樊新東,楊秀媛,金鑫城
(1.北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,北京市 海淀區(qū) 100192;2.國(guó)網(wǎng)北京亦莊供電公司,北京市 大興區(qū) 100176)
當(dāng)今世界資源短缺、環(huán)境污染日趨嚴(yán)重,節(jié)能減排勢(shì)在必行,風(fēng)力發(fā)電正日益受到全球各國(guó)的重視。據(jù)《全球風(fēng)電市場(chǎng)2017年度統(tǒng)計(jì)報(bào)告》顯示,2017年全球風(fēng)電市場(chǎng)新增裝機(jī)超過52.573 GW,至此全球累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到 539.581 GW,遍布100多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。2001—2017年全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量如圖1所示。
圖1 2001—2017年全球風(fēng)電累計(jì)增裝機(jī)容量Fig. 1 Global wind power accumulative installed capacity from 2001 to 2017
與此同時(shí),我國(guó)的風(fēng)電市場(chǎng)也保持快速增長(zhǎng)的勢(shì)頭,已成為全球風(fēng)電行業(yè)發(fā)展的領(lǐng)頭羊。圖2繪制出我國(guó)2007年至2017年的風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量。其中,2017年我國(guó)新增裝機(jī)容量19.5 GW裝機(jī),累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到1.88億kW,新增和累計(jì)裝機(jī)容量均穩(wěn)居世界第一。
圖2 2007—2017年中國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量Fig. 2 Wind power accumulative installed capacity in China from 2007 to 2017
我國(guó)“十三五”規(guī)劃中要求進(jìn)一步優(yōu)化電源結(jié)構(gòu),大力發(fā)展新能源。由于燃煤火電機(jī)組面臨著降低 CO2排放的空前壓力[1-2],配置合理規(guī)模的可再生能源系統(tǒng),是滿足碳排放配額指標(biāo)的唯一出路,能源生產(chǎn)側(cè)的可再生替代,是能源革命和轉(zhuǎn)型的起步點(diǎn)以及中心之一[3]。據(jù)預(yù)測(cè),“十三五”期間我國(guó)可再生能源發(fā)電裝機(jī)總量年均增長(zhǎng)4 250萬kW。未來幾十年可再生能源發(fā)電(特別是風(fēng)力發(fā)電)將成為中國(guó)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的戰(zhàn)略方向。風(fēng)電正在轉(zhuǎn)型為一個(gè)以市場(chǎng)為基礎(chǔ)的日漸成熟的產(chǎn)業(yè),正與傳統(tǒng)的化石燃料發(fā)電技術(shù)相競(jìng)爭(zhēng)。
然而,風(fēng)電的快速發(fā)展,不可避免的導(dǎo)致產(chǎn)能過剩,由此引發(fā)的棄風(fēng)限電現(xiàn)象愈加普遍。2010—2017年我國(guó)棄風(fēng)電量及棄風(fēng)率如圖 3所示,由圖 3可以看出,2016年的棄風(fēng)率曾高達(dá)17%,2017年棄風(fēng)率雖有所下降,但風(fēng)電基數(shù)較以往更大,棄風(fēng)量仍居高不下。
大量的棄風(fēng)限電,不僅會(huì)影響清潔能源的開發(fā)利用水平,更會(huì)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)造成相當(dāng)數(shù)量的經(jīng)濟(jì)損失,其已成為影響我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的瓶頸。由于大量棄風(fēng)限電現(xiàn)象的存在,因此傳統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking,MPPT)模式已經(jīng)不能滿足風(fēng)電場(chǎng)輸出功率控制的要求,控制模式由MPPT模式向限功率控制模式轉(zhuǎn)變,這就需要有新的風(fēng)電場(chǎng)功率控制方式來適應(yīng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
圖3 2010—2017年棄風(fēng)電量及棄風(fēng)率Fig. 3 Discarding wind power and discarding wind rate from 2010 to 2017
由于風(fēng)電本身固有的隨機(jī)性、波動(dòng)性、反調(diào)峰特性以及我國(guó)陸上風(fēng)資源集中分布的特點(diǎn),大規(guī)模的風(fēng)電并入電網(wǎng),給電網(wǎng)的運(yùn)行調(diào)度、分析控制和安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行以及保證電能質(zhì)量等方面帶來了一系列嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[4]。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn),國(guó)家電網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)規(guī)定[5],在以下2種情況下,風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)能夠根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度部門下達(dá)的指令來控制風(fēng)電場(chǎng)輸出的有功功率。
