蔡瑋良，程海鋒，潘智軒，程進(jìn)，戴明利

（上?？睖y設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200335）

風(fēng)電作為新能源發(fā)電的主力軍，到2021年底在我國的裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到了30 萬MW[1]，連續(xù)12 a保持新增裝機(jī)容量世界第一。面對如此大規(guī)模的裝機(jī)容量，風(fēng)電并網(wǎng)后帶來的電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定問題就顯得尤為重要。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)（doubly-fed induction generator，DFIG）作為風(fēng)電應(yīng)用最為廣泛的機(jī)型之一[2]，其通過轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)頻率解耦，通常運(yùn)行于最大功率跟蹤狀態(tài)[3]。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的傳統(tǒng)解耦控制雖實(shí)現(xiàn)了風(fēng)能利用的最大化，但當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生功率波動(dòng)時(shí)，其轉(zhuǎn)子動(dòng)能被“隱藏”[4]，無法像常規(guī)同步發(fā)電機(jī)一樣為電網(wǎng)提供有功支撐，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，容易引發(fā)頻率安全問題。

針對風(fēng)機(jī)并網(wǎng)帶來的調(diào)頻問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，提出了虛擬慣量控制[5-9]、超速減載控制[10]和變槳距角控制[11-12]等調(diào)頻策略。并且隨著近年來儲(chǔ)能技術(shù)的高速發(fā)展，儲(chǔ)能裝置在風(fēng)機(jī)調(diào)頻中也得到了廣泛應(yīng)用[13-17]。實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組頻率調(diào)節(jié)的關(guān)鍵在于能量或功率。對于雙饋風(fēng)電機(jī)組來說，其調(diào)頻能量來源主要有兩種途徑，一是自身的轉(zhuǎn)子動(dòng)能或通過減載預(yù)留的風(fēng)能，另一個(gè)則是外界儲(chǔ)能裝置提供的能量。利用轉(zhuǎn)子動(dòng)能的傳統(tǒng)虛擬慣量控制策略采用風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能模擬同步發(fā)電機(jī)組的慣量響應(yīng)特性和阻尼特性，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組主動(dòng)提供慣量支撐的功能，但其能量不足以提供一次頻率調(diào)節(jié)，且在風(fēng)機(jī)退出慣量支撐時(shí)可能存在頻率二次跌落的問題。而超速減載控制策略則是采用減少風(fēng)機(jī)捕獲風(fēng)能、預(yù)留有功功率的方式，該方案滿足了一次調(diào)頻的能量需求，但由于穩(wěn)態(tài)時(shí)部分風(fēng)能處于棄風(fēng)狀態(tài)，造成大量風(fēng)能資源的浪費(fèi)，且在超速減載狀態(tài)下風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)范圍變窄，一定程度上也限制了其一次調(diào)頻能力。儲(chǔ)能裝置調(diào)頻方案既能滿足慣量響應(yīng)速度的要求，也能實(shí)現(xiàn)一次調(diào)節(jié)的時(shí)長需要，然而其容量與經(jīng)濟(jì)投入成正比，完全依靠儲(chǔ)能裝置調(diào)頻會(huì)導(dǎo)致容量過大、成本較高。因此，若能將風(fēng)、儲(chǔ)聯(lián)合控制，則既能充分利用風(fēng)機(jī)“隱藏”動(dòng)能，又能發(fā)揮儲(chǔ)能裝置能量充足的優(yōu)點(diǎn)，有效降低儲(chǔ)能設(shè)備容量，實(shí)現(xiàn)發(fā)電效益最大化。

基于上述分析，文中在討論雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子動(dòng)能調(diào)頻潛力后提出基于轉(zhuǎn)子動(dòng)能與分布式儲(chǔ)能的風(fēng)機(jī)調(diào)頻控制方案。該方案將轉(zhuǎn)子動(dòng)能和分布式儲(chǔ)能裝置共同作為調(diào)頻能量來源，利用風(fēng)機(jī)自身轉(zhuǎn)子動(dòng)能實(shí)現(xiàn)慣量支撐，利用分布式儲(chǔ)能裝置提供一次頻率調(diào)節(jié)，通過動(dòng)態(tài)識(shí)別系統(tǒng)頻率波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)對風(fēng)機(jī)主動(dòng)參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)的要求。同時(shí)結(jié)合分布式儲(chǔ)能裝置功能需求及功率限制對其容量進(jìn)行配置，既保證了儲(chǔ)能系統(tǒng)的最小容量，又減少了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)成本。最后，分別在Matlab/Simulink四機(jī)兩區(qū)域模型和風(fēng)電機(jī)組實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對該方案進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證所提控制策略的可行性。

1 雙饋風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能調(diào)頻能力

當(dāng)雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子角速度從ωr1調(diào)節(jié)至ωr2時(shí)，該過程所釋放的轉(zhuǎn)子動(dòng)能ΔEk計(jì)算公式如下：

式中：Ek為轉(zhuǎn)子動(dòng)能；ωr為轉(zhuǎn)子角速度；n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；J為雙饋風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；N為齒輪箱變比。

