張志恒

(國網(wǎng)江蘇省電力有限公司連云港供電分公司， 江蘇 連云港222000)

0 引言

隨著風(fēng)力發(fā)電在我國的應(yīng)用范圍越來越廣泛,風(fēng)電不斷地進入到電網(wǎng)中, 風(fēng)電與電網(wǎng)之間相互影響的范圍、 程度、 方式在不斷深入, 帶來了一系列融合問題, 如電壓劇烈波動、 微機保護誤動作、 頻率振蕩等[1-5]。

目前, 風(fēng)力發(fā)電所引起的系統(tǒng)頻率問題日益為人們所關(guān)注。 由于風(fēng)電機組自身特有的解耦式控制方式, 風(fēng)力機的機械動能和電網(wǎng)頻率之間沒有直接聯(lián)系, 其轉(zhuǎn)動慣量沒有應(yīng)用到電網(wǎng)之中, 因此電網(wǎng)頻率的瞬時波動有所增加。 此外, 風(fēng)電場輸出功率的隨機性和波動性, 使得電力系統(tǒng)需要更多的備用功率, 以滿足電網(wǎng)頻率一次調(diào)節(jié)的要求, 增加了系統(tǒng)的運行成本[6-7]。

針對風(fēng)電所引起的電網(wǎng)頻率問題, 國家電網(wǎng)公司《風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》 要求, 風(fēng)電場具備參與電力系統(tǒng)調(diào)頻、 調(diào)峰和備用的能力, 能夠?qū)崿F(xiàn)有功功率的連續(xù)平滑調(diào)節(jié), 并保證風(fēng)電場有功控制系統(tǒng)的快速性和可靠性。 現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機組具備強大的控制優(yōu)勢, 能夠適時調(diào)節(jié)自身的各種輸出狀態(tài), 輔助性地解決電網(wǎng)中發(fā)生的各種相關(guān)問題。

1 風(fēng)電機組控制策略和功率追蹤模式

1.1 風(fēng)電機組的控制策略

風(fēng)力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)包括對風(fēng)輪機的控制和對變流器的控制, 其控制框圖如圖1 所示。 轉(zhuǎn)子側(cè)換流器能夠?qū)崿F(xiàn)對有功功率和無功功率的分別獨立控制, 其有功功率控制是按照風(fēng)力機控制后給出的功率指令進行, 能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的間接控制, 從而使風(fēng)電機組運行在最佳轉(zhuǎn)速狀態(tài), 即捕獲最大的風(fēng)功率。

圖1 風(fēng)電機組的控制框圖(以DFIG 為例)

圖中, 實線表示的是控制后輸出信號, 虛線表示的是測量信號, 點劃線表示的是給定信號； 控制給定信號用上標(biāo)ref 表示, 控制反饋測量信號用上標(biāo)meas 來表示。

1.2 風(fēng)電機組的功率追蹤模式

風(fēng)輪機的所有運行狀態(tài)分為四種模式, 即啟動區(qū)、Cp恒定區(qū)、 轉(zhuǎn)速恒定區(qū)、 功率恒定區(qū)。 一般情況下, 風(fēng)輪機處于Cp恒定區(qū), 即最大功率追蹤區(qū)。 風(fēng)電機組的參考功率值Pref隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωr相關(guān)的曲線如圖2 所示, 其數(shù)學(xué)表達式可由公式(1)描述。

圖2 風(fēng)電機組的功率追蹤曲線

式中,Pmax為風(fēng)電機組輸出最大有功；ω0為風(fēng)輪機入網(wǎng)轉(zhuǎn)速；ω1是在轉(zhuǎn)速恒定區(qū)時的轉(zhuǎn)速大?。沪豰ax為風(fēng)電機的最大轉(zhuǎn)速；kopt為圖2 中功率追蹤曲線的系數(shù)。

