計及棄風能量的風電場調(diào)頻功率分配策略

陳長青，李欣然，陽同光，黃際元

（1.湖南城市學院智慧城市能源感知與邊緣計算省重點實驗室，湖南 益陽 413000；2.湖南大學電氣工程學院，湖南 長沙 410082；3.國網(wǎng)湖南省電力有限公司長沙供電分公司，湖南 長沙 410015）

由于風電機組（wind turbines，WTs）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)頻率無耦合關系，無法直接提供慣性支撐，當大規(guī)模風電并網(wǎng)取代傳統(tǒng)機組后，其出力的不確定性和預測不精準性必將弱化系統(tǒng)慣性控制能力[1-2]。基于此，部分學者建議采用儲能系統(tǒng)輔助WTs參與調(diào)頻[3-4]，但目前儲能成本較高，大容量配置并不經(jīng)濟[5]。因此，如何提升風電場自身調(diào)頻能力成為當前研究熱點之一[6]。

目前，關于WTs參與電網(wǎng)調(diào)頻控制的研究成果頗多，常用控制方法主要包括：虛擬慣量控制[7]、下垂（固定系數(shù)和變系數(shù)）控制[8]、減載（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和槳距角）控制[9]、組合（多種控制方法協(xié)調(diào)）控制[10]等。而對調(diào)頻功率分配的研究主要基于WTs容量大小采取按比例分配[11-12]或平均分配[13]。然而，風電場內(nèi)WTs所處風速不同，運行狀態(tài)不同，其調(diào)頻能力不同，平均分配和比例分配法存在一定不足[14]。為此，文獻[15]提出一種調(diào)頻功率分配系數(shù)與WTs運行風速呈正比，可實現(xiàn)高風速下WTs分配較多調(diào)頻功率，低風速WTs分配較少調(diào)頻功率。文獻[16]提出一種基于變下垂系數(shù)的調(diào)頻功率自適應分配，有效提高了功率分配合理性。

目前，WTs參與調(diào)頻方面的研究已取得豐碩成果，但依然存在部分問題：1）對WTs自身物理約束和調(diào)頻差異性的研究報道較少；2）對利用棄風能量參與調(diào)頻，來提高風電場棄風能量利用率的研究較少。但目前因WTs受電源與負荷分布、電力輸送通道等因素影響，往往處于棄風運行狀態(tài)。2016—2018年，全年棄風電量分別為497億、345億、277億kW·h[17]，如能有效利用可大幅提升系統(tǒng)經(jīng)濟性。

基于此，本文提出一種以最大利用棄風容量為目標，以WTs額定轉(zhuǎn)速為約束的調(diào)頻功率分配方法。該方法在風電場層面，根據(jù)風電場運行狀態(tài)，將WTs分成不可調(diào)頻、降功率調(diào)頻和升功率調(diào)頻3類；在機組層面，根據(jù)WTs所處運行工況以及物理約束，以額定轉(zhuǎn)速為判別依據(jù)，構(gòu)建不同運行狀態(tài)下WTs減載約束模型，來判斷WTs調(diào)頻能力，進而利用調(diào)頻能力來優(yōu)化分配調(diào)頻功率，可避免平均分配引起所有WTs轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速頻繁啟動問題，同時，利用棄風能量參與調(diào)頻，能有效提高棄風能量利用率；最后，通過定義WTs調(diào)頻退出風險指標，可實現(xiàn)WTs有序退出，避免頻率二次波動。

1 風電場調(diào)頻控制思路

1.1 調(diào)頻控制結(jié)構(gòu)

