计及弃风能量的风电场调频功率分配策略

陈长青，李欣然，阳同光，黄际元

（1.湖南城市学院智慧城市能源感知与边缘计算省重点实验室，湖南 益阳 413000；2.湖南大学电气工程学院，湖南 长沙 410082；3.国网湖南省电力有限公司长沙供电分公司，湖南 长沙 410015）

由于风电机组（wind turbines，WTs）转子转速与系统频率无耦合关系，无法直接提供惯性支撑，当大规模风电并网取代传统机组后，其出力的不确定性和预测不精准性必将弱化系统惯性控制能力[1-2]。基于此，部分学者建议采用储能系统辅助WTs参与调频[3-4]，但目前储能成本较高，大容量配置并不经济[5]。因此，如何提升风电场自身调频能力成为当前研究热点之一[6]。

目前，关于WTs参与电网调频控制的研究成果颇多，常用控制方法主要包括：虚拟惯量控制[7]、下垂（固定系数和变系数）控制[8]、减载（转子转速和桨距角）控制[9]、组合（多种控制方法协调）控制[10]等。而对调频功率分配的研究主要基于WTs容量大小采取按比例分配[11-12]或平均分配[13]。然而，风电场内WTs所处风速不同，运行状态不同，其调频能力不同，平均分配和比例分配法存在一定不足[14]。为此，文献[15]提出一种调频功率分配系数与WTs运行风速呈正比，可实现高风速下WTs分配较多调频功率，低风速WTs分配较少调频功率。文献[16]提出一种基于变下垂系数的调频功率自适应分配，有效提高了功率分配合理性。

目前，WTs参与调频方面的研究已取得丰硕成果，但依然存在部分问题：1）对WTs自身物理约束和调频差异性的研究报道较少；2）对利用弃风能量参与调频，来提高风电场弃风能量利用率的研究较少。但目前因WTs受电源与负荷分布、电力输送通道等因素影响，往往处于弃风运行状态。2016—2018年，全年弃风电量分别为497亿、345亿、277亿kW·h[17]，如能有效利用可大幅提升系统经济性。

基于此，本文提出一种以最大利用弃风容量为目标，以WTs额定转速为约束的调频功率分配方法。该方法在风电场层面，根据风电场运行状态，将WTs分成不可调频、降功率调频和升功率调频3类；在机组层面，根据WTs所处运行工况以及物理约束，以额定转速为判别依据，构建不同运行状态下WTs减载约束模型，来判断WTs调频能力，进而利用调频能力来优化分配调频功率，可避免平均分配引起所有WTs转子转速频繁启动问题，同时，利用弃风能量参与调频，能有效提高弃风能量利用率；最后，通过定义WTs调频退出风险指标，可实现WTs有序退出，避免频率二次波动。

1 风电场调频控制思路

1.1 调频控制结构

图1为风电场调频控制结构，主要由系统调度层、风电场控制层和WTs控制层构成。系统调度层根据来自调度中心所需调频功率和火电机组增发量，确定风电场所需调频功率，计算方法见文献[17]。风电场控制层对不同运行状态下的WTs进行分组，并根据调频功率需求选择调频WTs。WTs控制层根据WTs调频能力分配调频功率和确定参与/退出调频系统顺序，进而避免频率二次波动。

图1 风电场调频控制结构Fig.1 Frequency regulation control structure of wind farm

1.2 调频分组方案

根据WTs运行状态，分成不可调频、降功率调频、升功率调频。不可调频WTs运行状态为停机或故障WTs、标杆WTs及风速低6 m/s的WTs。降功率调频为运行在最大功率跟踪点（maximum power point tracking，MPPT）的WTs，这主要是因为运行在MPPT状态，WTs不具备备用有功，无法增发功率[18]。升功率调频为运行状态偏移MPPT或弃风运行WTs，因此运行状态偏移MPPT具备备用容量，可增发功率，而弃风运行WTs虽运行在MPPT，但受上网限制，需弃风运行，若利用该部分能量参与频率上调，不仅使WTs具有上调能力，也能提高风电利用率，具有双向调频能力。

同时，该调频分组方案只需修改WTs控制程序，不增加硬件成本。采用该方案WTs运行在MPPT状态时，不影响WTs发电量，且在升功率需求下，利用弃风能量参与调频，能有效提高风能利用率，改善风电场经济性。因此，该方案具有实际工程价值。

2 风电场调频控制原理

2.1 减载控制原理

图2为WTs功率-转速特性曲线。由图2可见：为追求风能的最大化利用，点1为WTs运行在MPPT模式下；点2为超速减载点，转速偏离MPPT；点3为变桨减载点，转速与MPPT相等，而桨距角小于点1处，致使输出功率下降，实现减载。

