考慮最大轉(zhuǎn)子動(dòng)能儲(chǔ)備的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組群優(yōu)化控制

賴(lài)業(yè)寧，顏云松，薛峰，唐冠軍

(國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106)

0 引 言

隨著我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的確立，新能源發(fā)電在能源應(yīng)用領(lǐng)域得到進(jìn)一步重視[1]。截止到2021年6月我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到22.6億千瓦，同比增長(zhǎng)9.5%[2]。為了實(shí)現(xiàn)低棄風(fēng)率，要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用最大功率追蹤控制(maximum power point tracking, MPPT)實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲[3-4]。近年來(lái)，隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組等新能源快速發(fā)展和大規(guī)模接入電網(wǎng)，對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行造成影響。為此，南瑞集團(tuán)等編制和發(fā)布了Q/GDW 10256—2020《新能源場(chǎng)站全景監(jiān)控通用技術(shù)規(guī)范》，旨在針對(duì)新能源場(chǎng)站緊急情況開(kāi)展信息感知和利用電力電子設(shè)備進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，從而提升新能源場(chǎng)站機(jī)組的精益化控制水平[5]。

目前，針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)站的緊急控制主要是考慮快速切功率的運(yùn)行情景，通常采用切場(chǎng)或切機(jī)[6]。隨著風(fēng)電接入的容量增大和技術(shù)需求的提升，在未來(lái)緊急控制中還需要風(fēng)電機(jī)組具備緊急功率速增的潛力。為了滿(mǎn)足在MPPT運(yùn)行模式下的風(fēng)電場(chǎng)緊急功率速增，通常配備儲(chǔ)能裝置。為了降低儲(chǔ)能裝置的安裝與運(yùn)維成本，可以對(duì)風(fēng)電機(jī)組采取降功率運(yùn)行。文獻(xiàn)[7]針對(duì)風(fēng)電機(jī)組容量增加導(dǎo)致調(diào)頻能力不足的問(wèn)題，結(jié)合低、中、高三種風(fēng)速模式提出一種超速和變槳減功率控制模式，實(shí)現(xiàn)全風(fēng)速范圍容量備用。文獻(xiàn)[8]針對(duì)大規(guī)模新能源接入電網(wǎng)的安全穩(wěn)定問(wèn)題，提出采用低頻減載作為頻率緊急控制的手段，并提出基于df/dt的低頻減載優(yōu)化策略。文獻(xiàn)[9]指出變速風(fēng)電機(jī)組通過(guò)提前減功率參與電網(wǎng)緊急調(diào)頻，可以有效解決風(fēng)電隨機(jī)性對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生的影響?？梢钥闯?，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開(kāi)展容量備用的方式主要是通過(guò)超速或變槳距控制實(shí)現(xiàn)減功率運(yùn)行。其中變槳距控制動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，通常為秒級(jí)，而緊急功率控制通常需要的響應(yīng)時(shí)間為數(shù)百毫秒，因此變槳距控制不適合用于緊急功率控制[10]。而超速運(yùn)行是使風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行在超速模式下，通過(guò)瞬間釋放轉(zhuǎn)子動(dòng)能獲得有功支撐。

本文針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)參與緊急功率速增控制的情景，以直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(direct drive wind power system, DDWPS)為研究對(duì)象，對(duì)其超速減功率運(yùn)行進(jìn)行了分析。搭建基于Simulink的DDWPS，對(duì)不同風(fēng)速條件下的機(jī)組超速減功率與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能存儲(chǔ)性能進(jìn)行了仿真。并以最大轉(zhuǎn)子動(dòng)能儲(chǔ)備為優(yōu)化目標(biāo)，利用GUROBI優(yōu)化軟件對(duì)某風(fēng)電場(chǎng)多臺(tái)DDWPS的超速減載率進(jìn)行優(yōu)化。該方法的實(shí)現(xiàn)可以為風(fēng)電場(chǎng)參與緊急功率速增控制提供理論與工程基礎(chǔ)。