由于風(fēng)機(jī)所蘊(yùn)含轉(zhuǎn)子動(dòng)能與其初始轉(zhuǎn)速緊密相關(guān)，且不同風(fēng)速下風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不同，轉(zhuǎn)子動(dòng)能也相差較大，故需結(jié)合實(shí)際風(fēng)速對轉(zhuǎn)子動(dòng)能進(jìn)行計(jì)算。以1.5 MW 和2 MW 雙饋風(fēng)電機(jī)組為例[18-19]，其等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為7.565 8×106kg·m2和14.2×106kg·m2，風(fēng)機(jī)極對數(shù)p=2。設(shè)風(fēng)機(jī)最小轉(zhuǎn)速n=1 050 r/min 時(shí)，代入式（1）即可得到不同轉(zhuǎn)速下風(fēng)機(jī)所蘊(yùn)含的轉(zhuǎn)子動(dòng)能，如表1所示。

表1 1.5 MW和2 MW風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能調(diào)頻能力Tab.1 Rotor kinetic energy frequency regulation capability of 1.5 MW and 2 MW DFIG

當(dāng)雙饋風(fēng)電機(jī)組以10%額定功率響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化時(shí)，可以得到不同轉(zhuǎn)速下風(fēng)機(jī)提供功率響應(yīng)的時(shí)長?？梢钥闯觯?dāng)轉(zhuǎn)速在1 500 r/min 以上時(shí)，風(fēng)機(jī)可以通過降速釋放轉(zhuǎn)子動(dòng)能的方式為系統(tǒng)提供不少于30 s的功率響應(yīng)；而對于1.5 MW風(fēng)機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于1 425 r/min時(shí)，無法滿足電網(wǎng)對風(fēng)機(jī)提供30 s時(shí)長的一次調(diào)頻能量要求，對于2 MW風(fēng)機(jī)則是轉(zhuǎn)速低于1 395 r/min時(shí)無法滿足一次調(diào)頻需求。而無論轉(zhuǎn)速處于何值，1.5 MW 和2 MW風(fēng)機(jī)所含的轉(zhuǎn)子動(dòng)能均能提供不少于5 s 的功率支撐，滿足電網(wǎng)對風(fēng)機(jī)慣量響應(yīng)的要求。因此，綜合慣量和一次調(diào)頻定位分析以及轉(zhuǎn)子動(dòng)能定量分析能夠得出，當(dāng)負(fù)荷增加導(dǎo)致系統(tǒng)頻率下跌時(shí)，可將雙饋風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能作為響應(yīng)頻率變化率即提供慣量支撐的能量來源。

2 基于轉(zhuǎn)子動(dòng)能與分布式儲(chǔ)能風(fēng)機(jī)調(diào)頻控制策略

考慮到利用轉(zhuǎn)子動(dòng)能的傳統(tǒng)虛擬慣量控制和超速減載控制策略存在的不足，同時(shí)結(jié)合近年來儲(chǔ)能裝置技術(shù)的不斷成熟以及在風(fēng)電領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，提出如圖1所示的基于轉(zhuǎn)子動(dòng)能和分布式儲(chǔ)能雙饋風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻控制策略，以解決風(fēng)機(jī)并網(wǎng)帶來的頻率調(diào)節(jié)問題。參考同步發(fā)電機(jī)組調(diào)頻過程中慣量能量來源于轉(zhuǎn)子動(dòng)能、一次調(diào)頻能量來源于鍋爐預(yù)留蓄熱的能量提供方式，文中將轉(zhuǎn)子動(dòng)能和分布式儲(chǔ)能裝置共同作為支撐風(fēng)機(jī)變流器調(diào)頻的能量源，利用風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化率，提供慣量功率支撐，有效避免轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過深導(dǎo)致的頻率二次跌落現(xiàn)象發(fā)生的同時(shí)也能保證慣量響應(yīng)速度；利用分布式儲(chǔ)能裝置響應(yīng)頻率偏差量，提供一次調(diào)頻能量。在保證一次調(diào)頻效果的前提下最大程度減少儲(chǔ)能設(shè)備的充放電頻率和經(jīng)濟(jì)投入。

圖1 基于轉(zhuǎn)子動(dòng)能與分布式儲(chǔ)能的風(fēng)機(jī)調(diào)頻控制策略框圖Fig.1 Block diagram of DFIG frequency control strategy based on rotor kinetic energy and distributed energy storage

