全风况下双馈风机参与调频的协调控制策略研究

胡松

摘要：风力发电技术成熟，成本相对较低，在调整能源结构、节约资源、保护生态环境等方面发挥着重要作用，逐渐成为最具发展前景的新能源发电技术。随着温室效应的加剧和全球能源互联网概念的提出，中国风电产业正在恢复并保持快速增长，风电装机容量逐年增加。特别是在北京及北方地区大规模雾霾之后，控制空气污染成为风电发展的又一驱动因素。然而，受自然条件的限制，风电大规模并网势必会对电压稳定、频率稳定和电能质量产生影响，尤其是对系统频率稳定。

关键词：双馈风机：超速控制;协调策略;

双馈风机的转子转速与系统频率相互解耦，风电大规模并网将导致系统调频能力下降，调频成本增加。为了结合附加惯性控制、超速控制和桨距角控制三种调频措施的优点，使双馈风机在全风况条件下具备一次调频能力，提出在最大功率追踪区采用附加惯性与超速控制相结合，而在恒转速和恒功率区则采用附加惯性与桨距角控制的协调控制策略。

一、概述

频率稳定是电力系统安全运行的重要标志，它反映了电力系统中有功功率供需平衡的基本状态。针对双馈风机（DFIG）的运行特点，国内外学者针对风电参与调频的可行性进行了大量研究。在一些风电发展较快的国家，如英国、西班牙等，已经出台了风电参与调频的导则。在电网实际运行中，风电机组已能及时响应系统频率变化，维持频率稳定。目前DFIG机组参与一次调频的控制策略主要有附加惯性控制、转子超速控制和桨距角控制三种。针对DFIG机组取代常规电源而减小系统惯量，率先提出了一种利用转子动能模拟同步机组惯性响应的附加控制方法。随着研究的深入该方法得到不断改进。

二、双馈风机协调控制策略

DFIG机组的运行范围可分为最大功率追踪区、恒转速区和恒功率区。风机在最大功率追踪区最大限度地利用风能，根据风速控制转子转速使其按最大功率曲线运行，当风速增大转速达到限定值时，进入恒转速区，功率继续增加，当风速继续增加使功率达到额定值时，风机进入恒功率区，为保持功率恒定，需增加桨距角。为实现全风况下风机参与一次调频，控制策略是：在最大功率追踪区采用附加惯性与超速协调，而在恒转速区或恒功率区采用惯性与桨距角相协调的控制策略。附加惯性与桨距角协调控制。DFIG机组超速控制在转速达到限定值时便失去作用。此时只能通过桨距控制法调节风机出力以达到参与系统调频的目的。大型风机体型巨大，频繁调节桨距角会对其运行寿命产生一定影响。一年中风机在恒转速或者恒功率区的运行工况只占全年运行时间的10%左右。但液压变桨机构主要由液压泵、液压缸、曲柄连杆机构等组成，变桨动作不能瞬间完成，具有一定的时滞性，这就导致采用桨距角控制的一次调频措施有一定的延迟。随着技术的不断改进，液压变桨机构的延时已不超过1s，且在最大载荷状态下，最小变桨速度达到5º每秒。为了减缓中高风速下系统故障后的频率突变率，利用风机附加惯性环节模擬的虚拟惯量，快速响应频率变化，再结合桨距角控制技术调节机组出力以减小频率偏差。为保证控制策略的有效性，简化桨距角调频控制方案，设计了如图1所示的控制方案。

图1桨距角控制结构图

在传统桨距角控制结构基础上添加桨距补偿环节和频率响应环节实现减载调频功能：桨距补偿环节根据当前风速下功率参考值Pref确定机组减载运行的桨距值βoff;频率响应环节是频率与桨距角的近似表达式，根据βoff确定风机桨距角与频率的函数关系，使桨距角能响应频率变化，输出桨距角修正量Δβ，调节风机桨距值。目前国内外风机参与调频一般设置减载10%左右且以风机输出功率0.75p.u.点作为最大功率追踪区和恒转速区的分界点，根据式（11）桨距角提升4°就能满足应用要求。另外，风机进入恒转速区后输出功率仍低于额定值，且不同风速条件下风机参与调频的能力不同。为防止桨距角跳变，其补偿环节方程如式下所示：

设定双馈风机输出功率为1p.u.时补偿角为4°。此后，随着功率的下降，补偿角减少，直至功率降至0.75p.u.，补偿角为0°，即在恒转速区桨距角控制调频方法退出运行。频率响应模块在βoff基础上建立桨距角修正值与系统频率的线性关系，如下式所示。

式中，K是频率响应系数，当频率低于49.2 Hz时，DFIG机组最大限度地输出功率，而βoff≤4，因此K设置为5。电网频率的安全范围是50±0.2 Hz，所以死区环节方程为;

当系统频率稳定时，桨距角修正量为βoff，机组恢复减载运行。当系统频率低于安全范围时，通过频率响应环节能够降低风机桨距角，增加机组出力，参与系统的一次调频。综上所述，桨距角控制优缺点，方案分别适用于DFIG机组的不同运行区域，实现了全风况条件下风机参与一次调频的目标。

结语：

总之，在无附加控制情况下，系统发生故障后双馈风机不能响应频率变化，不能提供有效的频率支撑作用。加入附加惯性环节后，利用转子的惯量能有效模拟出类似于常规同步机组的惯性减缓系统频率变化，但稳定后不能使风机产生额外出力，在最大功率追踪区，风机采用惯性与超速相协调的控制方式，结合了惯性和超速减载的优点，能有效抑制频率波动幅值，提供备用容量参与长期调频，减小稳态偏差。在超速控制失效的恒转速区或恒功率区，采用提出的桨距角控制改进方案，通过调节桨距角减载运行，双馈风机在该风况下也能较好地参与一次调频。

参考文献

[1]田忠良，等.基于调频层面的风电弃风分析.2019.

[2]李明.全风况下双馈风机参与调频的协调控制策略探讨.2020.

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