雙饋風電機組總體控制策略及運行性能

林子琴

新疆風能有限責任公司

雙饋風電機組總體控制策略及運行性能

林子琴

新疆風能有限責任公司

隨著風電機組技術不斷進步、風電場裝機容量逐漸增大，更多的大型風電場開始并入電網(wǎng)，對電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的影響也隨之增大，因而受到廣泛關注。目前，隨著單機容量為兆瓦級大型風力發(fā)電機組以及上百兆瓦風電場的迅速發(fā)展，并網(wǎng)電網(wǎng)系統(tǒng)的安全、可靠運行的要求需要得到更高的保證，因而使得風電系統(tǒng)運行性能及其總體控制策略的研究對于風電機組的控制系統(tǒng)設計具有重要的現(xiàn)實意義。

雙饋風電機組；總體控制策略；運行性能

1、前言

雙饋風電(DFIG)機組由于自身的優(yōu)良性能逐漸成為風力發(fā)電市場發(fā)展的主流機型。為了深入研究雙饋風電機組全風速下的運行性能，筆者提出對風電機組總體控制策略進行研究。首先建立了風力發(fā)電機、傳動鏈和雙饋發(fā)電機的數(shù)學模型。其次，從風能最大利用和風機安全運行角度考慮，提出了電機損耗最小的風電機組最大功率輸出控制策略，以及轉(zhuǎn)速和功率限制的變槳控制策略。最后，結(jié)合雙饋發(fā)電機功率解耦控制策略對風電機組的總體運行性能進行仿真，并將仿真結(jié)果與理論分析和實際運行數(shù)據(jù)進行比較和驗證。

2、風電機組多時間尺度特性

風電機組是一個包含電磁、機電系統(tǒng)及機械過程的多時間尺度動態(tài)系統(tǒng)，對風機各部件進行詳細建模，用于電力系統(tǒng)分析是低效的，也是不切合實際的。下面主要探討機電暫態(tài)時間尺度下風電機組的簡化模型，用于系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析，簡稱暫態(tài)穩(wěn)定模型。

雙饋風電機組暫態(tài)穩(wěn)定模型的導出建立在詳細機理模型的基礎之上，詳細機理模型包含：風速、氣動、變槳、傳動系統(tǒng)、發(fā)電機、變流器、電氣控制以及機組保護等組成部分，各部分的模型均具有多尺度、高階、非線性等特征，將該詳細模型降階為暫態(tài)穩(wěn)定模型需明確各部分動態(tài)的衰減速度，一般用帶寬(頻域)或時間常數(shù)(時域)進行度量。

2.1 風速、氣動以及變槳系統(tǒng)模型

2.1.1 風速模型

短時間尺度風速建模通常要包含平均風速、陣風、漸變風以及湍流幾個部分。由于風機對風速波動體現(xiàn)為低通濾波特性，且濾波時間常數(shù)較大，約為12s，與研究系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的時間尺度相比(0.1~10s)以認為維持不變，所以本文風速建模采用恒定的平均風速。

2.1.2 風輪氣動模型

風輪氣動部分的建模在暫態(tài)穩(wěn)定問題研究中通常采用類如Cp曲線擬合的靜態(tài)模型。對于由槳葉載荷不平衡引起的風剪切、塔影效應等現(xiàn)象，可以根據(jù)需要選擇合理的空間濾波器進行模擬，從而避免繁瑣的葉素動量計算。單從風輪氣動建模的角度來看，以上幾種特定現(xiàn)象會對風輪的輸入轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生一定影響，但結(jié)合整機發(fā)電控制來看，以上氣動轉(zhuǎn)矩的波動經(jīng)風機慣量濾波后將被大幅抑制。

2.1.3 變槳系統(tǒng)模型

變槳系統(tǒng)模型包含控制器和執(zhí)行機構兩個部分。執(zhí)行機構模型一般采用帶速率和槳距角限制的一階動態(tài)模型，T為時間常數(shù)，由于該時間常數(shù)位于暫態(tài)穩(wěn)定分析的時間尺度內(nèi)，所以不能忽略動態(tài)。變槳系統(tǒng)的控制模型包含轉(zhuǎn)速控制和功率控制兩部分，控制器采用PI調(diào)節(jié)器。由于變槳控制屬慢過程，因此在進行暫態(tài)穩(wěn)定分析時需要考慮其調(diào)節(jié)動態(tài)。

2.2 傳動系模型

風電機組軸系建模通常是將風輪槳葉、輪轂、齒輪箱、發(fā)電機等旋轉(zhuǎn)部件按照相互耦合強度不同等值成多質(zhì)量塊，較詳細的軸系模型高達11階(六質(zhì)量塊)，能反映5種振蕩模式，但對于系統(tǒng)穩(wěn)定性研究更關注的是軸系的低頻振蕩，可用等效兩質(zhì)量塊模型表征該振蕩模式。

