一種變速恒頻雙饋風電機組調(diào)頻策略

一種變速恒頻雙饋風電機組調(diào)頻策略

1dfig的風速分段調(diào)配策略新頒布的《風電站接入電氣系統(tǒng)技術(shù)法規(guī)》（gbt19963-2011）規(guī)定了風電站在網(wǎng)絡上運行時的頻率范圍，并考慮了對能源效率的控制，但尚未規(guī)定風電站是否參與系統(tǒng)的頻率。目前,國內(nèi)外學者主要在風電機組有功輸出對系統(tǒng)頻率的影響[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11]和風電功率余量調(diào)節(jié)方面進行了一定的研究,并從不同角度對風電機組的控制策略加以改進[9,10,11,13,14,15,16,17,18,19]。對DFIG,通?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速釋放或存儲部分動能的方式參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié);或追蹤90%次優(yōu)功率曲線,并通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)參與系統(tǒng)調(diào)頻。前者調(diào)節(jié)能力有限,且只適用于系統(tǒng)頻率波動較快成分的調(diào)節(jié);后者可能因整個運行區(qū)間留有較大功率余量而影響機組運行的經(jīng)濟性。如何兼顧機組運行的經(jīng)濟性和系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)需求,并適應不同變化速率頻率分量的調(diào)節(jié)需要,有待進一步深入研究。本文提出一種風速分段調(diào)頻策略,并兼顧機組運行經(jīng)濟性和調(diào)頻能力需求整定機組啟動參與調(diào)頻的風速門檻值和追蹤次優(yōu)功率曲線時的上調(diào)余量。在此基礎上,設計了一、二次調(diào)頻控制器,并由仿真證明了新型調(diào)頻方法的性能。2稱重策略與固定值調(diào)整方法2.1輔助調(diào)節(jié)dfig與常規(guī)機組類似,DFIG可參與電力系統(tǒng)一、二次調(diào)頻,但調(diào)節(jié)方式有所不同。本文調(diào)頻方式如下:(1)轉(zhuǎn)速控制。該控制過程短、變化快,能快速吸收或釋放轉(zhuǎn)子動能以有效應對頻率f波動中變化迅速的部分,這與常規(guī)機組的一次調(diào)頻類似。(2)槳距角控制。該控制屬于機械過程,調(diào)節(jié)相對較慢,可用來調(diào)整f波動中變化較慢的部分。本文在一次調(diào)頻中加入槳距角控制進行輔助調(diào)節(jié),能夠增強一次調(diào)頻能力。除此,因為槳距角控制直接改變的是風能利用系數(shù),它能夠穩(wěn)定地改變DFIG的輸出功率,故應能勝任二次調(diào)頻需要以進一步降低系統(tǒng)中因功率長期缺額或過剩造成的頻差。在通常情況下,可要求較多的DFIG參與一次調(diào)頻,其中的少量DFIG同時參與二次調(diào)頻。對參與一、二次調(diào)頻或僅參與一次調(diào)頻的DFIG,均涉及到機組有功余量值的合理整定問題。兼顧調(diào)頻能力需求和機組經(jīng)濟性,應是整定有功余量需要重點考慮的因素。2.2選取最佳調(diào)差系數(shù)PraghneshBhatt等提出追蹤次優(yōu)功率曲線運行,如圖1所示。設初始點為A,當系統(tǒng)f下降時,調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子使轉(zhuǎn)速下降以迅速釋放部分動能,與此同時DFIG運行點會沿圖中AB間實線向B轉(zhuǎn)移,趨向最優(yōu)功率曲線,輸出有功功率增加,相當于有兩部分能量同時參與頻率調(diào)節(jié),增強了調(diào)頻能力。此方式雖較最優(yōu)功率追蹤方式在調(diào)頻能力上有所加強,但可能會造成不小的風能損失,且不具備進一步參與二次調(diào)頻的能力。本文兼顧機組運行經(jīng)濟性和需要提供的調(diào)頻能力,對功率追蹤曲線以整定的風速門檻值為界進行分段處理,如圖2所示:在低風速功率較低時,不要求其參與調(diào)頻,仍然采取最大功率追蹤方式;在風速較高且大于門檻值時,風電功率較高,希望其適當參與系統(tǒng)調(diào)頻,此時采取次優(yōu)功率追蹤方式。