張旭航，趙晶晶，李 敏

(1.國網(wǎng)上海電力公司電力經(jīng)濟技術(shù)研究院，上海 浦東新區(qū) 200120；2.上海電力學院電氣工程學院，上海 楊浦 200090)

DFIG風電機組有功控制對電網(wǎng)頻率的影響

張旭航1，趙晶晶2，李 敏2

(1.國網(wǎng)上海電力公司電力經(jīng)濟技術(shù)研究院，上海 浦東新區(qū) 200120；2.上海電力學院電氣工程學院，上海 楊浦 200090)

基于雙饋風機的風電場大規(guī)模并網(wǎng)會降低電網(wǎng)等效慣量，頻率調(diào)節(jié)能力變差。為使風電機組也能參與電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)，提出在轉(zhuǎn)子側(cè)附加虛擬慣量控制和超速控制的調(diào)頻策略，使風電機組有類似同步發(fā)電機的靜態(tài)調(diào)頻特性。虛擬慣量能夠釋放轉(zhuǎn)子動能，為頻率提供短暫支撐；超速控制留出備用容量，彌補慣量控制引起的頻率二次跌落，并減小穩(wěn)態(tài)誤差。最后，仿真分析了大規(guī)模風電場接入上海電網(wǎng)時風電參與調(diào)頻對上海電網(wǎng)頻率的影響。

雙饋風機；虛擬慣量控制；超速控制；一次調(diào)頻

0 引言

風力發(fā)電作為目前最具有開發(fā)規(guī)模的新能源發(fā)電方式，在電力系統(tǒng)中尤其是風能資源豐富的區(qū)域的滲透率不斷增加。風力發(fā)電規(guī)模的飛速發(fā)展帶來了巨大的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益，但也給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來新的挑戰(zhàn)[1]。大多數(shù)風電場采用雙饋感應(yīng)風電機組(doubly fed induction generator，DFIG)，基于解耦控制的DFIG不會對系統(tǒng)產(chǎn)生有效的頻率響應(yīng)，對系統(tǒng)慣量沒有貢獻，電力系統(tǒng)慣量會隨著風電滲透率的增加而降低。當電網(wǎng)發(fā)生有功功率缺額時，頻率變化，雙饋風機不能對此做出快速的響應(yīng)，風電滲透率越高，頻率偏差越大，嚴重時會使系統(tǒng)頻率越限，大大降低系統(tǒng)穩(wěn)定性。而且DFIG機組一般是在最大功率跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)模式下運行，風機捕獲最大功率，輸出的有功功率是最大值，不能為系統(tǒng)頻率變化提供備用容量，就無法參與系統(tǒng)的一次調(diào)頻[2]。所以風電接入電力系統(tǒng)時，僅常規(guī)發(fā)電機組參與調(diào)頻。

為了提高DFIG機組接入電網(wǎng)的動態(tài)穩(wěn)定性，國內(nèi)外學者對此進行了大量研究，主要通過對風機附加調(diào)頻控制器來實現(xiàn)。為了提高風電并網(wǎng)的慣量，使其能夠和常規(guī)發(fā)電機一樣響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化，文獻[3-8]提出在轉(zhuǎn)子側(cè)附加慣性響應(yīng)，通過釋放風力機組轉(zhuǎn)子存儲的動能進行短時間調(diào)頻，能夠在頻率變化初期快速響應(yīng)頻率變化率。為了使風電機組留有一次備用，文獻[9-10]提出虛擬慣量控制和超速備用相結(jié)合的控制方法，解決了模擬慣量控制方法容易引起的二次頻率跌落問題，減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率偏差。但是，超速控制適合在額定風速以下采用，在風速超過額定值之后，風機不再運行在MPPT模式，不能再通過加速轉(zhuǎn)子獲取備用容量參與調(diào)頻，文獻[11-15]提出在高風速下，在風電機組側(cè)附加槳距角控制，文獻[16]提出在DFIG機組側(cè)附加虛擬慣量和槳距角控制，調(diào)節(jié)槳距角大小留出備用容量，用于微電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)，使得DFIG機組虛擬慣量控制的快速性、暫態(tài)性與槳距角控制及柴油機一次調(diào)頻的延時性、持續(xù)性協(xié)調(diào)控制配合，從而提高微電網(wǎng)的動態(tài)頻率特性。

