風(fēng)光水互補(bǔ)發(fā)電自動(dòng)發(fā)電控制模型及仿真研究

五凌電力有限公司三板溪水電廠 龍海軍

1 引言

當(dāng)前，以風(fēng)電和光伏發(fā)電為代表的新能源的應(yīng)用范圍仍在不斷拓展，但這些發(fā)電模式存在著輸出波動(dòng)性強(qiáng)和輸出功率不可預(yù)測(cè)等問題，給整體電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成較大影響。為規(guī)避此類問題，基于風(fēng)電、光伏發(fā)電和水電的互補(bǔ)性特點(diǎn)，將其視為一個(gè)整體，打造“風(fēng)光水互補(bǔ)”的發(fā)電模式就成為值得研究的一項(xiàng)內(nèi)容。在本項(xiàng)研究?jī)?nèi)容中，關(guān)鍵點(diǎn)則需要構(gòu)建行之有效的控制模型，對(duì)各種要素的優(yōu)化調(diào)度，解決非線性復(fù)雜問題，需要進(jìn)一步的探究。

2 整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

風(fēng)光水互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)屬于一種較為復(fù)雜的系統(tǒng)，包括風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站、水電站和抽水蓄能電站等主要部分。風(fēng)光水互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)整合了風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電和水力發(fā)電等3 個(gè)主要模塊，風(fēng)光水互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)主要特點(diǎn)是能夠充分利用風(fēng)電和光電的天然互補(bǔ)性；具備水力發(fā)電優(yōu)良的穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)性能，能夠有效降低間歇性電源并網(wǎng)給電網(wǎng)造成的沖擊。風(fēng)光水互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中自動(dòng)發(fā)電控制模型的關(guān)鍵是在滿足電力系統(tǒng)及多種電源特性約束的前提下，以水電站調(diào)節(jié)為核心，在一定程度上削減負(fù)荷峰谷差，確保調(diào)節(jié)能力較差的風(fēng)電和光伏發(fā)電在剩余負(fù)荷上盡量保持平穩(wěn)，確保電網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行。為達(dá)成這一目標(biāo)，本研究基于經(jīng)典控制理論P(yáng)ID 控制理論，并應(yīng)用Simulink 軟件構(gòu)建風(fēng)光水互補(bǔ)機(jī)組模型[1-2]，對(duì)本模型進(jìn)行分析，以尋求其控制策略的優(yōu)化，進(jìn)而確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3 風(fēng)光水互補(bǔ)發(fā)電自動(dòng)發(fā)電控制模型的建立

3.1 水電機(jī)組的建模

本研究考慮到水電機(jī)組的結(jié)構(gòu)相對(duì)較為復(fù)雜，因此從以下幾個(gè)方面分別進(jìn)行建模操作。

一是針對(duì)水輪機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行建模，在水電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行過程中，本模塊的主要作用是，通過調(diào)節(jié)水流量實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)的調(diào)速，從而間接實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)發(fā)電功率的作用。因此，重點(diǎn)對(duì)水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行分析建模。本系統(tǒng)中，調(diào)速模型又可細(xì)分為水輪機(jī)調(diào)速器PID 調(diào)節(jié)模型和液壓系統(tǒng)模型。其中，微機(jī)調(diào)速器PID調(diào)節(jié)器的輸出應(yīng)用如式（1）所示：

式（1）中，YP表示PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)輸出的比例分量；YI為積分分量；YD為微分分量。

在PID 調(diào)節(jié)器輸出控制信號(hào)后，經(jīng)過液壓轉(zhuǎn)換器變更為液壓信號(hào)，再經(jīng)過引導(dǎo)閥和主配壓閥逐級(jí)放大，最后推動(dòng)主接力器動(dòng)作，帶動(dòng)水輪機(jī)導(dǎo)葉的開啟或關(guān)閉。根據(jù)已有的研究經(jīng)驗(yàn)，水輪機(jī)組的出力動(dòng)態(tài)方程如式（2）所示：

在式（2）中：At表示水輪機(jī)增益，該參數(shù)通常為常數(shù)項(xiàng)；h為水輪機(jī)水頭高度；q是流量的偏差值；Pm是輸出機(jī)械功率的相對(duì)值；qnl是空載流量相對(duì)值；Δω表示機(jī)主角速度的偏差值；Dt是阻尼因子；y是接力器行程的相對(duì)值。接力器行程與導(dǎo)葉開度之間存在線性關(guān)系，二者的絕對(duì)值也是相等的。

