风电场参与电网调频的多机协同控制策略

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.23068

摘要/Abstract

摘要：

目的考虑风电场中不同风况下风电机组参与一次调频能力的差异，在下垂控制和惯量控制策略的基础上，对机组的调频能力评估方法进行优化。方法提出了一种改进的多机组调频参考功率协同控制策略。结果引入多机组协同控制方法能够有效改善机组之间调频参考功率的分配，从而有效调节各机组参与系统一次调频的程度。在惯量控制和下垂控制的基础上引入改进的协同控制策略，依据机组在实际风况下运行的状态，评估机组能够有效参与一次调频的参考功率。引入调频能力系数能够实现调频功率参考值在各机组之间按能分配。结论协同控制策略能够有效保护风电机组转速，同时能够有效改善电网频率响应。

关键词: 风电场, 一次调频, 协同控制, 综合控制, 转速保护

Abstract:

Objectives Considering the difference of primary frequency regulation ability of wind turbines under different wind conditions in wind farms, the evaluation method of frequency regulation capability of wind turbines was optimized on the basis of sag control and inertia control strategy. Methods An improved multi-unit frequency modulation reference power cooperative control strategy was proposed. Results The introduction of multi-unit cooperative control method can effectively improve the distribution of frequency modulation reference power among units, thus effectively adjust the degree of each unit participating in the primary frequency regulation of the system. An improved cooperative control strategy was introduced on the basis of inertia control and sag control. According to the operation state of the unit under the actual wind condition, the reference power of the unit which can effectively participate in the primary frequency modulation was evaluated. The introduction of frequency modulation capability coefficient can realize the energy distribution of the reference value of frequency modulation power among units. Conclusions The cooperative control strategy can effectively protect the speed of wind turbine and improve the frequency response of power grid.

Key words: wind farm, primary frequency modulation, cooperative control, integrated control, speed protection

中图分类号:

TK 81

张小莲, 孙啊传, 郝思鹏, 许乐妍, 武启川. 风电场参与电网调频的多机协同控制策略[J]. 发电技术, 2024, 45(3): 448-457.

Xiaolian ZHANG, Achuan SUN, Sipeng HAO, Leyan XU, Qichuan WU. Multi-Machine Cooperative Control Strategy of Wind Farm Participating in Power Grid Frequency Modulation[J]. Power Generation Technology, 2024, 45(3): 448-457.

图/表 13

图1 风电参与一次调频模型

Fig. 1 Model of wind power participating in primary frequency modulation

图2 电网一阶频率响应模型

Fig. 2 First order frequency response model of power grid

图3 改进策略对风电机组转速的保护机理

Fig. 3 Protection mechanism of improved strategy for wind turbine speed

图4 多台风电机组协同控制框图

Fig. 4 Multi-wind turbine collaborative control block diagram

表1 风电机组模型参数

Tab. 1 Wind turbine model parameters

系统参数	数值
叶轮半径/m	20
切入(额定)风速/(m/s)	3(12)
叶轮额定转速/(rad/s)	3.457
转动惯量/(kg∙m²)	5.492×10⁵
最佳叶尖速比	5.8
最大风能利用系数	0.460 3
额定功率/MW	0.6

图5 风电场各机组运行湍流风速

Fig. 5 Turbulent wind speed of wind farm operations for each unit

图6 改进前后调频能力系数

Fig. 6 Frequency modulation capability coefficient before and after improvement

图7 恒风速改进前后频率响应

Fig. 7 Frequency response before and after constant wind speed improvement

图8 湍流风速改进前后频率响应

Fig. 8 Frequency response before and after turbulent wind speed improvement

表2 恒定风速下不同控制方式的频率响应改善对比

Tab. 2 Comparison of frequency response improvement of different control methods under the constant wind speed

控制策略	$f m i n$	$Δ f$
改进协同控制策略	49.811	0.189
传统调频控制策略	49.794	0.206

表2 恒定风速下不同控制方式的频率响应改善对比

Tab. 2 Comparison of frequency response improvement of different control methods under the constant wind speed

