)電場調(diào)頻功率評估

3.2 風(fēng)電場內(nèi)一次調(diào)頻功率分配方法

在風(fēng)電場層面，考慮調(diào)頻死區(qū)時，下垂控制的表達(dá)式為

風(fēng)電場下垂系數(shù)計算公式為

根據(jù)式(24)—式(28)，可得風(fēng)電場內(nèi)機(jī)組對應(yīng)的調(diào)頻功率為

綜上，系統(tǒng)出現(xiàn)功率擾動時，風(fēng)電場內(nèi)機(jī)組根據(jù)式(29)參與系統(tǒng)一次調(diào)頻。因為功率分配考慮到了機(jī)組的調(diào)頻能力，因而可避免機(jī)組轉(zhuǎn)速保護(hù)動作引起的頻率二次跌落問題。

4 仿真分析

圖6 仿真系統(tǒng)模型

4.1 傳統(tǒng)下垂控制下的仿真分析

以系統(tǒng)出現(xiàn)功率缺額為例分析風(fēng)電場參與調(diào)頻時的動態(tài)過程。在母線7處設(shè)置72 MW的負(fù)荷突增擾動，擾動發(fā)生時刻設(shè)置為5 s。圖7給出了傳統(tǒng)下垂控制下風(fēng)電場參與調(diào)頻時的系統(tǒng)頻率曲線和機(jī)組轉(zhuǎn)速曲線。

圖7 傳統(tǒng)下垂控制下風(fēng)機(jī)參與調(diào)頻仿真曲線

4.2 改進(jìn)方式下的仿真分析

圖9 不同擾動下風(fēng)機(jī)參與調(diào)頻仿真曲線

由圖9(a)可知，風(fēng)電場采用本文所述控制方法參與一次調(diào)頻時，隨著擾動的增大，系統(tǒng)都未出現(xiàn)頻率二次跌落問題。結(jié)合圖9(b)、圖9(c)和圖9(d)可知，隨著擾動增大，風(fēng)電場內(nèi)不同風(fēng)速下機(jī)組的調(diào)頻能力被逐漸挖掘。特別是當(dāng)系統(tǒng)遭受負(fù)荷突增180 MW的擾動時，由圖9(b)和圖9(c)的綠色曲線可知：風(fēng)電場內(nèi)的低中風(fēng)速機(jī)組在一次調(diào)頻結(jié)束后轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在轉(zhuǎn)速限值附近，這表明機(jī)組的調(diào)頻能力已經(jīng)被充分挖掘；而高風(fēng)速機(jī)組由于并網(wǎng)功率的限制，所分配的調(diào)頻功率較小，因而穩(wěn)態(tài)時轉(zhuǎn)速高于低中風(fēng)速下機(jī)組對應(yīng)的轉(zhuǎn)速。

5 結(jié)論

針對風(fēng)電場基于下垂控制參與一次調(diào)頻可能帶來的頻率二次跌落問題，本文提出了考慮風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速和功率限制的風(fēng)電場一次調(diào)頻功率分配方法，主要研究結(jié)論如下：

1) 低風(fēng)速機(jī)組和高風(fēng)速機(jī)組調(diào)頻能力受轉(zhuǎn)速和功率約束較為明顯，中風(fēng)速機(jī)組調(diào)頻能力較強(qiáng)。

2) 傳統(tǒng)下垂控制下，低風(fēng)速機(jī)組在參與調(diào)頻時易出現(xiàn)過度響應(yīng)的情況，進(jìn)而帶來頻率二次跌落問題，且調(diào)差系數(shù)越小，頻率二次跌落問題越嚴(yán)重。

3) 采用本文所提方法時，中風(fēng)速機(jī)組將承擔(dān)更多調(diào)頻任務(wù)，進(jìn)而可避免低風(fēng)速機(jī)組因過度響應(yīng)而帶來的頻率二次跌落問題。且風(fēng)電場調(diào)差系數(shù)可以取到更小的值，有利于充分發(fā)揮機(jī)組的調(diào)頻能力。

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A method of primary frequency regulation power distribution in a wind farm to avoid secondary frequency drop

HE Tingyi1, SUN Ling2, WANG Chenguang2, LI Shengnan1, LI Chongtao2, CHEN Yiping3

(1. Electric Power Research Institute of Yunnan Power Grid Co., Ltd., Kunming 650217, China;2. School of Electrical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;3. Dispatching and Control Center of China Southern Power Grid, Guangzhou 510623, China)

Improper parameter setting may initiate a wind turbine speed protection action and then lead to a problem of secondary frequency drop, when a wind farm participates in primary frequency regulation based on droop control. Therefore, a method of primary frequency regulation power distribution in a wind farm to avoid secondary frequency drop is proposed. First, the physical mechanism of secondary frequency drop caused by the speed protection action is analyzed based on the response process of droop control. Then an evaluation method of wind turbine frequency regulation power is proposed considering the wind turbine speed and power limits. Then the evaluation method of wind farm frequency regulation power and the method of primary frequency regulation power distribution in a wind farm are obtained. A simulation model including a wind farm is established in Matlab/Simulink. The simulation results show that the proposed method could give full play to the frequency regulation capability of wind turbines and avoid the problem of secondary frequency drop.

droop control; primary frequency regulation; secondary frequency drop; frequency regulation power evaluation; power distribution

10.19783/j.cnki.pspc.211341

國家自然科學(xué)基金面上項目資助(51977167); 云南電網(wǎng)公司科技項目資助(YNKJXM20191240)

This work is supported by the General Program of National Natural Science Foundation of China (No. 51977167).

2021-10-04；

2022-02-22

何廷一(1987—)，男，碩士，高級工程師，研究方向為系統(tǒng)分析機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)；E-mail: 584786940@qq.com

孫 領(lǐng)(1997—)，男，通信作者，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定分析與控制；E-mail: 2992091977@ qq.com

王晨光(1996—)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定分析與控制。E-mail: 931420988@qq.com

(編輯 葛艷娜)