一種雙饋風(fēng)電機(jī)組的調(diào)頻控制策略

一種雙饋風(fēng)電機(jī)組的調(diào)頻控制策略

0動(dòng)態(tài)積分控制技術(shù)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(yán)重。然而,對(duì)于目前廣泛采用的變速恒頻機(jī)組,雖然其采用了先進(jìn)的交流變頻控制技術(shù),但其解耦控制策略使機(jī)組有功功率無法響應(yīng)系統(tǒng)頻率的變化。此外,該類風(fēng)電機(jī)組通常運(yùn)行于最大功率點(diǎn)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(fēng)電穿越的電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定問題。在部分風(fēng)電穿越比例較高的發(fā)達(dá)國家,通常夜間時(shí)風(fēng)電高發(fā),超過了波谷負(fù)荷,造成了負(fù)電價(jià)。為了避免大量的經(jīng)濟(jì)損失和保障電網(wǎng)的穩(wěn)定性,通常的做法是切除部分風(fēng)電機(jī)組,這樣做的弊端是風(fēng)電機(jī)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(fēng)電機(jī)組減載,例如:西班牙在電網(wǎng)導(dǎo)則中明確規(guī)定,風(fēng)電機(jī)組必須具有1.5%的頻率備用裕度。減載的優(yōu)勢(shì)在于:第一,可在不切機(jī)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(shù)能夠?qū)ο到y(tǒng)的頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng),保障了電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性;第三,風(fēng)電機(jī)組的變流器采用交流變頻控制技術(shù),功率控制速度比火電機(jī)組更快,能有效提升電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。綜上所述,風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻控制具有極大的經(jīng)濟(jì)與研究?jī)r(jià)值,吸引了國內(nèi)外大量學(xué)者對(duì)其進(jìn)行深入研究。如虛擬慣量法,即在頻率變化時(shí),讓風(fēng)電機(jī)組迅速向電網(wǎng)釋放儲(chǔ)存在旋轉(zhuǎn)質(zhì)量中的動(dòng)能,或從電網(wǎng)吸收能量增加動(dòng)能,從而模擬與同步機(jī)類似的慣性常數(shù)和暫態(tài)頻率響應(yīng)特性;如快速備用法,即當(dāng)頻率變化時(shí),使風(fēng)電機(jī)組的有功功率瞬間輸出一個(gè)短期(如10s)的方波信號(hào),類似一個(gè)短暫的有功備用。這2種方法的缺陷在于僅能進(jìn)行短暫的調(diào)頻支援,從嚴(yán)格意義上來說,尚無法認(rèn)為是有效的減載調(diào)頻手段。對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間的減載調(diào)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(diào)節(jié)槳距角增加或減少風(fēng)電機(jī)組出力,以實(shí)現(xiàn)故障時(shí)風(fēng)電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)頻率變化的有功支撐;超速法通過控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過MPPT轉(zhuǎn)速,以降低風(fēng)電機(jī)組的有功出力,儲(chǔ)存有功備用。由于變槳法和超速法可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的功率減載,風(fēng)電理論界更加傾向于使用這兩者實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的頻率控制。對(duì)比超速與變槳技術(shù),超速法在特定場(chǎng)合下具有以下優(yōu)勢(shì):一是超速法替代變槳法時(shí)可減少頻繁變槳對(duì)機(jī)械裝置的磨損;二是轉(zhuǎn)速控制基于交流變頻控制技術(shù),其控制速度遠(yuǎn)比槳距控制快。然而,超速法僅能單獨(dú)應(yīng)用于低風(fēng)速的工況,這是因?yàn)樵谥懈唢L(fēng)速情況下,風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速已接近甚至等于機(jī)組的最大轉(zhuǎn)速上限,無法實(shí)現(xiàn)超速減載。