基于转子动能优化的双馈风机一次调频综合协调控制策略

杨波， 赵巧娥， 武晓冬， 杨杰

(山西大学 电力与建筑学院，山西 太原 030006)

0 引 言

随着风电并网容量飞速发展及火电机组受停建或缓建政策的影响，导致系统中的等效惯量减小、调频能力不足，使系统在发生负荷突变等扰动情况下，频率偏差和变化率加大，增加系统调度运行的成本，随之影响了风电的进一步消纳[1-2]。

为此，国内外专家学者提出众多研究方案使得双馈风力发电机具备向电力系统提供频率调整的能力。文献[3]利用虚拟惯量使得风机响应频率变化，但是根据频率偏差给出相同的虚拟惯量出力，并未考虑风机的旋转动能的分布情况，从而导致风机的过度调节，不利于转速恢复，影响系统频率的稳定。

文献[4-5]提出改进超速控制的频率控制方法，所提控制方法能够提升系统频率控制效果。文献[6-7]利用浆距角控制，与虚拟惯量控制相结合，可以有效支撑系统惯量，还可提高系统频率静态稳定性。

文献[8]在风机不同风况下选用不同的功率备用控制策略，但这种控制方式下并未考虑超速控制的备用容量需求，即在最大功率追踪区随转速增大超速差额不断减小，调频深度将不能满足要求。

针对上述文献存在的问题，本文从风机自身角度出发，考虑风机旋转动能的分布，优化的虚拟惯量出力，并在此基础上，与功率备用控制相结合形成综合协调控制策略，使得双馈风机能够参与系统一次频率调整。最后，在MATLAB/Simulink中建立系统仿真模型。通过仿真表明所提控制策略相较于传统虚拟惯量控制下的综合协调控制具有良好的改善效果。

1 转子动能优化的虚拟惯量控制

在一次调频这个较小的时间尺度范围内，可以认为风速是固定不变的，在不同风速下存在一个最大功率点，由此可得风机的最大功率追踪曲线方程为：

(1)

(2)

式中：Popt为风机在某风速下最优出力；kopt为功率跟踪系数；ωr为风机转速；ρ为空气密度；S为风力机叶片迎风扫掠面积；Rw为风轮半径；CP为风能利用系数；λ为叶尖速比，其中λ=ωwRw/v，v和ωw表示风速和风轮转速。

若转子转速从ω1变化到ω2，双馈风机在运行过程中转子动能的变化量ΔE为：

二要优化督查程序。建立健全督查工作制度，对年度督查项目预先分解、立项、分工，制定出具体的督查标准，明确督查责任人员，避免无准备、无序化督查现象。坚持督查与督办相结合，对督查的重点工作，要督促被督查单位，拿出具体的运行计划、实施办法。督查之后要列出问题清单，反馈并帮助基层进行销号整改，落实基层整改情况报告制度，有必要时可以进行二次督查或进行“回头看”，避免督查走过场现象。

(3)

式中：J为机械转动惯量，风机可将其作为一次调频的能量来源，用以响应系统频率的变化。在转子变流器环节附加与频率变化相关的有功功率参考值ΔP为：

(4)

式中：Δf为频率偏差；Kd为惯性系数；Kp为下垂系数。

传统虚拟惯量控制根据风电场统一的频率偏差给出了相同出力，而不同风机蕴藏的旋转动能不同，将会导致机组的过度调节。为此引入变系数k，引入系数k优化后，风机有功功率参考值ΔP′为：

(5)

式中:k为风机当前旋转动能与风机最小转速和额定转速所对应旋转动能平均值的比值。系数k为：

(6)

式中：ω为风机当前转速;ωmin和ωmax分别为风机允许的最小转速和额定转速。相应的控制策略如图1所示。

图1 优化的虚拟惯量控制策略

引入参数k可以根据此时风机所储存旋转动能的大小实时调整惯性响应的出力，而非单一的根据频率偏差统一调节出力。

2 综合协调控制策略

2.1 功率备用控制

功率备用控制通过减载运行的容量作为一次调频的能量来源，结合汽轮机的静态调差系数的定义，风力机的减载水平d%可设定为：

(7)

(8)

式中：ΔPG为发电机减载容量；PG为额定容量；fN为频率的额定值；δ*为等效的发电机静态调差系数；KG为单位调节功率。若双馈风机具备和同步机一样的调频能力，根据上述式子，可求得风机的减载水平。