1 超速減功率控制

圖1 恒定風(fēng)速下PMWPG輸出功率與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線(xiàn)

對(duì)于DDWPS，實(shí)現(xiàn)超速減功率運(yùn)行是通過(guò)改變永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)(permanent magnet wind power generator, PMWPG)的電磁轉(zhuǎn)矩電流，從而調(diào)節(jié)PMWPG的轉(zhuǎn)速，使其工作在MPPT曲線(xiàn)之下。圖1給出了在某一恒定風(fēng)速下，PMWPG輸出功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線(xiàn)?？梢钥闯?，當(dāng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行MPPT控制時(shí)，輸出功率為a點(diǎn)，此時(shí)的轉(zhuǎn)速為最優(yōu)轉(zhuǎn)速ωopt。為了實(shí)現(xiàn)有功功率的儲(chǔ)備，需要降低發(fā)電機(jī)的輸出功率。此時(shí)，通過(guò)減小發(fā)電機(jī)的電磁功率，使轉(zhuǎn)子提速至超速點(diǎn)b，所對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為ω1。由于受風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)械安全性能的約束，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速必須限制在最大轉(zhuǎn)速ωmax以?xún)?nèi)，因此機(jī)組的超速點(diǎn)不允許超過(guò)ωmax。

根據(jù)上述超速減功率運(yùn)行過(guò)程分析，可以得出風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最大減載率為DDWPS在固定風(fēng)速下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到ωmax時(shí)的輸出功率與MPPT時(shí)的輸出功率與之比，即：

(1)

式中:PMPPT為工作在最大功率點(diǎn)時(shí)的功率；Pωmax為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在最大允許轉(zhuǎn)速ωmax時(shí)的功率。

結(jié)合圖1可以進(jìn)一步得出，只有當(dāng)風(fēng)速處于中低風(fēng)速區(qū)域時(shí)，才可以實(shí)現(xiàn)僅利用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子超速實(shí)現(xiàn)減功率運(yùn)行。此時(shí)，根據(jù)全景監(jiān)控系統(tǒng)首先判斷機(jī)組是否可以滿(mǎn)足減載指令要求，若可以滿(mǎn)足要求，則求出超速降功率運(yùn)行時(shí)的發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩電流，對(duì)機(jī)側(cè)變流器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)超速減功率運(yùn)行。

2 超速減功率運(yùn)行仿真

本文基于Simulink搭建了一臺(tái)2 MW的DDWPS仿真模型，并對(duì)不同風(fēng)速下的PMWPG超速減載情況進(jìn)行了仿真。仿真系統(tǒng)的主要具體參數(shù)如表1所示。

圖2(a)和圖2(b)分別給出了額定風(fēng)速11 m/s時(shí)，DDWPS工作在MPPT和最大超速減載條件下的仿真結(jié)果?？梢钥闯?，系統(tǒng)在1.8 s時(shí)由MPPT模式進(jìn)入超速降功率模式，此時(shí)PMWPG轉(zhuǎn)速由25 r/min調(diào)節(jié)到最大允許轉(zhuǎn)速28.5 r/min。輸出功率由最大功率2 MW下降至1.8 MW，減載率為10%。在整個(gè)超速過(guò)

表1 DDWPS仿真系統(tǒng)主要參數(shù)

程中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子儲(chǔ)存的能量增加：

(2)

圖2 11 m/s風(fēng)速下的DDWPS超速減功率仿真結(jié)果

式中:J為DDWPS的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ωopt為最優(yōu)轉(zhuǎn)速；ωmax為最大允許轉(zhuǎn)速。

圖3(a)和圖3(b)分別給出了低于額定風(fēng)速時(shí)的仿真結(jié)果。本文以10 m/s為例，系統(tǒng)同樣在1.8 s時(shí)由MPPT模式進(jìn)入超速降功率模式，此時(shí)PMWPG轉(zhuǎn)速由22.1 r/min調(diào)節(jié)到最大允許轉(zhuǎn)速28.5 r/min。輸出功率由最大功率1.5 MW下降至1.14 MW，減載率為24%。整個(gè)超速過(guò)程中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子儲(chǔ)存的能量為63.3 kJ。

