考虑风速差异的风电场调频备用协调控制策略

2023-02-17张蕊李晓明高泽明孟令聪秦超曾沅张文旭

电力建设 2023年2期

张蕊，李晓明，高泽明，孟令聪，秦超，曾沅，张文旭

(1. 国网河北省电力有限公司电力科学研究院，石家庄市 050021； 2. 国网河北省电力有限公司，石家庄市 050021； 3. 智能电网教育部重点实验室(天津大学)，天津市 300072)

0 引言

随着风电并网容量持续上升，传统同步机组的并网容量在逐步降低，系统频率的安全问题日益显著[1-3]。双馈感应发电机(doubly-fed induction generator，DFIG)是目前风电场广泛采用的主流机型之一。由于采用了变流器控制，DFIG的转子转速与电网频率解耦，无法主动响应电网频率变化[4]。为了保障系统的频率安全，风电机组应承担部分调频任务[5]。目前，风电参与系统一次调频的措施主要包括虚拟惯性控制、下垂控制、转速减载控制和桨距角控制等。其中，虚拟惯性控制[6-8]和下垂控制[9-10]主要是利用风机的转子动能参与调频；超速减载控制[11-12]和桨距角控制[13]通过提前预留减载备用容量，在系统出现有功缺额时，释放备用功率参与调频。考虑到虚拟惯性控制容易引发频率的二次跌落[14]，本文主要围绕DFIG的减载备用控制展开研究。

文献[15]单纯采用超速减载预留备用，但风速改变时，风电场减载备用也会发生变化。文献[16]对超速减载曲线进行改进，在低风速时采用固定减载率控制，在高风速时采用恒功率减载控制。但高风速情况下，该策略的减载备用较少，无法满足高风速情况下风电场承担更多减载备用的需求。文献[17]采用改进变桨控制策略，优先利用高风速机组变桨控制预留减载备用。但风电场低风速机组占比较大时，该方法难以发挥优势。文献[18]提出了变调频系数整定方法，改进了调频控制系统，但在预留减载备用时，人为设定风速的权重系数，具有很大主观因素。文献[19]认为DFIG有功输出与风速三次方成正比，提出按风速三次方加权分配有功减载的控制策略，使高风速机组承担较多的减载备用。但该策略没有考虑不同风速机组的减载备用能力，超速减载情况下，高风速机组由于转速接近允许的最大转速，减载备用能力较小，无法承担较多减载备用。

综上，已有研究主要是针对风电场的有功控制能力，或者对最大功率追踪模式(maximum power point tracking，MPPT)下的调频控制进行研究。但考虑不同风速机组减载备用能力差异，协调风电场调频资源的控制方案却少有研究。考虑到受风电场内部尾流、地形的影响，风机所处区域的风速不同[20]，减载备用能力不同，也就是可用调频容量不同。

针对以上问题，本文建立双馈风机可用调频容量模型，分析双馈风机在不同风速与不同转速下的可用调频容量。在此基础上，提出考虑风速差异的风电场调频备用协调控制策略。该策略根据不同风速机组的可用调频容量差异协调风电场调频资源，在满足备用容量的同时充分利用转子动能，通常仅需控制部分风机，简化控制系统的复杂性。仿真结果表明，本文所提策略能使风电场内不同风速机组协调配合，有效改善系统的频率特性，缓解同步机调频压力。

1 双馈风机控制策略

1.1 双馈风机捕获风能原理

在分析双馈风机的预留备用容量时，首先需要考虑风轮机部分[17]。风轮机捕获风能，然后按照一定风能利用效率将机械能转化为电能，其物理特性一般用式(1)—(4)来描述，具体模型参数详见文献[21]。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：ρ为大气密度；R为风机叶片半径；v为风速；Cp(λ,β)为风机风能利用系数；λi为中间变量；λ为叶尖速比；β为风机桨距角；ωw为风机机械转速。

1.2 转速减载控制优势

转速减载控制包括低速减载和超速减载。低速减载，即通过降低风机的转速实现减载，为了防止DFIG因转速过低而脱网，通常将风机的最小转速限定在0.7 pu；超速减载，即采取提高DFIG的转子转速来实现减载，出于安全考虑，需要设置风机的最大转速限制，一般取为1.2 pu。需要注意的是，转速减载控制是使DFIG的转速偏离MPPT点的转速，改变其风能捕获效率，从而运行于减载曲线。变桨距减载是增大桨距角，使DFIG捕获风能效率减小，从而减小捕获的风功率。两者相比，转速减载控制不仅响应速度快，而且不需要考虑变桨带来的机械摩擦损耗。同时，考虑到风机出力大于80%额定功率的概率通常低于10%[22]，比较而言采用控制转速实现减载备用的方式更加普遍[23]。所以，本文选取控制转速实现减载备用。

