儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)黑啟動(dòng)火電機(jī)組過(guò)程中的功率協(xié)調(diào)控制策略

杜 平，萬(wàn)玉良，米增強(qiáng)，孫朝陽(yáng)，劉力卿，袁 賀

(1.國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司 調(diào)度控制中心，內(nèi)蒙古自治區(qū) 呼和浩特 010020；2.新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，河北 保定 071003)

儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)黑啟動(dòng)火電機(jī)組過(guò)程中的功率協(xié)調(diào)控制策略

杜 平1，萬(wàn)玉良1，米增強(qiáng)2，孫朝陽(yáng)2，劉力卿2，袁 賀2

(1.國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司 調(diào)度控制中心，內(nèi)蒙古自治區(qū) 呼和浩特 010020；2.新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，河北 保定 071003)

針對(duì)呼倫貝爾電網(wǎng)所處特殊地理位置和需求，在前期對(duì)儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)作為局域電網(wǎng)黑啟動(dòng)電源的可行性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，考慮并計(jì)及電池儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，提出了儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)黑啟動(dòng)火電機(jī)組過(guò)程中的功率協(xié)調(diào)控制策略。分別建立了儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)層有功控制器和無(wú)功控制器：根據(jù)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)調(diào)整風(fēng)電場(chǎng)的有功輸出，以將電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)維持在規(guī)定范圍內(nèi)；根據(jù)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)際無(wú)功輸出調(diào)整風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功輸出，減小儲(chǔ)能系統(tǒng)的無(wú)功電流，提高電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)裕度。分析了雙饋風(fēng)電機(jī)組的有功與無(wú)功功率極限，建立了風(fēng)電場(chǎng)有功與無(wú)功分配模型，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)功率在風(fēng)電機(jī)組間的分配。通過(guò)算例對(duì)所提協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行了仿真分析，驗(yàn)證了該控制策略適用于儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)啟動(dòng)火電機(jī)組輔機(jī)的黑啟動(dòng)過(guò)程。

儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)；黑啟動(dòng)電源；協(xié)調(diào)控制；荷電狀態(tài)；功率調(diào)節(jié)裕度

0 引言

水力發(fā)電廠(chǎng)(含抽水蓄能電站)由于其具有自啟動(dòng)能力，成為電網(wǎng)黑啟動(dòng)電源的最佳選擇[1]。但是我國(guó)內(nèi)蒙古等地區(qū)水資源匱乏，區(qū)域內(nèi)幾乎沒(méi)有水力發(fā)電廠(chǎng)，發(fā)生大面積停電后在其局域電網(wǎng)的快速恢復(fù)問(wèn)題上存在著嚴(yán)重缺陷，只能依賴(lài)于外網(wǎng)或主網(wǎng)，恢復(fù)時(shí)間會(huì)大大延長(zhǎng)，這必將給當(dāng)?shù)卦斐蓢?yán)重的損失[2]。針對(duì)局域電網(wǎng)所處特殊地理位置和需求，尋找可以作為其黑啟動(dòng)電源的新型電源，對(duì)于提高局域電網(wǎng)的黑啟動(dòng)能力具有重要作用。文獻(xiàn)[3]以蒙東呼倫貝爾電網(wǎng)為研究對(duì)象，基于當(dāng)?shù)厥重S富的風(fēng)電資源，提出了通過(guò)為大良風(fēng)電場(chǎng)配置大容量電池儲(chǔ)能系統(tǒng)以帶動(dòng)?xùn)|海拉爾電廠(chǎng)火電機(jī)組進(jìn)行啟動(dòng)的方案，探討了儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)作為局域電網(wǎng)黑啟動(dòng)電源的可行性。該文提出當(dāng)未來(lái)1 h風(fēng)速大于4.5 m/s時(shí)，便可以進(jìn)行儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)的自啟動(dòng)，并利用儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)對(duì)局域電網(wǎng)進(jìn)行恢復(fù)。因風(fēng)電出力具有波動(dòng)性且其功率調(diào)節(jié)相對(duì)較慢，需要和儲(chǔ)能系統(tǒng)配合，以提高其作為黑啟動(dòng)電源的可靠性。但是如果儲(chǔ)能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)(State of Charge, SOC)較低，將會(huì)因其能量不足而無(wú)法保證黑啟動(dòng)過(guò)程的順利進(jìn)行；若需要儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率較大，則可能存在出力能力和功率調(diào)節(jié)裕度不足問(wèn)題。文獻(xiàn)[3]中并未充分考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)和功率裕度問(wèn)題，而是為其配置了較大的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，以保證充足的能量和功率供給。考慮到配置電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，本文從儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)的控制策略著手，在啟動(dòng)火電機(jī)組輔機(jī)過(guò)程中對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化。如果在這一過(guò)程中能夠通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)電場(chǎng)的有功輸出，使儲(chǔ)能系統(tǒng)適時(shí)地充電或放電，將其荷電狀態(tài)維持在一定范圍內(nèi)，那么就可以減小對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量需求。同時(shí)考慮到風(fēng)電機(jī)組具備較為充裕的無(wú)功調(diào)節(jié)能力，可以由風(fēng)機(jī)承擔(dān)這一過(guò)程中的無(wú)功輸出，從而減小儲(chǔ)能系統(tǒng)的電流輸出，提高其功率調(diào)節(jié)裕度，使其能夠在必要時(shí)提供足夠的功率支撐，同時(shí)也降低了對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)中逆變器的容量需求。

