考慮風速差異的風電場調頻備用協調控制策略

張蕊，李曉明，高澤明，孟令聰，秦超，曾沅，張文旭

(1. 國網河北省電力有限公司電力科學研究院，石家莊市 050021； 2. 國網河北省電力有限公司，石家莊市 050021； 3. 智能電網教育部重點實驗室(天津大學)，天津市 300072)

0 引 言

隨著風電并網容量持續上升，傳統同步機組的并網容量在逐步降低，系統頻率的安全問題日益顯著[1-3]。雙饋感應發電機(doubly-fed induction generator，DFIG)是目前風電場廣泛采用的主流機型之一。由于采用了變流器控制，DFIG的轉子轉速與電網頻率解耦，無法主動響應電網頻率變化[4]。為了保障系統的頻率安全，風電機組應承擔部分調頻任務[5]。目前，風電參與系統一次調頻的措施主要包括虛擬慣性控制、下垂控制、轉速減載控制和槳距角控制等。其中，虛擬慣性控制[6-8]和下垂控制[9-10]主要是利用風機的轉子動能參與調頻；超速減載控制[11-12]和槳距角控制[13]通過提前預留減載備用容量，在系統出現有功缺額時，釋放備用功率參與調頻?？紤]到虛擬慣性控制容易引發頻率的二次跌落[14]，本文主要圍繞DFIG的減載備用控制展開研究。

文獻[15]單純采用超速減載預留備用，但風速改變時，風電場減載備用也會發生變化。文獻[16]對超速減載曲線進行改進，在低風速時采用固定減載率控制，在高風速時采用恒功率減載控制。但高風速情況下，該策略的減載備用較少，無法滿足高風速情況下風電場承擔更多減載備用的需求。文獻[17]采用改進變槳控制策略，優先利用高風速機組變槳控制預留減載備用。但風電場低風速機組占比較大時，該方法難以發揮優勢。文獻[18]提出了變調頻系數整定方法，改進了調頻控制系統，但在預留減載備用時，人為設定風速的權重系數，具有很大主觀因素。文獻[19]認為DFIG有功輸出與風速三次方成正比，提出按風速三次方加權分配有功減載的控制策略，使高風速機組承擔較多的減載備用。但該策略沒有考慮不同風速機組的減載備用能力，超速減載情況下，高風速機組由于轉速接近允許的最大轉速，減載備用能力較小，無法承擔較多減載備用。

綜上，已有研究主要是針對風電場的有功控制能力，或者對最大功率追蹤模式(maximum power point tracking，MPPT)下的調頻控制進行研究。但考慮不同風速機組減載備用能力差異，協調風電場調頻資源的控制方案卻少有研究?？紤]到受風電場內部尾流、地形的影響，風機所處區域的風速不同[20]，減載備用能力不同，也就是可用調頻容量不同。

針對以上問題，本文建立雙饋風機可用調頻容量模型，分析雙饋風機在不同風速與不同轉速下的可用調頻容量。在此基礎上，提出考慮風速差異的風電場調頻備用協調控制策略。該策略根據不同風速機組的可用調頻容量差異協調風電場調頻資源，在滿足備用容量的同時充分利用轉子動能，通常僅需控制部分風機，簡化控制系統的復雜性。仿真結果表明，本文所提策略能使風電場內不同風速機組協調配合，有效改善系統的頻率特性，緩解同步機調頻壓力。

1 雙饋風機控制策略

1.1 雙饋風機捕獲風能原理

在分析雙饋風機的預留備用容量時，首先需要考慮風輪機部分[17]。風輪機捕獲風能，然后按照一定風能利用效率將機械能轉化為電能，其物理特性一般用式(1)—(4)來描述，具體模型參數詳見文獻[21]。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：ρ為大氣密度；R為風機葉片半徑；v為風速；Cp(λ,β)為風機風能利用系數；λi為中間變量；λ為葉尖速比；β為風機槳距角；ωw為風機機械轉速。

