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1、http:/ - 1 -兼顾系统调频需求的分布式风电分散自治调控策略兼顾系统调频需求的分布式风电分散自治调控策略1 陈宁，于继来 哈尔滨工业大学电气工程系，哈尔滨（150001） E-mail： 摘摘 要：要： 越来越大量的风力发电将分布在配电系统中， 它们无法像常规电源一样由输电网调 度中心集中调度和控制，通常需要采用分散自治的调控方式。然而，风电机组完全不顾输电 系统的运行需求充分自治，会在某些方式下导致系统运行状态恶化。因此，需要研究风电机 组新型调控策略， 使充分自治转变成能够兼顾系统某些特殊运行需求的有限自治， 配合系统 渡越难关。 针对此问题， 本文提出了能够兼顾系统调频需求的分布
2、式风电机组的分散自治调 控策略， 该策略根据风电机组运行信息和系统频率将风电机组调控区划分为并网控制区、 正 常调控区、异常调控区、紧急调控区和脱网控制区 5 类，并给出了三种新的调控模式，分别 为异常调控模式、紧急调控模式和故障调控模式。算例结果表明：风电机组能够较好地根据 系统调频需求， 在可用最大输出功率范围内调整自身输出功率， 在一定程度上给予系统积极 的支持。 关键词：关键词：风力发电；调频；分布式；分散；自治 1引引 言言 能源危机、 环境问题和电力市场化等因素加速了分布式发电(Distributed Generation, DG)的发展，其中，尤以风电发展最快。电力系统中 DG
3、比重的不断增加，势必会对电网产生多种积极和消极影响， 有必要深入研究风电机组自身的控制及其对系统的影响以及如何兼顾系统某些运行需求的问题。文献1综述认为，变速恒频双馈风力发电机组可以采用矢量控制、直接功率控制、多标量控制等方式弥补自身控制的某些不足。文献2指出 DG 可以提高现有发电设施利用率，并对配电系统起一定支持作用。文献3-4认为合理地规划和增加 DG 可以对电压起到一定的支撑作用并能够减小线路损耗。文献5-6分析了风电对系统频率的影响。文献7认为当 DG 输出功率过剩，对配电网注入过多功率会影响系统的可靠性，并指出：采用风能、太阳能等间歇性和随机性比较强的电源会对系统可靠性产生不利影响
4、。文献8指出风力发电并网运行会影响系统频率，但风电机组自身缺乏对频率的调节能力，只能依靠输电网调度员或调节装置来维持系统频率。 风电机组自身缺乏对频率的调节能力是由技术标准 IEEE-15479造成的，该标准还规定：在电网故障或非正常状态运行时，DG 必须自动脱网运行。 这种缺乏对系统频率调节作用的控制方式和没有兼顾系统特殊运行需求的自动脱网方式有可能给系统带来比较大的负面影响。 文献10,11由德国电力系统的实际运行情况指出，在系统三相短路之后，按照现有控制方式将会损失大量风力发电容量，从而使系统运行状态恶化，并给出相应的措施。文献12通过 2006 年 11 月 4 日的欧洲大停电事故指出
5、，故障过程中风力发电无序的解列、并网及增加输出功率，对电网运行起到了“火上浇油”的作用。实际上，上述“无序”并不是由风电机组分散自治控制的“无组织性”造成的，而是由IEEE-1547 标准对风电机组运行的“不合理要求”造成的。IEEE-1547 标准更多地关注风电机组自身，而对特殊运行方式下的系统需求缺乏足够考虑。 随着风力发电的快速发展， 将会有越来越多的风电机组分布在配电网中。 它们无法像接接入输电网的电源一样由输电网调度中心集中调度和控制， 也难以要求面多量广的分布式风1本课题得到 国家自然科学基金项目 （50477008） ； 高等学校博士学科点专项科研基金项目 （2004021303
