一種雙饋風電機組的調頻控制策略

一種雙饋風電機組的調頻控制策略

0動態(tài)積分控制技術隨著穿越比例的增加，電氣系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定變得越來越嚴重。然而,對于目前廣泛采用的變速恒頻機組,雖然其采用了先進的交流變頻控制技術,但其解耦控制策略使機組有功功率無法響應系統(tǒng)頻率的變化。此外,該類風電機組通常運行于最大功率點跟蹤(maximumpowerpointtracking,MPPT)模式下,無法提供額外的有功功率參與頻率控制,這更加劇了含大規(guī)模風電穿越的電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定問題。在部分風電穿越比例較高的發(fā)達國家,通常夜間時風電高發(fā),超過了波谷負荷,造成了負電價。為了避免大量的經濟損失和保障電網的穩(wěn)定性,通常的做法是切除部分風電機組,這樣做的弊端是風電機組頻繁啟停影響使用壽命。為了解決以上矛盾,許多國家正在研究使部分風電機組減載,例如:西班牙在電網導則中明確規(guī)定,風電機組必須具有1.5%的頻率備用裕度。減載的優(yōu)勢在于:第一,可在不切機情況下為系統(tǒng)留有部分備用,節(jié)約了常規(guī)備用的投資成本;第二,減載控制技術能夠對系統(tǒng)的頻率進行實時響應,保障了電網頻率穩(wěn)定性;第三,風電機組的變流器采用交流變頻控制技術,功率控制速度比火電機組更快,能有效提升電力系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性。綜上所述,風電機組調頻控制具有極大的經濟與研究價值,吸引了國內外大量學者對其進行深入研究。如虛擬慣量法,即在頻率變化時,讓風電機組迅速向電網釋放儲存在旋轉質量中的動能,或從電網吸收能量增加動能,從而模擬與同步機類似的慣性常數和暫態(tài)頻率響應特性;如快速備用法,即當頻率變化時,使風電機組的有功功率瞬間輸出一個短期(如10s)的方波信號,類似一個短暫的有功備用。這2種方法的缺陷在于僅能進行短暫的調頻支援,從嚴格意義上來說,尚無法認為是有效的減載調頻手段。對于長時間的減載調頻,主要有2種方法,即變槳法和超速法[12,13,14,15,16,17]。變槳法通過調節(jié)槳距角增加或減少風電機組出力,以實現故障時風電機組對電網頻率變化的有功支撐;超速法通過控制轉子轉速超過MPPT轉速,以降低風電機組的有功出力,儲存有功備用。由于變槳法和超速法可以實現長時間內的功率減載,風電理論界更加傾向于使用這兩者實現風電機組的頻率控制。對比超速與變槳技術,超速法在特定場合下具有以下優(yōu)勢:一是超速法替代變槳法時可減少頻繁變槳對機械裝置的磨損;二是轉速控制基于交流變頻控制技術,其控制速度遠比槳距控制快。然而,超速法僅能單獨應用于低風速的工況,這是因為在中高風速情況下,風電機組轉子轉速已接近甚至等于機組的最大轉速上限,無法實現超速減載。此時,應配合使用變槳法進行協(xié)調控制,實現不受風速限制的減載控制。文獻提出了轉速控制與槳距控制的協(xié)調控制策略,但該策略無論在何種風速條件下都使槳距角與轉速控制器同時動作,并沒有根據不同的風速條件發(fā)揮超速和變槳各自的優(yōu)勢。為了克服超速法與變槳法各自的應用缺陷,本文針對變速恒頻機組中常用的雙饋風電機組,提出了一種基于超速和變槳協(xié)調的頻率控制策略。文獻提出將風電機組的控制策略分為低、中、高3種風速模式,目的是使風電場的有功控制指令與風電機組的實際發(fā)電能力得以匹配。本文借鑒了該思想并進行了改進,提出一種新的風速模式判定方法和變參考轉子轉速的超速控制策略,并應用于風電機組的減載調頻。