避免频率二次跌落的风电场一次调频功率分配方法

何廷一，孙 领，王晨光，李胜男，李崇涛，陈亦平

避免频率二次跌落的风电场一次调频功率分配方法

何廷一1，孙 领2，王晨光2，李胜男1，李崇涛2，陈亦平3

(1.云南电网公司电力科学研究院，云南 昆明 650217；2.西安交通大学电气工程学院，陕西 西安 710049；3.中国南方电网电力调度控制中心，广东 广州 510623)

风电场基于下垂控制参与系统一次调频时，参数整定不当可能引发机组转速保护动作进而带来频率二次跌落问题。为此，提出了一种避免频率二次跌落的风电场一次调频功率分配方法。首先结合下垂控制的响应过程分析了转速保护动作带来频率二次跌落问题的物理机理，然后基于转速及功率约束条件提出了风电机组调频功率评估方法，进而得到风电场的调频功率评估方法和风电场一次调频功率分配方法。基于Matlab/Simulink搭建了含有风电场的仿真模型。仿真结果表明，所提方法可充分发挥风电机组的调频能力，并避免频率二次跌落问题。

下垂控制；一次调频；频率二次跌落；调频功率评估；功率分配

0 引言

随着全球范围内能源危机、环境污染以及气候变化等问题的凸显，新能源的开发和利用日益成为人们关注的焦点[1-2]。风电因具备成本较低、技术成熟等优势，已成为目前最具竞争力的新能源发电技术[3-4]。但大规模风电并网也给电力系统频率稳定性带来了新的挑战。一方面，风电机组通过变流器实现并网，从而机组转速和系统频率之间失去直接的耦合关系；另一方面，为了实现风能的有效利用，风电机组通常采用最大功率跟踪(Maximum Power Point Tracking, MPPT)控制，无法对系统频率起到调节作用[5-8]。

因此，为提升大规模风电并网下电力系统的频率稳定性，风电机组应具备调频能力，可通过功率备用控制[9-12]和转子动能控制[13-14]等方式来实现。功率备用控制需借助机组超速控制或桨距角控制来实现，降低了风电场的经济效益，增加了风电机组的机械磨损程度，具有一定的局限性。转子动能控制主要包括虚拟惯性控制和下垂控制，这种控制方式不会影响到正常运行时机组对于风能的有效利用，因此具有良好的应用前景。但转子动能控制中惯性系数和下垂系数过小不利于充分发挥风电机组的调频能力，系数过大易导致机组转速越限，进而转速保护动作并带来频率二次跌落问题。

当前，国内外学者主要基于离线仿真模型来整定风机转子动能控制参数。文献[15]通过时域仿真分别研究了惯性系数和下垂系数对于系统频率的影响，进而确定合适的参数取值范围，而对参数设置的一般性方法未进行阐述。文献[16]在传统的转子动能控制中增加了风机退出调频控制，基于时域仿真模型不断调整风机退出调频时刻和转子动能控制参数。该方法没有考虑风电场中风机间的风速差异，且控制参数的调整方法缺乏定量说明。文献[17-18]考虑了不同风机对应风速的差异性并提出了变下垂系数的控制策略，但是所提策略中，风机在未参与调频时处于减载运行状态，因而在风能利用方面有所损失。文献[19]依据转速大小对风机调频能力进行评估，进而实现调频功率在不同风机间的协调分配，但缺少对于风机可提供的调频功率的评估。文献[20]考虑了风机转速限值，并通过系统频率响应模型计算调频时风机转速的极小值和稳态值，进而得到不触发转速保护动作的下垂系数取值上限，但所述方法需在线估计系统的不平衡功率，从而下垂系数取值上限的确定会受估计值准确度的影响。文献[21]提出了时变下垂系数的控制策略，下垂系数在设定的时间点后线性减小使得风机平缓退出调频，但在时间设定的合理性方面有待进一步研究。在上述方法中，缺乏对于风机调频过程中转速和功率约束的综合考虑；且上述方法主要涉及的是机组层面转子动能控制参数的整定，而在实际工程中则是由站级控制确定风电场一次调频功率，再分配至风电场内各台参与调频的机组，因而需要考虑风电场可提供的调频功率和风电场内不同风速下机组的调频能力。

