變速恒頻雙饋風電機組分段分層控制策略的研究

    摘 要：針對并網后變速恒頻雙饋風電機組的優化運行及其與電網的協調問題，依據分段分層控制思想，提出了變速恒頻風電機組的并網控制策略：按照風速將風電機組的控制分為兩個階段，即低風速的最大風能追蹤控制階段和高風速的恒功率控制階段，同時依據分層思想將風電機組電氣部分的控制分為參考值的整定和對參考值的跟蹤兩層控制。利用該分段分層控制策略，對北方某風電場及其接入系統中風電機組的運行特性和接入系統中關鍵性節點的電壓特性進行了仿真分析，結果表明該控制策略不但可以實現風電機組的優化運行，而且能較充分地發揮風電機組中雙饋發電機的無功調節能力，提高風電機組并網后的電壓穩定性，保證全網無功優化運行。
    關鍵詞：變速恒頻風電機組；分段分層控制策略；風電場；優化運行
0 引言
可再生能源特別是風能的開發利用已得到世界各國的高度重視，尤其是 20 世紀末發展起來的變速恒頻風力發電技術，它用雙饋電機代替傳統的異步電機或同步電機，不但使風電機組的單機容量不斷擴大，也提高了電力系統調節的靈活性，改善了風電機組并網特性，從而延長了風電機組的運行時間，提高了風電機組的運行效率。 
    隨著變速恒頻風電機組單機容量的增加，其并網容量也不斷增加。因此，為保證并網后電網和風電機組的運行效率、安全性和穩定性，風電機組與電網間的控制協調問題顯得尤為重要。目前，變速恒頻風電機組并網控制的研究主要是控制策略的分析和設計，包括電壓調節策略和頻率調節策略。前者是目前的研究重點，其控制策略的設計依據風電并網容量的大小而不同。當風電并網容量很小、風電容量的任何波動都不足以引起電網較大的調整時，控制策略一般以最大效率地吸收風能為目標，按照風速大小將機組最佳運行狀態分為啟動階段[1]、最大風能追蹤階段、恒功率運行階段及切除階段并分別予以設計和實現。風電機組由于風[2-5]速波動而給電網帶來的電壓、頻率影響都由系統承擔。隨著風電并網容量的不斷增加及電力電子技術的快速發展，雙饋發電機靈活的無功調節潛力開始得以充分發揮，風電機組也開始具備一定的無功調節能力，隨之而確定的控制策略是在充分利用風能的基礎上使風電機組參與電網的電壓調節，在有限范圍內分擔電網的無功潮流，從而提高風電并網質量和系統的電壓穩定性。如文獻[6]詳細分析了不同風速下風電機組的無功調節裕度，并在此基礎上充分利用雙饋發電機的無功調節能力設計了風電場并網點電壓調節策略。但目前關于風電機組并網后的頻率調節問題研究較少，隨著風電容量的不斷增加，如何有效調節風電機組的有功[7-9]和無功功率，使風電機組能合理參與電網電壓、頻率調整將是很有意義的研究方向。
    國內關于風電機組控制部分的研究成果主要是針對單臺風電機組而言，并沒有考慮風電機組并網后與電網的控制、協調問題。本文從這一角度出發，根據雙饋發電機靈活的無功調節特性，以實現風電機組優化運行及提高電壓穩定性為目標，確定風電機組并網的分段分層控制策略。該策略中按風速將風電機組的控制分為 2 個階段，即低風速的最大風能追蹤階段和高風速的恒功率運行階段；在與電網的控制、協調中采用分層思想，首先依據電網結構、