雙饋風力發電機的一次調頻控制

胡 浪,李時東,袁清晨,徐大為

(湖北民族學院 信息工程學院,湖北 恩施 445000)

雙饋風力發電機的一次調頻控制

胡 浪,李時東*,袁清晨,徐大為

(湖北民族學院 信息工程學院,湖北 恩施 445000)

風電機組并網沖擊導致系統慣性降低,雙饋風機發電機可通過對勵磁電流的控制改變電機轉速,從而利用轉子動能調節功率支撐,減小對電網的擾動.針對變速風電機組的綜合調頻問題,通過對風力發電機一次調頻特性的分析,結合矢量控制調功、附加功率慣性控制和PI變槳控制技術,實現了雙饋風機一次調頻組合控制,基于Matlab搭建了雙饋風機發電系統仿真模型,仿真結果顯示所采用的組合控制方案能對系統提供功率支撐,提高了系統頻率穩定性.

雙饋風力發電機;矢量控制;慣性控制;最大功率跟蹤;變槳控制;調頻

雙饋風機因為具有獨立的勵磁繞組,相較于同步發電機而言,調節能力更強,通過調節勵磁電流頻率控制發電機轉速,利用轉子動能調節負荷,減小對電網的擾動,弱化高滲透率帶給電網系統安全穩定運行的不利影響.

當前的主流雙饋風機多采用基于定子磁鏈的矢量控制策略實現變速恒頻發電和有功無功的獨立解耦,它可以獨立調節電磁轉矩和無功功率、可實現最大風能捕獲、傳動鏈機械應力小,為電網提供必要的電壓和頻率支撐.同時,由于雙饋風機通過變換器與電網相連,其與電網的弱耦合性導致轉子側不能響應頻率的變換,因此調頻能力有限.隨著裝機容量增加及其高滲透率,風電機組的機械慣性使得直流電壓易受風電功率波動影響而失穩.研究雙饋變速風機的快速有功功率控制,基于虛擬慣量,結合矢量控制和變槳控制技術,開發風電機組慣性支持與調頻能力,從而為電網提供動態支撐是非常有意義的.

1 雙饋風電機的功率控制

雙饋發電機的定子直接和電網連接,轉子經過一套雙向功率變換器和電網相連,如圖1所示.其風力機捕獲的機械功率PM如式(1)所示[1]:

PM=0.5ρπCp(λ,β)R2ν3

(1)

圖1 雙饋風力發電機系統模型Fig.1 Doubly-fed wind power generator system model

其中:ρ為空氣密度(0.125kg/m3);Cp(λ,β)為風能利用系數;λ為葉尖速比;λ=ωMR/ν;ωM為風力機的機械轉速;β為槳距角;R為風力機風輪半徑;ν為風速.

當雙饋風力機運行在低于額定風速時,通過控制發電機實現不同風速下的風機捕獲功率的PM最大化,經過對風力機轉速的調節,維持最佳葉尖速度比來實現.風力機在不同槳距角下捕獲的最大風能時,Cp(λ,β)最大應滿足[2]:

?Cp(λ,β)/?λ=0

(2)

雙饋風電機可以通過控制轉子側變流器的電流將轉子側的轉速降到較低,相比定風速型風機能夠提供更多的等效慣量.基于定子磁鏈定向的矢量控制[5]常用于雙饋風機的功率獨立解耦.當d軸定向于定子磁鏈時,電壓與q軸同向,定子有功和無功功率為:

(3)

(4)

通過d軸q軸電流分別控制有功和無功功率,使得功率跟蹤問題轉化為式(3)～(4)中電流指令值的跟蹤問題[6].由于忽略定子電阻,實際的定子功率不會恰好是目標值,誤差還可能來自電機其它參數,為消除誤差,在本文中,設計增加兩個功率外環實現對功率的補償,從而實現d軸電流和q軸電流跟蹤,達到控制有功和無功功率的目的,包含外環控制器的電流跟蹤模型如式(5)～(6):

(5)

(6)

其中:νdr,νqr為d、q軸轉子電壓,σ電機的漏電感系數,Lr轉子電感,ψds、ψqs為d、q軸定子磁鏈,ωr轉子角速度.

