黃維峰
廣東粵電石碑山風(fēng)能開發(fā)有限公司 廣東揭陽 515223
現(xiàn)階段,雖說水電在某些方面存有一定的局限性,對(duì)我國水電站的開發(fā)建設(shè)及規(guī)模的擴(kuò)大不會(huì)造成太多影響,但也不可能忽視,如果不加以控制,可能會(huì)存在安全隱患。在某些水電占比較高的電網(wǎng)中,主要是通過水輪機(jī)來疏導(dǎo)過大的電負(fù)荷,其作用機(jī)理是通過擴(kuò)大導(dǎo)水葉開度,來改善電能有功功率的輸出效率[1]。但是在輸出功率提高之前,由于水錘效應(yīng)的存在,會(huì)使功率有一個(gè)短暫的下跌過程,然后才能逐步提升功率的輸出率,這一過程導(dǎo)致系統(tǒng)的有功功率出現(xiàn)不平衡的狀況,使電網(wǎng)頻率超出正常范圍,如果發(fā)電機(jī)大面積解列,電網(wǎng)無法承受這樣的負(fù)荷時(shí)就會(huì)導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。風(fēng)電相較于其他發(fā)電方式來說具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢,國家政策的扶持力度較大,具有較好的市場前景,風(fēng)電的可開發(fā)性較大[2]。
實(shí)現(xiàn)水錘效應(yīng)的控制,主要通過雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)來完成,結(jié)合原有慣性控制策略,增加新的控制環(huán)節(jié)可以有效平衡整風(fēng)機(jī)的輸出有功功率,其作用機(jī)理是借助雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特性,合理控制水輪機(jī)導(dǎo)水葉開度,以此實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)頻率中電臺(tái)變化的實(shí)時(shí)響應(yīng),再由水錘效應(yīng)產(chǎn)生的功率缺額進(jìn)行控制,基本的控制流程如下:
(1)實(shí)時(shí)對(duì)電網(wǎng)頻率進(jìn)行監(jiān)測;
(2)有效輸出功率的補(bǔ)償參考數(shù)據(jù)通過風(fēng)機(jī)的虛擬慣性控制得到,其主要優(yōu)勢表現(xiàn)為,能夠?qū)﹄娋W(wǎng)頻率的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng),故第一時(shí)間就可以獲取到有效參數(shù)的值,此處為Pf;
(3)監(jiān)測水輪機(jī)導(dǎo)水葉開度的數(shù)據(jù)是否恒定。水錘效應(yīng)產(chǎn)生是因?yàn)閷?dǎo)水葉開度發(fā)生了變化,一般情況下,只要電網(wǎng)頻率在水輪機(jī)調(diào)速器的有效可控范圍內(nèi),就可以避免水輪機(jī)調(diào)速器產(chǎn)生作用導(dǎo)致的水錘效應(yīng),而且虛擬慣性控制完全可以應(yīng)對(duì)正常情況下的電網(wǎng)頻率動(dòng)態(tài)監(jiān)控[3]。
(4)如果情況與步驟3剛好相反,即電網(wǎng)頻率超出了水輪機(jī)調(diào)速器的有效可控范圍,引發(fā)水輪機(jī)調(diào)速器,導(dǎo)致水輪機(jī)導(dǎo)水葉開度發(fā)生變化,從而產(chǎn)生水錘效應(yīng)。此時(shí)就需要增加新的控制環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)整,輔助風(fēng)機(jī)配合水輪機(jī)導(dǎo)水葉開度產(chǎn)生的變化,以此獲取補(bǔ)償參考數(shù)值,稱為功率補(bǔ)償參考值Pμ;
(5)獲取總的風(fēng)機(jī)補(bǔ)償功率參考值PTe_ref。
圖1所示為控制方法的基本流程以及所涉及到的主要控制器。Δf與dΔf/dt是功率控制環(huán)節(jié)的兩個(gè)主要回路。在第一回路中,風(fēng)機(jī)的功率由Δf的比例進(jìn)行控制,Pf1為最終輸出功率的結(jié)果,故實(shí)測及參考頻率所產(chǎn)生的絕對(duì)誤差值可用公式(1)計(jì)算:
