可再生能源


NL	NM	NS	ZS	PS	PM	PL
NL	ML	ML	ML	L	M	S	MS
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9.0	0.020	0.425
9.5	0.022	0.432
10.0	0.024	0.435
10.5	0.035	0.434
11.0	0.028	0.429
11.5	0.030	0.421
12.0	0.032	0.410


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12.0	0.032	0.410

序号	控制策略
策略 1	风电机组不参与调频
策略 2	定参数综合惯性控制
策略 3	本文综合惯性模糊控制+转子超速控制

序号	控制策略
策略 1	风电机组不参与调频
策略 2	定参数综合惯性控制
策略 3	本文综合惯性模糊控制+转子超速控制

	wind speed
控制策略	${f}_{\text{min }}$	$\Delta {f}_{\text{sec }}$	${f}_{\infty }$
策略 1	49.64		49.92
策略 2	49.68	0.05	49.92
策略 3	49.74	0.02	49.93

	wind speed
控制策略	${f}_{\text{min }}$	$\Delta {f}_{\text{sec }}$	${f}_{\infty }$
策略 1	49.64		49.92
策略 2	49.68	0.05	49.92
策略 3	49.74	0.02	49.93

控制策略
策略 1	49.54		49.89
策略 2	49.58	0.06	49.89
策略 3	49.66	0.03	49.92

控制策略
策略 1	49.54		49.89
策略 2	49.58	0.06	49.89
策略 3	49.66	0.03	49.92

基于模糊控制与风速分区的风电机组一次调频控制策略研究

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田春筝 ¹ , 王浚怡 ² , 蒋小亮 ¹ , 卢杨 ² , 孟高军 ²

可再生能源 | 2025,43(1): 124-133

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可再生能源 | 2025, 43(1): 124-133

基于模糊控制与风速分区的风电机组一次调频控制策略研究

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田春筝¹, 王浚怡², 蒋小亮¹, 卢杨², 孟高军²

作者信息

¹ 国网河南省电力公司经济技术研究院河南郑州 450052

² 南京工程学院江苏南京 211167

田春筝(1982-),男,硕士,教授级高级工程师,研究方向为电力系统规划与运行、新能源并网技术等。

通讯作者:

孟高军(1987-),男,博士,副教授,研究方向为新能源及电能存储技术、电力系统运行与分析。E-mail:gjun_m@126.com 。

Research on primary frequency modulation control strategy of wind turbines based on fuzzy control and wind speed zoning

Chunzheng Tian¹, Junyi Wang², Xiaoliang Jiang¹, Yang Lu², Gaojun Meng²

Affiliations

¹ State Grid Henan Electric Power Company Economic and Technological Research Institute Zhengzhou 450052 China

² Nanjing Institute of Technology Nanjing 211167 China

出版时间: 2025-01-20 doi:

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摘要

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随着风力发电技术日渐成熟,风电渗透率持续提高,电力系统中的等效惯量和调频备用容量减少,导致电网调频负担增加。为解决风电机组转子转速和电网频率解耦导致机组惯性和频率响应能力不足的问题,文章提出一种基于模糊逻辑控制的风电机组综合控制策略。将模糊逻辑控制器嵌入风机控制系统,动态调整调频参数。在此基础上,针对风电机组在不同风速时的运行特性,对风速进行分区并构建适应各个区间内风机转速功率特性的综合控制策略,改善了风电机组在中、高风速区间内的频率响应能力。

关键词

动态调频 / 风速分区 / 模糊控制 / 频率响应

Abstract

收起

As wind power generation technology matures and wind power penetration continues to increase, the equivalent inertia and frequency modulation reserve capacity in power systems decrease, leading to an increased frequency modulation burden on the grid. To address the issue of insufficient inertia and frequency response capability of wind turbines due to the decoupling of rotor speed and grid frequency, this paper proposes a comprehensive control strategy for wind turbines based on fuzzy logic control. By embedding a fuzzy logic controller into the wind turbine control system, frequency modulation parameters are dynamically adjusted. On this basis, considering the operational characteristics of wind turbines at different wind speeds, the wind speed is zoned, and a comprehensive control strategy is developed to adapt to the speedpower characteristics of turbines within each zone. This improves the frequency response capability of wind turbines in medium and high wind speed zones.

