风电惯量响应及一次调频控制策略研究综述

武继聪 曹兴宇 黄燃

摘要：随着并网行动不断推进，尤其是在大力发展新能源的背景下，风电大规模接入电网中，但这也使得电力系统日趋复杂化，容易出现各种不稳定性的问题。为了解决大规模风电接入电网而出现的调频能力不足问题，同时提升风电并网运行的适应能力，确保风电机组具有惯量响应和一次调频能力，本文对风电惯量响应与一次调频的理论进行分析，并进行仿真与实测。结果表明，该系统方案能在多种频率变化工况下快速惯量响应和一次调频响应，且能为电网提供稳定的支撑，进而提升风电机组频率的适应性。

关键词：风电机组；惯量响应；一次调频；控制策略

DOI：10.12433/zgkjtz.20240648

风力发电项目大规模铺开，并大规模接入电网。当前，我国风电容易受天气的影响，具有较强的不确定性和间歇性，这给电力系统的稳定性带来了较大的挑战。从现状来看，风力发电大多为变速风机，通过电力电子器件并入电网中，但难以快速响应电力系统频率变化。在大规模并网的情况下，势必会对电力系统的稳定性造成影响，降低电力系统的质量。从本质上看，风力发电并入电网后，电力系统频率响应的原因有两个方面：一是在风力发电过程中，天气因素对风能的影响较大，一定程度上影响风力发电的稳定性；二是风机转速与电力系统频率存在解耦关系，在惯量响应及一次调频能力不足的情况下，难以保证电力系统的频率稳定性和功率平衡性。因此，要想有效推进风电发展，确保风电机组顺利并网运行，要保证风电机组具有良好的惯量响应及一次调频能力，能快速响应电力系统频率，从而保障电力系统的稳定性。

一、风电惯量响应和一次调频的理论分析

（一）惯量响应

风电机组的惯量响应功能，是指响应电网频率变化率，主要通过调节转子存储功能在短时间内提供功率支撑，响应速度较快。要想有效发挥出发风电机组惯量响应的功能，应满足以下条件：

条件1：启动惯量响应使能开关，并关闭一次调频使能开关。

条件2：

式中，df/dt表示频率变化率，单位为Hz/s；df+表示频率变化率上线，取0.3Hz/s；df-表示频率变化

率下限，取-0.3Hz/s；?f表示频率偏差量，单位为Hz。

条件3：风电机组运行正常，同时网测功率P＞20％Pn。

在频率变化阶段，当满足条件2时，触发风电机组惯量响应功能，而在频率恢复阶段，不触发风电机组的惯量响应功能。为避免惯量响应时因功率降低引起共振，进而引起风电机组故障停机问题，需设置条件3的功率限制。

在触发风电机组惯量响应功能后，主控系统计算出机组有功功率的变化值，计算公式如下：

（1）

式（1）中的?Piner为机组有功功率变化值；T为惯性时间常数，单位为s；fN为电网工频频率，单位为Hz。Pn表示风电机组额定有功功率，单位为kW。

在风电机组惯量响应时，叶片储存功能是机组有功功率的主要来源，从运行安全方面考虑，有必要对风电惯量响应有功功率变化值进行限幅，从而得出新的表达式：

（2）

在式（2）中，lowiner和highiner分别为惯量响应功率变化限幅下限值和上限值，均取-10％ ，单位为pu。

整理式（1）和式（2），得知风电机组惯量响应期间的有功功率给定值为：

Pref=P0+?Piner                           （3）

式（3）中，Pref表示慣量响应期间风电机组有功功率给定值参考值，单位为kW；P0表示频率开始变化时有功功率值，单位为kW。

（二）一次调频

风电机组的一次调频功能，主要是通过控制桨距角的方式来保持长时功率，从而实现对电网响应频率偏差的有效控制。但响应速度相对较慢，为确保风电机组一次调频功能有效发挥，需要满足以下条件：