1.2 轉速減載控制優勢

轉速減載控制包括低速減載和超速減載。低速減載，即通過降低風機的轉速實現減載，為了防止DFIG因轉速過低而脫網，通常將風機的最小轉速限定在0.7 pu；超速減載，即采取提高DFIG的轉子轉速來實現減載，出于安全考慮，需要設置風機的最大轉速限制，一般取為1.2 pu。需要注意的是，轉速減載控制是使DFIG的轉速偏離MPPT點的轉速，改變其風能捕獲效率，從而運行于減載曲線。變槳距減載是增大槳距角，使DFIG捕獲風能效率減小，從而減小捕獲的風功率。兩者相比，轉速減載控制不僅響應速度快，而且不需要考慮變槳帶來的機械摩擦損耗。同時，考慮到風機出力大于80%額定功率的概率通常低于10%[22]，比較而言采用控制轉速實現減載備用的方式更加普遍[23]。所以，本文選取控制轉速實現減載備用。

2 考慮風速差異的風電場調頻備用協調策略

2.1 雙饋風機可用調頻容量分析

本文將風電機組可用調頻容量定義為：某一風速下的MPPT點功率與風機實際輸出功率之差。具體分析如下：

在采用轉速減載控制策略下，不考慮槳距角控制減載，即β=0。風能利用系數Cp(λ,β)是葉尖速比λ的函數，又因為λ=Rωw/v，所以Cp(λ,β)是轉速和風速的函數，即：

(5)

將式(2)和式(5)代入式(1)，可得：

(6)

Pw是風速v和轉速ωw的函數。令式(6)對轉速ωw求導，當導數為0時，即為最大風能利用效率Cpmax，將此時風機的轉速記為ωMPPT。

雙饋風電機組的轉速安全運行區間為0.7～1.2 pu[24]。對于轉速安全區間范圍內的任一風速，根據式(6)可得最大風電功率Pwmax，然后可以利用式(1)計算出在此風速下隨轉速變化的任一功率Pw，那么二者之間的可用調頻容量ΔP為：

(7)

如式(7)所示，風機的可用調頻容量不僅和風速有關，而且和風機轉速密切相關。

圖1給出了雙饋風機可用調頻容量隨風速和轉速變化的情況，以圖中紅色虛線分界，大體上呈現V字型分布。

圖1 DFIG可用調頻容量分布Fig.1 Distribution of available frequency-regulation capacity of DFIG

從圖1中選取5組風速，得到可用調頻容量曲線和雙饋風機轉速的關系，如圖2所示。

圖2 可用調頻容量-轉速曲線Fig.2 Curve of available frequency-regulation capacity vs rotor speed

由圖2可知，不同風速下，風機可用調頻容量為0的就是MPPT點，風機轉速大于MPPT點的轉速時，風機工作在超速減載模式，反之，風機工作在低速減載模式。低風速下，超速減載能提供較多的調頻容量，因此，低風速下風機采用超速減載更合適；高風速下，低速減載可以提供更多的調頻容量，但低速減載容易引發風機脫網，需要對轉速進行安全約束[24]，在參與調頻情況下使風機最低轉速限制在0.8 pu，轉速范圍控制在0.8～1.2 pu。

2.2 風電場調頻協調控制策略

以MPPT點對應的轉速為界限，圖3給出了利用風機轉速雙向調節特性，繪制的轉速雙向減載控制圖。圖3中，對于風速9 m/s來說，超速減載運行模式下，DFIG最大超速減載運行點為圖中的B點，最大超速減載功率為dAB；低速減載模式下，DFIG最大低速減載運行點為圖中的C點，最大低速減載功率為dAC。

圖3 風機減載控制與可用備用容量Fig.3 Wind turbine de-loading control and available reserve capacity

(8)

(9)

(10)

圖4 不同風速下DFIG的可用調頻容量Fig.4 Available frequency-regulation capacity of DFIG with different wind speeds

本文根據圖4制定風機減載策略，風速位于6.5～8.0 m/s，采取超速減載策略；風速位于9.0～10.5 m/s，采取低速減載策略；風速位于8.0～9.0 m/s，由于2種策略的最大減載功率差異較小，考慮到采用超速減載策略下，系統發生負荷突增擾動時，風機轉速降低，一方面捕獲更多的風功率，另一方面風機轉速降低過程中釋放部分動能，更有利于緩解系統功率缺額，改善系統頻率特性。