圖3 10 m/s風(fēng)速下的DDWPS超速減功率仿真結(jié)果

從圖2和圖3可以看出，當(dāng)DDWPS工作在額定風(fēng)速下，其最大減載功率較大，但是轉(zhuǎn)子動(dòng)能增加小于DDWPS低于額定風(fēng)速條件下的超速減功率運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能。因此當(dāng)一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)有多臺(tái)機(jī)組響應(yīng)減功率指令時(shí)，存在機(jī)組優(yōu)化使風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能存儲(chǔ)最大，以便在緊急功率速增時(shí)提供更多的有功功率支撐。

3 多臺(tái)機(jī)組超速減功率優(yōu)化運(yùn)行

本文以三臺(tái)機(jī)組為例，對(duì)其減載率進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)子動(dòng)能，其目標(biāo)函數(shù)為：

(3)

約束條件為：

(4)

式中：ωi_intial和ωi_final分別為第i臺(tái)風(fēng)機(jī)在超速前的角速度和超速后的角速度；Pd_ref為接收的減功率參考值；Pd_i為第i臺(tái)風(fēng)機(jī)的超速后的功率。

由于該優(yōu)化為單目標(biāo)線(xiàn)性?xún)?yōu)化，因此選用GUROBI優(yōu)化軟件進(jìn)行計(jì)算。假設(shè)一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)中的風(fēng)速分布不均，三臺(tái)機(jī)組的風(fēng)速分別為額定風(fēng)速11 m/s、低于額定風(fēng)速10.5 m/s和10 m/s，風(fēng)電場(chǎng)接收的減載率指令為10%。在不開(kāi)展優(yōu)化時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)各臺(tái)風(fēng)機(jī)在允許最大轉(zhuǎn)速的情況下，通常將該減載指令均衡施加到各機(jī)組上，即每臺(tái)機(jī)組減載10%運(yùn)行。優(yōu)化前后結(jié)果如表2和表3所示?？梢钥闯觯瑑?yōu)化前總的轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能為110.9 kJ，而優(yōu)化后總的轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能為112.9 kJ，相比優(yōu)化前增加了1.8%。

表2 優(yōu)化前結(jié)果

表3 優(yōu)化后結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合緊急功率速增控制的響應(yīng)時(shí)間要求，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)中DDWPS超速減功率運(yùn)行進(jìn)行了分析，并搭建基于Simulink的DDWPS仿真模型，對(duì)不同風(fēng)速條件下的機(jī)組超速減功率與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能存儲(chǔ)性能進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明，在中低風(fēng)速條件下，對(duì)DDWPS的PMWPG進(jìn)行控制可以實(shí)現(xiàn)超速減功率運(yùn)行，且額定風(fēng)速下的超速運(yùn)行相比低于額定風(fēng)速，其降功率較多，但轉(zhuǎn)子動(dòng)能增加較少。針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)多臺(tái)發(fā)電機(jī)共同參與高緊急功率速增的情況，要求在滿(mǎn)足功率需求的同時(shí)，需要更多地增加轉(zhuǎn)子動(dòng)能以提高緊急功率輸出的支撐。因此本文以最大轉(zhuǎn)子動(dòng)能儲(chǔ)備為優(yōu)化目標(biāo)，利用GUROBI優(yōu)化軟件對(duì)某一風(fēng)電場(chǎng)中三臺(tái)DDWPS的超速減載率進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，額定風(fēng)速條件下的風(fēng)機(jī)相比低于額定風(fēng)速條件下的風(fēng)機(jī)，其減載率應(yīng)較小，以增加整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)多臺(tái)機(jī)組的轉(zhuǎn)子總動(dòng)能。通過(guò)上述研究可以為風(fēng)電場(chǎng)參與緊急功率速增控制提供理論與工程基礎(chǔ)。