第 39 卷 第 1 期
2019 年 1 月
电 力 自 动 化 设 备
Electric Power Automation Equipment
Vol.39 No.1
Jan. 2019
基于功率平衡控制原理的双馈风电机组辅助调频方法
黄 伟
1
,陈 炜
2
,吴 军
2
,刘涤尘
2
,吴 琛
1
,程 旻
1
,陈 桢
3
(1. 云南电网有限责任公司,云南 昆明 650000;2. 武汉大学 电气与自动化学院,
湖北 武汉 430072;3. 华能福州电厂,福建 福州 350000)
摘要:高比例的风电并网给电网的功率平衡与频率稳定带来了严峻的挑战,如何充分发挥变速风电机组的有
功备用潜力,研究风电场快速可控的调频控制方法成为提高风电消纳能力的关键问题。 提出适用于全风速
工况的变速变桨距风电机组的改进型有功控制策略,有效地实现了风电场响应电网功率调度指令减载运行
并提供旋转备用。 考虑风电场分散接入场景,针对机组跳机和负荷脱网等可监测的、大容量的单一扰动 / 故
障事件,基于功率平衡控制原理提出风电场的辅助调频协调控制新方法,在电网功率发生突变时,根据风电
场与扰动节点的最短电气距离,合理启动和分配不同风电场的紧急功率控制容量。 仿真结果表明,所设计的
风电场有功 频率控制方案能从降低暂态频率偏差幅值及减小频率恢复时间两方面,有效地提升系统发生扰
动后的频率稳定性。
关键词:变速变桨距风电机组;功率平衡控制;紧急功率控制;电气距离;有功 频率控制;调频
中图分类号:TM 614 文献标识码:A DOI:10.16081 / j.issn.1006
-
6047.2019.01.010
收稿日期:2018
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07
-
05;修回日期:2018
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10
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基金项目:云南电网有限责任公司科技项目( 风、光新能源
调频及调压协调控制技术研究)(0560002018030301XT00120)
Project supported by the Science and Technology Project of Yun⁃
nan Power Grid Limited Liability Company(Research on the Co⁃
ordinated Control Technology of Frequency and Voltage Regulation
of Wind and Solar Power)(0560002018030301XT00120)
0 引言
高比例的风电接入给电网带来巨大的经济和环
境效益的同时,也给系统的功率平衡和频率稳定问
题带来严峻的挑战
[1⁃2]
。 当大容量风电机组接入电
网并取代部分传统同步发电机组时,由于传统的变
速变桨距风电机组采用转速和电网频率解耦控制的
策略,其无法响应电网实时频率变化,因此大规模风
电并网将会降低系统的惯量水平,可能造成频率支
撑能力不足;目前部分文献所提出的基于有差调节
的下垂控制方法,虽然实现了风电机组出力对系统
频率变化的响应,但需要频繁调整风电机组的有功
出力,过于依赖系统的频率变化反馈,调频过程缺乏
可控性和灵活性,同时下垂控制环节和风电机组的
最大功率点跟踪 MPPT(Maximum Power Point Trac⁃
king)控制相互影响,微分环节的参数选取较为困
难
[3⁃5]
。 因此,在高比例风电接入的场景下,如何充
分利用风电作为电网旋转备用,研究风电机组基于
功率扰动本身作为响应参数的灵活可控的调频控制
方法,成为提升风电消纳能力及系统安全稳定性的
关键问题。
为了实现风电参与调频,风电场首先应具备有
功调节和备用能力。 常见的控制方法包括变速法和
变桨法 2 种,文献[6]提出结合变转速和变桨距角的
有功协调控制方案的效果更优,据此文献[7⁃9]依据
不同的风速采用不同的功率控制方法,结合变速和
变桨距控制实现风电机组减载运行,但控制环节依
赖风速的实时测量值,缺乏可靠性。 同时目前对风
电机组有功控制策略的研究也缺乏对不同控制模式
之间相互协调与转换过程的具体讨论。
针对风电场参与电网频率的调整,文献[10] 研
究了风电高渗透率网络的高频问题,设计了基于主
导风电场的切机策略,取得了良好的频率控制效果,
但是切机方案难以避免机组脱网以及重新并网对系
统造成的冲击;文献[11⁃13] 引入下垂控制环节,结
合比例微分控制器实现变速风电机组的快速有功调
节,模拟风电机组惯性响应并参与电网频率一次调
整,但在参与调频的过程中,需要风力机的转速偏离
最优转速,风电机组捕获机械功率不足,这加剧了转
速恢复过程中的频率跌落,因此模拟惯性调频仅适
用于短期调频,不能满足电网的频率调整要求。 目
前,理论研究大多关注依赖频率变化反馈的风电机
组调频控制方法,调频过程缺乏可控性,同时文献
[14]提出引入下垂控制可能给风电并网带来新的
虚拟功角特性与稳定问题,这增加了风电机组并网
问题的复杂性。
为了使风电机组具有灵活可控的调频能力以满
足电网需求,本文首先设计变速风电机组的改进型
有功备用控制方法与控制系统,基于变速、变桨法的
原理实现风电机组有功调节并为电网提供旋转备
用。 同时考虑风电场分散接入场景,针对机组跳机
和负荷脱网等可监测的、大容量单一扰动 / 故障事
件,依据功率平衡控制原理,在电网功率发生骤变超
过阈值时,合理选择和分配不同位置的风电场对系
统功率支援比例,从而实现风电机组参与系统频率