文章編號：1000-3673（2016）07-2030-08    中圖分類號：TM 732  文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A    學(xué)科代碼：470·40

電網(wǎng)限負(fù)荷條件下風(fēng)電場一次調(diào)頻策略

范冠男，劉吉臻，孟洪民，王凱

（新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學(xué))，北京市 昌平區(qū) 102206）

Primary Frequency Control Strategy for Wind Farms Under

Output-Restricted Condition

FAN Guannan, LIU Jizhen, MENG Hongmin, WANG Kai

(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System With Renewable Energy Source (North China Electric Power University), Changping District, Beijing 102206, China)

ABSTRACT:[1]With continuous increase of wind power capacity integrated to grid, frequency events and peak shaving problems are becoming increasingly prominent. It is very important for wind farms to possess comprehensive ability of active power and frequency controls. Aiming at this issue, a de-loading control scheme coordinating over-speed and pitch angel controls of wind turbines based on wind speed conditions is proposed. Therefore, the de-loaded power can not only satisfy limited load demand from power grid, but can also be reserved for primary frequency control (PFC). A method is put forward to calculate droop value of wind turbines, a critical parameter of frequency regulation, according to wind farms’ operating conditions. Combined with active power dispatch strategy of wind farms and droop value calculation method, wind turbines under different wind speeds can support frequency regulation as much as possible. Simulation results show that the proposed strategy could meet grid load command, improve PFC performance, alleviate frequency regulation pressure of conventional power plants, and make full use of reserved wind energy.

KEY WORDS: wind farm; load limiting operation; de-loading control; droop value; primary frequency control

摘要：隨著風(fēng)電并網(wǎng)容量的增加，電力系統(tǒng)的調(diào)頻、調(diào)峰問題日益突出，這就要求風(fēng)電場應(yīng)具備功率調(diào)節(jié)和頻率調(diào)整的綜合控制能力。根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)速狀況提出超速控制和槳距角控制協(xié)調(diào)的減載控制方案，使得預(yù)留的功率既可滿足風(fēng)電場的限負(fù)荷控制要求，也可作為風(fēng)電場的調(diào)頻備用。同時，根據(jù)風(fēng)電場自身的運行狀況整定風(fēng)電機(jī)組的靜態(tài)調(diào)差系數(shù)，并結(jié)合風(fēng)場的功率分配策略，使風(fēng)電場能在電網(wǎng)限負(fù)荷條件下盡可能地支持電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整。仿真結(jié)果表明，所提出的方法能滿足電網(wǎng)限負(fù)荷指令，改善系統(tǒng)的調(diào)頻特性，并緩解常規(guī)發(fā)電廠的調(diào)頻壓力，充分利用限負(fù)荷條件下的“棄風(fēng)”資源。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電場；限負(fù)荷運行；減載控制；風(fēng)電調(diào)差系數(shù)；一次調(diào)頻

DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2016.07.015

0        引言

隨著風(fēng)電機(jī)組(wind turbine generator，WTG)大規(guī)模并網(wǎng)，風(fēng)力發(fā)電的隨機(jī)性和波動性本質(zhì)使得電力系統(tǒng)的調(diào)頻、調(diào)峰問題更加突出。在我國的很多地區(qū)如西北、東北和河北等地都有嚴(yán)重的“棄風(fēng)”現(xiàn)象，電網(wǎng)限電比例均超過20%[1]。在大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)、消納難和“棄風(fēng)”問題短期內(nèi)無法解決的背景下[2]，電網(wǎng)仍會對風(fēng)電場進(jìn)行不同程度的負(fù)荷限制。因此，如何在電網(wǎng)限負(fù)荷的條件下提高風(fēng)電場的功率調(diào)節(jié)能力，合理將風(fēng)電場的“棄風(fēng)”功率作為系統(tǒng)的一次調(diào)頻備用和可優(yōu)化風(fēng)能資源是當(dāng)前迫切需要解決的問題。