在利用儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)啟動(dòng)火電機(jī)組輔機(jī)的過(guò)程中，要通過(guò)控制其電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和風(fēng)電場(chǎng)的有功和無(wú)功功率輸出以使系統(tǒng)的頻率和電壓能夠保持穩(wěn)定。目前國(guó)內(nèi)外缺少對(duì)這一過(guò)程相應(yīng)控制策略的研究，而對(duì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)與風(fēng)電場(chǎng)在聯(lián)網(wǎng)和孤網(wǎng)狀態(tài)下的功率協(xié)調(diào)控制策略研究較多。文獻(xiàn)[4-6]研究了風(fēng)電場(chǎng)在聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下，通過(guò)控制儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電功率波動(dòng)的平抑。文獻(xiàn)[7-9]通過(guò)分析雙饋風(fēng)電機(jī)組的功率極限，對(duì)雙饋型風(fēng)電場(chǎng)參與電網(wǎng)無(wú)功調(diào)節(jié)的控制策略進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[10]則根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)與要求，提出了一種電池儲(chǔ)能系統(tǒng)與風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功協(xié)調(diào)控制策略，有效提高了電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[11, 12]研究了雙饋風(fēng)電機(jī)組在孤網(wǎng)狀態(tài)下的控制策略。文獻(xiàn)[13]研究了雙饋風(fēng)電機(jī)組并聯(lián)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)后的孤網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略，利用所提策略能在風(fēng)速和負(fù)載發(fā)生變化時(shí)使孤網(wǎng)系統(tǒng)的頻率和電壓保持穩(wěn)定。

本文以呼倫貝爾電網(wǎng)為背景，通過(guò)分析儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)作為黑啟動(dòng)電源方案中的不足之處，提出了一種利用儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)啟動(dòng)火電機(jī)組輔機(jī)的功率協(xié)調(diào)控制策略，在帶動(dòng)火電機(jī)組輔機(jī)啟動(dòng)的過(guò)程中能夠優(yōu)化其電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，保證黑啟動(dòng)過(guò)程的順利進(jìn)行。分別建立了儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)層有功控制器、無(wú)功控制器，以及風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組之間功率分配模型。通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)輸出的調(diào)節(jié)將電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)維持在規(guī)定范圍內(nèi)，并減小儲(chǔ)能系統(tǒng)的無(wú)功電流，提高其功率調(diào)節(jié)裕度。最后通過(guò)仿真對(duì)所提控制策略的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)啟動(dòng)火電機(jī)組的控制方案分析

呼倫貝爾區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)無(wú)水力發(fā)電廠(chǎng)作為黑啟動(dòng)電源，在其發(fā)生大停電事故后只能依靠東北電網(wǎng)進(jìn)行恢復(fù)，恢復(fù)所需時(shí)間較長(zhǎng)。大良風(fēng)電場(chǎng)和東海拉爾電廠(chǎng)均位于呼倫貝爾市的海拉爾區(qū)內(nèi)，兩者經(jīng)西良線(xiàn)與伊西線(xiàn)相連，如圖1所示。大良風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)裝備有33臺(tái)額定容量為1.55 MVA的雙饋風(fēng)電機(jī)組，東海拉爾電廠(chǎng)則裝備2×25 MVA和2×50 MVA的4臺(tái)火電機(jī)組。