2.1 風(fēng)儲(chǔ)協(xié)調(diào)控制策略

對于風(fēng)電機(jī)組的慣量支撐能力，第1節(jié)分析了轉(zhuǎn)子動(dòng)能在系統(tǒng)產(chǎn)生功率缺額時(shí)為電網(wǎng)提供功率調(diào)節(jié)的時(shí)間，證明無論何種風(fēng)速其能量均滿足系統(tǒng)慣量響應(yīng)要求，故文中選擇利用轉(zhuǎn)子動(dòng)能響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化率，以減少分布式儲(chǔ)能裝置的容量配置，降低系統(tǒng)投入成本。與傳統(tǒng)虛擬慣量控制策略不同的是，所提策略僅利用風(fēng)機(jī)自身能量響應(yīng)頻率變化率，因此轉(zhuǎn)子動(dòng)能作用時(shí)間短、轉(zhuǎn)速變動(dòng)幅度小、電磁功率與最大功率跟蹤點(diǎn)偏差少，不會(huì)產(chǎn)生因轉(zhuǎn)速過調(diào)而引發(fā)的頻率二次跌落現(xiàn)象。圖2為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能慣量響應(yīng)曲線。正常工況下，雙饋風(fēng)電機(jī)組在轉(zhuǎn)速-功率公式的控制下運(yùn)行于最大功率跟蹤點(diǎn)，即圖2 中A點(diǎn)。轉(zhuǎn)速-功率公式為

圖2 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能慣量響應(yīng)曲線Fig.2 Inertia response curves of DFIG rotor kinetic energy

其中

式中：PMPPT為最大功率跟蹤曲線輸出功率；kopt為最大功率跟蹤曲線系數(shù)；ρ為空氣密度；Cp為風(fēng)能轉(zhuǎn)換系數(shù)；λopt為最佳葉尖速比；R為風(fēng)機(jī)葉片半徑。

當(dāng)負(fù)荷增加導(dǎo)致系統(tǒng)功率短缺、頻率低于額定值時(shí)，風(fēng)機(jī)向電網(wǎng)輸出功率提供慣量支撐。此時(shí)電磁功率參考值由PMPPT變?yōu)镻Rotor，電磁功率增大，機(jī)械功率不變，使得電磁轉(zhuǎn)矩高于機(jī)械轉(zhuǎn)矩，在轉(zhuǎn)矩差的作用下轉(zhuǎn)速快速下跌，轉(zhuǎn)子動(dòng)能以電磁功率形式輸出。由于變流器控制響應(yīng)速度在ms 級別，慣量響應(yīng)功率將以較快速度輸出，以阻止頻率的快速下跌。直至頻率變化率減小到零時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速開始回升，風(fēng)機(jī)依照MPPT 曲線恢復(fù)至最大功率跟蹤點(diǎn)，形成閉環(huán)控制，整個(gè)過程中風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行軌跡為A-B-C-D-A。對于風(fēng)機(jī)慣量調(diào)節(jié)范圍，由于雙饋風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一般在0.7（標(biāo)幺值）≤ωr≤1.2（標(biāo)幺值）范圍內(nèi)運(yùn)行，表1 顯示在該區(qū)間內(nèi)風(fēng)機(jī)具有足夠轉(zhuǎn)子動(dòng)能以電磁功率形式輸出提供慣量功率支撐，因此在負(fù)荷增加引發(fā)的風(fēng)機(jī)調(diào)頻中，無需設(shè)置轉(zhuǎn)速限制。

當(dāng)負(fù)荷減少引發(fā)頻率上升時(shí)，雙饋風(fēng)電機(jī)組通過減少有功輸出進(jìn)行慣量響應(yīng)，在轉(zhuǎn)子動(dòng)能慣量控制模塊作用下，風(fēng)機(jī)沿曲線A-E-F-G-A進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于風(fēng)機(jī)無論是在最大功率跟蹤區(qū)、恒轉(zhuǎn)速區(qū)或是恒功率區(qū)，轉(zhuǎn)速ωr均不能超過1.2（標(biāo)幺值），因此需設(shè)置轉(zhuǎn)速保護(hù)限制，即ωmax= 1.2ωn。PRotor表達(dá)式為

式中：Δf為頻率偏差量；H為慣量響應(yīng)系數(shù)。

利用分布式儲(chǔ)能裝置實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組一次頻率調(diào)節(jié)，既滿足了系統(tǒng)能量需求，也通過充放電方式實(shí)現(xiàn)了對盈余能量的充分利用。分布式儲(chǔ)能裝置在風(fēng)機(jī)生產(chǎn)階段即可安裝完成，能夠?qū)崿F(xiàn)同容量風(fēng)機(jī)統(tǒng)一安裝、統(tǒng)一配置，設(shè)計(jì)和控制更加簡潔，相較于集中式儲(chǔ)能設(shè)備，其空間占地小、無需投入土建成本。儲(chǔ)能裝置種類多樣，性能各有不同，考慮到文中采用分布式儲(chǔ)能設(shè)備的作用是模擬同步發(fā)電機(jī)組鍋爐預(yù)留蓄熱，完成系統(tǒng)的一次調(diào)頻功能，而電網(wǎng)調(diào)頻日內(nèi)波動(dòng)次數(shù)頻繁、對機(jī)組調(diào)頻速度要求高[20]，結(jié)合超級電容器可循環(huán)次數(shù)高、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，文中采用超級電容器作為一次調(diào)頻能量來源。