近年來國內(nèi)外學(xué)者對風(fēng)電場的有功控制和風(fēng)電場參與電力系統(tǒng)的頻率控制都做了大量的研究。文獻(xiàn)[3]提出了以避免風(fēng)電機(jī)組的頻繁啟停、減少槳距角動作等為目標(biāo)的風(fēng)電場限負(fù)荷優(yōu)化控制策略，能夠在滿足電網(wǎng)限負(fù)荷指令的條件下使風(fēng)電場更安全經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運行，但未考慮風(fēng)電場的調(diào)頻控制問題。文獻(xiàn)[4-5]通過對風(fēng)電場附加儲能系統(tǒng)，將風(fēng)電機(jī)組與這些儲能設(shè)備進(jìn)行功率協(xié)調(diào)控制，使得儲能系統(tǒng)可作為風(fēng)電機(jī)組的調(diào)頻備用，以改善風(fēng)電機(jī)組的調(diào)頻特性，然而目前儲能系統(tǒng)的容量小、成本高。許多學(xué)者也將重點轉(zhuǎn)向?qū)︼L(fēng)電機(jī)組自身特性的研究。文獻(xiàn)[6-8]則通過釋放轉(zhuǎn)子動能的虛擬慣性控制方式參與電力系統(tǒng)的一次調(diào)頻，但這類方法只能短期支持頻率響應(yīng)，而且可能會因風(fēng)機(jī)退出調(diào)頻造成二次頻率跌落。文獻(xiàn)[9]提出對風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏p載，從而預(yù)留出一部分有功功率作為系統(tǒng)的調(diào)頻備用以便為系統(tǒng)提供頻率支持。文獻(xiàn)[10]出于對風(fēng)電發(fā)電經(jīng)濟(jì)性的考慮，提出讓部分高風(fēng)速風(fēng)機(jī)減載來參與調(diào)頻，該策略可以在風(fēng)電場發(fā)電量不受電網(wǎng)限制且風(fēng)電場有相當(dāng)比例風(fēng)機(jī)運行在高風(fēng)速狀態(tài)下，滿足調(diào)頻需求和兼顧經(jīng)濟(jì)性，但在風(fēng)電場中大部分風(fēng)機(jī)處于低風(fēng)速運行狀態(tài)時則難以參與調(diào)頻，同時也難以協(xié)同優(yōu)化整個風(fēng)場資源來滿足電網(wǎng)的限負(fù)荷需求和調(diào)頻需求。目前的文獻(xiàn)基本是單獨針對風(fēng)電場的有功控制能力，或者在最大風(fēng)功率點追蹤(maximum power point tracking，MPPT)條件下的調(diào)頻能力進(jìn)行研究，而將風(fēng)電場的功率調(diào)整和頻率調(diào)整協(xié)同起來，以滿足電網(wǎng)的綜合要求的控制方案則未見有深入的研究。

本文提出將風(fēng)電場的功率控制和頻率調(diào)整協(xié)調(diào)起來的綜合控制方案。首先，根據(jù)風(fēng)速狀況提出超速控制和變槳控制協(xié)調(diào)的減載功率控制方案，進(jìn)而提出根據(jù)風(fēng)電場中高風(fēng)速機(jī)組所占的比例來調(diào)整調(diào)差系數(shù)的調(diào)頻方案，并通過優(yōu)先調(diào)度高風(fēng)速下機(jī)組的功率分配策略來協(xié)調(diào)電網(wǎng)限負(fù)荷需求和調(diào)頻需求，使得不同風(fēng)速下的機(jī)組在頻率事件發(fā)生時都能盡量支持電網(wǎng)的頻率調(diào)整。最后通過由風(fēng)電場和常規(guī)電廠組成的單區(qū)域系統(tǒng)進(jìn)行仿真，驗證所提出調(diào)頻控制策略的有效性。

1  風(fēng)電場的綜合有功控制系統(tǒng)

1.1  風(fēng)電場的有功控制架構(gòu)

考慮電網(wǎng)調(diào)頻、調(diào)峰綜合需求的風(fēng)電場3層有功控制系統(tǒng)[3,11]可用圖1表示，它包括風(fēng)能管理層、風(fēng)電場控制層和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制層。

如圖1所示的風(fēng)電場有功控制架構(gòu)能夠?qū)L(fēng)電場運行在多種功率控制模式：正常模式、限負(fù)荷模式等。根據(jù)電網(wǎng)不同的需求，可對風(fēng)電場的運行模

圖1  風(fēng)電場綜合有功控制框架

Fig. 1  Schematic diagram of comprehensive active 
power control for wind farms

式進(jìn)行選擇。

1.2  變速變槳風(fēng)電機(jī)組的簡化模型

1.2.1 風(fēng)力機(jī)特性

根據(jù)空氣動力學(xué)理論可知，風(fēng)輪吸收的機(jī)械功率與風(fēng)速的三次方成正比，可表示為

                    (1)

                      (2)

式中：?為空氣的密度；A為風(fēng)輪葉片掃過的面積；v為風(fēng)速；R為風(fēng)輪半徑；?為葉尖速比；?為葉片槳距角；?r為風(fēng)力機(jī)的葉輪轉(zhuǎn)速；Cp為風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能捕獲系數(shù)。

風(fēng)能捕獲系數(shù)Cp與葉尖速比?和槳距角?有關(guān)，在風(fēng)速不變的條件下，通過調(diào)整葉尖速比?或者槳距角?都可以改變風(fēng)能利用系數(shù)，進(jìn)而改變風(fēng)力機(jī)吸收的風(fēng)功率。