Key words

dynamic frequency modulation / wind speed zoning / fuzzy control / frequency response

引用本文

田春筝, 王浚怡, 蒋小亮, 卢杨, 孟高军. 基于模糊控制与风速分区的风电机组一次调频控制策略研究. 可再生能源, 2025 , 43 (1) : 124 -133 .

Chunzheng Tian, Junyi Wang, Xiaoliang Jiang, Yang Lu, Gaojun Meng. Research on primary frequency modulation control strategy of wind turbines based on fuzzy control and wind speed zoning[J]. Renewable Energy Resources, 2025 , 43 (1) : 124 -133 .

正文

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0 引言

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在风电渗透率较高的电力系统中, 风电机组替代传统机组可能导致系统等效惯性减小以及额外的功率扰动问题,增加系统调频负担。为解决这一问题, 利用附加控制手段调整转子转速以实现对转子动能的控制至关重要。然而, 当风电机组退出系统调频后,须要从电网中吸收能量以恢复转子动能,这将导致系统频率再次下降,从而影响频率稳定。因此, 在不同风速条件下, 如何使风电机组快速、稳定地参与系统调频,并在退出调频时减小频率二次跌落, 是须要进一步研究的问题 ^{[ 1 ]} 。

近年来, 国内外学者针对风电机组自身参与调频的控制方法已进行了大量研究, 主要包括转子动能控制和功率备用控制 ^{[ 2 ]} 。针对风电机组转子动能控制, 文献[ 3 ]模拟同步发电机组的功频特性,提出了一种风电机组附加惯量控制方法,依据频率波动在机组有功控制中引入附加控制环节, 达到更好的调频效果。功率备用控制是指风电机组运行于非最大功率状态下, 预留一定的功率为频率扰动提供有功支撑。常见的功率备用控制方式有超速减载控制和桨距角控制。文献[ 4 ]利用转子超速控制使风电机组运行于次优功率点, 实现风机的减载运行, 参与电力系统的频率调整。文献[ 5 ]采用变桨距角控制方式, 减小风能利用系数, 使风电机组预留备用功率参与调频。目前, 变速恒频风电机组的转子转速与系统频率解耦, 不具备主动响应系统频率变化的能力, 也无法提供备用容量, 鲜有文献基于风速分区与模糊逻辑控制实现风电机组参与一次调频。依据风电机组在不同风速条件下的转速-功率特性对风速进行分区, 针对不同风速区间内机组的运行特征设计相应的控制策略, 使风电机组一次调频控制策略具有不同风速条件下的适应性。

由此, 本文针对风力发电机组转子转速与电网频率解耦带来的机组惯性及频率响应能力缺失问题,提出了基于风速分区与模糊控制的风电机组综合控制策略。首先通过在风机控制系统中嵌入模糊逻辑控制器,对调频参数做出决策；其次针对不同风速区间内风机转速-功率特性设计相应的控制策略；最后经仿真验证,本文所提风电机组一次调频控制策略能够适应不同的风速条件。

1 风电机组调频控制方法

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变速恒频风电机组的转子转速与系统频率解耦,不具备主动响应系统频率变化的能力,也无法提供备用容量, 须采用相应的控制策略使风电机组能够参与调频。风电机组自身参与调频常用的两种方式为转子动能控制和功率备用控制 ^{[ 6 ]} 。

1.1 转子动能控制方法

风电机组的转子中蕴含充足的旋转动能, 当发生频率扰动事件时, 通过附加控制环节实现风机转子转速与系统同步转速耦合,将转子动能转换成有功功率, 响应系统的频率变化, 使风电机组也具有与传统同步机组相似的惯性。

虚拟惯性控制的基本实现方法是在风电机组有功控制环节中加入与电网频率变化率成正比关系的附加有功功率。

(1)$\Delta {p}_{1} = - {K}_{\mathrm{v}}\frac{\mathrm{d}f}{\mathrm{\;d}t}$

式中:$\Delta {p}_{1}$为虚拟惯性控制附加有功增量;${K}_{\mathrm{v}}$为虚拟惯性系数;$f$为系统实际频率。

虚拟下垂控制的基本实现方法是在风电机组有功控制环节中加入与电网频率偏差成正比关系的附加有功功率。

(2)$\Delta {p}_{2} = - {K}_{\mathrm{d}}{\Delta f}$

式中:$\Delta {p}_{2}$为虚拟下垂控制附加有功增量;${K}_{\mathrm{d}}$为虚拟下垂系数;${\Delta f}$为系统频率偏差。

虚拟惯性控制能够快速抑制频率变化速率, 虚拟下垂控制能够改善频率偏差 ^{[ 7 ]} 。因此,在实际应用中多采用二者的结合,即综合惯性控制方式, 实现优势互补。

