基于電網調頻的風力發電有功功率控制策略研究

張愛琴

（國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106）

0 引 言

風能作為一種清潔型能源，能夠有效替代原有的化石型能源[1]。在我國，風力發電已經發展成為與火力發電同等重要的電能來源。隨著風力發電規模的逐步擴大，風力發電機組對電力系統的穩定運行產生了一定程度的影響，主要體現在電力系統的調功方面[2]。通過常規的火力發電機組進行調功已經無法滿足電力系統的實際需求，為保證電力系統的安全、可靠以及穩定運行，必須限制風力發電系統的發電功率[3,4]。實際上，風力發電系統與電力系統的配合運行可以歸結為功率問題，因此研究風力發電系統的功率調節對安全可靠利用風能的意義重大。

1 風力發電有功功率控制模型

1.1 風電機組模型

風機是實現將風能轉換為機械能的機械裝置，是風電機組的重要組成部分。依據空氣動力學原理，可以將風機所轉換得到的機械功率描述為：

風電機組的電氣部分包括發電機和變流器兩部分，其基本原理是通過矢量控制算法獨立控制有功功率和無功功率。可以將電氣部分簡化描述為：

式中，Pe為變流器輸出的電磁功率；τe為電機的時間參數；Pe*為變流器的給定電磁功率。

風電機組的控制模型如圖1所示，變槳系統依據功率偏差信號調節功率，電氣系統依據功率參考信號調節功率。

1.2 風電機組運行原理

基于風能的特點，風電機組的功率控制與火電機組的控制存在巨大差異，風電機組需要依據實時的風力狀況調整相匹配的控制策略，以滿足相應的功率控制要求。風力發電機組包含有3大工作狀態，分別是啟動狀態、最大風能跟蹤狀態以及功率恒定狀態[6]。啟動狀態中，風速的變化區間為(0,vin)，風機自由轉動，不進行功率控制；最大風能跟蹤狀態中，風速的變化區間為(vin,vn)，采用有效的最大風能跟蹤控制策略，保證可有效利用風能；功率恒定狀態中，風速的變化區間為(vn,vout)，通過相應的控制策略保證風電機組輸出功率恒定。風電機組的運行功率曲線如圖2所示。

圖1 風電機組控制模型

圖2 風電機組功率曲線

1.3 有功功率控制模型

風電場控制架構主要包含了風能管理層、風電場控制層以及風電機組控制層。風能管理層負責依據電力系統的功率和頻率需求實現能量調度；風電場控制層主要負責數據采集并根據運算將功率分配指令下發到風電機組；風電機組控制層根據功率給定指令以及頻率控制指令調節有功功率[7]。

風電機組的輸出功率可以表示為：

式中，Pe,i為風電機組的實際輸出功率；為風電機組的理論輸出功率；為風電機組的給定輸出功率。

2 風電機組限負荷控制策略

電力系統為了保持自身運行的穩定性，必須要控制風電機組的負荷，通過調節風電機組的功率來實現限負荷的要求，減載的功率可作為備用[8]。

2.1 限負荷減載控制原理

如果單個風力發電機組要實現d%的減載，那么減載功率的給定值可以描述為：

式中，Pdeload為減載時的功率給定值；Popt為最大風能跟蹤時的功率給定值。

當風速和空氣密度維持恒定時，可以得到：

由式（6）可知，只要控制風能捕獲參數就能實現減載。即通過改變控制風機的轉速或者變槳距角來改變風能捕獲參數即可實現減載控制。風機減載控制原理如圖3所示。

圖3 風機負荷減載控制原理

由圖3可知，加速和減速都能夠實現減載，但是加速能夠將多余的動能存儲在轉子上備用，因此普遍采用加速減載控制策略。但是，加速減載不適用于風速較高的狀態。調整變槳距角盡管能夠適應不同風速的運行狀態，但是需要頻繁調節，加大了風機的機械損耗。

2.2 限負荷減載控制策略

本文根據風速狀態提出超速減載與變槳距角減載協調控制的減載策略，保證所預留的功率既能夠實現限負荷控制又能夠為風電系統提供調頻備用。基于風電場風速的隨機性和不確定性，風電場中的多個風機會運行在不同的風速下。為了充分利用加速減載控制方式和變槳距角減載控制方式的優點，在不同的風速區間采用不同的減載控制策略。具體的減載曲線如圖4所示。

圖4 風機功率減載曲線

如圖4所示，AB區間采用加速減載控制策略，BC區間采用加速減載和變槳距角減載相結合的協調控制策略，CD區間采用變槳距角減載的控制策略。

3 仿真研究及分析

仿真風電場負荷指令發生變化時的工況，在仿真環境下設置初始0 s時刻開始，負荷給定指令穩定在2.7 MW；20～60 s，負荷給定指令突然增加0.5 MW；60 s時刻，負荷給定指令恢復到2.7 MW。在負荷給定指令發生變化時，功率響應曲線如圖5所示。

圖5 負荷給定指令變化時功率響應曲線

當負荷給定指令增加時，如果最大發電功率的外包絡線大于負荷給定指令，則風電機組實際輸出功率基本上能夠有效跟隨負荷給定指令。但由于風速是動態的，輸出功率也在進行動態調節，因此無法完全跟隨負荷給定指令。

低速風機的負荷響應曲線如圖6所示。當負荷給定指令在20～60 s變化時，風機會減速釋放能量，保證風機輸出功率增加對負荷給定指令進行響應。

中速風機的負荷響應曲線如圖7所示。當負荷給定指令在20～60 s變化時，風機會通過減速加載和減小槳距角保證風機輸出功率增加對負荷給定指令進行響應。

圖6 低速風機負荷響應曲線

圖7 中速風機負荷響應曲線

4 結 論

本文從風電場有功功率控制系統出發，研究了風電機組有功功率控制問題，提出了加速減載和變槳距角減載相結合的方式控制有功功率。對風電場進行負荷限制，保證風電場具備一定的備用功率，可以用作滿足電力系統的調度需求。經過仿真驗證，本文所提出的限負荷減載控制策略完全能夠有效控制風電機組的有功功率，具備大規模推廣應用的價值，有助于保證電力系統的穩定運行。