1.2.2  簡化的發(fā)電機(jī)模型

由于發(fā)電機(jī)矢量控制技術(shù)的應(yīng)用，當(dāng)前大型風(fēng)電機(jī)組有功功率和無功功率實現(xiàn)了解耦控制。因此，在研究風(fēng)電場的有功控制問題上，可將發(fā)電機(jī)部分進(jìn)一步簡化為一階慣性環(huán)節(jié)[12-13]。慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)由發(fā)電機(jī)電流控制的響應(yīng)時間決定，通常為毫秒級。風(fēng)電機(jī)組的電磁功率可簡化表示為

                            (3)

式中：為發(fā)電機(jī)的輸出電磁功率；為發(fā)電機(jī)的參考功率；為發(fā)電機(jī)的時間常數(shù)。

1.2.3  改進(jìn)的槳距角系統(tǒng)

傳統(tǒng)的變槳控制系統(tǒng)[12]是根據(jù)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速?r與轉(zhuǎn)速上限?lim的偏差給出槳距角參考值??。本文在此基礎(chǔ)上將頻率輔助控制環(huán)節(jié)引入變槳控制系統(tǒng)，使得風(fēng)電機(jī)組能夠根據(jù)風(fēng)電場的指令PWT和一次調(diào)頻附加功率Pf進(jìn)行變槳控制，并通過槳距角計算模塊計算出參考槳距角?ref。適應(yīng)電網(wǎng)綜合需求的改進(jìn)變槳控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2  改進(jìn)的槳距角控制系統(tǒng)

Fig. 2  Modified pitch angel control system

1.2.4  變速變槳風(fēng)電機(jī)組整體模型

電網(wǎng)限負(fù)荷下的風(fēng)電場采取減載運行模式和調(diào)頻模式，當(dāng)風(fēng)機(jī)的傳動系統(tǒng)采用一階質(zhì)量塊模型代替時[13]，風(fēng)電機(jī)組的整體模型如圖3所示。圖3中：Tm和Te分別表示風(fēng)機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩；n為齒輪比；J為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動慣量；?e表示發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。風(fēng)電機(jī)組的控制決策系統(tǒng)接收來自風(fēng)電場調(diào)度層的初始減載系數(shù)d、風(fēng)機(jī)的參考功率PWT、風(fēng)電機(jī)組的靜態(tài)調(diào)差系數(shù)Rw和頻率偏差?f等參數(shù)，并通過計算給出風(fēng)電機(jī)組的槳距角參考值?ref和電磁功率參考值Pref，使得風(fēng)電機(jī)組能夠滿足電網(wǎng)的限負(fù)荷控制要求并響應(yīng)系統(tǒng)的一次頻率調(diào)整。

圖3  限負(fù)荷下變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制框圖

Fig. 3  Schematic diagram of active power control for 
WTGs under output-restricted condition

2  限負(fù)荷下的風(fēng)電場調(diào)頻策略

2.1  風(fēng)電機(jī)組的減載策略

對于單臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組而言，若對其進(jìn)行的功率減載，則其減載功率參考值可表示為

                            (4)

                            (5)

式中：Pdeload、Popt分別為減載運行時的功率參考值和最大風(fēng)功率追蹤時的參考功率；Cp,deload減載時的風(fēng)能捕獲系數(shù)；Cp,max為最大風(fēng)能捕獲系數(shù)。

當(dāng)風(fēng)速v和空氣密度?不變時，由式(4)(5)可得：

                            (6)

由式(6)可知只要使風(fēng)能捕獲系數(shù)下降d%即可實現(xiàn)對風(fēng)電機(jī)組的減載。

如圖4所示，在同一風(fēng)速v0下，可通過變槳調(diào)節(jié)將槳距角從初始?0增加到?1來改變風(fēng)能捕獲系

圖4  風(fēng)機(jī)減載原理圖

Fig. 4  Principle of de-loading control for wind turbines

數(shù)，也可通過將轉(zhuǎn)速從最優(yōu)轉(zhuǎn)速?0提高到?1來改變風(fēng)能捕獲系數(shù)，從而實現(xiàn)風(fēng)機(jī)減載控制。超速和減速都能實現(xiàn)同樣負(fù)荷的減載，但超速控制可以將轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)動能存儲在轉(zhuǎn)子上作為旋轉(zhuǎn)備用，因此在轉(zhuǎn)速控制時通常采用超速控制減載策略。