6、1） ；黑龙江省自然科学基金项目（E0326）的资助。 http:/ - 2 -电机组经由配电管理中心或某一集中控制中心通过与输电网调度中心的间接协调实行统一控制，因此，分布式风电机组应该更多地采用分散自治控制方式。但由前述文献综述看出，大量的风电机组采用现行运行标准， 缺乏对输电系统调频需求的考虑， 这种完全不顾输电系统运行需求的充分自治控制方式容易恶化系统频率，对系统运行起“火上浇油”的作用。刚刚过去的欧洲“11.4”大停电事故的惨痛教训警示人们：必须对风电机组现行标准加以修改和完善， 使分散自治控制方式能够兼顾系统某些特殊运行需求， 让风力发电更好地发挥积极作用。 基于上述分析，本文从分
7、布式风电机组分散自治控制如何兼顾系统调频需求的角度出发，提出了新的风电机组调控模式，使分布式风电机组能够配合输电系统的调频，加速系统频率的改良或阻滞系统频率恶化，利于系统频率恢复。 2风电机组常规自治控制方式对系统调频的不利影响风电机组常规自治控制方式对系统调频的不利影响 目前， 变速恒频作为风电机组的主流控制技术得到广泛应用。 该技术通过相应的功率转换装置实现输出电能的频率恒定。图1为典型的变速恒频风力发电系统原理图13。图中，fs为电网频率，f1为定子输出频率，fw为风电机组转子旋转频率，f2为励磁控制电流频率，后三者满足关系 12wfpff=+ (1) 式中，p为发电机的极对数。 图 1
8、 风力发电系统原理 Fig.1 Principle diagram of wind turbine 由(1)可见，当fw变化时，可以通过控制f2，使f1=fs，即保证定子输出频率与电网频率一致。 在忽略机组损耗的情况下，可得相关功率之间的关系 21PsP= (2) 11mPPs=(3) 式中，Pm为风轮机输入的机械功率，P2为转子输入功率，P1为定子输出功率，s=1f1/fs为转差。 由上述可知， 在忽略损耗的情况下， 风电机注入电网的有功功率始终为风力机的机械功率 23/2 mpPr C v= (4) 式中，为空气密度，kg/m3；r为风轮机扫风半径，单位为m；为风速，单位为m/s；Cp为风
9、机效率系数。 转子侧励 磁变频器 电 网交流励磁 双馈发电机风力机 f1 fw f2 fs http:/ - 3 -在风力机参数确定的情况下， 风力机的机械功率由风速决定， 即风电机组对电网注入的有功功率取决于风速条件。 这种完全自治的控制方式在风电机组容量所占比重较小、 系统调频容量比较充裕时不会对系统造成显著不利影响， 但当风电机组容量所占比重较大、 系统调频容量比较匮乏时，会在以下两种情况下对系统产生不利影响： (1) 系统频率偏低、风速减小时，此时风电机组对系统注入的有功功率减少，导致系统频率进一步降低，系统运行状态趋于恶化； (2) 系统频率偏高、风速增加时，此时，在风电机组设备自身
10、允许的最大输出功率范围内，风电机组对系统注入的有功功率增加，导致系统频率进一步升高，系统运行状态趋于恶化。 第一种情况，风电机组对系统运行“无能为力”；第二种情况，风电机组的完全自治控制对系统运行有“火上浇油”之过。因此，必须限制风电机组的这种自治控制行为，在政策允许的情况下，采取适当的新型调控策略使其能够在力所能及的范围内兼顾系统的调频需求。 3配电网综合优化算法配电网综合优化算法 新型调控策略要求在保持风电机组分散自治调控的基础上能够兼顾系统调频需求， 兼顾的过程要与现有风电运行导则或标准法规中发挥积极作用的内容点相衔接， 要考虑到机组就地所能测得信号的局限性。因此，我们在设计新型调控策略
11、时应该注意如下几点： (1) 中华人民共和国可再生能源法规定电网企业“应当全额收购其电网覆盖范围内可再生能源并网发电项目的上网电量”。风力发电具有运行成本低、环境效益好等优点，在电力系统运行状态比较正常、风速较稳定的情况下，应尽可能多的利用风力发电容量； (2) 欧洲相关电网运行导则要求，风电机组实际输出功率应在当时风速条件可用输出功率水平基础上下调一定量，以使其能够在系统频率出现偏差时，尽可能的配合系统运行，满足系统运行的特殊需要，对系统起一定的支持作用14； (3) 接于配电馈线上的风电机组所能利用的测量信息有限，通常只能从馈线终端单元(Feeder Terminal Unit, FTU)