此時(shí),應(yīng)配合使用變槳法進(jìn)行協(xié)調(diào)控制,實(shí)現(xiàn)不受風(fēng)速限制的減載控制。文獻(xiàn)提出了轉(zhuǎn)速控制與槳距控制的協(xié)調(diào)控制策略,但該策略無論在何種風(fēng)速條件下都使槳距角與轉(zhuǎn)速控制器同時(shí)動(dòng)作,并沒有根據(jù)不同的風(fēng)速條件發(fā)揮超速和變槳各自的優(yōu)勢(shì)。為了克服超速法與變槳法各自的應(yīng)用缺陷,本文針對(duì)變速恒頻機(jī)組中常用的雙饋風(fēng)電機(jī)組,提出了一種基于超速和變槳協(xié)調(diào)的頻率控制策略。文獻(xiàn)提出將風(fēng)電機(jī)組的控制策略分為低、中、高3種風(fēng)速模式,目的是使風(fēng)電場(chǎng)的有功控制指令與風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際發(fā)電能力得以匹配。本文借鑒了該思想并進(jìn)行了改進(jìn),提出一種新的風(fēng)速模式判定方法和變參考轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的超速控制策略,并應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組的減載調(diào)頻。本著優(yōu)先采用超速法的原則,本文提出低風(fēng)速下采用超速法,中風(fēng)速下超速和變槳協(xié)同作用,高風(fēng)速下僅使用變槳法的控制策略。本文定量分析了這3種風(fēng)速模式的適用范圍,并基于嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo),提出了辨識(shí)這3種模式的判據(jù)及相應(yīng)的參考轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速設(shè)定值。1轉(zhuǎn)速間的關(guān)系雙饋風(fēng)電機(jī)組的功率—轉(zhuǎn)速特性曲線如圖1所示,圖中各曲線代表了一定風(fēng)速條件下不同槳距角時(shí)風(fēng)電機(jī)組輸出功率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速間的關(guān)系。當(dāng)風(fēng)速固定為Vw0時(shí),運(yùn)行點(diǎn)1為MPPT點(diǎn);運(yùn)行點(diǎn)2是超速點(diǎn),即讓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超越運(yùn)行點(diǎn)1的轉(zhuǎn)速,可以發(fā)現(xiàn)由于轉(zhuǎn)速偏離了MPPT點(diǎn),機(jī)組功率下降,實(shí)現(xiàn)了減載;運(yùn)行點(diǎn)3是變槳點(diǎn),即在運(yùn)行點(diǎn)1基礎(chǔ)上保持轉(zhuǎn)速不變,將槳距角從βmin增加至β1,可以發(fā)現(xiàn)由于槳距角增大,風(fēng)電機(jī)組捕獲的功率減小,從而機(jī)組輸出功率下降,實(shí)現(xiàn)了減載。2變槳控制模式基于圖1所示減載技術(shù)的基本原理,本文提出一種超速和變槳協(xié)調(diào)的減載調(diào)頻策略。該策略原則是:優(yōu)先應(yīng)用超速法,以期更快的調(diào)頻響應(yīng)速度;當(dāng)超速法無法滿足減載需求時(shí),再啟用變槳法。根據(jù)不同風(fēng)速條件,可將控制策略分成低、中、高風(fēng)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(fēng)速條件下,通過超速和變槳,讓風(fēng)電機(jī)組發(fā)出1-d%的有功出力。MPPT曲線即為d%=0時(shí)的減載曲線。本文假設(shè)風(fēng)電機(jī)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(shí)際上,它們是重合的,都對(duì)應(yīng)最大轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωmax。2.1臨界風(fēng)速下的運(yùn)行模式如圖2,低風(fēng)速模式的風(fēng)速范圍為Vw,cut-in～Vw1,Vw,cut-in為切入風(fēng)速,Vw1為僅憑超速實(shí)現(xiàn)d0%減載的風(fēng)速上限。因?yàn)楫?dāng)風(fēng)速在臨界風(fēng)速Vw1下,減載曲線上的B′點(diǎn)功率是MPPT曲線上B點(diǎn)功率的1-d0%,B′對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上限ωmax。該模式的控制可行區(qū)域?yàn)锳BB′A′所圍成的區(qū)域。在該區(qū)域內(nèi),由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低,獨(dú)立的超速控制即可滿足d0%減載。