參與快速頻率響應的風力發電輸出功率決策指標研究

摘 要：風力發電（Wind Power Generation，WPG）已經是電力系統中一個重要的電源，WPG是否參與快速頻率響應（Fast Frequency Response，FFR）對于保持頻率的穩定具有重要作用。然而，在FFR期間，WPG的輸出功率不是一個固定的數值，會隨頻率發生變化，因此準確確定WPG的功率響應對于實現頻率調節目標至關重要。鑒于此，提出了一組指標來確定參與FFR期間WPG的輸出功率?；谒岢龅臎Q策指標和系統頻率響應模型，可以確定達到指標要求的輸出功率曲線能滿足將頻率抬升至指標的頻率響應之上的目標。最后，通過實例對比驗證了所提輸出功率決策指標的有效性。

關鍵詞：決策指標；快速頻率響應；頻率穩定性；風力發電

中圖分類號：TM74" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）02-0001-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.02.001

0" " 引言

風力發電（Wind Power Generation，WPG）在電力系統中的滲透率逐漸提高，已經成為電網中非常重要的電源。由于電力電子變換器的存在，風力發電機組轉子轉速與頻率解耦，不能對頻率變化做出響應。因此，當大規模WPG并網時，整個系統的頻率調節能力將明顯減弱，可能會威脅到頻率的穩定性。許多國家已經制定了關于WPG如何提供頻率支持的電網規范。有的電網規范僅規定WPG參與一次調頻（Primary Frequency Regulation，PFR）[1]，而另一些規范對WPG的快速頻率響應（Fast Frequency Response，FFR）能力也提出了要求[2-4]。

風電機組（Wind Turbine Generator，WTG）需要額外的控制策略來響應頻率變化。在控制策略中，虛擬慣性控制和下垂控制通過釋放轉子動能來增加風電機組的輸出功率，而超速控制和變槳控制是為WTG保留部分備用功率的減載控制策略。在一些研究中，為提高WTG的頻率支撐效果，將兩種或兩種以上的控制策略聯合使用。如果風電機組不使用減載控制策略或一些儲能設備，當頻率下降時，風電機組將無法提供持續的功率支撐。然而，減載控制會影響WTG的經濟效益。如果僅使用虛擬慣性控制或下垂控制，則WTG只能參與FFR。此外，由于參與FFR，風電機組的轉子速度將偏離最大功率跟蹤點，導致速度恢復過程中的功率損失。該功率損失是WTG參與FFR的成本。當電力系統突然出現大的功率缺額時，頻率會迅速下降。當前電力系統中可用的頻率支持手段包括直流輸電線路的功率調制、抽水蓄能的切斷泵、可中斷負載的精準切除、風電機組的FFR等。除參與FFR的WPG外，其他方式提供的支持功率都是固定值，而如何確定參與FFR的WPG的功率支撐大小尚未得到仔細研究。

本文首先分析了參與FFR的風電機組響應的形態特征，然后根據風電場的形態特征，提出了風電場輸出功率的決策指標。在這組決策指標中有四個具體的指標，包括功率變化的最大值、功率變化達到最大值的時間、功率變化歸零的時間和功率變化的最小值。根據功率變化的最大值、功率變化達到最大值的時間和功率變化歸零的時間等指標，構造了一個三角形，表示風電場輸出功率的需求。只要風電場的功率變化能夠覆蓋該三角形，就可以達到頻率最低點的調節目標。只要風電機組轉子速度恢復階段風電場輸出功率的變化高于功率變化的允許最小值，風電機組速度恢復對頻率恢復的負面影響就可以限制在要求范圍內。最后，通過實例驗證了所提出的輸出功率決策指標的有效性。