超級電容器安裝于雙饋風(fēng)電機(jī)組的直流母線處，通過雙向DC/DC 變換器與直流電容相連，其能量通過網(wǎng)側(cè)變流器與電網(wǎng)進(jìn)行交換。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，超級電容器不啟動(dòng)；若負(fù)荷增加導(dǎo)致系統(tǒng)能量短缺，超級電容器在DC/DC 變流器控制下釋放能量；若負(fù)荷突減引發(fā)功率盈余，超級電容器則持續(xù)充電，吸收盈余功率。觸發(fā)超級電容器充放電功能的是系統(tǒng)頻率偏差量，當(dāng)|Δf|≤0.033 Hz，即頻率偏差處于調(diào)頻死區(qū)時(shí)，超級電容器不參與一次頻率調(diào)節(jié)，只有當(dāng)Δf＞0.033 Hz或Δf＜-0.033 Hz 時(shí)，超級電容器才通過充放電均衡系統(tǒng)能量，調(diào)節(jié)系統(tǒng)平衡。此外，在充放電過程中需對超級電容器荷電狀態(tài)（SOC）進(jìn)行監(jiān)控，防止過充或過放現(xiàn)象發(fā)生，一般其SOC的調(diào)節(jié)范圍在0.2～1（標(biāo)幺值）：

式中：SOCmin為荷電狀態(tài)下限值；SOCmax為荷電狀態(tài)上限值。

超級電容器充放電功率Pc表達(dá)式為

式中：D為一次調(diào)頻響應(yīng)系數(shù)。

綜合雙饋風(fēng)電機(jī)組頻率調(diào)節(jié)期間轉(zhuǎn)子動(dòng)能和分布式儲(chǔ)能裝置的功能定位，風(fēng)儲(chǔ)協(xié)調(diào)控制策略的流程圖如圖3所示。當(dāng)頻率偏差處于調(diào)頻死區(qū)時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和分布式儲(chǔ)能裝置均不啟動(dòng)。若頻率偏差超出調(diào)頻死區(qū)，系統(tǒng)判定風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和儲(chǔ)能設(shè)備荷電狀態(tài)是否處于調(diào)節(jié)范圍，然后根據(jù)頻率變化率釋放或吸收轉(zhuǎn)子動(dòng)能提供慣量支撐，根據(jù)頻率偏差量對儲(chǔ)能裝置充電或放電完成一次調(diào)頻，直至完成系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恢復(fù)至初始穩(wěn)態(tài)值，分布式儲(chǔ)能裝置也停止充放電。文中在頻率調(diào)節(jié)過程中增設(shè)了調(diào)頻死區(qū)，不僅有效避免了非故障情況頻率波動(dòng)導(dǎo)致的分布式儲(chǔ)能裝置頻繁啟動(dòng)，也延長了分布式儲(chǔ)能設(shè)備的使用壽命。

2.2 分布式儲(chǔ)能容量配置

在配置分布式儲(chǔ)能裝置容量時(shí)，不僅要考慮其功能作用，還需對其輸出功率與網(wǎng)側(cè)變流器的適配度進(jìn)行分析。首先，分布式儲(chǔ)能裝置在所提控制策略中的功能是提供一次調(diào)頻功率支撐，而一次調(diào)頻輸出或輸入功率大小與系統(tǒng)頻率偏差有關(guān)，眾多文獻(xiàn)表明，功率調(diào)節(jié)值一般不會(huì)超過機(jī)組額定功率的10%，時(shí)間為30 s。其次，當(dāng)選定超級電容器的額定功率為10%PN時(shí)，需分析流入網(wǎng)側(cè)變流器的功率是否會(huì)超出其限值。

流入網(wǎng)側(cè)變流器的功率Pgsc由雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子側(cè)輸出功率Prsc和超級電容器輸出功率Pc兩部分組成，Prsc與雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差率s密切相關(guān)：

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的工作范圍一般為0.7～1.2（標(biāo)幺值），則s在-0.3～0.2（標(biāo)幺值）之間變化。當(dāng)轉(zhuǎn)差率s=-0.3 時(shí)，雙饋風(fēng)電機(jī)組輸出功率Pe達(dá)到額定值，轉(zhuǎn)子側(cè)輸出功率Prsc也達(dá)到最大。

若雙饋風(fēng)電機(jī)組額定功率為2 MW 時(shí)，流過轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的最大功率為461 kW，超級電容器最大輸出功率為200 kW，依據(jù)式（6），流入網(wǎng)側(cè)變流器功率為661 kW，該值小于某公司網(wǎng)側(cè)變流器的限值700 kW。因此以200 kW×30 s作為超級電容器能量配置，既滿足一次調(diào)頻能量需求，也能滿足網(wǎng)側(cè)變流器功率限制。此外，為了保證網(wǎng)側(cè)變流器的安全可靠，對于已建的風(fēng)電機(jī)組可適當(dāng)降低超級電容器的輸出功率和容量。對于新建的雙饋風(fēng)電機(jī)組，可以適當(dāng)增加網(wǎng)側(cè)變流器的額定功率，避免發(fā)生流入網(wǎng)側(cè)變流器的功率超過其限值的現(xiàn)象。