因此，優先采用超速減載。在不需承擔調頻備用容量時，風電場一般運行于MPPT方式，當系統下發調度減載備用功率Pd時，所提減載備用策略如圖5所示。

圖5 減載控制協調流程Fig.5 Flow of coordinated de-loading control

將風電場內所有風機按風速從低到高排序分組，根據風速差異協調風電場調頻資源：

1)風速較低的情況下：低風速機組采用超速減載策略，可以提供足夠的調頻容量，低風速機組優先減載。

2)風速較高的情況下：若所有低風速組都已經減載到最大，仍不滿足風電場減載備用要求，需要部分高風速風機采用低速減載策略以提供減載備用。

風電場的減載功率分配公式為：

(11)

協調不同風機的減載功率，其本質是結合每臺風機的風速，設置其轉速參考ωref，從而使得風機轉速具有雙向調節能力。本文設計的雙饋風機減載控制策略如圖6所示。

圖6中：Tm、Te分別為DFIG的機械轉矩和電磁轉矩；D為阻尼系數；Hw為慣性時間常數；Tref為電磁

圖6 風機減載控制策略Fig.6 DFIG de-loading control strategy

轉矩參考；ωref1為MPPT模式下的轉速參考，可由功率的多項式函數擬合，如ωref1=aP2+bP+c，a、b、c為擬合系數；在轉速參考環節加入選擇開關，使風機可以改變參考轉速，參考轉速ωref2可由可用調頻容量模型結合風速查表確定，避免求解復雜的非線性方程。DFIG采用雙閉環設計，外環為有功、無功功率外環，內環為電流內環。本文根據參考轉速得到參考功率Pref去控制變流器環節，從而實現風力機和發電機之間的聯系。

3 仿真驗證

3.1 仿真模型

為了驗證本文所提控制策略的有效性，采用DIgSILENT/PowerFactory軟件搭建了4機2區域系統，其接線如圖7所示，同步發電機、負荷、網架等的模型參數詳見文獻[25]。

圖7 4機2區域系統接線圖Fig.7 Diagram of the modified 4-machine system

在發電機G2處并列接入一座裝機容量為300 MW的風電場，共包含150臺2 MW的DFIG。假設根據風電場內風速分布的差異性，可將150臺風機分為5組，每組內風機的風速相同，不同組間風機風速不同。在考慮機組間風速差異時，現有研究通常將風電場等值成多臺機組[18-19]，不同機組的風速不同。根據風電場風速分布情況，5組風機的風機臺數分別為30、45、30、30和15臺。本文設置風電場低風速和風電場高風速2個算例，每個算例采用如下2種策略進行仿真驗證對比：

策略1：風電機組按風速三次方加權分配風電場的可用調頻容量[19]。

策略2：本文所提策略。

3.2 算例1：風電場低風速

根據MPPT策略，該運行狀態下，風電場最大有功出力為95 MW，假設調度中心要求風電場提供10 MW的調頻備用容量。圖8給出了分別采用策略1和策略2時風電場的減載過程，即風電場接收到減載備用指令后，從最大功率跟蹤模式切換到減載備用運行模式的過程。

圖8 風電場減載過程(算例1)Fig.8 Wind farm de-loading process (case 1)

由圖8可知，低風速情況下，2種策略減載完成后風電場出力相同，風電場的可用調頻容量均滿足大于10 MW的要求。表1給出了低風速情況下，策略1與策略2減載分配結果。由表1中結果可知，相對于策略1的全部機組參與減載，本文所提策略考慮不同機組的可用調頻容量差異，僅需減載2組機組即可滿足調頻備用容量要求。

表1 風機減載功率分配(算例1)Table 1 Wind turbines de-loading power distribution (case 1)

為了進一步對比策略1與策略2，設置如下仿真場景：在t=60 s時，系統負荷增加200 MW。圖9給出了負荷突增擾動后系統的頻率特性，圖10為采用2種策略下風電場的出力曲線。由圖9和圖10可知，低風速情況下，策略2可以提供與策略1相同的可用調頻容量。但在調頻備用釋放過程中，策略2的風電場出力一直大于策略1，因此，本文所提策略對系統頻率的改善效果更優。

