风电机组变桨减载一次调频模型及聚合方法_奥博宇.pdf

第 47 卷 第 4 期 电 网 技 术 Vol.47 No.4 2023 年 4 月 Power System Technology Apr.2023 文章编号：1000-3673（2023）04-1360-09 中图分类号：TM 721 文献标志码：A 学科代码：47040 风电机组变桨减载一次调频模型及聚合方法奥博宇1，王方政2，陈磊1，王罗2，闵勇1，刘喜泉2，郭剑波3（1清华大学电机工程与应用电子技术系，北京市 海淀区 100084；2中国长江三峡集团有限公司科学技术研究院，北京市 西城区 100038；3中国电力科学研究院有限公司，北京市 海淀区 100192）Primary Frequency Regulation Model and Aggregation of Deloading Wind Turbine Generators With Pitch Angle Adjustment AO Boyu1,WANG Fangzheng2,CHEN Lei1,WANG Luo2,MIN Yong1,LIU Xiquan2,GUO Jianbo3(1.Department of Electrical Engineering,Tsinghua University,Haidian District,Beijing 100084,China;2.Science and Technology Research Institute,China Three Gorges Corporation,Xicheng District,Beijing 100038,China;3.China Electric Power Research Institute,Haidian District,Beijing 100192,China)ABSTRACT:As the participation of wind power in the frequency regulation has become a clear trend,the primary frequency regulation model of a wind farm needs to be added in the dynamic simulation of the power system frequency.It is a typical way for the wind turbine to participate in the frequency modulation by deloading the control through a pitch adjustment.In this situation,the paper establishes the primary frequency modulation model of the wind turbine and proposes the aggregation modeling method of the wind farm frequency modulation model.First,the primary frequency modulation model of a single wind turbine through a pitch adjustment is established,retaining the key links such as the wind energy capture,the rotor dynamics,the active power control and the pitch angle control,and ignoring the fast converter control process.Then,the aggregation method of the wind farm frequency modulation model using the same type of the wind turbines is proposed.Considering the difference between the operating conditions and the frequency modulation capability of the wind turbines and in order to ensure the consistence of the power dynamic process before and after the aggregation,the aggregation equivalent method of the frequency modulation model parameters is proposed.Multiple wind turbines are aggregated into an equivalent machine so that the output power of the equivalent machine in the frequency modulation process is as much as possible equal to the sum of the output power of each single machine.Simulation results verify the effectiveness of the proposed method.KEY WORDS:aggregated model;wind power plants;primary 基金项目：国家自然科学基金项目(51922061)；中国长江三峡集团有限公司科研项目(202103383)。