圖1 大良風(fēng)電場(chǎng)與東海拉爾電廠(chǎng)的連接圖

東海拉爾電廠(chǎng)是當(dāng)?shù)氐闹匾娫?，承?dān)著供熱任務(wù)，但其并不具備自啟動(dòng)能力。在文獻(xiàn)[3]中提出了在大良風(fēng)電場(chǎng)配置大容量電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，并利用該儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)作為黑啟動(dòng)電源帶動(dòng)?xùn)|海拉爾電廠(chǎng)3#火電機(jī)組進(jìn)行啟動(dòng)的控制方案。該方案采用風(fēng)電場(chǎng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)速進(jìn)行超短期預(yù)測(cè)[14]，若其未來(lái)60 min的風(fēng)速能持續(xù)大于4.5 m/s，就能執(zhí)行利用儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)帶動(dòng)3#火電機(jī)組進(jìn)行啟動(dòng)的方案：采用V/f控制策略[15]對(duì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行控制，為大良風(fēng)電場(chǎng)母線(xiàn)建立穩(wěn)定的電壓，使風(fēng)電機(jī)組能夠陸續(xù)啟動(dòng)發(fā)電；儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)自啟動(dòng)成功后，需進(jìn)一步對(duì)黑啟動(dòng)路徑上的變壓器、輸電線(xiàn)路以及火電機(jī)組的輔機(jī)等進(jìn)行供電，最終達(dá)到帶動(dòng)火電機(jī)組啟動(dòng)的目的。在這一過(guò)程中，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略保持不變，而令風(fēng)電機(jī)組限電棄風(fēng)運(yùn)行，并輔助電池儲(chǔ)能系統(tǒng)參與系統(tǒng)的調(diào)頻和調(diào)壓[16]。

通過(guò)分析可知，3#火電機(jī)組的輔機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中，由于其輔機(jī)較多且容量較大，并且每臺(tái)輔機(jī)運(yùn)行時(shí)均需吸收大量有功，所有輔機(jī)全部啟動(dòng)用時(shí)較長(zhǎng)，這一過(guò)程會(huì)造成較大的能量消耗；另外，每臺(tái)輔機(jī)在啟動(dòng)瞬間均會(huì)產(chǎn)生較大的啟動(dòng)電流，對(duì)儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)造成較大的無(wú)功沖擊。

2 儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)的功率協(xié)調(diào)控制策略

為了使儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)能夠在帶動(dòng)火電機(jī)組輔機(jī)啟動(dòng)的同時(shí)，還能對(duì)其中電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化，保障火電機(jī)組黑啟動(dòng)過(guò)程的順利進(jìn)行，本文提出了儲(chǔ)能系統(tǒng)與風(fēng)電場(chǎng)的功率協(xié)調(diào)控制策略:為了使電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)能夠維持在一定范圍內(nèi)，建立了儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)層有功控制器，當(dāng)荷電狀態(tài)偏離設(shè)定值時(shí)，能夠根據(jù)荷電狀態(tài)情況實(shí)時(shí)調(diào)整風(fēng)電場(chǎng)的有功輸出；為了減小儲(chǔ)能系統(tǒng)的無(wú)功電流，提高電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)裕度，同時(shí)降低對(duì)逆變器的容量配置需求，建立了儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)層無(wú)功控制器，根據(jù)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的無(wú)功輸出實(shí)時(shí)調(diào)整整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功輸出，充分利用風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功調(diào)節(jié)能力；通過(guò)對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組的有功與無(wú)功極限約束進(jìn)行分析，建立風(fēng)電場(chǎng)功率命令分配模型，將風(fēng)電場(chǎng)層有功控制器與無(wú)功控制器的功率命令分配至每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，使每臺(tái)機(jī)組均按命令輸出特定功率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化的整體目標(biāo)，所提協(xié)調(diào)控制策略如圖2所示。

圖2 儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)功率協(xié)調(diào)控制策略框圖

2.1 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)與風(fēng)電機(jī)組的本地控制策略

為使風(fēng)電場(chǎng)35 kV母線(xiàn)的頻率和電壓能夠保持穩(wěn)定，采用V/f控制策略對(duì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行控制，一般將其頻率參考值fbref和電壓設(shè)定值Vbref均設(shè)為1，如圖2所示。雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器采用基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制技術(shù)進(jìn)行控制，通過(guò)改變其功率設(shè)定值Piref和Qiref對(duì)其功率輸出進(jìn)行主動(dòng)調(diào)整。為了減小風(fēng)電場(chǎng)的功率波動(dòng)，使其運(yùn)行于限電棄風(fēng)狀態(tài)[16]。在雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器中引入下垂控制模塊，能夠使機(jī)組輔助電池儲(chǔ)能系統(tǒng)參與系統(tǒng)的調(diào)頻與調(diào)壓。