二是對(duì)發(fā)電機(jī)模型進(jìn)行建模，基于本軟件內(nèi)置的DQ 轉(zhuǎn)子參考框架，進(jìn)行三相同步電機(jī)的建模。其中，定子繞組以Y 型連接至內(nèi)部中性點(diǎn)。同步機(jī)組在發(fā)電機(jī)或電機(jī)模式下運(yùn)行，在電機(jī)的電氣部分，則采用六階狀態(tài)空間模型，六階發(fā)電機(jī)模型采用Simulink軟件中已有的同步發(fā)電機(jī)模塊。模型考慮了定子、磁場(chǎng)和阻尼繞組的動(dòng)力學(xué)特性。同時(shí)，模型的等效電路以轉(zhuǎn)子參考框架（QD 框架）予以表示，從定子上即可以查看所有轉(zhuǎn)子參數(shù)和電氣量。

三是針對(duì)勵(lì)磁模塊的選型，本模塊直接在Simulink軟件中選擇適合本次研究的一類模塊，由電壓調(diào)節(jié)器和勵(lì)磁機(jī)組成勵(lì)磁系統(tǒng)模塊。

3.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)建模

基于本次研究的實(shí)際需要，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組建模環(huán)節(jié)中，研究人員首先將風(fēng)電場(chǎng)的功率確定為9MW，在本風(fēng)電場(chǎng)中，主要以雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（簡(jiǎn)稱為DFIG）為核心，并以渦輪機(jī)加以驅(qū)動(dòng)。在本風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)中，研究人員在Simulink軟件內(nèi)共選擇1.5MW 的風(fēng)力渦輪機(jī)模型6 個(gè)，將其進(jìn)行組裝，模擬本次所需的9MW 風(fēng)電場(chǎng)，再將其連接到構(gòu)建規(guī)格為25kV的配電系統(tǒng)，長(zhǎng)度為30km的饋電線路，向電網(wǎng)輸出電力。采用雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的風(fēng)力渦輪機(jī)可以細(xì)分為繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)發(fā)電機(jī)和基于AC/DC/AC/IGBT 的PWM 變換器組成，定子繞組直接連接到50Hz 電網(wǎng)，而轉(zhuǎn)子則通過AC/DC/AC轉(zhuǎn)換器，以變頻模式進(jìn)行供電[3-4]。

3.3 光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)建模

基于本次研究的實(shí)際需要，在光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)建模環(huán)節(jié)中，研究人員選用五參數(shù)模型的光伏陣列塊，以此為核心進(jìn)行建模。在本模型的設(shè)計(jì)中，為充分體現(xiàn)光伏發(fā)電的特性，主要包含電流源（光產(chǎn)生電流）、二極管、串聯(lián)電阻、分流電阻。同時(shí)，為兼顧特殊情況，在本次設(shè)計(jì)的模型中增設(shè)了逆變器模塊。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合既有的研究經(jīng)驗(yàn)，本次模型選擇基于擾動(dòng)觀測(cè)算法的MPPT控制器來實(shí)現(xiàn)。

3.4 風(fēng)光水互補(bǔ)發(fā)電模型的建立

在所有發(fā)電系統(tǒng)模型選擇完成后，將光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和水力發(fā)電機(jī)組模型以一定的距離連接到電力系統(tǒng)中，形成風(fēng)光水互補(bǔ)發(fā)電模型。研究人員基于此模型，對(duì)系統(tǒng)控制參數(shù)的優(yōu)化展開研究。

4 仿真分析結(jié)果與討論

在不同容量配比下，PID 參數(shù)對(duì)整體電力系統(tǒng)的影響均相似，因此在仿真分析過程中，確定容量配比為風(fēng)力發(fā)電∶光伏發(fā)電∶水力發(fā)電=40∶1∶150，在此情況下，探究比例系數(shù)、微分系數(shù)和積分系數(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來的影響[5]。在研究過程中，風(fēng)光水互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性函數(shù)如式（3）所示：

式（3）中，R（s）表示等效函數(shù)；K表示可調(diào)節(jié)的增益；G（s）為反饋通路系統(tǒng)函數(shù)；H（s）是正向通路系統(tǒng)函數(shù)。據(jù)此，通過對(duì)不同參數(shù)分別進(jìn)行調(diào)整來分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而得出較優(yōu)的控制參數(shù)。

比例系數(shù)需要進(jìn)行調(diào)整，系數(shù)從0.8 開始，以0.4 為步長(zhǎng)，最終增加到2.4，分別分析在不同比例系數(shù)下的系統(tǒng)的奈奎斯特響應(yīng)結(jié)果，如圖1所示。

圖1 不同比例系數(shù)下系統(tǒng)的奈奎斯特響應(yīng)結(jié)果

由圖1 可知，在不同比例系數(shù)下，系統(tǒng)的奈奎斯特響應(yīng)曲線整體走勢(shì)相似，曲線均從原點(diǎn)出發(fā)，向右上延伸，按照順時(shí)針方向環(huán)繞兩次回到原點(diǎn)，第一次越過實(shí)軸后，奈奎斯特曲線的曲率變大，然后繼續(xù)延伸，再次越過實(shí)軸后，曲率開始逐步減小，最終延伸回原點(diǎn)，形成一條上下對(duì)稱的閉合曲線。曲線的峰值響應(yīng)與比例系數(shù)呈正相關(guān)。根據(jù)奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)可知，當(dāng)曲線環(huán)繞-1/K點(diǎn)的凈次數(shù)為0 時(shí)，系統(tǒng)保持穩(wěn)定，而以上曲線均符合判據(jù)，因此在比例系數(shù)變更過程中，系統(tǒng)均保持穩(wěn)定。