控制策略	$f m i n$	$Δ f$
改进协同控制策略	49.811	0.189
传统调频控制策略	49.794	0.206

表3 负荷波动10%情况下转速最大变化量

Tab. 3 Maximum change in speed under the load fluctuation of 10%

风速/(m/s)	转速初值/pu		转速最低值/pu		转速变化量/pu
风速/(m/s)	改进策略	传统策略	改进策略	传统策略	改进策略	传统策略
9	2.621	2.621	2.609	2.603	0.125 0	0.018 5
8	2.330	2.330	2.320	2.308	0.010 0	0.022 2
7	2.039	2.039	2.033	2.011	0.005 8	0.027 5
6	1.747	1.747	1.746	1.713	0.001 0	0.034 3

图9 恒定风速各台风电机组功率补偿量

Fig. 9 Power compensation of each wind turbine with the constant wind speed

图10 湍流风速各台风电机组功率补偿量

Fig. 10 Power compensation of each typhoon generator set for turbulent wind speed

参考文献 33

1	张子扬，张宁，杜尔顺，等．双高电力系统频率安全问题评述及其应对措施[J]．中国电机工程学报，2022，42(1)：1-25．
	ZHANG Z Y， ZHANG N， DU E S，et al ．Review and countermeasures on frequency security issues of power systems with high shares of renewables and power electronics[J]．Proceedings of the CSEE，2022，42(1)：1-25．
2	张旭，陈云龙，岳帅，等．风电参与电力系统调频技术研究的回顾与展望[J]．电网技术，2018，42(6)：1793-1803．
	ZHANG X， CHEN Y L， YUE S，et al ．Retrospect and prospect of research on frequency regulation technology of power system by wind power[J]．Power System Technology，2018，42(6)：1793-1803．
3	左强，李波，杨世海．大规模空调负荷参与新能源电力系统调频的无模型自适应控制方法[J]．电力科学与技术学报，2023，38(2)：224-231．
	ZUO Q， LI B， YANG S H ．Model-free adaptive frequency control of renewable energy power systems with participation of large-scale air conditioner loads[J]．Journal of Electric Power Science and Technology，2023，38(2)：224-231．
4	王颖，王晓文，陆铭阳．新能源高占比电力系统惯量相关问题研究[J]．东北电力技术，2023，44(2)：20-27． doi:10.3969/j.issn.1004-7913.2023.02.005
	WANG Y， WANG X W， LU M Y ．Research on inertia related problems of high proportion of new energy resources in power system[J]．Northeast Electric Power Technology，2023，44(2)：20-27． doi:10.3969/j.issn.1004-7913.2023.02.005
5	ARANI M F M ． MOHAMED Y A R I ．Analysis and mitigation of undesirable impacts of implementing frequency support controllers in wind power generation[J]．IEEE Transactions on Energy Conversion，2016，31(1)：174-186． doi:10.1109/tec.2015.2484380
6	刘洪波，彭晓宇，张崇，等．风电参与电力系统调频控制策略综述[J]．电力自动化设备，2021，41(11)：81-92．
	LIU H B， PENG X Y， ZHANG C，et al ．Overview of wind power participating in frequency regulation control strategy for power system[J]．Electric Power Automation Equipment，2021，41(11)：81-92．
7	李靖，王志和，倪浩．基于改进下垂控制的直流微网运行研究[J]．发电技术，2021，42(6)：765-774． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.21003
	LI J， WANG Z H， NI H ．Research on DC microgrid operation based on improved droop control[J]．Power Generation Technology，2021，42(6)：765-774． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.21003
8	刘辉，罗薇，苏懿，等．计及ROCOF与转子动能的风电机组自适应下垂控制策略[J]．电力工程技术，2023，42(6)：161-169． doi:10.12158/j.2096-3203.2023.06.017
	LIU H， LUO W， SU Y，et al ．Adaptive droop control strategy for wind turbines based on ROCOF and rotor kinetic energy[J]．Electric Power Engineering Technology，2023，42(6)：161-169． doi:10.12158/j.2096-3203.2023.06.017
9	李少林，王伟胜，张兴，等．风力发电对系统频率影响及虚拟惯量综合控制[J]．电力系统自动化，2019，43(15)： 64-70． doi:10.7500/AEPS20190103005
	LI S L， WANG W S， ZHANG X，et al ．Impact of wind power on power system frequency and combined virtual inertia control[J]．Automation of Electric Power Systems，2019，43(15)：64-70． doi:10.7500/AEPS20190103005