本著優(yōu)先采用超速法的原則,本文提出低風速下采用超速法,中風速下超速和變槳協(xié)同作用,高風速下僅使用變槳法的控制策略。本文定量分析了這3種風速模式的適用范圍,并基于嚴格的數學推導,提出了辨識這3種模式的判據及相應的參考轉子轉速設定值。1轉速間的關系雙饋風電機組的功率—轉速特性曲線如圖1所示,圖中各曲線代表了一定風速條件下不同槳距角時風電機組輸出功率與轉子轉速間的關系。當風速固定為Vw0時,運行點1為MPPT點;運行點2是超速點,即讓轉子轉速超越運行點1的轉速,可以發(fā)現由于轉速偏離了MPPT點,機組功率下降,實現了減載;運行點3是變槳點,即在運行點1基礎上保持轉速不變,將槳距角從βmin增加至β1,可以發(fā)現由于槳距角增大,風電機組捕獲的功率減小,從而機組輸出功率下降,實現了減載。2變槳控制模式基于圖1所示減載技術的基本原理,本文提出一種超速和變槳協(xié)調的減載調頻策略。該策略原則是:優(yōu)先應用超速法,以期更快的調頻響應速度;當超速法無法滿足減載需求時,再啟用變槳法。根據不同風速條件,可將控制策略分成低、中、高風速3種控制模式,原理如圖2所示。定義減載水平,用d%表示,指在任意風速條件下,通過超速和變槳,讓風電機組發(fā)出1-d%的有功出力。MPPT曲線即為d%=0時的減載曲線。本文假設風電機組最初減載水平為d0%,如圖2所示,MPPT曲線和d0%減載曲線所圍成的區(qū)域就是有功控制區(qū)域。為了區(qū)分MPPT曲線和d0%減載曲線,將CD和C′D′畫成2條直線,實際上,它們是重合的,都對應最大轉子轉速ωmax。2.1臨界風速下的運行模式如圖2,低風速模式的風速范圍為Vw,cut-in～Vw1,Vw,cut-in為切入風速,Vw1為僅憑超速實現d0%減載的風速上限。因為當風速在臨界風速Vw1下,減載曲線上的B′點功率是MPPT曲線上B點功率的1-d0%,B′對應轉子轉速上限ωmax。該模式的控制可行區(qū)域為ABB′A′所圍成的區(qū)域。在該區(qū)域內,由于發(fā)電機轉速較低,獨立的超速控制即可滿足d0%減載。以圖3為例說明調頻過程,在某低風速下,風電機組初始減載運行于X′點,通過轉速調節(jié)增加有功出力,最后運行于L點,XX′曲線是該風速下P-ωr曲線的一部分。2.2變槳控制下的轉速限制如圖2,中風速模式的風速范圍為Vw1～Vw2,Vw2為超速法可用范圍的風速上限。因為當風速在臨界風速Vw2下,減載曲線的C′點功率是MPPT曲線C點功率的1-d0%,然而C′和C點對應的轉子轉速相等,即如果風速大于Vw2,無法實現風電機組超速減載。該模式的控制可行區(qū)域是BCB′所圍成的區(qū)域,此時僅依靠超速無法達到d0%減載。這是因為風電機組的轉速已接近或達到最高轉速上限,超速控制無法滿足減載需求,需要配合變槳控制實現減載。以圖3為例說明調頻控制過程,風電機組初始減載運行于Y′點,控制后運行于M點。由于超速和變槳同時作用,故YY′可簡化為直線。辨識低風速與中風速控制區(qū)域的判據將在第3節(jié)中詳述。2.3風速控制區(qū)域的劃分如圖2,高風速模式的風速范圍為Vw2～Vw,cut-out,Vw,cut-out為切出風速。該模式的控制可行區(qū)域為線段C′D。此時受到風速和最高轉速上限的限制,只能采用變槳法。以圖3為例說明控制過程,風電機組初始減載運行于Z′點,控制后運行于H點。由于轉速不變,故ZZ′是一條與縱軸平行的直線。辨識中風速與高風速控制區(qū)域的判據也將在第3節(jié)中詳述。需特別指出的是,關于3種風速范圍的界定,本文與文獻有著本質不同。