胡博，李麟

（中國(guó)電建集團(tuán)河北工程有限公司，河北 石家莊 050000）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)能源機(jī)構(gòu)改革的不斷深化，新能源在電力系統(tǒng)中的占比正在不斷提升，其中較為重要的部分則是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。為實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常以電力電子裝置并入電網(wǎng)當(dāng)中，但由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組受環(huán)境影響較大，出力不穩(wěn)定，且很難進(jìn)行有效預(yù)測(cè)，其發(fā)展受到了一定程度的限制，如何通過(guò)優(yōu)化控制策略解決上述問(wèn)題，仍需要進(jìn)一步分析研究。

1 風(fēng)電機(jī)組模型概述

為確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有著更高的發(fā)電效率，當(dāng)前在電力系統(tǒng)中主要采用變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其又可分為雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（DFIG）和永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（PMSG），其中以后者相對(duì)較為常見[1-2]。PMSG的主要結(jié)構(gòu)分為風(fēng)力機(jī)、傳動(dòng)鏈、永磁發(fā)電機(jī)、機(jī)側(cè)變換器和網(wǎng)側(cè)變換器五部分[3-4]。

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，風(fēng)力機(jī)是首要的工作模塊，其在風(fēng)力的推動(dòng)下，槳葉開始旋轉(zhuǎn)，完成空氣動(dòng)能到機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換。對(duì)于給定的一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其具有固定的風(fēng)能利用系數(shù) ，據(jù)此可進(jìn)一步推導(dǎo)出發(fā)電機(jī)組的機(jī)械功率 ，計(jì)算公式如下：

風(fēng)電機(jī)組的傳動(dòng)鏈用于連接PMSG的轉(zhuǎn)子和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸，在實(shí)際研究中，傳動(dòng)鏈模型可抽象為單質(zhì)塊模型，計(jì)算公式如下：

為確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)有效對(duì)接，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)電能的平穩(wěn)輸送，在實(shí)際工作中通常采用變換器。變換器可分為電網(wǎng)側(cè)變換器和機(jī)側(cè)變換器，其中又以機(jī)側(cè)變換器較為重要，在優(yōu)化控制工作中，主要針對(duì)機(jī)側(cè)變換器進(jìn)行頻率控制，控制方法則為矢量控制。具體來(lái)看，首先需要建立dq坐標(biāo)系，對(duì)發(fā)電機(jī)定子側(cè)的輸出有功功率進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：

在式（3）中，括號(hào)中的前項(xiàng)和后項(xiàng)分別表示定子在d軸和q軸上的電壓和電流之乘積，即為定子在d軸和q軸上的功率，其中也包含一定比例的無(wú)功功率，需要對(duì)其進(jìn)行解耦。為此，考慮到d軸和q軸上的電流存在差異，因此分別對(duì)其依次進(jìn)行閉環(huán)控制和逆變換等環(huán)節(jié)，再使之經(jīng)過(guò)PWM發(fā)生器進(jìn)行處理，即可輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)輸出有功功率的有效調(diào)節(jié)。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組處于最大功率跟蹤模式（即MPPT模式）下，有著最高的發(fā)電效率。根據(jù)這一理論，則需要通過(guò)調(diào)頻，確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組始終處于MPPT模式，其主要通過(guò)附加頻率控制器實(shí)現(xiàn)。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的頻率控制方法