雙饋風機采用矢量控制技術能夠實現電流和功率的解耦控制,這也使得轉子的動能慣性被隱藏起來,當電網因切機,負荷變化和瞬時故障而引起系統頻率變化時,無法響應頻率的變化,因此需要在矢量控制的基礎上加入慣性調節和有功備用.

2 調頻控制策略

2.1 風電機轉子慣性控制

轉子慣性控制的基本思想:改變轉子側變流器的電流,從而調節轉速瞬時變化,通過釋放或者存儲風電機旋轉的部分動能,以快速響應系統頻率的暫態變化,提供類似于傳統機組的轉動慣性[7].

風電機組功率的參考值為:Pref=PMPPT+ΔP.

附加功率控制器添加基于頻率偏差變化的附加功率為：

其中:Δf為系統頻率偏差;Kdf為頻率偏差微分比例系數;Kpf為頻率偏差比例系數.

2.2 變槳控制

利用槳葉的迎風角度變化,增加或減小機械功率的輸入,使其運行于最大功率點(或其下某點),從而釋放或存儲一定的備用容量.隨著槳距角增加,機組留有的備用功率也增加.功率-轉速特性曲線如圖2所示:

圖2 功率-轉速特性曲線Fig.2 Power-speed characteristic curve

當風力機穩定運行在最大功率點1時,系統頻率為50Hz工頻,輸出功率為P1;若電網負載功率增加引起電網頻率下降,則需要風電機組提供更多的有功功率支撐.通過減小槳距角β增加機組的風能捕獲,提升輸出功率,如從點1上升到3,此時機組輸出功率從P1上升到P3;反之,當電網負載減小,電網頻率上升,槳距角增大,風能捕獲降低,運行點從1到2,機組減載運行提供更多的功率備用.

通過葉片槳距角調節進行一次調頻[8-9],未能考慮虛擬慣性的影響,結合槳距角調節和虛擬慣性[10-11],考慮了頻率偏差和功率偏差反饋,但沒有考慮功率的備用.本文在綜合考慮槳距角調節和虛擬慣性的基礎上,增加了有功備用和轉速偏差反饋,為二次調頻提供功率支撐,改進雙饋風電機組的變槳控制方程為:

(8)

式中:K為頻率偏差比例系數;βω為在轉速恒定區時的槳距角;β0為減載備用運行時的槳距角;T1為時間常數.

3 算例仿真

3.1 雙饋風力發電系統仿真模型

圖3 仿真系統結構圖Fig.3 Simulation system structure diagram

3.1.1 風力發電系統模型 在Matlab中建立如圖3所示的通用仿真系統模型.為了驗證雙饋風電機組綜合調頻控制的問題.該仿真系統模型四臺常規機組分在兩個區域中.區域1包括機組1和2,區域1的所有負荷接入節點7,有功負荷為967MW;機組3和4位于區域2中,節點9的有功負荷為1 767MW.每臺機組都裝有調速器、電力系統穩定器和勵磁系統.兩區域通過中間線8互相聯接.風電場有250臺總容量為500MW雙饋風電機組.C1和C2為無功功率補償裝置.

圖4 虛擬慣性控制模塊Fig.4 Virtual inertia control module

3.1.2 控制器模型

1)虛擬慣性控制模型.虛擬慣性參與調頻是一個暫態過程,之后會快速恢復轉速.為避免轉速還原過程向系統吸收有功功率,導致系統頻率的二次下降[12].結合式(8),增加轉速保護系統模塊使得附加功率恒定以維持轉速穩定,添加轉速恢復啟動模塊使系統恢復穩定后再使附加功率減小直到零.建立虛擬慣性控制器模型如圖4.圖4中,高通濾波器的作用是通過阻斷穩態輸入信號避免持久頻率偏差影響控制策略.低通濾波器的作用是消除頻率測量時噪音的干擾.

2)變槳控制器模型.通過頻率偏差和功率偏差反饋,考慮功率的備用為二次調頻提供功率支撐的變槳控制的一次調頻控制器如圖5.

