一种双馈风电机组的调频控制策略

一种双馈风电机组的调频控制策略

0动态积分控制技术随着穿越比例的增加，电气系统的频率稳定变得越来越严重。然而,对于目前广泛采用的变速恒频机组,虽然其采用了先进的交流变频控制技术,但其解耦控制策略使机组有功功率无法响应系统频率的变化。此外,该类风电机组通常运行于最大功率点跟踪(maximumpowerpointtracking,MPPT)模式下,无法提供额外的有功功率参与频率控制,这更加剧了含大规模风电穿越的电力系统频率稳定问题。在部分风电穿越比例较高的发达国家,通常夜间时风电高发,超过了波谷负荷,造成了负电价。为了避免大量的经济损失和保障电网的稳定性,通常的做法是切除部分风电机组,这样做的弊端是风电机组频繁启停影响使用寿命。为了解决以上矛盾,许多国家正在研究使部分风电机组减载,例如:西班牙在电网导则中明确规定,风电机组必须具有1.5%的频率备用裕度。减载的优势在于:第一,可在不切机情况下为系统留有部分备用,节约了常规备用的投资成本;第二,减载控制技术能够对系统的频率进行实时响应,保障了电网频率稳定性;第三,风电机组的变流器采用交流变频控制技术,功率控制速度比火电机组更快,能有效提升电力系统的动态稳定性。综上所述,风电机组调频控制具有极大的经济与研究价值,吸引了国内外大量学者对其进行深入研究。如虚拟惯量法,即在频率变化时,让风电机组迅速向电网释放储存在旋转质量中的动能,或从电网吸收能量增加动能,从而模拟与同步机类似的惯性常数和暂态频率响应特性;如快速备用法,即当频率变化时,使风电机组的有功功率瞬间输出一个短期(如10s)的方波信号,类似一个短暂的有功备用。这2种方法的缺陷在于仅能进行短暂的调频支援,从严格意义上来说,尚无法认为是有效的减载调频手段。对于长时间的减载调频,主要有2种方法,即变桨法和超速法[12,13,14,15,16,17]。变桨法通过调节桨距角增加或减少风电机组出力,以实现故障时风电机组对电网频率变化的有功支撑;超速法通过控制转子转速超过MPPT转速,以降低风电机组的有功出力,储存有功备用。由于变桨法和超速法可以实现长时间内的功率减载,风电理论界更加倾向于使用这两者实现风电机组的频率控制。对比超速与变桨技术,超速法在特定场合下具有以下优势:一是超速法替代变桨法时可减少频繁变桨对机械装置的磨损;二是转速控制基于交流变频控制技术,其控制速度远比桨距控制快。然而,超速法仅能单独应用于低风速的工况,这是因为在中高风速情况下,风电机组转子转速已接近甚至等于机组的最大转速上限,无法实现超速减载。此时,应配合使用变桨法进行协调控制,实现不受风速限制的减载控制。文献提出了转速控制与桨距控制的协调控制策略,但该策略无论在何种风速条件下都使桨距角与转速控制器同时动作,并没有根据不同的风速条件发挥超速和变桨各自的优势。为了克服超速法与变桨法各自的应用缺陷,本文针对变速恒频机组中常用的双馈风电机组,提出了一种基于超速和变桨协调的频率控制策略。文献提出将风电机组的控制策略分为低、中、高3种风速模式,目的是使风电场的有功控制指令与风电机组的实际发电能力得以匹配。本文借鉴了该思想并进行了改进,提出一种新的风速模式判定方法和变参考转子转速的超速控制策略,并应用于风电机组的减载调频。本着优先采用超速法的原则,本文提出低风速下采用超速法,中风速下超速和变桨协同作用,高风速下仅使用变桨法的控制策略。本文定量分析了这3种风速模式的适用范围,并基于严格的数学推导,提出了辨识这3种模式的判据及相应的参考转子转速设定值。1转速间的关系双馈风电机组的功率—转速特性曲线如图1所示,图中各曲线代表了一定风速条件下不同桨距角时风电机组输出功率与转子转速间的关系。当风速固定为Vw0时,运行点1为MPPT点;运行点2是超速点,即让转子转速超越运行点1的转速,可以发现由于转速偏离了MPPT点,机组功率下降,实现了减载;运行点3是变桨点,即在运行点1基础上保持转速不变,将桨距角从βmin增加至β1,可以发现由于桨距角增大,风电机组捕获的功率减小,从而机组输出功率下降,实现了减载。2变桨控制模式基于图1所示减载技术的基本原理,本文提出一种超速和变桨协调的减载调频策略。该策略原则是:优先应用超速法,以期更快的调频响应速度;当超速法无法满足减载需求时,再启用变桨法。根据不同风速条件,可将控制策略分成低、中、高风速3种控制模式,原理如图2所示。定义减载水平,用d%表示,指在任意风速条件下,通过超速和变桨,让风电机组发出1-d%的有功出力。