全風(fēng)況下雙饋風(fēng)機(jī)參與調(diào)頻的協(xié)調(diào)控制策略研究

胡松

摘要：風(fēng)力發(fā)電技術(shù)成熟，成本相對(duì)較低，在調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、節(jié)約資源、保護(hù)生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮著重要作用，逐漸成為最具發(fā)展前景的新能源發(fā)電技術(shù)。隨著溫室效應(yīng)的加劇和全球能源互聯(lián)網(wǎng)概念的提出，中國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)正在恢復(fù)并保持快速增長(zhǎng)，風(fēng)電裝機(jī)容量逐年增加。特別是在北京及北方地區(qū)大規(guī)模霧霾之后，控制空氣污染成為風(fēng)電發(fā)展的又一驅(qū)動(dòng)因素。然而，受自然條件的限制，風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)勢(shì)必會(huì)對(duì)電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定和電能質(zhì)量產(chǎn)生影響，尤其是對(duì)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：雙饋風(fēng)機(jī)：超速控制;協(xié)調(diào)策略;

雙饋風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)頻率相互解耦，風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)將導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)頻能力下降，調(diào)頻成本增加。為了結(jié)合附加慣性控制、超速控制和槳距角控制三種調(diào)頻措施的優(yōu)點(diǎn)，使雙饋風(fēng)機(jī)在全風(fēng)況條件下具備一次調(diào)頻能力，提出在最大功率追蹤區(qū)采用附加慣性與超速控制相結(jié)合，而在恒轉(zhuǎn)速和恒功率區(qū)則采用附加慣性與槳距角控制的協(xié)調(diào)控制策略。

一、概述

頻率穩(wěn)定是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要標(biāo)志，它反映了電力系統(tǒng)中有功功率供需平衡的基本狀態(tài)。針對(duì)雙饋風(fēng)機(jī)（DFIG）的運(yùn)行特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)風(fēng)電參與調(diào)頻的可行性進(jìn)行了大量研究。在一些風(fēng)電發(fā)展較快的國(guó)家，如英國(guó)、西班牙等，已經(jīng)出臺(tái)了風(fēng)電參與調(diào)頻的導(dǎo)則。在電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行中，風(fēng)電機(jī)組已能及時(shí)響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化，維持頻率穩(wěn)定。目前DFIG機(jī)組參與一次調(diào)頻的控制策略主要有附加慣性控制、轉(zhuǎn)子超速控制和槳距角控制三種。針對(duì)DFIG機(jī)組取代常規(guī)電源而減小系統(tǒng)慣量，率先提出了一種利用轉(zhuǎn)子動(dòng)能模擬同步機(jī)組慣性響應(yīng)的附加控制方法。隨著研究的深入該方法得到不斷改進(jìn)。

二、雙饋風(fēng)機(jī)協(xié)調(diào)控制策略

DFIG機(jī)組的運(yùn)行范圍可分為最大功率追蹤區(qū)、恒轉(zhuǎn)速區(qū)和恒功率區(qū)。風(fēng)機(jī)在最大功率追蹤區(qū)最大限度地利用風(fēng)能，根據(jù)風(fēng)速控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速使其按最大功率曲線(xiàn)運(yùn)行，當(dāng)風(fēng)速增大轉(zhuǎn)速達(dá)到限定值時(shí)，進(jìn)入恒轉(zhuǎn)速區(qū)，功率繼續(xù)增加，當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增加使功率達(dá)到額定值時(shí)，風(fēng)機(jī)進(jìn)入恒功率區(qū)，為保持功率恒定，需增加槳距角。為實(shí)現(xiàn)全風(fēng)況下風(fēng)機(jī)參與一次調(diào)頻，控制策略是：在最大功率追蹤區(qū)采用附加慣性與超速協(xié)調(diào)，而在恒轉(zhuǎn)速區(qū)或恒功率區(qū)采用慣性與槳距角相協(xié)調(diào)的控制策略。附加慣性與槳距角協(xié)調(diào)控制。DFIG機(jī)組超速控制在轉(zhuǎn)速達(dá)到限定值時(shí)便失去作用。此時(shí)只能通過(guò)槳距控制法調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)出力以達(dá)到參與系統(tǒng)調(diào)頻的目的。大型風(fēng)機(jī)體型巨大，頻繁調(diào)節(jié)槳距角會(huì)對(duì)其運(yùn)行壽命產(chǎn)生一定影響。一年中風(fēng)機(jī)在恒轉(zhuǎn)速或者恒功率區(qū)的運(yùn)行工況只占全年運(yùn)行時(shí)間的10%左右。但液壓變槳機(jī)構(gòu)主要由液壓泵、液壓缸、曲柄連桿機(jī)構(gòu)等組成，變槳?jiǎng)幼鞑荒芩查g完成，具有一定的時(shí)滯性，這就導(dǎo)致采用槳距角控制的一次調(diào)頻措施有一定的延遲。隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)，液壓變槳機(jī)構(gòu)的延時(shí)已不超過(guò)1s，且在最大載荷狀態(tài)下，最小變槳速度達(dá)到5o每秒。為了減緩中高風(fēng)速下系統(tǒng)故障后的頻率突變率，利用風(fēng)機(jī)附加慣性環(huán)節(jié)模擬的虛擬慣量，快速響應(yīng)頻率變化，再結(jié)合槳距角控制技術(shù)調(diào)節(jié)機(jī)組出力以減小頻率偏差。為保證控制策略的有效性，簡(jiǎn)化槳距角調(diào)頻控制方案，設(shè)計(jì)了如圖1所示的控制方案。