10	张怡，张秀强．双馈型风电系统虚拟惯量协同控制策略的研究[J]．机械设计与制造，2023(8)：259-264． doi:10.3969/j.issn.1001-3997.2023.08.053
	ZHANG Y， ZHANG X Q ．Research on virtual inertia cooperative control strategy of doubly-fed wind power system[J]．Machinery Design & Manufacture，2023(8)：259-264． doi:10.3969/j.issn.1001-3997.2023.08.053
11	VIDYANANDAN K V， SENROY N ．Primary frequency regulation by deloaded wind turbines using variable droop[J]．IEEE Transactions on Power Systems，2013，28(2)：837-846． doi:10.1109/tpwrs.2012.2208233
12	张祥宇，沈文奇，林毅，等．同步耦合双馈风机的虚拟惯量优化控制技术[J]．电网与清洁能源，2022，38(9)：126-133． doi:10.3969/j.issn.1674-3814.2022.09.016
	ZHANG X Y， SHEN W Q， LIN Y，et al ．Virtual inertia control optimization of synchronous coupled doubly-fed induction wind generator[J]．Power System and Clean Energy，2022，38(9)：126-133． doi:10.3969/j.issn.1674-3814.2022.09.016
13	林旭，李军，杨德健，等．基于功率轨迹预设的双馈风电机组虚拟惯量控制策略[J]．智慧电力，2023，51(10)：47-53． doi:10.3969/j.issn.1673-7598.2023.10.007
	LIN X， LI J， YANG D J，et al ．Virtual inertia control strategy for doubly-fed induction generator based on preset power trajectory[J]．Smart Power，2023，51(10)：47-53． doi:10.3969/j.issn.1673-7598.2023.10.007
14	张冠锋，杨俊友，孙峰，等．基于虚拟惯量和频率下垂控制的双馈风电机组一次调频策略[J]．电工技术学报，2017，32(22)：225-232．
	ZHANG G F， YANG J Y， SUN F，et al ．Primary frequency regulation strategy of DFIG based on virtual inertia and frequency droop control[J]．Transactions of China Electrotechnical Society，2017，32(22)：225-232．
15	YE H， PEI W， QI Z ．Analytical modeling of inertial and droop responses from a wind farm for short-term frequency regulation in power systems[J]．IEEE Transactions on Power Systems，2016，31(5)：3414-3423． doi:10.1109/tpwrs.2015.2490342
16	MORREN J， PIERIK J， DE HAAN S W H ．Inertial response of variable speed wind turbines[J]．Electric Power Systems Research，2006，76(11)：980-987． doi:10.1016/j.epsr.2005.12.002
17	何廷一，孙领，王晨光，等．避免频率二次跌落的风电场一次调频功率分配方法[J]．电力系统保护与控制，2022，50(11)：12-20．
	HE T Y， SUN L， WANG C G，et al ．A method of primary frequency regulation power distribution in a wind farm to avoid secondary frequency drop[J]．Power System Protection and Control，2022，50(11)：12-20．
18	张蕊，李晓明，高泽明，等．考虑风速差异的风电场调频备用协调控制策略[J]．电力建设，2023，44(2)：101-109．
	ZHANG R， LI X M， GAO Z M，et al ．Coordinated control of frequency-regulation reserve capacity for wind farm considering wind speed difference[J]．Electric Power Construction，2023，44(2)：101-109．
19	侍乔明，王刚，李海英，等．考虑调频能力的风电场虚拟惯量多机协同控制策略[J]．电网技术，2019，43(11)：4005-4017． doi:10.13335/j.1000-3673.pst.2019.0129
	SHI Q M， WANG G， LI H Y，et al ．Coordinated virtual inertia control strategy of multiple wind turbines in wind farms considering frequency regulation capability[J]．Power System Technology，2019，43(11)：4005-4017． doi:10.13335/j.1000-3673.pst.2019.0129
20	曾雪洋，张纯，王顺亮，等．基于减载系数变化的风电机组一次调频控制[J]．电力自动化设备，2022，42(8)：119-125．
	ZENG X Y， ZHANG C， WANG S L，et al ．Primary frequency control of wind turbine based on deloading coefficient variation[J]．Electric Power Automation Equipment，2022，42(8)：119-125．
21	陈宇航，王刚，侍乔明，等．一种新型风电场虚拟惯量协同控制策略[J]．电力系统自动化，2015，39(5)：27-33． doi:10.7500/AEPS20140212007
	CHEN Y H， WANG G， SHI Q M，et al ．A new coordinated virtual inertia control strategy for wind farms[J]．Automation of Electric Power Systems，2015，39(5)：27-33． doi:10.7500/AEPS20140212007
