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摘要：为了深入挖掘双馈风电机组的调频潜力，提出了一种超速与变桨相协调的调频控制策略。本文就该控制策略根据不同的风速条件，将调频分为低风速、中风速和高风速3种模式，对其进行研究分析，希望能为同仁提供帮助。
关键词：双馈风电机组；频率控制；超速；变桨；协调控制
中图分类号：P425.4+6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）30-0010-01
1、引言
在部分风电穿越比例较高的发达国家，通常夜间时风电高发，超过了波谷负荷，造成了负电价。为了避免大量的经济损失和保障电网的稳定性，通常的做法是切除部分风电机组，这样做的弊端是风电机组频繁启停影响使用寿命。为了解决以上矛盾，许多国家正在研究使部分风电机组减载，减载的优势在于：第一，可在不切机情况下为系统留有部分备用，节约了常规备用的投资成本；第二，减载控制技术能够对系统的频率进行实时响应，保障了电网频率稳定性；第三，风电机组的变流器采用交流变频控制技术，功率控制速度比火电机组更快，能有效提升电力系统的动态稳定性。
对比超速与变桨技术，超速法在特定场合下具有以下优势：一是超速法替代变桨法时可减少频繁变桨对机械装置的磨损；二是转速控制基于交流变频控制技术，其控制速度远比桨距控制快。然而，超速法仅能单独应用于低风速的工况，这是因为在中高风速情况下，风电机组转子转速已接近甚至等于机组的最大转速上限，无法实现超速减载。此时，应配合使用变桨法进行协调控制，实现不受风速限制的减载控制。提出了转速控制与桨距控制的协调控制策略，但该策略无论在何种风速条件下都使桨距角与转速控制器同时动作，并没有根据不同的风速条件发挥超速和变桨各自的优势。本文主要研究的是低风速下采用超速法，中风速下超速和变桨协同作用，高风速下仅使用变桨法的控制策略。
2、超速控制和变桨控制原理
双馈风电机组的功率—转速特性曲线，各曲线代表了一定风速条件下不同桨距角时风电机组输出功率与转子转速间的关系。当风速固定为时，运行点1为MPPT点；运行点2是超速点，即让转子转速超越运行点1的转速，可以发现由于转速偏离了MPPT点，机组功率下降，实现了减载；运行点3是变桨点，即在运行点1基础上保持转速不变，将桨距角从增加至，可以发现由于桨距角增大，风电机组捕获的功率减小，从而机组输出功率下降，实现了减载。
3 超速与变桨协调的减载调频策略
基于减载技术的基本原理，本文提出一种超速和变桨协调的减载调频策略。该策略原则是：优先应用超速法，以期更快的调频响应速度；当超速法无法满足减载需求时，再启用变桨法。根据不同风速条件，可将控制策略分成低、中、高风速3种控制模式，定义减载水平，用d%表示，指在任意风速条件下，通过超速和变桨，让风电机组发出1-d%的有功出力。MPPT曲线即为d%=0时的减载曲线。
本文假设风电机组最初减载水平为d0%，MPPT曲线和d0%减载曲线所围成的区域就是有功控制区域。为了区分MPPT曲线和d0%减载曲线，将CD和画成2条直线，实际上，它们是重合的，都对应最大转子转速。
3.1 低风速控制模式
低风速模 式的风速范围为，～，为切入风速，为仅凭超速实现%减载的风速上限。因为当风速在临界风速下，减载曲线上的点功率是MPPT曲线上B点功率的1-%，对应转子转速上限。该模式的控制可行区域为ABBA所围成的区域。在该区域内，由于发电机转速较低，独立的超速控制即可满足%减载。在某低风速下，风电机组初始减载运行于X点，通过转速调节增加有功出力，最后运行于L点，XX曲线是该风速下曲线的一部分。
3.2 中风速控制模式
中风速模式的风速范围为～，为超速法可用范围的风速上限。因为当风速在临界风速下，减载曲线的C′点功率是MPPT曲线C点功率的1-%，然而C′和C点对应的转子转速相等，即如果风速大于，无法实现风电机组超速减载。该模式的控制可行区域是BCB′所围成的区域，此时仅依靠超速无法达到%减载。这是因为风电机组的转速已接近或达到最高转速上限，超速控制无法满足减载需求，需要配合变桨控制实现减载。风电机组初始减载运行于Y′点，控制后运行于M点。由于超速和变桨同时作用，故YY′可简化为直线。
3.3 高风速控制模式
高风速模式的风速范围为～，为切出风速。该模式的控制可行区域为线段C′D。此时受到风速和最高转速上限的限制，只能采用变桨法。风电机组初始减载运行于Z′点，控制后运行于H点。由于转速不变，故ZZ′是一条与纵轴平行的直线。