以圖3為例說明調(diào)頻過程,在某低風(fēng)速下,風(fēng)電機(jī)組初始減載運(yùn)行于X′點(diǎn),通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)增加有功出力,最后運(yùn)行于L點(diǎn),XX′曲線是該風(fēng)速下P-ωr曲線的一部分。2.2變槳控制下的轉(zhuǎn)速限制如圖2,中風(fēng)速模式的風(fēng)速范圍為Vw1～Vw2,Vw2為超速法可用范圍的風(fēng)速上限。因?yàn)楫?dāng)風(fēng)速在臨界風(fēng)速Vw2下,減載曲線的C′點(diǎn)功率是MPPT曲線C點(diǎn)功率的1-d0%,然而C′和C點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相等,即如果風(fēng)速大于Vw2,無法實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)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(shí)僅依靠超速無法達(dá)到d0%減載。這是因?yàn)轱L(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速已接近或達(dá)到最高轉(zhuǎn)速上限,超速控制無法滿足減載需求,需要配合變槳控制實(shí)現(xiàn)減載。以圖3為例說明調(diào)頻控制過程,風(fēng)電機(jī)組初始減載運(yùn)行于Y′點(diǎn),控制后運(yùn)行于M點(diǎn)。由于超速和變槳同時(shí)作用,故YY′可簡(jiǎn)化為直線。辨識(shí)低風(fēng)速與中風(fēng)速控制區(qū)域的判據(jù)將在第3節(jié)中詳述。2.3風(fēng)速控制區(qū)域的劃分如圖2,高風(fēng)速模式的風(fēng)速范圍為Vw2～Vw,cut-out,Vw,cut-out為切出風(fēng)速。該模式的控制可行區(qū)域?yàn)榫€段C′D。此時(shí)受到風(fēng)速和最高轉(zhuǎn)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(fēng)電機(jī)組初始減載運(yùn)行于Z′點(diǎn),控制后運(yùn)行于H點(diǎn)。由于轉(zhuǎn)速不變,故ZZ′是一條與縱軸平行的直線。辨識(shí)中風(fēng)速與高風(fēng)速控制區(qū)域的判據(jù)也將在第3節(jié)中詳述。需特別指出的是,關(guān)于3種風(fēng)速范圍的界定,本文與文獻(xiàn)有著本質(zhì)不同。文獻(xiàn)的風(fēng)速劃分目標(biāo)是使風(fēng)電場(chǎng)的有功控制指令與風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際發(fā)電能力得以匹配:低風(fēng)速指風(fēng)電機(jī)組的參考負(fù)荷(風(fēng)電場(chǎng)有功控制指令)已經(jīng)超過其發(fā)電能力,從而需要修正參考負(fù)荷的情況;中風(fēng)速指參考負(fù)荷低于最大可用出力,但槳距角無需動(dòng)作的情況;高風(fēng)速指由于風(fēng)速過大,為跟蹤風(fēng)電場(chǎng)指令并保護(hù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不超過最大值,需要槳距角動(dòng)作的情況。而本文風(fēng)速劃分的目的是讓風(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)一定比例的減載輸出,并實(shí)現(xiàn)超速與變槳的協(xié)調(diào)控制。3輔助系統(tǒng)控制策略進(jìn)行減載控制的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)更高效的輔助調(diào)頻控制?；陔p饋風(fēng)電機(jī)組的控制特性,一種可能的輔助調(diào)頻控制器的控制框圖如圖4所示。輸入量為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωr、風(fēng)速Vw和電網(wǎng)頻率f共3個(gè)測(cè)量量,以及根據(jù)實(shí)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(zhuǎn)子側(cè)控制器的參考有功功率Pref共2個(gè)控制量。該控制器繼承并發(fā)展了傳統(tǒng)雙饋機(jī)組的MPPT控制器及槳距控制器的固有功能,向轉(zhuǎn)子側(cè)控制器與槳距角控制器發(fā)送考慮減載調(diào)頻的參考有功功率給定值和槳距角給定值,以實(shí)現(xiàn)高效的輔助調(diào)頻控制。該輔助調(diào)頻控制器由4個(gè)主要控制環(huán)節(jié)組成:風(fēng)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(yīng)特性模擬環(huán)節(jié)。