一种基于风力涡轮机自主响应与跳闸协调的改进型电力系统紧急频率控制方法

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：An improved emergency frequency control for power system based on coordination of autonomous response and tripping of wind turbine

风功率系统渗透率增加导致抗干扰能力下降，需通过风机自主响应与切机协调控制频率。分析转子转速与桨角约束下的最小可调节功率边界（APB），建立考虑APB与功率调节速度（PRS）的频率控制能力模型，提出兼顾频率安全与风场控制能力的切机搜索方法，并设计协同自主响应与切机的紧急频率控制策略，经案例验证有效。

　　

Jinxin Ouyang|Baixiang Huangfu|Yanbo Diao|Jianfeng Yu

中国重庆大学电气工程学院电力传输设备技术国家重点实验室

摘要

由于风电渗透率的不断增加，电力系统的抗干扰能力持续下降。在集成惯性控制下，风力涡轮机（WT）的自主响应可以改善系统的频率特性。然而，当电力过剩较大时，需要协调风力涡轮机的跳闸以防止频率超过阈值。虽然现有研究已经考察了风力涡轮机的最小可调功率边界（APB）或功率调节速度（PRS），但它们对紧急频率控制的联合影响尚未得到充分研究，这可能导致频率超过阈值或风力涡轮机过度跳闸。因此，本文分析了在转子速度和俯仰角约束条件下风力涡轮机的最小APB，并描述了考虑APB和PRS的风力涡轮机的频率控制能力。计算了考虑自主响应和跳闸的风力涡轮机的PRS，并描述了为满足频率安全和风电场最小APB约束而需要的发电机跳闸范围。提出了一种平衡频率安全与风电场频率控制能力的风力涡轮机跳闸搜索方法，并进一步提出了一种基于风力涡轮机自主响应和跳闸协调的紧急频率控制方法。通过案例研究验证了所提方法的有效性。

引言

近年来，风电的渗透率持续增长。大规模的风电集成降低了电力系统的惯性水平，从而削弱了电力系统的抗干扰能力[1]。当出现电力不平衡且风力涡轮机（WT）以并网模式运行时，在集成惯性控制（IIC）下，WT可以自主调节有功功率以改善系统频率[2]。传统的IIC通常采用固定的控制参数[[3]]，[4]]，这些参数无法考虑WT的频率控制能力差异。因此，某些WT的频率控制可能会因转子速度超过阈值而退出。基于频率控制能力调整时变控制参数的改进型IIC引起了人们的兴趣[[5]]，[6]]。在[7]中使用了带有动态增益的降压控制来计算WT的功率跟踪系数。在[8]中提出了一种考虑WT频率调节能量的IIC控制参数设置方法。在[9]中基于“频率-RoCoF”形式的最佳频率轨迹构建了实用的IIC。

此外，一些近期研究在提高故障穿越能力的同时间接关注了频率性能[[10]]，[11]]。这些发现表明，以电压为导向的故障穿越策略也会影响频率响应，但它们并未明确量化风力涡轮机在紧急情况下的频率支持能力。当电力过剩较大时，仅通过减少WT的有功功率可能不足以确保频率安全，需要协调发电机跳闸以防止频率超过阈值。

通常采用优化模型、分析方法和智能算法来确定基于电力扰动的发电机跳闸量[[12]]，[13]]，[14]]。在[15]中提出了一种旨在实现最小发电机跳闸量的最优过频发电机跳闸策略。在[16]中提出了一种基于知识融合的深度强化学习框架，用于智能预测发电机跳闸方案，以提高预测效率。考虑到尾流效应对WT频率支持能力的影响，在[17]中提出了一个两级分布式紧急频率控制方法，以分配不同风电场的功率。然而，现有方法忽略了发电机跳闸与风电场频率控制之间的协调，这可能导致减载不足或过度减载。在[18]中提出了一种协调发电机跳闸和WT功率调节的紧急频率控制方法，但忽略了WT的APB对发电机跳闸量的影响。

WT的频率控制能力取决于APB和PRS。WT的APB受到转子速度和俯仰角的约束[19]。在IIC下，PRS由系统频率决定，而系统频率又受到WT有功功率的影响。WT更宽的功率调节范围有助于改善系统频率特性。然而，对于给定的APB，更快的PRS意味着WT参与频率控制的持续时间较短。在预定的发电减载量下，如果APB较小的WT跳闸，风电场将获得更宽的功率调节范围。相反，如果跳闸的WT的PRS较低，风电场可能无法为系统提供持续的频率支持。因此，仅基于WT的APB和PRS来确定发电减载量可能导致减载不足，从而使系统频率超过允许限制，或者过度减载，导致发电量过度削减。