22	潘文霞，全锐，王飞．基于双馈风电机组的变下垂系数控制策略[J]．电力系统自动化，2015，39(11)：126-131． doi:10.7500/AEPS20140825011
	PAN W X，QUAN R，WANG F，A variable droop control strategy for doubly-fed induction generators[J]．Automation of Electric Power Systems，2015，39(11)：126-131． doi:10.7500/AEPS20140825011
23	丁磊，尹善耀，王同晓，等．考虑惯性调频的双馈风电机组主动转速保护控制策略[J]．电力系统自动化，2015，39(24)：29-34． doi:10.7500/AEPS20150529018
	DING L， YIN S Y， WANG T X，et al ．Active rotor speed protection strategy for DFIG-based wind turbines with inertia control[J]．Automation of Electric Power Systems，2015，39(24)：29-34． doi:10.7500/AEPS20150529018
24	郑金鑫．双馈风电机组的转速保护及协同调频研究[D]．济南：山东大学，2019．
	ZHENG J X ．Rotor speed protection and coordinated control of DFIG wind turbines[D]．Jinan：Shandong University，2019．
25	乔颖，郭晓茜，鲁宗相，等．考虑系统频率二次跌落的风电机组辅助调频参数确定方法[J]．电网技术，2020，44(3)：807-815． doi:10.13335/j.1000-3673.pst.2019.0467
	QIAO Y， GUO X Q， LU Z X，et al ．Parameter setting of auxiliary frequency regulation of wind turbines considering secondary frequency drop[J]．Power System Technology，2020，44(3)：807-815． doi:10.13335/j.1000-3673.pst.2019.0467
26	王学财．双馈风电机组虚拟惯量调频特性研究及动态转速保护策略[D]．济南：山东大学，2018． doi:10.1109/ciced.2018.8592065
	WANG X C ．Dynamic rotor speed protection for DFIG based wind turbines with virtual inertia control[D]．Jinan：Shandong University，2018． doi:10.1109/ciced.2018.8592065
27	LIN B， ZHANG X， BU J，et al ．A variable coefficient overspeed load shedding control for frequency regulation based on feedforward control[C]//2022 International Conference on Power Energy Systems and Applications (ICoPESA)．Singapore，IEEE，2022：122-130． doi:10.1109/icopesa54515.2022.9754419
28	蔡斌军，何雍，李朝旗．基于Boost变换器的D-PMSG风力发电系统MPPT控制[J]．微特电机，2023，51(3)：59-62． doi:10.3969/j.issn.1004-7018.2023.03.011
	CAI B J， HE Y， LI C Q ．D-PMSG wind power generation system MPPT control based on boost converter[J]．Small & Special Electrical Machines，2023，51(3)：59-62． doi:10.3969/j.issn.1004-7018.2023.03.011
29	李阳．风电机组参与电网一次调频的控制策略设计与实现[D]．南京：南京理工大学，2019．
	LI Y ．Design and implementation of control strategy for wind turbine participating in primary frequency regulation of power grid[D]．Nanjing：Nanjing University of Science and Technology，2019．
30	张小莲．风机最大功率点跟踪的湍流影响机理研究与性能优化[D]．南京：南京理工大学，2014．
	ZHANG X L ．Study on turbulence influence Mechanism and performance optimization of fan maximum power point tracking[D]．Nanjing：Nanjing University of Science and Technology，2014．
31	陈杰，龚春英，陈家伟，等．一种新型的风力发电全功率变流器[J] 电工技术学报，2012，27(11)：160-168．
	CHEN J， GONG C Y， CHEN J W，et al ．A novel full-size power converter for wind energy conversion system[J]．Transactions of China Electrotechnical Society，2012，27(11)：160-168．
32	周连俊，殷明慧，杨炯明，等．考虑变化湍流风速条件的风电机组改进自适应转矩控制[J]．电力系统自动化，2021，45(1)：184-191． doi:10.7500/AEPS20200603001
	ZHOU L J， YIN M H， YANG J M，et al ．Improved adaptive torque control for wind turbine considering varying turbulence conditions[J]．Automation of Electric Power Systems，2021，45(1)：184-191． doi:10.7500/AEPS20200603001
33	张正阳，殷明慧，李阳，等．考虑机组稳定约束的风机一次调频控制策略[J]．中国电机工程学报，2023，43(4)：1471-1481．
	ZHANG Z Y， YIN M H， LI Y，et al ．Turbine stability-constrained primary frequency control of wind turbine generator[J]．Proceedings of the CSEE，2023，43(4)：1471-1481．

