摘要：随着风力发电对电网的渗透不断地增加，这给电力系统安全稳定运行带来了一系列的挑战，尤其是在有功功率控制方面。风电场调频的目的是当电网频率发生变化时，同步发电机会响应这种变化，风电场也会迅速改变其输出有功功率并参与频率恢复过程。与同步发电机相比，由于风的随机性，风电场的频率调节将更难以实现。本文针对风电场一次调频控制策略进行了分析。
关键词：一次调频；惯性控制；转速控制
一、风电机组参与一次调频的基本原理
在电力系统中，通过平衡发电机发电量与负荷需求之间的关系来控制频率。当发电机突然发生故障或接入大型负载时，系统频率开始跌落，其跌落速度取决于系统的转动惯量，此时发电厂需提供额外的频率响应，即一次和二次调频。一次调频是有差调节，由发电机自动调速器提供额外输出功率，限制电网频率的变化，持续时间为10~30s；二次调频采用慢速调频控制环节将频率恢复到额定值，持续时间为30s~30min，为无差调节。随着变速风电机接入的增加，系统的转动惯量降低，响应系统频率变化的能力下降。但风机转子中旋转的动能较为可观，通过调整转子转速控制策略，使机组能够响应系统频率的变化，具备类似于传统机组的惯性响应特性，其惯性时间约为2~6s。当频率偏差超过一定限值时，通过变速系统调节机组出力，从而参与系统的一次调频，为系统频率提供频率支撑。
二、双馈风电机组的调频策略
2.1惯性控制
转子惯性控制（Inertialcontrol）是风电机组运行过程中，通过改变机组转子侧变流器的电流给定，控制转子速度发生临时性变化情况时短时释放/吸收风电机组旋转质体所存储的部分动能，以快速响应系统频率的暂态变化。
对于同步发电机，当电网频率下降时，同步机转速降低，旋转动能释放。对于风电场，需要附加额外的控制环节，如图1所示，需要添加功率控制，以在电网频率偏移期间利用存储在风机叶片以及转子中的动能。风机具有的旋转动能E可由转子转速ω和转动惯量J表示为
所释放的功率与等效转动惯量J、转子转速ω和转子转速的变化率dω/dt有关。对于耦合电网频率变化，式（2）中的dω/dt由惯性控制回路的电网频率变化率dfgrid/dt代替，如图1所示。式（2）中的系数J、ω可以用作控制系数Kic。利用风机转子转速ω，从DFIG的功率-转速特性曲线获得最优功率信号Popt。当电网频率改变时，惯性控制回路负责将附加的功率调节信号ΔPic发送到参考功率Pref。Pref和Pmea之间的功率误差信号Perr由转子侧变流器控制，调节发电机转子电流Iqr。在DFIG控制器中增加一个辅助控制回路，使叶片惯性响应支持电网中的一次频率控制。
2.2桨距角控制
桨距角控制（Pitchanglecontrol）是通过改变桨叶的迎风角度限制风机输入的机械能量，使其处于最大功率点之下的某一运行点，从而留出一定的备用容量。在风况一定的情况下，桨距角越大，机组留有的备用容量也就越大。由于叶片桨距最初处于减载操作状态，风机可以根据系统调频需求提供更多的有功功率，帮助恢复频率。
在额定风速Vw=12m/s和特定风机叶片角度下，从风中获取的机械功率仅与DFIG转子速度相关，如图2所示。DFIGPAC设计用于输出不同桨距角的最大功率。不同桨距角下的最大功率随转子速度几乎呈线性变化。这条穿过图2中所有曲线的虚线是不同桨距角β和变化的转子速度ω的最大机械功率轨迹。对于Pmax随ω的变化，这种关系如式（5）所示。
DFIG下垂特性被认为与同步电机相同。因此，当系统负荷增加时，风电场可以像同步电机一样参与负荷分配。电网频率恢复的PAC方案如图3所示。
风力风机的机械功率参考Pref由初始机械功率Pmo和补偿功率ΔP决定。补偿功率与风力发电场的下垂特性和电网频率变化Δf有关。如果系统频率下降，风电场预计产生的补偿功率由下列公式给定：
式中，fref是稳态系统频率；fgrid是测量的系统频率。
参考文献
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论文作者:潘福明
论文发表刊物:《电力设备》2019年第15期
论文发表时间:2019/12/9
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