顏全椿，顧文，范立新，唐一銘，劉亞南

（1. 國網(wǎng)江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇省 南京市 211100；2. 河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇省 南京市 210098）

0 引言

與傳統(tǒng)同步發(fā)電機不同，風(fēng)力發(fā)電機組通過電力電子裝置接入電網(wǎng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子動能與系統(tǒng)頻率變化解耦，風(fēng)力發(fā)電機組無法為電網(wǎng)頻率變化提供慣量支撐。隨著電力系統(tǒng)中風(fēng)電比例的增加，系統(tǒng)的慣性將隨之下降，給電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定帶來巨大的挑戰(zhàn)[1-4]，因此研究風(fēng)電機組參與電網(wǎng)調(diào)頻控制策略對大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)具有重要意義。

目前，針對風(fēng)電并網(wǎng)所造成的系統(tǒng)頻率不穩(wěn)定問題開展了大量研究。為提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的頻率響應(yīng)能力，文獻[5-8]提出風(fēng)機在最大功率點跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）運行方式下，附加虛擬慣性控制和下垂控制策略，為電網(wǎng)頻率提供慣性支持，但是沒有對控制策略的慣性系數(shù)進行詳細(xì)分析；文獻[9]對下垂控制系數(shù)進行了改進，提出了一種變下垂系數(shù)控制，風(fēng)機能夠根據(jù)擾動的變化靈活調(diào)節(jié)有功功率輸出；文獻[10-11]提出超速備用控制的方法，使風(fēng)電機組處于超速運行狀態(tài)從而預(yù)留一定的功率備用，也能為電網(wǎng)提供慣性支持。但是超速備用控制受到最大轉(zhuǎn)速限制，轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)的范圍相對有限；文獻[12]提出槳距角備用控制策略預(yù)留備用容量，通過調(diào)節(jié)槳距角的大小調(diào)節(jié)機組有功輸出，參與電網(wǎng)調(diào)頻。上述功率備用方法均未考慮風(fēng)力發(fā)電機組自身發(fā)電效益，降低了風(fēng)能利用率。故如何配置風(fēng)電機組參與系統(tǒng)調(diào)頻的控制策略與自身的發(fā)電效益，是目前亟需解決的問題。

由于儲能電池具有快速響應(yīng)、精確跟蹤、大功率吞吐等特性，利用儲能在風(fēng)電并網(wǎng)、電網(wǎng)調(diào)頻方面也得到了迅速的發(fā)展和應(yīng)用[13]。文獻[14]分析了儲能技術(shù)對高比例風(fēng)電滲透率情況的頻率響應(yīng)應(yīng)用場景；文獻[15]提出基于模糊控制使風(fēng)儲系統(tǒng)的儲能設(shè)備具有頻率響應(yīng)能力，但是忽略了風(fēng)電機組的頻率支撐能力；文獻[16]提出超導(dǎo)儲能協(xié)助風(fēng)機恢復(fù)MPPT運行的控制策略，但是忽略了風(fēng)儲系統(tǒng)的協(xié)調(diào)特性，未對風(fēng)電機組與儲能協(xié)同調(diào)頻進行深入研究；文獻[17]中提出了在減載運行風(fēng)電機組參與調(diào)頻控制的機組上，研究了電池儲能協(xié)調(diào)風(fēng)電機組提供調(diào)頻響應(yīng)的策略。但是未考慮對電池儲能單元荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）水平的管理問題，儲能單元荷電狀態(tài)SOC的維持是對其電量高效利用的關(guān)鍵。綜上所述，現(xiàn)有文獻很少涉及到風(fēng)電機組和儲能設(shè)備之間的協(xié)同調(diào)頻問題。

