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        雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的頻率控制策略研究

        2012-10-16 06:29:50何飛躍王偉勝
        電網(wǎng)與清潔能源 2012年7期
        關(guān)鍵詞:雙饋慣性擾動(dòng)

        何飛躍,王偉勝

        (中國電力科學(xué)研究院新能源研究所,北京 100192)

        隨著風(fēng)電容量在系統(tǒng)中所占比重的增加,風(fēng)力發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)的影響也越加明顯。國內(nèi)外趨勢(shì)表明,風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)也需要參與系統(tǒng)的有功控制,承擔(dān)系統(tǒng)有功調(diào)節(jié)任務(wù)。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不參與系統(tǒng)的頻率控制時(shí),若系統(tǒng)負(fù)荷變化或電力發(fā)生故障,系統(tǒng)頻率會(huì)發(fā)生變化。但由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不具備類似常規(guī)機(jī)組的頻率特性,即不會(huì)因頻率的變化而減少和增加出力,因而不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的慣性做出貢獻(xiàn)。實(shí)際上,隨著風(fēng)電并網(wǎng)容量的增加,系統(tǒng)總的發(fā)電容量增加,但若風(fēng)電不參與頻率控制,實(shí)際上參與頻率控制的系統(tǒng)總慣性減少了,擾動(dòng)或者故障消失后,系統(tǒng)的頻率就難以恢復(fù)到合理的水平。因此,隨著風(fēng)電的滲透率的增加,風(fēng)電也需要參加頻率和AGC控制。

        目前,基于雙饋感應(yīng)電機(jī)(DFIG)的變速恒頻風(fēng)電機(jī)組以其優(yōu)良的有功、無功解耦控制性能成為風(fēng)電主流機(jī)型[1-3],文獻(xiàn)[4-6]研究了DFIG參與頻率控制的一種方法,文獻(xiàn)提出了采用旋轉(zhuǎn)備用的方法參加頻率控制。隨著變速風(fēng)機(jī)成為風(fēng)力發(fā)電的主流機(jī)型,利用儲(chǔ)存在風(fēng)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)中的動(dòng)能參與頻率和AGC控制成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[7-9]。文獻(xiàn)[4]提出了雙饋風(fēng)機(jī)慣性控制模型,以利用風(fēng)機(jī)葉片儲(chǔ)存的動(dòng)能參加頻率控制,但未考慮對(duì)常規(guī)電源的影響。文獻(xiàn)[8]采用負(fù)荷模型的方法對(duì)DFIG參與頻率制進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[9]采用附加頻率控制環(huán)節(jié)的方法進(jìn)行了頻率控制研究,證明風(fēng)電場(chǎng)在一定程度上參與系統(tǒng)頻率控制。

        本文建立了電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)模型,給出了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)2種頻率控制策略:慣性控制策略和下降速率控制策略,并對(duì)這2種控制策略的頻率控制性能進(jìn)行了理論分析。慣性控制策略可以使雙饋發(fā)電機(jī)在頻率控制發(fā)揮調(diào)節(jié)作用,但不能充分利用雙饋機(jī)快速有功調(diào)節(jié)能力,同時(shí)也使常規(guī)機(jī)組的頻率響應(yīng)速度降低。下降速率控制策略則可以充分發(fā)揮雙饋機(jī)的快速有功調(diào)節(jié)能力,并且可能充分發(fā)揮常規(guī)機(jī)組的頻率快速響應(yīng)特性。文中給出了雙饋機(jī)組的下降速率控制策略的控制器參數(shù)優(yōu)化方法,建立了含風(fēng)電機(jī)組的兩區(qū)域AGC控制系統(tǒng),并對(duì)其進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,表明下降速率控制策略具有很好的控制性能。

        1 機(jī)組頻率控制動(dòng)態(tài)模型

        1.1 慣性控制策略

        雙饋風(fēng)力發(fā)電的有功和無功控制采用解耦控制,沒有常規(guī)水電/火電機(jī)組的頻率特性,當(dāng)系統(tǒng)頻率變化時(shí),不具備調(diào)整出力的能力。為了使雙饋機(jī)組參加頻率控制,需要在雙饋機(jī)組的控制模型中加入能反映頻率變化的控制環(huán)節(jié)??紤]常規(guī)機(jī)組和新能源機(jī)組的電力系統(tǒng)模型如圖1所示,ΔPd為負(fù)荷擾動(dòng);ΔParea互聯(lián)區(qū)域提供的有功功率;ΔPnc為新能源參加頻率控制提供的有功出力。