针对上述问题，本文首先从机组层面分析了风电机组基于下垂控制参与一次调频时转速保护动作引发频率二次跌落的物理机理，然后基于转速及功率约束条件提出了不同风速下风电机组的调频功率评估方法，进而得到风电场调频功率评估方法和风电场一次调频功率分配方法。所述方法可充分发挥不同风速下风电机组的调频能力，并避免转速保护动作带来的频率二次跌落问题。

1 机组层面的风电下垂控制分析

1.1 下垂控制模型

在研究频率问题时，可不考虑风机轴系扭振现象，从而将风轮机、传动轴和发电机转子视为一个刚体，则忽略阻尼时风机转子运动方程为

风能利用系数用以表征风力机捕获风能的能力，且常用的一种函数表达式为

风机的主控制一般为MPPT控制，在MPPT控制的基础上，可附加下垂控制使得风机能够参与系统的一次调频。且做机理分析时，忽略风机内部功率损耗以及变流器的快速动态过程，即风机电磁功率能够准确跟踪功率参考值，则有式(6)。

而下垂控制对应的附加功率表达式为

1.2 下垂控制过度响应分析

下垂控制参数设定不当时，可能出现过度响应现象，即下垂控制对应的附加功率过大，将带来频率二次跌落问题。下面结合图1进行说明。

图1 风机下垂控制过度响应示意图

在风速恒定的情况下，风机初始稳定于点，此时风机处于最大功率跟踪状态。当系统频率低于工频时，在下垂控制的作用下，风机的电磁功率曲线如图2中蓝线所示。由于转速不能突变，风机运行点由点变为点，此时电磁功率大于机械功率，风机开始减速。当风机运行到点时，风机转速降至限值，此时电磁功率仍大于机械功率。为避免风机因无平衡点而失速脱网，转速保护动作将下垂控制切除，进而风机运行到点，此时机械功率大于电磁功率，风机开始加速并重新稳定到点。

值得注意的是，风机从点运行至点时，系统会出现较大的功率跌落，这将导致频率的二次跌落，从而对频率稳定性造成威胁。

当然，实际运行时图1中的蓝色曲线会随着频率的变化而变化，此时的频率二次跌落机理分析与上述类似，不再赘述。

2 风电机组调频功率评估

根据前述分析可知，风电机组下垂控制引起的频率二次跌落问题本质上是由风电机组功率调节量过大引发的。因此，应对风电机组参与调频时能够提供的功率进行评估，即确定机组可提供的最大调频功率。

根据式(1)，可知稳态时有式(10)成立。

2.1 风机可上调功率评估

以的情况为例，图2给出了风机功率上调的动态过程，用来说明式(15)的物理意义。

进一步，考虑风机变流器功率限制后，式(15)可修改为

图3 风机可上调功率评估结果

由式(18)可知，低风速机组的可上调功率主要受转速下限的约束，高风速机组的可上调功率主要受并网功率上限的约束。

2.2 风机可下调功率评估

图4 附加不同恒定功率后风机功率下调动态过程

图5 风机调频功率评估结果

3 风电场调频功率评估和场内一次调频功率分配方法

单台风电机组对电网的功率支撑作用有限[23]，因此这里基于风电场层面的下垂控制，并结合前述风电机组调频功率的评估结果，来确定风电场内一次调频功率的合理分配方法。

3.1 风电场调频功率评估

3.2 风电场内一次调频功率分配方法

在风电场层面，考虑调频死区时，下垂控制的表达式为

风电场下垂系数计算公式为

根据式(24)—式(28)，可得风电场内机组对应的调频功率为

综上，系统出现功率扰动时，风电场内机组根据式(29)参与系统一次调频。因为功率分配考虑到了机组的调频能力，因而可避免机组转速保护动作引起的频率二次跌落问题。

4 仿真分析

图6 仿真系统模型

4.1 传统下垂控制下的仿真分析

以系统出现功率缺额为例分析风电场参与调频时的动态过程。在母线7处设置72 MW的负荷突增扰动，扰动发生时刻设置为5 s。图7给出了传统下垂控制下风电场参与调频时的系统频率曲线和机组转速曲线。