2.2 调频能力约束模型

为实现风电经济最大利益化，WTs一般运行在MPPT，此时，机械功率Pm为[18-19]：

式中：ρ为空气密度；R为风轮半径；v为风速；λ为叶尖速比；β为WTs桨距角；CP(λ,β)为风能利用系数。

式中：ω为转速；n为齿轮箱变比。

由式(1)和(2)可知，WTs输出机械功率主要由CP和风速决定，而CP为关于ω和β的函数，输出功率可表示为关于转子转速的函数f(ω,β=0)。为避免桨距角频繁调节而增大机械磨损，因此此处主要考虑额定风速以下，超速减载控制方式中转速对调频能力约束影响。

2.2.1 下调频能力约束

当WTs运行在MPPT时，可下调增大功率受额定转速ωn约束，即图2中点4为最大超速点，任意风速v下，WTs向下可调频功率ΔPdn(v)受超速减载最大功率ΔPG'(v)约束，约束条件为：

式中：Popt为最优功率；Pw,4(v)为超速临界点输出功率；CPmax为最大风能利用系数。

当风速为v时，极限减载系数计算式为：

弃风运行WTs向下可调功率为：

式中：Pw(v)为当前风电机组上网功率。

2.2.2 上调频能力约束

由于WTs在MPPT时，不具备有功备用，无法增发功率，因此上调功率由弃风运行WTs承担，考虑到WTs运行安全性，MPPT点为升功率临界点。则上调频功率ΔPup(v)可表示为：

3 调频功率分配模型

频率扰动时，风电场内WTs调频能力具有差异性，需对不同状态下WTs合理分配调频功率。

3.1 降功率分配

步骤1：若降功率WTs可降功率之和大于或等于所需调频功率ΔPwind-dn，此时第i台WTs下调功率ΔPi-dn为：

定义第i台WTs归一化下调频能力Pu,i为：

步骤2：若仅依靠降功率WTs不能满足调度要求时，需对弃风WTs进行降功率控制，则分配原则为先将降功率WTs全部降功率极限减载出力后，不足部分由弃风WTs承担，其值为：

将剩余降功率值分配给弃风WTs，则第j台弃风WTs下调功率为：

定义第j台弃风WTs归一化下调频能力Pu,j：

3.2 升功率分配

本节将借助机组弃风程度与调频功率的关系进行风电场有功优化分配，以期在满足电网调度要求的基础上减小机组弃风，实现风电场利益最大化。若升功率指令ΔPwind-up小于或等于弃WTs可升功率之和，说明弃风WTs满足调度要求。第i台机组上调功率△Pi-up为：

式中：Pi-MPPT为第i台机组在MPPT运行模式下输出功率；Pi为第i台机组实际输出功率。

定义第i台弃风WTs归一化上调频能力Pu,i为：

若升功率指令ΔPwind-up大于弃风WTs可升功率之和，则说明仅对弃风WTs进行升功率控制不能满足调度要求，需进行切负荷操作。

4 调频时序优化策略

4.1 调频投入策略

调频WTs下调频能力由式(12)和式(15)计算得到，上调频能力由式(17)计算得到。依据WTs调频能力从大到小进行排序，标记为k1，k2，…，kn，并判断前n台WTs调频能力是否满足调频功率。若不满足，则n＝n+1，继续累加WTs，直到满足调频需求功率；若满足，则对前n台WTs下发调频指令，可有效减少参与调频WTs数量。

4.2 调频退出策略

图3为WTs调频功率和系统频率动态变化过程。系统频率在t0时发生扰动，Δt为扰动时间，根据上节风电场调频投入策略，风电场投入k1，k2，…，kn共n台WTs参与调频，在t＝t0＋Δt时，系统频率逐渐恢复稳定，调频结束，此时WTs退出调频系统。若大量WTs同时退出并进入转速恢复状态，将易造成功率突变，引发频率二次波动。对此，定义退出调频风险指标，即WTs退出后系统频率偏差小于调频死区0.033 Hz即可。

图3 WTs调频动态过程Fig.3 Dynamic process of WTs frequency regulation

式中：Δft、Δft′分别为WTs退出调频前、后系统频率；Δf′为WTs退出引起的频率波动；ΔPw为WTs退出功率；σw为WTs调差系数，取0.04。

5 仿真分析

利用MATLAB/Simulink软件建立如图4所示仿真系统。负荷L1=260 MW，L2=300 MW，负荷低谷期为23:00到次日凌晨06:00，负荷均值期为06:00到18:00，负荷高峰期18:00到23:00。WTs参数见表1[20]。

图4 仿真系统模型Fig.4 Simulation system mode

表1 风力发电机参数Tab.1 Wind turbine parameters

5.1 减载系数仿真分析

WTs在MPPT运行方式下，最优输出功率与风速成正比例关系，结合式(3)和式(6)可得不同风速下，某1.5 MW的WTs调频能力与减载系数关系见表2。

表2 调频能力与减载系数关系Tab.2 Relationship between frequency regulation capability and load reduction coefficient

由式(1)可知，风电输出功率与风速三次方成正比，即输出功率随着风速的增加而增加。这是因为当WTs处于低风速时，调频减载转速范围较大，但输出功率变化范围较小，因此其减载调频能力有限。然而，当WTs进入恒转速区域后，WTs的转速虽接近额定转速，但可调功率范围较大，因此，减载调频能力更强，这与表2仿真结果相符。