Project Supported by the National Natural Science Foundation of China(No.51922061);and Science and Technology Project of China Three Gorges Corporation(No.202103383).frequency regulation;frequency response model 摘要：风电参与频率调节已经成为明确的趋势，因此在电力系统频率动态仿真中需要加入风电场的一次调频模型。风电机组通过变桨减载预留备用参与调频是风电调频的一种典型方式，针对该方式建立了风电机组的一次调频模型并提出了风电场调频模型的聚合建模方法。首先建立单风机变桨减载一次调频模型，保留风能捕获、转子动态、有功控制和桨距角控制等关键环节，忽略快速的变流器控制过程。然后提出了采用同型号风机的风电场调频模型聚合方法，考虑到风机运行工况和调频能力的差异，以保证聚合前后功率动态过程一致为目标，推导了调频模型参数的聚合等值方法，将多台风机聚合为一台等值机，使得等值机在调频过程中的输出功率尽可能等于各单机输出功率之和。仿真结果验证了所提方法的有效性。关键词：聚合模型；风电机组；一次调频；频率响应模型 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2022.2164 0 引言 近年来，风能等新能源发展迅猛，风电装机量和发电量增长迅速。在新型电力系统中，风电需要参与系统频率调节已经成为业界共识1。随着风电越来越多地参与电力系统一次调频，为更加准确地进行系统频率动态分析和仿真，风电调频建模也变得越来越迫切。根据调频能量来源的不同，现在风电一次调频方式主要有以下 3 种：利用转子动能、减载备用、外加储能。正常运行时，风机旋转的转子中有一定的动能，通过控制将其释放出来可以用于频率支撑。文献2通过增加辅助频率控制模块，利用转子动能可以使风机运行在最大功率点跟踪模式。但文第 47 卷 第 4 期 电 网 技 术 1361 献3指出，由于转子动能有限，转速不能长时间维持在降速/升速状态，调频能力相对较弱，这只能是暂时的过程。减载备用调频是通过改变桨距角或转速的方式获得机械功率储备来维持频率稳定，所以调频能力很强，包括超速减载、变桨减载 2 种方式。转子超速控制是通过控制转子转速使机组运行在非最优功率点，以降低风电机组的有功出力，存储有功备用，调频时再将这部分功率释放出来，但是转子超速控制作用区间有限，仅适用于中低风速4。变桨距控制是风电机组处于稳态运行时，适当调整风机桨距角，放弃最大风功率跟踪，从而留出一定的备用容量5。风况一定的情况下，桨距角越大，机组留有的有功备用也就越大。桨距角控制的调节能力较强，调节范围较大，可以实现全风速下的功率控制6。储能系统具有响应迅速、控制灵活的特点，是一种性能优异的调频资源，却受限于较高的投资成本和运行维护成本7。目前，变桨减载预留备用进行调频的方式调频能力较强，在实施中应用较多，因此本文的研究对象主要是变桨减载调频的方式。风电调频的实施方案，目前主要有 2 种，一种是场站集中控制8，另一种是机组分布控制9。场站集中控制是在场站增加调频控制器，进行调频时向下分配给每台机组应该承担的调频功率，由于存在通信延迟，响应速度受到较大限制。机组分布控制是指每台风电机组根据频率独立控制其输出功率，能够实现风电的快速频率响应。电力电子接口设备参与调频的一个重要优势就是响应速度快，因此分布控制方式能够更加有效地发挥风电功率调节快速灵活的优势，更适合于风电提供快速频率响应，也是本文的主要研究对象。由于风机数量多、单机容量小，在电力系统频率动态分析中对每个风机进行建模是不现实的，需要进行调频模型的聚合等值，获得风电场甚至风电集群的聚合模型。但是，由于风机运行工况的差异和随机变化，各风机调频响应和调频能力不同，给聚合带来很大困难。目前，风电场聚合模型主要应用于稳定分析，包括电网小扰动稳定分析10-11、暂态稳定分析12-15。模型聚合采用等值法将包含大量风机的风电场等值为一台机或多台机，降低风电场模型的复杂性从而大大减少仿真时间和难度，其中的关键是确定等值机的参数。文献12使用最为常用的容量加权单机等值法来建立等值模型，将整个风电场等值为单台风机，以发电机容量加权确定等值发电机的参数，且证明该方法对于不同的故障持续时间、电压骤降和变化的风场景具有良好的性能；文献10用辨识法获取必要参数；文献13将容量加权等值法和辨识方法结合，首先基于容量加权等值方法获取等值模型的参数值，然后将其作为初始值通过辨识方法获取模型参数；文献14针对风电场包含多种型号的风机，将容量加权的聚合算法和分类算法相结合，从而计算等值机的相关参数；文献15和11旨在通过引入基于一致性的等效思想，应用聚类算法对风电场各机组的实测运行数据进行聚类分析从而实现对风电场内所有风电机组的聚类划分，风电场模型复杂度也可以显著减小。相比于风电场用于稳定分析的聚合模型，风电场用于调频分析的聚合模型的研究目前还比较少。文献16针对风电场等值方式，指出现有海上风电场调频多采用单机等值，并认为风电场内所有风机捕获的风速相同，与实际情况相违背。文献17根据奇异摄动理论对风速聚合以完成风电场的频率调节，然而它假设所有风力涡轮机具有相同的惯性常数和相同的转子速度，在变桨减载过程中只考虑了转速的等值，未做关于桨距角的等值建模。文献18使用非线性动态模型来分析基于双馈感应发电机的风力涡轮机的惯性频率响应，并根据容量加权等值方法确定了风电场的惯性频率响应，但是无法明确哪些参数定义了频率响应模型。文献19提出了一种系统辨识分析方法，将具有异构参数的多机风机频率调节模型聚合成一个单一的等效模型，并通过数学证明对该聚合方法进行了验证。但是该方法只是数学上的分析，既无法明确其参数物理意义，也没有提供一个可供实际使用的风电场等值模型。文献20基于单机等值方式，采用虚拟惯性响应及拟合风机输出功率与频率间下垂特性曲线的方式使得风电场具备系统调频能力，但没有给出风电场