圖1為風電場調(diào)頻控制結(jié)構(gòu)，主要由系統(tǒng)調(diào)度層、風電場控制層和WTs控制層構(gòu)成。系統(tǒng)調(diào)度層根據(jù)來自調(diào)度中心所需調(diào)頻功率和火電機組增發(fā)量，確定風電場所需調(diào)頻功率，計算方法見文獻[17]。風電場控制層對不同運行狀態(tài)下的WTs進行分組，并根據(jù)調(diào)頻功率需求選擇調(diào)頻WTs。WTs控制層根據(jù)WTs調(diào)頻能力分配調(diào)頻功率和確定參與/退出調(diào)頻系統(tǒng)順序，進而避免頻率二次波動。

圖1 風電場調(diào)頻控制結(jié)構(gòu)Fig.1 Frequency regulation control structure of wind farm

1.2 調(diào)頻分組方案

根據(jù)WTs運行狀態(tài)，分成不可調(diào)頻、降功率調(diào)頻、升功率調(diào)頻。不可調(diào)頻WTs運行狀態(tài)為停機或故障WTs、標桿WTs及風速低6 m/s的WTs。降功率調(diào)頻為運行在最大功率跟蹤點（maximum power point tracking，MPPT）的WTs，這主要是因為運行在MPPT狀態(tài)，WTs不具備備用有功，無法增發(fā)功率[18]。升功率調(diào)頻為運行狀態(tài)偏移MPPT或棄風運行WTs，因此運行狀態(tài)偏移MPPT具備備用容量，可增發(fā)功率，而棄風運行WTs雖運行在MPPT，但受上網(wǎng)限制，需棄風運行，若利用該部分能量參與頻率上調(diào)，不僅使WTs具有上調(diào)能力，也能提高風電利用率，具有雙向調(diào)頻能力。

同時，該調(diào)頻分組方案只需修改WTs控制程序，不增加硬件成本。采用該方案WTs運行在MPPT狀態(tài)時，不影響WTs發(fā)電量，且在升功率需求下，利用棄風能量參與調(diào)頻，能有效提高風能利用率，改善風電場經(jīng)濟性。因此，該方案具有實際工程價值。

2 風電場調(diào)頻控制原理

2.1 減載控制原理

圖2為WTs功率-轉(zhuǎn)速特性曲線。由圖2可見：為追求風能的最大化利用，點1為WTs運行在MPPT模式下；點2為超速減載點，轉(zhuǎn)速偏離MPPT；點3為變槳減載點，轉(zhuǎn)速與MPPT相等，而槳距角小于點1處，致使輸出功率下降，實現(xiàn)減載。

2.2 調(diào)頻能力約束模型

為實現(xiàn)風電經(jīng)濟最大利益化，WTs一般運行在MPPT，此時，機械功率Pm為[18-19]：

式中：ρ為空氣密度；R為風輪半徑；v為風速；λ為葉尖速比；β為WTs槳距角；CP(λ,β)為風能利用系數(shù)。

式中：ω為轉(zhuǎn)速；n為齒輪箱變比。

由式(1)和(2)可知，WTs輸出機械功率主要由CP和風速決定，而CP為關于ω和β的函數(shù)，輸出功率可表示為關于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的函數(shù)f(ω,β=0)。為避免槳距角頻繁調(diào)節(jié)而增大機械磨損，因此此處主要考慮額定風速以下，超速減載控制方式中轉(zhuǎn)速對調(diào)頻能力約束影響。

2.2.1 下調(diào)頻能力約束

當WTs運行在MPPT時，可下調(diào)增大功率受額定轉(zhuǎn)速ωn約束，即圖2中點4為最大超速點，任意風速v下，WTs向下可調(diào)頻功率ΔPdn(v)受超速減載最大功率ΔPG'(v)約束，約束條件為：

式中：Popt為最優(yōu)功率；Pw,4(v)為超速臨界點輸出功率；CPmax為最大風能利用系數(shù)。

當風速為v時，極限減載系數(shù)計算式為：

棄風運行WTs向下可調(diào)功率為：

式中：Pw(v)為當前風電機組上網(wǎng)功率。

2.2.2 上調(diào)頻能力約束

由于WTs在MPPT時，不具備有功備用，無法增發(fā)功率，因此上調(diào)功率由棄風運行WTs承擔，考慮到WTs運行安全性，MPPT點為升功率臨界點。則上調(diào)頻功率ΔPup(v)可表示為：