3、雙饋風電機組總體控制策略

3.1 基于電機損耗最小的風能最大輸出控制策略

由于雙饋發(fā)電機發(fā)電效率會隨著電機參數(shù)和運行工況改變，因此風力機即使能夠?qū)崿F(xiàn)最大風能捕獲，發(fā)電機發(fā)出的有功功率也會隨著運行效率而改變。為了使雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)盡可能地利用風能以及保持較高的發(fā)電效率，筆者提出了基于電機損耗最小的最大輸出控制策略。在同一風速下，不同風力機轉(zhuǎn)速會使風力機輸出不同的功率，為了實現(xiàn)最大風能的追蹤，必須在風速變化時實時地調(diào)整電機轉(zhuǎn)速。由此可見，風力機的最大功率值與轉(zhuǎn)速的立方成正比，并用轉(zhuǎn)速檢測代替了風速檢測。轉(zhuǎn)速測量相比風速測量更加簡單、容易、可靠、穩(wěn)定。另外可依據(jù)已知的風力機最佳功率輸出曲線，查表得到機組轉(zhuǎn)速參考值，再對DFIG機組進行控制。

3.2 基于轉(zhuǎn)速和功率限制的變槳距控制策略

當風速高于額定風速以上運行時，風力發(fā)電機組受機械強度、發(fā)電機容量和變頻器容量限制，必須調(diào)節(jié)風力機的功率系數(shù)，降低風輪捕獲的能量，保持發(fā)電機輸出恒定的功率。只單獨考慮轉(zhuǎn)速限制或者功率限制的變槳距控制策略，并不能很好地實現(xiàn)機組最大風能的跟蹤運行，因此有必要建立基于轉(zhuǎn)速和功率限制的變槳距控制策略。

4、雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)全風速運行性能的仿真

為了綜合驗證筆者研究的功率解耦控制策略、最大風能捕獲策略及風力發(fā)電機變槳距控制策略在并網(wǎng)雙饋風電機組中的控制效果，本節(jié)對并網(wǎng)后雙饋風電機組全風速運行性能進行仿真。仿真用2MW風電機組參數(shù)為：額定功率PN=2150kW；額定電壓UN=690 V；定子電阻Rs=0.00706p.u.；定子漏感Lsσ=0.171p.u.；折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電阻Rr=0.005p.u.；折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子漏感Lrσ=0.156p.u.；定、轉(zhuǎn)子互感Xm=2.9p.u.；發(fā)電機慣性常數(shù)Hg=0.951s；極對數(shù)np=3；變流器直流側(cè)電容設定電壓Vdc=1200V；風力機慣性常數(shù)Hw=4.05s，傳動軸剛度系數(shù)Ks=0.3p.u.；額定風速ν=11m/s。設定風速為2s時開始從5m/s逐步上升至20m/s，其全風速運行范圍內(nèi)的仿真結(jié)果如圖1所示。

由圖可以看出，隨著風速ν的上升，發(fā)電機轉(zhuǎn)速ωr也從0.703pu逐步上升至1.255p.u.(t=8.7s時達到同步轉(zhuǎn)速)；直流鏈電壓基本上能夠穩(wěn)定工作在1200V，證明網(wǎng)側(cè)變流器工作正常；還可以看出DFIG輸出總的電能有功功率Pelec和無功功率Qelec能夠順利實現(xiàn)功率的解耦控制，Pelec在轉(zhuǎn)速ωr達到限定轉(zhuǎn)速1.21p.u.以前跟隨風速逐漸變大，實現(xiàn)最大風能捕獲；當機組達到額定功率以上時變槳系統(tǒng)開始工作，限定機械載荷和轉(zhuǎn)速的進一步提高，機組則保持風力機額定功率平穩(wěn)運行。

圖1 雙饋風電機組總體控制的運行性能仿真結(jié)果

圖中實線為實際測得的DFIG總的輸出有功功率Pelec對轉(zhuǎn)速ωr的變化曲線，加實點標記的虛線為雙饋風電機組最大功率跟蹤值Premf對轉(zhuǎn)速ωr的變化曲線?？梢钥闯觯p饋風電機組總體運行結(jié)果和實際風電機組測試結(jié)果基本吻合；此外，通過應用筆者提出的發(fā)電機損耗最小的最大功率跟蹤策略，額定功率以下每轉(zhuǎn)速點對應的最大功率大于實測機組的功率，驗證了所提出控制策略的優(yōu)越性。

5、結(jié)語

為了全面準確分析并網(wǎng)風力發(fā)電機組實時運行特性，針對雙饋風力發(fā)電機組類型，首先建立了風力機、傳動鏈和雙饋發(fā)電機的數(shù)學模型。其次，從風能最大利用和風機安全運行角度，提出了一種考慮電機損耗最小的風電機組最大功率輸出控制策略，以及考慮轉(zhuǎn)速和功率限制的變槳控制策略。最后，結(jié)合雙饋發(fā)電機功率解耦控制策略對風電機組的總體運行性能進行了仿真。通過仿真、理論分析以及與實際風電機組運行數(shù)據(jù)的比較，提出的最大功率輸出控制策略，能很好地跟蹤最大輸出功率點，其最優(yōu)轉(zhuǎn)速和理論分析一致。通過仿真輸出功率和實際風電機組輸出功率比較，雙饋風電機組全程運行結(jié)果和實際風電機組測試結(jié)果基本吻合，且可以看出在額定功率以下每轉(zhuǎn)速點對應的最大功率大于實測機組的功率，進一步驗證了所提出控制策略的優(yōu)越性。

[1]賀益康，鄭康，潘再平，等.交流勵磁變速恒頻風電系統(tǒng)運行研究[J].電力系統(tǒng)自動化，2004，28(13)：55-59，68.