4 辅助调频控制器设计
进行减载控制的最终目标是实现更高效的辅助调频控制。基于双馈风电机组的控制特性，一种可能的辅助调频控制器的控制框图。输入量为转子转速、风速和电网频率f共3个测量，以及根据实际系统需要给定的初始减载水平%。输出量是桨距角β和转子侧控制器的参考有功功率共2个控制量。
该控制器继承并发展了传统双馈机组的MPPT控制器及桨距控制器的固有功能，向转子侧控制器与桨距角控制器发送考虑减载调频的参考有功功率给定值和桨距角给定值，以实现高效的辅助调频控制。
该辅助调频控制器由4个主要控制环节组成：风速模式判定环节、超速控制环节、桨距控制环节和頻率响应特性模拟环节。其控制过程如下：
1）风速模式判定环节根据当前的风速与指定的初始减载水平判断适宜采用的风速模式（低风速、中风速、高风速模式）。
2）在中、低风速模式下，超速控制环节计算得到双馈机组的参考转子转速，通过比例—积分（PI）控制器和频率响应特性模拟环节设置调节电磁功率，以实现减载操作。
3）在中、高风速模式下，桨距控制环节调整β，以调节机械功率，实现风电机组转速接近最高转速上限时的减载操作。
4）当系统频率发生变化时，频率响应特性模拟环节可模拟类似于同步机的频率响应特性———频率下降时发电机有功出力增加，频率上升时发电机有功出力减少。频率响应特性模拟环节与超速控制环节共享数据，前者为后者提供有功出力增量，后者为前者提供稳态负荷参考值。当系统频率下降时，需要让风电机组提高有功出力，该辅助调频控制器会调节参考转子转速使转子转速降低，或让桨距角减小。
5、结束语
本文提出一种基于超速和变桨协调的频率控制策略，得到了：减载可以通过超速法和变桨法实现，由于超速法具有控制速度快、机械磨损小等特点，本文所设计控制器优先使用超速法。仅在超速法无法满足有功控制需求时，再使用变桨法，进而将2种减载技术结合起来，发挥各自优势。
参考文献：
[1] 韩民晓，崔军立，姚蜀军. 大量风电引入电网时的频率控制特性[J]. 电力系统自动化. 2008（01）
[2] 王伟胜，范高锋，赵海翔. 风电场并网技术规定比较及其综合控制系统初探[J]. 电网技术. 2007（18）
[3] 关宏亮，迟永宁，王伟胜，戴慧珠，杨以涵. 双馈变速风电机组频率控制的仿真研究[J]. 电力系统自动化. 2007（07）
关键词：双馈风电机组；频率控制；超速；变桨；协调控制
中图分类号：P425.4+6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）30-0010-01
1、引言
在部分风电穿越比例较高的发达国家，通常夜间时风电高发，超过了波谷负荷，造成了负电价。为了避免大量的经济损失和保障电网的稳定性，通常的做法是切除部分风电机组，这样做的弊端是风电机组频繁启停影响使用寿命。为了解决以上矛盾，许多国家正在研究使部分风电机组减载，减载的优势在于：第一，可在不切机情况下为系统留有部分备用，节约了常规备用的投资成本；第二，减载控制技术能够对系统的频率进行实时响应，保障了电网频率稳定性；第三，风电机组的变流器采用交流变频控制技术，功率控制速度比火电机组更快，能有效提升电力系统的动态稳定性。
对比超速与变桨技术，超速法在特定场合下具有以下优势：一是超速法替代变桨法时可减少频繁变桨对机械装置的磨损；二是转速控制基于交流变频控制技术，其控制速度远比桨距控制快。然而，超速法仅能单独应用于低风速的工况，这是因为在中高风速情况下，风电机组转子转速已接近甚至等于机组的最大转速上限，无法实现超速减载。此时，应配合使用变桨法进行协调控制，实现不受风速限制的减载控制。提出了转速控制与桨距控制的协调控制策略，但该策略无论在何种风速条件下都使桨距角与转速控制器同时动作，并没有根据不同的风速条件发挥超速和变桨各自的优势。本文主要研究的是低风速下采用超速法，中风速下超速和变桨协同作用，高风速下仅使用变桨法的控制策略。
2、超速控制和变桨控制原理
双馈风电机组的功率—转速特性曲线，各曲线代表了一定风速条件下不同桨距角时风电机组输出功率与转子转速间的关系。当风速固定为时，运行点1为MPPT点；运行点2是超速点，即让转子转速超越运行点1的转速，可以发现由于转速偏离了MPPT点，机组功率下降，实现了减载；运行点3是变桨点，即在运行点1基础上保持转速不变，将桨距角从增加至，可以发现由于桨距角增大，风电机组捕获的功率减小，从而机组输出功率下降，实现了减载。