1)當(dāng)電網(wǎng)頻率過高時(shí),如果常規(guī)調(diào)頻電廠容量不足,可降低風(fēng)電場(chǎng)有功功率。
2)在電網(wǎng)故障或特殊運(yùn)行方式下,為了防止輸電線路發(fā)生過載,確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性,要求降低風(fēng)電場(chǎng)有功功率。
基于棄風(fēng)限電以及風(fēng)電并網(wǎng)的控制要求這兩大背景,本文介紹國(guó)內(nèi)外對(duì)風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制方面的研究成果,詳細(xì)說明單機(jī)風(fēng)功率控制和場(chǎng)站級(jí)風(fēng)功率控制的研究現(xiàn)狀,重點(diǎn)介紹風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制策略。其中,在單機(jī)控制層面分別闡述了雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研究現(xiàn)狀,在場(chǎng)站級(jí)層面將不同的控制策略進(jìn)行分類說明。
風(fēng)電場(chǎng)參與電網(wǎng)功率調(diào)度的直接單元是各臺(tái)風(fēng)電機(jī)組,當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)站級(jí)控制系統(tǒng)接收到來自電網(wǎng)調(diào)度部門下達(dá)的調(diào)度指令后,再把優(yōu)化后的下一周期功率參考值下發(fā)到各臺(tái)風(fēng)電機(jī)組,由各個(gè)單機(jī)控制系統(tǒng)來具體執(zhí)行相應(yīng)的功率輸出。
針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)單機(jī)控制問題,變速變槳風(fēng)電機(jī)組是當(dāng)前的主流研究方向,變速變槳風(fēng)電機(jī)組可分為雙饋風(fēng)電機(jī)組和永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組?,F(xiàn)有的很多文獻(xiàn),如文獻(xiàn)[6-7]都對(duì)風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械部分、電氣部分、運(yùn)行方式、控制原理、相應(yīng)的公式推導(dǎo)等進(jìn)行了詳細(xì)說明。對(duì)于變速變槳風(fēng)電機(jī)組的功率控制,可分為升功率運(yùn)行和限功率運(yùn)行2種控制模式,其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。
圖4 變速變槳風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架Fig. 4 Structural frame of variable speed variable propeller wind turbine control system
在升功率運(yùn)行模式下,以額定風(fēng)速為分界線,可分為2種情形。在額定風(fēng)速以下運(yùn)行時(shí),應(yīng)盡可能地提高能量的轉(zhuǎn)換效率,風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在最大功率跟蹤狀態(tài),此時(shí)將槳距角保持在最小角度,通過控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩,使葉輪的轉(zhuǎn)速能夠跟蹤風(fēng)速的變化,保持最佳葉尖速比運(yùn)行來實(shí)現(xiàn),即變速控制。在額定風(fēng)速以上運(yùn)行時(shí),風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到上限,為保持風(fēng)電機(jī)組輸出功率在額定功率附近,此時(shí)需要調(diào)節(jié)風(fēng)輪機(jī)的槳距角,即變槳控制。變槳控制通過改變?nèi)~片的槳距角從而改變風(fēng)能利用系數(shù),調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所吸收的能量。
當(dāng)風(fēng)電機(jī)組需要減少輸出功率時(shí),此時(shí)需將風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在限功率模式下,主要通過變槳控制來實(shí)現(xiàn)。由于葉輪的慣性較大[8],變槳控制對(duì)風(fēng)電機(jī)組的作用有所延遲,通常需要數(shù)秒的時(shí)間才能表現(xiàn)出來,很容易引起電功率的波動(dòng),此時(shí)需要控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)作用,以變速調(diào)節(jié)與變槳調(diào)節(jié)的耦合控制來保證高品質(zhì)的能量輸出。
以下分別討論永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組和雙饋異步風(fēng)電機(jī)組的功率控制。