综合惯性控制是在风电机组处于最大功率跟踪(Maximum Power Point Tracking, MPPT)模式的基础上,附加有功增量${\Delta p}$,其表达式为

(3)${\Delta p} = \Delta {p}_{1} - \Delta {p}_{2}$

当频率发生突变时,风机的输出参考功率${P}_{\text{ref }}$为

(4)${P}_{\mathrm{{ref}}} = {P}_{\mathrm{{MPPT}}} + {\Delta p}$

式中:${P}_{\mathrm{{MPPT}}}$为$\mathrm{{MPPT}}$控制环节输出功率。

综合惯性控制的基本原理框图如图 1 所示。

图中:$\omega$为风机转子转速；${f}_{\text{ref }}$为参考频率。当系统有功功率不平衡时, 频率产生偏差, 频率变化率$\mathrm{d}{f}^{\prime }\mathrm{d}t$经过低通滤波器和虚拟惯性控制系数环节得到虚拟惯性控制有功增量$\Delta {p}_{1}$; 系统频率偏差${\Delta f}$经过高通滤波器和下垂控制系数环节得到下垂控制有功增量$\Delta {p}_{2}$。有功增量${\Delta p}$与${P}_{\mathrm{{MPPT}}}$结合得到 MPPT 控制环节输出功率${P}_{\text{ref }}$并输入到转子侧变流器。

1.2 功率备用控制方法

当风电机组采用转子动能控制方式参与调频时, 所提供的电磁功率增量是瞬时的, 从本质上来说无法改变机组的实际有功输出, 为系统提供持续的有功增量。因此, 可以通过附加控制环节使风电机组减载运行, 预留一部分备用容量, 并利用此备用容量为系统持续提供有功功率,以达到改善系统稳态频率的目的。通常情况下, 采用转子超速控制与桨距角控制使风电机组减载运行 ^{[ 8 , 9 ]} 。

转子超速控制和桨距角控制的具体原理如图 2 所示。

图中: 虚线为风电机组最大功率跟踪运行曲线; a 处为某风速下风电机组的最大功率运行点。此时转子转速为${\omega }_{1}$,利用转子超速控制使转子转速增大至${\omega }_{2}$,机组的有功出力则沿着当前的风能利用系数曲线向下移动至$\mathrm{c}$处,风电机组在储存更多旋转动能的同时实现了减载运行。在维持转子转速为${\omega }_{1}$的条件下,通过桨距角控制将风电机组的桨距角从${\beta }_{0}$增大至${\beta }_{1}$,则机组的运行点降至$\mathrm{b}$处,同样减小了风电机组捕获的功率,实现减载运行。

2 基于模糊逻辑与风速分区的风电机组一次调频控制策略

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依据风电机组在不同风速条件下的转速-功率特性对风速进行分区, 针对不同风速区间内机组的运行特征设计相应的控制策略, 使本文的风电机组一次调频控制策略具有不同风速条件下的适应性。

2.1 风速分区方法

如图 3 所示, 根据双馈风力发电机组在不同风速下的转子转速,将工作范围划分为 3 个区间${}^{10}$。

图中:${v}_{\text{cut-in }}$为切入风速;${v}_{1}$为区间 1 与区间 2 的临界风速;${v}_{2}$为区间 2 与区间 3 的临界风速;${P}_{\mathrm{N}}$为同步发电机的额定功率；${\omega }_{\mathrm{r},\min }$为发电机组最低允许转速；${\omega }_{\mathrm{r},\max }$为发电机组最高允许转速。

区间 1: 对应的风速为${v}_{\mathrm{{cut}} - \mathrm{{in}}} \leq v \leq {v}_{1}(v$为当前实际风速), 运行于此区间的风电机组捕获的风能较少,转子转速较低,保持在最低转速${\omega }_{\mathrm{r},\min }$,但随着风速逐渐增大,机组的输出功率略有上升。