[1]	易海, 吕宙安, 张伶俐, 陈希, 柳典, 黄雨薇, 韩星星, 许昌. 基于改进模糊C-均值聚类的陆上风电场集电线路回路划分与拓扑结构优化[J]. 发电技术, 2024, 45(4): 675-683.
[2]	唐平. 660 MW核电机组一次调频实验及动态特性仿真分析[J]. 发电技术, 2023, 44(6): 833-841.
[3]	王进钊, 严干贵, 刘侃. 基于交替方向隐式平衡截断法的直驱风电场次同步振荡分析的模型降阶研究[J]. 发电技术, 2023, 44(6): 850-858.
[4]	康佳乐, 余浩, 段瑶, 陈武晖, 王丹辉. 风电场次同步振荡等值建模方法研究[J]. 发电技术, 2022, 43(6): 880-891.
[5]	陈晓光, 杨秀媛, 王镇林, 王浩扬. 考虑多目标优化模型的风电场储能容量配置方案[J]. 发电技术, 2022, 43(5): 718-730.
[6]	张永蕊, 阎洁, 林爱美, 韩爽, 刘永前. 多点数值天气预报风速和辐照度集中式修正方法研究[J]. 发电技术, 2022, 43(2): 278-286.
[7]	杨舟, 杨仁炘, 施刚, 张建文. 一种用于多端直流输电系统交流故障穿越的新型控制策略[J]. 发电技术, 2022, 43(2): 268-277.
[8]	张智伟, 张建平, 刘明, 纪海鹏, 诸浩君, 周圣荻. 芦潮港海上风资源变化特性分析[J]. 发电技术, 2022, 43(2): 260-267.
[9]	徐彬, 薛帅, 高厚磊, 彭放. 海上风电场及其关键技术发展现状与趋势[J]. 发电技术, 2022, 43(2): 227-235.
[10]	李铮, 郭小江, 申旭辉, 汤海雁. 我国海上风电发展关键技术综述[J]. 发电技术, 2022, 43(2): 186-197.
[11]	刘厦, 孙哲, 仇梓峰, 胡炎. 基于简单线性迭代聚类优化的无人机图像去雾算法及其在风电场中的应用[J]. 发电技术, 2020, 41(6): 608-616.
[12]	朱月,沙俊民,赵静. 含不同机组风电场低电压穿越能力仿真研究[J]. 发电技术, 2020, 41(3): 328-333.
[13]	陈宇,彭潇,丁婧,王亚洲,邵敬平. 电动汽车参与风电场输出功率波动平抑方法研究[J]. 发电技术, 2019, 40(1): 91-98.
[14]	王羽. 风电出力时序特性及其对省级电网的影响[J]. 发电技术, 2018, 39(5): 475-482.
[15]	樊新东,杨秀媛,金鑫城. 风电场有功功率控制综述[J]. 发电技术, 2018, 39(3): 268-276.