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)采用V/f控制策略進(jìn)行控制時(shí)，本質(zhì)上相當(dāng)于系統(tǒng)的平衡節(jié)點(diǎn)，無(wú)法對(duì)其有功輸出Pb和無(wú)功輸出Qb進(jìn)行直接控制；雙饋風(fēng)電機(jī)組則相當(dāng)于系統(tǒng)的PQ節(jié)點(diǎn)，通過(guò)主動(dòng)調(diào)整其有功與無(wú)功輸出實(shí)現(xiàn)對(duì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)功率輸出的間接調(diào)整，從而完成對(duì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的優(yōu)化。

2.2 儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)層有功控制器

為了使電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)能夠維持在設(shè)定區(qū)間內(nèi)，同時(shí)避免對(duì)風(fēng)電場(chǎng)有功輸出的頻繁調(diào)整，本文建立了儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)層有功控制器。該控制器利用超短期風(fēng)電功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)下一時(shí)刻的風(fēng)速進(jìn)行預(yù)測(cè)，并根據(jù)風(fēng)速預(yù)測(cè)值評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)下一時(shí)刻的最大可輸出有功功率Pwmax；將電池儲(chǔ)能系統(tǒng)荷電狀態(tài)的區(qū)間設(shè)為[SOCmin，SOCmax],根據(jù)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)及其變化趨勢(shì)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的有功輸出命令進(jìn)行調(diào)整。

(1)當(dāng)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的SOC小于最小值SOCmin時(shí)，可通過(guò)適當(dāng)調(diào)整風(fēng)電場(chǎng)下一時(shí)刻的有功輸出命令Pwref以增大其有功輸出，從而減小電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的放電功率或使電池儲(chǔ)能系統(tǒng)由放電狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌潆姞顟B(tài)，達(dá)到增大其SOC的目的。但需注意的是，風(fēng)電場(chǎng)的有功輸出命令值Pwref必須小于下一時(shí)刻的最大可輸出功率Pwmax。

(2)當(dāng)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的SOC大于其最大值SOCmax時(shí)，可通過(guò)適當(dāng)調(diào)整風(fēng)電場(chǎng)下一時(shí)刻的有功輸出命令Pwref以減小其有功輸出，從而間接增大電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的放電功率，達(dá)到降低其SOC的目的。

(3)當(dāng)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的SOC逐漸增大至SOCmax時(shí)，采用有功功率調(diào)節(jié)模塊，根據(jù)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電功率Pb實(shí)時(shí)調(diào)整風(fēng)電場(chǎng)的有功輸出命令Pwref，通過(guò)降低風(fēng)電場(chǎng)的有功輸出將電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電功率Pb調(diào)整為0，使電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的SOC維持在SOCmax。調(diào)節(jié)模塊中包含比例-積分(PI)控制器，如圖3所示。其中，Pb表示儲(chǔ)能系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)刻的充電功率，Pw表示風(fēng)電場(chǎng)當(dāng)前時(shí)刻的有功輸出。

圖3 風(fēng)電場(chǎng)有功功率調(diào)節(jié)模塊

(4) 當(dāng)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的SOC逐漸減小至SOCmin時(shí)，同樣采用圖3所示有功調(diào)節(jié)模塊，根據(jù)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的放電功率Pb實(shí)時(shí)調(diào)整風(fēng)電場(chǎng)的有功輸出命令Pwref，以增大風(fēng)電場(chǎng)的有功輸出，將電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的放電功率調(diào)整為0，使其SOC維持在SOCmin。

2.3 儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)層無(wú)功控制器

為了提高電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)裕度，使電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在輔機(jī)投入時(shí)能夠具有充足的功率調(diào)整能力以維持儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，本文建立了儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)層無(wú)功控制器。該控制器根據(jù)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的無(wú)功輸出Qb實(shí)時(shí)調(diào)整風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功輸出命令值，通過(guò)控制風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功輸出將電池儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出Qb調(diào)整為0，如圖4所示。其中，Qwref為下一時(shí)刻風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功功率輸出命令值。