区间 2: 对应的风速为${v}_{1} < v \leq {v}_{2}$,此区间的风电机组运行于最大功率追踪模式, 控制转子转速为最优转速以跟踪风速变化,从而获得当前风速下的最大功率。

区间 3: 对应的风速为$v > {v}_{2}$,当风速达到${v}_{2}$时,风电机组的转子转速已达最高转速${\omega }_{\mathrm{r},\max }$。随着风速持续增大,机组的输出功率达到额定值,转子转速已不能继续增加, 此时须调节风机的桨距角使机组维持在恒功率运行状态 ^{[ 11 ]} 。

本文提出的控制策略以风机转子转速为参考, 将转子转速为最低值的区间 1 划分为低风速区,将运行于最优转速的区间 2 划分为中风速区, 将转子转速为最高值的区间 3 划分为高风速区。针对各风速区间特点制定相应的运行控制策略。

2.2 综合惯性模糊控制器设计

传统综合惯性控制策略通常设定虚拟惯性系数${K}_{\mathrm{v}}$和虚拟下垂系数${K}_{\mathrm{d}}$。在风电机组参与调频时, 确定机组有功增量较繁琐, 难以建立准确的数学模型, 相比之下, 模糊逻辑算法不要求精确的数学建模 ^{[ 12 ]} 。因此, 本文在传统综合惯性控制中加入模糊控制器, 使风电机组调频控制参数随系统频率特性自适应调节,以改善系统频率响应特性。

①模糊化

模糊逻辑控制器的输入为系统频率偏差 ${\Delta f}$ 和系统频率变化率 $\mathrm{d}{f}^{\prime }\mathrm{d}t$ ,输出为虚拟惯性系数 ${K}_{\mathrm{v}}$ 和虚拟下垂系数 ${K}_{\mathrm{d}}$ ^{[ 13 ]} 。各输入、输出变量隶属度关系如图 4 所示。系统频率偏差 ${\Delta f}$ 的基本模糊论域为 $\left\lbrack {-{0.50},{0.50}}\right\rbrack$ ,系统频率变化率 $\mathrm{d}{f}^{\prime }\mathrm{d}t$ 的基本模糊论域为 $\left\lbrack {-{0.06},{0.06}}\right\rbrack$ 。 ${\Delta f}$ 和 $\mathrm{d}f/\mathrm{d}t$ 在模糊论域上设定的模糊子集均为 $\{$ 负大(NL)、负中(NM)、负小 (NS)、零 (ZS)、正小 (PS)、正中 (PM)、正大 (PL)}, ${K}_{\mathrm{v}}$ 和 ${K}_{\mathrm{d}}$ 的模糊子集均为 $\{$ 较小(MS)、小(S)、中 (M)、大(L)、较大(ML)}。

②模糊控制规则

表 1 和表 2 分别为虚拟惯性系数 ${K}_{\mathrm{v}}$ 和虚拟下垂系数 ${K}_{\mathrm{d}}$ 的模糊控制规则。

③清晰化

经过模糊规则推理后, 清晰化过程采用面积重心法,得到最具代表性的模糊集合准确值 ^{[ 14 ]} 。 ${K}_{\mathrm{v}}$ 和 ${K}_{\mathrm{d}}$ 的模糊逻辑推理结果如图 5 所示。

从图 5 推理结果可以看出, 利用模糊控制策略能够在调频过程中动态调整控制参数。在频率下降阶段, 控制参数取较大值以增大系统的惯性支撑,抑制频率下降；在频率恢复阶段,适当减小控制参数以提高频率恢复速度。

2.3 风电机组一次调频综合控制策略

本文考虑了不同风速区间内风电机组的转速-功率特性,将综合惯性控制与超速减载、桨距角控制灵活组合, 设计了适应不同风速条件的风电机组一次调频综合控制策略。

①低风速区

风机转子转速维持在最低转速 ${\omega }_{\mathrm{r},\min }$ ,机组能够发出较少的有功功率。为确保风电机组的稳定运行,设定风电机组不参与系统调频。