本文提出在中低風速下，DFIG機組附加虛擬慣量控制和超速控制策略，使DFIG機組與常規(guī)同步發(fā)電機一起參與電網(wǎng)一次調(diào)頻。在頻率下跌時，增加輸入的機械功率參與調(diào)頻，減小頻率穩(wěn)態(tài)誤差，使DFIG機組具有與常規(guī)同步發(fā)電機同樣的功頻靜特性。以未來大規(guī)模風電場接入上海電網(wǎng)規(guī)劃模型為基礎(chǔ)，仿真分析在定風速和變風速這2種風速工況下負荷發(fā)生變化時，風電參與調(diào)頻對上海電網(wǎng)頻率的影響。

1 DFIG有功功率控制

1.1 虛擬慣量控制原理

同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子運動方程為

(1)

式中：H是發(fā)電機組慣性時間常數(shù)；ω為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；PT和PE分別是機械功率和電磁功率。電網(wǎng)發(fā)生擾動，導致系統(tǒng)頻率突變后，發(fā)電機調(diào)速器響應(yīng)速度慢，頻率變化初期，原動機出力沒有增加，轉(zhuǎn)子會減速釋放動能，轉(zhuǎn)化成電磁功率來減緩頻率變化。由于DFIG機組通過變流器并入電網(wǎng)，使得發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)頻率之間不再存在耦合關(guān)系，DFIG機組轉(zhuǎn)子動能被“隱藏”，轉(zhuǎn)速不再主動響應(yīng)頻率變化，即不能在頻率變化時釋放轉(zhuǎn)子動能為系統(tǒng)提供慣性支持。虛擬慣量控制即模擬發(fā)電機組的慣量特性，使轉(zhuǎn)速和頻率相耦合，頻率突變時，將系統(tǒng)頻率變化率作為輸入變量，機組快速釋放轉(zhuǎn)子動能或吸收電網(wǎng)多余功率，增加或減小有功功率參考值來反映阻尼頻率的變化，即

(2)

式中：ΔP1是慣性控制產(chǎn)生的功率；Kin是慣性控制系數(shù)；Δf是系統(tǒng)頻率偏差。DFIG機組運行在MPPT模式時，附加虛擬慣量控制，使有功功率參考值增大，能為系統(tǒng)頻率變化提供暫態(tài)支撐，但缺乏有功備用，轉(zhuǎn)子釋放動能的時間通常很短，所以短時功率支撐過后，容易引發(fā)頻率二次跌落。若使DFIG機組長時間參與一次調(diào)頻，需使機組留出一定的備用容量為系統(tǒng)提供長時間的頻率支撐。

1.2 超速控制原理

超速控制使DFIG調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)速大于MPPT時的最優(yōu)轉(zhuǎn)速，DFIG機組就不再運行在MPPT模式，機組有功出力減少，留出有功備用容量，在頻率跌落時可類似與同步發(fā)電機一次頻率調(diào)節(jié)的功率-頻率下垂曲線參與調(diào)頻。

為了使DFIG機組在頻率變化時有更好的控制效果，當DFIG機組運行在MPPT曲線時，本文將虛擬慣量控制和超速控制相結(jié)合共同參與調(diào)頻，其工作原理如圖1所示。

圖1 虛擬慣量與超速協(xié)調(diào)控制框圖Fig.1 Block diagram of virtual inertia and over-speed coordination control

DFIG按照10%減載水平運行，附加的虛擬慣量和超速控制模擬發(fā)電機組一次調(diào)頻，由頻率變化增發(fā)相應(yīng)的功率為

(3)

式中：Kd是一次調(diào)頻系數(shù)；Δf是系統(tǒng)頻率偏差；fmeas是頻率測量值；fref是頻率參考值。在不同風速下，要使得DFIG機組有最好的調(diào)頻效果，則Kd和Kin的取值需要隨著風機捕獲的功率大小選擇一個較合適的數(shù)值。

圖2 上海市500 kV主網(wǎng)架結(jié)構(gòu)Fig.2 Main grid structure of 500kV in Shanghai

2 仿真分析

2.1 系統(tǒng)模型

基于DIgSILENT/PowerFactory仿真平臺，根據(jù)上海市500 kV主網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，搭建如圖2所示的仿真系統(tǒng)模型。石洞口第二發(fā)電廠、外高橋二期、外高橋三期、漕涇發(fā)電廠總裝機容量分別為1 200 、1 800、2 000、2 000 MW，黃渡站從宜華直流受入功率2 800 MW，練塘站從林楓直流及浙江電網(wǎng)受入功率4 122 MW，遠東站從特高壓復奉直流受入功率6 000 MW，系統(tǒng)總等值負荷為18 377 MW。

在顧路站和楊高站分別接入1個風電場，風電機由單機容量為5 MW的雙饋風機組成，雙饋風機模型由風力機、雙饋發(fā)電機、脈沖寬度調(diào)制 (pulse width modulation，PWM)變流器和變流器控制系統(tǒng)組成。每個風電場各400臺風機，總裝機容量4 000 MW，滲透率為16.7%。