由于風(fēng)速的隨機(jī)性和不確定性，風(fēng)電場中的風(fēng)機(jī)往往運行在不同的風(fēng)速狀況下。圖5為風(fēng)電機(jī)組在運行風(fēng)速范圍內(nèi)的功率減載曲線。本文將風(fēng)電場中的風(fēng)機(jī)分為A、B、C共3類：A類風(fēng)機(jī)為圖5中的AB段，B類風(fēng)機(jī)為圖5中的BC段，C類風(fēng)機(jī)為圖5中的CD段。為了充分利用超速控制和變槳距角控制各自的優(yōu)勢和使用范圍，對不同的風(fēng)速運行段采取不同的減載控制策略：AB段采用超速控制減載策略；BC段采用超速控制與變槳控制結(jié)合的減載策略；CD段則采用變槳距角的減載策略。

圖5 風(fēng)機(jī)隨風(fēng)速的功率減載曲線

Fig. 5  De-loading power curve of WTGs under 
different wind speed

1）AB段。

這段運行工況為低風(fēng)速段，其風(fēng)速范圍為vin~vd，vin為切入風(fēng)速，vd為可使用超速控制減載d%的風(fēng)速上限。當(dāng)風(fēng)電場給出了一個初始減載系數(shù)d%時，則可確定一個風(fēng)速vd。此時減載的風(fēng)能捕獲系數(shù)與最大風(fēng)能捕捉系數(shù)有如下關(guān)系：

                  (7)

式中：?opt為最佳葉尖速比；?d為減載d%時的葉尖速比。

因此，在工程整定時只要根據(jù)風(fēng)機(jī)運行的CP-?- ?曲線，即可通過查表插值的方法求得減載時的葉尖速比?d。根據(jù)減載時葉尖速比的計算式?d= ?maxR/vd即可求出在給定初始減載系數(shù)d%時的超速控制上限風(fēng)速vd。此時穩(wěn)定運行時各參數(shù)的參考值為：?=0；?ref=?refv/R；其中?ref為采用超速控制時的參考葉尖速比。在式(6)求得Cp,deload(?ref,0)后，可由槳距角為0°時的CP-?曲線查表計算出?ref。

聯(lián)合式(2)和式(4)可得減載時的功率參考值：

                            (8)

式中為減載時的葉尖速比。

聯(lián)合式(6)和式(8)可得：

                            (9)

式中為減載時的功率曲線跟蹤比例系數(shù)，且。

因此，可由式(9)得出減載時的功率參考值。

2）BC段。

這段為中風(fēng)速段，風(fēng)速范圍為vd~vn，其中vn為額定風(fēng)速。在這段風(fēng)速范圍內(nèi)僅憑超速法無法達(dá)到減載d%的要求，因此當(dāng)使用超速法使轉(zhuǎn)速達(dá)到轉(zhuǎn)速上限時需要進(jìn)行變槳控制來達(dá)到減載控制的要求。此時功率控制參考值與AB段的計算方法相同，其他穩(wěn)定運行時各參數(shù)的參考值為?=?ref；?ref=?max；?ref=?maxR/v；其中?ref為超速控制與變槳距控制結(jié)合時的參考槳距角。通過下式可求出Cp,deload(?ref,?ref)：

                             (10)

再通過格表法計算得出?ref。

3）CD段。

這段為高風(fēng)速段，運行的風(fēng)速范圍為，其中為切出風(fēng)速。在這段風(fēng)速范圍內(nèi)只能采用

變槳距角的方法進(jìn)行減載控制。此時穩(wěn)定運行時各

參數(shù)的參考值分別為：；；；；其中為變

槳減載控制時的參考槳距角。

本文引入自然減載系數(shù)kd，它表示風(fēng)電機(jī)組在額定風(fēng)速以上時額定功率Prarted與最大可捕獲功率Pavail的比值。即：

                     (11)

在高風(fēng)速段減載時的風(fēng)能捕獲系數(shù)可表示為

                            (12)

式中：Cp,rated為運行在額定功率時的風(fēng)能捕獲系數(shù)；?rated為運行在額定功率時的槳距角參考值。

聯(lián)合式(11)和式(12)可得到：

  (13)

在由式(11)求得后，可由式(13)可得到，再聯(lián)合，查表可得到槳距角參考值。

2.2  限負(fù)荷下風(fēng)電場的功率分配策略

當(dāng)電網(wǎng)要求風(fēng)電場進(jìn)行限負(fù)荷控制時，為了使風(fēng)電場具備一定的功率備用和調(diào)頻備用，風(fēng)電場需要先對風(fēng)場負(fù)荷進(jìn)行初始減載d%，本文采取最簡單方便的方法，即對不同工況下的風(fēng)電機(jī)組均采取d%的減載，以避免因采取不同減載系數(shù)時對風(fēng)機(jī)進(jìn)行額外的調(diào)度控制，目前很多文獻(xiàn)也是采取這種做法[14-16]。當(dāng)風(fēng)電場在初始減載模式下穩(wěn)定運行后，切換至電網(wǎng)限負(fù)荷控制模式。

