摘要：随着风电快速发展，大规模并网的风电机组对电力系统的稳定运行造成较大的影响。风电机组并网规模日益扩大，意味着未来将会有部分原来在电力系统运行的常规发电机组退出运行。本文中的风电机组分别在最大功率点跟踪模式和限功率模式下运行，采用惯量控制和下垂控制两种方法参与电网频率支撑。搭建了传统发电机组和风电机组模型，通过半实物仿真实验对控制策略进行了验证。实验结果表明，风电机组采用这两种控制方法能够对电网频率动态特性进行有效改善。
关键词：风力发电；频率支撑；惯量控制；下垂控制；半实物仿真实验
风电在电力系统的渗透率日益提高，导致电网惯量逐渐降低，对电网的稳定运行提出了挑战。由于风机本身不具备类似传统发电机的频率调节辅助功能，因此风电机组的调频控制策略成为当前风力发电研究的热点。现阶段的风电场以变速恒频风电机组为主，为实现对风能的高效利用，风电机组通过全功率变换器在最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）模式运行。在这种模式下，风电机组转子转速与电网频率实现解耦，风电机组的有功输出与转子转速只跟随风速变化，对电网频率变化不做响应，没有留有功率储备，因此无法在电网频率发生跌落时提供类似常规发电机组的调频辅助功能。
针对该问题，为了使变速风电机组在电网频率发生跌落时发出更多有功功率，对电网频率起到支撑作用，本文采用变速风电机组分别处于MPPT模式和限功率模式，采用惯量控制和下垂控制两种方法进行控制。风电机组的限功率模式是通过限制风机的输出功率，使风机输出功率低于当前风速对应的最大可能输出功率，留有一定的功率储备，在电网频率发生跌落时通过控制风机释放出预留的功率，对电网频率进行支撑。与MPPT模式相比，限功率模式的风电机组输出功率可以在一定范围内根据需要灵活地改变，但是降低了风能利用系数。
本文介绍了风电机组的MPPT和限功率两种运行模式，风机参与电网频率支撑时采用惯量控制和下垂控制两种方法，提出了风机参与频率支撑时输出功率的计算方法。对传统的发电机组和变速风电机组进行了建模，通过半实物仿真实验对风电机组分别在MPPT和限功率两种模式下，采用惯量控制和下垂控制在电网频率发生跌落时参与频率支撑进行了研究。
1风电机组的MPPT和限功率运行模式
风轮吸收风能所获得的气动功率：
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式中，ρ是空气密度；S是风轮扫过的面积；v是风速；Cp是风能利用系数，它是叶尖速比λ和桨距角β的函数；叶尖速比λ的表达式为：
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式中，ω是风轮转速；R是风轮半径。
1.1风机MPPT模式运行
本文采用最优叶尖速比法来实现风机的MPPT模式运行。当桨距角β为定值时，为了使风机得到的气动功率是此状态下的最大值Pwmax，控制叶尖速比跟踪最优叶尖速比λopt，使风能利用系数为最大风能利用系数Cpmax。
1.2风机限功率模式运行
风电机组限功率模式运行时，通过控制风机输出功率低于当前风速对应的最大输出功率，通常采用改变风机的桨距角β来实现。桨距角β改变风轮捕获的风能进而改变风机的输出功率，β通过PI控制器求得，控制器的输入是风机转速的实际值ω和目标值ωref的差值。β的控制策略如下：
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图1桨距角控制策略
当风机处于MPPT模式时，控制中的ωref值为额定转速，而风机处于限功率模式时，控制中的ωref不再为1，需要通过风机的最优机械特性曲线和风机输出功率的目标值来求取。
2风机参与频率支撑的控制方法
目前风电机组参与频率支撑的控制方法主要有两种：惯量控制和下垂控制。
2.1惯量控制
在传统发电厂中，同步发电机组在电网频率跌落时会立即从转子中释放能量。储存在转子中的动能E的表达式为：
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图2惯量控制流程图
图2中，Pb是风电机组进行下垂控制开始时刻的输出功率，Pout是风电机组进行惯量控制后输出功率的目标值。
2.2下垂控制
在传统发电厂，同步发电机负载变化时可以通过具有下垂特性的调速器来调节发电机转子转速，该特性可用下式表示：
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图3下垂控制流程图
图3中，Pb是风电机组进行下垂控制开始时刻的输出功率，Pout是风电机组进行下垂控制后输出功率的目标值。
电网频率发生跌落，风电机组在MPPT模式下参与频率支撑时，由于风机转速一直降低，为了防止风机因转速过低而脱网停机，所以需要对频率支撑时间进行限制。
3半实物仿真实验
为了对提出的控制策略进行验证，本文搭建了传统同步发电机组和风电机组并联为负载供电的仿真实验模型，其中传统同步发电机组模型带有励磁系统和调速器。励磁系统模型参考文献的内容；调速器由水轮机组和伺服电机组成，模型参考文献的内容；同步机组的机端额定电压为13.8kV，额定输出功率为200MVA，电网额定频率为50Hz，模型参考文献的内容。风电机组是由20台额定功率为2MW的永磁直驱型风机组成，额定风速为12.5m/s，风机组输出功率的最大变化率为额定功率的10%，即4MW/s。
本文实验是在ModelingTech电力电子仿真实验平台进行的，如图4所示。把在半实物仿真实验平台得到的实验数据用Matlab绘制出来，然后进行对比分析。
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图4半实物仿真实验平台
在本文实验中，传统同步发电机组和风电机组为130MW的负载供电，同步发电机组输出功率为108MW，风电机组输出功率为22MW，当风电机组运行在MPPT模式时，风速设为恒定值10m/s；当风电机组运行在限功率模式时，风速设为12m/s，通过对桨距角β的控制使风机输出功率也为22MW。在系统运行到20s时，负载由130MW突增到150MW，采用惯量控制和下垂控制对电网频率进行支撑。
结语：
文中分析了风电机组分别在MPPT模式和限功率模式运行，通过惯量控制和下垂控制方法对电网频率进行支撑，搭建传统同步发电机组和风电机组的仿真实验模型，通过半实物仿真实验验证控制策略的有效性。
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