風(fēng)電場雙饋型風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)控制策略研究

風(fēng)電場雙饋型風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)控制策略研究

本文主要研究了兩種控制策略對雙回風(fēng)機網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)電壓的影響，分析了不同風(fēng)速下無源裝置的優(yōu)化配置，并選擇了合適的流量控制方案和無源補償策略。首先介紹了雙饋型風(fēng)力發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)以及幾種常用的無功補償措施,然后利用Matlab/Simulink軟件搭建了風(fēng)機和典型風(fēng)速模型,分別對正常情況下和典型故障下的系統(tǒng)電壓變化情況進行了仿真研究。通過構(gòu)造無功補償優(yōu)化函數(shù),對幾種補償措施進行綜合分析。結(jié)果表明,風(fēng)機并網(wǎng)會對電壓造成一定影響,且對不同控制策略下的影響程度也有所不同,因此建議選取函數(shù)值最小的無功補償策略作為該風(fēng)速下的最優(yōu)補償策略。實際中可根據(jù)風(fēng)場特點、運行狀況和經(jīng)濟成本等進行綜合考量,選擇最為合適的無功補償策略。近年來,可再生資源尤其是風(fēng)能的開發(fā)利用受到了越來越多的重視。隨著并網(wǎng)風(fēng)電場容量的逐漸增加,風(fēng)電在電網(wǎng)中所占的比例越來越大,風(fēng)電并網(wǎng)帶來的一系列問題開始逐步顯現(xiàn)新建風(fēng)電場的容量不斷增大,風(fēng)電場的輸出功率因風(fēng)速變化而產(chǎn)生間歇性和波動性變化,給所接入地區(qū)電網(wǎng)的電壓質(zhì)量等造成了影響。因此,風(fēng)電場接入系統(tǒng)時,必須結(jié)合所接入地區(qū)電網(wǎng)的實際情況和風(fēng)電場選用機組的控制策略以及風(fēng)電場的無功補償設(shè)備等進行綜合分析本文以目前應(yīng)用最為廣泛的雙饋式風(fēng)力發(fā)電機為研究對象,通過研究其基本結(jié)構(gòu)搭建仿真模型,分別對正常運行和發(fā)生典型故障時恒功率和恒電壓兩種控制模式下系統(tǒng)電壓的變化情況進行仿真研究,分析不同風(fēng)速和不同系統(tǒng)工況時應(yīng)采取的控制策略,從而得到最優(yōu)的無功補償方案,供實際風(fēng)場并網(wǎng)運行參考。主要數(shù)學(xué)模型1.風(fēng)速模型通常采用四種風(fēng)速分量來模擬風(fēng)速的隨機變化情況(1)基本風(fēng)格基本風(fēng)可以由風(fēng)電場測風(fēng)數(shù)據(jù)獲得的威布爾分布參數(shù)近似確定,根據(jù)威布爾分布的數(shù)學(xué)期望值有式中,(2)配置在風(fēng)速變化的過程中,陣風(fēng)用來描述風(fēng)速突然變化的特性,可表示為其中式中,V(3)斜風(fēng)吹風(fēng)速的漸變特性可以用漸變風(fēng)成分來模擬,如式(4)所示,即式中,V(4)隨機噪聲風(fēng)速成分為反映風(fēng)速變化的隨機特性,在風(fēng)速模擬中可以用隨機噪聲風(fēng)速成分來表示,為式中,φS式中,K綜合上述四種風(fēng)速成分,可模擬實際作用在風(fēng)力機上的風(fēng)速為2.dfig模型利用坐標變換將三相靜止坐標系中的方程轉(zhuǎn)換到由坐標系下,可得到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學(xué)模型(1)電壓方程電壓方程為式中,u(2)磁鏈方程磁鏈方程為式中,L(3)旋轉(zhuǎn)方程轉(zhuǎn)矩方程為式中,p(4)雙饋電機旋轉(zhuǎn)坐標系運動方程為式中,J將式(9)~式(12)所示的數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)后,可得到雙饋電機同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的電壓方程和磁鏈方程的矩陣表示形式為3.風(fēng)輪機動力學(xué)原理設(shè)計一般風(fēng)輪機連接有三個葉片,由玻璃鋼制成。