3 超速与变桨协调的减载调频策略
基于减载技术的基本原理，本文提出一种超速和变桨协调的减载调频策略。该策略原则是：优先应用超速法，以期更快的调频响应速度；当超速法无法满足减载需求时，再启用变桨法。根据不同风速条件，可将控制策略分成低、中、高风速3种控制模式，定义减载水平，用d%表示，指在任意风速条件下，通过超速和变桨，让风电机组发出1-d%的有功出力。MPPT曲线即为d%=0时的减载曲线。
本文假设风电机组最初减载水平为d0%，MPPT曲线和d0%减载曲线所围成的区域就是有功控制区域。为了区分MPPT曲线和d0%减载曲线，将CD和画成2条直线，实际上，它们是重合的，都对应最大转子转速。
3.1 低风速控制模式
低风速模 式的风速范围为，～，为切入风速，为仅凭超速实现%减载的风速上限。因为当风速在临界风速下，减载曲线上的点功率是MPPT曲线上B点功率的1-%，对应转子转速上限。该模式的控制可行区域为ABBA所围成的区域。在该区域内，由于发电机转速较低，独立的超速控制即可满足%减载。在某低风速下，风电机组初始减载运行于X点，通过转速调节增加有功出力，最后运行于L点，XX曲线是该风速下曲线的一部分。
3.2 中风速控制模式
中风速模式的风速范围为～，为超速法可用范围的风速上限。因为当风速在临界风速下，减载曲线的C′点功率是MPPT曲线C点功率的1-%，然而C′和C点对应的转子转速相等，即如果风速大于，无法实现风电机组超速减载。该模式的控制可行区域是BCB′所围成的区域，此时仅依靠超速无法达到%减载。这是因为风电机组的转速已接近或达到最高转速上限，超速控制无法满足减载需求，需要配合变桨控制实现减载。风电机组初始减载运行于Y′点，控制后运行于M点。由于超速和变桨同时作用，故YY′可简化为直线。
3.3 高风速控制模式
高风速模式的风速范围为～，为切出风速。该模式的控制可行区域为线段C′D。此时受到风速和最高转速上限的限制，只能采用变桨法。风电机组初始减载运行于Z′点，控制后运行于H点。由于转速不变，故ZZ′是一条与纵轴平行的直线。
4 辅助调频控制器设计
进行减载控制的最终目标是实现更高效的辅助调频控制。基于双馈风电机组的控制特性，一种可能的辅助调频控制器的控制框图。输入量为转子转速、风速和电网频率f共3个测量，以及根据实际系统需要给定的初始减载水平%。输出量是桨距角β和转子侧控制器的参考有功功率共2个控制量。
该控制器继承并发展了传统双馈机组的MPPT控制器及桨距控制器的固有功能，向转子侧控制器与桨距角控制器发送考虑减载调频的参考有功功率给定值和桨距角给定值，以实现高效的辅助调频控制。
该辅助调频控制器由4个主要控制环节组成：风速模式判定环节、超速控制环节、桨距控制环节和頻率响应特性模拟环节。其控制过程如下：
1）风速模式判定环节根据当前的风速与指定的初始减载水平判断适宜采用的风速模式（低风速、中风速、高风速模式）。
2）在中、低风速模式下，超速控制环节计算得到双馈机组的参考转子转速，通过比例—积分（PI）控制器和频率响应特性模拟环节设置调节电磁功率，以实现减载操作。
3）在中、高风速模式下，桨距控制环节调整β，以调节机械功率，实现风电机组转速接近最高转速上限时的减载操作。
4）当系统频率发生变化时，频率响应特性模拟环节可模拟类似于同步机的频率响应特性———频率下降时发电机有功出力增加，频率上升时发电机有功出力减少。频率响应特性模拟环节与超速控制环节共享数据，前者为后者提供有功出力增量，后者为前者提供稳态负荷参考值。当系统频率下降时，需要让风电机组提高有功出力，该辅助调频控制器会调节参考转子转速使转子转速降低，或让桨距角减小。
5、结束语
本文提出一种基于超速和变桨协调的频率控制策略，得到了：减载可以通过超速法和变桨法实现，由于超速法具有控制速度快、机械磨损小等特点，本文所设计控制器优先使用超速法。仅在超速法无法满足有功控制需求时，再使用变桨法，进而将2种减载技术结合起来，发挥各自优势。
参考文献：
[1] 韩民晓，崔军立，姚蜀军. 大量风电引入电网时的频率控制特性[J]. 电力系统自动化. 2008（01）
[2] 王伟胜，范高锋，赵海翔. 风电场并网技术规定比较及其综合控制系统初探[J]. 电网技术. 2007（18）
[3] 关宏亮，迟永宁，王伟胜，戴慧珠，杨以涵. 双馈变速风电机组频率控制的仿真研究[J]. 电力系统自动化. 2007（07）