2 風(fēng)電機組參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的控制策略

風(fēng)電機組參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的控制框圖如圖3所示。 其在風(fēng)電機組原有控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上, 附加了風(fēng)機的頻率調(diào)節(jié)模塊[8-12]。 此頻率模塊可根據(jù)電網(wǎng)頻率的實際波動狀況進行風(fēng)電機組的一次調(diào)頻或慣性響應(yīng)控制過程。

圖3 風(fēng)電機組參與頻率調(diào)節(jié)的控制框圖

風(fēng)電機組進行不同類型頻率響應(yīng)的判據(jù)如下:

式中,Lf、Tf是風(fēng)電機組進行慣性響應(yīng)和一次調(diào)頻控制的閾值: 當(dāng)電網(wǎng)的運行頻率偏差較大(如Tf＝0. 05 Hz) 時, 風(fēng)電機組優(yōu)先進行一次調(diào)頻過程,所形成的變量Δk附加在了功率追蹤環(huán)節(jié)中, 使得風(fēng)電機組為電網(wǎng)系統(tǒng)提供更多備用功率； 當(dāng)系統(tǒng)頻率波動較快(如Lf＝0. 03 Hz/ s) 時, 風(fēng)電機組可進行瞬時的慣性響應(yīng), 風(fēng)機的輸出參考功率P′ref值立即發(fā)生相應(yīng)變化ΔP, 以減緩電網(wǎng)的能量突變過程。

2.1 風(fēng)電機組的慣性響應(yīng)控制

從同步發(fā)電機組的慣性特征中可找到風(fēng)電機組的慣性響應(yīng)方法。 由同步發(fā)電機組可知, 電網(wǎng)頻率波動時機組輸出功率的變化是因為質(zhì)塊旋轉(zhuǎn)動能的釋放或吸收, 其數(shù)學(xué)表達式為:式中,Ek為機組具有的旋轉(zhuǎn)動能； ΔPs為機組輸出功率的變化量；J為同步機組的轉(zhuǎn)動慣量；ω為機組轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度。

因此, 若要模擬同步發(fā)電機組的慣性特征, 風(fēng)電機組則應(yīng)該隨系統(tǒng)頻率的變化而改變其最大功率追蹤參考值P′ref的大小, 其變化量ΔP可表達如下:

式中,Jw為風(fēng)電機組的虛擬轉(zhuǎn)動慣量, 其值為負數(shù)； 39. 44Jw為風(fēng)電機組的慣量系數(shù)。 根據(jù)以上分析設(shè)計的風(fēng)電機組慣性響應(yīng)模塊如圖4 所示。

圖4 中設(shè)置了死區(qū), 使風(fēng)電機組僅在系統(tǒng)頻率快速變化時才啟動慣性響應(yīng)模塊。 此模塊對于系統(tǒng)頻率的變化率按慣量系數(shù)(k1＝39. 44Jw) 形成輸出功率的波動量ΔP, 因此頻率變化越快, 風(fēng)電機組的功率波動就越大。 最后, 功率波動量ΔP與功率追蹤參考值P′ref之和將構(gòu)成機組新的輸出功率參考值Pref, 從而真正改變風(fēng)電機組的輸出功率大小。

2.2 風(fēng)電機組的一次調(diào)頻控制

風(fēng)電機組采用一種超速減載的功率備用法, 具體過程如圖5 所示。 在正常情況下, 風(fēng)電機組運行于減載功率曲線PT1 上的A 點, 為電網(wǎng)提供一定的備用功率。 當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時, 風(fēng)電機組可以變換至相應(yīng)的功率曲線PT2 或PT3 上, 在穩(wěn)定后, 風(fēng)電機組將運行于B 點或C 點, 從而增加或者減少風(fēng)電機組的輸出功率, 完成對系統(tǒng)的一次調(diào)頻過程。