MPPT曲线即为d%=0时的减载曲线。本文假设风电机组最初减载水平为d0%,如图2所示,MPPT曲线和d0%减载曲线所围成的区域就是有功控制区域。为了区分MPPT曲线和d0%减载曲线,将CD和C′D′画成2条直线,实际上,它们是重合的,都对应最大转子转速ωmax。2.1临界风速下的运行模式如图2,低风速模式的风速范围为Vw,cut-in～Vw1,Vw,cut-in为切入风速,Vw1为仅凭超速实现d0%减载的风速上限。因为当风速在临界风速Vw1下,减载曲线上的B′点功率是MPPT曲线上B点功率的1-d0%,B′对应转子转速上限ωmax。该模式的控制可行区域为ABB′A′所围成的区域。在该区域内,由于发电机转速较低,独立的超速控制即可满足d0%减载。以图3为例说明调频过程,在某低风速下,风电机组初始减载运行于X′点,通过转速调节增加有功出力,最后运行于L点,XX′曲线是该风速下P-ωr曲线的一部分。2.2变桨控制下的转速限制如图2,中风速模式的风速范围为Vw1～Vw2,Vw2为超速法可用范围的风速上限。因为当风速在临界风速Vw2下,减载曲线的C′点功率是MPPT曲线C点功率的1-d0%,然而C′和C点对应的转子转速相等,即如果风速大于Vw2,无法实现风电机组超速减载。该模式的控制可行区域是BCB′所围成的区域,此时仅依靠超速无法达到d0%减载。这是因为风电机组的转速已接近或达到最高转速上限,超速控制无法满足减载需求,需要配合变桨控制实现减载。以图3为例说明调频控制过程,风电机组初始减载运行于Y′点,控制后运行于M点。由于超速和变桨同时作用,故YY′可简化为直线。辨识低风速与中风速控制区域的判据将在第3节中详述。2.3风速控制区域的划分如图2,高风速模式的风速范围为Vw2～Vw,cut-out,Vw,cut-out为切出风速。该模式的控制可行区域为线段C′D。此时受到风速和最高转速上限的限制,只能采用变桨法。以图3为例说明控制过程,风电机组初始减载运行于Z′点,控制后运行于H点。由于转速不变,故ZZ′是一条与纵轴平行的直线。辨识中风速与高风速控制区域的判据也将在第3节中详述。需特别指出的是,关于3种风速范围的界定,本文与文献有着本质不同。文献的风速划分目标是使风电场的有功控制指令与风电机组的实际发电能力得以匹配:低风速指风电机组的参考负荷(风电场有功控制指令)已经超过其发电能力,从而需要修正参考负荷的情况;中风速指参考负荷低于最大可用出力,但桨距角无需动作的情况;高风速指由于风速过大,为跟踪风电场指令并保护转子转速不超过最大值,需要桨距角动作的情况。而本文风速划分的目的是让风电机组实现一定比例的减载输出,并实现超速与变桨的协调控制。3辅助系统控制策略进行减载控制的最终目标是实现更高效的辅助调频控制。基于双馈风电机组的控制特性,一种可能的辅助调频控制器的控制框图如图4所示。输入量为转子转速ωr、风速Vw和电网频率f共3个测量量,以及根据实际系统需要给定的初始减载水平d0%。输出量是桨距角β和转子侧控制器的参考有功功率Pref共2个控制量。该控制器继承并发展了传统双馈机组的MPPT控制器及桨距控制器的固有功能,向转子侧控制器与桨距角控制器发送考虑减载调频的参考有功功率给定值和桨距角给定值,以实现高效的辅助调频控制。该辅助调频控制器由4个主要控制环节组成:风速模式判定环节、超速控制环节、桨距控制环节和频率响应特性模拟环节。其控制过程如下:1)风速模式判定环节根据当前的风速与指定的初始减载水平判断适宜采用的风速模式(低风速、中风速、高风速模式)。2)在中、低风速模式下,超速控制环节计算得到双馈机组的参考转子转速ωref,通过比例—积分(PI)控制器和频率响应特性模拟环节设置Pref调节电磁功率,以实现减载操作。3)在中、高风速模式下,桨距控制环节调整β,以调节机械功率,实现风电机组转速接近最高转速上限时的减载操作。4)当系统频率发生变化时,频率响应特性模拟环节可模拟类似于同步机的频率响应特性——频率下降时发电机有功出力增加,频率上升时发电机有功出力减少。频率响应特性模拟环节与超速控制环节共享数据,前者为后者提供有功出力增量,后者为前者提供稳态负荷参考值。当系统频率下降时,需要让风电机组提高有功出力,该辅助调频控制器会调节参考转子转速ωref使转子转速降低,或让桨距角减小。本文借鉴了文献采用3种风速模式的原始思想,提出了一种新的可应用于超速与变桨协调的风速模式判定方法和辅助调频控制策略,其核心技术为引入辅助参数ω0判定风速模式,以及将参考转子转速ωref从恒定值改变为变化值。