②中风速区

采用综合惯性模糊控制和转子超速控制, 综合惯性模糊控制释放旋转动能,转子超速控制减载运行,同时利用备用容量提供系统有功支撑 ^{[ 15 ]} 。

当风电机组采用超速减载控制时, 其功率变化曲线如图 6 所示。图中: ${P}_{\mathrm{a}}$ 为减载前的最大功率运行点; ${P}_{\mathrm{b}}$ 为机组减载 ${d}_{\mathrm{b}}\%$ 后的功率运行点; ${P}_{\mathrm{c}}$ 为机组参与一次调频后的新运行点。三者所对应的转子转速分别为 ${\omega }_{\mathrm{a}},{\omega }_{\mathrm{b}}$ 和 ${\omega }_{\mathrm{c}}$ 。风电机组初始运行在 $\mathrm{b}$ 点处,对应的输出有功功率为

(5)${P}_{\mathrm{b}} = \left( {1 - {d}_{\mathrm{b}}\% }\right) {P}_{\mathrm{a}} = \frac{1}{2}{\rho \pi }{R}^{2}{v}^{3}\left( {1 - {d}_{\mathrm{b}}\% }\right) {C}_{\mathrm{p},\max }$

式中: $R$ 为风轮叶片的半径; $\rho$ 为空气密度; ${C}_{\mathrm{p},\max }$ 为最大风能利用系数。

当风电机组开始参与调频时, 逐渐增加有功出力,运行点从 $\mathrm{b}$ 处开始逐渐上移。调整参考功率,使机组在 $\mathrm{c}$ 处重新达到平衡。调频进程结束后, 系统频率恢复正常, 风电机组回到初始减载运行点 b 处。

新运行点 ${P}_{\mathrm{c}}$ 的计算式为

(6)${P}_{\mathrm{c}} = {P}_{\mathrm{b}} - {k}_{\omega }{\Delta f}$

式中: ${k}_{\omega }$ 为转子超速减载作用下的有功增量系数。风电机组新的减载水平可表示为

(7)${d}_{\mathrm{c}}\% = {d}_{\mathrm{b}}\% + \frac{{k}_{\omega }{\Delta f}}{{P}_{\mathrm{a}}}$

在新功率平衡点下, 风电机组风能利用系数可表示为

(8)${C}_{\mathrm{{pc}} = }\left\lbrack {1 - \left( {{d}_{\mathrm{b}}\% + \frac{{k}_{\omega }{\Delta f}}{{P}_{\mathrm{a}}}}\right) }\right\rbrack {C}_{\mathrm{p},\max }$

将式(8)代入式(5),可求得风电机组新的运行点 $\mathrm{c}$ 处有功功率为

(9)${P}_{\mathrm{c}} = \frac{1}{2}{\rho \pi }{R}^{2}{v}^{3}\left\lbrack {1 - \left( {{d}_{\mathrm{b}}\% + \frac{{k}_{\omega }{\Delta f}}{{P}_{\mathrm{a}}}}\right) }\right\rbrack {C}_{\mathrm{p},\max }$

新运行点 $\mathrm{c}$ 处的风电机组转子转速可利用式 (10)进行近似计算:

(10)$\frac{{P}_{\mathrm{a}} - {P}_{\mathrm{c}}}{{\omega }_{\mathrm{a}} - {\omega }_{\mathrm{c}}} = \frac{{P}_{\mathrm{a}} - {P}_{\mathrm{b}}}{{\omega }_{\mathrm{a}} - {\omega }_{\mathrm{b}}}$

风电机组转子转速的参考值为

(11)${\omega }_{\mathrm{{ref}}} = {\omega }_{\mathrm{c}} = {\omega }_{\mathrm{a}}\left( {1 - \frac{{k}_{\omega }{\Delta f}}{{d}_{\mathrm{b}}\% {P}_{\mathrm{a}}}}\right)$

风电机组总有功增量 ${\Delta P}$ 可表示为

(12)${\Delta P} = - \left( {{K}_{\mathrm{v}}\frac{\mathrm{d}f}{\mathrm{\;d}t} + {K}_{\mathrm{d}}{\Delta f}}\right) - {k}_{\omega }{\Delta f}$