2.1 有功增發(fā)階段

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，受到外界環(huán)境的影響后容易出現(xiàn)系統(tǒng)功率不平衡的問(wèn)題，進(jìn)而引發(fā)電網(wǎng)頻率出現(xiàn)變化，其需要通過(guò)機(jī)組自身的慣性響應(yīng)以及一次調(diào)頻參與系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)，但機(jī)組自身的慣性響應(yīng)能力相對(duì)有限，通常依靠機(jī)組的一次調(diào)頻加以進(jìn)行。該環(huán)節(jié)主要調(diào)整的內(nèi)容是頻率的變化率和差值，通過(guò)減小頻率變化率和差值，來(lái)避免因頻率變化過(guò)大而引發(fā)的電網(wǎng)不穩(wěn)定等問(wèn)題。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的大規(guī)模并網(wǎng)會(huì)導(dǎo)致在相同負(fù)荷擾動(dòng)情況下產(chǎn)生更大的頻率偏差和頻率變化率，為控制上述問(wèn)題，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組必須通過(guò)快速的功率調(diào)節(jié)來(lái)替代同步機(jī)組的慣性響應(yīng)，才能實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，該環(huán)節(jié)主要在有功增發(fā)階段進(jìn)行，此階段的輸出功率可用公式表示：

在式（4）中，K為比例系數(shù)， 為風(fēng)電機(jī)組頻率控制介入前的轉(zhuǎn)速， 為頻率控制解除后風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速，則為風(fēng)電機(jī)組釋放旋轉(zhuǎn)動(dòng)能的時(shí)間。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻模塊介入時(shí)， 達(dá)到峰值，隨著時(shí)間的推移逐步遞減，當(dāng)時(shí)間為 時(shí)，轉(zhuǎn)速變?yōu)楹愣ㄖ?，此時(shí)機(jī)械功率全部用于輸出。

2.2 無(wú)備用風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速的恢復(fù)

無(wú)備用發(fā)電機(jī)組與上述發(fā)電機(jī)組不同，在有功增發(fā)階段完成后，其轉(zhuǎn)速和機(jī)械功率均已顯著降低，且同步機(jī)組的備用功率通常不足以再進(jìn)行一次調(diào)頻，此時(shí)如再出現(xiàn)頻率降落則容易影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為規(guī)避上述問(wèn)題，在相關(guān)的研究工作中，工作重點(diǎn)在于如何確保無(wú)備用發(fā)電機(jī)組功率盡快恢復(fù)正常值，在這一階段中，優(yōu)化控制的主要目的是，將轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段的時(shí)間盡可能降低，并避免頻率再次降低。在這一階段中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率可用公式表示：

在式（5）中，為大于0的參數(shù)，為轉(zhuǎn)速恢復(fù)的持續(xù)時(shí)間。為實(shí)現(xiàn)上述優(yōu)化機(jī)制的目標(biāo)，需要采用頻率支撐方法加以實(shí)現(xiàn)。在這一方法控制下，可利用輸出功率快速增大來(lái)降低系統(tǒng)頻率的變化率和最大頻率偏差。

2.3 減載控制

為確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，需要采用減載控制方法。為盡量降低機(jī)械磨損，超速法是減載控制方法中的首選，該方法也通常使用槳葉距角控制法加以輔助，以避免轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)減載控制的問(wèn)題。減載控制策略取決于以下兩個(gè)要素：風(fēng)速和減載率。在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，有功功率和最大功率的百分比，其與減載率的總和始終為100%，對(duì)于實(shí)際與理論情況而言，減載率通常在0~30%區(qū)間內(nèi)。

對(duì)于風(fēng)速這一要素而言，其通常將風(fēng)速按照大小分為三個(gè)區(qū)間，在風(fēng)速較小時(shí)，僅采用超速法即可實(shí)現(xiàn)減載控制，此時(shí)槳葉距角保持在0°不變；當(dāng)風(fēng)速適中時(shí)，減載控制方法以超速法為主，同時(shí)以槳葉距角的調(diào)整作為輔助；當(dāng)風(fēng)速過(guò)大時(shí)，僅應(yīng)用調(diào)整槳葉距角的方法進(jìn)行減載控制。具體的風(fēng)速區(qū)間臨界值則通常由樣條插值法求出，減載率越大，臨界值也越小。

