風能發(fā)電系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性智能控制研究

盧 佳

(太原工業(yè)學院,山西 太原 030008)

0 引 言

電能是當今社會生產(chǎn)、生活必不可少的能源之一，對國家整體經(jīng)濟發(fā)展以及人民生活質量影響巨大[1]。在如今社會科技迅猛發(fā)展的態(tài)勢下，工業(yè)制造業(yè)競爭力愈發(fā)激烈，這使得工業(yè)產(chǎn)品質量的要求逐漸提高，這就導致工業(yè)乃至工藝制造對電能的需求量越來越大，需要進一步探索電能綠色發(fā)電途徑。風能儲備量是巨大的，全球你風能總量大概有2.74×10^9 MW，風能總量的7.3%為可利用風能，數(shù)據(jù)顯示風能比地球上可利用水能的總量高出10倍。風能與水能的另一個關鍵區(qū)別為，風能有不盡可利用性，總量不可估計，是地球上一種源源不斷的能量，而水能則相反，地球上水資源匱乏、燃料缺乏的地區(qū)有很多，多存在于島嶼、高原以及山區(qū)，這些地區(qū)可以因地制宜利用風能進行發(fā)電，不僅緩解了水資源壓力，也解決了電能的使用[2]。隨著風能發(fā)電的實現(xiàn)，怎樣將風能發(fā)電如同步發(fā)電機一般進行有效控制，以此提升風力發(fā)電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，成為目前研究熱點問題。

文獻[3]提出一種雙饋風力發(fā)電場的多機系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定性分析方法。首先以相關理論為基礎，分析了風電廠的各種輸出方式對多機系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，根據(jù)方程對各同步機電磁功率的改變量進行具體分析，最后解決了難以量化對風電場對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性影響分析問題。但是該方法運算方法復雜，穩(wěn)定性差。文獻[4]提出一種基于數(shù)據(jù)驅動的風力系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定在線識別方法。首先以相暫態(tài)功角穩(wěn)定、空間重構理論為基礎，其次采用遞推最小二乘算法改進MLE計算，最后根據(jù)MLE曲線為判斷系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的依據(jù)，但是該方法過于簡單，準確性低。文獻[5]提出基于等面積法則提出結合直流功率以及切機風力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定方法。通過數(shù)據(jù)量測對風力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性進行預判，進而并給出控制方法，但該方法的檢測結構受環(huán)境因素影響較大，不具有實用性。

因此，本文提出新的風能發(fā)電系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性智能控制方法，從功角控制和電壓控制兩方面實現(xiàn)效果更好的風能發(fā)電系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性控制。

1 風能發(fā)電系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性智能控制方法

1.1 風能發(fā)電系統(tǒng)轉矩特性的暫態(tài)穩(wěn)定性機理研究

從理論角度出發(fā)研究風能發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制，在風能發(fā)電系統(tǒng)中同步電機轉系的初階運動方程為：

(1)

在上式中，H表示風力發(fā)電機組的慣性時間系數(shù)；t代表時間，wg表示同步電動機的轉速；Tm表示機組接收機械轉矩大小；Te為發(fā)電機電磁轉矩。當風力發(fā)電系統(tǒng)的狀態(tài)為穩(wěn)定運行時，Te=Tm，與Tm等值。

風力機和發(fā)電機都具有較高的轉動慣量，相比之下，汽輪發(fā)電機組與水輪發(fā)電機組的轉動慣量則較小，這也是他們之間存在的最大的差別，除此之外，風力機和發(fā)電機是依靠齒輪進行傳動的，這說明風力發(fā)電機組傳動軸系具有很大的柔性。依據(jù)機械能守恒定律[6]，當系統(tǒng)故障發(fā)生后發(fā)電機轉子速度的變化可以表示為：

(2)