圖4 風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率調(diào)節(jié)模塊

2.4 風(fēng)電場(chǎng)功率命令分配模型

為了使風(fēng)電場(chǎng)能夠根據(jù)儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)層有功和無(wú)功控制器的功率命令調(diào)整其有功和無(wú)功輸出，本文通過(guò)對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組的有功與無(wú)功極限進(jìn)行分析，建立了風(fēng)電場(chǎng)功率分配模型：根據(jù)不同機(jī)組的風(fēng)電功率預(yù)測(cè)值，確定分配至每臺(tái)機(jī)組的有功功率命令；實(shí)時(shí)計(jì)算風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功功率極限，確定分配至每臺(tái)機(jī)組的無(wú)功功率命令。

2.4.1 風(fēng)電機(jī)組有功與無(wú)功極限分析

采用矢量定向控制技術(shù)分別對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器和網(wǎng)側(cè)變頻器進(jìn)行控制，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)其有功和無(wú)功功率的解耦控制[17]。但受機(jī)組容量限制，機(jī)組的有功與無(wú)功輸出極限相互制約[18]。雙饋風(fēng)電機(jī)組定子的功率輸出能力主要受轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)子電壓以及定子電流等因素影響[19]。

當(dāng)受機(jī)組的轉(zhuǎn)子電流限制，|Ir|

(1)

式中：Zs為定子阻抗；Zr為轉(zhuǎn)子阻抗；Zm為互感阻抗；s為轉(zhuǎn)差率。

當(dāng)受機(jī)組的轉(zhuǎn)子電壓限制，|Ur|

(2)

當(dāng)受機(jī)組的定子電流限制，|Is|

(3)

通過(guò)控制，機(jī)組的網(wǎng)側(cè)變頻器也能與電網(wǎng)之間進(jìn)行無(wú)功交換，其向電網(wǎng)輸出的視在功率Sg可表示為：

(4)

式中：Sgmax為網(wǎng)側(cè)變流器最大容量；Pall為定子輸出的有功功率。

根據(jù)式S1+Sg，S2+Sg，S3+Sg可得到雙饋風(fēng)電機(jī)組在PQ平面上的有功與無(wú)功功率約束曲線(xiàn)(s=-0.2)，機(jī)組的有功與無(wú)功極限由3條曲線(xiàn)的交集所確定，如圖5所示。

圖5 考慮網(wǎng)側(cè)變流器輸出的風(fēng)電機(jī)組功率約束曲線(xiàn)

對(duì)圖5中P>0的區(qū)域進(jìn)行局部放大，可以更加直觀(guān)地看出，隨著風(fēng)電機(jī)組有功輸出的增加，風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功功率極限明顯減小，如圖6所示。

圖6 風(fēng)電機(jī)組功率約束曲線(xiàn)局部放大圖

2.4.2 風(fēng)電機(jī)組的有功分配模塊

根據(jù)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)確定每臺(tái)風(fēng)機(jī)下一時(shí)刻的最大可輸出有功功率Pimax，并根據(jù)式(5)將風(fēng)電場(chǎng)層有功控制器的有功輸出命令Pwref實(shí)時(shí)分配至各臺(tái)風(fēng)電機(jī)組。

(5)

式中：Piref表示下一時(shí)刻第i臺(tái)風(fēng)機(jī)的有功輸出參考值。

2.4.3 風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功分配模塊

已知風(fēng)電機(jī)組分配的有功命令Piref，根據(jù)2.4.1中的約束曲線(xiàn)對(duì)其無(wú)功極限進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，以獲得風(fēng)電機(jī)組可輸出的最大無(wú)功Qimax。將風(fēng)電場(chǎng)的最大無(wú)功出力∑Qimax與風(fēng)電場(chǎng)層無(wú)功控制器的無(wú)功輸出命令Qwref進(jìn)行比較，若Qwref>∑Qimax，則每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組只需按其功率極限輸出無(wú)功功率即可，即Qiref=Qimax；若Qwref<∑Qimax，則按式(6)將無(wú)功命令Qiref分配至每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組。

(6)

