直驅(qū)風(fēng)機(jī)參與調(diào)頻時(shí)的控制策略案例分析目錄TOC\o"1-3"\h\u263直驅(qū)風(fēng)機(jī)參與調(diào)頻時(shí)的控制策略案例分析 1108731.1調(diào)頻控制策略綜述 1308191.2下垂控制 2215931.3下垂控制仿真分析 3169031.3.1接入變動(dòng)負(fù)荷 4154171.3.2切除變動(dòng)負(fù)荷 6276791.4小結(jié) 81.1調(diào)頻控制策略綜述近幾年來，全球化石能源逐漸短缺，安全、清潔、可靠的風(fēng)力發(fā)電得到了各個(gè)國家的重視。但是隨著大規(guī)模的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)，導(dǎo)致我國某些地區(qū)風(fēng)電功率占區(qū)域電網(wǎng)功率的百分比逐漸提高，系統(tǒng)與風(fēng)電場(chǎng)的作用機(jī)制越來越復(fù)雜，不利于系統(tǒng)的調(diào)頻和穩(wěn)定運(yùn)行，所以十分有必要去研究風(fēng)電場(chǎng)的調(diào)頻控制策略。直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械側(cè)和電氣側(cè)沒有耦合關(guān)系，全功率變頻器完全阻隔了機(jī)組轉(zhuǎn)子的動(dòng)能，使得風(fēng)電機(jī)組對(duì)系統(tǒng)頻率的變化沒有任何反應(yīng)，更無法對(duì)系統(tǒng)頻率做出調(diào)整，使其在正常的頻率范圍內(nèi)運(yùn)行。通常，風(fēng)速的大小和方向都是變化的，無法預(yù)知的，此時(shí)風(fēng)電機(jī)組一般在最大功率點(diǎn)處運(yùn)行，這樣可以十分有效的利用風(fēng)能，但卻沒有備用的有功功率，因此系統(tǒng)受到干擾導(dǎo)致頻率出現(xiàn)大的變化的時(shí)候，風(fēng)電機(jī)組無法對(duì)系統(tǒng)頻率進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。這將會(huì)使系統(tǒng)在增加負(fù)荷或減少負(fù)荷、出現(xiàn)運(yùn)行故障等各種不正常狀態(tài)時(shí)，頻率變化范圍更大，速度更快，極大降低運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。電力系統(tǒng)的頻率對(duì)電能的質(zhì)量有著重要的影響，是十分重要的參數(shù)，與電力設(shè)備及供電設(shè)備本身的安全和效率有著密切的關(guān)系。為了提高風(fēng)電機(jī)組對(duì)頻率變化的響應(yīng)能力使系統(tǒng)頻率相對(duì)穩(wěn)定，國內(nèi)發(fā)布的電網(wǎng)細(xì)則中明確指出風(fēng)電場(chǎng)必須要能參與到系統(tǒng)的調(diào)頻，提供和其他發(fā)電廠一樣的慣性響應(yīng)。下面討論兩種比較常用的風(fēng)電機(jī)組。第一種是鼠籠式恒速風(fēng)機(jī)，它有較好的調(diào)頻性能，和電網(wǎng)的耦合程度相比后一種較好，可以在遭遇擾動(dòng)導(dǎo)致頻率發(fā)生變化時(shí)，提供給系統(tǒng)一定的慣性支撐。相比之下，現(xiàn)在應(yīng)用比較廣泛的變速恒頻機(jī)組則沒有這一作用，必須在使用附加控制的前提下，才可以對(duì)頻率的波動(dòng)變化做出反應(yīng)。通常我們采用的方法有：有功功率控制和附加儲(chǔ)能控制。本文主要分析有功功率控制中的轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制的原理，優(yōu)缺點(diǎn)。附加儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能方式多種多樣,常用的有飛輪儲(chǔ)能,超導(dǎo)儲(chǔ)能等，本文不做詳細(xì)分析。而對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)能進(jìn)行控制主要的措施有下垂控制、虛擬慣量控制和擁有兩者的優(yōu)點(diǎn)的綜合控制。下面主要對(duì)下垂控制策略的原理進(jìn)行詳細(xì)說明，并在PSCAD中進(jìn)行仿真驗(yàn)證。1.2下垂控制下垂控制又被稱為比例控制或者斜率控制。該控制方法通過控制系統(tǒng)使得風(fēng)電機(jī)組的有功出力和系統(tǒng)頻率聯(lián)系起來。通過檢測(cè)裝置來檢測(cè)發(fā)電機(jī)組有功出力，利用函數(shù)關(guān)系把有功出力轉(zhuǎn)換為頻率的控制量。這樣，我們就可以在頻率波動(dòng)時(shí)，根據(jù)頻率的上升下降情況，來調(diào)節(jié)風(fēng)電機(jī)組輸出的有功功率，從而參與到系統(tǒng)頻率的調(diào)整。圖4-1是下垂控制中風(fēng)電機(jī)組輸出的有功功率和系統(tǒng)頻率的關(guān)系曲線，曲線是一條直線。下垂控制通過在有功的參考值上加入附加有功功率?Pdr圖4-1下垂控制頻率曲線當(dāng)系統(tǒng)的頻率上升或者下降時(shí)，頻率變化的差值將直接決定附加有功功率的數(shù)值，控制圖如圖4-2所示。當(dāng)頻率的差值超過設(shè)定的值時(shí)，下垂控制就會(huì)動(dòng)作產(chǎn)生附加有功進(jìn)行頻率的調(diào)整。