2.1.1 超速控制

在最大功率追踪区，风速一定时，风机输出功率的大小由转子转速决定，双馈风机在不同风速下的出力随转子转速变化的曲线如图2所示。

图2 DFIG的功率曲线

由图2可知，在最大功率追踪区ac内选择超速控制，在恒转速区cd和恒功率区de内选择浆距角控制可以使得风机预留备用容量，在恒定的减载水平下，得到风机的减载曲线。

而在ac区域内，随着风速的增加，受转子最大转速的限制，可支配备用容量越来越小。因此风机工作在ac区域内，存在一个仅凭超速控制就能满足d%减载需求的风速极限vx，即在此风速下，通过超速控制减载d%正好达到转速上限ωmax，并将风速vx作为超速控制和浆距角控制的分界。

2.1.2 浆距角控制

如图2所示，当风速vx

(9)

剩余的减载率为d%～d1%，由浆距角控制实现，则有：

(10)

式中：βx为风机在风速vx

当风速v>v3时，预留备用容量全部由浆距角控制完成。双馈风机在不同浆距角下获得最大风能时，所对应的Cp-λ应满足：

∂CP(λ,β)/∂λ=0

(11)

(12)

综上，本文结合超速控制和浆距角控制的优缺点，在不同的风速状况下选用适宜的控制策略。

2.2 频率综合协调控制策略

风电场同时具备惯量响应和功率备用这两种控制策略将极大提升系统频率响应能力，相应的频率综合协调控制策略如图3所示。

图3 频率综合协调控制策略

综上所述，在风电场中通过对风机的风速进行判断，进而选用相应的功率备用控制模式。即若风速v

载模式，而当风速vxv3时，只可采用浆距角控制。在全过程采用基于转子动能优化的虚拟惯量控制提升频率的响应速度。

3 仿真分析

采用MATLAB/Simulink搭建如图4所示的系统仿真模型。G1、G2分别表示容量为150 MW和300 MW的火电厂，风电场为含有33台1.5 MW的双馈风力发电机，每11台一种风速，风速分别为7 m/s、10 m/s、12 m/s，负荷均采用恒定有功负荷。

图4 仿真系统模型

在t=40 s时负载L1突增15 MW，大约经过10 s后系统频率进入稳态。对比风电场无控制方式、传统虚拟惯量下的综合协调控制和转子动能优化的虚拟惯量下的综合协调控制三种情形下系统频率变化，仿真结果如图5所示。

图5 仿真系统模型

通过仿真得到系统在各种控制方式下一次调频各项指标，表1为不同控制方式下的调频效果。

表1 不同控制方式下调频效果对比

从图5可知，由于负荷突增，导致系统频率急剧下降，在三种控制方法下，相较于无控制方式，附加传统虚拟惯量控制衰减了频率下跌速度，并且频率的最低点提高了0.039 Hz。优化后的虚拟惯量综合控制不仅降低了频率变化率，而且相较于传统控制，频率的最低点略有提升。

优化后的虚拟惯量综合控制方法下，从负荷突增到频率趋于稳定所用时间相较于虚拟惯量综合控制所用时间更短，利于转速的恢复，优化综合控制方法频率恢复时间快，调频效果更好。

4 结束语

风电渗透率的增加使得电力系统调频容量缺乏的问题逐渐显现，维持电力系统的频率稳定性工作显得尤为重要。虚拟惯量控制和功率备用控制组合的综合协调控制策略能够使风机具备一次调频的能力。

本文提出了一种结合不同的功率备用控制和优化转子动能控制的综合协调控制策略，使用双馈风机调频的控制方法。风机在电网频率正常时面对不同的风速选择相对的减载状态，获得一定的调频备用容量并优化转子动能的出力，提高不同风机转子动能的利用率。

仿真结果表明，当系统频率出现大的扰动，如负荷突变，风机系统采用基于优化的综合协调控制策略，能够满足一次调频的调频容量的需求，并考虑了不同风机的转子动能的大小，避免风机过度调节，优化出力大小，使得调频过程更加平稳，加快频率恢复，频率调节效果更好。

随着系统中风机渗透率的提升，越来越需要风电具备一次调频等辅助调频能力。结合风机自身的特点并选用适宜的控制策略，使其具备频率响应能力，将改善电力系统整体的频率调整效果。随着电力市场的完善，风电调频将充分发挥其优势，风电场经济性将会得到大幅度提高。风机的辅助调频将会成为调频市场的中坚力量，进一步促进风电的消纳。