分段后的風電功率曲線,其風速分段門檻值和功率次優(yōu)的程度如何整定,需兼顧機組和電網(wǎng)需求。下面重點分析該問題。當電網(wǎng)風電達到高滲透率且因其引起系統(tǒng)調(diào)頻資源需求額外增長幅度達到一定水平時,可要求風電逐步參與系統(tǒng)調(diào)頻?？紤]到風電享受優(yōu)惠發(fā)展的特殊性,當其參與調(diào)頻時,可參照電網(wǎng)中對常規(guī)機組調(diào)頻能力的規(guī)定,本著“共同但有區(qū)別的責任”原則進行適當放寬。設電網(wǎng)中常規(guī)機組調(diào)速器的調(diào)差系數(shù)整定(平均)值為Ru,則風電場一次調(diào)頻的調(diào)差系數(shù)Rw為式中,σ為風電場相對于常規(guī)機組調(diào)差系數(shù)放寬的比例系數(shù),σ>1。另外,我國對3000MW以上電力系統(tǒng)的f偏差規(guī)定不超過±0.2Hz,因此風電機組因承擔調(diào)頻需要預留的有功功率余量,可以暫時參照0.2Hz的f偏差限值進行折算,即式中,f0為系統(tǒng)標準頻率(=50Hz);ρw為預留的有功功率余量百分比,具體應用時,可直接使用該整定值乘以機組實際功率水平獲得功率余量MW值。假設Ru典型值為5%,當σ取2(即同等容量下風電機組的調(diào)頻容量需求只是常規(guī)機組的一半)時,Rw=10%。代入式(2)得ρw為4%。進一步地,可將最大有功功率余量4%按一定比例分配給一、二次調(diào)頻。例如,對只參與一次調(diào)頻的風電機組(場),可將其中的3%功率余量分配給由轉(zhuǎn)速控制承擔的一次調(diào)頻部分,其余1%分配給由槳距角控制承擔的一次調(diào)頻部分;對少量參與二次調(diào)頻的機組(場),可將其中的1%功率余量分配給轉(zhuǎn)速控制部分,其余3%分配給槳距角控制部分。至于對實際電網(wǎng),最大有功功率余量的分配,可參照由一定方法評估所得的一、二次調(diào)頻需求比重進行。上述預留的4%功率余量是針對圖2高風速段運行時的次優(yōu)功率曲線而言的。其中,高風速分段的門檻值需要在考慮允許的風電機組(場)風能損失上限值的條件下進行整定。具體方法如下:設需整定的風電機組(場)所在區(qū)域電網(wǎng)全年的風電功率水平百分比(風電功率實際出力相對于區(qū)域電網(wǎng)風電總裝機容量的百分比)的概率密度分布已知(由歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出)?；诖烁怕拭芏群鸵呀?jīng)獲得的有功功率余量ρw,以及風電損失最大允許值ψw(損失風電電能相對于全年可發(fā)總風電電能的百分比),可以先按如下步驟整定與高風速段門檻值對應的風電功率水平百分比的門檻值τw:(1)設τw的初值τw0(接近100%)。(2)從區(qū)域電網(wǎng)風電功率水平百分比概率密度分布曲線上,在[τw0,100%]內(nèi)按一定步長Δτw采樣若干點的概率密度值pi,i=1~N,N為采樣點數(shù)。(3)計算在[τw0,100%]內(nèi)因預留有功功率余量ρw而可能損失的風電能量百分比:式中,M為在[0,100%]內(nèi)按Δτw采樣概率密度值的總點數(shù)。整理式(3)得(4)判斷ψ<ψw?若成立,將τw0-Δτw賦給τw0返回(2);否則,將τw0賦給τw,結(jié)束。獲得τw后按如下關(guān)系折算高風速段門檻值vw:式中,ve為風電機組額定風速,m/s。為防止實際控制過程因風速在vw上下變動造成風電機組(場)在參與調(diào)頻(次優(yōu)曲線)與不參與調(diào)頻(最優(yōu)曲線)之間頻繁切換,影響機組壽命和控制穩(wěn)定性,可將vw拓展為門檻帶[vwL,vwH],當風速由高于vwH進入該帶時,保持機組參與調(diào)頻,只有在風速低于vwL時才退出調(diào)頻功能,進入常規(guī)的最優(yōu)功率追蹤模式;當風速由低于vwL進入該帶時,保持機組最優(yōu)功率追蹤模式,只有在風速高于vwH時才又進入調(diào)頻模式。圖3給出了某區(qū)域電網(wǎng)全年風電功率水平百分比的概率密度。設某風電機組的額定風速為12m/s時,預留的功率余量為4%,當該區(qū)域風電損失最大允許值ψw在0.5%~3.5%范圍內(nèi)變化時,整定的高風速段門檻值vw見下表所示。