风速模式的判据以及参考转子转速的求取详述如下。3.1低风速与中风速的界限vw1如2.1～2.3节所述,低风速范围是Vw,cut-in～Vw1,中风速范围是Vw1～Vw2,高风速范围是Vw2～Vw,cut-out。Vw,cut-in和Vw,cut-out一般由风电制造商提供,附录A给出了本文所用数值。中风速与高风速的界限容易划分,因为Vw2可通过如下公式求得:式中:ωmax为最大转子转速;R为风轮半径;λopt为最优叶尖速比;n为齿轮箱变速比。然而,低风速与中风速的界限Vw1求取较难,本文因此提出一种ω0判断法以协助判断。ω0的定义是:仅使用超速法,为实现特定的减载水平d0%,理论上双馈风电机组所必须实现的转子转速。由该定义可知,当ω0≤ωmax时,仅使用超速法可以让风电机组实现减载,因此可以判定为低风速模式;反之,若ω0>ωmax,则说明仅使用超速法实现减载不可行,因此可以判定为中风速或高风速模式。为了工程使用方便,ω0的计算可以通过查图法进行,如附录B图B1所示,采用样条插值法画出d0%减载曲线,由减载后的功率P0,求得相应的转子转速ω0。P0的计算公式如下:P0=(1-d0%)PMPPT(2)式中:PMPPT为在风速Vw下的最大可用有功功率。值得注意的是,本文中低风速与中风速的界定风速Vw1与指定的初始减载水平相关。由图2可知,当d0%减少,减载曲线会向MPPT曲线靠近,即B′点上移,Vw1的数值会增大,扩大了低风速的范围,缩小了中风速的范围。3.2中风速下风电机组功率变化量的计算风速模式判定成功后,将针对每一模式求取参考转子转速ωref。对于低风速控制模式,如图3所示,假设从X′点控制到L点,频率响应特性模拟环节的功率输出(即L点功率)为:PL=P0+ΔP(3)式中:P0为频率下降特性的参考负荷,可由式(2)得到;ΔP为频率偏移时风电机组的有功功率变化量,其计算公式如下:式(4)中-1/Rf是速度下降曲线的斜率。此时减载水平变为:由于控制路径XX′是P-ωr曲线的一部分,仍可用查图法。如附录B图B1所示,由式(5)求得当前减载水平d′%,采用样条插值法画出d′%减载曲线,由式(3)求得当前功率输出PL,查附录B图B1求得对应的转子转速ωL。由于参考转速不可超过最大转速ωmax,不失一般性,取ωref=min{ωL,ωmax}。中风速模式下,如图3所示,由于控制路径YY′是直线,M点的转速可由下式求得:式中:下标Y,M,Y′对应图3上相应点的功率或转速。进一步推导得:式中:ωMPPT为风速Vw下MPPT点对应的转子转速,其计算公式如下:当然参考转速也不能超过最大转速ωmax。不失一般性,取ωref=min{ωM,ωmax}。高风速模式下,参考转速始终保持在最大转速,即ωref=ωmax。3.3频率上升和转子加速是机组工作的一个重要对照综合3.1节和3.2节的论述,超速控制器的控制策略可总结为表1,“✓”表示优先采用该减载方法,“×”表示不优先采用。前文均基于频率下降事件,假设风电机组起初稳态运行于某减载水平,低风速通过降低转子转速增加出力,中风速通过同时降低转子转速和减小桨距角来增加出力,高风速通过减小桨距角增加出力;对于频率上升事件,原理类似,是频率下降事件的对偶情况,此时风电机组可通过转子加速或增大桨距角减小出力,区别是无论采用何种风速模式,桨距角都要准备进行调节,因为当转速加速到最大值时,再让风电机组减小出力只能靠变桨进行。不失一般性,本文只对频率下降事件进行仿真。4辅助应用实例采用DIgSILENTPowerFactory仿真软件搭建电力系统仿真模型,如图5所示,部分参数已在图中标出,其他参数见附录A和C。初始f=50Hz,d0%=10%,恒定负荷2断开,t=10s时将负荷2接入。在不同风速下对系统进行仿真,选取其中3个代表性的风速条件,即8m/s,10m/s,14m/s,仿真结果如图6～图8所示。从图6～图8可知,辅助调频控制能自动识别风速模式并执行相应的控制策略。例如:控制器识别8m/s的风速属于低风速,执行超速控制;控制器识别10m/s的风速属于中风速,执行超速和变桨协同控制;控制器识别14m/s的风速属于高风速,执行变桨控制。仿真结果与理论预期结果相符。与MPPT的情况相比,安装辅助调频控制器提高了系统的频率稳定性。分析稳态响应,对比图6(a)、图7(a)和图8(a),双馈风电机组释放了减载备用,稳态有功输出增加,进而提升了系统稳态频率。分析暂态响应,在负荷2接入后5s内(10～15s时段),与MPPT情