雙饋異步風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)采用雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(double-fed induction generator,DFIG),是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的風(fēng)力發(fā)電機(jī)型。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖5所示。所謂“雙饋”,是因?yàn)槠滢D(zhuǎn)子繞組經(jīng)雙向背靠背IGBT電壓源變流器與電網(wǎng)相連,轉(zhuǎn)子電壓由變流器提供;其定子繞組直連定頻三相電網(wǎng)的繞線型異步發(fā)電機(jī),定子電壓由電網(wǎng)提供。
圖5 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig. 5 Topological structure diagram of DFIG
由于雙饋異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組通過變流器與電網(wǎng)連接,轉(zhuǎn)子繞組電源的電壓、頻率、幅值和相位等參量可以按運(yùn)行要求,由變頻器自動(dòng)調(diào)節(jié),風(fēng)電機(jī)組可以在不同的轉(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)恒頻發(fā)電,滿足電網(wǎng)要求。另一方面,由于雙饋異步發(fā)電機(jī)采用了交流勵(lì)磁,電力系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)之間構(gòu)成了“柔性連接”,即可以根據(jù)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電網(wǎng)電壓、電流來調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的大小,從而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出電壓,使其能夠滿足并網(wǎng)要求。
針對(duì)于雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī),傳統(tǒng)的控制策略以反饋控制和自適應(yīng)追蹤控制為主。文獻(xiàn)[9]結(jié)合電力系統(tǒng)有功和無功分開控制的思想,將風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組按照有功控制和無功控制分類,在分類基礎(chǔ)上,研究有功和無功控制策略。文獻(xiàn)[10]搭建了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型和控制模型,采用了磁鏈定向矢量控制技術(shù)和電壓定向矢量控制技術(shù),分析了風(fēng)電機(jī)組的功率調(diào)控能力,提出了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的有功和無功控制策略。文獻(xiàn)[11]建立了風(fēng)速預(yù)測(cè)模型,提出基于功率預(yù)測(cè)的變速變槳風(fēng)電功率優(yōu)化控制策略。
為平滑風(fēng)電機(jī)組的輸出功率,文獻(xiàn)[12]以3 MW雙饋式風(fēng)電機(jī)組為研究對(duì)象,在變槳PID控制技術(shù)的基礎(chǔ)上,通過增加塔架阻尼器、低通濾波器和陷波器,并在變槳時(shí)使用變?cè)鲆骐pPID控制器,使風(fēng)電機(jī)組在輸出功率較為平滑的同時(shí),降低關(guān)鍵部件的載荷。文獻(xiàn)[13]在對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率平滑控制策略研究的基礎(chǔ)上,提出了一種新型的基于轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制和變槳距控制相結(jié)合的輸出功率平滑控制算法。文獻(xiàn)[14]重點(diǎn)研究了超同步狀態(tài)時(shí)平滑雙饋異步發(fā)電機(jī)機(jī)側(cè)輸出的有功功率,釆用直流環(huán)節(jié)混合控制和變槳距控制來平滑發(fā)電機(jī)機(jī)側(cè)輸出的有功功率。
永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組采用永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)(direct-driven permanent magnet synchronous generator,D-PMSG)。永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)最大的特點(diǎn)是沒有齒輪箱增速結(jié)構(gòu),風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子直接相連。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖6所示。
圖6 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig. 6 Topological structure diagram of D-PMSG
與雙饋型機(jī)組相比,永磁直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組體積大,并且采用全功率換流器進(jìn)行并網(wǎng),因而成本相對(duì)較高,但是由于其諸多優(yōu)點(diǎn),仍然受到了國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)廠家以及研究學(xué)者的廣泛關(guān)注與青睞。
1)沒有齒輪箱增速結(jié)構(gòu),由風(fēng)輪機(jī)直接驅(qū)動(dòng)多極低速的永磁同步發(fā)電機(jī),減少了由齒輪箱引起的機(jī)械故障,有效降低了系統(tǒng)的維護(hù)頻率。
