風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻特性研究

郭 煒,孔維君,柳 偉

(1.江蘇省電力公司電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，江蘇南京210008；2.南京供電公司，江蘇南京210009；3.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院,江蘇南京210096)

風(fēng)力發(fā)電環(huán)境好、技術(shù)成熟、可靠性高、成本低且規(guī)模效益顯著，但具有許多異于常規(guī)發(fā)電的特點(diǎn)，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行后，出現(xiàn)了很多亟待解決的技術(shù)難題。大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)后，在向電網(wǎng)提供清潔能源的同時(shí)，也給電網(wǎng)的運(yùn)行帶來一些負(fù)面影響。風(fēng)電場(chǎng)輸出功率取決于風(fēng)速，風(fēng)速時(shí)刻都在發(fā)生變化，具有較強(qiáng)的隨機(jī)性和間歇性[1]。隨著風(fēng)電場(chǎng)數(shù)量和裝機(jī)容量的不斷增大，并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電功率波動(dòng)將給電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來諸多不利影響。尤其對(duì)于風(fēng)電穿透功率較高的地區(qū)，由于改變了電網(wǎng)原有的潮流分布、線路傳輸功率與整個(gè)系統(tǒng)的慣量，風(fēng)電接入并網(wǎng)后系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性、暫態(tài)穩(wěn)定性及頻率穩(wěn)定性都會(huì)受到較大的影響[2]。

研究表明，在系統(tǒng)發(fā)生頻率偏移時(shí)，定速風(fēng)電機(jī)組可以釋放動(dòng)能為系統(tǒng)提供慣量支持，但目前流行的變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（本文主要指雙饋風(fēng)電機(jī)組），由于轉(zhuǎn)子通過換流器與電網(wǎng)連接，造成轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)頻率解耦，對(duì)系統(tǒng)的慣量沒有貢獻(xiàn)，從而無法提供一次頻率控制[3]。大規(guī)模變速風(fēng)力發(fā)電接入將降低傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行比例，從而降低系統(tǒng)的總慣量和頻率控制能力，這也意味著由于功率不平衡所造成的系統(tǒng)頻率偏移將更大[4，5]。目前，國家在鼓勵(lì)風(fēng)力發(fā)電入網(wǎng)的同時(shí)，又采用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接入地點(diǎn)、容量等進(jìn)行限制，而隨著風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)中滲透率的提高，其帶來的嚴(yán)重慣量損失必將成為威脅電網(wǎng)安全和限制接入水平的關(guān)鍵因素[6]。因此有必要對(duì)變速風(fēng)電機(jī)組、定速風(fēng)電機(jī)組、以及常規(guī)火電同步發(fā)電機(jī)組的調(diào)頻特性進(jìn)行比較，從而深入了解各類機(jī)組的調(diào)頻特性，進(jìn)而采取相應(yīng)的措施來提高各類風(fēng)電機(jī)組對(duì)系統(tǒng)有功功率和頻率的控制能力，減小風(fēng)電接入對(duì)電力系統(tǒng)的沖擊，對(duì)提高風(fēng)電接入水平具有重要意義[7，8]。

1風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻特性

1.1變速與定速風(fēng)電機(jī)組比較

在電網(wǎng)發(fā)生頻率大幅度降低的事故時(shí)，系統(tǒng)的慣量對(duì)于頻率降低的變化率起到了決定作用，即慣量越低，系統(tǒng)頻率降低越快。在一定負(fù)荷情況下，不同類型的風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，勢(shì)必會(huì)取代部分常規(guī)發(fā)電機(jī)組，給系統(tǒng)的慣量帶來較大的沖擊。因此有必要對(duì)不同類型的風(fēng)電機(jī)組的頻率響應(yīng)特性予以研究，以期找到合理有效的頻率控制方法，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的一次調(diào)頻特性受到關(guān)注。大量文獻(xiàn)研究各類風(fēng)機(jī)的慣量反應(yīng)和調(diào)頻特性，文獻(xiàn)[9，10]比較了定速風(fēng)電機(jī)組和變速風(fēng)電機(jī)組發(fā)生頻率偏移時(shí)的頻率響應(yīng)特性。研究表明，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生功率不平衡擾動(dòng)導(dǎo)致頻率偏移時(shí)，定速風(fēng)電機(jī)組與變速風(fēng)電機(jī)組表現(xiàn)出不同的頻率響應(yīng)特性。