對ψw=3%的情況,vw=8.4m/s,若門檻帶按ψw±0.5%的偏差進行設置,則[vwL,vwH]=[7.2,9.2]m/s。3同時，二次頻率檢測方法3.1dfig的轉(zhuǎn)速控制一次調(diào)頻轉(zhuǎn)速控制邏輯如圖4所示。當風速高于vwH時,DFIG運行在次優(yōu)功率曲線上。一旦f變化量Δf及其變化率dΔf/dt均超出死區(qū),DFIG將迅速釋放或存儲轉(zhuǎn)子動能,以調(diào)節(jié)頻差。在調(diào)節(jié)時轉(zhuǎn)速不能過低,否則可能引發(fā)停機,故需在控制系統(tǒng)中設置最低轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)(例中ωL為0.8(pu))。若f下降,且Δf和dΔf/dt均超出死區(qū),DFIG立即調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增加有功出力,此時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降,由于ωL限制,轉(zhuǎn)速不會低于0.8(pu),一旦f恢復到死區(qū)以內(nèi),調(diào)節(jié)結(jié)束,輸出的調(diào)節(jié)信號恢復為0,DFIG轉(zhuǎn)速恢復,重新開始追蹤次優(yōu)功率曲線。若風速低于vwL,DFIG追蹤最優(yōu)功率曲線;若處于門檻帶[vwL,vwH]內(nèi),則暫時保持原控制模式。與圖4邏輯對應的控制框圖如圖5所示。圖中,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于最低轉(zhuǎn)速時,輸出的邏輯值為1,否則為0;由頻率變化率超出死區(qū)輸出的邏輯值1,否則為0。兩個邏輯值“相與”后再與調(diào)節(jié)信號相乘,輸出的非“0”信號啟動轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器PI控制器以調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。3.2控制律設計及控制邏輯槳距角調(diào)節(jié)較轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的響應慢,通?？蓞⑴c頻率變化較慢分量的調(diào)節(jié)。風力發(fā)電機組的風能捕獲模型為式中,Cp為風能捕獲系數(shù);ρ為空氣密度;A為葉輪的掃風面積;v為風速;系數(shù)kp=0.5ρA。風能捕獲系數(shù)為式中,λ為風力機葉尖速比;ωr為風力機轉(zhuǎn)速;R為風力機葉輪半徑;β為槳距角,C1~C6為常數(shù),與具體型號的機組特性有關(guān)。當系統(tǒng)出現(xiàn)頻差Δf時,根據(jù)調(diào)差系數(shù)可以計算出風電機組需要調(diào)節(jié)的有功ΔP;再由式(6)得與ΔP對應的Cp大小、由式(7)~式(9)得β。然而,β(Cp,λ)為非線性隱函數(shù),求解困難。為方便使用,可根據(jù)風電機組實際工況進行簡化。當機組追蹤最優(yōu)功率曲線運行時,對不同的風速,Cp和λ保持定值不變。類似地,可以分析得出,當機組追蹤相對于最優(yōu)功率留有固定余量的次優(yōu)功率曲線時,Cp和λ也保持定值不變。因此,在本文調(diào)頻控制中,β成為關(guān)于Cp的單變量函數(shù),可由簡單的二次函數(shù)擬合所得,即當針對某典型機組取式(7)中C1~C6值分別為0.5176、116、0.45、-21和0.0068時,式(10)系數(shù)分別為a=-11.48738、b=-35.18482和c=19.20077。槳距角控制的控制邏輯與圖4類似,區(qū)別在于此時的控制信號送給槳距角控制系統(tǒng)。相應的控制框圖如圖6所示,圖中F(Cp)可以采用式(10)簡單形式,當判斷f變化率在較低范圍內(nèi)時輸出邏輯1,調(diào)節(jié)量與之相乘即為ΔCp。Cpref為Cp初始值,根據(jù)2.2節(jié)保留策略,只參與一次調(diào)頻的風電機組(場),1%功率余量分配給頻率一次調(diào)頻(槳距角控制)部分,則相應Cpref取為0.99倍最優(yōu)Cp;少量參與二次調(diào)頻的風電機組(場),3%功率余量分配給槳距角控制部分,相應Cpref取為0.97倍最優(yōu)Cp。3.3目標調(diào)整功率的確定二次調(diào)頻控制模塊如圖7所示。