不同滲透率下風(fēng)機慣量提升控制研究

劉澤宇，趙興勇，唐震

(1.山西大學(xué) 電力與建筑學(xué)院，山西 太原 030000； 2.國網(wǎng)山西省電力公司 電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001)

0 引 言

近年來，隨著全球范圍內(nèi)化石燃料逐漸枯竭，風(fēng)電光伏等新能源機組得到廣泛應(yīng)用[1]。因此，結(jié)合風(fēng)電機組的運行特點和轉(zhuǎn)動慣量的產(chǎn)生原理，發(fā)現(xiàn)風(fēng)電機組轉(zhuǎn)動慣量的主要影響因素，研究新能源機組轉(zhuǎn)動慣量的測量技術(shù)，對于改善電網(wǎng)動態(tài)特性提供更多的參數(shù)支持，具有非常重要的實際意義。

風(fēng)電的隨機性大大提高了電網(wǎng)的不確定性。為了改善整個電網(wǎng)，文獻[2]基于風(fēng)機運行狀況，在確定風(fēng)-火機組參與調(diào)頻參考值基礎(chǔ)上，對風(fēng)電機組調(diào)頻功率進行動態(tài)分配。文獻[3]提出了變參數(shù)控制策略,該策略能夠根據(jù)系統(tǒng)頻率變化實時修改參數(shù)，對系統(tǒng)提供動態(tài)有效儲能。上述文獻均基于系統(tǒng)風(fēng)機占比不變情形下進行分析，并沒有驗證不同風(fēng)機占比下調(diào)頻方案可行性。本文在考慮不同風(fēng)機滲透率以及風(fēng)電機組運行工況與風(fēng)機慣量控制耦合關(guān)系的前提下，提出風(fēng)機自適應(yīng)慣量控制。在Simulink中搭建雙機系統(tǒng)檢驗該控制方法是否能有效補償系統(tǒng)慣量。

1 風(fēng)機轉(zhuǎn)動慣量

系統(tǒng)在額定頻率正常運行時，同步機轉(zhuǎn)子以額定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動[4]的動能為：

(1)

式中：Ωn為同步機轉(zhuǎn)子的額定機械角速度；J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量。同步機轉(zhuǎn)子慣性時間常數(shù)HS指在轉(zhuǎn)子上施加額定轉(zhuǎn)矩Tm后，轉(zhuǎn)子從靜止?fàn)顟B(tài)(機械角速度為0)加速到額定運行狀態(tài)(機械角速度為Ωn)所經(jīng)過的時間，故有：

(2)

當(dāng)同步機的極對數(shù)為1時，轉(zhuǎn)子機械角速度Ωn與轉(zhuǎn)子電角速度ω相等，故：

(3)

式中：Pn為同步機的額定功率；f0為系統(tǒng)的額定頻率；f(t)為系統(tǒng)的瞬時頻率。在t時刻內(nèi)轉(zhuǎn)子釋放能量E(t)為：

E(t)=-1/2Jω(t)2

(4)

在t時間點輸出的電磁功率Pe(t)即為該能量微分：

(5)

式(3)代入式(5)且一般f(t)≈f0，可表示為：

(6)

綜上，風(fēng)機接入電網(wǎng)慣量量測表達式為：

(7)

慣性時間常數(shù)量測表達式為：

(8)

由式(7)、式(8)可知，系統(tǒng)頻率變化率相反數(shù)與同步發(fā)電機慣量支持的電磁功率成正比，因此虛擬慣量可以看作是系統(tǒng)頻率的微分反饋控制。而實際中利用傳感設(shè)備可測得系統(tǒng)某節(jié)點的頻率,進而得到頻率與時間的時域慣性，通過上式可得到轉(zhuǎn)動慣量和慣性時間常數(shù)。

2 自適應(yīng)慣量控制

根據(jù)風(fēng)機[5]占比及機組運行工況，聯(lián)合機組自身慣量特性和傳統(tǒng)PID控制方法提出自適應(yīng)慣量控制,此時風(fēng)電機組調(diào)頻功率給定為：

(9)

式中：KP、KD分別為慣性控制的比例、微分系數(shù)；Kw為不同滲透率風(fēng)電場調(diào)頻比例系數(shù)；ΔPw為附加有功功率設(shè)定值；Δf為系統(tǒng)頻率偏差。

自適應(yīng)慣量控制參數(shù)由式(10)動態(tài)給定：

(10)

圖1為風(fēng)機慣量控制圖?？刂扑惴ǖ膭討B(tài)過程為：首先根據(jù)雙機系統(tǒng)中風(fēng)機占比確定風(fēng)機調(diào)頻比例系數(shù)Kw大小，使其滿足：風(fēng)機占比低，Kw取值盡可能??；風(fēng)機占比高，Kw取值盡可能大。接著檢測機組輸出電磁功率Pe，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω，系統(tǒng)頻率偏差Δf，判斷頻率偏差范圍。若頻率偏差小于死區(qū)，則不參與調(diào)頻，參數(shù)控制函數(shù)值f(ωr，Pe) = 0，反之則參與調(diào)頻；檢測轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，若ωr<ωmin，則不參與調(diào)頻，參數(shù)控制控制函數(shù)值f(ωr，Pe) = 0，若ωmin<ωr<ωmax，則參與調(diào)頻。當(dāng)系統(tǒng)參與調(diào)頻時，根據(jù)文獻[6]

