摘要：频率是衡量电能质量的重要指标之一，大规模风电并网对电网的频率稳定提出了更大的挑战。为了深入挖掘风电机组的调频潜力，提出了基于惯性和变桨协调的一次调频控制策略。一方面，在常规控制环节中增加虚拟惯性控制和下垂控制；另一方面，通过变桨距控制使风电机组实现减载运行，从而保留部分有功
功率作为备用。通过仿真分析验证了在所提控制方案下，变速风电机组利用其可控的调频能力，不仅能够有效支持系统惯性，减小系统扰动初期频率的变化率，并可按照整定的静态频率特性，提高系统的静态频率稳定性。
关键词：变速风电机组；惯性；一次调频；特性研究；
由于变速风电机组在正常运行时一般处于最大风能追踪控制模式下，输出的有功已经达到可利用风能的最大值，当系统频率降低时，不能提供持续、稳定的额外有功支撑。随着变速风电机组接入电网比重越来越大，必然会替代一部分常规发电机组，使系统转动惯量下降，备用功率减少，对系统频率的稳定产生不利影响。因此，随着风电并网容量的增加，越来越多的电力公司，如德国、英国电力公司要求风力发电机组能够像常规机组一样参与系统频率控制，提高系统运行的安全性和稳定性。合理解决变速风电机组的频率控制问题，使风电机组具有可控的惯性响应及一次调频能力以满足电网需求，将是未来风电场调频技术需要继续开发的方向。为完善风电场的频率调整能力，本文通过分析风电机组的虚拟惯性和一次调频特性，提出追踪最大功率点轨迹的减载运行方案，为预留调频所需备用容量以及两种控制的结合提供解决方法；并通过引入桨距静调差系数，改进传统桨距系统，在频率调整期间调节风力机捕获的机械功率，使风电场一次调频具备可控的静态频率特性；进一步利用所提减载运行方案，最终提出风电机组的虚拟惯性与一次调频有机结合的综合控制策略。
1 变速风电机组的功率控制
双馈风电机组和永磁直驱风电机组已成为目前大型风电场的主力机型，图1 为两种变速风电机组的并网结构图。两种机型均普遍采用由全控型器件构成的背靠背双PWM 变流器拓扑结构，以减少变流器谐波污染，提高故障穿越性能，从而改善风电的并网性能。变速风电机组以最大功率跟踪为控制目标，采用矢量控制技术实现风电机组有功、无功解耦。双馈风电机组和永磁直驱风电机组分别通过电机转子侧和定子侧变流器实现最大风能捕获，提高能源利用效率。
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图1 变速风电机结构图
常规发电机组的惯性响应是固有不可控的，一次调频则按照整定的静态频率特性通过调速器调节原动机机械功率完成。然而，变速风电机组对电网的频率支持需同时实现惯性与一次调频两个控制目标，使其具备与常规发电机组相似的频率响应特性，才能有效解决高风电渗透率电网内有功不平衡引起的频率稳定问题。
2 变速风电机组的频率特性及综合调频控制
2.1 虚拟惯性控制
电力系统的惯量反映了系统阻止频率突变的能力，从而使发电机有足够的时间调节发电功率重建功率平衡。变速风电机组的惯性控制需要在频率突变时，快速调节电磁功率，控制机组释放或储存旋转动能，实现对系统的惯性支持。由电力电子变流器控制的风电机组不能自动提供惯性支持，但可以通过其快速的有功调节特性虚拟出比自身固有惯量更大的虚拟惯量。
针对变速风电机组的两种主流机型，虽然双馈和直驱永磁机组的拓扑结构以及风力发电机的运行原理不同，但机组实现有功控制的原理及变流器控制系统设计十分相似，均采用最大功率跟踪控制提高风能利用率。二者功率跟踪的原理仍是相同的，但其控制器安装于变流器的位置不同，如双馈机组是通过发电机转子侧变流器实现功率跟踪，而永磁机组则通常装于定子侧变流器。变速风电机组通过切换功率跟踪曲线优化功率跟踪特性的虚拟惯性控制方法，能够使机组对系统提供有效的惯性支持。