2)發(fā)電機(jī)的定子直接通過變換器接入電網(wǎng),能夠在故障時(shí)隔絕電網(wǎng)與發(fā)電機(jī)之間的相互作用,提高了風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力,增強(qiáng)了系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)波動(dòng)的適應(yīng)能力。
3)采用永磁體勵(lì)磁,不需要附加的電勵(lì)磁裝置,提高了系統(tǒng)的發(fā)電效率,有利于改善電網(wǎng)的功率因素。
4)切入風(fēng)速較低,能夠更好地適應(yīng)低風(fēng)速環(huán)境,擴(kuò)大了發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行范圍。
5)我國(guó)的永磁體材料資源存儲(chǔ)量比較豐富,永磁直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展具有天然的優(yōu)勢(shì)。
根據(jù)《2016全國(guó)大型風(fēng)能設(shè)備行業(yè)年會(huì)暨產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇會(huì)議文件》顯示,2015年,雙饋式風(fēng)電機(jī)組在我國(guó)新增的風(fēng)電機(jī)組中約占68%,但是從長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展趨勢(shì)來看,直驅(qū)式機(jī)組的比例在緩慢上升,其在 2015年新增大型風(fēng)電機(jī)組中約占30%以上,在3 MW以上的大功率風(fēng)電機(jī)組中,直驅(qū)式機(jī)型的比例超過了雙饋機(jī)組?!笆濉逼陂g,2~3 MW風(fēng)電機(jī)組將占到70%以上的市場(chǎng)份額,成為我國(guó)陸上風(fēng)電場(chǎng)的主流機(jī)型,其中永磁直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組市場(chǎng)份額將進(jìn)一步增長(zhǎng),預(yù)計(jì)到2020年其新增裝機(jī)容量將達(dá)到40%以上,基本上和雙饋式風(fēng)電機(jī)組新增裝機(jī)容量相當(dāng)。
永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的有功功率控制主要是對(duì)變流器、變槳系統(tǒng)和保護(hù)裝置斷路器的控制等。文獻(xiàn)[15]給出了永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,并介紹了其仿真模型的搭建。文獻(xiàn)[16]在額定風(fēng)速以下時(shí),將槳距角設(shè)定為固定初始值,在額定風(fēng)速以上采用傳統(tǒng)比例-積分控制器對(duì)槳距角進(jìn)行控制;發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制策略中,用d軸電流控制無功功率,用q軸電流控制轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)了機(jī)組的解耦控制。
然而使用傳統(tǒng)的PI控制,在外界風(fēng)速變化較快時(shí),單一調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)槳距角或者發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí),并不能很好地平滑發(fā)電機(jī)的有功功率。為此,文獻(xiàn)[17]在分析變槳變速直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性的基礎(chǔ)上,在變槳控制模塊設(shè)計(jì)出基于模糊理論的變槳距控制器,在發(fā)電機(jī)變速控制模塊,設(shè)計(jì)出發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)滑??刂破鳎瑥亩_(dá)到降低發(fā)電機(jī)輸出有功功率的波動(dòng)、控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍的目的。針對(duì)傳統(tǒng)控制策略中容易出現(xiàn)的槳距角調(diào)節(jié)過于頻繁以及功率越限等問題,文獻(xiàn)[18]根據(jù)不同的風(fēng)速運(yùn)行點(diǎn),提出分段局部線性化的多模型預(yù)測(cè)控制策略,并針對(duì)多模型預(yù)測(cè)控制策略中的一些缺陷,提出了一種基于Hammerstein模型的永磁直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組有功功率預(yù)測(cè)控制策略。
由此可知,對(duì)于單機(jī)控制而言,如何在額定風(fēng)速以下實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的最大功率跟蹤,在額定風(fēng)速附近實(shí)現(xiàn)功率的平滑過渡,以及在高風(fēng)速下通過變速和變槳控制,保持風(fēng)電機(jī)組輸出功率在額定功率附近,是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。但是,針對(duì)風(fēng)電機(jī)組在任意風(fēng)速下的恒功率控制或者限功率的相關(guān)研究較少。
當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)站級(jí)控制系統(tǒng)接收到來自調(diào)度中心下達(dá)的調(diào)度指令后,綜合風(fēng)電機(jī)組當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)、預(yù)測(cè)功率、運(yùn)行策略等相關(guān)信息,把優(yōu)化后的下一周期功率參考值下發(fā)到各風(fēng)電機(jī)組,其有功功率控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖7所示。