（1）定速風(fēng)電機(jī)組。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生頻率偏移時(shí)，能夠釋放儲(chǔ)存在風(fēng)機(jī)葉片中的動(dòng)能，為系統(tǒng)提供頻率支撐；其工作原理是當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時(shí)，轉(zhuǎn)差出現(xiàn)變化，電樞反應(yīng)跟著變化，因而機(jī)組與電網(wǎng)交換的有功與無功發(fā)生變化。同時(shí)因力矩的不平衡，異步電機(jī)轉(zhuǎn)速將發(fā)生變化，最終達(dá)到穩(wěn)定的轉(zhuǎn)差率，功率交換也達(dá)到穩(wěn)定值。

（2）變速風(fēng)電機(jī)組。其轉(zhuǎn)子通過換流器與電網(wǎng)連接，造成轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)頻率解耦，對(duì)系統(tǒng)的慣量沒有貢獻(xiàn)，也無法為一次頻率控制提供支撐；由于變速風(fēng)電機(jī)組采用了電力電子變換器，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械功率與系統(tǒng)電磁功率的解耦控制，也因此失去了對(duì)頻率的快速有效響應(yīng)，導(dǎo)致其旋轉(zhuǎn)動(dòng)能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的慣量幾乎沒有貢獻(xiàn)。

1.2變速風(fēng)電機(jī)組與常規(guī)火電機(jī)組比較

變速風(fēng)電機(jī)組與常規(guī)火電機(jī)組慣量反應(yīng)和頻率響應(yīng)特性有很大區(qū)別[11]。系統(tǒng)頻率下降時(shí)，變速風(fēng)電機(jī)組與常規(guī)火電機(jī)組頻率響應(yīng)特性對(duì)比曲線如圖1所示。其中，變速風(fēng)電機(jī)組安裝有附加一次頻率控制環(huán)節(jié)，可以通過降低轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速釋放轉(zhuǎn)子葉片中的部分轉(zhuǎn)子動(dòng)能提供頻率支撐；常規(guī)火電機(jī)組安裝有調(diào)速器，在頻率下降時(shí)能增大有功出力提供頻率支撐。

圖1頻率響應(yīng)特性比較

由圖1中曲線看出，火電機(jī)組由于調(diào)速器動(dòng)作增加原動(dòng)機(jī)輸入，提供持續(xù)的額外有功支撐，但響應(yīng)有一定的延時(shí)；而安裝附加轉(zhuǎn)子控制環(huán)的變速風(fēng)電機(jī)組對(duì)于頻率變化可以做出快速響應(yīng)，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速需要一定的恢復(fù)過程，如圖中陰影部分，根據(jù)能量守恒原理，風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速需要一段過程才能恢復(fù)到最佳運(yùn)行狀態(tài)。由此可知，變速風(fēng)電機(jī)組頻率控制特性與常規(guī)火力發(fā)電機(jī)組相比具有一些不同之處[12]：

（1）快速性，即當(dāng)控制系統(tǒng)有功參考值發(fā)生變化時(shí)，變速風(fēng)電機(jī)組輸出的有功功率能快速跟蹤其變化；

（2）暫態(tài)性，由于變速風(fēng)電機(jī)組是通過調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，釋放或吸收轉(zhuǎn)子部分動(dòng)能，改變其有功輸出，而并不能調(diào)整原動(dòng)機(jī)的輸入變化，因此只能提供短暫的有功支撐。