中模糊邏輯規(guī)則表推理原則可知當(dāng)頻率偏差Δf較小時，則輸出K2要盡可能小，K1絕對值盡可能大且為負值；當(dāng)系統(tǒng)頻率偏差Δf較大時，如果頻率變化率為正，則輸出參數(shù)要K2盡可能小，K1絕對值盡可能大且為負值；頻率變化率為負時，則K2要盡可能大，K1盡可能大且為正值。進入下一周期，重復(fù)上述過程。控制過程如圖1所示。

3 仿真驗證

在Simulink下搭建雙機系統(tǒng)仿真模型如圖2所示。其中：G1為風(fēng)電場，G2為額定容量200 MW的火電廠，并預(yù)備調(diào)頻減載能力，設(shè)置風(fēng)機風(fēng)速為9 m/s,每臺風(fēng)機的額定容量為1.5 MW，各組風(fēng)機數(shù)量分別為10臺、20臺和30臺，調(diào)整火電廠出力保持系統(tǒng)總功率恒定為150 MW。對應(yīng)的風(fēng)電滲透率風(fēng)別為10%、20%和30%。在20 s時負荷突增10 MW，觀察系統(tǒng)頻率以及風(fēng)場有功波動情況，驗證本文所提不同滲透率下風(fēng)機慣量補償策略可行性。

圖2 仿真系統(tǒng)示意圖

圖3為發(fā)生負荷突增擾動頻率/轉(zhuǎn)速變化,可知當(dāng)風(fēng)機采取本文所提控制時能快速降低轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化，相較于減載控制釋放更多轉(zhuǎn)子動能，為電網(wǎng)提供調(diào)頻有功支撐，在結(jié)束調(diào)頻后逐步提高轉(zhuǎn)速，使其盡量相等于減載控制后轉(zhuǎn)速水準，有效避免調(diào)頻造成失速問題，保證機組運行穩(wěn)定。

圖3 負荷突增擾動下仿真結(jié)果

圖4是發(fā)生負荷突增擾動下風(fēng)機采取本文所提控制時控制器輸出曲線。結(jié)合圖3可知控制參數(shù)KP和KD在頻率發(fā)生跌落時發(fā)生快速增加，使風(fēng)機系統(tǒng)能在短時間內(nèi)提供更多的控制輸出有效加速系統(tǒng)頻率恢復(fù)，進而減少系統(tǒng)頻率的惡化。同時在調(diào)頻結(jié)束之后，控制器不會出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)恢復(fù)速度。

圖4 控制器輸出曲線

表1為有功負荷突增擾動、不同滲透率下風(fēng)機最高有功出力。由表1可知,在相同的控制方式下，隨著風(fēng)機占比的提高，風(fēng)電機組有功出力逐漸增加。風(fēng)機在不同滲透率條件下均能夠穩(wěn)定、可靠地增發(fā)出力，為系統(tǒng)調(diào)頻進行準備；風(fēng)機采取傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子減載控制時，通過降低轉(zhuǎn)速釋放轉(zhuǎn)子中的動能，增加向電網(wǎng)輸出有功為系統(tǒng)頻率提供支撐；風(fēng)機采取本文所提策略，通過識別系統(tǒng)頻率變化來實時修改調(diào)節(jié)參數(shù)增加風(fēng)機有功出力，使風(fēng)機在不同運行條件下均能提供更加有效的慣量補償。

表1 不同滲透率下風(fēng)機最高出力

由以上分析可知，當(dāng)系統(tǒng)總功率不變、風(fēng)機滲透率逐漸增大時，將造成系統(tǒng)最大頻率偏移逐漸增大，且均大于采取附加控制下的最大頻率偏移量。采取本文所提控制策略的風(fēng)機在系統(tǒng)發(fā)生頻率跌落時能夠更靈活有效地進行頻率支撐。

4 結(jié)束語

本文針對不同滲透率下風(fēng)-火系統(tǒng)對電網(wǎng)頻率特性的影響，提出一種自適應(yīng)慣量補償策略，使風(fēng)機能在頻率發(fā)生擾動時維持頻率穩(wěn)定，得出如下結(jié)論。

(1) 通過分析風(fēng)機轉(zhuǎn)動慣量產(chǎn)生機理，得出風(fēng)機慣量與系統(tǒng)頻率變化率成反比，且風(fēng)機能虛擬出遠大于固有慣量的等效慣量。

(2) 研究不同風(fēng)機滲透率下系統(tǒng)頻率影響，得出隨著風(fēng)機占比提高，系統(tǒng)頻率波動增大且風(fēng)機調(diào)頻出力逐漸提高，說明不同滲透率下風(fēng)電場都可以采取輔助調(diào)頻維持頻率穩(wěn)定。

(3) 分別在不同占比風(fēng)機條件下進行負荷突增常見擾動仿真。結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子減載方法，該控制策略可以更好地提高系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性，有效提高風(fēng)電機組的運行穩(wěn)定性。