圖7 風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架Fig. 7 Structural frame of active power control system for wind farm
傳統(tǒng)的風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制策略大多是基于比例算法的分配策略,如平均分配法、按照風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量比例分配法和變比例分配算法等。
在傳統(tǒng)的平均分配算法中,將風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率參考值平均分配到風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的各臺(tái)風(fēng)電機(jī)組,每臺(tái)機(jī)組的參考功率為風(fēng)電場(chǎng)總的參考功率除以風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)機(jī)組的總臺(tái)數(shù),即
式中:n為風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組的總臺(tái)數(shù);為第i臺(tái)機(jī)組的輸出功率參考值;為風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率參考值。由于各臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的裝機(jī)容量不同,在這種情況下如果風(fēng)電機(jī)組分配的參考功率大于機(jī)組的裝機(jī)容量,設(shè)置為該機(jī)組的裝機(jī)容量值;如果風(fēng)電機(jī)組分配的參考功率小于機(jī)組調(diào)節(jié)下限時(shí),機(jī)組參考功率設(shè)置為其調(diào)節(jié)下限值,從而保證各機(jī)組運(yùn)行在正常的工作范圍內(nèi)。
然而,在大多數(shù)情況下,由于風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的機(jī)組數(shù)量眾多,型號(hào)、裝機(jī)容量并不相同,各臺(tái)機(jī)組的出力能力有高有低。在這種情況下,按照各臺(tái)機(jī)組的裝機(jī)容量比例來分配功率輸出,此時(shí)每臺(tái)機(jī)組的輸出功率參考值為
式中:n為風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)機(jī)的總臺(tái)數(shù);為第i臺(tái)機(jī)組的輸出功率參考值;為風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率參考值; Pinstalli為第i臺(tái)機(jī)組的裝機(jī)容量。
在基于比例算法進(jìn)行有功功率分配的策略中,文獻(xiàn)[19]采用按裝機(jī)容量比例分配有功功率的控制策略,降低了有功分配的分配誤差。文獻(xiàn)[20]利用6臺(tái)1.5 MW DFIG的風(fēng)電場(chǎng)模型,仿真分析了有功功率平均分配算法,文獻(xiàn)[21]提出了對(duì)風(fēng)電場(chǎng)有功調(diào)度指令平均分配的控制策略。
平均分配法和按照機(jī)組裝機(jī)容量比例分配策略的優(yōu)點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單,但這2種控制策略均沒有考慮機(jī)組工作時(shí)受到的外部因素的影響,比如說風(fēng)電機(jī)組所處位置的風(fēng)速大小,沒有充分考慮機(jī)組在下一控制周期中的發(fā)電能力,未能將機(jī)組目標(biāo)功率差異化分配,導(dǎo)致部分機(jī)組實(shí)時(shí)功率達(dá)不到預(yù)期發(fā)電功率,從而影響控制的精確度。
變比例分配算法能夠根據(jù)實(shí)時(shí)風(fēng)速,預(yù)測(cè)風(fēng)電機(jī)組在下一控制周期的最大輸出功率,然后按照各臺(tái)機(jī)組最大輸出功率占風(fēng)電場(chǎng)最大輸出功率之和的比例,來分配各臺(tái)機(jī)組在下一控制周期的輸出功率參考值,即
式中:是第i臺(tái)風(fēng)電機(jī)組預(yù)測(cè)輸出最大功率;為風(fēng)電機(jī)組最大輸出功率之和。文獻(xiàn)[22]以雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為研究對(duì)象,運(yùn)用變比例分配策略,即預(yù)測(cè)功率越大的機(jī)組分配的有功功率越大的原則,較之前2種控制策略有所改進(jìn)。
隨著區(qū)域電網(wǎng)的風(fēng)電穿透率不斷升高,需要研究新型的場(chǎng)站級(jí)有功功率控制策略,包括風(fēng)電場(chǎng)的有功功率控制模式以及分配算法。對(duì)于新型的控制策略,近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了比較深入的研究?;陲L(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)分類,考慮到部分機(jī)群停運(yùn),將風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組根據(jù)各自的運(yùn)行狀態(tài),按照相應(yīng)的分類標(biāo)準(zhǔn),將運(yùn)行狀態(tài)相似的風(fēng)電機(jī)組分成一類,從而對(duì)其進(jìn)行集中控制。在這種控制策略中,風(fēng)電機(jī)組的分類標(biāo)準(zhǔn)不一,功率控制的效果也有所差異。