1nbsp; " WTG的調頻控制策略

1.1" " 虛擬慣性控制和下垂控制

考慮到風電機組運行的經濟性，只考慮了虛擬慣性控制和下垂控制的聯合控制策略。圖1顯示了常用的聯合控制策略的結構。

該控制策略通過頻率偏差Δf和頻率變化率dΔf/dt釋放轉子動能來實現風電機組的FFR。對應于該控制策略的方程式為：

ΔP=-Kdf-KpfΔf" " " " " " " " " （1）

1.2" " 風電機組響應的形態特征

使用聯合控制策略，可以通過改變參數Kdf和Kpf來獲得風電機組的不同響應曲線，如圖2所示。

圖2顯示，在任何參數組合的情況下，風電機組的輸出功率均顯示出沖高回落的總體形態特征。然而，在不同的參數值下，輸出功率的具體形狀是不同的。

1）df/dt僅在頻率下降前期較大，Δf在頻率最低點達到最大值，說明下垂控制比虛慣性控制作用時間更長。因此，當Kdf較小、Kpf較大時，輸出功率變化ΔP較大，功率支撐持續時間較長。

2）當Kpf小而Kdf大時，頻率變化率df/dt起主導作用，因此，當頻率下降開始時，ΔP將迅速達到最大值。這有助于緩解頻率的下降速度，但功率支持的持續時間明顯較短。

2" " 風電場輸出功率決策指標

2.1" " 決策指標介紹

根據風電機組在FFR期間輸出功率變化的形態特征，本文提出了四個功率變化指標，如表1所示，以確定風電場參與FFR時需要提供的輸出功率。四個指標所包含的圖形如圖3所示。

在圖3中，點（0，0）、（TM，ΔPMAX）、（TZ，0）形成的三角形表示在FFR控制下，通過釋放風電機組的轉子動能，風電場的輸出功率增加。當電力系統瞬間出現巨大的功率缺額時，頻率會迅速下降。風電場有必要快速產生一些額外的功率，以減少系統的功率缺額。因此，TM越小，ΔPMAX越大，就越有利于抑制頻率的快速下降；TZ越大，風電場提供功率支撐的時間就越長，這有助于減少頻率的下降。此外，由點（TM，ΔPMAX）和（TZ，0）形成的直線表示輸出功率的下降速率。TZ越大，輸出功率的下降速率越小，對頻率恢復越有利。如果風電場的輸出功率在達到ΔPMAX后下降得太快，這種輸出功率的下降可能會導致頻率的第二次跌落。在轉子動能釋放后，風電機組將進入速度恢復階段，在該階段，風電場的輸出功率低于相同風速下的穩態功率。如果風電場的輸出功率下降過多，將加劇頻率的第二次下降。因此，指標ΔPMIN用于限制輸出功率的最低值。

圖3所示的曲線是根據頻率最低點的目標值和頻率第二次跌落程度的極限確定的。如果風電機組的輸出功率可以高于圖3所示的曲線，則頻率最低點可以高于目標值，并且頻率第二次跌落的程度可以控制在限值以內。

除了本文提出的指標外，現階段已經提出的指標還有風電場功率最大值階躍指標和風電場功率平均值階躍指標。風電場功率最大值階躍指標指導風電場參與調頻的方式是要求風電場提供的有功支撐的最大值要大于等于該指標的數值，風電場功率平均值階躍指標指導風電場參與調頻的方式是要求風電場提供的有功支撐的平均值大于等于該指標的數值。

2.2" " 風電場響應的快速決策模型及指標輸入模型

為了提高評估和決策的速度，筆者采用了先前研究[5]中提出的快速仿真模型，如圖4所示。該模型由電力系統的GSFR模型和構成風電場的風電機組的簡化模型組成。由于風電機組的簡化模型僅包括風力渦輪機模型、單質量軸模型、發電機的轉子運動方程以及與FFR相關的控制器，因此計算速度可以提高1 000倍以上[5]。

為快速獲得指標對應的頻率響應，使用了如圖5所示的基于通用系統頻率響應（General System Frequency Response，GSFR）模型的快速仿真模型。GSFR可用來模擬功率缺額條件下整個電力系統的頻率變化，根據實際功率缺額和頻率響應來確定GSFR的參數[6]。由于GSFR的階數不高，因此計算速度遠高于全電力系統仿真的計算速度。圖5中的ΔPd（t）為由電力系統故障引起的功率缺額；指標測試模塊生成功率變化曲線ΔP（t），如圖3所示；ΔPa（t）為減去WTG的支撐功率后的系統功率缺額；Δf（t）為頻率變化。