2.2 减载及一次调频特性分析与控制
2.2.1 减载控制
对于系统频率调整(20s以上)，风电机组应根据电网要求的静态频率特性，持续调节风力机捕获的机械功率，完成一次调频。为实现惯性与一次调频的综合控制，风电机组需减载运行为频率调整提供必要的备用容量，并且减载后风电机组的运行特性还需适于采用虚拟惯性控制。由于变速风电机组通过改进最大功率跟踪控制，切换功率跟踪曲线，能够实现可控的惯性响应，因此本文提出一种减载运行下的最大功率跟踪控制方案。该控制方案根据不同风况，通过增加桨距角为一次调频预留合理的备用容量，并利用风力机特性，进一步确定减载后功率跟踪曲线比例系数，使机组仍追踪最大功率点轨迹，从而实现虚拟惯性控制。
2.2.2 一次调频特性分析及控制
电力系统的静态频率特性反映了系统一次调频的能力。变速风电机组参与一次频率调整，可有效分担引起系统频率变化的不平衡功率，但需整定出合理的静态频率特性。静调差系数大小对维持系统频率稳定具有重要影响。静调差系数越小，发电机组调频能力越强，更易保证频率稳定，但实际运行中，过小的调差系数可能导致系统内各发电机组间负荷分配不合理，使机组调速系统无法稳定运行。因此系统一次调频需对静调差系数合理整定。与传统汽轮机调速器根据系统频率变化调节汽门开度类似，变速风电机组可通过调节桨距角实现机械功率控制，改善其功频静特性。
2.3 频率综合控制策略
变速风电机组的频率综合控制结构共分为三个控制模块：①虚拟惯性控制模块，通过切换功率跟踪曲线实现风电机组可控的惯性响应，降低系统频率扰动初期的变化率；②减载控制模块，在已知减载水平条件下，求出减载运行对应的桨距角，为响应频率跌落提供有功备用；③一次调频控制模块，通过桨距静调差系数调节桨距角，整定风电机组的静调差系数f，分担系统不平衡功率，进行一次调频。
导致风电机组在调频过程中失稳的主要因素是，系统频率跌落过程中有功输出增加，容易引起风力机转速降低到切入速度以下，使机组失去运行点而出现停车故障。虚拟惯性控制通过限制跟踪曲线变化，保证了机组始终具备稳定运行点，而一次调频控制过程中，桨距角逐渐减小，使风力机特性曲线以及运行点上移，仍可有效避免转速过低。此外，桨距角减小，可使风力机转速增加，有利于惯性响应后，最大功率跟踪状态的恢复。因此，本文所提一次调频控制对虚拟惯性控制可以起到促进作用，二者共同作用下风电机组的暂态频率响应以及一次调频能力均可得到更好的改善。
3 仿真结果与分析
Bladed 是一款用于风电机组性能计算的集成化的软件包，目前在风力发电领域得到广泛应用，Bladed 模拟计算可使用任何实际的控制算法。本文基于laded搭建了2 MW高速永磁变速恒频风电机组模型，对上述提出的风电机组一次调频控制策略进行了仿真验证。主要参数为：空气密度1.15 kg/m3，风轮半径R=63.5 m，传动比G=97.18，发电机效率η =94.4%，额定功率Prate =2 000kW，额定风速8.5 m/s，λopt =10.2，Cp -max =0.484 75，切换转速ω1=670 r/min，切换转速ω2=1 194 r/min，切换功率P1=302 kW，切换功率P2=1 713 kW，惯性时间常数H=5 s，频率死区fd=0.2 Hz，减载百分比d %=10%。
通过Bladed 仿真表明，变速恒频风电机组采用该策略在不同风况下均能够提供10 %的备用调频容量，一次调频响应时间小于1 s。该方法具有较好的工程应用价值。
变速风电机组在所提控制方案下，不仅具有可控的惯性响应，并可根据电网频率调整需求，完成风电场的一次频率调整。
参考文献：
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