考虑风速差异的风电场调频备用协调控制策略

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。

图15 同步机G2出力(算例2)Fig.15 Output of synchronous machine G2 (case 2)

所以，在高风速情况下，本文所提策略考虑不同机组的可用调频容量差异，仅需控制部分机组减载，负荷扰动发生时，提高了频率最低点，改善了系统频率特性。

4 结 论

本文根据不同风速机组可用调频容量的差异，提出了考虑风速差异的风电场调频备用协调控制策略。主要结论如下：

1)考虑到风机转速的双向调节能力，本文构建了双馈风机可用调频容量模型，分析了不同风速不同转速下的可用调频容量，为评估不同风速下风机的可用调频容量和风电场制定减载备用策略提供基础。

2)本文提出的风电场调频备用协调控制策略，可有效考虑不同风速机组间可用调频容量的差异，充分协调风电场的调频资源，通常仅需控制部分低风速机组，简化了控制复杂性。与现有策略相比，本文策略不仅可预留足够备用容量，而且存储了大量转子动能，对频率的改善作用更为明显，显著缓解了同步机调频压力。