全風況下雙饋風機參與調頻的協調控制策略研究

胡松

摘要：風力發電技術成熟，成本相對較低，在調整能源結構、節約資源、保護生態環境等方面發揮著重要作用，逐漸成為最具發展前景的新能源發電技術。隨著溫室效應的加劇和全球能源互聯網概念的提出，中國風電產業正在恢復并保持快速增長，風電裝機容量逐年增加。特別是在北京及北方地區大規模霧霾之后，控制空氣污染成為風電發展的又一驅動因素。然而，受自然條件的限制，風電大規模并網勢必會對電壓穩定、頻率穩定和電能質量產生影響，尤其是對系統頻率穩定。

關鍵詞：雙饋風機：超速控制;協調策略;

雙饋風機的轉子轉速與系統頻率相互解耦，風電大規模并網將導致系統調頻能力下降，調頻成本增加。為了結合附加慣性控制、超速控制和槳距角控制三種調頻措施的優點，使雙饋風機在全風況條件下具備一次調頻能力，提出在最大功率追蹤區采用附加慣性與超速控制相結合，而在恒轉速和恒功率區則采用附加慣性與槳距角控制的協調控制策略。

一、概述

頻率穩定是電力系統安全運行的重要標志，它反映了電力系統中有功功率供需平衡的基本狀態。針對雙饋風機（DFIG）的運行特點，國內外學者針對風電參與調頻的可行性進行了大量研究。在一些風電發展較快的國家，如英國、西班牙等，已經出臺了風電參與調頻的導則。在電網實際運行中，風電機組已能及時響應系統頻率變化，維持頻率穩定。目前DFIG機組參與一次調頻的控制策略主要有附加慣性控制、轉子超速控制和槳距角控制三種。針對DFIG機組取代常規電源而減小系統慣量，率先提出了一種利用轉子動能模擬同步機組慣性響應的附加控制方法。隨著研究的深入該方法得到不斷改進。

二、雙饋風機協調控制策略

DFIG機組的運行范圍可分為最大功率追蹤區、恒轉速區和恒功率區。風機在最大功率追蹤區最大限度地利用風能，根據風速控制轉子轉速使其按最大功率曲線運行，當風速增大轉速達到限定值時，進入恒轉速區，功率繼續增加，當風速繼續增加使功率達到額定值時，風機進入恒功率區，為保持功率恒定，需增加槳距角。為實現全風況下風機參與一次調頻，控制策略是：在最大功率追蹤區采用附加慣性與超速協調，而在恒轉速區或恒功率區采用慣性與槳距角相協調的控制策略。附加慣性與槳距角協調控制。DFIG機組超速控制在轉速達到限定值時便失去作用。此時只能通過槳距控制法調節風機出力以達到參與系統調頻的目的。大型風機體型巨大，頻繁調節槳距角會對其運行壽命產生一定影響。一年中風機在恒轉速或者恒功率區的運行工況只占全年運行時間的10%左右。但液壓變槳機構主要由液壓泵、液壓缸、曲柄連桿機構等組成，變槳動作不能瞬間完成，具有一定的時滯性，這就導致采用槳距角控制的一次調頻措施有一定的延遲。隨著技術的不斷改進，液壓變槳機構的延時已不超過1s，且在最大載荷狀態下，最小變槳速度達到5o每秒。為了減緩中高風速下系統故障后的頻率突變率，利用風機附加慣性環節模擬的虛擬慣量，快速響應頻率變化，再結合槳距角控制技術調節機組出力以減小頻率偏差。為保證控制策略的有效性，簡化槳距角調頻控制方案，設計了如圖1所示的控制方案。

圖1槳距角控制結構圖

在傳統槳距角控制結構基礎上添加槳距補償環節和頻率響應環節實現減載調頻功能：槳距補償環節根據當前風速下功率參考值Pref確定機組減載運行的槳距值βoff;頻率響應環節是頻率與槳距角的近似表達式，根據βoff確定風機槳距角與頻率的函數關系，使槳距角能響應頻率變化，輸出槳距角修正量Δβ，調節風機槳距值。目前國內外風機參與調頻一般設置減載10%左右且以風機輸出功率0.75p.u.點作為最大功率追蹤區和恒轉速區的分界點，根據式（11）槳距角提升4°就能滿足應用要求。另外，風機進入恒轉速區后輸出功率仍低于額定值，且不同風速條件下風機參與調頻的能力不同。為防止槳距角跳變，其補償環節方程如式下所示：

設定雙饋風機輸出功率為1p.u.時補償角為4°。此后，隨著功率的下降，補償角減少，直至功率降至0.75p.u.，補償角為0°，即在恒轉速區槳距角控制調頻方法退出運行。頻率響應模塊在βoff基礎上建立槳距角修正值與系統頻率的線性關系，如下式所示。

式中，K是頻率響應系數，當頻率低于49.2 Hz時，DFIG機組最大限度地輸出功率，而βoff≤4，因此K設置為5。電網頻率的安全范圍是50±0.2 Hz，所以死區環節方程為;

當系統頻率穩定時，槳距角修正量為βoff，機組恢復減載運行。當系統頻率低于安全范圍時，通過頻率響應環節能夠降低風機槳距角，增加機組出力，參與系統的一次調頻。綜上所述，槳距角控制優缺點，方案分別適用于DFIG機組的不同運行區域，實現了全風況條件下風機參與一次調頻的目標。

結語：

總之，在無附加控制情況下，系統發生故障后雙饋風機不能響應頻率變化，不能提供有效的頻率支撐作用。加入附加慣性環節后，利用轉子的慣量能有效模擬出類似于常規同步機組的慣性減緩系統頻率變化，但穩定后不能使風機產生額外出力，在最大功率追蹤區，風機采用慣性與超速相協調的控制方式，結合了慣性和超速減載的優點，能有效抑制頻率波動幅值，提供備用容量參與長期調頻，減小穩態偏差。在超速控制失效的恒轉速區或恒功率區，采用提出的槳距角控制改進方案，通過調節槳距角減載運行，雙饋風機在該風況下也能較好地參與一次調頻。

參考文獻

[1]田忠良，等.基于調頻層面的風電棄風分析.2019.

[2]李明.全風況下雙饋風機參與調頻的協調控制策略探討.2020.

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