2變速風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻輔助頻率控制器

雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)電機(jī)組一般運(yùn)行在最大風(fēng)能追蹤控制模式下，輸出的有功功率已經(jīng)達(dá)到可利用風(fēng)能的最大值。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生功率擾動(dòng)頻率下降時(shí)，雙饋風(fēng)電機(jī)組無法增加原動(dòng)機(jī)的出力為系統(tǒng)提供頻率支持。而雙饋風(fēng)機(jī)機(jī)組控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了變轉(zhuǎn)速運(yùn)行，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的運(yùn)行變化空間較大，可從風(fēng)速較大時(shí)的超同步運(yùn)行，轉(zhuǎn)速為ω=1.2 p.u.到風(fēng)速較低時(shí)次同步運(yùn)行，轉(zhuǎn)速為ω=0.7 p.u.運(yùn)行。假設(shè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速從ω0變?yōu)棣?，頻率從f0變?yōu)閒1，轉(zhuǎn)子釋放的動(dòng)能為：ΔE=H-），其中，H 為慣性時(shí)間常數(shù)。如此，雙饋風(fēng)電機(jī)組最大可以提供轉(zhuǎn)子約60%的動(dòng)能，常規(guī)火電機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍僅為0.95～1.00 p.u.，僅能提供轉(zhuǎn)子約9.75%的動(dòng)能。當(dāng)雙饋風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)中滲透率較高時(shí)，其轉(zhuǎn)子動(dòng)能對(duì)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的貢獻(xiàn)不容忽視。因此雙饋風(fēng)電機(jī)組通過調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速釋放或吸收轉(zhuǎn)子部分轉(zhuǎn)子動(dòng)能參與一次頻率控制[13，14]。

通過設(shè)計(jì)頻率附加控制環(huán)，控制雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子動(dòng)能，使雙饋發(fā)電機(jī)組也能夠像常規(guī)發(fā)電機(jī)一樣參與系統(tǒng)一次頻率調(diào)制，其附加輔助頻率控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2輔助頻率控制器結(jié)構(gòu)

頻率附加控制環(huán)可以用方程式描述：

式（1）中：Kf和KEf分別為頻率偏差和偏差變化率的比例系數(shù)；PD，ref為附加控制得到的功率參考值增量；Pref為系統(tǒng)總的功率參考值。

為進(jìn)一步研究含雙饋風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)的慣量反應(yīng)特性，假設(shè)PG為系統(tǒng)中常規(guī)發(fā)電機(jī)的功率輸出；PD為雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率輸出；PL為負(fù)載有功功率；PC為與相鄰系統(tǒng)間交換的功率；PA為總功率缺額。在穩(wěn)定狀態(tài)，功率平衡方程為：

PA=PG+PD+PC-PL（2）

假設(shè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率參考Pref和實(shí)際輸出功率PD之間不存在動(dòng)態(tài)交換，則有：

則總功率缺額與頻率偏差及頻率偏差變化率之間的關(guān)系可表示為：

式（4，5）中：H為系統(tǒng)的慣量時(shí)間常數(shù)；D為系統(tǒng)阻尼。根據(jù)式（5）可知，系統(tǒng)附加頻率控制，將改變雙饋風(fēng)電機(jī)組的等效慣性，系統(tǒng)等效慣性由H變?yōu)镠+Kf/2，增加的等效慣性值由Kf決定。因此，控制頻率偏差比例參數(shù)Kf在一定范圍內(nèi)變化即可改變系統(tǒng)的等效慣性，Kf＞0時(shí)提高系統(tǒng)慣性，Kf＜0時(shí)降低系統(tǒng)慣性。

3仿真分析

3.1調(diào)頻特性比較

選4機(jī)2區(qū)域系統(tǒng)作為研究對(duì)象，基于PSCAD平臺(tái)搭建仿真模型，對(duì)風(fēng)機(jī)一次調(diào)頻特性進(jìn)行仿真分析。

