雙饋風機槳距角控制調頻特性研究

／ 青島大學 董鵬程 陳明帥／

雙饋風機槳距角控制調頻特性研究

／ 青島大學 董鵬程 陳明帥／

目前，風力發電迅猛發展，由于雙饋風力發電機可以實現有功、無功解耦調節，往往在高功率因數下運行，當電網發生故障或擾動頻率跌落時不能向電網輸送有功幫助電網頻率恢復。本文根據風機運行特性，提出設定槳距角初始值實現備用有功的方式實現調頻特性，仿真結果驗證了所提方案的有效性。

雙饋風機；槳距角；調頻

0 引言

根據我國能源部門統計，我國總裝機容量快速增長，已接近1.5億kW。同時，由于一次能源緊缺與環境污染嚴重，國家大力提倡發展新能源發電。近日，國家發改委、海洋局發布了《海洋經濟發展“十三五”規劃》，提倡大力發展海上大容量風電機組，而且大量火力發電機組慢慢退出運行，風電對電網的影響與日俱增。規模龐大的電力系統極易受到擾動與發生故障，引起電網頻率波動。

鑒于上述原因，許多學者做出了大量研究工作。文獻[1]提出通過控制使風機運行在次優功率曲線，實現備用有功完成電網頻率跌落后的調整；文獻[3]提出添加儲能設備實現增發有功，實現頻率調節。上述方案在一定程度上實現了頻率調整的目的，但是在經濟成本和雙饋風機保護方面仍具有局限性。因此本文提出設定槳距角初始值實現備用有功，等效常規發電機組的調頻電廠。

1 槳距角控制策略

風力發電機一般以最大功率追蹤的方式運行，功率Popt為

式中，Kopt為風力機的空氣動力學特性確定的常數；ω為轉子轉速。

有文獻提出使風機放棄最大功率追蹤運行模式，以次優功率追蹤運行模式來實現有功功率備用，次優功率曲線如圖1所示，次優功率曲線與最優功率曲線關系如圖2所示。

然而，此種方法獲得有功功率備用是以風力發電機轉子超速減載來實現有功功率備用，由于轉子轉速上限限值的控制，這種方法只適合于風機額定轉速以下的情況。為使得DFIG系統自身可以有有功功率備用容量，對風力發電機的功率方程進行以下分析。

根據空氣動力學，風力機的輸入功率[2]

風能利用系數[2]

所以，風力機輸出機械功率[2]

式中，ρ為空氣密度；Sw為風力機葉片迎風掃掠面積；ν為進入風力機掃掠面之前的空氣流速（即未擾動風速）；λ為葉尖速比；β為槳距角。

由上述公式可見，風力機輸出功率相關的可改變量是槳距角β。槳距角β與風能利用系數的關系如圖3所示，在葉尖速比為定值時，β越大，風能利用系數越小，因此風機輸出功率越小，風力發電機的槳距角為0°時風力發電機輸出的功率最大，因此，通過設定風機葉片槳距角初始值，降低機組有功出力，使風機留有一定的備用有功容量，當電網頻率發生偏移時起到有功功率補償的作用，進行頻率調節。設定初始值的槳距角頻率控制框圖如圖4所示。

當擾動發生后，電網頻率跌落，圖4所示控制策略開始發生作用，槳距角開始減少，有功增發，如圖6和圖7所示。

3 結束語

通過仿真結果可知，通過設定初始槳距角控制可以實現雙饋風力發電機有功增發，從而幫助電網頻率恢復，起到常規發電機組調頻電廠一次調頻的功能。但是這種調頻是一種有差調頻，如何在整個風電場的角度根據運行特點將風電機組分類建立等值模型，利用能量管理系統實現無差調頻是下一步要研究的重點。

[1]李軍軍，李圣清，匡紅梅.雙饋風電系統參與頻率調節的小擾動穩定性分析[J].電機與控制學報，2012，16(8)：1-10.

[2]賀益康，胡家兵，Lie XU（徐烈）.并網雙饋異步風力發電機運行控制[M].北京：中國電力出版社，2011：29-31.

[3]劉東霖，王倩.雙饋風力發電機組虛擬慣性控制研究[J].電測與儀表，2016，53(14)：46-50.

[4]朱曉榮，趙猛，王毅.雙饋感應風力發電機組復合頻率控制策略研究[J].電力系統保護與控制，2012，40(8)：20-24.