風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子慣性控制調(diào)頻技術(shù)研究

文 | 彭超，代海濤，王小虎，潘海寧

風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子慣性控制調(diào)頻技術(shù)研究

文 | 彭超，代海濤，王小虎，潘海寧

風(fēng)力發(fā)電為新能源發(fā)展最快、最具競(jìng)爭(zhēng)力的發(fā)電技術(shù)。截至2015年底，風(fēng)力發(fā)電提供了全球約3.7%的電力需求，中國(guó)已然成為世界第一風(fēng)力發(fā)電大國(guó)，風(fēng)力發(fā)電量占國(guó)內(nèi)全部發(fā)電量的比例達(dá)到3.3%。2016年4月22日，國(guó)家能源局下發(fā)《關(guān)于建立燃煤火電機(jī)組非水可再生能源發(fā)電配額考核制度有關(guān)要求的通知》，提出燃煤火電機(jī)組均應(yīng)承擔(dān)可再生能源發(fā)電的配額責(zé)任，2020年各燃煤發(fā)電企業(yè)承擔(dān)的可再生能源發(fā)電量配額，與火電發(fā)電量的比重應(yīng)在15%以上?？梢灶A(yù)見(jiàn)，風(fēng)力發(fā)電仍將有巨大的市場(chǎng)空間。

受氣候條件限制，風(fēng)力發(fā)電輸出功率具有間歇性和隨機(jī)性的特點(diǎn)。大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電接入對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提出了挑戰(zhàn)。為保證電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，風(fēng)電越來(lái)越被認(rèn)為需要具備系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)功能。

本文首先簡(jiǎn)述了風(fēng)力發(fā)電調(diào)頻技術(shù)，然后基于SIMPACK-Simulink聯(lián)合仿真方法，分析了風(fēng)電機(jī)組采用轉(zhuǎn)子慣性控制方法參與一次調(diào)頻的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，為風(fēng)電機(jī)組參與一次調(diào)頻的可行性提供技術(shù)支撐。

風(fēng)力發(fā)電調(diào)頻技術(shù)

目前的風(fēng)電機(jī)組主要有雙饋型和直驅(qū)型兩種，由于電力電子變流器的作用，變速機(jī)組的轉(zhuǎn)子與系統(tǒng)頻率解耦，無(wú)法在系統(tǒng)頻率變化時(shí)主動(dòng)提供慣性支撐。而且，風(fēng)電機(jī)組大都采用最大風(fēng)能捕獲控制，運(yùn)行于最大功率點(diǎn)附近，無(wú)法提供調(diào)頻所需的備用容量，尤其是在向上調(diào)節(jié)時(shí)。

不過(guò)，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)電機(jī)組的控制，可以使得機(jī)組具備慣性響應(yīng)和頻率調(diào)節(jié)能力。目前，主要通過(guò)轉(zhuǎn)子慣性、超速和變槳方式進(jìn)行有功功率控制。

轉(zhuǎn)子慣性控制是在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，接收電力系統(tǒng)的調(diào)頻指令，臨時(shí)改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制，使得葉輪轉(zhuǎn)速變化，在短時(shí)間內(nèi)吸收/釋放機(jī)組傳動(dòng)鏈中儲(chǔ)存的部分旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，提供類似于傳統(tǒng)機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

轉(zhuǎn)子超速控制是控制葉輪超速運(yùn)行，使風(fēng)電機(jī)組偏離最大功率捕獲點(diǎn)，提供一定容量的有功功率備用。超速控制僅適用于額定風(fēng)速以下的運(yùn)行工況。

變槳控制是通過(guò)控制葉片的槳距角偏離最優(yōu)點(diǎn)，使風(fēng)電機(jī)組處于最大功率點(diǎn)以下運(yùn)行，從而留出一定的備用容量。一般情況下，變槳控制多用于額定風(fēng)速以上的工況。

轉(zhuǎn)子超速控制和變槳控制都會(huì)使得機(jī)組長(zhǎng)期偏離最大功率點(diǎn)運(yùn)行，犧牲發(fā)電量和經(jīng)濟(jì)效益。轉(zhuǎn)子慣性控制為臨時(shí)性控制措施，對(duì)發(fā)電量的影響較小。