条件1：打开风电机组的一次调频使能开关，关闭惯量响应使能开关。

条件2：f＜fd-或f＞fa+。其中，f为电网频率实际值，单位Hz；fd-和fa+分别为电网频率下限阈值和上限阈值，分别取49.8Hz和50.2Hz。

条件3：风电机组限功率正常运行，同时网测功率P＞20％Pn。

在风机一次调频时，开桨与收桨操作需要借助边桨系统来完成功率释放，但最多释放20％Pn的功率，为满足这一条件，需对一次调频有功功率变化值进行限幅，由此获得新的表达式：

（4）

在式（4）中，lowfre和highfre分别为一次调频功率变化限幅下限值和上限值，均取10％ 。

风电机组一次调频期间有功功率给定值为：

Pref=P0+?Ppri                              （5）

在式（5）中，?Ppri为有功率变化量。

二、风电惯量响应和一次调频控制策略综述

（一）虚拟惯性控制

过去，同步发电机在工作过程中，之所以会出现频率变化，主要原因在于发出功率和消耗功率无法实现平衡。为了抑制系统频率变化，应发挥转动惯量响应作用。同步发电机惯量响应原理为：同步发电机惯量响应时间与系统频率变化成反比关系，当惯量响应时间常数越大时，系统频率变化就会越小。研究人员便从同步发电机的惯量响应原理出发，通过设置虚拟惯性控制环节来解决风电系统中存在的惯量响应及一次调频能力不足的问题，其原理：当系统频率有变化时，通过虚拟惯性控制环节快速响应频率变化的附加功率，以有效控制频率变化，保证系统频率能快速恢复至稳定状态。

由于加入虚拟惯性控制环节，通过控制风机转子释放动能来为系统提供附加功率，所以能确保风电机组一次调频功能发挥，从而保证系统频率的稳定性。但是在为系统提供附加功率时，会明显降低风机转子的转速，难以满足风机所需功率，由此可能会引起二次频率跌落，甚至引起严重的风机脱网事故。针对这一问题，研究人员对虚拟惯性控制环节进行了改进，具体方法如下：风机转子释放一半功能时，附加功率随着转子转速降低加以控制，同时在风机恢复转速时，将参考有功功率设置为机械功率与电磁功率的平均值。虽然改进后的方法能够避免出现二次频率跌落的问题，但是存在调频能力不足的问题，具体表现为调频速度慢、转速恢复速度慢，未充分考虑风机输出附加功率与系统频率之间的关联性，因此未采取有效的响应措施以应对频率变化。总的来说，虚拟惯性控制的方法，能够有效控制系统频率变化，保证系统频率的稳定性，但存在抑制时间短、调频能力弱的局限性。

（二）有功功率下垂特性控制

惯性控制环节对系统频率变化的调频控制时间较短，仍然需要依靠风电机组的调速器来发挥一次调频功能。而风力发电机组是通过电力电子器件并网，此时惯性控制与一次调频将整合成为双回路附加控制环节来控制频率变化及偏差，即有功功率下垂特性控制，如图1所示。

图1  有功功率下垂特性控制

为避免风机转子速度降低而引起系统二次频率跌落问题，研究人员以虚拟惯性系数和下垂系数为切入点，改进调频控制的策略，具体将调频控制的过程分为了两个阶段：一是风机转子提供调频能力但转子转速降低的阶段，采用转子运动方程进行虚拟惯性系数和下垂系数设计；二是风机转子逐渐恢复阶段，具体是通过模糊逻辑变比例的方式进行控制。这一控制策略可以降低转速恢复阶段的功率，从而减少对电网的不利影响。但这一控制策略有其局限性，主要是基于风机转子存储足够功能的情况下。

（三）减载控制

为提升风电机组一次调频能力，研究人员提出了减载控制的策略，主要是通过降低风机的风能捕获来能来完成减载操作。具体的控制方法有两种：一种是桨距角控制法，通过改变风机叶片桨距角影响风能利用系数，其间需要借助机械装置来完成控制。针对风力发电系统的一次调频，在功率足够不需要风量发电参与的情况下，可增加桨距角来降低风险利用系数；反之，在系统频率大幅变得且呈降低趋势，可通过减少桨距角提高风能利用系数，以满足一次调频所需的有功功率。另一种是超速减载控制法，这一控制方法是基于风机在次优功率模式下，使风机转子转速高于MPPT模式下的转速，以此满足一次调频时所需的能量，从而保证电力系统频率的稳定性。