圖1槳距角控制結(jié)構(gòu)圖

在傳統(tǒng)槳距角控制結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上添加槳距補(bǔ)償環(huán)節(jié)和頻率響應(yīng)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)減載調(diào)頻功能：槳距補(bǔ)償環(huán)節(jié)根據(jù)當(dāng)前風(fēng)速下功率參考值Pref確定機(jī)組減載運(yùn)行的槳距值βoff;頻率響應(yīng)環(huán)節(jié)是頻率與槳距角的近似表達(dá)式，根據(jù)βoff確定風(fēng)機(jī)槳距角與頻率的函數(shù)關(guān)系，使槳距角能響應(yīng)頻率變化，輸出槳距角修正量Δβ，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)槳距值。目前國(guó)內(nèi)外風(fēng)機(jī)參與調(diào)頻一般設(shè)置減載10%左右且以風(fēng)機(jī)輸出功率0.75p.u.點(diǎn)作為最大功率追蹤區(qū)和恒轉(zhuǎn)速區(qū)的分界點(diǎn)，根據(jù)式（11）槳距角提升4°就能滿(mǎn)足應(yīng)用要求。另外，風(fēng)機(jī)進(jìn)入恒轉(zhuǎn)速區(qū)后輸出功率仍低于額定值，且不同風(fēng)速條件下風(fēng)機(jī)參與調(diào)頻的能力不同。為防止槳距角跳變，其補(bǔ)償環(huán)節(jié)方程如式下所示：

設(shè)定雙饋風(fēng)機(jī)輸出功率為1p.u.時(shí)補(bǔ)償角為4°。此后，隨著功率的下降，補(bǔ)償角減少，直至功率降至0.75p.u.，補(bǔ)償角為0°，即在恒轉(zhuǎn)速區(qū)槳距角控制調(diào)頻方法退出運(yùn)行。頻率響應(yīng)模塊在βoff基礎(chǔ)上建立槳距角修正值與系統(tǒng)頻率的線(xiàn)性關(guān)系，如下式所示。

式中，K是頻率響應(yīng)系數(shù)，當(dāng)頻率低于49.2 Hz時(shí)，DFIG機(jī)組最大限度地輸出功率，而βoff≤4，因此K設(shè)置為5。電網(wǎng)頻率的安全范圍是50±0.2 Hz，所以死區(qū)環(huán)節(jié)方程為;

當(dāng)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定時(shí)，槳距角修正量為βoff，機(jī)組恢復(fù)減載運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)頻率低于安全范圍時(shí)，通過(guò)頻率響應(yīng)環(huán)節(jié)能夠降低風(fēng)機(jī)槳距角，增加機(jī)組出力，參與系統(tǒng)的一次調(diào)頻。綜上所述，槳距角控制優(yōu)缺點(diǎn)，方案分別適用于DFIG機(jī)組的不同運(yùn)行區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了全風(fēng)況條件下風(fēng)機(jī)參與一次調(diào)頻的目標(biāo)。

結(jié)語(yǔ)：

總之，在無(wú)附加控制情況下，系統(tǒng)發(fā)生故障后雙饋風(fēng)機(jī)不能響應(yīng)頻率變化，不能提供有效的頻率支撐作用。加入附加慣性環(huán)節(jié)后，利用轉(zhuǎn)子的慣量能有效模擬出類(lèi)似于常規(guī)同步機(jī)組的慣性減緩系統(tǒng)頻率變化，但穩(wěn)定后不能使風(fēng)機(jī)產(chǎn)生額外出力，在最大功率追蹤區(qū)，風(fēng)機(jī)采用慣性與超速相協(xié)調(diào)的控制方式，結(jié)合了慣性和超速減載的優(yōu)點(diǎn)，能有效抑制頻率波動(dòng)幅值，提供備用容量參與長(zhǎng)期調(diào)頻，減小穩(wěn)態(tài)偏差。在超速控制失效的恒轉(zhuǎn)速區(qū)或恒功率區(qū)，采用提出的槳距角控制改進(jìn)方案，通過(guò)調(diào)節(jié)槳距角減載運(yùn)行，雙饋風(fēng)機(jī)在該風(fēng)況下也能較好地參與一次調(diào)頻。

參考文獻(xiàn)

[1]田忠良，等.基于調(diào)頻層面的風(fēng)電棄風(fēng)分析.2019.

[2]李明.全風(fēng)況下雙饋風(fēng)機(jī)參與調(diào)頻的協(xié)調(diào)控制策略探討.2020.

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