文獻的風速劃分目標是使風電場的有功控制指令與風電機組的實際發(fā)電能力得以匹配:低風速指風電機組的參考負荷(風電場有功控制指令)已經超過其發(fā)電能力,從而需要修正參考負荷的情況;中風速指參考負荷低于最大可用出力,但槳距角無需動作的情況;高風速指由于風速過大,為跟蹤風電場指令并保護轉子轉速不超過最大值,需要槳距角動作的情況。而本文風速劃分的目的是讓風電機組實現一定比例的減載輸出,并實現超速與變槳的協(xié)調控制。3輔助系統(tǒng)控制策略進行減載控制的最終目標是實現更高效的輔助調頻控制。基于雙饋風電機組的控制特性,一種可能的輔助調頻控制器的控制框圖如圖4所示。輸入量為轉子轉速ωr、風速Vw和電網頻率f共3個測量量,以及根據實際系統(tǒng)需要給定的初始減載水平d0%。輸出量是槳距角β和轉子側控制器的參考有功功率Pref共2個控制量。該控制器繼承并發(fā)展了傳統(tǒng)雙饋機組的MPPT控制器及槳距控制器的固有功能,向轉子側控制器與槳距角控制器發(fā)送考慮減載調頻的參考有功功率給定值和槳距角給定值,以實現高效的輔助調頻控制。該輔助調頻控制器由4個主要控制環(huán)節(jié)組成:風速模式判定環(huán)節(jié)、超速控制環(huán)節(jié)、槳距控制環(huán)節(jié)和頻率響應特性模擬環(huán)節(jié)。其控制過程如下:1)風速模式判定環(huán)節(jié)根據當前的風速與指定的初始減載水平判斷適宜采用的風速模式(低風速、中風速、高風速模式)。2)在中、低風速模式下,超速控制環(huán)節(jié)計算得到雙饋機組的參考轉子轉速ωref,通過比例—積分(PI)控制器和頻率響應特性模擬環(huán)節(jié)設置Pref調節(jié)電磁功率,以實現減載操作。3)在中、高風速模式下,槳距控制環(huán)節(jié)調整β,以調節(jié)機械功率,實現風電機組轉速接近最高轉速上限時的減載操作。4)當系統(tǒng)頻率發(fā)生變化時,頻率響應特性模擬環(huán)節(jié)可模擬類似于同步機的頻率響應特性——頻率下降時發(fā)電機有功出力增加,頻率上升時發(fā)電機有功出力減少。頻率響應特性模擬環(huán)節(jié)與超速控制環(huán)節(jié)共享數據,前者為后者提供有功出力增量,后者為前者提供穩(wěn)態(tài)負荷參考值。當系統(tǒng)頻率下降時,需要讓風電機組提高有功出力,該輔助調頻控制器會調節(jié)參考轉子轉速ωref使轉子轉速降低,或讓槳距角減小。本文借鑒了文獻采用3種風速模式的原始思想,提出了一種新的可應用于超速與變槳協(xié)調的風速模式判定方法和輔助調頻控制策略,其核心技術為引入輔助參數ω0判定風速模式,以及將參考轉子轉速ωref從恒定值改變?yōu)樽兓怠ｏL速模式的判據以及參考轉子轉速的求取詳述如下。3.1低風速與中風速的界限vw1如2.1～2.3節(jié)所述,低風速范圍是Vw,cut-in～Vw1,中風速范圍是Vw1～Vw2,高風速范圍是Vw2～Vw,cut-out。Vw,cut-in和Vw,cut-out一般由風電制造商提供,附錄A給出了本文所用數值。中風速與高風速的界限容易劃分,因為Vw2可通過如下公式求得:式中:ωmax為最大轉子轉速;R為風輪半徑;λopt為最優(yōu)葉尖速比;n為齒輪箱變速比。然而,低風速與中風速的界限Vw1求取較難,本文因此提出一種ω0判斷法以協(xié)助判斷。ω0的定義是:僅使用超速法,為實現特定的減載水平d0%,理論上雙饋風電機組所必須實現的轉子轉速。由該定義可知,當ω0≤ωmax時,僅使用超速法可以讓風電機組實現減載,因此可以判定為低風速模式;反之,若ω0>ωmax,則說明僅使用超速法實現減載不可行,因此可以判定為中風速或高風速模式。為了工程使用方便,ω0的計算可以通過查圖法進行,如附錄B圖B1所示,采用樣條插值法畫出d0%減載曲線,由減載后的功率P0,求得相應的轉子轉速ω0。