葉片的形狀與曲線按空氣動力學(xué)原理設(shè)計,以保證風(fēng)輪機實現(xiàn)風(fēng)能-機械能的理想轉(zhuǎn)換。通常情況下,風(fēng)輪機產(chǎn)生的機械功率可表示為式中,P式中,R為風(fēng)輪半徑。在實際工程中,葉尖速比λ、槳距角β和風(fēng)能利用系數(shù)C式中,cdfig的戰(zhàn)略及其功績補償1.恒功率控制模式風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)時風(fēng)電場對無功功率的需求是導(dǎo)致電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性降低的主要原因。風(fēng)電場的控制模式分為兩種:一種是恒功率控制模式,其穩(wěn)態(tài)運行時功率因數(shù)為1,并不從電網(wǎng)中吸收無功功率,在該模式下,Q=0,根據(jù)S=P+jQ,從而得到cosφ=1;另一種是恒電壓控制模式,其穩(wěn)態(tài)運行時控制輸出電壓的幅值在1附近。根據(jù)風(fēng)況和輸出電壓的不同從電網(wǎng)吸收或發(fā)出無功來穩(wěn)定出口電壓2.無功補償裝置無功補償作為維持電力系統(tǒng)安全與穩(wěn)定的重要手段,自使用至今已經(jīng)發(fā)展了數(shù)十年的時間,而各種新策略的提出以及新裝置的應(yīng)用極大地豐富了無功補償?shù)膬?nèi)涵1)晶閘管投切電容器(TSC)。采用無源器件(電容器)進行無功補償,同時分級補償(一般為九級)以滿足補償需求。該裝置比較容易實現(xiàn)、維護簡單且造價低廉,但不能實現(xiàn)連續(xù)可調(diào)。2)靜止無功補償器(SVC)。采用無源器件進行無功補償?shù)募夹g(shù)總稱,對于電壓變化可以快速、平滑地調(diào)節(jié),以滿足動態(tài)無功補償?shù)男枰ｍ憫?yīng)迅速、補償效果好,同時還能做到分相補償。但同時會產(chǎn)生大量諧波,能量損耗較高。3)靜止同步補償器(STATCOM)。采用電能變換技術(shù)實現(xiàn)的無功補償,與其他裝置的最大區(qū)別在于能主動發(fā)出無功電流來補償負載無功電流。具有快速響應(yīng)和準確補償?shù)奶攸c,并且補償可以實時進行。由于輸出電流幾乎不含諧波,不需要額外的濾波器來避免系統(tǒng)諧振的發(fā)生,同時也是唯一具有低電壓穿越能力(LVRT)的補償裝置。但昂貴的價格也是不得不考慮的因素。本文在此以這三種無功補償裝置為模型,通過構(gòu)造優(yōu)化函數(shù)來選取最優(yōu)的無功補償策略,以滿足不同風(fēng)速下的補償需求。結(jié)果與分析1.風(fēng)機選型和仿真為了研究風(fēng)電場接入時對系統(tǒng)電壓的影響,本文根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型利用Matlab/Simulink仿真軟件搭建了由雙饋風(fēng)力發(fā)電機構(gòu)成的電力系統(tǒng)模型。圖1為風(fēng)電系統(tǒng)接線圖,圖1中,風(fēng)電場由6臺1.5MW的雙饋異步發(fā)電機組成,采用集中模式。發(fā)電機出口電壓為575V,通過升壓變壓器升壓至25kV,然后通過一條10km長的25kV輸電線路送至120kV變電站,最終接入120kV主網(wǎng)架系統(tǒng)。主要對正常運行和典型故障時的風(fēng)場接入影響進行仿真。仿真模型中,風(fēng)速模型中包含基本風(fēng)、漸變風(fēng)、陣風(fēng)以及隨機風(fēng)四種風(fēng)速模型,其中,基本風(fēng)即為一常量輸出,漸變風(fēng)則由STEP模塊和斜率控制器所構(gòu)成,通過改變起始時間以及初始值和最終值來控制風(fēng)速,具體仿真模塊如圖2所示。陣風(fēng)和隨機風(fēng)采用S函數(shù)編寫,然后封裝為子系統(tǒng),具體模塊分別如圖3和圖4所示。2.風(fēng)的綜合下的仿真仿真計算時,分別針對漸變風(fēng)(幅值6m,起始時間5s,終止時間13s,持續(xù)時間7s),陣風(fēng)(幅值5m,起始時間7s,持續(xù)時間7s),隨機風(fēng)(平均值12m)和綜合風(fēng)速(基本風(fēng)、漸變風(fēng)、陣風(fēng)和隨機風(fēng)的綜合)作用下的情形進行仿真(基本風(fēng)速取12m/s),仿真時間為20s。