電網(wǎng)發(fā)生負荷擾動時，由常規(guī)發(fā)電機、DFIG機組共同參與電網(wǎng)的一次頻率調(diào)節(jié)。仿真結(jié)果使用標幺值，DFIG機組的功率基準值為各風電場總裝機容量，轉(zhuǎn)速基準值為額定轉(zhuǎn)速，發(fā)電廠有功出力基準值為發(fā)電機組總裝機容量。由于本文中2個風電場的風電機組數(shù)量和裝機容量均相同，故仿真結(jié)果均附上風電場的參數(shù)變化。

2.2 定風速下負荷變化的仿真分析

在10 m/s的定風速下，當t=30 s時，系統(tǒng)中負荷增加500 MW，對比分析DFIG機組附加虛擬慣量控制和超速控制、附加虛擬慣量控制、無控制這3種情況對系統(tǒng)頻率特性的影響。系統(tǒng)頻率以及風電有功出力的變化等如圖3所示。

圖3 負荷增加500 MW的控制效果Fig.3 Control performance with load increasing 500MW

由圖3(a)—3(c)可知：DFIG機組無控制時，負荷增加，系統(tǒng)頻率降低，由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)頻率的解耦關(guān)系，機組有功出力對頻率變化沒有響應(yīng)，風電不參與一次調(diào)頻，僅由同步發(fā)電機提供有功支撐，頻率的最低點跌至49.76 Hz，頻率下降速率最快。DFIG機組附加慣性控制環(huán)節(jié)，初始頻率變化瞬間，機組快速響應(yīng)頻率變化率，通過降低轉(zhuǎn)速釋放轉(zhuǎn)子動能，增加了機組有功出力，有功功率參考值增加到0.352 pu，為系統(tǒng)提供有功支撐，相比無控制時，系統(tǒng)頻率變化減緩，頻率偏差減小了10 mHz。但慣量控制持續(xù)時間短，不能有效增加原動機的有功輸出，慣量支撐后，機組恢復轉(zhuǎn)速過程中又重新吸收電磁功率，會導致頻率的二次下跌。

DFIG機組附加虛擬慣量控制和超速控制，頻率偏差和頻率變化率都最小，頻率最低點為49.847 Hz，相比無控制時減少了89 mHz。由于超速控制使轉(zhuǎn)子中存儲了更多的動能，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降低至0.958 pu，且留有有功備用，防止了慣性控制導致頻率的二次下跌，減小了頻率的穩(wěn)態(tài)偏差，相比前2種情況，穩(wěn)態(tài)頻率提高了10 mHz。所以DFIG機組附加慣量控制和超速控制能有效改善系統(tǒng)的頻率波動，并降低頻率的穩(wěn)態(tài)偏差，調(diào)頻效果最好。

由圖3(d)可知：以石洞口第二發(fā)電廠為例，當系統(tǒng)負荷突然增加時，風電機組附加慣性控制和超速控制參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)中常規(guī)同步發(fā)電機組的調(diào)節(jié)壓力得到了一定程度的緩解。

圖4 負荷減少500 MW系統(tǒng)頻率Fig.4 Network frequency with load decreasing 500 MW

圖4為系統(tǒng)中負荷減少500 MW時，系統(tǒng)頻率的變化。圖4可知：風電機組無控制時頻率的最高點為50.175 Hz，頻率變化率最大。風電機組附加慣性控制和超速控制后使轉(zhuǎn)子吸收電網(wǎng)多余功率，轉(zhuǎn)化為動能存儲在轉(zhuǎn)子中，轉(zhuǎn)速升高，風電場有功出力減小，系統(tǒng)頻率最高點升至50.099 Hz，頻率偏差相比無控制時減少了76 mHz。由此說明，虛擬慣量控制和超速控制對負荷減少同樣效果明顯。

2.3 變風速下負荷變化的仿真分析

風電場的風速隨時變化，為了驗證虛擬慣量和超速控制相結(jié)合的控制策略在變風速風況下同樣起作用，在DIgSILENT中設(shè)置1組變風速，如圖5所示。仿真事件為系統(tǒng)在50 s時負荷增加800 MW，臨時負荷占總負荷比例4.35%。

圖5 實時風速Fig.5 Time-varying wind speed

根據(jù)不同的風速，設(shè)置合適的虛擬慣量系數(shù)和一次調(diào)頻系數(shù)，如圖6所示。

圖6 變風速下控制參數(shù)的選取Fig.6 Selection of control parameters under time-varying wind speed

