- 頭條風電機組改造升級的新思路：華電學者提出超級電容器控制策略2021-08-12 作者：顏湘武 崔森 常文斐 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語雙饋感應發電機在常規超速減載控制下雖然可保留部分有功備用參與系統調頻，但存在風電機組發電效益降低、轉速調節范圍減小及槳距角控制起動頻繁等問題。為此，河北省分布式儲能與微網重點實驗室（華北電力大學）的研究人員顏湘武、崔森、常文斐，在2021年第5期《電工技術學報》上撰文，結合雙饋風電機組網側變流器的控制特性，提出計及超級電容儲能荷電狀態（SOC）控制的雙饋感應發電機的慣量與一次調頻自適應控制策略。仿真實驗表明雙饋感應發電機的慣量支撐和一次頻率調節能力及發電效益較常規一次頻率控制具有明顯提高，為雙饋感應發電機的改造升級提供了新思路。
雙饋感應發電機（Double-Fed Induction Generator, DFIG）裝機容量約占90%的市場份額，是當今的主流機型。由于傳統DFIG采用最大功率跟蹤運行方式，機組的轉速與電網頻率無關，即機組的出力不響應電網頻率的波動。
為了提高風力發電系統的慣量支撐和頻率響應能力，有關學者進行了研究，提出了解決方法，但是均未考慮DFIG自身發電效益，降低了風能利用率，故如何配置風電機組的調節機制來緩解發電效益和系統穩定性之間的關系是目前亟待解決的問題。
儲能裝置已廣泛應用于風電場，在基于儲能參與電網一次調頻控制方面，有學者分析了具有快速響應的儲能技術對高滲透率情況下的風電場頻率響應的應用場景；有學者提出一種在儲能技術的依托下對風電場的虛擬慣量進行補償的策略；有學者分析風電出力特點，提出一種儲能電源參與含風電電網的優化下垂控制策略，可有效平抑風電功率波動。
倘若僅采用虛擬下垂控制，即使減小了穩態頻率偏差，也無法減緩頻率下降速度和降低最大頻率偏差變化量。然而僅采用單一虛擬慣性控制，則只能在頻率變化過程中起作用，無法降低穩態頻率偏差。因此有學者給出了合理協調兩者之間關系的方法，但儲能電源循環周期壽命短，且不考慮儲能SOC變化，大大增加了維護成本。
在針對儲能裝置參與風電場一次調頻策略研究中，大多采用風電場集中式儲能方案，其安全可靠性風險往往大于分布式模式，而目前風力發電集中并網點高壓側普遍出現頻率、電壓波動幅度增大現象，其中風電場內部或并網點變壓器中低壓側的頻率波動幅度更大，超過一次調頻動作閾值（0.033Hz）的情形頻繁出現；故提高單臺風電機組的致穩性和抗擾性，使其具備一次調頻能力顯得尤為重要。
超級電容器目前僅應用于配合低電壓穿越和平滑功率波動方面，由于具有功率密度大的優點，可瞬時大功率輸出，故可為系統提供慣量支撐和一次頻率調節。
針對上述問題，河北省分布式儲能與微網重點實驗室（華北電力大學）的研究人員，在2021年第5期《電工技術學報》上撰文，兼顧DFIG運行的經濟性和系統一次頻率調節需求，結合實際運行場景和DFIG網側變流器的控制特性，提出了計及超級電容儲能SOC控制DFIG的慣量與一次調頻自適應控制策略。
圖1 DFIG的儲能配置
結合慣性與下垂控制模式各自優勢，采用一種確定兩種調頻模式參與調頻的比例系數模型，實現兩種調頻模式平滑切換。在此基礎上綜合考慮自身儲能SOC實時修正虛擬慣性與下垂系數，其慣量支撐和一次頻率調節都由超級電容儲能模塊擴展功能實現，無需修改或增加原風電機組的結構和控制方案，從而使風電機組的升級改造變得簡單容易，提高了單臺風電機組的致穩性和抗擾性。
圖2 一次調頻自適應控制策略流程
在系統穩定或發電需求增加（減?。┢陂g風電機組始終運行在最大功率跟蹤模式以達到最大發電效益。當發電需求減小或增大時，通過控制超級電容器充電與放電來參與系統頻率調節，實現DFIG在全工況運行下具有一次調頻能力。最后基于Matlab/Simulink搭建含DFIG的四機兩區域仿真模型，驗證所提方案有效性。
圖3 含雙饋風電場的4機2區域系統
研究人員通過理論與仿真分析，得到以下結論：
1）相較于傳統的集中式儲能參與系統調頻，所提出的超級電容器控制策略使得單臺風電機組具備一次頻率調節能力，其慣量支撐和一次頻率調節都由超級電容儲能模塊擴展功能實現，無需修改或增加原風電機組的結構和控制方案，使得單臺風電機組具有良好的魯棒性和兼容性，提高其單臺風機的致穩性和抗擾性。尤其適合現場已投運機組的升級改造，為單臺風機的改造和控制提出了新思路和新方向。
2）綜合考慮超級電容SOC即時狀態控制選擇合適慣性和下垂系數進行出力來避免其儲能裝置的過充過放問題，且有效發揮了虛擬慣性和虛擬下垂對于頻率偏差及其變化率的感知反應能力，實現平滑超級電容器更加高效的出力，減小其充放電深度，提高使用壽命。在頻率下降階段后期，虛擬下垂填補了虛擬慣性出力不足的問題，使得超級電容器的功率配置有了更大的考慮空間，其容量利用率得到了顯著提升。
3）所提方法是在風機最大功率跟蹤控制的基礎上實現的，相比于常規的超速減載調頻控制，既兼顧了發電效益，同時又大大提高了風機的慣量支撐和一次頻率調節能力，繼而超速減載調頻控制的減載率越大，其轉速和功率的實際可調節深度越小，風能利用率和輸出功率越低，體現所提出的一次調頻控制優越性。
4）接下來將對雙饋風力發電機組參與系統一次調頻的整個階段進行更深入的分析，對分配系數曲線進行優化，以達到更好的調頻效果與儲能裝置的優化問題。
以上研究成果發表在2021年第5期《電工技術學報》，論文標題為“考慮儲能自適應調節的雙饋感應發電機一次調頻控制策略”，作者為顏湘武、崔森、常文斐。