        圖1 電力系統(tǒng)頻率控制動(dòng)態(tài)模型Fig.1 Dynamic model of frequency control in power system

        考慮到電力系統(tǒng)有功功率平衡,有:

        為了使雙饋機(jī)組參加頻率控制,一種可行的辦法是采用慣性控制的方法。加入對(duì)頻率變化和轉(zhuǎn)速響應(yīng)的控制環(huán)節(jié)。雙饋機(jī)的控制模型如圖2所示,Pel.meas為實(shí)測(cè)發(fā)電機(jī)電磁功率;ωm.ref為當(dāng)前風(fēng)速下的最大出力所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)轉(zhuǎn)速。

        圖2 DFIG慣性控制模型Fig.2 Inertial control model of DFIG

        則由于考慮了頻率偏差得到附加控制功率控制量為:

        轉(zhuǎn)速的控制采用PI控制,則考慮轉(zhuǎn)速得到的附加功率控制量為:

        由于頻率變化的暫態(tài)過程很短,可以假定在頻率開始變化時(shí)ΔPω.ref=0,則非常規(guī)能源機(jī)組在頻率開始變化時(shí),提供給逆變器的頻率給定為:

        根據(jù)式(1)有:

        代入式(4),得

        由此可見,當(dāng)Kdf>0時(shí),系統(tǒng)提供等值慣性系數(shù)2H+Kdf比原來增大了,在這種情況,系統(tǒng)發(fā)生頻率擾動(dòng)時(shí),風(fēng)電機(jī)組參加頻率控制,系統(tǒng)能獲得較好控制性能。同時(shí),也需要考慮頻率控制的比率系數(shù)Kpf對(duì)系統(tǒng)的阻尼影響。當(dāng)Kpf>0,雖然能夠提供對(duì)頻率振蕩過程一個(gè)較好的阻尼性能,但同時(shí)也能會(huì)激發(fā)頻率穩(wěn)定過程中其他振蕩模式。

        總之,在這種慣性控制雖然使系統(tǒng)的慣性增加了,但由于不能直接提供頻率支持,可能掩蓋負(fù)荷的變化,導(dǎo)致常規(guī)電源在抑制負(fù)荷擾動(dòng)的響應(yīng)延遲增加;同時(shí)在這種控制方式下,沒有考慮新能源中雙饋發(fā)電機(jī)有功快速調(diào)節(jié)的優(yōu)良特性。因此,在雙饋機(jī)組的頻率控制中,需要按照非常規(guī)機(jī)組的方式處理,充分利用其功率的快速調(diào)節(jié)能力,同時(shí)保證常規(guī)機(jī)組也能快速對(duì)負(fù)荷擾動(dòng)做出快速響應(yīng)。

        1.2 下降速率控制策略

        考慮常規(guī)機(jī)組的一次調(diào)頻特性,當(dāng)頻率變化Δf,機(jī)組的有功參考增加為ΔP=Δf/R。仿照常規(guī)機(jī)組的頻率特性,雙饋機(jī)組的有功輸出也可建立以下控制:

        Washout濾波器是一種有著廣泛應(yīng)用的高通濾波器[11-12],它可以有效過濾穩(wěn)態(tài)信號(hào),而使高頻信號(hào)通過??紤]其一維情況,其傳遞函數(shù)為

        式中,k>0時(shí)Washout濾波器工作在穩(wěn)定狀態(tài),k<0時(shí)Washout濾波器工作在不穩(wěn)定狀態(tài)。引入狀態(tài)變量 w(s):

        則濾波器的狀態(tài)方程和輸出方程為:

        系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí),有w0=x0/k,y0=0相當(dāng)于輸入信號(hào)x被沖洗掉了??紤]式(10),并將圖3所示下降速率模型納入到電力系統(tǒng)頻率控制動(dòng)態(tài)模型,時(shí)間常數(shù)k與常規(guī)電源的一次調(diào)頻特性有關(guān),其值的選取可參考常規(guī)電源的一次調(diào)頻特性。