式中，Hg為發(fā)電機轉子的慣性時間常數(shù)，Ks是風力機傳動軸系剛度系數(shù)。

1.2 基于雙饋感應發(fā)電機(DFIG)暫態(tài)穩(wěn)定性控制方法

只有在風能發(fā)電系統(tǒng)采用最大功率點追蹤策略時，或者采用不變功率因素調度策略時，雙饋風力發(fā)電機才能處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，這種狀態(tài)下，出現(xiàn)電網(wǎng)故障時，不會影響功角波動或者電壓波動情況。通過改變有功功率和無功功率，雙饋風力發(fā)電機調節(jié)能力得到明顯提升，例如：短時間改變有功功率和無功功率，風能發(fā)電機會進行自主調節(jié)，并通過調節(jié)DFIG機組的轉速，在出現(xiàn)異常狀態(tài)下，暫時保存能量的同時，還會對風力發(fā)電系統(tǒng)進行能量補償，進而調整電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性，包含功角穩(wěn)定性和電壓穩(wěn)定性。不變功率因素調策略包含兩個通道，分別為有功控制通道和無功控制通道[7]。

1.2.1暫態(tài)攻角控制策略

風能發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分是電網(wǎng)頻率以及雙饋風力發(fā)電機組轉子轉速，根據(jù)相關算法，其以上兩部分記性解耦，事實證明，該方法在解耦是沒有功角穩(wěn)定性的問題存在，所以可以以DFIG機組為基礎，根據(jù)其轉速變化對風能發(fā)電系統(tǒng)系統(tǒng)故障的不平衡能量進行暫時性儲存，對系統(tǒng)信息的同步穩(wěn)定性進行改善。本文以能量守恒定律為基礎[8-9]，對能量函數(shù)進行建構。

對一個包含風電場的n節(jié)點電力系統(tǒng)，利用風能發(fā)電系統(tǒng)結構保留模型，以基爾霍夫電流定律為基礎，可將節(jié)點電流表示為：

YBUSUBUS-IG+IL-Iw=0

(3)

式(3)內，UBUS、IG、IL、Iw代表風能發(fā)電系統(tǒng)的節(jié)點瞬時電壓、同步機啟動所需額定電流、系統(tǒng)運行負荷電流以及風機輸入電流值，這幾個變量均是n維復向量，YBUS代表系統(tǒng)的節(jié)點導納矩陣。方程式(3)在風能發(fā)發(fā)電系統(tǒng)運行的每一個時刻都是成立的，因此系統(tǒng)存在以下等量關系：

[(YBUSUBUS-IG+IL-Iw)*]TdUBUS=0

(4)

對上式取虛部，并沿系統(tǒng)軌跡積分有：

(5)

假設在風能發(fā)電系統(tǒng)中，其發(fā)電機采用經(jīng)典的負荷采用恒功率模型以及二階模型，將網(wǎng)絡方程進行擴展操作，將其拓展到擴展到風能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機內節(jié)點。因為系統(tǒng)的功角振蕩與多種因素有關，其中最主要的影響因素就是有功功率波動，所以，可以將網(wǎng)絡無功功率忽視，在DFIG機組正常運行的時候，只對最大功率點進行跟蹤并制定相關策略，于是(5)式的中風電場部分為：

(6)

式(6)中，θi代表風力發(fā)電并網(wǎng)節(jié)點總線電壓和系統(tǒng)運行慣性節(jié)點直接的夾角；Popti表示風力發(fā)電場i的最佳功率輸出。

從使(5)和式(6)觸發(fā)能夠推導出包含風電場的系統(tǒng)的能量函數(shù)為：

(7)

上式中，Bii表示風電機組i節(jié)點的自電納；Bij代表風能發(fā)電機組第i個節(jié)點與第j個節(jié)點之間的電納，Ui為節(jié)點i的電壓；Uj為第j個節(jié)點的瞬時電壓；θij=θi-θj表示第i個節(jié)點與第j個節(jié)點的相角差；Mi為轉動慣量；δi為同步發(fā)電機i的攻角。

對上式進行求導：

(8)