2.3 風(fēng)儲(chǔ)協(xié)調(diào)頻率控制策略經(jīng)濟(jì)性分析

相較于超速減載方案，基于轉(zhuǎn)子動(dòng)能與分布式儲(chǔ)能的風(fēng)機(jī)調(diào)頻方案正常工況下始終運(yùn)行于最大功率跟蹤點(diǎn)，減少了棄風(fēng)造成的經(jīng)濟(jì)損失，并且所提方案對轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍也不再提出限制。不足之處在于，分布式儲(chǔ)能裝置的安裝增加了投資成本，但參考相關(guān)數(shù)據(jù)[21-22]，基于轉(zhuǎn)子動(dòng)能與分布式儲(chǔ)能的風(fēng)機(jī)調(diào)頻策略仍有較強(qiáng)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本投入由儲(chǔ)能系統(tǒng)的初始投資成本Ft和運(yùn)行維護(hù)成本Fy兩部分組成[21]，兩項(xiàng)成本均與設(shè)備的額定功率和額定容量相關(guān)：

式中：Sc為分布式儲(chǔ)能設(shè)備容量；Pp為DC/DC變流器額定功率；nt_c為分布式儲(chǔ)能裝置的單位容量成本；nt_p為分布式儲(chǔ)能裝置的單位功率成本；nt_pwm為變流器的單位功率成本；my_c為分布式儲(chǔ)能裝置的單位運(yùn)行成本；my_pwm為變流器的單位運(yùn)行成本。

對于分布式儲(chǔ)能設(shè)備來說，其直接安裝于風(fēng)電機(jī)組直流母線側(cè)，容量小，和風(fēng)機(jī)構(gòu)成一體，因此其初始投資成本不包含土建相關(guān)費(fèi)用。表2為儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本單價(jià)[22]。

表2 儲(chǔ)能系統(tǒng)成本單價(jià)Tab.2 Cost unit price of energy storage system

依據(jù)式（8）以及表2，文中對基于轉(zhuǎn)子動(dòng)能與分布式儲(chǔ)能的風(fēng)機(jī)調(diào)頻策略經(jīng)濟(jì)成本和超速減載策略的經(jīng)濟(jì)損失進(jìn)行了計(jì)算，并將兩者經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行對比。以2 MW 雙饋風(fēng)電機(jī)組為例，對于基于轉(zhuǎn)子動(dòng)能與分布式儲(chǔ)能風(fēng)機(jī)調(diào)頻方案，超級電容器能量配置為200 kW×30 s 時(shí)，DC/DC 變流器額定功率為200 kW，總成本投入為46.5 萬元。由于計(jì)算出的初始投資成本為當(dāng)年一次性投入，而維護(hù)成本為每年投資，為了實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一并考慮到資金的時(shí)間價(jià)值因素，需將初始投資成本按年等值投資進(jìn)行折算。考慮超級電容器使用年限為8 a，變流器折舊年限為20 a，進(jìn)行折算后每年需投資4.91 萬元。對于超速減載控制策略，當(dāng)減載率為10%時(shí)，在不限電情況下每年因風(fēng)能資源浪費(fèi)造成的電量損失為93 kW·h，電費(fèi)損失則高達(dá)50.1萬元。綜合對比表3 中經(jīng)濟(jì)成本可以得出，基于轉(zhuǎn)子動(dòng)能與分布式儲(chǔ)能的風(fēng)機(jī)調(diào)頻策略的成本投入遠(yuǎn)小于超速減載方案的年經(jīng)濟(jì)損失。

表3 超速減載策略和風(fēng)儲(chǔ)協(xié)調(diào)策略經(jīng)濟(jì)性對比Tab.3 Economic comparison between overspeed load shedding strategy and wind-storage coordination strategy

3 仿真分析與研究

3.1 仿真系統(tǒng)模型

文中在Matlab/Simulink 系統(tǒng)中搭建了經(jīng)典四機(jī)兩區(qū)域模型對基于轉(zhuǎn)子動(dòng)能與分布式儲(chǔ)能的風(fēng)機(jī)調(diào)頻策略進(jìn)行驗(yàn)證。區(qū)域1 電源由310 臺(tái)1.5 MW 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)和1 臺(tái)裝有調(diào)速器和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的900 MW 同步發(fā)電機(jī)組構(gòu)成；區(qū)域2電源由1 臺(tái)900 MW 同步發(fā)電機(jī)組構(gòu)成。同時(shí)，在兩區(qū)域內(nèi)分別安裝無功補(bǔ)償裝置C1和C2，以提高系統(tǒng)功率因數(shù)，穩(wěn)定線路電壓。根據(jù)2.2 節(jié)對分布式儲(chǔ)能裝置的容量配置，對區(qū)域1 中每臺(tái)雙饋風(fēng)電機(jī)組的直流母線處均安裝容量為150 kW×30 s 的超級電容器，通過DC/DC 直流變換器與風(fēng)機(jī)相連。

文中分別對比了不同風(fēng)速下發(fā)生不同負(fù)荷波動(dòng)事件時(shí)，利用轉(zhuǎn)子動(dòng)能的傳統(tǒng)虛擬慣量控制策略、超速減載控制策略（減載率10%）和基于轉(zhuǎn)子動(dòng)能與分布式儲(chǔ)能風(fēng)機(jī)調(diào)頻策略的響應(yīng)特性和調(diào)頻效果，通過對風(fēng)機(jī)風(fēng)速和負(fù)荷L1，L2，L3的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)了不同工況的仿真。