        在頻率擾動(dòng)過程中,轉(zhuǎn)速的恢復(fù)控制仍采用和慣性控制方式下相同的方式,則在這種方式下的控制模型如圖3所示。圖中1/R為常規(guī)機(jī)組的頻率特性中的下降速率。比例系數(shù)Kωp和積分系數(shù)Kωi可以根據(jù)電力系統(tǒng)頻率控制的性能指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)方法見本文2.2節(jié)。

        2 互聯(lián)電網(wǎng)頻率控制動(dòng)態(tài)模型

        2.1 頻率控制動(dòng)態(tài)模型

        圖3 DFIG下降速率控制模型Fig.3 Drop rate model of DFIG

        考慮一個(gè)兩區(qū)域的AGC系統(tǒng),假設(shè)常規(guī)機(jī)組為水電機(jī)組,以雙饋機(jī)組為代表的風(fēng)電機(jī)組參與頻率控制,在系統(tǒng)的平衡點(diǎn)做線性化處理,得到風(fēng)電機(jī)組參與頻率控制的動(dòng)態(tài)模型如圖4所示。其中,兩區(qū)域AGC系統(tǒng)模型中的ΔPnc為風(fēng)電機(jī)組提供的出力,其模型在風(fēng)電機(jī)組頻率控制模型中。

        圖4 含DFIG的區(qū)域AGC控制模型Fig.4 AGC model with DFIG

        選取區(qū)域1狀態(tài)變量為:

        其中,ΔPref為常規(guī)機(jī)組的給定值;ΔPh為水輪機(jī)調(diào)速器導(dǎo)葉開度偏差;ΔPg為常規(guī)水電機(jī)組輸出功率偏差;Δf為系統(tǒng)頻率偏差;Δx1為經(jīng)過頻率測(cè)量環(huán)節(jié)后的頻率偏差;Δx2為經(jīng)過沖失濾波器后的頻率偏差;Δx3為雙饋機(jī)組轉(zhuǎn)速積分輸出偏差;Δω為雙饋機(jī)組的轉(zhuǎn)速偏差。則電網(wǎng)頻率控制模型可用以下狀態(tài)方程表示:

        其中,W(t)為負(fù)荷擾動(dòng)量,狀態(tài)方程中的系數(shù)矩陣如下:

        2.2 風(fēng)電機(jī)組參數(shù)優(yōu)化控制

        為了提高風(fēng)電機(jī)組參加頻率控制能力,需要對(duì)風(fēng)電機(jī)組中的速度控制中的Kωi,Kωp進(jìn)行優(yōu)化,對(duì)此可以采用誤差平方積分技術(shù)(ISE,The Integral of Squared Error)來進(jìn)行優(yōu)化[13]。在控制系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)后,如果控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的,其狀態(tài)變量會(huì)由擾動(dòng)前的初始狀態(tài)達(dá)到一個(gè)新的穩(wěn)定狀態(tài)。在ISE技術(shù)條件下,其動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)可以用狀態(tài)變量偏差的二次性能指標(biāo)來表示,如下:

        式中,X(t)為系統(tǒng)狀態(tài)變量的偏差。如果在某組控制參數(shù)條件下,能夠獲得最小的二次性能指標(biāo)J,則可以認(rèn)為該組參數(shù)是最優(yōu)的。在兩區(qū)域的AGC控制系統(tǒng)中,可以選取區(qū)域控制偏差(ACE,Area Control Area)的偏差做為二次性能指標(biāo)。即:

        在實(shí)際控制過程中,為計(jì)算方便,需將上式中的積分運(yùn)算離散化,得到在采樣周期為Δt的情況下,二次性能計(jì)算指標(biāo)公式為:

        在實(shí)際控制過程中,可采用啟發(fā)式優(yōu)化算法。第一步:先對(duì)區(qū)域一、二中的DFIG的轉(zhuǎn)速控制器隨機(jī)選取一組參數(shù)。第二步:對(duì)區(qū)域一中Kωi、Kωp進(jìn)行優(yōu)化。固定一個(gè)參數(shù),如Kωi,再對(duì)Kωp由小變大進(jìn)行性能指標(biāo)的計(jì)算,可求出具有最小性能指標(biāo)的Kωp;再固定 Kωp,對(duì) Kωi由大到小進(jìn)行變化,即可得區(qū)域一的較優(yōu)的 Kωi、Kωp。第三步:采用和第二步同樣的算法,對(duì)區(qū)域二的 Kωi、Kωp進(jìn)行優(yōu)化,得到區(qū)域二較優(yōu)的控制參數(shù) Kωi、Kωp。第四步:利用區(qū)域一、二中經(jīng)過第二、三步優(yōu)化得到控制參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)性能指標(biāo)計(jì)算。若性能指標(biāo)收斂到給定的誤差范圍之內(nèi),則得到兩區(qū)域的最優(yōu)控制參數(shù);否則退回到第二步,再進(jìn)行優(yōu)化,直到誤差收斂給定的范圍之內(nèi)。

        3 仿真分析

        3.1 DFIG控制策略比較

        根據(jù)第2節(jié)中的DFIG控制策略,有慣性控制和下降速率控制策略2種。分別對(duì)如圖1所示含DFIG的獨(dú)立電力系統(tǒng)進(jìn)行兩種模式的仿真,仿真參數(shù)見文獻(xiàn)[14]。設(shè)置負(fù)荷擾動(dòng)量為2%,擾動(dòng)發(fā)生在5 s時(shí)刻,仿真時(shí)間為40 s。慣性控制策略下的常規(guī)機(jī)組和DFIG的出力如圖5所示,下降速率控制策略下的常規(guī)機(jī)組和DFIG出力曲線如圖6所示。

        圖5 慣性控制方式下的常規(guī)機(jī)組和DFIG出力曲線Fig.5 Power curve of the conventional unit and DFIG under inertia model

        可以看出,在慣性模式控制方式下,常規(guī)機(jī)組和DFIG均存在一定的超調(diào),且由于系統(tǒng)的總慣性加大,該模式下的常規(guī)機(jī)組的響應(yīng)時(shí)間比在下降速率下的響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。而采用基于下降速率的控制策略,常規(guī)機(jī)組和DFIG機(jī)組的響應(yīng)時(shí)間均比較小。主要是因?yàn)樵谠摽刂撇呗韵虏捎脹_失濾波器來提出頻率偏差的高頻分量,而不是采用仿真慣性的方式來增加系統(tǒng)的慣性,因此既能利用常規(guī)電源的快速調(diào)頻響應(yīng)能力,也能充分利用DFIG的特性進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)。

        圖6 下降速率控制策略常規(guī)機(jī)組和DFIG出力曲線Fig.6 Power curve of the conventional unit and DFIG under drop rate model

        3.2 一次調(diào)頻分析

        對(duì)DFIG分別采用慣性控制策略和下降速率控制策略,對(duì)圖1所示的獨(dú)立電力系統(tǒng)進(jìn)行一次調(diào)頻的仿真。對(duì)獨(dú)立電力系統(tǒng)設(shè)置負(fù)荷擾動(dòng),擾動(dòng)設(shè)置在5 s時(shí)刻,負(fù)荷擾動(dòng)量設(shè)為2%。假設(shè)在仿真過程中風(fēng)速保持不變,仿真時(shí)間為40 s。分別對(duì)有無DFIG參與頻率控制進(jìn)行仿真,其系統(tǒng)的頻率響應(yīng)如圖7所示??v坐標(biāo)表示頻率偏差的相對(duì)值。

        圖7 一次調(diào)頻頻率響應(yīng)曲線Fig.7 Primary frequency response curve

        從圖7中可看出,當(dāng)DFIG采用慣性控制策略參與一次調(diào)頻時(shí),系統(tǒng)的頻率響應(yīng)過程有明顯的超調(diào)量,調(diào)節(jié)時(shí)間也比較長(zhǎng)。當(dāng)DFIG采用下降速率控制策略參與一次調(diào)頻時(shí),系統(tǒng)的頻率偏差超調(diào)明顯減少,調(diào)節(jié)時(shí)間明顯減小。