式中：Qiref為下一時(shí)刻第i臺(tái)風(fēng)機(jī)的無(wú)功輸出參考值。

3 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所提出的儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)功率協(xié)調(diào)控制策略的有效性，本文采用內(nèi)蒙古呼倫貝爾地區(qū)大良風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際參數(shù)建立了仿真模型。仿真中，將風(fēng)電場(chǎng)33臺(tái)風(fēng)機(jī)等效為3臺(tái)容量相同的等值風(fēng)電機(jī)組。文獻(xiàn)[3]214中儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)啟動(dòng)火電機(jī)組輔機(jī)的暫態(tài)過(guò)程中，儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出的最大有功功率為3.17 MW，最大無(wú)功功率為15.06 MVar，為滿(mǎn)足有功與無(wú)功極限，配置了容量為16 MW·h的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，但是此電池儲(chǔ)能系統(tǒng)容量過(guò)大，并不經(jīng)濟(jì)。本文控制策略中提出無(wú)功功率由風(fēng)機(jī)提供，因此可以?xún)H考慮最大有功功率，并預(yù)留一定裕度，在仿真算例中將電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量設(shè)置為5 MW·h。在仿真中將荷電狀態(tài)的區(qū)間設(shè)置為[45%,55%]，以驗(yàn)證利用所提控制策略能否將荷電狀態(tài)維持在規(guī)定區(qū)間內(nèi)。

3.1 仿真算例1

對(duì)圖7所示系統(tǒng)進(jìn)行仿真，通過(guò)分時(shí)投入恒定負(fù)載L1、L2、L3，對(duì)提出的儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行驗(yàn)證，仿真結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖7 系統(tǒng)仿真示意圖

圖8 儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)功率控制

圖9 風(fēng)電功率分配

由圖8(a)可知開(kāi)始時(shí)風(fēng)電場(chǎng)限功率運(yùn)行，由于負(fù)載L1較小，風(fēng)電場(chǎng)輸出的多余功率由儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收，以使系統(tǒng)頻率能夠保持穩(wěn)定。由圖8(c)可知，在t=11.45 min時(shí),電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的SOC達(dá)到設(shè)定的最大值55%；采用本文所提控制策略，能夠降低風(fēng)電場(chǎng)的有功輸出，減小電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電功率,將SOC穩(wěn)定在55%。如圖8(a)所示，在t=16.6 min時(shí)投入負(fù)載L2，在t=20 min時(shí)投入負(fù)載L3，為維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的有功輸出增大，其SOC逐漸下降；在t=22.9 min時(shí),儲(chǔ)能系統(tǒng)的SOC下降至最小值45%；采用本文所提協(xié)調(diào)控制策略，能夠增大風(fēng)電場(chǎng)的有功輸出，將儲(chǔ)能系統(tǒng)的放電功率降為0，使其SOC穩(wěn)定在45%。在該過(guò)程中，系統(tǒng)的電壓僅有微小波動(dòng)。而由圖8(c)可知，當(dāng)采用文獻(xiàn)[3]中所提策略對(duì)儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行控制時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的SOC先從44.5%上升至59.4%，最終下降至41.9%，超出了設(shè)定的荷電狀態(tài)運(yùn)行區(qū)間。通過(guò)采用本文所提控制策略，能夠?qū)㈦姵貎?chǔ)能系統(tǒng)的無(wú)功輸出維持為0，如圖8(b)所示；儲(chǔ)能系統(tǒng)電流的有效值明顯減小，如圖8(d)所示，因此提高了其功率調(diào)節(jié)裕度。

由于風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)3臺(tái)等值風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)速不同，其最大有功出力能力也不相同。由圖9(b)可知，利用本文所建立的風(fēng)電機(jī)組有功分配模塊能夠?qū)L(fēng)電場(chǎng)層有功控制命令實(shí)時(shí)分配至各臺(tái)風(fēng)電機(jī)組。由于3臺(tái)等值風(fēng)電機(jī)組的有功輸出和轉(zhuǎn)差率差距較小，3臺(tái)等值風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功極限差距并不明顯，如圖9(d)所示。由圖9(c)可知，利用本文所建立的風(fēng)電機(jī)組無(wú)功分配模塊能夠?qū)L(fēng)電場(chǎng)層無(wú)功控制命令實(shí)時(shí)分配至各臺(tái)等值風(fēng)電機(jī)組。由于3臺(tái)等值風(fēng)機(jī)的最大無(wú)功輸出能力差距很小，所以無(wú)功分配差距也并不明顯。

綜上所述，在分時(shí)投入恒定負(fù)載L1、L2和L3時(shí)，利用本文所提的功率協(xié)調(diào)控制策略對(duì)儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行控制，能夠在維持系統(tǒng)電壓和頻率穩(wěn)定的同時(shí)，將電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的SOC維持在規(guī)定范圍內(nèi)，并提高了電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)裕度。