上式中，Di代表第i臺發(fā)電機的獨立阻尼參數(shù)，則：

PW=Popt+ΔPW

(9)

以此得出風能發(fā)電系統(tǒng)的能量改變率是：

(10)

以此獲得反饋為：

(11)

則公式(10)可以表達為：

(12)

以公式(12)為依據(jù)，所提的風力發(fā)電系統(tǒng)控制方法加快了系統(tǒng)的不均衡能量傳輸過程衰減的速度，使得系統(tǒng)以更快的速度進入穩(wěn)定運行狀態(tài)。利用對發(fā)電機組有功功率Pref的調節(jié)，在短時間內改變風力發(fā)電機組的有功功率，完成系統(tǒng)運行的穩(wěn)定控制。

圖中的sT1/(1+sT1)為隔離直流電流環(huán)節(jié)，是一個可應用性的高通濾波器，可以進一步實現(xiàn)發(fā)電機組的電網(wǎng)波動[10]，轉速保護模塊可以避免風能發(fā)電系統(tǒng)的轉子超速運轉現(xiàn)象，在此系統(tǒng)運行模式下，如果出現(xiàn)轉速高于額定安全轉速時，轉速保護模塊將ΔPW設為0，與系統(tǒng)發(fā)生脫離，不對系統(tǒng)進行穩(wěn)定性控制，本文取wmax=1.3pu(wmax為轉子轉速最大值)。

圖1 雙饋發(fā)電機瞬態(tài)迎角控制框圖

1.2.2暫態(tài)電壓控制策略

制定相應的暫態(tài)電壓控制策略，其方案主要是在短路容量恒定時，無功功率變化主要被電網(wǎng)電壓的波動所影響，當風能發(fā)電系統(tǒng)中的DFIG機組正常運行的時候，通常要將轉子側變頻器的無功參考值Qopt設置為一個固定值或者是設為0，這也就是在對恒功率因數(shù)進行控制。所以，當風能發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生故障，進而令系統(tǒng)的電壓減小的時候，以常規(guī)的控制策略為基礎，并不能對風能發(fā)電系統(tǒng)的暫態(tài)電壓進行較好的控制[11-12]。本文在轉子側變頻器控制模型中引進了風能發(fā)電系統(tǒng)中的風電場機端電壓，首先是將設定電壓參考值與機端電壓兩個數(shù)值進行比較，然后將發(fā)出的無功功率實施動態(tài)調整，使之參與到節(jié)點電壓重建中來，最后為在風能發(fā)電系統(tǒng)系統(tǒng)故障后風電機機端電壓可以非常迅速的恢復到正常值提供保障，達到維持電壓穩(wěn)定的目的。需要特別說明的是，在DFIG機組對電網(wǎng)提供無功支持服務之時，不但該機組受到轉子側變頻器容量的束縛，在風能發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生故障時，DFIG機組中的Crowbar可以實行保護動作，其可能會將暫態(tài)無功支持能力丟失，所以，在風能發(fā)電系統(tǒng)中的DFIG機組在運行的時候，其無功支持能力是有限的。

2 算例分析

為了驗證所提風能發(fā)電系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性智能控制方法的有效性，下面進行算例證明。算例應用平臺為Dig SILENT/Power Factory平臺，將傳統(tǒng)基于最大功率點跟蹤的風能發(fā)電系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定控制方法與所提控制方法應用到風電機組構建仿真系統(tǒng)，進行算例演示，以此驗證所提方法的控制有效性，具體過程、結果如下：

