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        淺析風電并網(wǎng)系統(tǒng)頻率響應及控制策略

        2016-10-31 09:18:20宋金鑫蔡曉峰沈陽華創(chuàng)風能有限公司
        大陸橋視野 2016年14期
        關(guān)鍵詞:頻率響應發(fā)電機組風電場

        烏 彤 宋金鑫 高 偉 蔡曉峰 / 沈陽華創(chuàng)風能有限公司

        淺析風電并網(wǎng)系統(tǒng)頻率響應及控制策略

        烏彤宋金鑫高偉 蔡曉峰 / 沈陽華創(chuàng)風能有限公司

        頻率穩(wěn)定是確保電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的主要保障,頻率出現(xiàn)偏移會對系統(tǒng)設備的正常運行造成嚴重影響,甚至會引發(fā)系統(tǒng)頻率崩潰等事故。因此,加強對風電并網(wǎng)系統(tǒng)頻率響應特性的深入了解,并對其進行具體分析具有十分重要的現(xiàn)實意義。據(jù)此,本文對風電并網(wǎng)系統(tǒng)頻率響應及控制策略進行了具體分析。

        風電并網(wǎng)系統(tǒng);頻率響應;控制策略

        一、基于模糊邏輯系統(tǒng)的并網(wǎng)風電場頻率響應分析

        (一)基于直流潮流的風電并網(wǎng)系統(tǒng)模型簡化

        1.DFIG機組模型簡化。

        雙饋感應發(fā)電機組作為變速恒頻發(fā)電機組,其具有變速運行特性,可以在較大的風速范圍內(nèi)實現(xiàn)對風能的最大化利用。DFIG通過背靠背的PWM功率變換器接入電網(wǎng),風機機械功率和系統(tǒng)電磁功率耦控制、風機轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)頻率實現(xiàn)了解耦控制。現(xiàn)在兆瓦級的風電機組主要采用DFIG,隨著DFIG機組的大量并網(wǎng)運行,在發(fā)生風速變動較大爬坡事件時,必然會對系統(tǒng)頻率的頻率響應特性造成影響,因此對DFIG進行模型簡化,如圖1所示。

        2.直流潮流網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)模型簡化。

        為了解風電場并網(wǎng)后的系統(tǒng)頻率的變化特性,在空濾頻率對網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)失控分布特性的同時,忽略無功-電壓動態(tài)變化,采用基于直流潮流的頻率響應模型對有功-頻率動態(tài)變化情況進行分析。采用直流潮流網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)模型必須滿足三個假設條件,即假設各支點電壓幅值的標幺值為1.0;忽略支路電阻、充電電容和并聯(lián)補償?shù)纫蛩?;支路兩?jié)點之間的電壓相角差很小,可以近似得sinθij≈ θi- θj。對于傳統(tǒng)潮流計算,支路模型一般采用如圖2模型進行計算。

        圖1 雙饋感應發(fā)電機的簡化模型

        圖2 π形支路模型示意圖

        3.基于直流潮流的頻率響應模型。

        根據(jù)各元件的簡化模型,能夠得到基于直流潮流的頻率響應模型。發(fā)電機組模型是各機組向網(wǎng)絡注入功率,為各機組端電壓相角。而負荷模型是各非發(fā)電機節(jié)點向網(wǎng)絡注入功率,為各非發(fā)電機節(jié)點的母線相角,從而形成基于直流潮流的頻率響應模型,如圖3所示。

        圖3 基于直流潮流的頻率響應模型

        (二)基于模糊邏輯系統(tǒng)的并網(wǎng)風電場頻率響應推理系統(tǒng)

        1.輸入變量的確定。

        模糊邏輯系統(tǒng)能夠通過給定的系統(tǒng)輸入和輸出數(shù)據(jù)建立相對應的非線性關(guān)系,其對參數(shù)變化的線性或非線性對象有著很強的魯棒性。對隨機或未知的輸入變量,模糊邏輯系統(tǒng)由于具有輸入和輸出的非線性映射特性,所以能夠更好地應用在風電場并網(wǎng)系統(tǒng)的多變量和非線性的復雜系統(tǒng)中。

        2.模糊邏輯系統(tǒng)的組成。

        模糊邏輯系統(tǒng)主要是由模糊集合論和信息處理技術(shù)結(jié)合形成的,是利用模糊概念和模糊邏輯構(gòu)成的系統(tǒng)。其中常用的主要有純模糊邏輯系統(tǒng)、高木-關(guān)野模糊邏輯系統(tǒng)、具有模糊產(chǎn)生器和模糊消除器的模糊邏輯系統(tǒng)。

        3.自適應模糊邏輯推理系統(tǒng)。

        為了使模糊邏輯系統(tǒng)可以正確反映風電并網(wǎng)系統(tǒng)的隨機性和不確定性,引入控制器調(diào)整模糊邏輯系統(tǒng)對不確定項的逼近精度。可以根據(jù)系統(tǒng)的功率波動值,把系統(tǒng)分為多個類似的子系統(tǒng),子系統(tǒng)的劃分根據(jù)并網(wǎng)系統(tǒng)的實際情況來決定。

