李德才 蔡梅园 李海波 尹为刚 柯余东

随着化石能源日益枯竭，能源问题已经成为限制社会发展的重要问题。风力发电以其技术成熟、成本较低和可大规模开发利用的优势，成为具有竞争力的发展方向。但受气候条件的制约，风电出力具有间歇性和波动性的特点，在常规控制方式下，风电机组的机械旋转与电网频率解耦合，使得风电机组无法为电力系统提供惯性。随着风电机组并网容量的增加，电力系统的调频、调峰问题日益突出，因此，风电机组需要具备功率调节和频率调控的综合控制能力。

近些年，国内外学者对风电场参与电网调频做了大量研究。根据相关研究成果，现有的解决方法主要有虚拟惯量法、桨距角控制法和储能法。其中，虚拟惯量法是通过释放储存在风电机组转子中的机械能，来实现机组输出功率的提高；桨距角控制法是通过预留部分功率，来实现机组输出功率的改变；风电机组与储能系统相互配合的方法，可以响应电网频率的波动，使机组具备参与电网调频的能力。

为研究双馈风电机组调频的可行性以及控制策略，本文以中国海装3.2MW双馈风电机组为研究对象，根据机组参数，在Matlab/Simulink仿真平台上搭建仿真模型，对上述3种调频方法进行对比分析。

双馈风电机组建模

双馈风电机组主要由叶片、塔筒、主轴、变速箱、双馈发电机、变流器等组成，结构如图1所示。叶片将风能转化为机械能，双馈发电机则把机械能转变为电能，并由变压器输送到电网。3.2MW机组的基本参数如表1所示。

一、机械模型

根据公式（5）可以推导出变流器控制策略（如图3）：网侧、转子侧变流器的控制都将有功、无功功率解耦，变流器的内外环控制均选用标准的PI控制。

三、变桨模型

当风速未达到额定值时，风电机组的输出功率在额定值之下，此时机组保持最佳桨距角；当风速超过额定风速时，需通过变桨控制系统改变桨距角，以此降低风能利用系数，使风电机组的输出功率维持在额定值，机组进入定功率状态。变桨控制原理如图4所示，其中，Tp为变桨系统等效惯性时间常数。

3种调频方法的对比研究

国家能源局发布的《风电机组一次调频的技术要求与测试规程》要求，风电机组应实现有功功率的连续平滑调节，参与一次调频，并要求：当频率下降时，机组应增加有功功率，有功增加量上限宜在6%～10%Pn范围内；机组响应时间应不大于5s，持续时间不小于10s。但是在常规风电机组控制方式下，风电机组与电网完全解耦，机组出力与电网频率无关，不能满足机组参与系统一次调频的需求。风电机组常常工作在不同风速条件下，本文選取8.5 m/s作为代表风速来验证不同方法实现风电机组调频的可行性，并展示机组的动态特性。仿真系统的初始负荷和发电量平衡，即系统的初始频率f=50Hz。如图5所示，在4s时，电网负荷增加，而后电网频率从50Hz下降到49.8Hz。风电机组在检测到电网频率下降后，将改变控制策略，实现输出功率的提高。

一、虚拟惯量法

风电机组具有很大的转动惯量，并且双馈电机可以变转速发电，这些特性给予了风电机组一次调频的能力。

当电网频率低于50Hz时，风电机组的发电量及转速将共同用于计算变流器的输出电压（如图6）。在此过程中，由于电磁转矩大于输入的机械转矩，风轮的转速将持续下降。为保持系统的稳定、减少振荡，该方法将转速也作为输入量与机组功率一起用于电流环控制。本文利用虚拟惯量法进行风电机组参与电网调频仿真时，假设风速保持8.5m/s不变，并且桨距角始终为 0o。

当检测到电网频率下降时，变流器将改变控制，并增加电磁转矩的输出，使得机组的输出功率增加10%，以满足电网对于风电机组一次调频的要求。风电机组输出功率如图7（a）所示，4s后机组的输出功率从2.5MW增加到2.82MW，并保持稳定。但如图7（b）所示，在此过程中，风轮转速持续下降，所以，此方法只可作为短期的一次调频使用。同时，转子的转差率也在下降，为保证定子频率与电网一致，转子电流的频率也需降低（如图8）。

二、桨距角控制法

通过变桨控制可实现机组减载，进而满足电网对机组限负荷与调频的需求。当电网负荷增加时，可通过减小桨距角来捕获更多的风能，提高发电量，从而为系统提供频率支持。

风电机组输出功率如图9（a）所示，4s后机组的输出功率从2.18MW增加到2.5MW，并保持稳定。如图9（b）所示，桨距角从2.66o减小到0o，风能利用系数从0.41增加到0.47。此方法可以长时间提高风电机组的输出功率，能够满足风电机组参与一次调频的需要。但是此方法会导致机组满发时间减少，影响风电场收益。

三、储能法

储能方法主要有抽水储能、压缩空气储能、电池储能、飞轮储能、超级电容储能、超导储能、储氢、储热等。考虑到风电机组所处的地理位置与气候条件，压缩空气储能被认为是一种适合风电机组的储能方法。

当前，国内外已有多位学者提出了多种形式的风电机组与压缩空气储能结合的方法。结合现有技术，如图10所示，本文建议在变速箱高速端增加单级平行齿轮传动轴，通过将部分转矩传送到压缩机，并将机械能以压缩空气的形式储存在储气罐中。当电网频率下降时，储存的压缩空气将被释放出来，并在膨胀机中膨胀做功，所产生的转矩由齿轮箱传递到双馈电机用于提高机组发电量。

结论

对于双馈风电机组单机一次调频的难题，本文介绍了虚拟惯量法、桨距角控制法和储能法三种解决方法。其中，对虚拟惯量法和桨距角控制法进行仿真研究的结果表明，采用虚拟惯量的方法，在保证系统稳定的同时，机组可以维持10s以上10%的功率输出增加。但是由于该方法通过转化转子动能的方式来增加输出功率，在调频过程中，机组转速将会持续下降，所以，此方法只可作为短期的一次调频使用。桨距角控制法可以预留部分功率，当电网频率下降时，通过减小桨距角来增大风能利用系数，进而提高风电机组的输出功率。但是此方法会导致机组满发时间减少，影响风电场收益。此外，风电机组与储能结合的方法可以使机组充分利用风能，而电网对机组频率响应的要求则由储能系统实现，但是增加储能设备会导致成本的增加。

（作者单位：中国船舶集团海装风电股份有限公司）