在基于風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)分類的場(chǎng)站級(jí)有功功率控制策略中,文獻(xiàn)[23]和文獻(xiàn)[24]均以下一功率控制周期內(nèi)各風(fēng)電機(jī)組的預(yù)測(cè)功率以及運(yùn)行狀態(tài)為分類標(biāo)準(zhǔn),按不同類型機(jī)組升降功率的能力不同進(jìn)行控制。文獻(xiàn)[25]提出一種基于優(yōu)先順序法的風(fēng)電場(chǎng)限出力有功分配控制方法,綜合考慮了場(chǎng)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組的預(yù)測(cè)信息、運(yùn)行狀態(tài)與控制特性,根據(jù)控制序列,從而給出場(chǎng)內(nèi)各風(fēng)電機(jī)組限出力分配方法,但文中并未考慮功率調(diào)控產(chǎn)生的機(jī)械損耗。文獻(xiàn)[26]將風(fēng)電機(jī)組分為七類,綜合考慮基于機(jī)組實(shí)時(shí)風(fēng)速信息的風(fēng)電場(chǎng)有功控制策略和基于機(jī)組動(dòng)態(tài)分類的風(fēng)電場(chǎng)有功控制策略,將 2種控制策略相結(jié)合,提出基于機(jī)組風(fēng)速信息動(dòng)態(tài)分類的風(fēng)電場(chǎng)有功控制策略。
由于風(fēng)場(chǎng)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組的頻繁啟停會(huì)給電力系統(tǒng)帶來較大沖擊,針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組頻繁啟停問題,文獻(xiàn)[27]根據(jù)各個(gè)風(fēng)電機(jī)組對(duì)風(fēng)電場(chǎng)降功率貢獻(xiàn)的大小程度,分為可控機(jī)組和不可控機(jī)組,在此基礎(chǔ)上建立了可控機(jī)組數(shù)量模型及降功率分配模型。文獻(xiàn)[28]提出一種基于機(jī)組實(shí)時(shí)風(fēng)速信息和運(yùn)行狀態(tài)動(dòng)態(tài)分類的有功功率控制策略,與文獻(xiàn)[26]思路基本相似,此控制策略考慮了避免機(jī)組頻繁啟停的控制目標(biāo),并引入最小開停機(jī)時(shí)間約束條件,減小了整個(gè)場(chǎng)站的風(fēng)電機(jī)組啟停次數(shù)。
以上文獻(xiàn)的基本思想都是按照機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)以及風(fēng)速預(yù)測(cè)等相關(guān)信息,將風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)各風(fēng)電機(jī)組分成有限的類別,在此基礎(chǔ)上提出場(chǎng)站級(jí)有功功率控制策略。
基于目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化的有功功率控制策略,通常先確定目標(biāo)函數(shù)以及約束條件,在此基礎(chǔ)上建立多目標(biāo)優(yōu)化的風(fēng)電場(chǎng)模型。
在基于目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化的場(chǎng)站級(jí)有功功率控制策略中,文獻(xiàn)[29]基于小擾動(dòng)分析方法分析了限功率運(yùn)行下風(fēng)電機(jī)組非線性模型的穩(wěn)定特性,并綜合了3個(gè)目標(biāo),分別是限功率運(yùn)行狀態(tài)均衡度、風(fēng)電場(chǎng)功率目標(biāo)偏差、總機(jī)組啟停次數(shù)最少,建立了多目標(biāo)優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[30]以減少風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)的動(dòng)作次數(shù)和平滑風(fēng)電機(jī)組的功率輸出為目標(biāo),通過超短期風(fēng)功率預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)確定風(fēng)電機(jī)組出力趨勢(shì),來確定風(fēng)電機(jī)組的出力加權(quán)系數(shù),從而來優(yōu)化風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)有功調(diào)度指令,并與傳統(tǒng)的固定比例分配算法以及變比例分配算法作比較,說明其控制策略的有效性。這2篇文章形成了比較完整的基于目標(biāo)函數(shù)的場(chǎng)站級(jí)有功優(yōu)化方法,值得借鑒,但在模型結(jié)構(gòu)和對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)的精細(xì)程度等方面仍有待提高。
大型風(fēng)電場(chǎng)一般分期建設(shè),從而導(dǎo)致建成后存在多種機(jī)組、多個(gè)機(jī)群并存的現(xiàn)象,受相關(guān)政策影響造成不同機(jī)群的上網(wǎng)電價(jià)存在差異。與此同時(shí),隨著風(fēng)電的快速發(fā)展,棄風(fēng)限電現(xiàn)象愈加普遍。