P0的計算公式如下:P0=(1-d0%)PMPPT(2)式中:PMPPT為在風速Vw下的最大可用有功功率。值得注意的是,本文中低風速與中風速的界定風速Vw1與指定的初始減載水平相關。由圖2可知,當d0%減少,減載曲線會向MPPT曲線靠近,即B′點上移,Vw1的數值會增大,擴大了低風速的范圍,縮小了中風速的范圍。3.2中風速下風電機組功率變化量的計算風速模式判定成功后,將針對每一模式求取參考轉子轉速ωref。對于低風速控制模式,如圖3所示,假設從X′點控制到L點,頻率響應特性模擬環(huán)節(jié)的功率輸出(即L點功率)為:PL=P0+ΔP(3)式中:P0為頻率下降特性的參考負荷,可由式(2)得到;ΔP為頻率偏移時風電機組的有功功率變化量,其計算公式如下:式(4)中-1/Rf是速度下降曲線的斜率。此時減載水平變?yōu)?由于控制路徑XX′是P-ωr曲線的一部分,仍可用查圖法。如附錄B圖B1所示,由式(5)求得當前減載水平d′%,采用樣條插值法畫出d′%減載曲線,由式(3)求得當前功率輸出PL,查附錄B圖B1求得對應的轉子轉速ωL。由于參考轉速不可超過最大轉速ωmax,不失一般性,取ωref=min{ωL,ωmax}。中風速模式下,如圖3所示,由于控制路徑YY′是直線,M點的轉速可由下式求得:式中:下標Y,M,Y′對應圖3上相應點的功率或轉速。進一步推導得:式中:ωMPPT為風速Vw下MPPT點對應的轉子轉速,其計算公式如下:當然參考轉速也不能超過最大轉速ωmax。不失一般性,取ωref=min{ωM,ωmax}。高風速模式下,參考轉速始終保持在最大轉速,即ωref=ωmax。3.3頻率上升和轉子加速是機組工作的一個重要對照綜合3.1節(jié)和3.2節(jié)的論述,超速控制器的控制策略可總結為表1,“?”表示優(yōu)先采用該減載方法,“×”表示不優(yōu)先采用。前文均基于頻率下降事件,假設風電機組起初穩(wěn)態(tài)運行于某減載水平,低風速通過降低轉子轉速增加出力,中風速通過同時降低轉子轉速和減小槳距角來增加出力,高風速通過減小槳距角增加出力;對于頻率上升事件,原理類似,是頻率下降事件的對偶情況,此時風電機組可通過轉子加速或增大槳距角減小出力,區(qū)別是無論采用何種風速模式,槳距角都要準備進行調節(jié),因為當轉速加速到最大值時,再讓風電機組減小出力只能靠變槳進行。不失一般性,本文只對頻率下降事件進行仿真。4輔助應用實例采用DIgSILENTPowerFactory仿真軟件搭建電力系統(tǒng)仿真模型,如圖5所示,部分參數已在圖中標出,其他參數見附錄A和C。初始f=50Hz,d0%=10%,恒定負荷2斷開,t=10s時將負荷2接入。在不同風速下對系統(tǒng)進行仿真,選取其中3個代表性的風速條件,即8m/s,10m/s,14m/s,仿真結果如圖6～圖8所示。從圖6～圖8可知,輔助調頻控制能自動識別風速模式并執(zhí)行相應的控制策略。例如:控制器識別8m/s的風速屬于低風速,執(zhí)行超速控制;控制器識別10m/s的風速屬于中風速,執(zhí)行超速和變槳協(xié)同控制;控制器識別14m/s的風速屬于高風速,執(zhí)行變槳控制。仿真結果與理論預期結果相符。與MPPT的情況相比,安裝輔助調頻控制器提高了系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。分析穩(wěn)態(tài)響應,對比圖6(a)、圖7(a)和圖8(a),雙饋風電機組釋放了減載備用,穩(wěn)態(tài)有功輸出增加,進而提升了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率。分析暫態(tài)響應,在負荷2接入后5s內(10～15s時段),與MPPT情