本文針對風(fēng)力發(fā)電機組自身調(diào)頻控制策略存在的不足，對傳統(tǒng)的綜合慣性調(diào)頻控制策略進行改進，提出一種變系數(shù)綜合慣性控制，使風(fēng)機根據(jù)擾動靈活調(diào)節(jié)輸出功率。在此基礎(chǔ)上，提出結(jié)合槳距角備用控制協(xié)同調(diào)頻的方法，既解決了單獨使用槳距角備用控制存在的槳距角頻繁動作問題，還有效解決了頻率波動下風(fēng)力發(fā)電機組調(diào)頻問題。通過對風(fēng)速分段處理，風(fēng)電機組參與電網(wǎng)調(diào)頻更有針對性。為優(yōu)化風(fēng)電機組的調(diào)頻性能，控制系統(tǒng)增加儲能裝置，對風(fēng)儲系統(tǒng)慣性進行詳細(xì)分析，提出一種電池儲能系統(tǒng)(battery energy storage system, BESS)輔助永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組(direct-driven permanent magnet synchronous generator wind generation system，PMSG-WT)協(xié)調(diào)調(diào)頻控制策略，采用一種基于模糊邏輯的變系數(shù)儲能出力，控制策略以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和風(fēng)速的分區(qū)為基礎(chǔ)，針對中高風(fēng)速區(qū)間風(fēng)儲分配出力制定相應(yīng)的規(guī)則，對儲能的出力系數(shù)進行實時調(diào)節(jié)。本文控制策略與單純使用電池儲能進行頻率支持的策略相比，風(fēng)儲系統(tǒng)可以在BESS規(guī)模較小的情況下獲得更佳的調(diào)頻效果，與使用風(fēng)電機組自身調(diào)頻的控制策略相比，風(fēng)儲系統(tǒng)可以保證風(fēng)電機組在任何風(fēng)況及任何工作狀態(tài)下都能夠為系統(tǒng)提供慣性支撐，因此該控制策略更具有實用性。

1 風(fēng)電機組調(diào)頻控制策略

1.1 變系數(shù)綜合慣性控制

為了使風(fēng)機能夠提供慣性響應(yīng)，提取系統(tǒng)頻率變化量及變化率作為轉(zhuǎn)矩附加環(huán)的輸入，來改變風(fēng)機的輸出功率，起到調(diào)頻的效果。綜合慣性控制包括兩個部分：虛擬慣性控制和下垂控制，其控制框如圖1所示。

圖1 綜合慣性控制框Fig. 1 Block diagram of integrated inertial control

在風(fēng)機中加入控制，其輸出功率改變量為

式中：ΔPe為有功變化量；K1為虛擬慣性系數(shù)；K2為下垂系數(shù)。

上述控制過程，慣性系數(shù)K1、K2是常數(shù)，由于風(fēng)力發(fā)電機不能根據(jù)擾動靈活地調(diào)節(jié)輸出功率，因此本文在轉(zhuǎn)速控制中添加了一個附加的變系數(shù)控制回路以解決該問題。風(fēng)力發(fā)電機在正常情況下通常工作在MPPT模式，此時對應(yīng)最佳轉(zhuǎn)速參考值ωe*，變系數(shù)控制是在最佳轉(zhuǎn)速控制回路中引入頻率變化量，用ωe1*代替最佳轉(zhuǎn)速ωe*，其中ωe1*的表達(dá)式為：

式中：KP為與系統(tǒng)頻率變化有關(guān)的常數(shù)。

變系數(shù)綜合慣性控制框如圖2所示，系數(shù)K為：

圖2 變系數(shù)綜合慣性控制框Fig. 2 Block diagram of variable coefficient integrated inertial control

加入變系數(shù)綜合慣性控制后，當(dāng)系統(tǒng)頻率變化時，風(fēng)力機的輸出功率和轉(zhuǎn)子動能將分為3個響應(yīng)階段。第1階段：隨著電網(wǎng)頻率的下降，風(fēng)機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降低釋放轉(zhuǎn)子動能，轉(zhuǎn)速的降低導(dǎo)致風(fēng)機捕獲的風(fēng)能減少，此時釋放的轉(zhuǎn)子動能大于捕獲風(fēng)能的減少量，從而風(fēng)機的輸出功率增加，為系統(tǒng)提供慣性支撐；第2階段：風(fēng)機的輸出功率降低，轉(zhuǎn)子動能降低，風(fēng)機捕獲的風(fēng)能隨著轉(zhuǎn)速的降低而持續(xù)降低，當(dāng)捕獲風(fēng)能的減少量超過轉(zhuǎn)子釋放的動能時，風(fēng)機的輸出功率減少，風(fēng)機參與系統(tǒng)調(diào)頻的任務(wù)基本完成；第3階段：風(fēng)機恢復(fù)MPPT運行并增加轉(zhuǎn)子動能。隨著電網(wǎng)頻率的恢復(fù)，風(fēng)機逐漸提高轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增加捕獲的風(fēng)能，當(dāng)電網(wǎng)頻率穩(wěn)定時，風(fēng)機處于MPPT運行模式。

