双馈风电机组参与持续调频的双向功率约束及其影响
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联合主办
中国电工技术学会
北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室
联合承办
中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会
国家高速列车技术创新中心
《电气技术》杂志社
会议日期/地点
2019年10月25-27日/山东青岛
现代电力系统仿真控制与绿色电能新技术教育部重点实验室（东北电力大学）、华北电力大学电气与电子工程学院的研究人员穆钢、蔡婷婷、严干贵、刘洪波、刘宿彤，在2019年第8期《电工技术学报》上撰文指出，风电机组参与调频是解决高比例可再生能源电力系统调节能力不足的手段之一，双馈风电机组可通过转子超速预留部分功率而获得双向调频能力。
风电机组的双向可调频功率受额定转速制约，本文根据风电机组的基本运行方程，推导了双馈风电机组转子超速时最大调节功率表达式，指出风电机组的双向可调频功率受功率预留系数和最大调节功率约束。分析风电机组参与持续调频时双向功率约束的影响，给出了风电机组可实现的调差系数域。
以某风电场24h实测数据，在实际频率变化过程中仿真计算风电机组调频功率达到调差系数水平的程度，实证分析了功率预留系数对系统频率质量、风电机组调频功率、风功率利用情况的影响。研究结果表明评估风电机组参与持续调频的效果时必须考虑双向功率约束的影响。
风力发电是新能源发电技术中最成熟和最具规模开发条件的发电方式之一。2017年中国风电新增1 503万kW，风电累计装机容量达到1.840 3亿kW，按照国家能源局“十三五”规划，到2020年风电装机容量将超过2.1亿kW。风电发展迅速，电力系统中风电渗透率不断升高，2017年我国风电渗透率已达到9.2%。
然而，由于风电的随机性和波动性，且又不具备传统同步机的调频能力，大规模高渗透率风电并网不利于电力系统频率稳定。为此，世界主要风电发达国家与地区均通过并网导则对风电的调频能力进行了规范，并提出了明确的要求。
目前，双馈风机是大型风电场的主流机型。在传统控制模式下，双馈风电机组运行（Doubly Fed Induction Generator, DFIG）在最大功率跟踪模式，只具备向下的调频能力（支撑系统的正频差事件），无法像传统同步机一样进行双向的功率调节。
目前，双馈风电机组参与系统一次调频的方法主要有三种：虚拟惯性控制、转子转速控制和桨距角控制。文献[4]研究了风电机组虚拟惯性控制方法，实现了系统的虚拟惯性响应，减小了系统频率变化，提高系统频率的暂态稳定性，但是风电机组尚未预留有功备用，没有持续的有功功率为系统提供频率支撑。
文献[5-8]以单个的频率扰动验证了转速控制策略能够有效地实现系统的一次调频，且避免了传统惯性调节控制只能参与短期调频且容易引发频率二次跌落的问题。文献[9-11]研究了变速风电机组桨距角调节的频率控制方法，并验证了方法的有效性。
虚拟惯性控制利用转子动能提供惯性响应，具有快速响应系统频率变化的优点，但在惯性响应后风电功率会随转速的降低而低于初始值，增加了系统额外调频的有功需求。转子转速控制是基于变流器的控制技术，控制速度较桨距角控制快，但受额定转速限制有控制盲区，适用于额定风速以下。
桨距角控制适用风速范围广，但变桨的执行机构为机械部件，频繁动作加剧了机械损耗，增加了检修费用，降低风机使用寿命。根据风电运行统计，风机输出功率超过额定值80%的概率一般不超过10%，转速控制在大部分时间都适用。因此，本文不考虑桨距角的调频方法，主要研究在长周期持续频率扰动过程中，双馈风电机组的转子转速控制策略的调频能力和调频效果。
国内外学者的相关研究大多为风电机组运行在某一风速下，发生单个频率扰动时，风电机组参与调频的动态响应，验证了风电机组参与系统调频的可行性。然而，调频是长期的动态过程，需在连续的频率扰动下考察风电机组参与调频的能力和调频效果。
为此，本文研究了在长周期持续调频过程中，风电机组受额定转速和功率预留系数影响的风电机组双向调频功率约束。指出了风电机组参与调频时受双向功率约束的影响。以某风电场24h实测数据，在连续频率扰动过程中仿真分析了风电机组的双向可调频功率约束，以及对调频效果的影响。
本文研究为风电机组参与长周期持续调频提供了理论依据，尤其是对含高渗透风电系统的一次调频研究具有一定的参考价值。
图5 双馈风电机组转速调频控制结构
图6 仿真系统模型
双馈风电机组通过转速控制预留了部分功率而具有双向的调频能力，在长周期持续频率扰动过程中，风电机组参与系统一次调频能够有效地提高系统的频率质量，并得出如下结论：
1）风电机组的双向可调频功率受功率预留系数和最大调节功率约束，预留功率获得可向上的调频功率的同时也压缩了可向下的调频功率。因此，设计功率预留系数时应综合考虑风电机组的双向调频功率约束的影响。
2）受风电机组的双向调频功率约束的影响，在长周期持续调频过程中，存在风电机组不能够按整定调差系数提供调频功率的情况，导致调频效果退化，实际调差系数升高。
3）风电机组参与调频不可避免地发生弃风现象，合理的功率预留系数能够实现提高频率质量和减少弃风的双重目标优化。
4）本文主要从理论上分析双馈风电机组在转子转速控制策略下参与系统长周期持续调频的能力与调频效果，仿真结果是在所设计算例的风速和等效负荷波动的初始条件下获得的，实际工程的应用需要进一步完善。