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 負(fù)荷突增

中風(fēng)速（10 m/s）時(shí)，設(shè)置系統(tǒng)負(fù)荷在5 s 時(shí)突增100 MW，對比分析三種不同控制策略下系統(tǒng)頻率、風(fēng)機(jī)出力和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等參數(shù)的變化情況，如圖4所示。由于負(fù)荷增加時(shí)機(jī)組輸出功率小于負(fù)荷功率，系統(tǒng)頻率會(huì)迅速下跌，而三種控制策略都具有慣量支撐功能，且控制系數(shù)H和D相同，因此頻率下降速率幾乎一致，頻率最低點(diǎn)也均為49.71 Hz。虛擬慣量控制策略的轉(zhuǎn)子動(dòng)能無法提供長期能量支撐，不具備一次調(diào)頻能力，其穩(wěn)態(tài)頻率偏差最大，為49.78 Hz；超速減載控制策略具有10%預(yù)留功率，能夠參與一次調(diào)頻，穩(wěn)態(tài)頻率偏差有所提升，為49.8 Hz；基于轉(zhuǎn)子動(dòng)能與分布式儲(chǔ)能策略利用超級電容器提供一次調(diào)頻，與慣量支撐能量來源不同，穩(wěn)態(tài)頻率偏差進(jìn)一步改善，為49.82 Hz。中風(fēng)速下，三種策略的慣量支撐能力幾乎相同，但基于轉(zhuǎn)子動(dòng)能和分布式儲(chǔ)能策略的一次頻率調(diào)節(jié)能力更具有優(yōu)勢，穩(wěn)態(tài)頻率偏差最小。

圖4 風(fēng)速10 m/s負(fù)荷突增10%時(shí)風(fēng)機(jī)響應(yīng)波形Fig.4 DFIG response waveforms when load increase 10%under 10 m/s wind speed

對比轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化，由于超速減載控制策略是通過增加轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速來預(yù)留有功功率，其穩(wěn)態(tài)下轉(zhuǎn)速最高，為1.19（標(biāo)幺值），風(fēng)機(jī)輸出功率和風(fēng)能利用系數(shù)也最小。開始調(diào)頻后三種策略的轉(zhuǎn)速均會(huì)下降，風(fēng)電機(jī)組輸出功率也會(huì)增加，僅超速減載策略是通過風(fēng)機(jī)功率進(jìn)行一次調(diào)頻，故其穩(wěn)態(tài)風(fēng)機(jī)輸出功率比負(fù)荷突增前有所提高，風(fēng)能利用系數(shù)也有所增加，而另兩種方案穩(wěn)態(tài)時(shí)和負(fù)荷突增前風(fēng)機(jī)狀態(tài)無較為明顯變化。此外，對比發(fā)現(xiàn)，即使在增速調(diào)頻后，超速減載方案的風(fēng)能利用系數(shù)為0.345，也要遠(yuǎn)小于基于轉(zhuǎn)子動(dòng)能和分布式儲(chǔ)能方案的0.38。綜合分析，中風(fēng)速、負(fù)荷突增工況下，基于轉(zhuǎn)子動(dòng)能和分布式儲(chǔ)能方案在系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)和風(fēng)力資源利用上均為最優(yōu)。

低風(fēng)速（7 m/s）時(shí)，設(shè)置同樣工況，仿真結(jié)果如圖5所示。仿真發(fā)現(xiàn)，基于轉(zhuǎn)子動(dòng)能和分布式儲(chǔ)能調(diào)頻策略的頻率最低點(diǎn)為49.7 Hz，穩(wěn)態(tài)頻率偏差為49.81 Hz，調(diào)頻效果比其他兩種方案都更為明顯。虛擬慣量控制策略的頻率最低點(diǎn)為49.66 Hz，是三者中最低的，這是由于低風(fēng)速時(shí)雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速幾乎達(dá)到最低點(diǎn)，所具備的可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子動(dòng)能較少，僅響應(yīng)頻率變化率則能量尚可，若需同時(shí)響應(yīng)頻率偏差則能量不足。

圖5 風(fēng)速7 m/s負(fù)荷突增10%時(shí)風(fēng)機(jī)響應(yīng)波形Fig.5 DFIG response waveforms when load increase 10%under 7 m/s wind speed

虛擬慣量和基于轉(zhuǎn)子動(dòng)能與分布式儲(chǔ)能調(diào)頻方案的風(fēng)機(jī)穩(wěn)態(tài)輸出功率為0.075（標(biāo)幺值），在負(fù)荷突增時(shí)由于虛擬慣量方案需響應(yīng)頻率偏差量，其風(fēng)機(jī)輸出功率變化量要大于基于轉(zhuǎn)子動(dòng)能和分布式儲(chǔ)能方案，但由于轉(zhuǎn)速幾乎都處于下限值，因此轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和風(fēng)機(jī)功率變化量都較小。超速減載方案穩(wěn)態(tài)功率輸出值為0.049（標(biāo)幺值），和其他兩種方案相差不大，風(fēng)能利用系數(shù)也接近，這是由于當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)，超速減載方案預(yù)留功率量較少，一次調(diào)頻能力不足。綜合分析，低風(fēng)速、負(fù)荷突增工況下，虛擬慣量控制策略轉(zhuǎn)子動(dòng)能低，超速減載方案預(yù)留功率少，調(diào)頻能力差，而基于轉(zhuǎn)子動(dòng)能和分布式儲(chǔ)能方案由于具有超級電容器協(xié)助，調(diào)頻效果最好。