1.2 功率備用控制

在相同的風(fēng)速條件下，風(fēng)機的機械功率PW由風(fēng)機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωo和槳距角β決定，因此通過超速和變槳距控制可以改變風(fēng)機的有功功率輸出。

功率備用控制包括超速備用控制和槳距角備用控制。超速備用控制通過控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速使其超過最佳速度以達(dá)到功率備用的目的，槳距角備用控制則通過調(diào)節(jié)槳距角的值使風(fēng)機處于減載運行狀態(tài)。其原理如圖3所示，圖中2條曲線表示不同槳距角的風(fēng)機輸出功率與轉(zhuǎn)子速度關(guān)系。點A為MPPT運行點，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為最佳轉(zhuǎn)速ωro；B為超速控制點；C為變槳距控制點；風(fēng)機運行狀態(tài)從點B改變到點A，超速控制可以向系統(tǒng)提供的功率為ΔP1；風(fēng)機從工作點C調(diào)節(jié)槳距角到點A，向系統(tǒng)提供的功率為ΔP2。由圖3可知，槳距角備用控制所能增發(fā)的功率要大于超速備用控制，由于受到風(fēng)機最大轉(zhuǎn)速的限制，超速備用控制僅適用于低風(fēng)速運行狀態(tài)，槳距角備用控制可以在任何風(fēng)速條件下工作。因此，本文提出的綜合協(xié)調(diào)控制策略采用槳距角控制作為功率備用控制。

圖3 功率備用控制Fig. 3 Power reserve control

1.3 協(xié)同調(diào)頻控制策略

本文提出一種風(fēng)電機組協(xié)同調(diào)頻控制策略，不僅可以為系統(tǒng)提供足夠的慣性支撐，還可以根據(jù)系統(tǒng)的擾動調(diào)節(jié)風(fēng)機輸出。通過對風(fēng)速的分段處理，風(fēng)電機組參與電網(wǎng)調(diào)頻更有針對性。

協(xié)同調(diào)頻控制方法：監(jiān)測風(fēng)速信號，當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時，若系統(tǒng)頻率產(chǎn)生波動采用變系數(shù)綜合慣性控制為系統(tǒng)提供慣性支持；當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時，調(diào)節(jié)槳距角，使風(fēng)機處于減載系數(shù)為10%的運行狀態(tài)，此刻發(fā)生系統(tǒng)頻率擾動，調(diào)節(jié)槳距角使風(fēng)機全功率運行。風(fēng)機的備用功率結(jié)合變系數(shù)綜合慣性控制轉(zhuǎn)子動能一同參與調(diào)頻，可以有效地提高高風(fēng)速下系統(tǒng)的頻率跌落最低點。這種協(xié)同控制方法在確保任何風(fēng)速條件下調(diào)頻效果的同時又極大地減少了棄風(fēng)，提高運行的經(jīng)濟性，其控制框如圖4所示。

圖4 協(xié)調(diào)控制策略框Fig. 4 Block diagram of coordinated control strategy

2 電池儲能協(xié)助風(fēng)電機組參與系統(tǒng)調(diào)頻

電池儲能系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、能量密度高、容量配置靈活的優(yōu)點，可用來輔助配合風(fēng)電機組參與系統(tǒng)調(diào)頻，將電池儲能與風(fēng)電機組結(jié)合構(gòu)成風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)儲能出力，改善風(fēng)電機組調(diào)頻性能，給系統(tǒng)提供較好的頻率支撐。

2.1 風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)慣性分析

實際風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)中儲能一般安裝在風(fēng)場功率出口端，本文以單臺永磁直驅(qū)風(fēng)電機組為例，將電池儲能系統(tǒng)通過儲能雙向變流器并入系統(tǒng)直流側(cè)，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 5 Structure of wind storage combined system