2 考虑风速差异的风电场调频备用协调策略

2.1 双馈风机可用调频容量分析

本文将风电机组可用调频容量定义为：某一风速下的MPPT点功率与风机实际输出功率之差。具体分析如下：

在采用转速减载控制策略下，不考虑桨距角控制减载，即β=0。风能利用系数Cp(λ,β)是叶尖速比λ的函数，又因为λ=Rωw/v，所以Cp(λ,β)是转速和风速的函数，即：

(5)

将式(2)和式(5)代入式(1)，可得：

(6)

Pw是风速v和转速ωw的函数。令式(6)对转速ωw求导，当导数为0时，即为最大风能利用效率Cpmax，将此时风机的转速记为ωMPPT。

双馈风电机组的转速安全运行区间为0.7～1.2 pu[24]。对于转速安全区间范围内的任一风速，根据式(6)可得最大风电功率Pwmax，然后可以利用式(1)计算出在此风速下随转速变化的任一功率Pw，那么二者之间的可用调频容量ΔP为：

(7)

如式(7)所示，风机的可用调频容量不仅和风速有关，而且和风机转速密切相关。

图1给出了双馈风机可用调频容量随风速和转速变化的情况，以图中红色虚线分界，大体上呈现V字型分布。

图1 DFIG可用调频容量分布Fig.1 Distribution of available frequency-regulation capacity of DFIG

从图1中选取5组风速，得到可用调频容量曲线和双馈风机转速的关系，如图2所示。

图2 可用调频容量-转速曲线Fig.2 Curve of available frequency-regulation capacity vs rotor speed

由图2可知，不同风速下，风机可用调频容量为0的就是MPPT点，风机转速大于MPPT点的转速时，风机工作在超速减载模式，反之，风机工作在低速减载模式。低风速下，超速减载能提供较多的调频容量，因此，低风速下风机采用超速减载更合适；高风速下，低速减载可以提供更多的调频容量，但低速减载容易引发风机脱网，需要对转速进行安全约束[24]，在参与调频情况下使风机最低转速限制在0.8 pu，转速范围控制在0.8～1.2 pu。

2.2 风电场调频协调控制策略

以MPPT点对应的转速为界限，图3给出了利用风机转速双向调节特性，绘制的转速双向减载控制图。图3中，对于风速9 m/s来说，超速减载运行模式下，DFIG最大超速减载运行点为图中的B点，最大超速减载功率为dAB；低速减载模式下，DFIG最大低速减载运行点为图中的C点，最大低速减载功率为dAC。

图3 风机减载控制与可用备用容量Fig.3 Wind turbine de-loading control and available reserve capacity

(8)

(9)

(10)

图4 不同风速下DFIG的可用调频容量Fig.4 Available frequency-regulation capacity of DFIG with different wind speeds

本文根据图4制定风机减载策略，风速位于6.5～8.0 m/s，采取超速减载策略；风速位于9.0～10.5 m/s，采取低速减载策略；风速位于8.0～9.0 m/s，由于2种策略的最大减载功率差异较小，考虑到采用超速减载策略下，系统发生负荷突增扰动时，风机转速降低，一方面捕获更多的风功率，另一方面风机转速降低过程中释放部分动能，更有利于缓解系统功率缺额，改善系统频率特性。

因此，优先采用超速减载。在不需承担调频备用容量时，风电场一般运行于MPPT方式，当系统下发调度减载备用功率Pd时，所提减载备用策略如图5所示。

图5 减载控制协调流程Fig.5 Flow of coordinated de-loading control

将风电场内所有风机按风速从低到高排序分组，根据风速差异协调风电场调频资源：

1)风速较低的情况下：低风速机组采用超速减载策略，可以提供足够的调频容量，低风速机组优先减载。

2)风速较高的情况下：若所有低风速组都已经减载到最大，仍不满足风电场减载备用要求，需要部分高风速风机采用低速减载策略以提供减载备用。

风电场的减载功率分配公式为：

(11)

协调不同风机的减载功率，其本质是结合每台风机的风速，设置其转速参考ωref，从而使得风机转速具有双向调节能力。本文设计的双馈风机减载控制策略如图6所示。

图6中：Tm、Te分别为DFIG的机械转矩和电磁转矩；D为阻尼系数；Hw为惯性时间常数；Tref为电磁

图6 风机减载控制策略Fig.6 DFIG de-loading control strategy

转矩参考；ωref1为MPPT模式下的转速参考，可由功率的多项式函数拟合，如ωref1=aP2+bP+c，a、b、c为拟合系数；在转速参考环节加入选择开关，使风机可以改变参考转速，参考转速ωref2可由可用调频容量模型结合风速查表确定，避免求解复杂的非线性方程。DFIG采用双闭环设计，外环为有功、无功功率外环，内环为电流内环。本文根据参考转速得到参考功率Pref去控制变流器环节，从而实现风力机和发电机之间的联系。