轉(zhuǎn)子慣性控制調(diào)頻

當(dāng)電力系統(tǒng)受機(jī)組脫網(wǎng)、線路故障、負(fù)荷突變等擾動(dòng)，頻率發(fā)生變化時(shí)，臨時(shí)性動(dòng)態(tài)調(diào)整風(fēng)電機(jī)組的有功功率。

式中：Δf ——系統(tǒng)頻率偏差；ΔP ——風(fēng)電機(jī)組有功功率增量；Kpf——頻率偏差的權(quán)重系數(shù)；Kdf——頻率偏差微分的權(quán)重系數(shù)。

在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制上增加一個(gè)增量：

式中：ωg——發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速；ΔT ——發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩增量。

為確定機(jī)組參與系統(tǒng)調(diào)頻所需備用容量，設(shè)定機(jī)組減載水平為η。結(jié)合常規(guī)發(fā)電機(jī)組靜調(diào)差系數(shù)的定義，減載水平為：

式中：P0——風(fēng)電機(jī)組額定功率；f*——系統(tǒng)頻率；σf——靜調(diào)差系統(tǒng)。

電力系統(tǒng)頻率需保持在50Hz上下，偏移一般不超過(guò)±0.2Hz，靜調(diào)差系數(shù)一般為3%－5%。由式（3）可得減載水平為8%－13%，可設(shè)定雙饋感應(yīng)式風(fēng)電機(jī)組減載水平為10%。

動(dòng)力學(xué)－控制聯(lián)合仿真

一、建模

基于SIMPACK-Simulink聯(lián)合仿真，分析雙饋風(fēng)電機(jī)組采用轉(zhuǎn)子慣性控制參與一次調(diào)頻的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。

SIMPACK是出自德國(guó)宇航局的通用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件，在風(fēng)電機(jī)組動(dòng)力學(xué)仿真方面應(yīng)用普遍。采用專用模塊“RotorBlade Generation”生成彎扭耦合的柔性葉片，基于梁?jiǎn)卧伤踩嵝泽w模型，以剛性傳動(dòng)比簡(jiǎn)化齒輪箱，通過(guò)接口力元調(diào)用NREL開(kāi)發(fā)的AeroDyn氣動(dòng)力計(jì)算程序，執(zhí)行葉片氣動(dòng)力計(jì)算。風(fēng)電機(jī)組多體動(dòng)力學(xué)模型如圖 1所示。

在Simulink中建立風(fēng)電機(jī)組控制器模型，包括發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制和葉片槳距角控制。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與設(shè)定值的偏差作為輸入，經(jīng)轉(zhuǎn)矩PI模塊后，輸出發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩；經(jīng)槳距角PI模塊后，輸出葉片槳距角。風(fēng)電機(jī)組處于額定功率以下運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)矩控制模塊啟用；處于額定功率以上時(shí)，槳距角控制模塊啟用。

在上述控制器基礎(chǔ)上，引入式（1）所示轉(zhuǎn)子慣量控制算法，如圖 2所示。

通過(guò)SIMAT接口，執(zhí)行SIMPACK與Simulink之間的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真。

二、穩(wěn)態(tài)風(fēng)況仿真

以某2MW機(jī)組為例進(jìn)行仿真。該機(jī)組發(fā)電機(jī)切入轉(zhuǎn)速為1000rpm，額定轉(zhuǎn)速為1780rpm，切入風(fēng)速為3m/s，額定風(fēng)速為10m/s。

假定電力系統(tǒng)在某時(shí)刻后的1s內(nèi)頻率下降0.2Hz，并持續(xù)10s，之后經(jīng)過(guò)1s恢復(fù)，如圖 3所示。

首先仿真5m/s穩(wěn)態(tài)風(fēng)作用下，系統(tǒng)頻率下降后機(jī)組臨時(shí)增發(fā)10%功率。從250s開(kāi)始電力系統(tǒng)頻率下降，12s后頻率恢復(fù)。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、機(jī)組輸出功率的動(dòng)態(tài)響應(yīng)如圖 4、圖 5、圖 6所示。