加入BESS之前，儲存在PMSG轉(zhuǎn)子中的動能EWF表示為

PMSG的慣性常數(shù)H表示為

式中：SWF、ωs分別是PMSG的視在功率和額定轉(zhuǎn)速。

加入BESS后，PMSG與儲能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制，風(fēng)儲系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)為

式中：EBESS為儲能系統(tǒng)的能量輸出；KBESS為儲能系統(tǒng)的貢獻系數(shù)。BESS參與頻率調(diào)節(jié)(KBESS=1)，則HPMSG_BESS值較高；BESS不參與頻率調(diào)節(jié)(KBESS=0)，則HPMSG_BESS與風(fēng)電機組單獨調(diào)頻時的慣性常數(shù)相同。

假設(shè)附加協(xié)調(diào)控制使風(fēng)儲系統(tǒng)像傳統(tǒng)同步發(fā)電機一樣模擬慣性，則

按照上述工藝，二里河鉛鋅礦、東塘子鉛鋅礦成功控制了巷道及采場巖爆，文峪金礦、陳耳金礦各成功掘進了一條埋深超過1 500 m的盲豎井，并安全實施了深部巷道掘進。

式中：JPMSG_BESS是風(fēng)儲系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量；ωg是額定電網(wǎng)同步轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

系統(tǒng)頻率變化時，風(fēng)儲系統(tǒng)等效輸出功率為

式中：ΔPWF、ΔPBESS是PMSG、BESS的額外輸出功率；ω是虛擬同步發(fā)電機的機械轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

與式(7)類比，PMSG-BESS系統(tǒng)的慣性常數(shù)可以改寫為

結(jié)合式(8)(9)可推得

將式(10)轉(zhuǎn)換為標(biāo)幺值

換算成標(biāo)幺值后，由于ωpu等于fpu，式(11)可以表示為

對式(12)進行積分

式中：fpu(t)和fpu(t+Δt)是t和t+Δt時頻率的標(biāo)幺值。

任意t+Δt時刻的系統(tǒng)頻率為

從式(14)可以看出，當(dāng)系統(tǒng)頻率異常時，風(fēng)儲系統(tǒng)可以為系統(tǒng)提供頻率支撐。隨著HPMSG_BESS的增加，系統(tǒng)頻率的變化減小。

2.2 基于模糊邏輯的變系數(shù)風(fēng)儲協(xié)同控制策略

由于儲能難以依據(jù)風(fēng)電機組的實時運行狀態(tài)決定出力狀況，根據(jù)風(fēng)機的運行狀態(tài)，時刻調(diào)節(jié)儲能出力是個復(fù)雜的過程，要建立對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型較為困難，所以此時模糊邏輯控制策略非常適用。模糊邏輯控制的特點即不用對被控過程進行定量的數(shù)學(xué)建模就能夠解決復(fù)雜的過程。

本節(jié)提出一種基于模糊邏輯的變系數(shù)風(fēng)儲協(xié)同控制，以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和風(fēng)速分區(qū)為基礎(chǔ)，針對儲能無法根據(jù)風(fēng)機具體的運行狀態(tài)調(diào)整其出力問題提出了相應(yīng)的解決辦法。通過采用模糊控制對儲能出力系數(shù)的實時調(diào)節(jié)，使風(fēng)儲系統(tǒng)的頻率響應(yīng)能力得到極大的提高。模糊控制器如圖6(a)所示，分別輸入風(fēng)電機組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωr與風(fēng)機輸出功率PW的標(biāo)幺值，輸出儲能出力的慣性響應(yīng)參與系數(shù)α，通過模糊控制實時調(diào)節(jié)系數(shù)α決定儲能在整個調(diào)頻過程的出力。如圖6(b)、(c)所示為模糊控制器輸入變量轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωr與風(fēng)機輸出功率PW的隸屬函數(shù)，輸出α的隸屬函數(shù)如圖6(d)所示，輸 入ωr與PW的 模 糊 語 言 變 量S(小)、M(中)、L(大)，輸出系數(shù)α的模糊語言變量VS(非常小)、S(小)、M(中)、L(大)、VL(非常大)。

圖6 模糊控制器及輸入輸出隸屬度函數(shù)Fig. 6 Fuzzy controller and its input and output membership functions

