風電機組一次調(diào)頻特性研究

郭 煒,孔維君,柳 偉

(1.江蘇省電力公司電力經(jīng)濟技術(shù)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(xué)電氣工程學(xué)院,江蘇南京210096)

風力發(fā)電環(huán)境好、技術(shù)成熟、可靠性高、成本低且規(guī)模效益顯著，但具有許多異于常規(guī)發(fā)電的特點，風電場并網(wǎng)運行后，出現(xiàn)了很多亟待解決的技術(shù)難題。大規(guī)模風電接入電網(wǎng)后，在向電網(wǎng)提供清潔能源的同時，也給電網(wǎng)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(fā)生變化，具有較強的隨機性和間歇性[1]。隨著風電場數(shù)量和裝機容量的不斷增大，并網(wǎng)風電場風電功率波動將給電力系統(tǒng)安全經(jīng)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(qū)，由于改變了電網(wǎng)原有的潮流分布、線路傳輸功率與整個系統(tǒng)的慣量，風電接入并網(wǎng)后系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性、暫態(tài)穩(wěn)定性及頻率穩(wěn)定性都會受到較大的影響[2]。

研究表明，在系統(tǒng)發(fā)生頻率偏移時，定速風電機組可以釋放動能為系統(tǒng)提供慣量支持，但目前流行的變速風力發(fā)電機組（本文主要指雙饋風電機組），由于轉(zhuǎn)子通過換流器與電網(wǎng)連接，造成轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)頻率解耦，對系統(tǒng)的慣量沒有貢獻，從而無法提供一次頻率控制[3]。大規(guī)模變速風力發(fā)電接入將降低傳統(tǒng)發(fā)電機組的運行比例，從而降低系統(tǒng)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(tǒng)頻率偏移將更大[4，5]。目前，國家在鼓勵風力發(fā)電入網(wǎng)的同時，又采用相關(guān)標準對接入地點、容量等進行限制，而隨著風力發(fā)電在電網(wǎng)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(wǎng)安全和限制接入水平的關(guān)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(guī)火電同步發(fā)電機組的調(diào)頻特性進行比較，從而深入了解各類機組的調(diào)頻特性，進而采取相應(yīng)的措施來提高各類風電機組對系統(tǒng)有功功率和頻率的控制能力，減小風電接入對電力系統(tǒng)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(diào)頻特性

1.1變速與定速風電機組比較

在電網(wǎng)發(fā)生頻率大幅度降低的事故時，系統(tǒng)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(tǒng)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(wǎng)運行時，勢必會取代部分常規(guī)發(fā)電機組，給系統(tǒng)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(yīng)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(tǒng)運行的穩(wěn)定性與可靠性。隨著風力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，風力發(fā)電機的一次調(diào)頻特性受到關(guān)注。大量文獻研究各類風機的慣量反應(yīng)和調(diào)頻特性，文獻[9，10]比較了定速風電機組和變速風電機組發(fā)生頻率偏移時的頻率響應(yīng)特性。研究表明，當系統(tǒng)發(fā)生功率不平衡擾動導(dǎo)致頻率偏移時，定速風電機組與變速風電機組表現(xiàn)出不同的頻率響應(yīng)特性。

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

（2）變速風電機組。其轉(zhuǎn)子通過換流器與電網(wǎng)連接，造成轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)頻率解耦，對系統(tǒng)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(xiàn)了機械功率與系統(tǒng)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(yīng)，導(dǎo)致其旋轉(zhuǎn)動能對整個系統(tǒng)的慣量幾乎沒有貢獻。

1.2變速風電機組與常規(guī)火電機組比較

變速風電機組與常規(guī)火電機組慣量反應(yīng)和頻率響應(yīng)特性有很大區(qū)別[11]。系統(tǒng)頻率下降時，變速風電機組與常規(guī)火電機組頻率響應(yīng)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(huán)節(jié)，可以通過降低轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速釋放轉(zhuǎn)子葉片中的部分轉(zhuǎn)子動能提供頻率支撐；常規(guī)火電機組安裝有調(diào)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(yīng)特性比較