2.4 調(diào)頻系統(tǒng)概述

調(diào)頻系統(tǒng)由參數(shù)優(yōu)化模塊、頻率控制器、槳葉距角控制單元、風(fēng)電場(chǎng)控制系統(tǒng)和減載控制等多個(gè)部分所組成，以實(shí)現(xiàn)變頻控制作用。具體來(lái)看，如發(fā)電機(jī)組工作頻率變化值較大，則調(diào)頻功能自動(dòng)開啟，并接收來(lái)自風(fēng)電場(chǎng)控制系統(tǒng)的增發(fā)功率指令，獲取實(shí)際的增發(fā)功率。同時(shí)，為確保在一次調(diào)頻后即能實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的優(yōu)化控制，參數(shù)優(yōu)化模塊內(nèi)置了智能算法，其會(huì)以機(jī)械功率為變量，實(shí)時(shí)計(jì)算槳葉距角和轉(zhuǎn)速的最優(yōu)值，并將這兩個(gè)結(jié)果輸入到槳葉距角控制單元當(dāng)中。風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速也會(huì)同時(shí)輸入到頻率控制模塊中，其目的是調(diào)節(jié)輸出功率的增發(fā)值。

當(dāng)風(fēng)速已經(jīng)超出區(qū)間III的臨界值時(shí)，無(wú)備用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到上限，此時(shí)必須通過(guò)控制槳葉距角來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制，以降低風(fēng)能的輸送量。在調(diào)頻功能介入的初始階段，風(fēng)電機(jī)組的輸出功率相對(duì)較高，其目的是降低頻率的變化率，以及避免頻率的偏差值過(guò)大。同時(shí)，通過(guò)控制單元對(duì)槳距角和轉(zhuǎn)速的控制，發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率也逐漸增大，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤控制，進(jìn)而確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在新的工況下保持穩(wěn)定。在這一過(guò)程中，除了發(fā)電機(jī)組輸出功率外，其他參數(shù)并無(wú)明顯變化。

2.5 頻率控制器參數(shù)的優(yōu)化

遺傳算法屬于并行搜索算法的一種，其算法流程與自然界的種群遺傳規(guī)律較為相似。在遺傳算法中，個(gè)體被稱之為“染色體”，在迭代計(jì)算過(guò)程中的數(shù)據(jù)更新變化則稱之為“遺傳操作”，通過(guò)不斷迭代計(jì)算，整體的系統(tǒng)將收斂到一組固定值，這組固定值稱之為“最佳染色體”，也即對(duì)應(yīng)頻率控制器參數(shù)的優(yōu)化值。此時(shí)遺傳算法結(jié)束，使用該算法獲得的數(shù)值進(jìn)行優(yōu)化即可。

在應(yīng)用遺傳算法的過(guò)程中，其基本流程如下：①根據(jù)相應(yīng)數(shù)據(jù)和未知量構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，將已知數(shù)據(jù)和未知量作為遺傳算法的“染色體”，并考慮限定條件，將多個(gè)“染色體”統(tǒng)一構(gòu)建為“初代種群”；②將“染色體”輸入到系統(tǒng)頻率響應(yīng)綜合模型中，以獲得頻率響應(yīng)曲線，計(jì)算目標(biāo)函數(shù)作為適應(yīng)度；③留下滿足約束條件的染色體，按照適應(yīng)度的大小對(duì)其進(jìn)行反復(fù)迭代計(jì)算，直至迭代計(jì)算結(jié)果收斂為止；④判斷新的種群是否為末代種群，如不是則繼續(xù)重復(fù)步驟③，直至新的種群屬于末代種群后，輸出相應(yīng)數(shù)值，以達(dá)到優(yōu)化參數(shù)的目的。

3 結(jié)語(yǔ)

總而言之，為確保實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的優(yōu)化控制，采用頻率控制方法實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制是一個(gè)較為可行的途徑。對(duì)于頻率控制而言，其關(guān)鍵在于減小頻率變化和頻率的偏差，并利用風(fēng)電機(jī)組的快速功率調(diào)節(jié)能力加以實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組頻率的有效調(diào)節(jié)，有助于提升高比例新能源電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，并為今后的電網(wǎng)升級(jí)改造提供理論支持。