3.2.2 負(fù)荷突減

中風(fēng)速（10 m/s）時(shí)，仿真設(shè)置系統(tǒng)負(fù)荷在5 s時(shí)突減100 MW，對比三種不同控制策略下系統(tǒng)頻率、風(fēng)機(jī)出力和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化情況，如圖6所示。從圖6 可以看出，中風(fēng)速下三種策略的頻率上升速率相同，頻率最高點(diǎn)均為50.29 Hz；穩(wěn)態(tài)頻率最低的是基于轉(zhuǎn)子動(dòng)能和分布式儲(chǔ)能策略的50.19 Hz，其次為超速減載策略的50.2 Hz，虛擬慣量策略由于不具備一次調(diào)頻能力，其穩(wěn)態(tài)頻率最高，為50.22 Hz。圖6 顯示，即使在中風(fēng)速下，頻率波動(dòng)前超速減載策略的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到1.18（標(biāo)幺值），接近上限值，當(dāng)參與調(diào)頻后轉(zhuǎn)速更是上升到1.21（標(biāo)幺值）。仿真結(jié)果表明，超速減載策略在負(fù)荷突減工況下轉(zhuǎn)速的變化限制了其頻率調(diào)節(jié)能力。

圖6 風(fēng)速10 m/s負(fù)荷突減10%時(shí)風(fēng)機(jī)響應(yīng)波形Fig.6 DFIG response waveforms when load decrease 10%under 10 m/s wind speed

高風(fēng)速（12 m/s）時(shí)，設(shè)置同樣的仿真工況，仿真結(jié)果如圖7所示。從波形結(jié)果可以看出，無論從最大頻率偏差量還是穩(wěn)態(tài)頻率偏差量看，基于轉(zhuǎn)子動(dòng)能和分布式儲(chǔ)能方案的調(diào)頻效果最好。超速減載策略的穩(wěn)態(tài)頻率和虛擬慣量策略幾乎相等，均為52.1 Hz，表明高風(fēng)速下超速減載方案不再具備一次調(diào)頻能力，這是由于頻率變化前風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到上限值，無法再通過提速的方式減少風(fēng)電機(jī)組的有功輸出，為系統(tǒng)提供一次頻率調(diào)節(jié)。高風(fēng)速下，超速減載策略的風(fēng)電機(jī)組輸出功率、風(fēng)能利用系數(shù)與其他兩種策略相差最大，幾乎達(dá)到2 倍，此時(shí)風(fēng)能資源浪費(fèi)現(xiàn)象最嚴(yán)重，調(diào)頻效果也較差。

圖7 風(fēng)速12 m/s負(fù)荷突減10%時(shí)風(fēng)機(jī)響應(yīng)波形Fig.7 DFIG response waveforms when load increase 10%under 12 m/s wind speed

綜合對比不同風(fēng)速和不同負(fù)荷波動(dòng)下的仿真結(jié)果可以得出：低風(fēng)速時(shí)，虛擬慣量策略的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近下限值，在響應(yīng)系統(tǒng)頻率偏差量時(shí)轉(zhuǎn)子動(dòng)能不足，超速減載策略的風(fēng)電機(jī)組輸出功率低，預(yù)留功率較少，兩者調(diào)頻能力均較差；高風(fēng)速時(shí)，超速減載控制策略的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近上限，轉(zhuǎn)子調(diào)節(jié)范圍減小，一次調(diào)頻能力不足。而基于轉(zhuǎn)子動(dòng)能和分布式儲(chǔ)能風(fēng)機(jī)調(diào)頻策略在以上四種工況下慣量和一次頻率調(diào)節(jié)效果均最優(yōu)，能有效滿足電網(wǎng)對風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻能力的要求。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提控制策略的可行性，搭建了如圖8所示的風(fēng)電機(jī)組實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)由異步電動(dòng)機(jī)、雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)、變流器柜、變頻器柜、超級電容器柜、電網(wǎng)模擬器和RCP 上位機(jī)組成，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)在異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)下旋轉(zhuǎn)發(fā)電，經(jīng)變流器柜、母線與電網(wǎng)模擬器連接，超級電容器柜則通過DC/DC 變換器與直流母線相連進(jìn)行能量交換，平臺(tái)各部分參數(shù)如表4所示。基于轉(zhuǎn)子動(dòng)能與分布式儲(chǔ)能的風(fēng)機(jī)調(diào)頻策略主要是通過控制轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和DC/DC 變流器實(shí)現(xiàn)，故在實(shí)驗(yàn)過程中按2.1 節(jié)方式通過RCP 上位機(jī)對變流器柜和超級電容器柜實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)文中所提控制策略。