图7 传统下垂控制下风机参与调频仿真曲线

4.2 改进方式下的仿真分析

图9 不同扰动下风机参与调频仿真曲线

由图9(a)可知，风电场采用本文所述控制方法参与一次调频时，随着扰动的增大，系统都未出现频率二次跌落问题。结合图9(b)、图9(c)和图9(d)可知，随着扰动增大，风电场内不同风速下机组的调频能力被逐渐挖掘。特别是当系统遭受负荷突增180 MW的扰动时，由图9(b)和图9(c)的绿色曲线可知：风电场内的低中风速机组在一次调频结束后转速稳定在转速限值附近，这表明机组的调频能力已经被充分挖掘；而高风速机组由于并网功率的限制，所分配的调频功率较小，因而稳态时转速高于低中风速下机组对应的转速。

5 结论

针对风电场基于下垂控制参与一次调频可能带来的频率二次跌落问题，本文提出了考虑风电机组转速和功率限制的风电场一次调频功率分配方法，主要研究结论如下：

1) 低风速机组和高风速机组调频能力受转速和功率约束较为明显，中风速机组调频能力较强。

2) 传统下垂控制下，低风速机组在参与调频时易出现过度响应的情况，进而带来频率二次跌落问题，且调差系数越小，频率二次跌落问题越严重。

3) 采用本文所提方法时，中风速机组将承担更多调频任务，进而可避免低风速机组因过度响应而带来的频率二次跌落问题。且风电场调差系数可以取到更小的值，有利于充分发挥机组的调频能力。

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A method of primary frequency regulation power distribution in a wind farm to avoid secondary frequency drop

HE Tingyi1, SUN Ling2, WANG Chenguang2, LI Shengnan1, LI Chongtao2, CHEN Yiping3

(1. Electric Power Research Institute of Yunnan Power Grid Co., Ltd., Kunming 650217, China;2. School of Electrical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;3. Dispatching and Control Center of China Southern Power Grid, Guangzhou 510623, China)

Improper parameter setting may initiate a wind turbine speed protection action and then lead to a problem of secondary frequency drop, when a wind farm participates in primary frequency regulation based on droop control. Therefore, a method of primary frequency regulation power distribution in a wind farm to avoid secondary frequency drop is proposed. First, the physical mechanism of secondary frequency drop caused by the speed protection action is analyzed based on the response process of droop control. Then an evaluation method of wind turbine frequency regulation power is proposed considering the wind turbine speed and power limits. Then the evaluation method of wind farm frequency regulation power and the method of primary frequency regulation power distribution in a wind farm are obtained. A simulation model including a wind farm is established in Matlab/Simulink. The simulation results show that the proposed method could give full play to the frequency regulation capability of wind turbines and avoid the problem of secondary frequency drop.

droop control; primary frequency regulation; secondary frequency drop; frequency regulation power evaluation; power distribution

10.19783/j.cnki.pspc.211341

国家自然科学基金面上项目资助(51977167); 云南电网公司科技项目资助(YNKJXM20191240)

This work is supported by the General Program of National Natural Science Foundation of China (No. 51977167).

2021-10-04；

2022-02-22

何廷一(1987—)，男，硕士，高级工程师，研究方向为系统分析机网协调；E-mail: 584786940@qq.com

孙 领(1997—)，男，通信作者，硕士研究生，研究方向为电力系统频率稳定分析与控制；E-mail: 2992091977@ qq.com

王晨光(1996—)，男，硕士研究生，研究方向为电力系统频率稳定分析与控制。E-mail: 931420988@qq.com

(编辑 葛艳娜)