综合惯性模糊控制与转子超速控制的原理框图如图 7 所示。

③高风速区

风电机组转子转速达到上限并维持在最高转速 ${\omega }_{\mathrm{r},\max }$ ,机组无法依靠转子超速控制使风机输出功率减少 $d\%$ 。故风电机组在一次调频中采用综合惯性模糊控制和桨距角控制 ^{[ 16 ]} 。

图 8 为风电机组采用桨距角控制时的功率变化曲线。图中 ${P}_{\mathrm{d}}$ 为减载前的最大功率运行点,此时机组的桨距角为 ${\beta }_{0}$ 。保持转子转速为 ${\omega }_{\mathrm{r},\max }$ ,增大桨距角至 ${\beta }_{1}$ ,使风电机组的输出功率下降至 $\mathrm{e}$ 处, ${P}_{\mathrm{e}}$ 为机组减载 ${d}_{\mathrm{e}}\%$ 后的功率运行点。当机组参与一次调频时, 通过调节桨距角使机组增发有功, 释放减载运行时预留的备用容量,在 $\mathrm{f}$ 处达到平衡。

在高风速区运行的风电机组, 其转子转速维持在最高水平,当输入风速保持不变时,叶片末端的叶尖速比也将保持不变。然而,随着风速的逐渐增加, 叶片末端的叶尖速比将不断降低。图 9 展示了在不同叶尖速比下风能利用系数与桨距角之间的关系曲线。

图中 $\lambda$ 为叶尖速比,即风轮叶片末端的线速度与实际风速之比。

(13)$\lambda = \frac{{\omega }_{\mathrm{r}}R}{v}$

式中: ${\omega }_{\mathrm{r}}$ 为发电机组转子的角速度; $v$ 为实际风速。

结果表明,在同一 $\lambda$ 下,可使用一次函数近似描述风能利用系数 ${C}_{\mathrm{p}}$ 和桨距角之间的对应关系。

(14)${C}_{\mathrm{p}} = - k \cdot \beta + b$

式中: $k$ 为比例系数; $b$ 为纵截距常数。

表 3 为不同 $\lambda$ 下比例系数 $k$ 和纵截距常数 $b$ 的近似取值。

在依据本文风速区间划分方法所确定的高风速区中, 风电机组有最大功率跟踪和恒功率运行两种运行模式, 利用桨距角补偿环节计算运行于高风速区中机组的桨距角值。通常情况下, 当风电机组减载 10% 参与一次调频时,最优转速区与恒转速区的分界点为机组输出功率 ${0.75}\mathrm{p}$ .u.处。为了防止桨距角随风速变化而跳变,影响调频效果, 其补偿环节方程可表示为

(15)${\beta }_{\text{off }} = \left\{ \begin{array}{ll} 0, & {P}_{\text{ref }} \leq {0.75} \\ \left( {{12} + \frac{b}{10k}}\right) {P}_{\text{ref }} - {12}, & {0.75} < {P}_{\text{ref }} \leq 1 \end{array}\right.$

式中: ${\beta }_{\text{off }}$ 为桨距角补偿值。

此外, 为使桨距角控制模块能够响应系统频率变化, 在补偿环节中加入与系统频率偏差成正比的附加分量,构建奖距角修正值与系统频率之间的函数关系。

(16)${\Delta \beta } = {\beta }_{\text{off }} + {k}_{\beta }{\Delta f}$

式中: ${k}_{\beta }$ 为频率响应比例系数。

当系统频率超出安全范围时, 风电机组通过桨距角控制模块减小桨距角,增加机组有功出力, 在 $\mathrm{f}$ 处 (图 8)重新达到平衡 ^{[ 17 ]} 。此时机组的风能利用系数表示为

(17)${C}_{\mathrm{{pf}}} = - k\left( {{\beta }_{\mathrm{{off}}} + {k}_{\beta }{\Delta f}}\right) + b$

则风电机组新的有功功率运行点为

(18)${P}_{\mathrm{f}} = \frac{1}{2}{\rho \pi }{R}^{2}{v}^{3}\left\lbrack {-k\left( {{\beta }_{\mathrm{{off}}} + {k}_{\beta }{\Delta f}}\right) + b}\right\rbrack$