式中,-Kpf為比例系數(shù),Δf實(shí)測與參考頻率產(chǎn)生的偏差。
在第二回路中,主要進(jìn)行慣性控制操作,dΔf/dt進(jìn)行比例控制來實(shí)現(xiàn),具體公式如下:
式中,Kdf依然是一個(gè)比例系數(shù),不錯(cuò)在此處它的含義是增加的等效慣性值。在慣性控制環(huán)節(jié),得到的第一參考數(shù)據(jù)計(jì)算公式為:
圖1 利用風(fēng)電補(bǔ)償控制水錘效應(yīng)的原理圖
圖1中,新附加控制中的回路1由Δμ經(jīng)過比例環(huán)節(jié)組成。導(dǎo)水葉開始工作時(shí),可利用此控制環(huán)節(jié)對(duì)風(fēng)機(jī)輸出的電磁功率進(jìn)行調(diào)節(jié),其數(shù)學(xué)表達(dá)式為(5):
回路2中,dΔμ/dt主要由濾波器和比例環(huán)節(jié)構(gòu)成,該回路中的輸出功率可用公式(6)表示:
其中,對(duì)新附加控制所產(chǎn)生的功率可用公式(7)進(jìn)行計(jì)算:
為了避免風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速過低,應(yīng)對(duì)風(fēng)機(jī)最低轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)置,通常取值0.7pu。由此得出,計(jì)算虛擬慣性控制環(huán)節(jié)和新附加控制環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的功率公式為式(8):
則風(fēng)機(jī)輸出的參考功率為
在一部分電網(wǎng)中,水輪機(jī)的占比會(huì)比較高,因此水錘效應(yīng)的發(fā)生概率以及其帶來的不利影響也會(huì)比較大。由于水錘效應(yīng)的存在,當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)受到較大的負(fù)荷干擾時(shí),無法進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整,而且水錘效應(yīng)還會(huì)使電網(wǎng)的有功功率缺額持續(xù)擴(kuò)大,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的頻率造成嚴(yán)重的不利影響,破壞電網(wǎng)的安全運(yùn)行,故需要充分重視??梢酝ㄟ^全狀態(tài)時(shí)域法對(duì)大型互聯(lián)電網(wǎng)進(jìn)行分析,其特點(diǎn)是對(duì)電網(wǎng)頻率動(dòng)態(tài)進(jìn)行仿真解析,耗時(shí)相對(duì)較長,也正是因?yàn)檫@一點(diǎn),該法不能及時(shí)監(jiān)測到水錘效應(yīng)的產(chǎn)生,全時(shí)域分析法無法實(shí)現(xiàn)快速分析水錘效應(yīng)所產(chǎn)生的影響[4]。而通過簡化水輪機(jī)-調(diào)速器系統(tǒng),就可以實(shí)現(xiàn)快速分析的目的,且仿真準(zhǔn)確度高,具體分析流程如圖2所示
圖2 頻率動(dòng)態(tài)分析流程圖
綜上所述,由于水錘效應(yīng)的存在可能會(huì)給電網(wǎng)頻率造成嚴(yán)重的不利影響,在此基礎(chǔ)上,本文分析了目前采用風(fēng)電補(bǔ)償水輪機(jī)水錘效應(yīng)的方法,借助風(fēng)電本身的特性以及結(jié)合實(shí)際運(yùn)行過程中新的控制環(huán)節(jié),使得變速風(fēng)機(jī)可以實(shí)時(shí)的、有效的配合電網(wǎng)頻率的動(dòng)態(tài)變化,平衡器有效輸出功率,最大程度的減弱水錘效應(yīng)對(duì)電網(wǎng)的影響。并簡要闡述了通過簡化水輪機(jī)-調(diào)速器系統(tǒng)達(dá)到快速、仿真分析水錘效應(yīng)的目的,希望能夠借此建立起響應(yīng)電網(wǎng)頻率的解析模型,并能夠提供有效的參考價(jià)值。