其控制過程如下:1)風(fēng)速模式判定環(huán)節(jié)根據(jù)當(dāng)前的風(fēng)速與指定的初始減載水平判斷適宜采用的風(fēng)速模式(低風(fēng)速、中風(fēng)速、高風(fēng)速模式)。2)在中、低風(fēng)速模式下,超速控制環(huán)節(jié)計(jì)算得到雙饋機(jī)組的參考轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωref,通過比例—積分(PI)控制器和頻率響應(yīng)特性模擬環(huán)節(jié)設(shè)置Pref調(diào)節(jié)電磁功率,以實(shí)現(xiàn)減載操作。3)在中、高風(fēng)速模式下,槳距控制環(huán)節(jié)調(diào)整β,以調(diào)節(jié)機(jī)械功率,實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速接近最高轉(zhuǎn)速上限時(shí)的減載操作。4)當(dāng)系統(tǒng)頻率發(fā)生變化時(shí),頻率響應(yīng)特性模擬環(huán)節(jié)可模擬類似于同步機(jī)的頻率響應(yīng)特性——頻率下降時(shí)發(fā)電機(jī)有功出力增加,頻率上升時(shí)發(fā)電機(jī)有功出力減少。頻率響應(yīng)特性模擬環(huán)節(jié)與超速控制環(huán)節(jié)共享數(shù)據(jù),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(fù)荷參考值。當(dāng)系統(tǒng)頻率下降時(shí),需要讓風(fēng)電機(jī)組提高有功出力,該輔助調(diào)頻控制器會(huì)調(diào)節(jié)參考轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωref使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降低,或讓槳距角減小。本文借鑒了文獻(xiàn)采用3種風(fēng)速模式的原始思想,提出了一種新的可應(yīng)用于超速與變槳協(xié)調(diào)的風(fēng)速模式判定方法和輔助調(diào)頻控制策略,其核心技術(shù)為引入輔助參數(shù)ω0判定風(fēng)速模式,以及將參考轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωref從恒定值改變?yōu)樽兓怠ｏL(fēng)速模式的判據(jù)以及參考轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的求取詳述如下。3.1低風(fēng)速與中風(fēng)速的界限vw1如2.1～2.3節(jié)所述,低風(fēng)速范圍是Vw,cut-in～Vw1,中風(fēng)速范圍是Vw1～Vw2,高風(fēng)速范圍是Vw2～Vw,cut-out。Vw,cut-in和Vw,cut-out一般由風(fēng)電制造商提供,附錄A給出了本文所用數(shù)值。中風(fēng)速與高風(fēng)速的界限容易劃分,因?yàn)閂w2可通過如下公式求得:式中:ωmax為最大轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速;R為風(fēng)輪半徑;λopt為最優(yōu)葉尖速比;n為齒輪箱變速比。然而,低風(fēng)速與中風(fēng)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(shí)現(xiàn)特定的減載水平d0%,理論上雙饋風(fēng)電機(jī)組所必須實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。由該定義可知,當(dāng)ω0≤ωmax時(shí),僅使用超速法可以讓風(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)減載,因此可以判定為低風(fēng)速模式;反之,若ω0>ωmax,則說明僅使用超速法實(shí)現(xiàn)減載不可行,因此可以判定為中風(fēng)速或高風(fēng)速模式。為了工程使用方便,ω0的計(jì)算可以通過查圖法進(jìn)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(yīng)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω0。P0的計(jì)算公式如下:P0=(1-d0%)PMPPT(2)式中:PMPPT為在風(fēng)速Vw下的最大可用有功功率。值得注意的是,本文中低風(fēng)速與中風(fēng)速的界定風(fēng)速Vw1與指定的初始減載水平相關(guān)。由圖2可知,當(dāng)d0%減少,減載曲線會(huì)向MPPT曲線靠近,即B′點(diǎn)上移,Vw1的數(shù)值會(huì)增大,擴(kuò)大了低風(fēng)速的范圍,縮小了中風(fēng)速的范圍。