在限負(fù)荷控制模式下風(fēng)電場為滿足電網(wǎng)限負(fù)荷要求需調(diào)節(jié)的有功功率為

                            (14)

式中：PT為風(fēng)電場需要調(diào)節(jié)的功率；Pref為電網(wǎng)給風(fēng)電場的限負(fù)荷指令。

在限負(fù)荷條件下風(fēng)電場中的風(fēng)電機(jī)組i的參考功率為

                            (15)

式中：PWT,i為風(fēng)電場下發(fā)給第i臺風(fēng)機(jī)的功率參考值；?Pi為在減載模式下風(fēng)電機(jī)組i需要調(diào)整的有功功率；Popt,i為風(fēng)電機(jī)組i在最大風(fēng)功率追蹤控制模式下的參考功率。

由圖5可知，不同風(fēng)速段的風(fēng)機(jī)進(jìn)行減載后，其預(yù)留的備用功率也不同。為了讓盡可能少的機(jī)組參與限負(fù)荷調(diào)度控制和使一次調(diào)頻時低風(fēng)速風(fēng)機(jī)留有更多的調(diào)頻備用，本文在限負(fù)荷控制時，采用優(yōu)先調(diào)度預(yù)留有功功率較大的C類機(jī)組，其次是B類機(jī)組和A類機(jī)組，在每一類的機(jī)組中分別采用按預(yù)留的有功容量的比例進(jìn)行分配[17-18]。則對于風(fēng)電場中的A類和B類風(fēng)電機(jī)組，其在減載模式下需調(diào)整的功率為

(16)

式中：為A類或B類風(fēng)機(jī)中的第i臺機(jī)組需要調(diào)整的有功功率；為A類或B類風(fēng)機(jī)中的第i臺機(jī)組減載預(yù)留的有功功率；、、分別表示C類機(jī)組預(yù)留功率總和、A類與B

類機(jī)組預(yù)留功率總和、風(fēng)電場減載預(yù)留功率總和。

C類機(jī)組在減載時需要調(diào)整的功率為

                            (17)

式中為C類風(fēng)機(jī)中的第i臺機(jī)組需要調(diào)整的有

功功率。

根據(jù)式(15)(16)和(17)即可得出每臺機(jī)組在電網(wǎng)限負(fù)荷條件下風(fēng)電場分配給每臺風(fēng)電機(jī)組的參考功率PWT,i。

2.3  風(fēng)電靜態(tài)調(diào)差系數(shù)的整定

傳統(tǒng)機(jī)組調(diào)頻時通常會設(shè)置一定的調(diào)頻死區(qū)，為了過濾小信號擾動，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組參與調(diào)頻時也需要設(shè)置一定的死區(qū)。本文將所有工況下的風(fēng)電機(jī)死區(qū)閾值都設(shè)置為常用的0.02 Hz[20]。

借鑒傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的功頻下垂曲線，引入風(fēng)電機(jī)組的調(diào)差系數(shù)Rw。靜態(tài)調(diào)差系數(shù)的大小對系統(tǒng)一次調(diào)頻有很大的影響。相比于固定不變的調(diào)差系數(shù)，變調(diào)差系數(shù)能使風(fēng)機(jī)為電力系統(tǒng)提供更大的頻率支持[15,19]。為了調(diào)動風(fēng)電場中不同工況下的風(fēng)機(jī)都參與到系統(tǒng)的調(diào)頻中，充分利用限負(fù)荷下預(yù)留的風(fēng)能資源，本文提出一種根據(jù)風(fēng)電場中高風(fēng)速機(jī)組數(shù)量占風(fēng)電場運行風(fēng)機(jī)總數(shù)的比例來調(diào)整調(diào)差系數(shù)的方法。采用線性化變化曲線來反映風(fēng)電機(jī)組的調(diào)差系數(shù)與高風(fēng)速機(jī)組所占比例關(guān)系簡單易實現(xiàn)，因此可由此曲線定量確定調(diào)差系數(shù)，具體關(guān)系如圖6所示。通?；痣姍C(jī)組的靜態(tài)調(diào)差系數(shù)為2%~5%，可將風(fēng)電機(jī)組的調(diào)差系數(shù)設(shè)置在這個范圍。由此可得出風(fēng)電機(jī)組靜態(tài)調(diào)差系數(shù)計算公式：

                            (18)

式中：Rw為風(fēng)電機(jī)組的靜態(tài)調(diào)差系數(shù)；Hm為風(fēng)電場高風(fēng)速風(fēng)機(jī)所占的比例；Rmin=2%，Rmax=5%；Hmin=0%，Hmax=100%。

