调频过程中风力机气动特性分析

1.最大风能跟踪区调频过程分析

以图6－20为例说明风电机组在最大风能跟踪区频率跌落时参与一次调频的过程，假设在最大风能跟踪区的某一不变风速vx下，在频率正常时风电机组经过减载后运行在空气动力学曲线的X点，机组输入的机械功率和输出的电磁功率平衡，都为Pde。当系统出现有功缺额导致频率跌落时，机组的频率响应特性会提高机组输出的电磁功率导致转速下降，风力机输出机械功率沿曲线XY运动，并最终稳定在线段其中的某一点完成一次调频过程，机组通过增大电磁功率支持了频率的稳定。在电力系统二次调频起作用频率恢复额定值后，机组减少电磁功率的输出转速上升回归到X点。

图6-20　最大风能跟踪区风力机在频率下降时输出机械功率与转速的关系

在实际风电机组的运行中可能存在风速测量误差，假设实际风速为vX而测量的风速为，则减载后机组运行在X′点。由于风速测量值偏大，使控制中查询的最优功率值大于实际的最优功率值Pmax，若没有辅助转速保护控制器，在频率跌落值过大时输出的电磁功率可能大于实际最优功率，从而使机组的运行点位于最大风能追踪曲线的左侧造成转速过低而停机。添加辅助转速保护控制器后，由于在风速下查询所得的最优转速大于实际的最优转速ωopt，当输出电磁功率过大导致转速低于时，辅助转速保护控制器的PI控制器会使转速维持在，保证风力机只运行在曲线X′Y′内。在最大风能跟踪区机组风速测量值小于实际值时（假设实际风速为，而测量的风速为vX），由于查询所得的最优功率值Pmax小于实际的最优功率值，所以在整个调节过程中不会出现输出的电磁功率大于实际最优功率值的情况，机组的运行点总是在最大风能追踪运行曲线的右侧。由于辅助转速保护器的存在，即使在最大风能追踪区风速测量存在误差，机组的转速安全也可以得到保障。

以图6－21为例说明频率升高时处于最大风能追踪区的风电机组参与一次调频的过程，同样假设在最大风能跟踪区的风速vX下机组经过减载运行后运行在X点，机组输入的机械功率和输出的电磁功率平衡，大小都为Pde，当系统由于功率过剩出现频率上升时机组会减少输出的电磁功率，导致机组转速上升风力机输出功率逐渐减少。当转速上升未超过机组的额定转速时机组的运行点沿曲线XZ运动，通过对转速的控制就可以实现对机组输入机械功率的控制，但当频率下跌幅度过大且时间过长时转速有可能超过机组的额定转速ωon，此时桨距角控制器动作，机组工作点在曲线ZZ′上运动通过增大桨距角的方式保护转速的安全，且当频率逐渐恢复时由于输出电磁功率的回升实际转速会下降，桨距角控制器输出的桨距角会迅速下降，提高风力机的机械功率支持转速的稳定直至桨距角为0，机组的运行点重新回归到曲线XZ运动。

图6-21　最大风能跟踪区风力机在频率上升时输出机械功率与转速的关系(www.xing528.com)

2.恒转速区及恒功率区调频过程分析

图6－22所示为在恒转速区风速v＝10 m／s以及恒功率区风速v＝12 m／s下风力机变桨距控制时输出机械功率Po和机械转速ωmech关系的曲线簇示意图。假设桨距角控制器中PI控制没有超调，在系统频率下降时机组通过减小桨距角增加风力机输出机械功率参与一次调频的过程可用曲线XY表示，频率恢复正常值上升时桨距角增大的过程可用YX表示。频率上升时机组增大桨距角，减小风力机输出的机械功率来保护转速安全的过程可用图6－22中曲线XZ表示，频率由跃升到恢复正常值下降时桨距角减小的过程可用曲线ZX表示。

假设在恒转速区机组减载后运行在图6－22（a）中的X点，当系统频率下跌时，机组会增大输出的电磁功率用于提供有功支持，由于功率不平衡导致转速下降，由图6－13所示的桨距角控制器可知，转速低于额定转速ωon时机组的桨距角会减小来维持转速在ωon，若最终一次调频后机组的功率在Y点平衡，则机组在频率跌落时参与一次调频运行点的变化如图6－22（a）曲线XY所示，对应频率恢复过程的运行点变化如图6－22（a）曲线YX所示。当系统频率上升时，由于机组会减小有功的输出会导致机组转速的上升，桨距角会增大来减小风能捕获功率以保证转速安全，若最终调频时机组的功率在Z点平衡，则机组在频率上升时参与调频的运行点变化如图6－22（a）曲线XZ所示，频率降低恢复额定值时机组运行点的变化如图6－22（a）曲线ZX所示。

图6-22　恒转速区及恒功率区机组变桨距控制参与一次调频

（a）恒转速区下机组通过变桨距控制参与调频示意图；（b）恒功率区下机组通过变桨距控制参与调频示意图

图6－22（b）描述的是风电机组在恒功率区下机组通过变桨距控制参与一次调频的过程，其过程与机组在恒转速区参与调频的过程基本相同，只是在恒功率区由于风速高，在桨距角非零时风力机输出的机械功率就会达到机组的额定电磁功率PeN，此时若继续减小桨距角则一定会使机组输入的机械功率大于输出的电磁功率，使转速上升。还需要注意的是，在恒转速区变桨距后，当机组的转速下降时风力机输出的机械功率有可能会增大，有利于保证转速的下降速度不会过快，但在恒功率区转速的下降只会进一步导致输出机械功率的减小，所以在选取桨距角控制器的控制参数时要重点测试桨距角的控制特性能否满足在恒功率区机组转速安全的要求。