模糊控制器根據(jù)風(fēng)機輸出功率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化實時改變儲能的有功增量，動態(tài)模擬常規(guī)機組頻率響應(yīng)特性。模糊控制的原則為：隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωr增大，PW增大，則輸出的儲能慣性響應(yīng)參考系數(shù)α要盡可能大，此刻風(fēng)機的輸出功率逐步逼近極限值，可以增發(fā)的有功出力隨著輸出功率的增大而減小，因此需要儲能在風(fēng)機輸出功率大時盡可能的出力。實驗過程中，采用三角形隸屬度函數(shù)的控制效果較好，更適用于描述風(fēng)儲調(diào)頻過程。采用三角形隸屬度函數(shù)，模糊控制器推理如表1所示。

表1 模糊邏輯推理Table 1 Fuzzy logic reasoning

通過在風(fēng)儲聯(lián)合控制系統(tǒng)中采用模糊邏輯控制，根據(jù)風(fēng)速以及風(fēng)機的運行狀態(tài)可以動態(tài)地決定儲能參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)的能力。通過協(xié)同控制，在充分利用風(fēng)機調(diào)頻能力的同時避免其過度參與系統(tǒng)調(diào)頻，充分發(fā)揮儲能的動態(tài)特性，實現(xiàn)了風(fēng)儲協(xié)調(diào)配合運行。

2.3 協(xié)助風(fēng)電機組的儲能調(diào)頻控制策略

由上節(jié)分析可知，儲能的出力通過模糊邏輯控制后會根據(jù)風(fēng)況的不同而改變。其控制方法為模糊變系數(shù)下垂控制，表達(dá)式為：

式中：α為儲能出力的慣性響應(yīng)參與系數(shù)；Δf為系統(tǒng)頻率的跌落值；Kb為下垂系數(shù)；Pb為儲能輸出的有功功率；儲能參與調(diào)頻的控制如圖7。

圖7 儲能參與調(diào)頻的控制方法Fig. 7 Control method of energy storage participating in frequency regulation

本節(jié)提出一種風(fēng)儲協(xié)同調(diào)頻控制方案，首先控制器提取監(jiān)控系統(tǒng)頻率，當(dāng)系統(tǒng)頻率偏離正常運行范圍時將采取相應(yīng)的措施，該過程包括以下3個步驟：

1）如果系統(tǒng)頻率下降超過限值，首先利用風(fēng)電機組自身轉(zhuǎn)子動能參與調(diào)頻，當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速達(dá)到允許最小轉(zhuǎn)速，協(xié)同控制策略要求BESS在必要時提供額外的能量。其中，根據(jù)PMSG運行狀態(tài)可對控制器進行更詳細(xì)的設(shè)計；

2）系統(tǒng)頻率恢復(fù)時，即f>fmin，ωr恢復(fù)將開始，把風(fēng)儲協(xié)調(diào)控制策略切換成MPPT控制模式，此時風(fēng)機轉(zhuǎn)子動能逐漸增加。該過程的控制如圖8所示。Pr1為儲能提供給風(fēng)機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恢復(fù)的輸出功率。t1時刻風(fēng)機開始恢復(fù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，此時儲能系統(tǒng)通過放電彌補電網(wǎng)功率缺額，避免系統(tǒng)頻率的再次跌落；t2時刻轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恢復(fù)到正常水平，儲能不再放電，避免儲能輸出功率驟降影響電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。控制環(huán)節(jié)增加斜坡響應(yīng)，即t2時刻以斜率Kramp的方式降低儲能輸出功率至0。

圖8 儲能參與風(fēng)機轉(zhuǎn)速恢復(fù)的控制方法Fig. 8 Control method of energy storage participating in speed recovery of wind turbine

3）當(dāng)ωr恢復(fù)到正常值，BESS開始充電以提高SOC，當(dāng)SOC恢復(fù)到正常水平，整個調(diào)頻過程結(jié)束。

對步驟1的詳細(xì)分析，具體控制流程如圖9所示，將PMSG的運行分為兩個狀態(tài)。

圖9 風(fēng)儲協(xié)同調(diào)頻控制流程Fig. 9 Flowchart of wind power energy storage cooperative frequency regulation control