圖6  基于高風(fēng)速風(fēng)機(jī)比例的調(diào)差系數(shù)關(guān)系圖

Fig. 6  Assigning of droop values based on ratio of high speed wind turbines in a wind farm

2.4  限負(fù)荷下風(fēng)電場調(diào)頻控制過程

變速變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有功功率與無功功率的解耦控制使得風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)的頻率不存在耦合關(guān)系，因此風(fēng)機(jī)在正常運行條件下無法響應(yīng)電網(wǎng)的一次調(diào)頻。為了利用限負(fù)荷下的風(fēng)能資源，改善電力系統(tǒng)一次調(diào)頻特性，需要在風(fēng)電機(jī)組有功控制系統(tǒng)中附加頻率控制環(huán)節(jié)。由頻率偏差引起的額外附加有功功率可表示為

                            (19)

在限負(fù)荷控制模式下，當(dāng)頻率事件發(fā)生時，風(fēng)電機(jī)組的有功功率參考值為根據(jù)頻率變化的附加功率調(diào)整值Pf和來自風(fēng)電場的參考指令PWT之和，此時風(fēng)電機(jī)組的實際減載系數(shù)d?則可由下式給出：

                       (20)

風(fēng)電場在限負(fù)荷控制模式下的調(diào)頻過程中，通過式(20)可得到實際減載系數(shù)d?，將各式中的減載系數(shù)d替換為d?即可計算得到在該模式下調(diào)頻時的變槳系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的參考值，變槳系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)根據(jù)各自的參考值進(jìn)行調(diào)整，以滿足電網(wǎng)的調(diào)頻和限負(fù)荷的控制要求。

3  仿真分析

3.1  系統(tǒng)簡介

為驗證所提出的風(fēng)電場一次調(diào)頻策略的有效性與正確性，本文在Matlab/Simulink仿真軟件中建立了圖7所示的仿真模型，該系統(tǒng)包含1個)，負(fù)荷L為650 MW。仿真系統(tǒng)的調(diào)頻結(jié)構(gòu)是在經(jīng)典的電力系統(tǒng)一次調(diào)頻框架下增加了風(fēng)電場的調(diào)頻環(huán)節(jié)，具體的仿真模型結(jié)構(gòu)如圖7所示。圖7中火電機(jī)組模型和調(diào)頻模型的仿真參數(shù)見文獻(xiàn)[21]。

圖7  系統(tǒng)一次調(diào)頻仿真模型

Fig. 7  Simulation model of PFC for power system

3.2  仿真參數(shù)設(shè)置

 (C類風(fēng)機(jī))來表征風(fēng)電機(jī)組的不同工作狀況B類風(fēng)機(jī)兼具A類和C類風(fēng)機(jī)特性。為了更好表現(xiàn)本文調(diào)頻效果，仿真時沒有加入B類風(fēng)機(jī)。仿真系統(tǒng)的初始負(fù)荷和發(fā)電量平衡，即系統(tǒng)的初始頻率f=50 Hz，風(fēng)電場的初始減載水平，電網(wǎng)給風(fēng)電場的限負(fù)荷調(diào)度指令為90 MW，火電機(jī)組的調(diào)度指令為560 MW。在t=60 s時，系統(tǒng)負(fù)荷L突然增加20 MW。仿真情形設(shè)置的風(fēng)電場的運行狀況主要有低風(fēng)速占主風(fēng)場和高風(fēng)速占主風(fēng)場2種，其參數(shù)見表1。其中：狀況1為低風(fēng)速占主的風(fēng)場運行狀況；狀況2為高風(fēng)速占主的風(fēng)場運行狀況。

表1  不同運行狀況下風(fēng)電場的參數(shù)

Tab. 1  Parameters of wind farms in different 
working conditions

3.3  仿真情形分析

1）低風(fēng)速風(fēng)機(jī)占主的風(fēng)電場調(diào)頻仿真。

針對風(fēng)電場為低風(fēng)速占主的運行狀況，分別就風(fēng)電場不參與調(diào)頻和按本文策略參與調(diào)頻進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，在頻率事件發(fā)生后，若風(fēng)電場參與系統(tǒng)一次調(diào)頻，則風(fēng)電場和火電廠的出力都隨著頻率的跌落而增加。因為采取的調(diào)頻策略中先對風(fēng)電場中不同工況下風(fēng)電機(jī)組采取了不同的減載策略以作為調(diào)頻備用，所以當(dāng)發(fā)生頻率事件后，低風(fēng)速風(fēng)機(jī)(A類風(fēng)機(jī))通過降低發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速來釋放存儲在轉(zhuǎn)子中的旋轉(zhuǎn)動能，快速地為系統(tǒng)提供有功支持；高風(fēng)速風(fēng)機(jī)(C類風(fēng)機(jī))則根據(jù)頻率的變化來減