3.2 仿真算例2

在東海拉爾電廠(chǎng)火電機(jī)組熱態(tài)啟動(dòng)所需的諸多輔機(jī)中，給水泵的額定容量最大，為1.6 MW，其余輔機(jī)容量總和不超過(guò)1.6 MW。為進(jìn)一步對(duì)所提控制策略進(jìn)行驗(yàn)證，本文將火電機(jī)組的輔機(jī)等值為2臺(tái)1.6 MW的異步電動(dòng)機(jī)，對(duì)利用儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)依次啟動(dòng)3#火電機(jī)組2臺(tái)等值輔機(jī)的過(guò)程進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 利用儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)啟動(dòng)2臺(tái)等值輔機(jī)

如圖10(a)所示，在t=1.7 min時(shí)投入第1臺(tái)等值輔機(jī)，此時(shí)輔機(jī)功率消耗較小，風(fēng)電場(chǎng)輸出的多余功率由儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收。如圖10(c)所示，儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC在t=6.2 min上升至設(shè)定的最大值55%，采用本文提出的控制策略，降低了風(fēng)電場(chǎng)的有功輸出，將儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電功率降為0，其SOC穩(wěn)定在55%。隨著輔機(jī)負(fù)載的不斷增加，儲(chǔ)能系統(tǒng)增加輸出以補(bǔ)償風(fēng)電場(chǎng)的功率缺額，其SOC開(kāi)始下降。在t=9.4 min時(shí)投入第2臺(tái)等值輔機(jī)，儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出進(jìn)一步增加，SOC下降速率增大，但未達(dá)到設(shè)定的最小值45%。在整個(gè)輔機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中伴有無(wú)功功率的波動(dòng)，而風(fēng)電場(chǎng)承擔(dān)了所有的無(wú)功功率，儲(chǔ)能系統(tǒng)無(wú)功輸出基本為0，僅補(bǔ)充了風(fēng)電場(chǎng)的暫態(tài)無(wú)功缺額，如圖10(b)所示。在輔機(jī)投入的整個(gè)過(guò)程中，系統(tǒng)的頻率和電壓雖有暫態(tài)波動(dòng)，但整體上能夠保持穩(wěn)定，如圖10(d)和(e)所示。

通過(guò)分析儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)啟動(dòng)火電機(jī)組輔機(jī)的仿真結(jié)果，應(yīng)用本文提出的控制策略，可以在該過(guò)程中維持系統(tǒng)電壓和頻率的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)輔機(jī)的正常啟動(dòng)，并且可以對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化。該仿真結(jié)果證明本文提出的控制策略適用于儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)啟動(dòng)火電機(jī)組輔機(jī)的黑啟動(dòng)過(guò)程。

4 結(jié)論

針對(duì)儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)黑啟動(dòng)火電機(jī)組的過(guò)程，本文提出了一種儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)功率協(xié)調(diào)控制策略，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明：利用本文所提控制策略，能夠使儲(chǔ)能型電場(chǎng)在帶動(dòng)火電機(jī)組輔機(jī)啟動(dòng)的過(guò)程中保持系統(tǒng)頻率和電壓的穩(wěn)定；能夠?qū)﹄姵貎?chǔ)能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，使其維持在設(shè)定范圍內(nèi)；能夠減小儲(chǔ)能系統(tǒng)電流，增大電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)裕度；提高儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)作為黑啟動(dòng)電源的可靠性。該控制策略的提出也便于后續(xù)研究中更經(jīng)濟(jì)合理的進(jìn)行儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置。

[1] 王春義.電力系統(tǒng)恢復(fù)輔助決策方法研究與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[D].濟(jì)南：山東大學(xué), 2010.

[2] 劉雋, 李興源, 許秀芳.互聯(lián)電網(wǎng)的黑啟動(dòng)策略及相關(guān)問(wèn)題[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2004,28(5):93-97.

[3] 劉力卿, 杜平, 萬(wàn)玉良, 等.儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)作為局域電網(wǎng)黑啟動(dòng)電源的可行性探討[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2016,40(21):210-216.

[4] 羅毅，李達(dá).電池儲(chǔ)能平抑風(fēng)電功率波動(dòng)的預(yù)測(cè)控制方法[J].電力科學(xué)與工程，2015,31(11):1-5.

[5] 于芃, 周瑋, 孫輝, 等.用于風(fēng)電功率平抑的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2011, 31(17):127-133.