基于棄風(fēng)限電以及電價(jià)差異這2個(gè)大背景,以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)收益最大化為目標(biāo),文獻(xiàn)[31]在風(fēng)電場(chǎng)自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)(automatic generation control,AGC)和不同機(jī)群能量管理系統(tǒng)(energy management system,EMS)之間搭建一套協(xié)調(diào)控制系統(tǒng),該系統(tǒng)考慮了不同機(jī)群的上網(wǎng)電價(jià),在棄風(fēng)限電的情況下,盡可能提高穩(wěn)定性能好、電價(jià)較高的風(fēng)電機(jī)組的利用率,同時(shí)將電價(jià)低的機(jī)組運(yùn)行在最小負(fù)荷狀態(tài),以此實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益最大化。
文獻(xiàn)[32]以提高風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo),提出一種有功優(yōu)化控制策略,該策略首先根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)采集到的機(jī)組狀態(tài)信息,對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行動(dòng)態(tài)分類,然后考慮啟停機(jī)次數(shù)、上網(wǎng)電價(jià)、以及網(wǎng)絡(luò)損耗等因素的影響,采用主客觀綜合賦權(quán)法對(duì)控制策略的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行賦權(quán)和排序,從而對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行升功率或者降功率控制。
分層控制策略一般將風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的控制系統(tǒng)分為若干層,從場(chǎng)站級(jí)控制層面到單機(jī)控制層面,逐層優(yōu)化調(diào)度指令,從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制的準(zhǔn)確度。
在基于風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)站級(jí)的分層控制策略中,文獻(xiàn)[33]綜合運(yùn)用分層遞階控制和模型預(yù)測(cè)控制方法,提出了一種含大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)的電網(wǎng)有功調(diào)度控制方法。文獻(xiàn)[34]以風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)站級(jí)有功控制為研究對(duì)象,將控制策略分為群間和群內(nèi)優(yōu)化調(diào)度2個(gè)層面,并提出一種基于遺傳算法改進(jìn)的模糊C均值聚類算法,用于風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的機(jī)組分群,根據(jù)風(fēng)電機(jī)組分群結(jié)果和分群調(diào)度思想,來實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率可控的目標(biāo),但本策略是在假設(shè)風(fēng)電場(chǎng)預(yù)測(cè)功率準(zhǔn)確的情況下進(jìn)行控制的,并未深入研究風(fēng)電場(chǎng)預(yù)測(cè)功率的準(zhǔn)確性對(duì)調(diào)度的影響。文獻(xiàn)[35]將風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)有功調(diào)度分為 3個(gè)層次,分別是場(chǎng)站優(yōu)化分配層、分群控制層、單機(jī)管理層,在分群控制層面,根據(jù)風(fēng)電機(jī)組未來有功功率變化趨勢(shì)以及負(fù)荷狀態(tài)進(jìn)行機(jī)組分類,值得借鑒的是,該系統(tǒng)加入了反饋校正環(huán)節(jié),根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)有功功率的數(shù)據(jù)反饋,對(duì)功率組合預(yù)測(cè)模型系統(tǒng)進(jìn)行誤差反饋校正,整體提高了有功功率預(yù)測(cè)的精度。
隨著裝機(jī)容量的不斷增加,造成風(fēng)電場(chǎng)存在大量的棄風(fēng)現(xiàn)象,由此風(fēng)電場(chǎng)的控制模式發(fā)生變化,從傳統(tǒng)的MPPT模式向限功率控制模式轉(zhuǎn)變,這對(duì)風(fēng)電場(chǎng)以及風(fēng)電機(jī)組的控制策略提出了更高的設(shè)計(jì)要求。文獻(xiàn)[36]考慮變速恒頻風(fēng)電機(jī)組在不同風(fēng)速下的功率調(diào)節(jié)和機(jī)械特性,從電氣性能,機(jī)械性能,運(yùn)行維護(hù)狀態(tài)3個(gè)準(zhǔn)則層出發(fā),提出風(fēng)電場(chǎng)功率調(diào)節(jié)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,在此評(píng)價(jià)體系中,各指標(biāo)的權(quán)重使用熵值法修正的層次分析法來確定,并通過模糊綜合評(píng)價(jià)對(duì)機(jī)組調(diào)節(jié)性能進(jìn)行評(píng)分,進(jìn)而確定調(diào)控序列,建立風(fēng)電場(chǎng)降功率優(yōu)化分配模型。
多時(shí)空尺度下的控制策略分為多時(shí)間尺度和多空間尺度下的控制策略,所涉及文獻(xiàn)一般從這2個(gè)角度出發(fā)。