其中,給定機組功率調(diào)節(jié)量ΔP*并根據(jù)式(6)計算得到調(diào)節(jié)量ΔCp*并與Cp初始值作差,通過式(10)擬合方程得到相應槳距角值β*,即可得到目標調(diào)整功率。4模擬分析4.1u3000變壓器與負載線路間的連接對圖8系統(tǒng)仿真,并考察高風速和低風速工況、滲透率為5%和20%時加減負載后的調(diào)頻效果。圖8系統(tǒng)容量為200MW,有一臺水電機組,經(jīng)50km線路連在110kV/35kV變壓器上,變壓器另一側(cè)連接到負載母線上,兩組各自連在一條母線上的風電機組,每組10臺,分別通過兩臺690V/35kV變壓器接到40km線路上,最后連在負載母線上。負載分為兩個,一個為恒定負載,另一個通過斷路器作為突加或突減負載,水電廠調(diào)差系數(shù)5%。4.2風電機組參與頻率調(diào)節(jié)設風速為8m/s且處于門檻風速以上,系統(tǒng)初始負荷為150MW,在10s時突增10MW負載。圖9為風機槳距角控制曲線,槳距角初始位置在高于0°上,該值大小根據(jù)有功保留策略計算得出,在10s時,由于突加負載,槳距角迅速減小到0°,參與頻率調(diào)節(jié)。圖10為風電場有功出力曲線。穩(wěn)態(tài)時,出力分別為2.2MW和8.5MW,突加負載后,風電場迅速增加出力參與頻率調(diào)節(jié),最終根據(jù)二次調(diào)節(jié)指令有功輸出分別增加0.3MW和1.2MW。圖11為系統(tǒng)f變化曲線。在風電機組未參與系統(tǒng)調(diào)頻時,風電滲透率越高,f下降越大,最低下降到48.86Hz(見圖11b),而在風電機組參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)后,風電滲透率越高f恢復越好,最終穩(wěn)定在50Hz附近。這說明,滲透率不是造成調(diào)頻負擔增加的原因,相反,只要風電機組適度參與調(diào)頻,f質(zhì)量可以維持在較高水平。4.3風電場出力變化設系統(tǒng)初始負荷為150MW,在10s時突減10MW負載。圖12為風機槳距角控制曲線,在10s時,由于突減負載,槳距角迅速調(diào)節(jié)參與調(diào)頻最終運行在10°和6°。圖13為風電場有功出力變化曲線。穩(wěn)態(tài)時,出力分別為2.2MW和8.5MW,突減負載后,風電場迅速減少出力參與頻率調(diào)節(jié),最終在二次調(diào)頻作用下,在一段時間后出力分別下降約0.3MW和1.2MW。圖14為f變化曲線。在風電機組未參與系統(tǒng)調(diào)頻時,風電滲透率越高,f上升越大,最高上升為51.1Hz(見圖14b),而在風電機組參與f調(diào)節(jié)后,f最高上升值均有所下降,并且風電滲透率越高,下降越明顯,最終穩(wěn)定在50Hz附近。4.4低風速時參與頻譜的仿真效果設風速為6m/s且處于門檻風速以下,系統(tǒng)初始負荷為150MW,在10s時突增10MW負載。在本文策略中,風速低于門檻值時,風電機組(場)不參與調(diào)頻。為說明低風速不參與調(diào)頻的負面影響,可反過來先考察低風速時參與調(diào)頻的正面效果。若正面效果不明顯,則可以認為低風速不參與調(diào)頻的負面影響較小,從而間接地說明低風速不參與調(diào)頻的合理性。下面給出低風速時參與調(diào)頻的仿真效果。圖15為風機槳距角控制曲線,在10s突加負載,槳距角迅速減小到0°,參與頻率調(diào)節(jié)。圖16為風電場有功出力曲線。突加負載后,風電場迅速增加出力參與頻率調(diào)節(jié),但調(diào)節(jié)功率較高風速時明顯降低。圖17為f變化曲線。在各滲透率情況下,頻率調(diào)節(jié)效果均不明顯。這說明,在低風速段,可以允許風電機組(場)不參與電網(wǎng)調(diào)頻。4.5風電場運行調(diào)整反過來考察低風速參與調(diào)頻的正面效果,以間接說明低風速不參與調(diào)頻的合理性。系統(tǒng)在10s時突減10MW負載,圖18為風機槳距角控制曲線,可以看到在10s時,由于突減負載,槳距角迅速調(diào)節(jié)至10°減小出力。圖19為風電場有功出力變化曲線。由于本身出力較小,風電場在調(diào)節(jié)過程中有功出力減小量也較高風速時明顯減小。圖20為f變化曲線。在各滲透率情況下,低風速段不參與調(diào)頻相對于參與調(diào)頻,差異不明顯。綜上所述,在低風速段,特別是滲透率