3.2中風(fēng)速下風(fēng)電機(jī)組功率變化量的計(jì)算風(fēng)速模式判定成功后,將針對(duì)每一模式求取參考轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωref。對(duì)于低風(fēng)速控制模式,如圖3所示,假設(shè)從X′點(diǎn)控制到L點(diǎn),頻率響應(yīng)特性模擬環(huán)節(jié)的功率輸出(即L點(diǎn)功率)為:PL=P0+ΔP(3)式中:P0為頻率下降特性的參考負(fù)荷,可由式(2)得到;ΔP為頻率偏移時(shí)風(fēng)電機(jī)組的有功功率變化量,其計(jì)算公式如下:式(4)中-1/Rf是速度下降曲線的斜率。此時(shí)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(dāng)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(dāng)前功率輸出PL,查附錄B圖B1求得對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωL。由于參考轉(zhuǎn)速不可超過最大轉(zhuǎn)速ωmax,不失一般性,取ωref=min{ωL,ωmax}。中風(fēng)速模式下,如圖3所示,由于控制路徑Y(jié)Y′是直線,M點(diǎn)的轉(zhuǎn)速可由下式求得:式中:下標(biāo)Y,M,Y′對(duì)應(yīng)圖3上相應(yīng)點(diǎn)的功率或轉(zhuǎn)速。進(jìn)一步推導(dǎo)得:式中:ωMPPT為風(fēng)速Vw下MPPT點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,其計(jì)算公式如下:當(dāng)然參考轉(zhuǎn)速也不能超過最大轉(zhuǎn)速ωmax。不失一般性,取ωref=min{ωM,ωmax}。高風(fēng)速模式下,參考轉(zhuǎn)速始終保持在最大轉(zhuǎn)速,即ωref=ωmax。3.3頻率上升和轉(zhuǎn)子加速是機(jī)組工作的一個(gè)重要對(duì)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(jié)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(shè)風(fēng)電機(jī)組起初穩(wěn)態(tài)運(yùn)行于某減載水平,低風(fēng)速通過降低轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增加出力,中風(fēng)速通過同時(shí)降低轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和減小槳距角來增加出力,高風(fēng)速通過減小槳距角增加出力;對(duì)于頻率上升事件,原理類似,是頻率下降事件的對(duì)偶情況,此時(shí)風(fēng)電機(jī)組可通過轉(zhuǎn)子加速或增大槳距角減小出力,區(qū)別是無論采用何種風(fēng)速模式,槳距角都要準(zhǔn)備進(jìn)行調(diào)節(jié),因?yàn)楫?dāng)轉(zhuǎn)速加速到最大值時(shí),再讓風(fēng)電機(jī)組減小出力只能靠變槳進(jìn)行。不失一般性,本文只對(duì)頻率下降事件進(jìn)行仿真。4輔助應(yīng)用實(shí)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(shù)已在圖中標(biāo)出,其他參數(shù)見附錄A和C。初始f=50Hz,d0%=10%,恒定負(fù)荷2斷開,t=10s時(shí)將負(fù)荷2接入。在不同風(fēng)速下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真,選取其中3個(gè)代表性的風(fēng)速條件,即8m/s,10m/s,14m/s,仿真結(jié)果如圖6～圖8所示。從圖6～圖8可知,輔助調(diào)頻控制能自動(dòng)識(shí)別風(fēng)速模式并執(zhí)行相應(yīng)的控制策略。例如:控制器識(shí)別8m/s的風(fēng)速屬于低風(fēng)速,執(zhí)行超速控制;控制器識(shí)別10m/s的風(fēng)速屬于中風(fēng)速,執(zhí)行超速和變槳協(xié)同控制;控制器識(shí)別14m/s的風(fēng)速屬于高風(fēng)速,執(zhí)行變槳控制。仿真結(jié)果與理論預(yù)期結(jié)果相符。與MPPT的情況相比,安裝輔助調(diào)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(yīng),對(duì)比圖6(a)、圖7(a)和圖8(a),雙饋風(fēng)電機(jī)組釋放了減載備用,穩(wěn)態(tài)有功輸出增加,進(jìn)而提升了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率。分析暫態(tài)響應(yīng),在負(fù)荷2接入后5s內(nèi)(10～15s時(shí)段),與MPPT情