        二、基于風電場-儲能系統(tǒng)的頻率聯(lián)合控制策略

        (一)風電場儲能系統(tǒng)

        1.現(xiàn)代儲能技術(shù)。

        為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性,風電并網(wǎng)系統(tǒng)利用同步發(fā)電機組提供和風電同等容量的旋轉(zhuǎn)備用會造成巨大的浪費。因為儲能系統(tǒng)具有快速響應速度和高效的能量轉(zhuǎn)換效率,在風電并網(wǎng)系統(tǒng)中配置儲能系統(tǒng),能夠有效改善風電功率的波動性,從而有利于提高發(fā)電系統(tǒng)向用戶提供用電的穩(wěn)定性,提高系統(tǒng)安全運行的穩(wěn)定性。并且,將儲能系統(tǒng)切實應用到風電場,既能夠抑制功率波動、縮減輸電、轉(zhuǎn)移時間,又能夠合理有效控制參與率?,F(xiàn)在使用的主要儲能方式有通過機械儲能方式、電磁儲能方式和化學儲能方式。

        2.儲能系統(tǒng)接入方式。

        就現(xiàn)階段儲能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀來看,儲能系統(tǒng)接入風電場的方式主要分為散儲能和集中儲能兩種方式。其中分散儲能方式主要是將儲能裝置安裝到每臺風機的終端,其是以平抑單臺風機輸出功率波動為主要目標,對應配置的儲能系統(tǒng)容量和功率相對較小,能夠充分發(fā)揮儲能裝置的功率調(diào)節(jié)作用。而集中儲能方式是將儲能系統(tǒng)安裝在風電場出口母線處,其主要控制整個風電場的輸出功率。

        3.儲能系統(tǒng)充放電模型。

        根據(jù)風電的隨機和快速變化特性,合理利用儲能系統(tǒng)和風電場協(xié)調(diào)配合為并網(wǎng)系統(tǒng)提供調(diào)頻功能已經(jīng)成為未來發(fā)展的必然趨勢。目前適用于風電場儲能系統(tǒng)的主要有電池儲能、飛輪儲能、超導儲能和超級電容器儲能。儲能系統(tǒng)在系統(tǒng)運行過程一直處于充放電不斷變化的狀態(tài)。現(xiàn)階段還沒有適用于儲能系統(tǒng)的、準確的充放電控制模型,儲能元件的剩余電量受自放電率和充放電率的影響。

        (二)基于風電場-儲能系統(tǒng)的頻率聯(lián)合控制策略

        1.風電場等效慣性時間常數(shù)對于系統(tǒng)頻率響應的影響。

        傳統(tǒng)發(fā)電機組是由具有旋轉(zhuǎn)慣量的機械部件所組成的,發(fā)電機轉(zhuǎn)速與發(fā)電機組的轉(zhuǎn)動慣量之間密不可分。對于風電場并網(wǎng)系統(tǒng),風力發(fā)電機組的出力是由風速決定的,風速的隨機變化特性不僅會使風電場的有功出力出現(xiàn)波動,還會導致風力發(fā)電機組的運行狀態(tài)隨時發(fā)生變化。風力發(fā)電機組受風速大小決定切入或切出運行,這使得整個風電場的慣性常數(shù)也會隨時發(fā)生變化。

        2.風電場-儲能系統(tǒng)頻率控制策略。

        在風電并網(wǎng)容量達到一定程度時,必須切實考慮風電場對并網(wǎng)系統(tǒng)頻率響應特性的影響。利用等值下垂控制系數(shù)模型,風電場參與系統(tǒng)的一次調(diào)頻,微系統(tǒng)提供有功支持。但是,風電場的調(diào)頻能力會受風速的影響而導致其穩(wěn)定性降低。因此,可以充分利用儲能系統(tǒng)的快速響應特性,彌補風電場的不足,并與風電場相協(xié)調(diào)、相配合,積極參與到風電場的頻率控制中去。風電場-儲能系統(tǒng)頻率控制示意圖如圖6。

        圖4 風電場-儲能系統(tǒng)頻率控制示意圖

        三、結(jié)語

        綜上所述,隨著電力系統(tǒng)復雜程度的不斷提高,尤其是風電并網(wǎng)的發(fā)展,使得系統(tǒng)的不確定性和非線性迅速增加,在很大程度上很容易誘發(fā)頻率失穩(wěn)事故的發(fā)生,從而對電力系統(tǒng)的安全運行造成嚴重影響。相信在控制策略的不斷完善下,我國風電并網(wǎng)系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性勢必會得到有效提升。

        [1]曾飛,張勇,劉玙,張巖,張小易,袁宇波,文福拴.電力系統(tǒng)故障診斷的時序模糊邏輯推理方法[J].華北電力大學學報(自然科學版).2014(01).

        [2]向榮,王曉茹,譚謹.基于飛輪儲能的并網(wǎng)風電場有功功率及頻率控制方法研究[J].系統(tǒng)科學與數(shù)學.2012(04).

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