3" " 決策指標有效性驗證

圖6顯示了用于本案例研究的改進的IEEE 3機9節點仿真系統。發電機G1和G2分別為水力發電機和火力發電機。發電機G3是一個單機等效模型，代表了一個擁有48臺基于雙饋異步風力發電機（Doubly Fed Induction Generator，DFIG）的1.5 MW風力發電機組的風電場。輸入風速為9 m/s，原始虛擬慣性系數Kdf為10，原始跌落系數Kpf為50[7]。該系統中使用的擾動是母線5上負載功率突然增加15 MW。這種功率缺額大約是整個系統的0.051 3 p.u.。在沒有WPG參與FFR的情況下，頻率下降的最低點達到49.73 Hz。

首先得到風電場參與調頻時的有功響應曲線和系統的頻率響應曲線；再根據風電場有功響應曲線得出四個指標的數值；將得到的圖形化指標、風電場功率最大值階躍指標、風電場功率平均值階躍指標分別代入GSFR模型，得到風電場有功響應曲線與各指標對比如圖7所示。系統的頻率曲線與各指標經過GSFR得到的頻率響應曲線對比如圖8所示，各個指標和風電場詳細模型的功率量對比如圖9所示。

指標的作用是為決策目標提供最低限制，即要想達到目標頻率要求，必須高于指標數據。因此，從圖7可以看出，本文提出的決策指標在風電場功率響應之下，即被風電場響應功率完全覆蓋；兩種階躍指標在風電場功率響應之上或沒有被覆蓋住。從圖形化角度來看，本文提出的指標可以為風電場輸出功率提供決策指導。

從頻率角度來看，如圖8所示，風電場的頻率響應曲線要高于本文提出指標的頻率響應曲線，結合圖7可知，只要功率曲線高于指標，頻率就能被抬升到指標要求以上；而功率最大值和平均值階躍指標的頻率響應曲線都要高于風電場的頻率曲線，即按照階躍指標來決策時，指標可以達到目標頻率要求，但風電場達不到要求。因此，采用這兩種指標不能夠為風電場參與調頻提供精準決策。

從能量角度來看，如圖9所示，功率最大值階躍和功率平均值階躍所需要的增發功率都比圖4所示詳細模型中風電場提供的增發功率要高，而本文提出的指標需要的增發功率要少于風電場提供的增發功率；本文提出的指標限制了損失功率的數值，而階躍指標在損失功率上沒有做出指導。因此，從能量角度上也可以表明，本文提出的指標可以清晰地指導風電場參與調頻的精準決策。

以上結果表明，只要風電場的輸出功率能夠高于四個指標組包圍的圖形，就可以確保頻率調節目標的實現。

本文僅研究了所提出的輸出功率決策指標的有效性，后續將進一步研究調整FFR控制參數以使風電場達到功率輸出目標以及風力發電機的最佳組合方案，以實現功率輸出目標。

4" " 結束語

風力發電已經是電力系統中的一個重要電源。風電場參與FFR對保持頻率穩定性具有重要意義。準確確定參與FFR的風電場的功率響應對于實現頻率調節目標至關重要。因此，本文提出了一組輸出功率決策指標。只要風電場輸出功率的變化能夠覆蓋代表輸出功率變化需求的三角形，就可以滿足頻率最低點的調節目標。只要風電機組轉子速度恢復階段風電場輸出功率的變化高于允許的變化率和允許的最小值，風電機組轉速恢復對頻率恢復的負面影響也可以限制在要求范圍內?；谒岢龅妮敵龉β蕸Q策指標和GSFR模型，可以快速確定輸出功率決策指標的頻率響應結果，獲得的輸出功率指標可以為調整風力發電機組的控制參數或確定應參與風電場FFR的風力發電機組提供依據。最后，通過實例驗證了所提出的輸出功率決策指標的有效性。

[參考文獻]

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[7] 趙晶晶，呂雪，符楊，等.基于可變系數的雙饋風機虛擬慣量與超速控制協調的風光柴微電網頻率調節技術[J].電工技術學報，2015，30（5）：59-68.

收稿日期：2024-03-11

作者簡介：常靖浩（1998—），男，山東威海人，工程師，研究方向：發電廠電氣設計。