3 調(diào)頻功率分配模型

頻率擾動時，風電場內(nèi)WTs調(diào)頻能力具有差異性，需對不同狀態(tài)下WTs合理分配調(diào)頻功率。

3.1 降功率分配

步驟1：若降功率WTs可降功率之和大于或等于所需調(diào)頻功率ΔPwind-dn，此時第i臺WTs下調(diào)功率ΔPi-dn為：

定義第i臺WTs歸一化下調(diào)頻能力Pu,i為：

步驟2：若僅依靠降功率WTs不能滿足調(diào)度要求時，需對棄風WTs進行降功率控制，則分配原則為先將降功率WTs全部降功率極限減載出力后，不足部分由棄風WTs承擔，其值為：

將剩余降功率值分配給棄風WTs，則第j臺棄風WTs下調(diào)功率為：

定義第j臺棄風WTs歸一化下調(diào)頻能力Pu,j：

3.2 升功率分配

本節(jié)將借助機組棄風程度與調(diào)頻功率的關系進行風電場有功優(yōu)化分配，以期在滿足電網(wǎng)調(diào)度要求的基礎上減小機組棄風，實現(xiàn)風電場利益最大化。若升功率指令ΔPwind-up小于或等于棄WTs可升功率之和，說明棄風WTs滿足調(diào)度要求。第i臺機組上調(diào)功率△Pi-up為：

式中：Pi-MPPT為第i臺機組在MPPT運行模式下輸出功率；Pi為第i臺機組實際輸出功率。

定義第i臺棄風WTs歸一化上調(diào)頻能力Pu,i為：

若升功率指令ΔPwind-up大于棄風WTs可升功率之和，則說明僅對棄風WTs進行升功率控制不能滿足調(diào)度要求，需進行切負荷操作。

4 調(diào)頻時序優(yōu)化策略

4.1 調(diào)頻投入策略

調(diào)頻WTs下調(diào)頻能力由式(12)和式(15)計算得到，上調(diào)頻能力由式(17)計算得到。依據(jù)WTs調(diào)頻能力從大到小進行排序，標記為k1，k2，…，kn，并判斷前n臺WTs調(diào)頻能力是否滿足調(diào)頻功率。若不滿足，則n＝n+1，繼續(xù)累加WTs，直到滿足調(diào)頻需求功率；若滿足，則對前n臺WTs下發(fā)調(diào)頻指令，可有效減少參與調(diào)頻WTs數(shù)量。

4.2 調(diào)頻退出策略

圖3為WTs調(diào)頻功率和系統(tǒng)頻率動態(tài)變化過程。系統(tǒng)頻率在t0時發(fā)生擾動，Δt為擾動時間，根據(jù)上節(jié)風電場調(diào)頻投入策略，風電場投入k1，k2，…，kn共n臺WTs參與調(diào)頻，在t＝t0＋Δt時，系統(tǒng)頻率逐漸恢復穩(wěn)定，調(diào)頻結(jié)束，此時WTs退出調(diào)頻系統(tǒng)。若大量WTs同時退出并進入轉(zhuǎn)速恢復狀態(tài)，將易造成功率突變，引發(fā)頻率二次波動。對此，定義退出調(diào)頻風險指標，即WTs退出后系統(tǒng)頻率偏差小于調(diào)頻死區(qū)0.033 Hz即可。

圖3 WTs調(diào)頻動態(tài)過程Fig.3 Dynamic process of WTs frequency regulation

式中：Δft、Δft′分別為WTs退出調(diào)頻前、后系統(tǒng)頻率；Δf′為WTs退出引起的頻率波動；ΔPw為WTs退出功率；σw為WTs調(diào)差系數(shù)，取0.04。