圖9 系統頻率變化曲線(算例1)Fig.9 Curve of system frequency (case 1)

圖10 發生擾動時風電場出力(算例1)Fig.10 Wind farm output under disturbance(case 1)

圖11為調頻過程中同步機出力。由圖11可知，本文所提策略可顯著緩解同步機調頻壓力。

圖11 同步機出力(算例1)Fig.11 Output of synchronous machine (case 1)

綜上，在低風速下，本文所提策略可有效考慮不同機組的可用調頻容量差異，僅需部分風機即可滿足調頻容量要求，簡化了控制復雜性，并且本文策略對系統頻率的改善效果優于策略1。

3.3 算例2：風電場高風速

根據MPPT策略，在該運行狀態下，風電場最大出力203 MW，假設調度中心下發減載20 MW指令。由于低風速機組超速減載到最大也不能滿足風電場減載備用要求，因此，需要部分高風速機組低速減載以配合低風速機組。圖12給出了高風速情況下的風電場減載過程。由圖12可知，分別采用策略1和策略2時，減載后風電場出力相同，即2種策略預留了相同的可用調頻容量。

圖12 風電場減載過程(算例2)Fig.12 Wind farm de-loading process (case 2)

表2給出了高風速情況下策略1和策略2的減載功率分配結果。由表2可知，機組2的超速減載備用能力較小，不能滿足策略1的分配要求，那么剩余減載部分需要其他4個機組按照策略1中計算出的比例分擔。策略2在風電場風速較高情況下，考慮不同機組的可用調頻容量差異，僅需控制部分機組即可滿足減載要求，簡化了控制復雜性。

表2 風機減載功率分配(算例2)Table 2 Wind turbines de-loading power distribution (case 2)

在采用策略1和策略2下，t=30 s時系統負荷突增200 MW，系統的頻率變化曲線如圖13所示，風電場出力變化如圖14所示。

圖13 系統頻率變化曲線(算例2)Fig.13 Curve of system frequency change (case 2)

圖14 發生擾動時風電場出力(算例2)Fig.14 Wind farm output when disturbance occurs (case 2)

由圖13和圖14可知，在采用策略1和策略2時，系統的頻率穩態點相同，說明2種策略下實現的可用調頻容量相同。采用策略1時，系統頻率最低點低于MPPT模式的最低點；策略2在30～52 s之間，風電場出力一直大于策略1，系統頻率在這期間一直高于策略1和MPPT模式。這是因為策略2考慮了不同機組的可用調頻容量差異，優先減載低風速機組，除了預留相同的可用調頻容量外，還存在一部分轉子動能；當擾動發生時，超速減載的低風速機組轉子轉速會從最大值減小到MPPT點轉速，釋放一部分轉子動能，有利于系統的頻率恢復。圖15為調頻過程中同步機出力曲線。由圖15可知，本文所提策略可顯著降低同步機調頻壓力。

圖15 同步機G2出力(算例2)Fig.15 Output of synchronous machine G2 (case 2)

所以，在高風速情況下，本文所提策略考慮不同機組的可用調頻容量差異，僅需控制部分機組減載，負荷擾動發生時，提高了頻率最低點，改善了系統頻率特性。

4 結 論

本文根據不同風速機組可用調頻容量的差異，提出了考慮風速差異的風電場調頻備用協調控制策略。主要結論如下：

1)考慮到風機轉速的雙向調節能力，本文構建了雙饋風機可用調頻容量模型，分析了不同風速不同轉速下的可用調頻容量，為評估不同風速下風機的可用調頻容量和風電場制定減載備用策略提供基礎。

2)本文提出的風電場調頻備用協調控制策略，可有效考慮不同風速機組間可用調頻容量的差異，充分協調風電場的調頻資源，通常僅需控制部分低風速機組，簡化了控制復雜性。與現有策略相比，本文策略不僅可預留足夠備用容量，而且存儲了大量轉子動能，對頻率的改善作用更為明顯，顯著緩解了同步機調頻壓力。