積分系數(shù)的變化情況需要進(jìn)行仿真分析，保持其他兩個(gè)參數(shù)不變，將積分系數(shù)從0.25 開始，以0.25 為步長(zhǎng)，逐步增加到1.25，不同積分系數(shù)下的系統(tǒng)的奈奎斯特響應(yīng)如圖2所示。

圖2 不同積分系數(shù)下的系統(tǒng)的奈奎斯特響應(yīng)

由圖2 可知，積分系數(shù)的增加對(duì)于系統(tǒng)奈奎斯特響應(yīng)曲線的整體走向影響并不顯著，奈奎斯特曲線仍基本保持上文中的走勢(shì)，從原點(diǎn)出發(fā)，向右上延伸按順時(shí)針方向環(huán)繞2 次回到原點(diǎn)。其中，曲線第一次越過實(shí)軸后，奈奎斯特曲線曲率變大，而第二次越過實(shí)軸后奈奎斯特曲線曲率則變小，最終延伸回到原點(diǎn)，使奈奎斯特曲線具備上下對(duì)稱且閉合的特性。同時(shí)，隨著積分系數(shù)的增大，系統(tǒng)奈奎斯特響應(yīng)的峰值也隨之提高，積分系數(shù)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響不突出，在調(diào)整積分系數(shù)的過程中系統(tǒng)均保持穩(wěn)定。由此可知，超調(diào)量處于系統(tǒng)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，系統(tǒng)的超調(diào)量隨著積分系數(shù)的增大而增大，結(jié)果顯然，如增大積分系數(shù)，系統(tǒng)將具有更優(yōu)的動(dòng)態(tài)特性。

對(duì)系統(tǒng)的微分系數(shù)的影響進(jìn)行仿真分析。保持其他兩個(gè)PID參數(shù)不變，將微分系數(shù)從0.5開始進(jìn)行調(diào)整，步長(zhǎng)設(shè)置為0.25，逐步將微分系數(shù)增加到1.5，分析微分系數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)的奈奎斯特相應(yīng)造成影響，不同微分系數(shù)下的系統(tǒng)奈奎斯特響應(yīng)曲線如圖3所示。

圖3 不同微分系數(shù)下的系統(tǒng)奈奎斯特響應(yīng)曲線

由圖3 可知，隨著微分系數(shù)的增大，系統(tǒng)的奈奎斯特響應(yīng)曲線仍保持基本相同的走向趨勢(shì)，從原點(diǎn)出發(fā)，向右上延伸按順時(shí)針方向環(huán)繞兩次回到原點(diǎn)。其中，曲線第一次越過實(shí)軸后，奈奎斯特曲線曲率變大，而第二次越過實(shí)軸后奈奎斯特曲線曲率則變小，最終延伸回到原點(diǎn)，使奈奎斯特曲線具備上下對(duì)稱且閉合的特性。

綜合分析以上幾條奈奎斯特曲線可知，所有的奈奎斯特曲線在實(shí)軸上只相交于原點(diǎn)，曲線靠近原點(diǎn)的另外一半隨著微分系數(shù)的增大向右移動(dòng)，但這種向右移動(dòng)的趨勢(shì)不顯著，且隨著微分系數(shù)的增大，曲線的曲率反而呈減小趨勢(shì)，這種變化對(duì)于奈奎斯特峰值響應(yīng)的增加并未造成影響，系統(tǒng)也仍然保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

結(jié)合以上仿真分析步驟可知，在超調(diào)量處于系統(tǒng)穩(wěn)定范圍內(nèi)時(shí)，奈奎斯特曲線的峰值響應(yīng)情況與微分系數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān)，因此系統(tǒng)超調(diào)量也與微分系數(shù)呈正相關(guān)，在增大系統(tǒng)微分系數(shù)后，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性也將得到改善。

5 結(jié)語

本研究基于Simulink 軟件對(duì)風(fēng)光水互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)模型進(jìn)行了初步的建立，并進(jìn)行仿真分析，結(jié)合其奈奎斯特曲線變化情況可知，當(dāng)確定風(fēng)光水發(fā)電的容量配比后，增大比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)均能夠提升系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。同時(shí)，積分系數(shù)的增大能夠提高系統(tǒng)的快速性，而比例系數(shù)和微分系數(shù)的增大則會(huì)降低系統(tǒng)的快速性。如何對(duì)這3 個(gè)系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以兼顧系統(tǒng)的快速性和整體性能，將成為后續(xù)研究中需要進(jìn)一步探究的內(nèi)容。