圖5 風(fēng)電機組的功率備用策略

圖6 是風(fēng)電機組的一次調(diào)頻控制模塊。 其輸入量為電網(wǎng)實測頻率f和額定頻率fref, 對其偏差Δf進行比例調(diào)節(jié), 產(chǎn)生Δk的值, 從而形成新的風(fēng)機功率追蹤曲線k′de, 改變風(fēng)電機組的輸出功率。 電網(wǎng)負荷增加, 使系統(tǒng)頻率下降能夠增大機組功率曲線系數(shù)k′de的值, 提高機組的輸出功率； 電網(wǎng)負荷減少, 使系統(tǒng)頻率升高, 則進行相反的過程。 通常情況下, 風(fēng)電機組是在kde0＝0. 8kopt的風(fēng)機功率曲線上穩(wěn)定運行, 而曲線系數(shù)的變化量Δf值被限制在(-0. 2kopt, 0. 2kopt)。 此外, 電網(wǎng)頻率處于(50-Δfmin, 50+Δfmin) 時, 風(fēng)機將處于一次調(diào)頻的死區(qū), 即曲線系數(shù)變化量Δk為0。

圖6 風(fēng)電機組的一次調(diào)頻模塊

慣性響應(yīng)與一次調(diào)頻控制使風(fēng)電機組參與了電網(wǎng)頻率的調(diào)節(jié), 為系統(tǒng)頻率的控制發(fā)揮了風(fēng)電自身的作用, 從而增強了系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性。

3 風(fēng)電機組頻率控制策略的仿真分析

針對一含風(fēng)電的電網(wǎng)仿真系統(tǒng), 其結(jié)構(gòu)如圖7 所示, 包含一個風(fēng)力發(fā)電場G3和兩個火力發(fā)電廠G1、 G2, 在系統(tǒng)中共有3 處有功負荷(L1、L2和L3), 火力發(fā)電廠G1和G2均配有勵磁系統(tǒng)和有功控制系統(tǒng), 在風(fēng)電機組的功率控制系統(tǒng)中加入頻率控制模塊, 通過對風(fēng)電機組慣性和一次調(diào)頻的仿真分析, 可驗證風(fēng)機頻率控制策略的有效性。 此仿真模型中各風(fēng)電場機組的參數(shù)見表1—2。

圖7 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

表1 風(fēng)機參數(shù)

表2 同步發(fā)電機G1、 G2 參數(shù)

3.1 風(fēng)機慣性響應(yīng)過程的仿真分析

初始時風(fēng)電機組及電網(wǎng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定運行狀態(tài), 風(fēng)速穩(wěn)定為7 m/ s。 在3 s 時電網(wǎng)出現(xiàn)500 ms時長40 MW 大小的有功功率投切, 電網(wǎng)頻率和風(fēng)電機組輸出功率的仿真結(jié)果如圖8 所示, 其中虛線表示風(fēng)機無慣性響應(yīng)控制策略, 實線表示有慣性響應(yīng)控制策略時的情況。

圖8 風(fēng)電機組的慣性響應(yīng)

從圖8 可知, 系統(tǒng)頻率的快速下降引發(fā)了風(fēng)電機組的慣性響應(yīng)控制, 圖8 (b) 的仿真結(jié)果說明,在慣性響應(yīng)的過程中, 風(fēng)電機組通過風(fēng)機轉(zhuǎn)速的快速降低, 其輸出功率會突然增加, 形成了對系統(tǒng)頻率變化的有效慣性響應(yīng), 因此頻率的波動比機組沒有慣性控制時有所減緩(圖8 (a) )。

3.2 風(fēng)機一次調(diào)頻過程的仿真分析

初始時風(fēng)電機組及電力系統(tǒng)處于穩(wěn)定運行狀態(tài), 風(fēng)速恒定為7 m/ s。 從3 s 時電力系統(tǒng)開始增加50 MW 負荷并引起電網(wǎng)頻率的下降, 系統(tǒng)頻率和機組輸出功率的仿真結(jié)果如圖9 所示, 其中實線表示風(fēng)電機組有一次調(diào)頻控制策略, 虛線表示風(fēng)電機組無一次調(diào)頻控制策略的情況。