因此, 风电机组在桨距角调节作用下的有功增量可表示为

(19)$\Delta {P}_{\mathrm{f}} = {P}_{\mathrm{f}} - {P}_{\mathrm{e}} = - \frac{1}{2}{\rho \pi }{R}^{2}{v}^{3}k{k}_{\beta }{\Delta f}$

综合惯性模糊控制与桨距角控制的原理框图如图 10 所示。

3 仿真验证

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3.1 仿真算例说明

为验证不同风况下风电机组频率协调控制策略的有效性, 在 Matlab/Simulink 平台搭建了如图 11 所示的仿真系统模型。其中, 2 台同步发电机组的额定容量为${50}\mathrm{{MW}}$,等效风电机组的额定容量为${36}\mathrm{{MW}}$,固定有功负载设定为${60}\mathrm{{MW}}$,各变压器变比分别为${T}_{1} : {3.3}/{0.69}/{35}\mathrm{{kV}};{T}_{2} : {35}/{230}\mathrm{{kV}}$;${T}_{3} : {230}/{20}\mathrm{{kV}};{T}_{4} : {230}/{20}\mathrm{{kV}}$。

在仿真实验中,系统稳定频率为${50}\mathrm{\;{Hz}}$,风电机组减载水平为 10%。

低、中风速区间临界风速${v}_{1}$计算式:

(20)${v}_{1} = \frac{{\omega }_{\mathrm{r},\max }R}{{\rho G}{\lambda }_{\mathrm{{de}}{10}}}$

式中:$G$为齿轮箱极对数;$\rho$为发电机极对数;${\lambda }_{\mathrm{{del}}0}$为次优叶尖速比。

中、高风速区间临界风速${v}_{2}$计算式:

(21)${v}_{2} = \frac{{\omega }_{\mathrm{r},\max }R}{{\rho G}{\lambda }_{\text{opt }}}$

式中:${\lambda }_{\text{opt }}$为最优叶尖速比。

其中${\lambda }_{\mathrm{{de}}{10}}$可采用多项式拟合的方法进行求取:

(22)${\lambda }_{\mathrm{{del}}0} = \mathop{\sum }\limits^{n}\left\lbrack {{a}_{i}{\left( {d}_{\mathrm{{el}}}\right) }^{i}}\right\rbrack$

式中:${a}_{i}$为多项式拟合系数;${d}_{\mathrm{{el}}}$为当前直驱风电机组减载指令。

计算得到临界风速${v}_{1} = {7.2}\mathrm{\;m}/\mathrm{s},{v}_{2} = {8.9}\mathrm{\;m}/\mathrm{s}$,额定风速为${12}\mathrm{m}/\mathrm{s}$,确定了低、中、高风速区的风速范围。总仿真时长为${40}\mathrm{\;s}$,在$5\mathrm{\;s}$时投入固定负荷的 10%模拟系统有功负荷波动。针对中、高风速下风机调频控制策略进行仿真验证, 并与表 4 中其他控制策略进行对比, 验证本文所提控制策略的有效性。

3.2 中风速下风机调频控制策略的仿真验证

将仿真风速设定为$8\mathrm{\;m}/\mathrm{s}$,风电机组通过综合惯性模糊控制与转子超速控制参与调频,增大转子转速使机组减载 10%运行,桨距角固定不变, 分别与风电机组不参与调频、定参数综合惯性控制进行了仿真对比,结果见表 5 和图 12。其中,${f}_{\min }$为最低频率,$\Delta {f}_{\text{sec }}$为二次跌落频率,${f}_{\infty }$为稳态频率。

表 5 对比了不同控制方式的仿真数据, 图 12 显示了系统在中风速区运行时的仿真结果。如图 12 所示, 策略 1 中风电机组不参与调频, 导致系统频率在初期变化较大,最低频率${f}_{\min }$为 49.64$\mathrm{H{z}_{o}}$相比之下,策略 2 和策略 3 中风电机组具有主动频率响应能力,系统频率变化较小,最低频率分别为${49.68}\mathrm{\;{Hz}}$和${49.74}\mathrm{\;{Hz}}$,最大频率偏差也有所改善。策略 2 中的机组采用定参数综合惯性控制, 在负荷突增时提供短时有功支撑, 但随着转子转速恢复,有功输出也恢复至调频前水平,稳态频率${f}_{\infty }$为${49.92}\mathrm{\;{Hz}}$。策略 3 通过模糊控制器动态调整调频参数,系统二次跌落频率$\Delta {f}_{\text{sec }}$较小,稳态频率为${49.93}\mathrm{\;{Hz}}$,由转子超速控制提供持续有功支撑。