[6] 丁明, 吳建鋒, 朱承治, 等.具備荷電狀態(tài)調(diào)節(jié)功能的儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)時(shí)平滑控制策略[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2013, 33(1):22-29.

[7] 喬穎, 陳惠粉, 魯宗相, 等.雙饋風(fēng)電場(chǎng)自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2013, 37(5):15-22.

[8] 高揚(yáng)，于會(huì)群，張浩，等.變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制仿真[J].電力科學(xué)與工程，2014,30(2):1-6..

[9] 劉力卿，李秀錦，余洋，等.變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)出力特性建模方法[J].電力科學(xué)與工程，2011,27(12):7-11.

[10] 黃磊, 肖錚, 閆秉科.基于儲(chǔ)能系統(tǒng)的風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率優(yōu)化控制研究[J].陜西電力, 2015(12):15-20.

[11] ZHANG Y, OOI B T.Stand-alone doubly-fed induction generators (DFIGs) with autonomous frequency control[J].IEEE Transactions on Power Delivery, 2013,28(2):752-760.

[12] KANELLOS F D, HATZIARGYRIOU N D.Optimal control of variable speed wind turbines in islanded mode of operation[J].IEEE Transactions on Energy Conversion, 2010,25(4):1142-1151.

[13] 彭思敏, 王晗, 蔡旭, 等.含雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)及并聯(lián)型儲(chǔ)能系統(tǒng)的孤網(wǎng)運(yùn)行控制策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2012,36(23):23-28.

[14] Q/GDW 588-2011, 風(fēng)電功率預(yù)測(cè)功能規(guī)范[S].北京: 中國(guó)電力出版社, 2011.

[15] 趙冬梅, 張楠, 劉燕華, 等.基于儲(chǔ)能的微網(wǎng)并網(wǎng)和孤島運(yùn)行模式平滑切換綜合控制策略[J].電網(wǎng)技術(shù), 2013, 37(2):301-306.

[16] 米增強(qiáng), 劉力卿, 余洋, 等.限電棄風(fēng)工況下雙饋風(fēng)電機(jī)組有功及調(diào)頻控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(15):81-88.

[17] 王忱, 石立寶, 姚良忠, 等.大規(guī)模雙饋型風(fēng)電場(chǎng)的小擾動(dòng)穩(wěn)定分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2010, 30(4):63-70.

[18] 郎永強(qiáng), 張學(xué)廣, 徐殿國(guó), 等.雙饋電機(jī)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率分析及控制策略[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2007, 27(9):77-82.

[19] LUND T, SRENSEN P, EEK J.Reactive power capability of a wind turbine with doubly fed induction generator[J].Wind Energy, 2007,10(4):379-394.

The Coordinated Power Control Strategy of Storage-based Wind Farm During Black-start Process of Thermal Power Unit

DU Ping1，WAN Yuliang1，MI Zengqiang2，SUN Zhaoyang2，LIU Liqing2，YUAN He2

(1.Power Dispatching Control Center, State Grid East Inner Mongolia Electric Power Company Limited，Hohhot 010020，China; 2.State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System With Renewable Energy Sources North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

In view of the special geographical position of HulunBuir power grid and considering the demands of the grid, the proper strategy for power coordination is needed.Based on the feasibility analysis of applying a stor-age-based wind farm as a black-start power source in local power grid, a coordinated power control strategy of a storage-based wind farm during black-start process of thermal power unit is proposed, which takes the operation condition of battery storage system into account.The active and reactive power controllers on storage-based wind farm layer are established respectively.The output active power of wind farm could be adjusted according to the SOC of battery storage system to maintain the SOC within a fixed range, while the output reactive power of wind farm could be adjusted according to reactive power of battery storage system.Thus, a reduction in reactive current of battery storage system and an enhancement in its power regulation margin can be realized.Then the active and reactive power limits of DFIG are analysed.The distribution model of active and reactive power of the wind farm being established, the power distribution among wind turbines in a wind farm is realized.The proposed control strategy is simulated, and results indicate this strategy is suitable for the black-start process of auxiliary machine for a thermal power unit driven by a storage-based wind farm.

storage-based wind farm; black-start power source; coordinated control; state of charge; power regulation margin

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.06.006

2017-04-14。

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金(13XS20)；國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目 (SGMD0000DDJS1500096)。

TM614

A

1672-0792(2017)06-0034-08

杜平(1962-)，男，高級(jí)工程師，主要從事繼電保護(hù)、系統(tǒng)運(yùn)行管理工作。