圖8 低速風(fēng)機(jī)為主的風(fēng)電場調(diào)頻響應(yīng)曲線

Fig. 8 Frequency response curve for low wind speed
WTGs dominated wind farms

少槳距角來捕獲更多的風(fēng)能，從而為系統(tǒng)提供頻率支持。在負(fù)荷突變大約20 s后，系統(tǒng)頻率響應(yīng)趨于穩(wěn)定，但由于一次調(diào)頻為有差調(diào)節(jié)，系統(tǒng)的頻率最終并沒有回到50 Hz，這需要通過電力系統(tǒng)的二次調(diào)頻來調(diào)節(jié)，此處不作討論。

從圖8中火電機(jī)組的出力響應(yīng)可以看出，風(fēng)電場對系統(tǒng)的有功支持使得火電機(jī)組的出力出現(xiàn)短暫的回落，這是由于風(fēng)電機(jī)組出力對負(fù)荷增加的快速響應(yīng)，但是隨著風(fēng)電場出力的減少，火電廠的出力又緩慢上升并最終穩(wěn)定。相比于風(fēng)電不參與電力系統(tǒng)的調(diào)頻響應(yīng)，風(fēng)電場按本文的調(diào)頻策略參與系統(tǒng)一次調(diào)頻可以減少系統(tǒng)的頻率跌落，并較快地為系統(tǒng)提供更多的頻率支持，同時也為火電機(jī)組減輕了調(diào)頻壓力。

2）高風(fēng)速風(fēng)機(jī)占主的風(fēng)電場調(diào)頻仿真。

針對風(fēng)電場為高風(fēng)速占主的運行狀況，分別就風(fēng)電場不參與調(diào)頻和按本文策略參與調(diào)頻進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知，系統(tǒng)發(fā)生頻率事件后，低速風(fēng)機(jī)(A類風(fēng)機(jī))和高速風(fēng)機(jī)分別降低轉(zhuǎn)速和減小槳距角來為系統(tǒng)提供頻率支持。但低速風(fēng)機(jī)(A類風(fēng)機(jī))的功率曲線出力在60~70 s時間段內(nèi)出力保持在最大可發(fā)功率不變，這是由于在風(fēng)機(jī)控制時，為了避免參考輸出功率過大導(dǎo)致風(fēng)機(jī)失穩(wěn)而采取了最大可發(fā)功率的限幅措施。雖然采取功率限幅措施，但此

圖9  高速風(fēng)機(jī)為主的風(fēng)電場調(diào)頻響應(yīng)曲線

Fig. 9  Frequency response curve for high wind speed
WTGs dominated wind farms

時低風(fēng)速風(fēng)電機(jī)組在風(fēng)電場的比例很小，并不影響整體系統(tǒng)的調(diào)頻響應(yīng)特性。風(fēng)電調(diào)差系數(shù)的減小使得在高風(fēng)速占主的風(fēng)電場的出力增加，因此火電機(jī)組的出力沒有較大的回落，而是一直處于緩慢上升的過程，這可以從圖9中火電機(jī)組和風(fēng)電場的出力可以看出。

3）不同情形的仿真情況對比分析。

表2給出了在不同仿真情形下的調(diào)頻性能數(shù)據(jù)，其中：情形1為無風(fēng)電調(diào)頻；情形2和情形3為采取本文調(diào)頻策略的仿真情形，并分別代表低風(fēng)速占主和高風(fēng)速占主的風(fēng)場仿真情形。從表2中可以看出，相比于情形1，情形2和情形3能夠使在發(fā)生頻率事件后，減少系統(tǒng)的最大頻率跌落和穩(wěn)態(tài)頻率偏差，同時也減輕火電機(jī)組的調(diào)頻負(fù)擔(dān)。對比仿真情形2和情形3可知，在電網(wǎng)對風(fēng)電限負(fù)荷指令不變的條件下，按本文的方法整定風(fēng)電機(jī)組的靜態(tài)調(diào)差系數(shù)，可使得在高風(fēng)速占主的運行狀況下的調(diào)頻性能進(jìn)一步改善，減少火電機(jī)組的出力，充分利用風(fēng)場減載預(yù)留的風(fēng)能資源。