（1）比較同步電機(jī)、定速風(fēng)電機(jī)組及雙饋風(fēng)電機(jī)組的一次調(diào)頻特性；

（2）分別對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制、備用功率控制、普通聯(lián)合控制及模糊聯(lián)合控制進(jìn)行仿真分析，比較各控制策略的調(diào)頻特性。

仿真所使用的系統(tǒng)為4機(jī)2區(qū)域系統(tǒng)。仿真所用系統(tǒng)包括同步電機(jī)4臺(tái)，容量分別為150 MW；風(fēng)電場(chǎng)1個(gè)，采用集中式并網(wǎng)方式接入系統(tǒng)，接入點(diǎn)位于區(qū)域1同步電機(jī)G2母線側(cè)。如圖3所示。風(fēng)電場(chǎng)總輸出容量為120 MW；總負(fù)荷為720 MW。

圖3仿真系統(tǒng)

系統(tǒng)在5 s時(shí)，同步電機(jī)G2由于失步故障退出運(yùn)行，分析此時(shí)系統(tǒng)頻率變化情況。仿真區(qū)域風(fēng)速均采用額定風(fēng)速，分別對(duì)以下3種情況進(jìn)行仿真分析：

（1）120 MW風(fēng)電場(chǎng)由一臺(tái)相同容量的同步電機(jī)代替；

（2）風(fēng)電場(chǎng)由定速風(fēng)電機(jī)組組成；

（3）風(fēng)電場(chǎng)由雙饋風(fēng)電機(jī)組組成。

在PSCAD中搭建4機(jī)2區(qū)域系統(tǒng)仿真模型，并分別搭建定速風(fēng)電機(jī)組定速風(fēng)電機(jī)組仿真模型、變速風(fēng)電機(jī)組雙饋風(fēng)電機(jī)組仿真模型以及同步發(fā)電機(jī)組仿真模型，如圖3所示。3種不同類型機(jī)組的系統(tǒng)頻率變化曲線如圖4所示。

圖4不同電機(jī)的頻率變化規(guī)律

由圖4可知，仿真分析結(jié)果證明在系統(tǒng)發(fā)生有功缺失故障時(shí)，雙饋風(fēng)電機(jī)組由于解耦控制，失去了對(duì)頻率的快速有效響應(yīng)，無法參與一次調(diào)頻，相比常規(guī)同步電機(jī)和定速風(fēng)電機(jī)組，頻率跌落最嚴(yán)重。

3.2輔助調(diào)頻控制效果

圖5不同控制策略下頻率變化曲線

針對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組，采用輔助頻率控制器，分析使用輔助頻率控制策略前后系統(tǒng)頻率變化曲線的差別，詳細(xì)結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，采用輔助頻率控制策略后，雙饋風(fēng)電機(jī)組能夠參與系統(tǒng)一次調(diào)頻，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生頻率偏移時(shí)，可釋放儲(chǔ)存在葉片中的轉(zhuǎn)子動(dòng)能來提供頻率支撐，因此相比未使用該控制策略，其頻率控制曲線明顯改善，最低頻率由49.2 Hz提高到49.62 Hz，大于低頻減載閥值49.5 Hz，無需采取低頻減載措施即可穩(wěn)定運(yùn)行。

4結(jié)束語

基于PSCAD/EMTDC平臺(tái)分別建立常規(guī)火電機(jī)組模型、定速風(fēng)電機(jī)組模型以及變速風(fēng)電機(jī)組模型，針對(duì)3種不同類型電源接入情況下，仿真分析了變速風(fēng)電機(jī)組與常規(guī)火電機(jī)組和定速風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻特性差異。仿真結(jié)果表明：在系統(tǒng)發(fā)生有功缺失故障時(shí)，變速風(fēng)電機(jī)組由于解耦控制，失去了對(duì)頻率的快速有效響應(yīng)，無法參與一次調(diào)頻，相比常規(guī)同步電機(jī)和定速風(fēng)電機(jī)組，頻率跌落最嚴(yán)重，且穩(wěn)態(tài)頻率最低。同時(shí)設(shè)置了一次調(diào)頻輔助頻率控制器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了其有效性。對(duì)于未來，風(fēng)機(jī)一次調(diào)頻還需要在以下幾個(gè)方面展開深入研究：