圖8 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.8 Experimental platform

表4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)參數(shù)Tab.4 Experimental platform parameters

雙饋風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)直連，文中利用電網(wǎng)模擬器分別對電網(wǎng)頻率下降（負(fù)荷增加）和頻率上升（負(fù)荷減少）工況進(jìn)行模擬，驗(yàn)證所提控制策略的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。設(shè)置輸入電網(wǎng)模擬器的頻率曲線初始時(shí)為50 Hz，10 s 后下跌至49.9 Hz，40 s 時(shí)恢復(fù)至50 Hz，30 s 后頻率又上升至50.1 Hz，該工況下雙饋風(fēng)電機(jī)組有功功率、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和超級電容器的有功輸出結(jié)果如圖9所示。

圖9 實(shí)驗(yàn)波形Fig.9 Experimental waveforms

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)系統(tǒng)頻率突然下跌時(shí)，在慣量控制作用下轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速由穩(wěn)態(tài)時(shí)的1 610 r/min降至1 585 r/min，風(fēng)機(jī)輸出功率由初始的4 kW 瞬間增大至4.3 kW，隨著后期系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定，風(fēng)電機(jī)組在分布式儲(chǔ)能的作用下持續(xù)額外提供0.25 kW 有功功率補(bǔ)償。當(dāng)系統(tǒng)頻率上升時(shí)，頻率變化率為正值，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增大至1 650 r/min，超級電容器以-0.25 kW 吸收有功功率進(jìn)行充電，在兩者共同作用下，風(fēng)機(jī)輸出功率降至3.65 kW，之后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速逐漸恢復(fù)到初始值1 610 r/min，轉(zhuǎn)子動(dòng)能退出風(fēng)機(jī)調(diào)頻，超級電容器持續(xù)吸收有功功率直至頻率恢復(fù)額定值。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示在基于轉(zhuǎn)子動(dòng)能與分布式儲(chǔ)能風(fēng)機(jī)調(diào)頻控制策略下，風(fēng)電機(jī)組輸出功率由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和超級電容器共同決定，能夠有效響應(yīng)系統(tǒng)頻率波動(dòng)，為電網(wǎng)提供動(dòng)態(tài)有功功率支撐。

5 結(jié)論

考慮到虛擬慣量控制策略無法提供一次頻率調(diào)節(jié)，超速減載控制策略轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍受限、發(fā)電效益下降，提出了基于轉(zhuǎn)子動(dòng)能與分布式儲(chǔ)能風(fēng)機(jī)調(diào)頻控制策略，利用轉(zhuǎn)子動(dòng)能提供慣量功率支撐、分布式儲(chǔ)能裝置響應(yīng)一次頻率調(diào)節(jié)，將兩者共同作為風(fēng)機(jī)調(diào)頻能量來源，既為風(fēng)機(jī)并網(wǎng)調(diào)頻提供新方法，也簡化風(fēng)機(jī)升級改造難度。

1）對1.5 MW 和2 MW 風(fēng)電機(jī)組在不同轉(zhuǎn)速下所含轉(zhuǎn)子動(dòng)能進(jìn)行計(jì)算，分別確定其在10%額定功率支撐下的頻率調(diào)節(jié)時(shí)長，結(jié)果表明，無論處于何轉(zhuǎn)速值，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能均可提供不少于5 s的慣量支撐，但不能滿足一次調(diào)頻30 s 時(shí)長的要求。因此當(dāng)負(fù)荷增加導(dǎo)致系統(tǒng)頻率下跌時(shí)，可將雙饋風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能作為響應(yīng)頻率變化率，即提供慣量支撐的能量來源。

2）結(jié)合分布式儲(chǔ)能裝置能量充足的特點(diǎn)，選擇超級電容器作為風(fēng)機(jī)一次調(diào)頻能量源，響應(yīng)頻率偏差量，同時(shí)依據(jù)分布式儲(chǔ)能裝置的調(diào)頻功能及網(wǎng)側(cè)變流器對功率的限制，優(yōu)化其容量配置，最大程度降低儲(chǔ)能裝置經(jīng)濟(jì)成本。

3）在綜合考慮超級電容器和變流器的安裝成本下，超速減載的年經(jīng)濟(jì)損失為50.1 萬元，而基于轉(zhuǎn)子動(dòng)能與分布式儲(chǔ)能的年平均投資為4.91 萬元，對比發(fā)現(xiàn)所提控制方案仍有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

4）相較于虛擬慣量和超速減載策略，基于轉(zhuǎn)子動(dòng)能與分布式儲(chǔ)能風(fēng)機(jī)調(diào)頻策略無論是在低、中、高風(fēng)速下，或是負(fù)荷突增、突減工況下，其頻率調(diào)節(jié)效果均為最優(yōu)，有效提升了并網(wǎng)風(fēng)機(jī)的慣量和一次調(diào)頻能力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明其能有效響應(yīng)系統(tǒng)頻率波動(dòng)。