5 仿真分析

利用MATLAB/Simulink軟件建立如圖4所示仿真系統(tǒng)。負荷L1=260 MW，L2=300 MW，負荷低谷期為23:00到次日凌晨06:00，負荷均值期為06:00到18:00，負荷高峰期18:00到23:00。WTs參數(shù)見表1[20]。

圖4 仿真系統(tǒng)模型Fig.4 Simulation system mode

表1 風力發(fā)電機參數(shù)Tab.1 Wind turbine parameters

5.1 減載系數(shù)仿真分析

WTs在MPPT運行方式下，最優(yōu)輸出功率與風速成正比例關系，結(jié)合式(3)和式(6)可得不同風速下，某1.5 MW的WTs調(diào)頻能力與減載系數(shù)關系見表2。

表2 調(diào)頻能力與減載系數(shù)關系Tab.2 Relationship between frequency regulation capability and load reduction coefficient

由式(1)可知，風電輸出功率與風速三次方成正比，即輸出功率隨著風速的增加而增加。這是因為當WTs處于低風速時，調(diào)頻減載轉(zhuǎn)速范圍較大，但輸出功率變化范圍較小，因此其減載調(diào)頻能力有限。然而，當WTs進入恒轉(zhuǎn)速區(qū)域后，WTs的轉(zhuǎn)速雖接近額定轉(zhuǎn)速，但可調(diào)功率范圍較大，因此，減載調(diào)頻能力更強，這與表2仿真結(jié)果相符。

5.2 持續(xù)調(diào)頻仿真分析

假設風電場內(nèi)升降功率運行狀況WTs數(shù)量均衡（見表3），分別對WTs不參與調(diào)頻、減載系數(shù)d=10%參與調(diào)頻和本文所提方法參與調(diào)頻進行對比仿真，仿真等效負荷波動曲線如圖5所示，調(diào)頻性能指標見表4。

表3 不同運行狀態(tài)WTs臺數(shù)Tab.3 Number of WTs under different operating conditions

圖5 等效負荷波動曲線Fig.5 The equivalent load fluctuation curve

表4 調(diào)頻性能指標Tab.4 Frequency regulation performance indexes

由表4可見，WTs能有效提升系統(tǒng)調(diào)頻能力。本文所提方法調(diào)頻效果較d=10%時整體稍差，主要是因為d=10%時，平均預留功率充足，有足夠的調(diào)頻功率。本文方法在負荷低谷和負荷均值階段，調(diào)頻效果與d=10%時相差無幾，這是因為該階段風電機組棄風容量較大，能提供充足的調(diào)頻容量。但是，在負荷高峰階段（19:00—22:00），由于棄風容量減少，致使上調(diào)容量受限，調(diào)頻效果稍差于d=10%減載模式，但整體調(diào)頻效果較好，能輔助系統(tǒng)頻率恢復至死區(qū)內(nèi)。

5.3 調(diào)頻經(jīng)濟性分析

若WTs長期運行在減載狀態(tài)時，將直接影響風電場運行效益。單臺風力發(fā)電機在MPPT運行狀態(tài)、本文運行方式、10%減載運行狀態(tài)和實際運行狀態(tài)下的全天發(fā)電量如圖6所示；參與調(diào)頻的單臺風電機組減載電量如圖7所示。

圖6 各機組單位小時平均功率Fig.6 Average hourly power of each unit in different operating modes

圖7 參與調(diào)頻各風電機組減載情況Fig.7 Load reduction of wind turbine participating in frequency adjustment