通过与其他控制方法对比,综合惯性模糊控制+转子超速控制可以满足系统的频率调节需求, 减少频率二次跌落, 提高风电机组的频率响应能力。

3.3 高风速下风机调频控制策略的仿真验证

仿真风速设定为${12}\mathrm{m}/\mathrm{s}$,风电机组通过综合惯性模糊控制与桨距角控制参与调频,实现机组减载 10%运行,分别与风电机组不参与调频、定参数综合惯性控制进行仿真对比, 结果见表 6 和图 13。

表 6 对比了不同控制方式在高风速下的仿真数据, 图 13 显示了仿真系统在高风速区运行时的结果。从结果可知, 策略 1 中风电机组不参与调频, 当负荷增加 10% 后, 机组的输出功率和桨距角未发生变化,导致系统频率变化率、最大频率偏差和稳态频率偏差最大。策略 2 中风电机组加入综合惯性响应环节,最大频率偏差减小了${0.04}\mathrm{\;{Hz}}$, 但只提供短时功率支撑,稳态频率与策略 1 相同。策略 3 中风电机组采用综合惯性模糊控制和桨距角控制参与调频,补偿桨距角设定为${11.70}^{ \circ }$,通过减小桨距角释放机组备用容量, 提供持续有功输出,稳态频率提高至${49.92}\mathrm{\;{Hz}}$。模糊控制器在综合惯性响应环节中降低了系统频率二次跌落相对程度, 增强了风电机组的动态响应特性。

4 结论

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本文对风机运行区域进行划分, 提出了一种基于模糊逻辑与风速分区的风电机组一次调频控制策略。该方法能够适应不同的风况, 最大限度地利用风机自身的调频能力。考虑不同风速区间内风机的运行特点,将综合惯性控制与超速减载、桨距角控制灵活组合,增加机组惯性,减缓系统频率变化,并提供备用容量减小频率稳态偏差。在综合惯性控制中引入模糊控制器, 动态调整调频参数, 减小频率二次跌落。结果表明, 在中、高风速区间内,本文所提出的控制策略能够使风电机组具有可靠的调频能力, 改善了高风电渗透率电力系统的动态频率性能。但风电机组运行于低风速区时, 转子转速仅能维持在最低转速, 不具备调频能力。

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国网河南省电力公司科技项目(5217L0230007)

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2025年第43卷第1期

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接收时间：2024-05-22
首发时间：2025-07-18
出版时间：2025-01-20

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收稿日期：2024-05-22

基金

国网河南省电力公司科技项目(5217L0230007)

作者信息

¹ 国网河南省电力公司经济技术研究院河南郑州 450052

² 南京工程学院江苏南京 211167

通讯作者:

孟高军(1987-),男,博士,副教授,研究方向为新能源及电能存储技术、电力系统运行与分析。E-mail:gjun_m@126.com 。

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https://castjournals.cast.org.cn/joweb/kzsny/CN/1152989167056310366

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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序号	控制策略
策略 1	风电机组不参与调频
策略 2	定参数综合惯性控制
策略 3	本文综合惯性模糊控制+转子超速控制

序号

控制策略

策略 1

风电机组不参与调频

策略 2

定参数综合惯性控制

策略 3

本文综合惯性模糊控制+转子超速控制

	wind speed
控制策略	${f}_{\text{min }}$	$\Delta {f}_{\text{sec }}$	${f}_{\infty }$
策略 1	49.64		49.92
策略 2	49.68	0.05	49.92
策略 3	49.74	0.02	49.93

wind speed

控制策略

${f}_{\text{min }}$

$\Delta {f}_{\text{sec }}$

${f}_{\infty }$

策略 1

49.64

49.92

策略 2

49.68

0.05

49.92

策略 3

49.74

0.02

49.93

控制策略
策略 1	49.54		49.89
策略 2	49.58	0.06	49.89
策略 3	49.66	0.03	49.92

控制策略

策略 1

49.54

49.89

策略 2

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0.06

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策略 3

49.66

0.03

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