狀態(tài)1：如果ωr<ωrmin或者PW>Pmax，轉(zhuǎn)子沒有可以釋放的動能，風(fēng)機的輸出功率已達(dá)到極限。協(xié)同控制策略要求BESS釋放能量以獲得頻率支持，此狀態(tài)，模糊控制儲能出力的慣性響應(yīng)參與系數(shù)α盡可能大。

狀態(tài)2：如果ωr>ωrmin，PW

3 仿真分析

為驗證所提出控制策略的有效性，基于MATLAB/Simulink建立了PMSG-BESS協(xié)調(diào)控制策略的仿真模型。系統(tǒng)模型包括1臺2 MW直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機、1臺同步發(fā)電機(SG)、1個固定負(fù)載和1個可變負(fù)載及電池儲能系統(tǒng)，仿真結(jié)構(gòu)如圖10。永磁直驅(qū)風(fēng)電機組參數(shù)見表2，電池儲能的參數(shù)見表3。圖中固定負(fù)載2 MW，可切換負(fù)載0.55 MW。

表2 風(fēng)電機組參數(shù)Table 2 Parameters of the PMSG-WT

表3 電池儲能參數(shù)Table 3 Parameters of battery energy storage system

圖10 風(fēng)儲調(diào)頻系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)Fig. 10 Simulation architecture of wind power energy storage cooperative frequency regulation

3.1 風(fēng)電機組協(xié)同控制策略

1)風(fēng)速設(shè)置11 m/s，由于低于額定風(fēng)速，風(fēng)電機組采用變系數(shù)綜合慣性控制。對比傳統(tǒng)定系數(shù)綜合慣性控制方式，兩者分別面對系統(tǒng)不同的擾動，其中小擾動調(diào)節(jié)可變負(fù)載0.55 MW，大擾動可變負(fù)載可增至0.95 MW，仿真結(jié)果如圖11。由圖11(a)、(b)看出，變系數(shù)綜合慣性控制面對不同擾動時，風(fēng)機的輸出功率不同，即風(fēng)機可以根據(jù)擾動靈活調(diào)節(jié)輸出功率。變系數(shù)綜合慣性控制與定系數(shù)綜合慣性控制面對相同擾動時，前者風(fēng)機出力更多，調(diào)頻效果更好，圖11(d)對比定系數(shù)綜合慣性控制、變系數(shù)綜合慣性控制與無頻率響應(yīng)控制的頻率跌落最低點，驗證了這個結(jié)論。傳統(tǒng)的定系數(shù)綜合慣性控制面對系統(tǒng)擾動，風(fēng)機出力基本沒有變化，由圖11(c)看出，變系數(shù)綜合慣性控制釋放的轉(zhuǎn)子動能明顯更大，轉(zhuǎn)速下降得更多。

圖11 風(fēng)電機組在不同調(diào)頻控制下的仿真結(jié)果Fig. 11 Simulation results of wind power unit under different frequency regulation control

2)風(fēng)速設(shè)置13 m/s，由于風(fēng)速超過額定風(fēng)速，此時激活槳距角控制，采用協(xié)同控制策略。正常情況風(fēng)電機組運行在額定功率以下，當(dāng)系統(tǒng)頻率跌落，需要風(fēng)電機組參與調(diào)頻，通過降低槳距角使風(fēng)機輸出功率增加，為系統(tǒng)提供慣性支持。仿真結(jié)果如圖12，圖12(a)為不同控制的系統(tǒng)頻率響應(yīng)，圖12(b)為系統(tǒng)頻率跌落的最低點。從圖示的仿真結(jié)果可知，協(xié)同控制策略對頻率跌落最低點的提升最為顯著。圖12(c)所示，風(fēng)速超過額定風(fēng)速，風(fēng)機的輸出功率超過額定功率2 MW，這種狀態(tài)下的長期運行會降低風(fēng)機的使用壽命，因此協(xié)同控制中增大初始運行的槳距角，保持風(fēng)機在額定功率以下運行，并在發(fā)生負(fù)載突增時減小槳距角，增加風(fēng)機的風(fēng)能利用系數(shù)，使風(fēng)機輸出功率增加，如圖12(d)和12(e)所示。風(fēng)機的備用功率結(jié)合變系數(shù)綜合慣性控制中釋放的轉(zhuǎn)子動能一同參與系統(tǒng)調(diào)頻，對系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)有更好的效果。