圖2 仿真系統(tǒng)結構圖

圖2為實驗所引進的風電機組構建仿真系統(tǒng)結構，該系統(tǒng)的運行總負荷為355 MW，同步發(fā)動機G2的輸出功率為135 MW，同步發(fā)動機G1的輸出功率為155 MW，同步發(fā)電機G1和G2均配有標準IEEE調速系統(tǒng)，風電場出力為95 MW，風里發(fā)電總機容量為200 MW，其組成為3 MW DFIG風電機組。為了更好驗證不同控制方法的故障恢復性能，假設總線8位置為故障發(fā)生位置。在算例1中故障于t=1 s 時刻發(fā)生，在算例2中故障于t=3 s時刻發(fā)生。通過算例1與算例2研究不同風能發(fā)電系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性智能控制方法下同步發(fā)動機功角波動、同步發(fā)電功率角振蕩以及系統(tǒng)暫態(tài)電壓支持效果。同步發(fā)動機功角波動能夠反映發(fā)電系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，在故障發(fā)生之后，同步發(fā)動機功角波動越小，說明該發(fā)電系統(tǒng)越穩(wěn)定。同步發(fā)電功率振蕩可以有效反映故障發(fā)生后系統(tǒng)的恢復性能，同步發(fā)電機的功率震蕩約短暫，那么系統(tǒng)的故障自恢復能力越強。暫態(tài)電壓支持為在發(fā)電系發(fā)生故障時，暫態(tài)電壓的變化幅度越大，說明其暫態(tài)電壓支持效果越不理想。

2.1 算例1

圖3為風電機組分別采用傳統(tǒng)基于最大功率點跟蹤的控制方法和所提控制方法情況下。

圖3 實例1系統(tǒng)在故障下的動態(tài)響應

由上圖算例仿真結果可知，與傳統(tǒng)的基于最大功率點跟蹤的風能發(fā)電控制方法相比較，所提控制方法在應用到風能發(fā)電系統(tǒng)中時，風力發(fā)電的同步發(fā)電機功角波動更小，這說明所提控制方法下系統(tǒng)運行更穩(wěn)定，抑制系統(tǒng)能量的不平衡。同時利用所提控制方法時，當系統(tǒng)發(fā)生故障后，發(fā)電系統(tǒng)能夠快速對故障進行處理，從而恢復正常運行狀態(tài)，電壓下跌程度較小，說明故障解除后系統(tǒng)恢復正常值的時間較短，暫態(tài)電壓支持效果明顯。

2.2 算例2

故障發(fā)生時刻為t=3 s時，DFIG分別采用基于最大功率點跟蹤的控制方法和本文控制方法，系統(tǒng)同步機功角和DFIG機組狀態(tài)量仿真結果如下圖。

圖4 系統(tǒng)在故障下的動態(tài)響應

分析圖4能夠得到，在t=3 s故障發(fā)生時，系統(tǒng)運行發(fā)生了變化，傳統(tǒng)控制方法下，同步發(fā)電機功角波動和同步發(fā)電功率振蕩較大，且系統(tǒng)在之后一直難以恢復正常運行，暫態(tài)電壓支持效果差。相比之下，所提控制方法同步發(fā)電機功角波動和同步發(fā)電功率振蕩都較小，說明該方法下，系統(tǒng)能夠保持穩(wěn)定運行，抗干擾能力強。

綜合算例1和算例2的實驗結果能夠證明，使用本文控制方法控制風能發(fā)電的暫態(tài)穩(wěn)定性是正確有效的。

3 結 語

本文提出新的風能發(fā)電系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性智能控制方法，分別在雙饋感應發(fā)電機有功控制環(huán)節(jié)和無功控制環(huán)節(jié)中引入暫態(tài)功角控制方法和暫態(tài)電壓控制方法，通過雙饋感應發(fā)電機暫態(tài)穩(wěn)定性控制方法，結合暫態(tài)功角控制對雙饋感應電機的有功控制過程進行優(yōu)化，在此基礎上加快控制系統(tǒng)能量不均衡的收斂，降低同步發(fā)電機的波動幅度，完成風能發(fā)電系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的智能控制。算例證明所提風能發(fā)電系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性智能控制方法的應用過程，風能發(fā)電系統(tǒng)的同步發(fā)電機功角變化較為穩(wěn)定，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障夠能夠快速恢復運行狀態(tài)，與當前控制系統(tǒng)相比具有明顯優(yōu)勢，應用前景良好。