12、获取馈线注入功率、馈线所带负荷和系统频率等信息。 3.1 本文新型调控策略的基本思想本文新型调控策略的基本思想 对于包含风力发电的配电系统， 当系统频率出现偏差时， 风电机组应该调整自身的控制方式，尽可能地兼顾系统调频需求，这样可以缓解系统的压力，为系统频率恢复创造条件。本文提出的风电机组调控框架见图2。 根据前文要求，本文将风电机组调控区进行分类，并给出三种不同的新型调控模式，按具体情况进行选择。在具体控制时，以馈线为单元，一方面，在FTU中嵌入相应的处理模块构成智能FTU， 由智能FTU判断和选择风电机组的调控区和调控模式并向风电机组发送调控执行指令；另一方面，在风电机组中嵌入相应的处理模
13、块，当由于某些原因造成风电机组没有收到智能FTU下发的调控执行指令时， 风电机组自身根据系统实时频率信息进行相关数据处理并采取自治调控，以此实现新型调控策略。 http:/ - 4 -图 2 风电机组调控框架 Fig.2 Regulation structure of wind turbine 由于数据资源有限， 风电机组应充分利用其所在馈线能够提供的相关数据资源。 当系统频率超出正常范围时，由各智能FTU向馈线内的风电机组发送调控执行指令。设每个调控指令执行周期为T(分为N个时段t，时段t又分为n个时段，每个时段t的时间须长于风电机组、系统的响应时间与风电机组调节时间之和)。每个时段均按照图
14、2所示的风电机组调控框架，利用馈线终端单元采集的系统频率和馈线注入功率等信息， 并结合风电机组自身的实时运行信息对风电机组进行调控。风电机组接收到调控执行指令之后，进入图2所示虚框A部分，即智能FTU模块，由于系统频率时刻变化，为避免风电机组被频繁调控，利用时段的实时频率测量值求取第k个（k=1N）时段t内的频率平均值 s 1 snikif fn=(5) 根据k sf判断和选择风电机组所处的调控区。进一步，根据两个时段t内的频率平均值的差值判断和选择风电机组的调控模式。之后，进入虚框B部分，风电机组结合虚框A选择的调控模式和自身的运行区进行自治调控， 若风电机组运行在启动区， 表明风电机组处于
15、并网控制阶段，无法按虚框A选择的调控模式进行调控，此时，进行相应地并网控制；若风电机组运行在最大风能追踪区、恒转速运行区或恒定功率运行区，表明风电机组输出电能可控15，风电机组按虚框A中选择的调控模式在当时可用最大输出功率范围内调整输出功率。在当前调控指令执行周期结束前， 馈线终端不再向馈线内的风电机组发送指令。 若当前调控指令执行周期结束，系统频率未恢复，则馈线终端再次向风电机组发送调控指令，如此周而复始，直至系统频率恢复或风电机组调节余量耗尽。需要注意的是，待系统故障解除、指标恢复正常之后，将风电机组的控制方式或输出功率恢复到调控前的控制方式或输出功率值。 考虑到馈线可能会由于某种原因导致通信故障，智能 FTU 的相关信息和调控执行指令无法传送到风电机组，此时，风电机组唯一可用的信息就是系统实时频率信息。风电机组的处理模块按照式(5)求取某个时段 t 的k sf， 若k sf异常， 在整定的延迟时间内没有收到智能FTU 的相关信息和调控执行指令，进行自治调控，以满足系统调频需求。 3.2 调控区的划分调控区的划分 结合风电机组自身运行区(启动区、最大风能追踪区、恒定转速区和恒定功率区)15将馈线终端单元 (FTU) 1 系统频率 信息； 2 馈线功率 信息； 3 馈线负荷 调控区的选择本文新型调控
