／ 青島大學 董鵬程 陳明帥／

雙饋風機槳距角控制調頻特性研究

／ 青島大學 董鵬程 陳明帥／

目前，風力發(fā)電迅猛發(fā)展，由于雙饋風力發(fā)電機可以實現(xiàn)有功、無功解耦調節(jié)，往往在高功率因數(shù)下運行，當電網(wǎng)發(fā)生故障或擾動頻率跌落時不能向電網(wǎng)輸送有功幫助電網(wǎng)頻率恢復。本文根據(jù)風機運行特性，提出設定槳距角初始值實現(xiàn)備用有功的方式實現(xiàn)調頻特性，仿真結果驗證了所提方案的有效性。

雙饋風機；槳距角；調頻

0 引言

根據(jù)我國能源部門統(tǒng)計，我國總裝機容量快速增長，已接近1.5億kW。同時，由于一次能源緊缺與環(huán)境污染嚴重，國家大力提倡發(fā)展新能源發(fā)電。近日，國家發(fā)改委、海洋局發(fā)布了《海洋經(jīng)濟發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，提倡大力發(fā)展海上大容量風電機組，而且大量火力發(fā)電機組慢慢退出運行，風電對電網(wǎng)的影響與日俱增。規(guī)模龐大的電力系統(tǒng)極易受到擾動與發(fā)生故障，引起電網(wǎng)頻率波動。

鑒于上述原因，許多學者做出了大量研究工作。文獻[1]提出通過控制使風機運行在次優(yōu)功率曲線，實現(xiàn)備用有功完成電網(wǎng)頻率跌落后的調整；文獻[3]提出添加儲能設備實現(xiàn)增發(fā)有功，實現(xiàn)頻率調節(jié)。上述方案在一定程度上實現(xiàn)了頻率調整的目的，但是在經(jīng)濟成本和雙饋風機保護方面仍具有局限性。因此本文提出設定槳距角初始值實現(xiàn)備用有功，等效常規(guī)發(fā)電機組的調頻電廠。

1 槳距角控制策略

風力發(fā)電機一般以最大功率追蹤的方式運行，功率Popt為

式中，Kopt為風力機的空氣動力學特性確定的常數(shù)；ω為轉子轉速。

有文獻提出使風機放棄最大功率追蹤運行模式，以次優(yōu)功率追蹤運行模式來實現(xiàn)有功功率備用，次優(yōu)功率曲線如圖1所示，次優(yōu)功率曲線與最優(yōu)功率曲線關系如圖2所示。

然而，此種方法獲得有功功率備用是以風力發(fā)電機轉子超速減載來實現(xiàn)有功功率備用，由于轉子轉速上限限值的控制，這種方法只適合于風機額定轉速以下的情況。為使得DFIG系統(tǒng)自身可以有有功功率備用容量，對風力發(fā)電機的功率方程進行以下分析。

根據(jù)空氣動力學，風力機的輸入功率[2]

風能利用系數(shù)[2]

所以，風力機輸出機械功率[2]

式中，ρ為空氣密度；Sw為風力機葉片迎風掃掠面積；ν為進入風力機掃掠面之前的空氣流速（即未擾動風速）；λ為葉尖速比；β為槳距角。

由上述公式可見，風力機輸出功率相關的可改變量是槳距角β。槳距角β與風能利用系數(shù)的關系如圖3所示，在葉尖速比為定值時，β越大，風能利用系數(shù)越小，因此風機輸出功率越小，風力發(fā)電機的槳距角為0°時風力發(fā)電機輸出的功率最大，因此，通過設定風機葉片槳距角初始值，降低機組有功出力，使風機留有一定的備用有功容量，當電網(wǎng)頻率發(fā)生偏移時起到有功功率補償?shù)淖饔茫M行頻率調節(jié)。設定初始值的槳距角頻率控制框圖如圖4所示。

當擾動發(fā)生后，電網(wǎng)頻率跌落，圖4所示控制策略開始發(fā)生作用，槳距角開始減少，有功增發(fā)，如圖6和圖7所示。

3 結束語

通過仿真結果可知，通過設定初始槳距角控制可以實現(xiàn)雙饋風力發(fā)電機有功增發(fā)，從而幫助電網(wǎng)頻率恢復，起到常規(guī)發(fā)電機組調頻電廠一次調頻的功能。但是這種調頻是一種有差調頻，如何在整個風電場的角度根據(jù)運行特點將風電機組分類建立等值模型，利用能量管理系統(tǒng)實現(xiàn)無差調頻是下一步要研究的重點。

[1]李軍軍，李圣清，匡紅梅.雙饋風電系統(tǒng)參與頻率調節(jié)的小擾動穩(wěn)定性分析[J].電機與控制學報，2012，16(8)：1-10.

[2]賀益康，胡家兵，Lie XU（徐烈）.并網(wǎng)雙饋異步風力發(fā)電機運行控制[M].北京：中國電力出版社，2011：29-31.

[3]劉東霖，王倩.雙饋風力發(fā)電機組虛擬慣性控制研究[J].電測與儀表，2016，53(14)：46-50.

[4]朱曉榮，趙猛，王毅.雙饋感應風力發(fā)電機組復合頻率控制策略研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2012，40(8)：20-24.