為了進(jìn)一步說明調(diào)頻策略中調(diào)差系數(shù)對系統(tǒng)調(diào)頻的影響以及調(diào)差系數(shù)選擇的合理性，分別就風(fēng)電調(diào)差系數(shù)為2%、5%和本文調(diào)差系數(shù)在不用的情形下進(jìn)行了仿真。由圖9可知，低風(fēng)速機(jī)組出力在60~70 s時出現(xiàn)限幅。為了探討在低風(fēng)速風(fēng)機(jī)采取的最大可發(fā)功率限幅對調(diào)頻性能的影響，在仿真情形的設(shè)置中考慮了這一因素。表3為仿真情形的具體設(shè)置，仿真的工況設(shè)置與上文中低風(fēng)速占主風(fēng)電場和高風(fēng)速占主風(fēng)電場仿真參數(shù)設(shè)置相同。不同仿真情形下的頻率響應(yīng)曲線如圖10所示。

由圖10(a)可知，對低風(fēng)速風(fēng)電機(jī)組不采取最大可發(fā)功率限幅時，風(fēng)電機(jī)組的調(diào)差系數(shù)越小，風(fēng)電場對系統(tǒng)的調(diào)頻貢獻(xiàn)越大。但于此同時，系統(tǒng)調(diào)頻的波動性也相對增大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性會相對下降。而當(dāng)?shù)惋L(fēng)速風(fēng)機(jī)采取較為保守的最大可發(fā)功率限

表2 不同仿真情形下調(diào)頻性能表現(xiàn)

Tab. 2  Performance of PFC under different scenarios

表3  不同的調(diào)頻仿真情形

Tab. 3  Different primary frequency control scenarios

圖10  不同仿真情形下的頻率響應(yīng)曲線

Fig. 10  Frequency response curve under different
simulation scenarios

幅時，風(fēng)電機(jī)組的調(diào)差系數(shù)較小，可能會惡化調(diào)頻性能，這可以從圖10(b)中調(diào)差系數(shù)為2%的頻率響應(yīng)曲線中看出，其在65~71 s出現(xiàn)了短暫的頻率穩(wěn)定，隨后又出現(xiàn)了一次頻率跌落。從圖10(c)和(d)中看出，相比于低風(fēng)速風(fēng)機(jī)占主的風(fēng)電場在低調(diào)差系數(shù)下的調(diào)頻性能，調(diào)差系數(shù)為2%的頻率響應(yīng)曲線調(diào)頻性能得到較大的改善，因此在高風(fēng)速占主的風(fēng)電場中，低速風(fēng)電機(jī)組的功率響應(yīng)對系統(tǒng)整體的調(diào)頻性能影響較小。比較圖10中本文調(diào)差系數(shù)和5%調(diào)差系數(shù)下在不同仿真情形下的頻率響應(yīng)，采取較為保守的5%調(diào)差系數(shù)調(diào)頻穩(wěn)定性較好，但對系統(tǒng)的頻率貢獻(xiàn)不如本文的調(diào)頻策略。因此，在限負(fù)荷控制模式下針對風(fēng)電場的整體運行狀況實時調(diào)整風(fēng)電機(jī)組的調(diào)差系數(shù)，可以在不同的運行狀況下兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，表現(xiàn)出較為滿意的調(diào)頻性能。

4 結(jié)論

本文在提出風(fēng)電場的有功減載控制方案和風(fēng)電機(jī)組靜態(tài)調(diào)差系數(shù)整定方法的基礎(chǔ)上，將風(fēng)電場的有功調(diào)度控制與風(fēng)電場的頻率控制協(xié)同起來，使得風(fēng)電場能更好地適應(yīng)電網(wǎng)的調(diào)頻和調(diào)度要求。通過理論和仿真分析得出如下結(jié)論：

1）對不同風(fēng)速段的風(fēng)電機(jī)組推導(dǎo)出不同的減載控制策略，使得在限負(fù)荷條件下可將風(fēng)電場的“棄風(fēng)”資源轉(zhuǎn)化為可利用的調(diào)頻備用。本文提出的超速與變槳協(xié)調(diào)減載的控制方案可以減少風(fēng)機(jī)在低風(fēng)速段的變槳動作，而盡量使用超速控制來實現(xiàn)減載。

2）通過優(yōu)先調(diào)度高風(fēng)速風(fēng)機(jī)的功率分配策略可以減少對低風(fēng)速風(fēng)機(jī)調(diào)度，協(xié)調(diào)風(fēng)電場內(nèi)不同風(fēng)速段的風(fēng)機(jī)參與系統(tǒng)調(diào)頻，使得不同風(fēng)速段的風(fēng)機(jī)都盡可能地為系統(tǒng)調(diào)頻做貢獻(xiàn)。

3）在電網(wǎng)限負(fù)荷指令一定的條件下，風(fēng)電場根據(jù)自身的運行狀況按本文的方法整定風(fēng)電機(jī)組的靜態(tài)調(diào)差系數(shù)，可以使得風(fēng)電場在參與系統(tǒng)調(diào)頻的時候兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，改善一次調(diào)頻特性，同時減輕火電機(jī)組的調(diào)頻壓力。

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