圖9 風(fēng)電機組的一次調(diào)頻

從圖9 可知, 在風(fēng)電機組參與一次調(diào)頻之后,機組的轉(zhuǎn)速降低, 同時機組的輸出功率增加, 風(fēng)電機組釋放了備用功率從而減緩了電力系統(tǒng)中的功率不平衡狀況。 由于風(fēng)電機組的一次調(diào)頻控制, 系統(tǒng)頻率與額定值的偏差沒有一次調(diào)頻控制時縮小, 因此電網(wǎng)頻率的響應(yīng)結(jié)果有了顯著的改善。

3.3 風(fēng)機綜合調(diào)頻過程的仿真分析

初始時風(fēng)速恒定為7 m/ s, 風(fēng)電機組穩(wěn)定運行于功率追蹤區(qū), 電力系統(tǒng)處于供電-負荷的平衡狀態(tài)。 在3 s 時電網(wǎng)開始增加50 MW 的有功負荷, 系統(tǒng)因功率失衡而產(chǎn)生頻率波動, 風(fēng)電機組參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)的仿真結(jié)果如圖10 所示, 其中實線表示有頻率控制策略時效果, 虛線表示無頻率控制策略時效果。

在電網(wǎng)負荷增加時, 系統(tǒng)頻率會首先快速降低, 之后再穩(wěn)定運行于某一頻率值上。 因為在系統(tǒng)頻率快速下降時, 風(fēng)電機組進行了慣性支持, 所以電網(wǎng)頻率的初始下降速率將有所減緩。 之后風(fēng)電機組又根據(jù)電網(wǎng)頻率的偏差進行了一次調(diào)頻控制, 調(diào)整了機組功率追蹤曲線系數(shù), 從而縮小了系統(tǒng)頻率與額定值(50 Hz) 的偏差。 圖10 (a) 顯示在風(fēng)電機組附加頻率控制模塊后, 電網(wǎng)頻率的響應(yīng)效果變好, 頻率下降變得緩慢且頻率的穩(wěn)態(tài)偏差變小?？傊? 引入本文的頻率控制策略后, 風(fēng)電機組可根據(jù)系統(tǒng)頻率的不同波動情況進行慣性支持、 一次調(diào)頻支持, 或者先后進行慣性響應(yīng)和一次調(diào)頻支持, 提供對系統(tǒng)頻率的輔助調(diào)節(jié)功能, 電網(wǎng)頻率的響應(yīng)效果變得更好。 因此, 在高風(fēng)電滲透率地區(qū),風(fēng)電機組可附加本文的頻率控制模塊。

圖10 風(fēng)電機組的頻率響應(yīng)結(jié)果

4 結(jié)論

本文通過慣性控制和一次調(diào)頻相結(jié)合的方法設(shè)計了風(fēng)電機組的頻率控制策略。 風(fēng)機慣性響應(yīng)控制是通過在風(fēng)電機組輸出功率的參考值上附加慣性變量來完成的, 而一次調(diào)頻控制則是通過改變機組的功率曲線從而提供備用功率。 這兩種調(diào)頻策略相互補充、 相互協(xié)調(diào), 實現(xiàn)風(fēng)電機組具備與傳統(tǒng)機組相似的頻率響應(yīng)特性, 從而可以使電網(wǎng)頻率更加穩(wěn)定。 利用一個電力系統(tǒng)模型的仿真分析, 證明本文所提出的慣性控制與一次調(diào)頻結(jié)合的調(diào)頻控制策略具有有效性, 風(fēng)力發(fā)電機組可對電網(wǎng)頻率提供動態(tài)支持, 保證電網(wǎng)的穩(wěn)定性。