5.2 持续调频仿真分析

假设风电场内升降功率运行状况WTs数量均衡（见表3），分别对WTs不参与调频、减载系数d=10%参与调频和本文所提方法参与调频进行对比仿真，仿真等效负荷波动曲线如图5所示，调频性能指标见表4。

表3 不同运行状态WTs台数Tab.3 Number of WTs under different operating conditions

图5 等效负荷波动曲线Fig.5 The equivalent load fluctuation curve

表4 调频性能指标Tab.4 Frequency regulation performance indexes

由表4可见，WTs能有效提升系统调频能力。本文所提方法调频效果较d=10%时整体稍差，主要是因为d=10%时，平均预留功率充足，有足够的调频功率。本文方法在负荷低谷和负荷均值阶段，调频效果与d=10%时相差无几，这是因为该阶段风电机组弃风容量较大，能提供充足的调频容量。但是，在负荷高峰阶段（19:00—22:00），由于弃风容量减少，致使上调容量受限，调频效果稍差于d=10%减载模式，但整体调频效果较好，能辅助系统频率恢复至死区内。

5.3 调频经济性分析

若WTs长期运行在减载状态时，将直接影响风电场运行效益。单台风力发电机在MPPT运行状态、本文运行方式、10%减载运行状态和实际运行状态下的全天发电量如图6所示；参与调频的单台风电机组减载电量如图7所示。

图6 各机组单位小时平均功率Fig.6 Average hourly power of each unit in different operating modes

图7 参与调频各风电机组减载情况Fig.7 Load reduction of wind turbine participating in frequency adjustment

结合图6、图7中运行数据，以风电场66台风电机组在MPPT运行状态下全天总发电量（1 596.84 MW·h）为基准，全天实际并网总电量（1 396.62 MW·h）和减载总电量10%（1 437.16 MW·h）分别较本文测得总发电量（1 511.67 MW·h）多损失7.20%和4.67%。风电相对减载弃电量P=115.05 MW·h，即风电场采用本文所提方法后依旧比实际并网电量多并网115.05 MW·h，完全没有影响风电场的经济性，相对减载10%多节约风电74.51 MW·h。这主要是因为机组正常运行在MPTT模式下，只有接收到降功率信号时，才启动减载模式，大大降低了机组减载运行对风电场效益的影响。而弃风机组处于相对最佳运行状态，没有减载效益，反而在接到升功率指令后，提升了WTs运行效益。相反，减载机组备用容量很大程度处于闲置状态，造成风电场发电量大规模浪费，降低了风电效益。不同控制策略下风功率利用情况见表5。本文所提策略各WTs全天平均减载系数如图8所示。

表5 风功率利用情况比较Tab.5 Comparison of wind power utilization

图8 机组平均减载系数Fig.8 Average load reduction coefficient of the unit

由表5可见：d=10%时增加了预留功率，但预留功率利用率较低，仅49.13%；而本文利用弃风机组参与上调功率，将弃风量参与调频利用率达57.46%，且随升功率事件越多，风能利用率将逐渐增大。这主要是由于风电功率和系统频率都具有随机性，固定减载模式下不可避免地发生预留功率利用较少，甚至为零的情况，均造成弃风现象。由图8可见，在调频过程中，机组减载率均小于8%，甚至50%左右的机组减载在5%以下。因此，采用固定减载系数，将增大弃风量。而采用本文所提方法，利用弃风运行机组调节升功率，MPPT机组调节降功率，风电场无需设定有功减载备用容量，进而弥补了机组长期运行于减载造成的经济效益。

基于文献[21]中采用的工程背景及数据，表6对2种调频方案的技术经济性进行了对比。由表6可见：减载备用d=10%方案调频性能与火电相当，具备长期调频支撑能力，但经济损失巨大，年经济损失约2 000万元；本文优化调频控制策略在不影响调频能力的前提下，只需修改机组控制软件不增加一次投资，且相较于减载调频，其经济性大大得到改善，年经济损失降低了近5%，这主要是因为部分弃风能量得到利用，间接降低了经济损失。

表6 2种应用模式技术经济性对比Tab.6 Technical and economic comparison of the two application modes

6 结 论

WTs参与系统调频均能有效提高系统频率质量，根据WTs不同运行状态，优化机组分组，结合调频减载系数约束模型，确定WTs调频能力，进而实现调频功率的优化分配。

1）在风电场层面，根据WTs运行状态，将风电场机组分MPPT运行机组和弃风运行机组，对于降功率指令优先调节MPPT运行机组，对于升功率指令则优先调节弃风运行机组，进而实现提高频率质量和减少系统弃风的双重优化目的。

2）为避免系统频率二次波动，通过减载系数约束确定各机组调频能力，制定投入策略，有效减少WTs参与数量和调频动作次数，同时通过定义退出风险指标，控制WTs依次退出，可有效避免频率二次波动。