風電機組一次調頻特性研究

郭 煒,孔維君,柳 偉

(1.江蘇省電力公司電力經濟技術研究院，江蘇南京210008；2.南京供電公司，江蘇南京210009；3.東南大學電氣工程學院,江蘇南京210096)

風力發電環境好、技術成熟、可靠性高、成本低且規模效益顯著，但具有許多異于常規發電的特點，風電場并網運行后，出現了很多亟待解決的技術難題。大規模風電接入電網后，在向電網提供清潔能源的同時，也給電網的運行帶來一些負面影響。風電場輸出功率取決于風速，風速時刻都在發生變化，具有較強的隨機性和間歇性[1]。隨著風電場數量和裝機容量的不斷增大，并網風電場風電功率波動將給電力系統安全經濟運行帶來諸多不利影響。尤其對于風電穿透功率較高的地區，由于改變了電網原有的潮流分布、線路傳輸功率與整個系統的慣量，風電接入并網后系統的電壓穩定性、暫態穩定性及頻率穩定性都會受到較大的影響[2]。

研究表明，在系統發生頻率偏移時，定速風電機組可以釋放動能為系統提供慣量支持，但目前流行的變速風力發電機組（本文主要指雙饋風電機組），由于轉子通過換流器與電網連接，造成轉子轉速與系統頻率解耦，對系統的慣量沒有貢獻，從而無法提供一次頻率控制[3]。大規模變速風力發電接入將降低傳統發電機組的運行比例，從而降低系統的總慣量和頻率控制能力，這也意味著由于功率不平衡所造成的系統頻率偏移將更大[4，5]。目前，國家在鼓勵風力發電入網的同時，又采用相關標準對接入地點、容量等進行限制，而隨著風力發電在電網中滲透率的提高，其帶來的嚴重慣量損失必將成為威脅電網安全和限制接入水平的關鍵因素[6]。因此有必要對變速風電機組、定速風電機組、以及常規火電同步發電機組的調頻特性進行比較，從而深入了解各類機組的調頻特性，進而采取相應的措施來提高各類風電機組對系統有功功率和頻率的控制能力，減小風電接入對電力系統的沖擊，對提高風電接入水平具有重要意義[7，8]。

1風電機組一次調頻特性

1.1變速與定速風電機組比較

在電網發生頻率大幅度降低的事故時，系統的慣量對于頻率降低的變化率起到了決定作用，即慣量越低，系統頻率降低越快。在一定負荷情況下，不同類型的風電機組并網運行時，勢必會取代部分常規發電機組，給系統的慣量帶來較大的沖擊。因此有必要對不同類型的風電機組的頻率響應特性予以研究，以期找到合理有效的頻率控制方法，提高系統運行的穩定性與可靠性。隨著風力發電技術的發展，風力發電機的一次調頻特性受到關注。大量文獻研究各類風機的慣量反應和調頻特性，文獻[9，10]比較了定速風電機組和變速風電機組發生頻率偏移時的頻率響應特性。研究表明，當系統發生功率不平衡擾動導致頻率偏移時，定速風電機組與變速風電機組表現出不同的頻率響應特性。

（1）定速風電機組。當系統發生頻率偏移時，能夠釋放儲存在風機葉片中的動能，為系統提供頻率支撐；其工作原理是當電網頻率發生變化時，轉差出現變化，電樞反應跟著變化，因而機組與電網交換的有功與無功發生變化。同時因力矩的不平衡，異步電機轉速將發生變化，最終達到穩定的轉差率，功率交換也達到穩定值。

（2）變速風電機組。其轉子通過換流器與電網連接，造成轉子轉速與系統頻率解耦，對系統的慣量沒有貢獻，也無法為一次頻率控制提供支撐；由于變速風電機組采用了電力電子變換器，實現了機械功率與系統電磁功率的解耦控制，也因此失去了對頻率的快速有效響應，導致其旋轉動能對整個系統的慣量幾乎沒有貢獻。

1.2變速風電機組與常規火電機組比較

變速風電機組與常規火電機組慣量反應和頻率響應特性有很大區別[11]。系統頻率下降時，變速風電機組與常規火電機組頻率響應特性對比曲線如圖1所示。其中，變速風電機組安裝有附加一次頻率控制環節，可以通過降低轉子轉速釋放轉子葉片中的部分轉子動能提供頻率支撐；常規火電機組安裝有調速器，在頻率下降時能增大有功出力提供頻率支撐。

圖1頻率響應特性比較

由圖1中曲線看出，火電機組由于調速器動作增加原動機輸入，提供持續的額外有功支撐，但響應有一定的延時；而安裝附加轉子控制環的變速風電機組對于頻率變化可以做出快速響應，但轉子轉速需要一定的恢復過程，如圖中陰影部分，根據能量守恒原理，風電機組轉子轉速需要一段過程才能恢復到最佳運行狀態。由此可知，變速風電機組頻率控制特性與常規火力發電機組相比具有一些不同之處[12]：

