變速恒頻風電機組的有功－頻率控制

韓肖清，董桐宇，程昱舒，王鵬敏

（1.太原理工大學電氣與動力工程學院，太原 030024；2.山西電力科學研究院，太原 030001）

隨著風力發電技術的快速發展，風電穿透功率不斷提高，研究風電系統對電力系統電壓和頻率的影響成為重要的研究課題之一。目前，風電場的電壓調節主要靠并聯無功補償器補償風力發電在無功方面的不足［1～3］，對風電場的頻率調節還沒有深入研究。現在，實際運行中的風電機組運用較多的是雙饋異步發電機DFIG（doubly fed induction generator）。文獻［5～10］研究了DFIG的不同控制策略，表明系統的頻率響應與其采用的控制策略密切相關。文獻［11］提出了增強電力系統頻率穩定的兩種方法：第一，讓雙饋風電機組瞬間釋放轉子中儲存的動能；第二，通過對雙饋風電機組的變頻器控制和槳距角調節，來實現有功儲備。文獻［12］指出風電機組自身缺乏頻率調節能力，只能依靠電網調度或調節裝置維持系統頻率。文獻［13］研究了飛輪輔助的風電系統的頻率控制。

傳統調整系統頻率的主要手段是靠發電機組的自動調速系統和調頻廠。考慮可調容量、調整速度和經濟性，枯水季節水電廠最適合做調頻廠，其次是中溫中壓火電廠［4］。我國大容量風電場主要集中在西北、東北以及東南沿海等風力資源豐富的地區，但是這些地區適合作調頻廠的水電廠很少，如果讓火電機組承擔全部調頻任務，將提高其發電成本，降低經濟效益。同時，風力發電的特點常常是夜間出力大于白天出力，正好與用電情況相反，這將增大系統的調峰容量。當系統出現有功缺額時，增加風電場有功出力，讓風電場分擔調頻任務，可以減輕調頻廠的負擔。

本文介紹了風能轉換的基本原理，提出一種新的控制策略，通過在變頻器的控制模塊中增加有功功率控制環節使風電機組具有一定的有功儲備。在系統有功不足時，可以補充系統的有功缺額，實現系統頻率調節。論文基于PSCAD軟件建立了控制模型，以IEEE－39節點系統為例，驗證了控制策略的正確性和有效性。

1 風力發電基本原理

1.1 風能轉換原理

風輪吸收的風功率如下式［14］：

風能利用系數Cp由葉尖速比λ和槳距角β決定。Cp值越大，表示風力機對風能的利用率越高。由貝茨理論可知，Cp理論最大值為0.593。

葉尖速比λ表示風輪運行速度的快慢，即

式中：n為風輪轉速（轉／分）；R為風輪半徑；v為上游風速；ω為風輪旋轉角速度。由文獻［7］可知：

風能利用系數Cp是葉尖速比λ和槳距角β的函數，可表示為Cp（λ，β）。風力機的特性曲線如圖1、圖2所示。

圖1 風能利用系數與葉尖速比的關系Fig.1 Relationship between Cpandλ

圖2 風能利用系數和槳距角的關系Fig.2 Relationship between Cpandβ

顯然，改變槳距角β或葉尖速比λ都可以改變Cp。

1.2 風力機的功率調節

功率調節是風力機控制的關鍵技術之一。一般情況下，風力發電機組當風速低于額定風速時，運行在最大風能捕獲狀態，風能的利用率最高；高于額定風速時通過槳距角控制和變頻器控制使風電機組的輸出功率保持在額定值附近。

以風輪旋轉角速度ω為橫坐標，風力機輸出功率P為縱坐標，可以得到風力機功率特性如圖3所示，圖中每一條曲線對應于不同的風速v1、v2、v3。

由圖3可知，在一定的風速下，對應于不同的轉速，風力機有不同的輸出功率。例如當風速為v2時，除了控制槳距角以外，還可控制風力發電機組的轉速來調節其輸出功率，即圖3中從B點到B′點，或者從B′點到B點的變化。這表明在同一風速下，通過調節轉速改變葉尖速比，可以改變風能利用系數，從而調節風電機組的有功輸出，以此來支持系統頻率穩定。

圖3 風力機功率特性Fig.3 Active power characteristic of wind turbine

2 風電場有功－頻率控制

以IEEE－39節點系統為例，如圖4所示，節點38的常規同步發電機由相同容量的風電場代替，系統中其他發電機均為常規發電機。系統總裝機容量為6200MVA，風電場位于系統的38節點，額定風速為12m／s，裝機容量900MVA，風能利用系數為0.24，風電穿透功率約為15%。

系統有功功率缺額會造成系統頻率跌落，有功缺額不同，系統頻率偏差也不同。這里討論了四種情況，分別為系統發電機組的有功出力減少100 MW、200MW、300MW、400MW，其相應的頻率分別為49.36Hz、48.93Hz、48.68Hz、48.27Hz，如圖5所示（同步發電機未加調速器）。

圖4 IEEE 10機39節點典型算例Fig.4 IEEE typical sample with 10－generator and 39－bus

圖5 頻率偏差曲線Fig.5 Frequency deviation curves

圖5中，在暫態過程中從10s到15s，風電機組可以向系統提供短暫的頻率支持，這部分能量來自于風電機組轉子釋放的動能［15，16］。

圖6 轉速控制框圖Fig.6 Diagram of DFIG speed control of adjustment

圖6所示為頻率－功率控制圖，根據圖中控制策略，并結合圖5頻率偏差曲線，通過改變矢量控制的有功參考值，從而改變轉子轉速及風能利用系數，最終增加或減少風力發電機的有功出力，達到風電機組參與調頻的目的。

圖7所示為大型風電場集中控制框圖。當頻率低于工頻時，通過測得的頻率偏差，計算系統的有功差值，利用圖6控制系統，控制各風電機組有功參考值，從而改變機組的有功出力，使其能夠像火電廠一樣支持系統頻率。

圖7 風電場集中控制原理圖Fig.7 Schematic of wind farm with centralized control

3 DFIG風電系統的仿真

采用PSCAD仿真軟件，建立如圖4所示含風電場的IEEE－39節點的仿真系統。風電機組以恒功率因數方式運行。考慮兩種方案，即：風電機組不參與調頻和風電機組參與調頻。仿真時，節點34裝機容量為500MVA的發電機組在1s時因故障退出運行，導致系統有功功率缺額，頻率下降。兩種方案下的系統頻率曲線和風電場有功出力的變化曲線分別如圖8和圖9所示。

圖8 兩種方案下的系統頻率變化Fig.8 Frequency variation of two cases

圖9 兩種方案下系統有功的變化Fig.9 Active Power of Case 1and Case 2

由圖可見，頻率的回升與有功出力的增加有關。圖8中，在10s到15s之間，由于暫態過程中風電機組轉子動能釋放，使得頻率得到有功功率的短暫支持，但是最終是由參與調頻的發電機組控制系統的頻率。

結果表明，風電機組增加功率調節模塊可以快速響應系統頻率的變化，配合同步發電機讓系統頻率更快地恢復正常。

4 結語

本文在利用風能轉換基本原理的基礎上，在變頻器的控制模塊中增加有功功率控制環節，通過調整風電機組的風能利用率，實現了風電機組參與系統頻率調節的功能。該控制策略雖然降低了風電機組的風能利用率，但是緩解了傳統調頻廠的調頻壓力，具有一定的實用價值。

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