3.2 仿真結果分析

考慮在節點7突然增加200MW有功功率負荷,分別在以下情形時,對系統的頻率響應情況進行討論.①雙饋風電機組不參加調頻;②雙饋風電機組采用慣性控制調頻策略;③雙饋風電機組采用改進變槳控制調頻策略;④雙饋風電機組采用綜合調頻控制策略.

圖5 一次調頻控制結構圖Fig.5 Control diagram of primary frequency regulation

圖6顯示了上述4種情況下有功功率負荷突增后,節點8的頻率響應特性.從仿真結果可以看出,當雙饋風電機組不參與頻率調節時,系統頻率偏差幅值最大,頻率下降最明顯;由于系統等效慣性增加,雙饋風電機組采用慣性控制減少了系統頻率偏差,系統頻率下降變緩;后兩種情形下,頻率偏差幅值更小,頻率偏差波動平緩,頻率調整過程比較平穩.

圖6 有功功率響應Fig.6 Active power response

圖7 系統的頻率響應Fig.7 Frequency response of the system

圖7顯示了4種不同情形下雙饋風電機組注入有功功率的響應曲線.慣性控制策略時,有明顯的功率振蕩;另一方面,采用改進變槳控制策略時,雙饋風電機組注入的有功功率比慣性控制的要多;雙饋風電機組綜合調頻控制輸出的有功功率能夠更快、較平穩地達到其額定輸出功率.結合4種情形下的頻率響應曲線可知:雙饋風電機組參與頻率調節時,其迅速注入的有功功率,能夠快速的給負荷突變提供有功補償,減少了頻差波動的幅值.且雙饋風電機組注入的有功功率越多,系統頻率偏差幅值就越小.在調節頻率的瞬時過程中,雙饋風電機組是通過釋放部分轉子中的旋轉動能來增加其額外的注入功率.雙饋風電機組參與頻率調節負荷突增時會引起轉速下降,慣性控制策略轉速下降程度比改變槳進控制策略下的情形小.采用改進變槳控制時,其轉速下降程度比虛擬慣性控制恢復到最佳轉速的時間短.結合頻率響應曲線可知:改進控制策略與慣性控制策略相比,能獲得更好的頻率響應,但雙饋風電機組的轉速變動較大.

4 結論

通過對傳統變槳控制一次調頻控制調頻策略的改進,結合矢量控制、慣性控制和變槳控制的模型性能良好,4種工況下的仿真結果顯示:

1)采用改進變槳控制策略時,雙饋風電機組注入的有功功率比慣性控制策略時要多.

2)雙饋風機在綜合調頻控制策略下,不僅具有可控的慣性響應,也具有一次調頻能力,有功備用使其具有相對的二次調頻能力.

3)雙饋風電機組參加頻率調節時,有功功率的注入,能夠快速的給負荷突變提供有功補償,減少了頻差波動的幅值.

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責任編輯：時 凌

Primary Frequency Control of Doubly-fed Wind Power Generator

HU Lang,LI Shidong*,YUAN Qingchen,XU Dawei

(School of Information Engineering,Hubei University for Nationalities,Enshi 445000,China)

The system′s inertia will be decreased when the wind turbine is connected to the grid,and the doubly-fed fan generator can change the speed of the motor by controlling the excitation current so that the power of the rotor can be adjusted to reduce the disturbance to the power grid.For the overall frequency of variable speed wind turbine,a doubly-fed fan frequency modulation control is achieved by analyzing the primary frequency of the wind turbine and combining with the vector control of power modulation,additional power inertia control and PI pitch control technology.The simulation model of doubly-fed generator system is built based on Matlab,and the simulation results show that the composite control scheme used in this paper can provide power support for the system and improve the frequency stability of the system.

doubly-fed wind generator;vector control;inertial control;maximum power tracking;pitch control;frequency regulation

2017-05-27.

國家自然科學基金項目(31360408).

胡浪(1989-),男,碩士生,主要從事電力系統及其自動化的研究;*

李時東(1971-),博士,教授,主要從事信息處理、控制系統和算法優化等的研究.

1008-8423(2017)03-0339-04

10.13501/j.cnki.42-1569/n.2017.09.020

TM614

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