        當(dāng)發(fā)生負(fù)荷擾動(dòng)時(shí),從圖8可看出,機(jī)組轉(zhuǎn)速迅速下降,以釋放存儲(chǔ)葉片中的動(dòng)能,增加對(duì)一次調(diào)頻的功率輸出,此后由于機(jī)組偏離最優(yōu)轉(zhuǎn)速,機(jī)組捕獲的風(fēng)能逐漸減小,輸出功率也逐漸減小,直到在速度控制器的作用下,機(jī)組恢復(fù)到最優(yōu)轉(zhuǎn)速,輸出功率恢復(fù)到正常值。

        圖8 DFIG轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線Fig.8 Rotating speed response curve of DFIG

        常規(guī)機(jī)組和DFIG在負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)的功率輸出如圖6所示。從圖中可看出,DFIG的有功輸出僅在負(fù)荷擾動(dòng)過程發(fā)揮作用,當(dāng)系統(tǒng)頻率恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)時(shí),DFIG的輸出恢復(fù)到擾動(dòng)前的值。而對(duì)于常規(guī)電源,在發(fā)生負(fù)荷擾動(dòng)時(shí),常規(guī)機(jī)組立即增加處理,當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí),常規(guī)機(jī)組的輸出達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值,而不是恢復(fù)到擾動(dòng)前的水平,也就是常規(guī)機(jī)組在擾動(dòng)的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)過程中都對(duì)一次調(diào)頻有貢獻(xiàn)。

        3.3 兩區(qū)域互聯(lián)AGC仿真

        對(duì)第3節(jié)中的兩區(qū)域互聯(lián)電網(wǎng)進(jìn)行AGC仿真,兩區(qū)域均含有DFIG風(fēng)電機(jī)組,其控制參數(shù)采用第3節(jié)的方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),兩區(qū)域的DFIG分別采用慣性控制策略和降速率控制策略,對(duì)區(qū)域一和區(qū)域二分別設(shè)置2%的負(fù)荷擾動(dòng),仿真時(shí)間設(shè)置40 s,負(fù)荷擾動(dòng)發(fā)生在5 s時(shí)刻。進(jìn)行仿真,得到聯(lián)絡(luò)線功率偏差曲線如圖9所示。

        圖9 聯(lián)絡(luò)線功率曲線Fig.9 Power curve of the tie line

        從圖9可看出,下降速率控制策略下的聯(lián)絡(luò)線偏差波動(dòng)比慣性控制策略要小,調(diào)節(jié)時(shí)間也短。2種控制下的區(qū)域ACE偏差曲線如圖10、11所示[15],仿真結(jié)果表明,采用下降速率控制策略,兩區(qū)域的ACE偏差的波動(dòng)范圍比慣性控制策略下的要小,調(diào)節(jié)時(shí)間也短,頻率調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)過程也得到了明顯改善。說明DFIG能夠有效利用葉片儲(chǔ)存的能力,在頻率調(diào)節(jié)的暫態(tài)過程中發(fā)揮作用,使常規(guī)機(jī)組的調(diào)節(jié)量也減小了,調(diào)節(jié)過程也縮短了,這對(duì)常規(guī)機(jī)組的運(yùn)行是有利的。

        圖10 慣性控制策略ACE曲線Fig.10 ACE curve of the inertia control strategy

        圖11 下降速率控制策略ACE曲線Fig.11 ACE curve of the drop rate control strategy

        4 結(jié)語

        本文對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)參與電力系統(tǒng)頻率控制提出了2種控制策略,慣性控制策略和下降速率控制策略。對(duì)2種控制方式進(jìn)行了理論分析,分別建立了2種控制策略下的控制器,并進(jìn)行了對(duì)比分析。建立了含風(fēng)電機(jī)組的兩區(qū)域AGC控制系統(tǒng)模型,仿真結(jié)果表明基于沖失濾波器的下降速率控制策略,既能夠充分發(fā)揮雙饋發(fā)電機(jī)的快速有功調(diào)節(jié)能力,也能充分利用常規(guī)機(jī)組的有功調(diào)節(jié)能力。

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