上述两种控制方法出于风机运转特性的考虑，虽能改善风力发电一次调配能力不足的问题，但是通过改变桨距角的方式使机组的机械机构发生变化，可能会降低其响应速度，如果是频繁作业，还会导致机组的机械结构出现磨损问题，影响保障机组的使用寿命。针对这一问题，研究人员提出基于交流变频技术的超速减载控制方法，可使调配指令响应速度更加快速，由此为一次调频提供更多的有功功率，也能避免因风机转子转速降低而导致二次频率跌落。总而言之，减载控制的方法，可为风力发电一次调频提供有力支撑，但是减载操作只能够通过改变桨距角的方式完成，因而在调配响应速度上也存在一定的不足。

（四）综合协调控制

针对风力发电一次调频功率不足、快速调频能力较低的问题，研究人员综合上述控制策略的优点，提出综合协调控制策略。在这一控制策略中，主要是采用小信号增量法，构建一次调频动态频率响应的解析模型。相比全状态非线性仿真模型而言，这一控制策略是基于额定风速以下的情况进行分析，并未考虑到额定风速以上的情况。为了确保在全风状态下机组的一次调频能力，研究人员在此基础上提出在最大功率追蹤区域结合使用虚拟惯性控制和超速减载控制方法，而在恒转速和恒功率区，则结合使用虚拟惯性控制和桨距角控制方法。即便如此，上述控制策略也仅考虑了通过风机转子存储功能来提供一次调配，并未考虑到预留有功备用的优化利用问题。

三、基于转子功能和桨距角备用的调配系统方案

为有效抑制电网频率变化，提升风电机组的并网适应性，本文在综合协调控制策略的基础上，设计风电惯量响应和一次调频主控器算法，同时借助仿真平台与现场实测对控制算法的正确性和有效性进行验证。

风电机组的惯量响应及一次调频功能的发挥，需要借助主控系统和交流器协同完成操作。变流器对三相电网电压进行实时检测，并将频率、频率变化率、惯量响应及一次频率标准上传至主控系统，主控系统在接收信号后，根据惯量响应及一次调频使能标准进行动作。当惯量响应使能标志位为1，并且检测发现系统频率变化超过所设置的阈值，此时变流器惯量响应标志位置为1并传至主控系统中，主控系统将当前有功功率记录P0，按照式（3）计算出有功功率给定值；当一次调频标志位是1，并且变流器检测电网频率偏差超出阈值，此时变流器惯量响应标志位置1并上传至主控系统，主控系统记录当前有功功率为P0，按照式（5）计算一次调频期间有功功率给定值，同时恢复系统频率后，将风电机组切换为限功率运行状态。在风电机组惯量响应及一次调频时，变流器主要作用是接收主控系统下发的转矩指令。

根据标准要求，惯量响应时间不超过500ms，一次调频响应时间不超过5s。为满足标准要求，将惯量响应及一次调频时间分为两个阶段：一是通过变流器和主控系统的通讯延时，将时间控制在200ms左右；二是功率调节阶段，惯量响应速度较快，功率调节时间控制在200ms左右。

四、实测结果

为验证惯量响应及一次调频算法的正确性和有效性，在某项目现场进行实测，将电网适应性测试车在风电机组升压变压器和电网之间进行串联，由此产生相应的频率扰动，测试结果如表1所示。

从表1可知，开启惯量响应功能后，对电网频率变化进行检测，频率变化超过0.3Hz，风电机组进行惯量响应，响应时间约为440ms，能满足标准要求。

参考文献：

[1]郭江涛，陈烁，曾瑞斌，等.风电机组惯量响应与一次调频能力研究[J].南方能源建设，2023，10（04）：82-90.

[2]赵亚，张君.风电惯量响应及一次调频控制策略研究综述[J].仪器仪表用户，2023，30（05）：98-101+56.

[3]张梅，李少林，李丹，等.东北电网风电惯量及一次调频实测与分析[J].电网技术，2022，46（04）：1624-1631.