對比風電機組附加虛擬慣量控制和超速控制、無控制兩種情況下系統(tǒng)的頻率變化，DFIG的有功出力、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、石洞口第二發(fā)電廠有功出力如圖7所示。

圖7 實時風速下變系數(shù)控制效果Fig.7 Control performance with using variable coefficient under time-varying wind speed

由圖7可見，風電機組在無控制情況下，機組捕獲最大功率，一直維持最優(yōu)葉尖速比，DFIG機組有功出力和轉(zhuǎn)速均隨著風速的變化而相應(yīng)變化。50 s時大功率臨時負荷投入后，DFIG機組不參與一次調(diào)頻，降低系統(tǒng)等效慣量，由圖7(a)可看出頻率跌落至49.78 Hz，之后頻率波動幅度一直較大。

附加虛擬慣量和超速控制時，在變系數(shù)的調(diào)節(jié)策略下，DFIG機組能夠根據(jù)風速選擇合適的控制系數(shù)，從而抑制了由風速變化引起的頻率波動。DFIG機組超速運行，轉(zhuǎn)子存儲更多的動能，負荷增加，DFIG機組能夠快速響應(yīng)頻率變化率，增加功率參考值，釋放轉(zhuǎn)子動能，并根據(jù)頻率偏移量增發(fā)備用功率，提高微電網(wǎng)的動態(tài)頻率特性?？梢钥闯?，附加綜合控制后頻率的最低點由49.78 Hz提升至49.871 Hz，此時頻率偏移在0.2 Hz范圍內(nèi)。由圖7(b)、7(d)看出，在風速變化的過程中，附加綜合控制后風電機組和常規(guī)發(fā)電機組的有功出力變得平滑，波動幅度變小，降低了風速波動性對電網(wǎng)造成的沖擊。

3 結(jié)論

風電機組可以通過在轉(zhuǎn)子側(cè)附加虛擬慣量控制以模擬常規(guī)機組的慣量特性，在頻率跌落時快速釋放轉(zhuǎn)子動能，對頻率提供短暫支撐，但風電機組虛擬慣量控制無法持續(xù)參與調(diào)頻。本文提出虛擬慣量和超速控制策略，通過提高風機轉(zhuǎn)速，使風電機組降低風功率捕獲效率，運行在次優(yōu)功率跟蹤曲線，留有10%有功備用，參與系統(tǒng)一次調(diào)頻。通過仿真上海電網(wǎng)接入大規(guī)模風電后發(fā)生擾動后的頻率變化，結(jié)果表明所提控制策略對減小系統(tǒng)頻率波動和穩(wěn)態(tài)偏差起到顯著作用。

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InfluenceofDFIGActivePowerControlonPowerGridFrequency

ZHANG Xuhang1, ZHAO Jingjing2, LI Min2

(1. Electric Power Economic Research Institute, State Grid SMEPC, Pudong New Area, Shanghai 200120, China; 2. College of Electrical Engineering, Shanghai University of Electric Power,Yangpu District, Shanghai 200090, China)

Large-scale grid-connected wind farms based on doubly fed induction generators (DFIGs) would reduce system equivalent inertia, and the ability of primary frequency control would deteriorate. In order to make the wind turbine can participate in the frequency adjustment of power grid, this paper proposes the frequency control strategy that adds the virtual inertia control and over-speed control on the rotor side, so that DFIGs have similar static frequency regulation performance of the synchronous generator. The virtual inertia control can release the kinetic energy of the rotor and provide short-term support for the frequency; the over-speed control can gain reserve capacity, compensate the secondary drop in the frequency caused by the inertia control, and reduce the steady-state error. Finally, this paper simulates and analyzes the influence of wind power participating in the frequency adjustment on the Shanghai power grid frequency during the large-scale wind farm access to the Shanghai power grid.

doubly fed induction generator; virtual inertia control; over-speed control; primary frequency control

國家自然科學基金項目(51207087)

Project supported by National Natural Science Foundation of China(51207087)

TK 01

A

2096-2185(2017)06-0015-06

10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2017.06.003

張旭航

張旭航(1962—)，男，碩士生導師，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)分析和仿真計算；

趙晶晶(1980—)，女，博士，副教授，研究方向為配電網(wǎng)無功優(yōu)化、風電并網(wǎng)電壓穩(wěn)定與控制、微電網(wǎng)優(yōu)化與控制；

李 敏(1992—)，女，碩士，通訊作者，研究方向為新能源發(fā)電技術(shù)，風機、儲能調(diào)頻控制，微電網(wǎng)控制，574347305@qq.com。

2017-09-27

(編輯 蔣毅恒)