变速风力发电机提供调频备用容量研究指南

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1、第30卷第8期电力自动化设备Vol．30No.82010年8月ElectricPowerAutomationEquipmentAug.2010变速风力发电机提供调频备用容量研究薛迎成，邰能灵，宋凯，熊宁（上海交通大学电气工程系，上海200030）摘要：提出一种新的调频控制策略，它利用变速风力发电机快速功率控制能力主动提供一次调频备用容量。该策略通过风力发电机的卸载运行，即使在风速大范围变化，也能够确保一次调频备用容量。在低风速时风电机组作为飞轮（旋转备用）电机运行，利用存储在涡轮叶片的旋转能量提供短期有功电力支持；在中风速时根据卸负荷最佳功

2、率提取曲线运行风力发电机，建立电力储备；在高风速时采用桨距控制或修改转速设定点保持在满负荷时合适的电力储备。仿真实验证明该策略能有效地控制备用容量，实现变速风力发电机对系统频率的控制。关键词：风能发电；变速风力发电机；卸载运行；频率控制；一次调频备用中图分类号：TM712文献标识码：A文章编号：1006－6047（2010）08－0075－060引言1变速风力发电机调频和容量储备机理电力系统中的风电比重正不断攀升，而风力的一次调频是指当电网频率偏离额定值时，发电不确定性导致其发电出力也有较强的不确定性。如机控制系统控制有功功率的增加（频率下

3、降时）或减果风力发电的不确定性由传统发电机补偿，风力发少（频率升高时），以限制电网频率变化的特性。调电的渗透率增加可能需要显著增加备用容量，这需频储备是指发电机在调速器参与调频过程中可以增要大量常规发电机组提供旋转备用，会增加系统运加的功率，由发电机的调节限幅决定。变速风力发行成本。因此，为维持和扩大风能渗透率，风力发电电机（VSWT）通过电力电子转换器连接到电力系统，能否提供辅助频率控制、有功备用变得至关重要。系统频率和发电机速度之间没有直接耦合联系。为目前，国外许多电力公司要求风力发电场应能了让风力发电场参与调节频率，可以人为在转换器控

4、够提供有功备用等辅助服务，至少像常规电厂一样能制器中引入控制策略，使VSWT在不同运行点能根提供一次频率调节备用容量或某种形式的频率控据频率独立控制其产生的瞬时有功功率，从而实现调频和储备控制［4］制。如德国规定当频率超过50.2Hz，风力场必须减。少可用有功输出比例为40％／Hz；英国要求风电场风力发电场提供容量备用和频率控制的情况如图1所示［5］必须提供频率控制装置，能够参与一次、二次频率控。风力发电机控制器根据输入变量，如制，但只是做了一个大体规定，没有对如何实施给涡轮速度、发电余量、并网频率，计算出发电机参考出指导［1］。文献［2］

5、研究表明旋转备用的容量和类型功率；通过控制发电机转矩（有功输出）和桨距角调对系统可靠性、安全性指标的影响极大，燃气轮机和节输出功率，使输出功率值低于最大可用功率，从而柴油机组响应速度快，可以作为旋转备用机组配合获得有功备用。当频率降低时，桨距角控制改变桨距风电场的运行，但是成本较高。文献［3］提出风力发角，使功率系数增加，捕获更多的风能，使机械输入电机在额定频率运行在最大功率点，在频率上升时功率增加，即增加原动机输入功率；转矩控制改变转减少发电，这种方法仅可以实现单向频率控制，不能风速P提供备用容量。文献［4］提出使用叶片动能参与频率βpi

6、tch桨距控制调控，可在短期内使发电功率增加，但不能提供长期齿轮变速On风力机模型（几秒至几十秒）的备用容量。nrn*1本文提出新的调频和备用控制策略，在兼顾系JSP*统调频的基础上尽可能多发电。通过控制桨距或修PT转矩控制改转速设定点都能取得一次备用容量，不需要准确ΔfTinertiaTemTmechOfPrefOn2H测量风速。频率下垂特性卸载运行时功率与速度关系曲线滤波dΔf／dt收稿日期：2009－11－15；修回日期：2010－03－15基金项目：上海市曙光计划资助项目（07SG11）；教育部新世纪图1风力发电机控制原理图人才资助

7、项目（NCET-08-0356）Fig.1Controlschemeofwindfarm电力自动化设备第30卷速，也可以使功率系数改变，同时释放转子动能，能当频率偏差较小时，根据风速和负载条件，可提供快速机械能的备用；当然2种方法也可以同时使分满载、部分负荷、低负荷3种不同情况讨论。用。一些研究建议提供惯性响应：在发电机控制器中2.1.1满载（高于额定风速）增加惯性响应回路可获得虚拟惯性，在频率变化时，频率正常时，桨距控制限制有功输出低于额定惯性对缓解频率跌落速度是很有益的，这种惯性环值，以留有一定发电余量；当频率异常时，根据系统节在图1中

8、也有所体现，具体原理可参考文献［3-4］。的频率变化，控制桨距角增加或减少有功输出，满足调频和储备控制的难点是选择合适的功率参考系统的调频需求。当然，当转速低于限制值时，还可值P