因此，本文提出了一种结合WT自主响应和发电跳闸的协调紧急频率控制方法（EFCM），适用于包含并网风电场的电力系统。主要贡献包括：

(1) 分析了在转子速度和俯仰角约束条件下WT的最小APB，并建立了考虑APB和PRS的WT频率控制能力模型。

(2) 计算了考虑WT自主响应和跳闸的PRS，并描述了满足频率安全和风电场最小APB约束的WT跳闸范围。

(3) 提出了一种平衡频率安全与风电场控制能力的WT跳闸搜索方法，并提出了改进的EFCM，以协调WT的自主响应和跳闸。所提方法确保了频率安全并最小化了WT跳闸。

本文的主要内容包括：第二节分析了在转子速度和俯仰角约束条件下WT的最小APB。第三节计算了考虑WT自主响应和跳闸的PRS，并建立了考虑APB和PRS的WT频率控制能力模型。第四节提出了改进的EFCM思想。第五节提出了一种平衡频率安全与风电场控制能力的WT跳闸搜索方法。第六节通过仿真验证了所提方法的有效性。

部分内容

考虑边界和速度的风力涡轮机频率控制能力建模

当电网故障导致电力过剩时，低风速或中风速下运行的WT可以通过超速控制（OSC）增加转子动能或通过俯仰角控制（PAC）减少机械功率来降低有功功率输出，从而抑制频率上升。对于高风速下运行的WT，转子速度接近额定速度，OSC的功率调节量有限。因此，WT通常会减少有功功率

考虑风力涡轮机自主响应和跳闸的功率调节速度

当包含并网风电场的电力系统中出现电力过剩时，WT和同步发电机（SG）会自主减少有功功率以响应系统频率变化。然而，当电力不平衡较大时，电力资源的向下调节不足以防止频率超过阈值，需要协调发电机跳闸以减少电力过剩。“先调节后跳闸”方法在设置上存在不准确的问题

基于自主响应和跳闸协调的改进紧急频率控制思想

在风电场部分WT跳闸后，剩余WT的最小APB和PRS可能会因不同的发电机跳闸量而变化。不同发电机跳闸量下的FD和RoCoF也不同，它们受到最大允许FD和RoCoF的共同约束。发电机跳闸后的最大FD应小于最大允许值，最大RoCoF也应小于最大允许值[24]。功率调节

改进的紧急频率控制策略

在风速条件下，WT在IIC下的功率调节量等于频率支持时间内PRS的积分。频率支持时间有一个上限，即WT最小APB范围内的最大频率支持时间。FD达到最大值的时间是最大FD时间。当最大频率支持时间小于最大FD时间时，WT的频率控制会在达到最大FD之前退出，功率

案例研究

在Matlab/Simulink中建立了仿真模型，以验证理论分析的正确性，详见补充材料中的图S2。SG₁和SG₂的容量分别为700 MW和740 MW，额定频率为50 Hz。3个风电场由多个WT组成，用于模拟不同的风电渗透率。WT的额定容量为1.5 MW，额定电压为575 V，直流电容器为10mF，其他参数见表Ⅰ及控制设置

结论

在包含并网风力发电机的电力系统中，SG和WT的自主响应难以避免在大功率扰动时频率超过阈值。由于WT的最小APB和PRS受到发电机跳闸的影响，因此需要协调发电机跳闸与WT的自主响应，以避免因减载不足或减载过度而导致的频率超过阈值。

CRediT作者贡献声明

Jinxin Ouyang：撰写 – 审稿与编辑、验证、方法论、研究。Baixiang Huangfu：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、研究、形式分析、数据整理、软件。Yanbo Diao：撰写 – 审稿与编辑、监督。Jianfeng Yu：初稿撰写、验证、方法论、研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

无。

JinxinOuyang（IEEE会员）2012年在中国重庆大学电气工程学院获得博士学位。自2012年起，他一直在重庆大学工作，目前担任电气工程学院副教授。他撰写并合著了50多篇技术论文和两本专著。（[e-mail]）。他的研究兴趣包括可再生能源电力系统的保护与控制、优化运行