圖5與圖6分別為綜合風(fēng)速作用時兩種控制模式下的系統(tǒng)電壓波形圖。由圖可見,使用恒功率控制模式時系統(tǒng)中各個節(jié)點的電壓要比使用恒電壓控制模式時的節(jié)點電壓高。恒電壓控制模式下,575V母線處的電壓在風(fēng)速擾動情況下波動較小,但電壓比恒功率模式下的電壓水平低。恒功率控制模式下,575V母線節(jié)點和其他各節(jié)點電壓波動較大,但電壓水平高。由于目前實際中大多數(shù)風(fēng)電機組并未安裝無功補償裝置,因此當(dāng)風(fēng)電場中風(fēng)速變化較為劇烈導(dǎo)致電壓波動超出允許范圍時,需要對現(xiàn)有機組進行改造,使其能夠在恒電壓控制模式下運行。而對于電壓波動滿足要求的風(fēng)機,或者在輸出功角有要求的情況下,綜合考慮經(jīng)濟因素,也可以繼續(xù)選擇在恒功率控制模式下運行。3.恒功率控制模式下的仿真由于單相接地短路故障占到系統(tǒng)總故障的85%以上,因此本文通過設(shè)置單相接地故障重點對單相接地故障的情形進行仿真研究,并忽略風(fēng)速對系統(tǒng)電壓的影響。仿真計算時,風(fēng)速為基本風(fēng)12m/s,系統(tǒng)在t=5s時發(fā)生故障,故障時間為9個周期(9/f),分別對恒電壓控制模式和恒功率控制模式下的系統(tǒng)電壓變化進行觀測。圖7和圖8分別為故障點設(shè)置在25kV母線側(cè)時在恒功率控制模式和恒電壓控制模式下的系統(tǒng)電壓變化。由圖可見,在恒電壓控制模式下,發(fā)生單相接地故障時,575V母線的正序電壓降到0.8(pu),高于保護設(shè)定的電壓0.7(pu),因此,風(fēng)力發(fā)電機可繼續(xù)工作。在恒功率控制模式下,由于缺乏無功的支持,電壓降低到0.7(pu),觸發(fā)保護設(shè)備,切除風(fēng)機從電網(wǎng)的運行。同時對故障點設(shè)置在575V母線側(cè)的情形進行仿真研究。結(jié)果表明,單相接地短路故障對風(fēng)機沒有太大的影響,故障切除后,風(fēng)機繼續(xù)運行。因此,前述仿真結(jié)果表明,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時,恒功率模式由于沒有響應(yīng)的無功補償措施,會導(dǎo)致系統(tǒng)電壓迅速下降至臨界值以下,使得繼電保護裝置動作,將風(fēng)機從系統(tǒng)切除。而恒電壓控制模式則可以有效避免此類問題,提高了電壓穩(wěn)定性,使得風(fēng)機能夠連續(xù)運行。4.響應(yīng)面特定風(fēng)速優(yōu)化函數(shù)電力系統(tǒng)無功補償主要受以下七種因素影響:(1)經(jīng)濟成本。(2)補償效果。(3)運行維護。(4)諧波產(chǎn)生。(5)開斷沖擊。(6)噪聲及故障率。(7)響應(yīng)時間。若設(shè)系統(tǒng)的功率因數(shù)為0.98,則可得風(fēng)機所產(chǎn)生的無功功率隨風(fēng)速的變化如圖9所示。由圖9可見,無功功率隨風(fēng)速變化有較為明顯的改變(風(fēng)速變化范圍取6~13m/s)。綜合考慮各方面約束條件,同時結(jié)合無功隨風(fēng)速的變化關(guān)系,將相關(guān)影響因素歸入到一個優(yōu)化函數(shù)中,以期得到特定風(fēng)速條件下無功補償所消耗的最小值。構(gòu)造優(yōu)化函數(shù)為式中,a為每kvar補償需要消耗的資源(相對值),可以根據(jù)實際情況進行修改;Q為特定風(fēng)速下的無功總量,可由圖9得出;ω為各約束條件的影響所占比重,可以通過層次分析法得出或人為設(shè)定;同時考慮到隨機誤差的可能性,函數(shù)的最后加入了一個隨機數(shù)作為修正系數(shù)。在風(fēng)速為10m/s時各無功補償措施的運算結(jié)果分別如表1~表3所示。由計算結(jié)果可見,當(dāng)風(fēng)速為10m/s時,靜止無功補償器的函數(shù)值最小,故該情況下SVC為最優(yōu)補償策略,應(yīng)該被投入使用。其他風(fēng)速時也可按照本方法進行優(yōu)化計算。恒電壓控制模式本文主要對雙饋風(fēng)機對系統(tǒng)電壓的影響及其補償策略進行了仿真研究,仿真結(jié)果表明。1)采用恒功率因數(shù)控制模式的雙饋