（1）快速性，即當控制系統有功參考值發生變化時，變速風電機組輸出的有功功率能快速跟蹤其變化；

（2）暫態性，由于變速風電機組是通過調整轉子轉速，釋放或吸收轉子部分動能，改變其有功輸出，而并不能調整原動機的輸入變化，因此只能提供短暫的有功支撐。

2變速風電機組一次調頻輔助頻率控制器

雙饋變速風電機組一般運行在最大風能追蹤控制模式下，輸出的有功功率已經達到可利用風能的最大值。當系統發生功率擾動頻率下降時，雙饋風電機組無法增加原動機的出力為系統提供頻率支持。而雙饋風機機組控制系統實現了變轉速運行，其轉子轉速的運行變化空間較大，可從風速較大時的超同步運行，轉速為ω=1.2 p.u.到風速較低時次同步運行，轉速為ω=0.7 p.u.運行。假設轉子轉速從ω0變為ω1，頻率從f0變為f1，轉子釋放的動能為：ΔE=H-），其中，H 為慣性時間常數。如此，雙饋風電機組最大可以提供轉子約60%的動能，常規火電機組轉子轉速運行范圍僅為0.95～1.00 p.u.，僅能提供轉子約9.75%的動能。當雙饋風電機組在電網中滲透率較高時，其轉子動能對系統轉動慣量的貢獻不容忽視。因此雙饋風電機組通過調整轉子轉速釋放或吸收轉子部分轉子動能參與一次頻率控制[13，14]。

通過設計頻率附加控制環，控制雙饋風電機組的轉子動能，使雙饋發電機組也能夠像常規發電機一樣參與系統一次頻率調制，其附加輔助頻率控制器結構如圖2所示。

圖2輔助頻率控制器結構

頻率附加控制環可以用方程式描述：

式（1）中：Kf和KEf分別為頻率偏差和偏差變化率的比例系數；PD，ref為附加控制得到的功率參考值增量；Pref為系統總的功率參考值。

為進一步研究含雙饋風電機組系統的慣量反應特性，假設PG為系統中常規發電機的功率輸出；PD為雙饋風力發電機組的功率輸出；PL為負載有功功率；PC為與相鄰系統間交換的功率；PA為總功率缺額。在穩定狀態，功率平衡方程為：

PA=PG+PD+PC-PL（2）

假設風力發電機功率參考Pref和實際輸出功率PD之間不存在動態交換，則有：

則總功率缺額與頻率偏差及頻率偏差變化率之間的關系可表示為：

式（4，5）中：H為系統的慣量時間常數；D為系統阻尼。根據式（5）可知，系統附加頻率控制，將改變雙饋風電機組的等效慣性，系統等效慣性由H變為H+Kf/2，增加的等效慣性值由Kf決定。因此，控制頻率偏差比例參數Kf在一定范圍內變化即可改變系統的等效慣性，Kf＞0時提高系統慣性，Kf＜0時降低系統慣性。

3仿真分析

3.1調頻特性比較

選4機2區域系統作為研究對象，基于PSCAD平臺搭建仿真模型，對風機一次調頻特性進行仿真分析。

（1）比較同步電機、定速風電機組及雙饋風電機組的一次調頻特性；

（2）分別對轉子動能控制、備用功率控制、普通聯合控制及模糊聯合控制進行仿真分析，比較各控制策略的調頻特性。

仿真所使用的系統為4機2區域系統。仿真所用系統包括同步電機4臺，容量分別為150 MW；風電場1個，采用集中式并網方式接入系統，接入點位于區域1同步電機G2母線側。如圖3所示。風電場總輸出容量為120 MW；總負荷為720 MW。

圖3仿真系統

系統在5 s時，同步電機G2由于失步故障退出運行，分析此時系統頻率變化情況。仿真區域風速均采用額定風速，分別對以下3種情況進行仿真分析：

（1）120 MW風電場由一臺相同容量的同步電機代替；

（2）風電場由定速風電機組組成；

（3）風電場由雙饋風電機組組成。

在PSCAD中搭建4機2區域系統仿真模型，并分別搭建定速風電機組定速風電機組仿真模型、變速風電機組雙饋風電機組仿真模型以及同步發電機組仿真模型，如圖3所示。3種不同類型機組的系統頻率變化曲線如圖4所示。

圖4不同電機的頻率變化規律

由圖4可知，仿真分析結果證明在系統發生有功缺失故障時，雙饋風電機組由于解耦控制，失去了對頻率的快速有效響應，無法參與一次調頻，相比常規同步電機和定速風電機組，頻率跌落最嚴重。

3.2輔助調頻控制效果

圖5不同控制策略下頻率變化曲線

針對雙饋風電機組，采用輔助頻率控制器，分析使用輔助頻率控制策略前后系統頻率變化曲線的差別，詳細結果如圖5所示。

由圖5可知，采用輔助頻率控制策略后，雙饋風電機組能夠參與系統一次調頻，當系統發生頻率偏移時，可釋放儲存在葉片中的轉子動能來提供頻率支撐，因此相比未使用該控制策略，其頻率控制曲線明顯改善，最低頻率由49.2 Hz提高到49.62 Hz，大于低頻減載閥值49.5 Hz，無需采取低頻減載措施即可穩定運行。

4結束語

基于PSCAD/EMTDC平臺分別建立常規火電機組模型、定速風電機組模型以及變速風電機組模型，針對3種不同類型電源接入情況下，仿真分析了變速風電機組與常規火電機組和定速風電機組調頻特性差異。仿真結果表明：在系統發生有功缺失故障時，變速風電機組由于解耦控制，失去了對頻率的快速有效響應，無法參與一次調頻，相比常規同步電機和定速風電機組，頻率跌落最嚴重，且穩態頻率最低。同時設置了一次調頻輔助頻率控制器，實驗結果驗證了其有效性。對于未來，風機一次調頻還需要在以下幾個方面展開深入研究：

（1）研究變速風機與常規發電機的協調調頻控制策略；

（2）現有的變速風電機組的調頻研究多集中在雙饋風電機組，研究適用于直驅永磁同步風電機的調頻控制策略；

（3）研究基于輕型直流輸電并網的一次調頻控制技術。

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