下垂控制產(chǎn)生的有功功率附加值計(jì)算式為：?式(4-1)中，R為下垂控制環(huán)節(jié)的系數(shù)：fnom圖4-2下垂控制的結(jié)構(gòu)框圖在系統(tǒng)的頻率上升或下降時(shí)，下垂控制系數(shù)的數(shù)值將決定有功輸出的變化量。下垂控制系數(shù)一般為固定值，那么由式（4-1）得下垂控制輸出的有功功率和頻率的差值為正比例關(guān)系。所以，在頻率變化較大導(dǎo)致頻率的偏差（?f）較大時(shí)，下垂控制也會(huì)輸出相應(yīng)較大的有功功率。當(dāng)系統(tǒng)的頻率下跌到最低值時(shí)，相應(yīng)輸出的有功也會(huì)達(dá)到最大值。在系統(tǒng)頻率變化的初期，?f相對(duì)較小，此時(shí)下垂控制輸出的有功功率值也會(huì)較小，系統(tǒng)的調(diào)頻性能不是很好。由于風(fēng)速的隨機(jī)性，式（4-1）中的控制系數(shù)R如果為固定值，下垂控制在?f較小時(shí)，風(fēng)機(jī)參與系統(tǒng)調(diào)頻的力度有限，文獻(xiàn)[14-15]提出了控制系數(shù)R變化的控制方法，調(diào)頻效果較好，本文主要討論下垂系數(shù)固定的情況。1.3下垂控制仿真分析上文已經(jīng)敘述了下垂控制的原理和結(jié)構(gòu)框圖。下面我們?cè)诜抡孳浖懈鶕?jù)所建立的風(fēng)電機(jī)組模型，結(jié)合調(diào)頻策略，對(duì)系統(tǒng)頻率進(jìn)行調(diào)整。在搭建的模型中，100臺(tái)單機(jī)為2MW的直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組構(gòu)成了風(fēng)電場(chǎng)，將其等值為單臺(tái)容量為200MW風(fēng)電機(jī)組。整個(gè)系統(tǒng)由直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組和交流電源共同為負(fù)荷供電，交流電源的電壓為220kV,容量為200MVA，頻率為50Hz。直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的參數(shù)如表4-1所示。整個(gè)仿真系統(tǒng)如圖4-3所示。圖4-3仿真模型參數(shù)數(shù)值額定容量200MVA機(jī)端電壓690V風(fēng)電機(jī)組總數(shù)100臺(tái)單機(jī)容量2MVA表4-1直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組參數(shù)圖中的負(fù)荷由兩部分組成，一部分是固定負(fù)荷PL1+Q1.3.1接入變動(dòng)負(fù)荷圖4-4不加控制策略在3s時(shí)接入變動(dòng)負(fù)荷，導(dǎo)致系統(tǒng)有功功率不再平衡，系統(tǒng)頻率下跌。圖4-6為不加控制策略時(shí)頻率的變化曲線和風(fēng)機(jī)輸出有功功率的變化曲線，由圖可知頻率在3s時(shí)下降，最低值為49.42Hz,隨后頻率又恢復(fù)50Hz。在這個(gè)過程中風(fēng)電機(jī)組的有功出力幾乎不變，始終為200MW,風(fēng)機(jī)不參與系統(tǒng)的調(diào)頻，頻率的調(diào)整完全是由交流電源的作用而恢復(fù)正常值。下面我們?cè)陲L(fēng)力機(jī)組中加入下垂控制策略，再觀察頻率和風(fēng)機(jī)有功出力的情況。圖4-5下垂控制結(jié)構(gòu)圖圖4-6加入下垂控制策略加入下垂控制后，3s變動(dòng)負(fù)荷接入系統(tǒng)時(shí)，頻率的變化范圍明顯減小，頻率的其最低值為49.73Hz，相比不加控制策略的情況，頻率上升了0.31。通過下垂控制，風(fēng)電機(jī)組增加輸出有功功率來參與系統(tǒng)頻率的調(diào)節(jié)，使得頻率的變化范圍減少。在頻率恢復(fù)到正常水平后，風(fēng)電機(jī)組輸出的有功功率也逐漸恢復(fù)到200MW。1.3.2切除變動(dòng)負(fù)荷前面分析了加入變動(dòng)負(fù)荷時(shí)，頻率的變化曲線以及下垂控制對(duì)頻率的調(diào)節(jié)作用。下面我們分析切除變動(dòng)負(fù)荷的情況。圖4-7切除負(fù)荷不加控制策略仿真圖在系統(tǒng)運(yùn)行之初，把固定負(fù)荷PL1+Q下面分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組加上下垂控制后，頻率的變化情況。圖4-8切除負(fù)荷加入下垂控制的情況圖4-8為加入下垂控制后，風(fēng)電機(jī)組出力和系統(tǒng)頻率的變化情況。加入控制后，頻率上升的最大值為50.41Hz,相比沒有控制時(shí)的50.72Hz,有了明顯的下降。這是由于風(fēng)電機(jī)組在3s時(shí)，由于下垂控制的作用，風(fēng)電機(jī)組輸出的有功功率下降，參與了系統(tǒng)的調(diào)頻，增加了系統(tǒng)的慣性。1.4小結(jié)本章提出了直驅(qū)風(fēng)機(jī)參與調(diào)頻時(shí)的控制策略，對(duì)下垂控制方法和原理做了詳細(xì)的描述，并說明其優(yōu)缺點(diǎn)。并在PSCAD仿真軟件中搭建了直驅(qū)風(fēng)機(jī)和交流電源共同為負(fù)荷供電的仿真系統(tǒng)，在系統(tǒng)中接入固定負(fù)荷和變