雙饋風電機組單機參與電網調頻的研究

李德才 蔡梅園 李海波 尹為剛 柯余東

隨著化石能源日益枯竭，能源問題已經成為限制社會發展的重要問題。風力發電以其技術成熟、成本較低和可大規模開發利用的優勢，成為具有競爭力的發展方向。但受氣候條件的制約，風電出力具有間歇性和波動性的特點，在常規控制方式下，風電機組的機械旋轉與電網頻率解耦合，使得風電機組無法為電力系統提供慣性。隨著風電機組并網容量的增加，電力系統的調頻、調峰問題日益突出，因此，風電機組需要具備功率調節和頻率調控的綜合控制能力。

近些年，國內外學者對風電場參與電網調頻做了大量研究。根據相關研究成果，現有的解決方法主要有虛擬慣量法、槳距角控制法和儲能法。其中，虛擬慣量法是通過釋放儲存在風電機組轉子中的機械能，來實現機組輸出功率的提高；槳距角控制法是通過預留部分功率，來實現機組輸出功率的改變；風電機組與儲能系統相互配合的方法，可以響應電網頻率的波動，使機組具備參與電網調頻的能力。

為研究雙饋風電機組調頻的可行性以及控制策略，本文以中國海裝3.2MW雙饋風電機組為研究對象，根據機組參數，在Matlab/Simulink仿真平臺上搭建仿真模型，對上述3種調頻方法進行對比分析。

雙饋風電機組建模

雙饋風電機組主要由葉片、塔筒、主軸、變速箱、雙饋發電機、變流器等組成，結構如圖1所示。葉片將風能轉化為機械能，雙饋發電機則把機械能轉變為電能，并由變壓器輸送到電網。3.2MW機組的基本參數如表1所示。

一、機械模型

根據公式（5）可以推導出變流器控制策略（如圖3）：網側、轉子側變流器的控制都將有功、無功功率解耦，變流器的內外環控制均選用標準的PI控制。

三、變槳模型

當風速未達到額定值時，風電機組的輸出功率在額定值之下，此時機組保持最佳槳距角；當風速超過額定風速時，需通過變槳控制系統改變槳距角，以此降低風能利用系數，使風電機組的輸出功率維持在額定值，機組進入定功率狀態。變槳控制原理如圖4所示，其中，Tp為變槳系統等效慣性時間常數。

3種調頻方法的對比研究

國家能源局發布的《風電機組一次調頻的技術要求與測試規程》要求，風電機組應實現有功功率的連續平滑調節，參與一次調頻，并要求：當頻率下降時，機組應增加有功功率，有功增加量上限宜在6%～10%Pn范圍內；機組響應時間應不大于5s，持續時間不小于10s。但是在常規風電機組控制方式下，風電機組與電網完全解耦，機組出力與電網頻率無關，不能滿足機組參與系統一次調頻的需求。風電機組常常工作在不同風速條件下，本文選取8.5 m/s作為代表風速來驗證不同方法實現風電機組調頻的可行性，并展示機組的動態特性。仿真系統的初始負荷和發電量平衡，即系統的初始頻率f=50Hz。如圖5所示，在4s時，電網負荷增加，而后電網頻率從50Hz下降到49.8Hz。風電機組在檢測到電網頻率下降后，將改變控制策略，實現輸出功率的提高。

一、虛擬慣量法

風電機組具有很大的轉動慣量，并且雙饋電機可以變轉速發電，這些特性給予了風電機組一次調頻的能力。

當電網頻率低于50Hz時，風電機組的發電量及轉速將共同用于計算變流器的輸出電壓（如圖6）。在此過程中，由于電磁轉矩大于輸入的機械轉矩，風輪的轉速將持續下降。為保持系統的穩定、減少振蕩，該方法將轉速也作為輸入量與機組功率一起用于電流環控制。本文利用虛擬慣量法進行風電機組參與電網調頻仿真時，假設風速保持8.5m/s不變，并且槳距角始終為 0o。

當檢測到電網頻率下降時，變流器將改變控制，并增加電磁轉矩的輸出，使得機組的輸出功率增加10%，以滿足電網對于風電機組一次調頻的要求。風電機組輸出功率如圖7（a）所示，4s后機組的輸出功率從2.5MW增加到2.82MW，并保持穩定。但如圖7（b）所示，在此過程中，風輪轉速持續下降，所以，此方法只可作為短期的一次調頻使用。同時，轉子的轉差率也在下降，為保證定子頻率與電網一致，轉子電流的頻率也需降低（如圖8）。

二、槳距角控制法

通過變槳控制可實現機組減載，進而滿足電網對機組限負荷與調頻的需求。當電網負荷增加時，可通過減小槳距角來捕獲更多的風能，提高發電量，從而為系統提供頻率支持。

風電機組輸出功率如圖9（a）所示，4s后機組的輸出功率從2.18MW增加到2.5MW，并保持穩定。如圖9（b）所示，槳距角從2.66o減小到0o，風能利用系數從0.41增加到0.47。此方法可以長時間提高風電機組的輸出功率，能夠滿足風電機組參與一次調頻的需要。但是此方法會導致機組滿發時間減少，影響風電場收益。

三、儲能法

儲能方法主要有抽水儲能、壓縮空氣儲能、電池儲能、飛輪儲能、超級電容儲能、超導儲能、儲氫、儲熱等。考慮到風電機組所處的地理位置與氣候條件，壓縮空氣儲能被認為是一種適合風電機組的儲能方法。

當前，國內外已有多位學者提出了多種形式的風電機組與壓縮空氣儲能結合的方法。結合現有技術，如圖10所示，本文建議在變速箱高速端增加單級平行齒輪傳動軸，通過將部分轉矩傳送到壓縮機，并將機械能以壓縮空氣的形式儲存在儲氣罐中。當電網頻率下降時，儲存的壓縮空氣將被釋放出來，并在膨脹機中膨脹做功，所產生的轉矩由齒輪箱傳遞到雙饋電機用于提高機組發電量。

結論

對于雙饋風電機組單機一次調頻的難題，本文介紹了虛擬慣量法、槳距角控制法和儲能法三種解決方法。其中，對虛擬慣量法和槳距角控制法進行仿真研究的結果表明，采用虛擬慣量的方法，在保證系統穩定的同時，機組可以維持10s以上10%的功率輸出增加。但是由于該方法通過轉化轉子動能的方式來增加輸出功率，在調頻過程中，機組轉速將會持續下降，所以，此方法只可作為短期的一次調頻使用。槳距角控制法可以預留部分功率，當電網頻率下降時，通過減小槳距角來增大風能利用系數，進而提高風電機組的輸出功率。但是此方法會導致機組滿發時間減少，影響風電場收益。此外，風電機組與儲能結合的方法可以使機組充分利用風能，而電網對機組頻率響應的要求則由儲能系統實現，但是增加儲能設備會導致成本的增加。

（作者單位：中國船舶集團海裝風電股份有限公司）