圖1 多體動(dòng)力學(xué)模型

圖2 轉(zhuǎn)子慣量控制

圖3 系統(tǒng)頻率偏差

由仿真結(jié)果可知，在第250s系統(tǒng)頻率逐漸下降0.2Hz，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩上升，轉(zhuǎn)速下降。有功功率輸出由262kW提高至最高293kW，上升幅度11.8%，超過(guò)了給定的10%。這是因?yàn)楦鶕?jù)式（1），有功功率的增量不僅包含了頻率偏差Δf的比例項(xiàng)，還包含了頻率偏差的微分的比例項(xiàng)。

即使在穩(wěn)態(tài)風(fēng)下，系統(tǒng)頻率下降，發(fā)電機(jī)功率快速增加至最高點(diǎn)后，并沒(méi)有保持在穩(wěn)定值，而是逐漸下降（251s－261s）。這是因?yàn)榕R時(shí)改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制輸出，使得機(jī)組偏離了最大功率點(diǎn)運(yùn)行，Cp系數(shù)減小，降低了風(fēng)輪的一次能量捕獲效率。時(shí)間越長(zhǎng)，偏離最大功率點(diǎn)越遠(yuǎn)，Cp系數(shù)也越低，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)功率輸出下降。

圖4 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速

圖5 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩

圖6 發(fā)電機(jī)功率

在第261s－262s，系統(tǒng)頻率逐漸恢復(fù)，發(fā)電機(jī)功率大幅下降，這種情況下極易導(dǎo)致系統(tǒng)頻率二次下降。之后，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率逐漸向最優(yōu)運(yùn)行點(diǎn)靠攏，歷時(shí)大約60s后恢復(fù)。

三、湍流風(fēng)況仿真

仿真湍流風(fēng)作用下，系統(tǒng)頻率下降后機(jī)組臨時(shí)增發(fā)10%功率的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。輪轂高度處平均風(fēng)速為5m/s，湍流強(qiáng)度29.9%，如圖 7所示。

從250s開(kāi)始電力系統(tǒng)頻率下降，12s后頻率恢復(fù)。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、機(jī)組輸出功率的動(dòng)態(tài)響應(yīng)如圖 8、圖 9、圖 10所示。為了便于分析比較，一并給出不考慮轉(zhuǎn)子慣性控制調(diào)頻時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。

圖7 輪轂高度處平均風(fēng)速

圖8 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速

圖9 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩

圖10 發(fā)電機(jī)功率

由仿真結(jié)果可知，在第250s系統(tǒng)頻率逐漸下降后，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩上升，轉(zhuǎn)速下降，功率上升。在第262s系統(tǒng)頻率恢復(fù)后，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和功率有一個(gè)較小的波動(dòng)，之后歷時(shí)大約25s逐漸恢復(fù)至正常水平。

總體上，湍流風(fēng)下轉(zhuǎn)子慣性控制能及時(shí)響應(yīng)系統(tǒng)的調(diào)頻需求，且對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和功率的影響較小。

結(jié)論

（1）簡(jiǎn)述了目前風(fēng)電機(jī)組主流的調(diào)頻技術(shù)：轉(zhuǎn)子慣性控制、超速控制和變槳控制。

（2）采用轉(zhuǎn)子慣性控制方法，基于SIMPACK-Simulink聯(lián)合仿真，分析了5m/s穩(wěn)態(tài)風(fēng)和湍流風(fēng)下風(fēng)電機(jī)組參與一次調(diào)頻的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。結(jié)果表明，電力系統(tǒng)頻率下降0.2Hz并持續(xù)10s，風(fēng)電機(jī)組能及時(shí)響應(yīng)電力系統(tǒng)的調(diào)頻需求，保持發(fā)電運(yùn)行，且系統(tǒng)恢復(fù)后，機(jī)組可以快速恢復(fù)至原先的正常發(fā)電水平。

（3）本文在風(fēng)電機(jī)組參與電力系統(tǒng)一次調(diào)頻的技術(shù)可行性方面做了一些探索，為進(jìn)一步的研究奠定了基礎(chǔ)。

（作者單位：國(guó)電聯(lián)合動(dòng)力技術(shù)有限公司）

攝影：陳裕法