文獻(xiàn)[37]以風(fēng)電和火電聯(lián)合運(yùn)行為研究對(duì)象,將控制策略分為橫向多時(shí)間尺度和縱向多空間尺度。在此控制策略中,橫向多時(shí)間尺度中的日前時(shí)間尺度主要基于送電計(jì)劃以及短期風(fēng)電預(yù)測(cè),為日內(nèi)發(fā)電提供標(biāo)準(zhǔn);滾動(dòng)調(diào)度時(shí)間尺度基于超短期風(fēng)電預(yù)測(cè)、更新的送電計(jì)劃、當(dāng)前有功控制偏差等信息,來不斷修正日前計(jì)劃;實(shí)時(shí)控制時(shí)間尺度主要進(jìn)行正常運(yùn)行狀態(tài)下的自動(dòng)發(fā)電控制,以及事故狀態(tài)下的緊急有功控制;另外,縱向多空間尺度中的風(fēng)火協(xié)調(diào)層根據(jù)系統(tǒng)的調(diào)度指令來協(xié)調(diào)風(fēng)電場(chǎng)群以及火電機(jī)組各自的有功出力;集群風(fēng)電協(xié)調(diào)層根據(jù)風(fēng)火協(xié)調(diào)層給出的風(fēng)電場(chǎng)群調(diào)度運(yùn)行指令,進(jìn)行內(nèi)部協(xié)調(diào)優(yōu)化后將控制指令下發(fā)給各風(fēng)電場(chǎng),最后通過各個(gè)單機(jī)控制單元來具體執(zhí)行。此控制策略綜合考慮多時(shí)間尺度以及多空間尺度,值得其他風(fēng)水、風(fēng)光、風(fēng)水儲(chǔ)等聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)借鑒。
文獻(xiàn)[38]結(jié)合風(fēng)速預(yù)測(cè),將風(fēng)電場(chǎng)有功分配優(yōu)化模型分為上層全局優(yōu)化分配策略與下層實(shí)時(shí)修正控制策略2個(gè)層次,其中上層全局優(yōu)化分配策略基于風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電計(jì)劃、超短期風(fēng)速預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)、機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)信息,從電網(wǎng)、風(fēng)電場(chǎng)與風(fēng)電機(jī)組3個(gè)層面對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行控制進(jìn)行優(yōu)化,從而制定各風(fēng)電機(jī)組的有功出力指令;下層實(shí)時(shí)修正控制策略根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行狀況以及目標(biāo)功率值,對(duì)各機(jī)組的有功調(diào)度指令、在線調(diào)度計(jì)劃外的風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。
以上部分分別從基于比例算法的功率控制、基于風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)分類的功率控制、基于目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化的功率控制、考慮風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的功率控制、分層控制策略、多時(shí)空尺度下的控制策略6個(gè)層面,對(duì)場(chǎng)站級(jí)有功功率控制進(jìn)行闡述,總結(jié)歸納了當(dāng)前的研究現(xiàn)狀,分析總結(jié)了其控制特點(diǎn)和不足之處如表1所示。需要說明的是,文中所列舉的6個(gè)層面的控制策略,相互之間是存在聯(lián)系的,而并非彼此獨(dú)立。
表1 風(fēng)電場(chǎng)功率控制策略比較Tab. 1 Comparison of power control strategies in wind farms
1)風(fēng)電場(chǎng)的有功功率控制是風(fēng)電場(chǎng)可控運(yùn)行的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),場(chǎng)站級(jí)功率控制策略形式多樣,針對(duì)不同的控制目標(biāo),所建立的控制策略也有所不同。通過歸納總結(jié)風(fēng)電場(chǎng)單機(jī)功率控制以及場(chǎng)站級(jí)功率控制的研究現(xiàn)狀,對(duì)其進(jìn)行展望,為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。
2)由于風(fēng)能具有不確定性,在特定情況下需要其他能源加以彌補(bǔ),由此產(chǎn)生新的發(fā)電模式如風(fēng)水協(xié)同運(yùn)行等。對(duì)于新型的發(fā)電模式,已有學(xué)者使用智能算法對(duì)其進(jìn)行控制研究,但協(xié)同運(yùn)行的場(chǎng)站級(jí)控制策略尚未涉及,后續(xù)將結(jié)合風(fēng)水協(xié)同發(fā)電,研究其協(xié)同發(fā)電功率控制策略。
3)通常情況下風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的機(jī)組數(shù)量眾多,對(duì)各個(gè)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行單一的功率控制,控制方式復(fù)雜,易陷入“維數(shù)災(zāi)”,聚類算法能夠?qū)⑦\(yùn)行狀態(tài)相似的風(fēng)電機(jī)組集中控制,后續(xù)可借助聚類算法,將其運(yùn)用在風(fēng)電場(chǎng)功率控制中。
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