圖12 風(fēng)電機組在不同調(diào)頻控制下的仿真結(jié)果Fig. 12 Simulation results of wind power unit under different frequency regulation control

3.2 基于模糊控制策略的電池儲能出力仿真分析

為驗證基于模糊邏輯的變系數(shù)風(fēng)儲協(xié)同控制策略有效性，對儲能有附加模糊控制的情況進行仿真，通過對比不同風(fēng)速下儲能的出力狀況驗證所提基于模糊邏輯的變系數(shù)風(fēng)儲協(xié)同控制策略的有效性及優(yōu)越性。選取4種風(fēng)速條件，分別為10、11、12和13 m/s，表4列出了不同風(fēng)速條件的風(fēng)機輸出功率、轉(zhuǎn)速以及儲能出力的慣性響應(yīng)參與系數(shù)α，可以看出隨著風(fēng)機輸出功率的增大，系數(shù)α也變大。圖13(a)為儲能在不同風(fēng)速條件下的輸出功率，由圖可知電池儲能面對不同風(fēng)速時，經(jīng)過模糊邏輯控制后其出力也不同，隨著風(fēng)速的增高，儲能側(cè)的慣性響應(yīng)系數(shù)變大，從而出力也增加，給風(fēng)儲系統(tǒng)提供更好的慣性支撐。為了更好的說明該模糊控制策略的有效性，在風(fēng)機側(cè)先不附加調(diào)頻控制，風(fēng)電機組處于正常的運行狀態(tài)，只對電池儲能參與系統(tǒng)調(diào)頻進行仿真對比。圖13(b)對比3種不同控制下的系統(tǒng)頻率，即無頻率響應(yīng)控制、電池儲能定系數(shù)控制及加模糊控制后的儲能變系數(shù)控制，據(jù)圖可知在變系數(shù)控制下的調(diào)頻效果更好。圖13(c)為該3種控制條件下的儲能出力狀況，在變系數(shù)控制下儲能的出力最大，調(diào)頻效果最優(yōu)。

圖13 基于模糊控制策略的電池儲能調(diào)頻仿真驗證Fig. 13 Simulation verification of fuzzy control strategy-based battery energy storage system frequency regulation

表4 不同風(fēng)速下的仿真結(jié)果Table 4 Simulation results under different wind speeds

3.3 風(fēng)儲協(xié)同調(diào)頻控制策略仿真分析

為驗證第2節(jié)研究電池儲能協(xié)同風(fēng)電機組調(diào)頻控制策略的有效性，圖10所示的風(fēng)儲系統(tǒng)分別仿真了無頻率響應(yīng)控制、風(fēng)儲協(xié)同調(diào)頻控制情況。由于SSmin時的情況。此時風(fēng)速條件設(shè)為11 m/s，在8 s時系統(tǒng)加入0.55 W負(fù)載，其仿真結(jié)果如圖14所示，可以看出有電池儲能的出力，再結(jié)合變系數(shù)綜合慣性控制，系統(tǒng)頻率最低點顯著提高。

圖14 風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)調(diào)頻控制仿真結(jié)果Fig. 14 Simulation results of frequency regulation control for combined wind power energy storage system

4 結(jié)論

本文提出的風(fēng)電機組協(xié)同調(diào)頻控制策略，充分利用了風(fēng)電機組的調(diào)頻能力，為系統(tǒng)提供了慣性支撐，同時風(fēng)機可根據(jù)風(fēng)力的擾動靈活調(diào)節(jié)輸出功率。在此基礎(chǔ)上，提出利用電池儲能協(xié)助風(fēng)電機組調(diào)頻，構(gòu)建了風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)，通過儲能協(xié)助控制，解決PMSG風(fēng)電機組短期頻率響應(yīng)能力不足的問題。經(jīng)過仿真驗證，本文提出的控制策略有效提升了風(fēng)電機組的調(diào)頻能力，增強了高風(fēng)電滲透率系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定。

致 謝

國網(wǎng)江蘇省電力公司科技項目—新能源場站快速功率協(xié)調(diào)控制及孤島啟動優(yōu)化仿真與試驗研究（KJXM-0278）對本文的研究提供了資助，謹(jǐn)此深表感謝。