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

（1）快速性，即當控制系統(tǒng)有功參考值發(fā)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(tài)性，由于變速風電機組是通過調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，釋放或吸收轉(zhuǎn)子部分動能，改變其有功輸出，而并不能調(diào)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(diào)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(jīng)達到可利用風能的最大值。當系統(tǒng)發(fā)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(tǒng)提供頻率支持。而雙饋風機機組控制系統(tǒng)實現(xiàn)了變轉(zhuǎn)速運行，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的運行變化空間較大，可從風速較大時的超同步運行，轉(zhuǎn)速為ω=1.2 p.u.到風速較低時次同步運行，轉(zhuǎn)速為ω=0.7 p.u.運行。假設(shè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速從ω0變?yōu)棣?，頻率從f0變?yōu)閒1，轉(zhuǎn)子釋放的動能為：ΔE=H-），其中，H 為慣性時間常數(shù)。如此，雙饋風電機組最大可以提供轉(zhuǎn)子約60%的動能，常規(guī)火電機組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速運行范圍僅為0.95～1.00 p.u.，僅能提供轉(zhuǎn)子約9.75%的動能。當雙饋風電機組在電網(wǎng)中滲透率較高時，其轉(zhuǎn)子動能對系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量的貢獻不容忽視。因此雙饋風電機組通過調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速釋放或吸收轉(zhuǎn)子部分轉(zhuǎn)子動能參與一次頻率控制[13，14]。

通過設(shè)計頻率附加控制環(huán)，控制雙饋風電機組的轉(zhuǎn)子動能，使雙饋發(fā)電機組也能夠像常規(guī)發(fā)電機一樣參與系統(tǒng)一次頻率調(diào)制，其附加輔助頻率控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2輔助頻率控制器結(jié)構(gòu)

頻率附加控制環(huán)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(shù)；PD，ref為附加控制得到的功率參考值增量；Pref為系統(tǒng)總的功率參考值。

為進一步研究含雙饋風電機組系統(tǒng)的慣量反應(yīng)特性，假設(shè)PG為系統(tǒng)中常規(guī)發(fā)電機的功率輸出；PD為雙饋風力發(fā)電機組的功率輸出；PL為負載有功功率；PC為與相鄰系統(tǒng)間交換的功率；PA為總功率缺額。在穩(wěn)定狀態(tài)，功率平衡方程為：

PA=PG+PD+PC-PL（2）

假設(shè)風力發(fā)電機功率參考Pref和實際輸出功率PD之間不存在動態(tài)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(guān)系可表示為：

式（4，5）中：H為系統(tǒng)的慣量時間常數(shù)；D為系統(tǒng)阻尼。根據(jù)式（5）可知，系統(tǒng)附加頻率控制，將改變雙饋風電機組的等效慣性，系統(tǒng)等效慣性由H變?yōu)镠+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(shù)Kf在一定范圍內(nèi)變化即可改變系統(tǒng)的等效慣性，Kf＞0時提高系統(tǒng)慣性，Kf＜0時降低系統(tǒng)慣性。

3仿真分析

3.1調(diào)頻特性比較

選4機2區(qū)域系統(tǒng)作為研究對象，基于PSCAD平臺搭建仿真模型，對風機一次調(diào)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(diào)頻特性；

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

仿真所使用的系統(tǒng)為4機2區(qū)域系統(tǒng)。仿真所用系統(tǒng)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(wǎng)方式接入系統(tǒng)，接入點位于區(qū)域1同步電機G2母線側(cè)。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(tǒng)

系統(tǒng)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(tǒng)頻率變化情況。仿真區(qū)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(qū)域系統(tǒng)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(fā)電機組仿真模型，如圖3所示。3種不同類型機組的系統(tǒng)頻率變化曲線如圖4所示。

圖4不同電機的頻率變化規(guī)律

由圖4可知，仿真分析結(jié)果證明在系統(tǒng)發(fā)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(yīng)，無法參與一次調(diào)頻，相比常規(guī)同步電機和定速風電機組，頻率跌落最嚴重。

3.2輔助調(diào)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(tǒng)頻率變化曲線的差別，詳細結(jié)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(tǒng)一次調(diào)頻，當系統(tǒng)發(fā)生頻率偏移時，可釋放儲存在葉片中的轉(zhuǎn)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(wěn)定運行。

4結(jié)束語

基于PSCAD/EMTDC平臺分別建立常規(guī)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(guī)火電機組和定速風電機組調(diào)頻特性差異。仿真結(jié)果表明：在系統(tǒng)發(fā)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(yīng)，無法參與一次調(diào)頻，相比常規(guī)同步電機和定速風電機組，頻率跌落最嚴重，且穩(wěn)態(tài)頻率最低。同時設(shè)置了一次調(diào)頻輔助頻率控制器，實驗結(jié)果驗證了其有效性。對于未來，風機一次調(diào)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(guī)發(fā)電機的協(xié)調(diào)調(diào)頻控制策略；

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

（3）研究基于輕型直流輸電并網(wǎng)的一次調(diào)頻控制技術(shù)。

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