3 仿真验证

3.1 仿真模型

为了验证本文所提控制策略的有效性，采用DIgSILENT/PowerFactory软件搭建了4机2区域系统，其接线如图7所示，同步发电机、负荷、网架等的模型参数详见文献[25]。

图7 4机2区域系统接线图Fig.7 Diagram of the modified 4-machine system

在发电机G2处并列接入一座装机容量为300 MW的风电场，共包含150台2 MW的DFIG。假设根据风电场内风速分布的差异性，可将150台风机分为5组，每组内风机的风速相同，不同组间风机风速不同。在考虑机组间风速差异时，现有研究通常将风电场等值成多台机组[18-19]，不同机组的风速不同。根据风电场风速分布情况，5组风机的风机台数分别为30、45、30、30和15台。本文设置风电场低风速和风电场高风速2个算例，每个算例采用如下2种策略进行仿真验证对比：

策略1：风电机组按风速三次方加权分配风电场的可用调频容量[19]。

策略2：本文所提策略。

3.2 算例1：风电场低风速

根据MPPT策略，该运行状态下，风电场最大有功出力为95 MW，假设调度中心要求风电场提供10 MW的调频备用容量。图8给出了分别采用策略1和策略2时风电场的减载过程，即风电场接收到减载备用指令后，从最大功率跟踪模式切换到减载备用运行模式的过程。

图8 风电场减载过程(算例1)Fig.8 Wind farm de-loading process (case 1)

由图8可知，低风速情况下，2种策略减载完成后风电场出力相同，风电场的可用调频容量均满足大于10 MW的要求。表1给出了低风速情况下，策略1与策略2减载分配结果。由表1中结果可知，相对于策略1的全部机组参与减载，本文所提策略考虑不同机组的可用调频容量差异，仅需减载2组机组即可满足调频备用容量要求。

表1 风机减载功率分配(算例1)Table 1 Wind turbines de-loading power distribution (case 1)

为了进一步对比策略1与策略2，设置如下仿真场景：在t=60 s时，系统负荷增加200 MW。图9给出了负荷突增扰动后系统的频率特性，图10为采用2种策略下风电场的出力曲线。由图9和图10可知，低风速情况下，策略2可以提供与策略1相同的可用调频容量。但在调频备用释放过程中，策略2的风电场出力一直大于策略1，因此，本文所提策略对系统频率的改善效果更优。

图9 系统频率变化曲线(算例1)Fig.9 Curve of system frequency (case 1)

图10 发生扰动时风电场出力(算例1)Fig.10 Wind farm output under disturbance(case 1)

图11为调频过程中同步机出力。由图11可知，本文所提策略可显著缓解同步机调频压力。

图11 同步机出力(算例1)Fig.11 Output of synchronous machine (case 1)

综上，在低风速下，本文所提策略可有效考虑不同机组的可用调频容量差异，仅需部分风机即可满足调频容量要求，简化了控制复杂性，并且本文策略对系统频率的改善效果优于策略1。

3.3 算例2：风电场高风速

根据MPPT策略，在该运行状态下，风电场最大出力203 MW，假设调度中心下发减载20 MW指令。由于低风速机组超速减载到最大也不能满足风电场减载备用要求，因此，需要部分高风速机组低速减载以配合低风速机组。图12给出了高风速情况下的风电场减载过程。由图12可知，分别采用策略1和策略2时，减载后风电场出力相同，即2种策略预留了相同的可用调频容量。

图12 风电场减载过程(算例2)Fig.12 Wind farm de-loading process (case 2)

表2给出了高风速情况下策略1和策略2的减载功率分配结果。由表2可知，机组2的超速减载备用能力较小，不能满足策略1的分配要求，那么剩余减载部分需要其他4个机组按照策略1中计算出的比例分担。策略2在风电场风速较高情况下，考虑不同机组的可用调频容量差异，仅需控制部分机组即可满足减载要求，简化了控制复杂性。

表2 风机减载功率分配(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时系统负荷突增200 MW，系统的频率变化曲线如图13所示，风电场出力变化如图14所示。

图13 系统频率变化曲线(算例2)Fig.13 Curve of system frequency change (case 2)

图14 发生扰动时风电场出力(算例2)Fig.14 Wind farm output when disturbance occurs (case 2)

由图13和图14可知，在采用策略1和策略2时，系统的频率稳态点相同，说明2种策略下实现的可用调频容量相同。采用策略1时，系统频率最低点低于MPPT模式的最低点；策略2在30～52 s之间，风电场出力一直大于策略1，系统频率在这期间一直高于策略1和MPPT模式。这是因为策略2考虑了不同机组的可用调频容量差异，优先减载低风速机组，除了预留相同的可用调频容量外，还存在一部分转子动能；当扰动发生时，超速减载的低风速机组转子转速会从最大值减小到MPPT点转速，释放一部分转子动能，有利于系统的频率恢复。图15为调频过程中同步机出力曲线。由图15可知，本文所提策略可显著降低同步机调频压力。