結(jié)合圖6、圖7中運行數(shù)據(jù)，以風電場66臺風電機組在MPPT運行狀態(tài)下全天總發(fā)電量（1 596.84 MW·h）為基準，全天實際并網(wǎng)總電量（1 396.62 MW·h）和減載總電量10%（1 437.16 MW·h）分別較本文測得總發(fā)電量（1 511.67 MW·h）多損失7.20%和4.67%。風電相對減載棄電量P=115.05 MW·h，即風電場采用本文所提方法后依舊比實際并網(wǎng)電量多并網(wǎng)115.05 MW·h，完全沒有影響風電場的經(jīng)濟性，相對減載10%多節(jié)約風電74.51 MW·h。這主要是因為機組正常運行在MPTT模式下，只有接收到降功率信號時，才啟動減載模式，大大降低了機組減載運行對風電場效益的影響。而棄風機組處于相對最佳運行狀態(tài)，沒有減載效益，反而在接到升功率指令后，提升了WTs運行效益。相反，減載機組備用容量很大程度處于閑置狀態(tài)，造成風電場發(fā)電量大規(guī)模浪費，降低了風電效益。不同控制策略下風功率利用情況見表5。本文所提策略各WTs全天平均減載系數(shù)如圖8所示。

表5 風功率利用情況比較Tab.5 Comparison of wind power utilization

圖8 機組平均減載系數(shù)Fig.8 Average load reduction coefficient of the unit

由表5可見：d=10%時增加了預留功率，但預留功率利用率較低，僅49.13%；而本文利用棄風機組參與上調(diào)功率，將棄風量參與調(diào)頻利用率達57.46%，且隨升功率事件越多，風能利用率將逐漸增大。這主要是由于風電功率和系統(tǒng)頻率都具有隨機性，固定減載模式下不可避免地發(fā)生預留功率利用較少，甚至為零的情況，均造成棄風現(xiàn)象。由圖8可見，在調(diào)頻過程中，機組減載率均小于8%，甚至50%左右的機組減載在5%以下。因此，采用固定減載系數(shù)，將增大棄風量。而采用本文所提方法，利用棄風運行機組調(diào)節(jié)升功率，MPPT機組調(diào)節(jié)降功率，風電場無需設定有功減載備用容量，進而彌補了機組長期運行于減載造成的經(jīng)濟效益。

基于文獻[21]中采用的工程背景及數(shù)據(jù)，表6對2種調(diào)頻方案的技術(shù)經(jīng)濟性進行了對比。由表6可見：減載備用d=10%方案調(diào)頻性能與火電相當，具備長期調(diào)頻支撐能力，但經(jīng)濟損失巨大，年經(jīng)濟損失約2 000萬元；本文優(yōu)化調(diào)頻控制策略在不影響調(diào)頻能力的前提下，只需修改機組控制軟件不增加一次投資，且相較于減載調(diào)頻，其經(jīng)濟性大大得到改善，年經(jīng)濟損失降低了近5%，這主要是因為部分棄風能量得到利用，間接降低了經(jīng)濟損失。

表6 2種應用模式技術(shù)經(jīng)濟性對比Tab.6 Technical and economic comparison of the two application modes

6 結(jié) 論

WTs參與系統(tǒng)調(diào)頻均能有效提高系統(tǒng)頻率質(zhì)量，根據(jù)WTs不同運行狀態(tài)，優(yōu)化機組分組，結(jié)合調(diào)頻減載系數(shù)約束模型，確定WTs調(diào)頻能力，進而實現(xiàn)調(diào)頻功率的優(yōu)化分配。

1）在風電場層面，根據(jù)WTs運行狀態(tài)，將風電場機組分MPPT運行機組和棄風運行機組，對于降功率指令優(yōu)先調(diào)節(jié)MPPT運行機組，對于升功率指令則優(yōu)先調(diào)節(jié)棄風運行機組，進而實現(xiàn)提高頻率質(zhì)量和減少系統(tǒng)棄風的雙重優(yōu)化目的。

2）為避免系統(tǒng)頻率二次波動，通過減載系數(shù)約束確定各機組調(diào)頻能力，制定投入策略，有效減少WTs參與數(shù)量和調(diào)頻動作次數(shù)，同時通過定義退出風險指標，控制WTs依次退出，可有效避免頻率二次波動。