（1）研究變速風(fēng)機(jī)與常規(guī)發(fā)電機(jī)的協(xié)調(diào)調(diào)頻控制策略；

（2）現(xiàn)有的變速風(fēng)電機(jī)組的調(diào)頻研究多集中在雙饋風(fēng)電機(jī)組，研究適用于直驅(qū)永磁同步風(fēng)電機(jī)的調(diào)頻控制策略；

（3）研究基于輕型直流輸電并網(wǎng)的一次調(diào)頻控制技術(shù)。

[1]雷亞洲.與風(fēng)電并網(wǎng)相關(guān)的研究課題[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2003，27(8)：84-89.

[2]關(guān)宏亮，遲永寧，王偉勝，等.雙饋風(fēng)電機(jī)組頻率控制的仿真研究[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007，31(7)：61-65.

[3]CHINCHILLA M,ARNALTES S and BURGOS J C.Control of Permanent Magnet Generators Applied to Variable-speed Windenergy Systems Connected to the Grid[J].IEEE Trans.Energy Convers.,2006,21(1)∶130-135.

[4]柳 偉，顧 偉，孫 蓉，等.DFIG-SMES互補(bǔ)系統(tǒng)一次調(diào)頻控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27(9)：108-116.

[5]馬竹梧，柳 偉，王功勝.變頻技術(shù)與裝置應(yīng)用若干問題的探討[J].電氣應(yīng)用，2011，30(24)：16-19.

[6]RODRIGUEZ A J L,ARNALTE S,BURGOS J C.Automatic Generation Control of a Wind Farm with Variable Speed Wind Turbines[J].IEEE Trans.Energy Convers.2002,17(2)∶279-284.

[7]LALOR G,MULLANE A,O’MALLEY M J.Frequency Control and Wind Turbine Technologies[J].IEEE Trans.Power Syst.2005(20)∶1903-1913.

[8]MAURICIO J M,MARANO A,GOMEZ E A,et al.Frequency Regulation Contribution Through Variable-speed Wind Energy Conversion Systems[J].IEEE Trans.Power.Syst.2009,24(1)∶173-180.

[9]HOLDSWORTH L,EKANAYAKE J B,JENKINS N.Power System Frequency Response from Fixed Speed and Doubly Fed induction Generator-based Wind Turbines[J].Wind Energy,2004,07(1)∶21-35.

[10]EKANAYAKE J,JENKINSI N.Comparison of the Response of Doubly Fed and Fixed-Speed Induction Generator Wind Turbines to Changes in Network Frequency[J].IEEE Trans.Energy Convers,2004,19(4)∶800-802.

[11]曹 軍，王虹富，邱家駒.雙饋恒頻風(fēng)電機(jī)組頻率控制策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，33(13)：78-82.

[12]KEUNG P K,LI P,BANAKAR H,et al.Kinetic Energy of Wind Turbine Generators for System Frequency Support[J].IEEE Trans.Power Syst.,2009,24(1)∶279-287.

[13]KAYIKCI M,MILANOVIC J.Dynamic Contribution of DFIG-based Wind Plants to System Frequency Disturbances[J].IEEE Trans.Power Syst,2009,24(2)∶859-867.

[14]MORREN J,HAAN S W H,KLING W L,et al.Wind Turbines Emulating Inertia and Supporting Primary Frequency Control[J].IEEE Trans.Power.Syst,2006,21(1)∶433-434.