王治國，楊印

（西安德納檢驗(yàn)檢測有限公司，陜西 西安 710000）

0 引言

當(dāng)前經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度加快，化石能源日益短缺，加上化工生產(chǎn)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，急需尋找新型能源進(jìn)行替代。風(fēng)能作為可再生的清潔能源得到廣泛應(yīng)用，在電網(wǎng)中的比重逐漸增加，有效功率輸出波動(dòng)頻繁，給電網(wǎng)安全性與穩(wěn)定性造成不良的影響。因此，當(dāng)前工程多采用模糊評(píng)價(jià)模式對(duì)風(fēng)電場功率進(jìn)行科學(xué)分配，對(duì)機(jī)組載荷、頻繁啟停等因素綜合考慮，確保風(fēng)電場的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 機(jī)組功率調(diào)節(jié)能力模糊評(píng)價(jià)

對(duì)于風(fēng)電場功率分配來說，快速準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)功率調(diào)節(jié)率屬于關(guān)鍵內(nèi)容。在風(fēng)電場機(jī)組中，因受到生產(chǎn)與安裝誤差影響，導(dǎo)致數(shù)學(xué)模型不盡相同，加上長期使用導(dǎo)致葉片變形、材料老化等，使數(shù)學(xué)模型參數(shù)出現(xiàn)變化，增加功率評(píng)價(jià)誤差。為了節(jié)約風(fēng)電場維修成本，應(yīng)結(jié)合機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)合理分配功率，即優(yōu)先調(diào)度狀態(tài)良好的機(jī)組，減少狀態(tài)不良機(jī)組的調(diào)度。當(dāng)風(fēng)速為切出風(fēng)速時(shí)，可適當(dāng)降低機(jī)組功率給定，避免葉片載荷增加；當(dāng)為切入風(fēng)速時(shí)，機(jī)組為啟動(dòng)狀態(tài)，無需進(jìn)行調(diào)度，避免并網(wǎng)接觸器重復(fù)閉合。為了使每臺(tái)機(jī)組的功率調(diào)節(jié)能力充分發(fā)揮出來，一些具有較強(qiáng)調(diào)節(jié)力的機(jī)組應(yīng)承擔(dān)更多的發(fā)電任務(wù)。根據(jù)機(jī)組動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，采用模糊評(píng)價(jià)法對(duì)機(jī)組調(diào)節(jié)能力進(jìn)行測評(píng)。

機(jī)組限功率運(yùn)行模糊集包括變槳限功率運(yùn)行（B）、聯(lián)合限功率運(yùn)行（WB）、變速限功率運(yùn)行（W）三種。因機(jī)組功率在調(diào)節(jié)階段運(yùn)行穩(wěn)定性受到限制，對(duì)于單一機(jī)組來說，可開展限功率控制實(shí)驗(yàn)，當(dāng)B運(yùn)行中，風(fēng)速較?。划?dāng)WB運(yùn)行中，風(fēng)速較大。因此，可將運(yùn)行對(duì)應(yīng)風(fēng)速范圍分成低速、中速與高速，隸屬度由變速機(jī)構(gòu)運(yùn)行程度而定。調(diào)節(jié)能力可分為上升與下降兩種，二者具有互補(bǔ)性。在B狀態(tài)運(yùn)行中，轉(zhuǎn)速始終處于額定轉(zhuǎn)速內(nèi)，機(jī)組轉(zhuǎn)速、最優(yōu)轉(zhuǎn)速的差異較大，升功率調(diào)節(jié)力越強(qiáng)，說明隸屬度數(shù)值越高。當(dāng)風(fēng)速為4m/s時(shí)，在第i臺(tái)機(jī)組運(yùn)行中，當(dāng)轉(zhuǎn)速為每秒1.5rad時(shí)，達(dá)到最佳值。在功率調(diào)節(jié)力評(píng)價(jià)中，不但與風(fēng)速相關(guān)，還關(guān)系到轉(zhuǎn)速與槳距角等指標(biāo)。為了提高功率分配合理性，應(yīng)對(duì)上述指標(biāo)綜合分析，可通過改變槳距角或轉(zhuǎn)速的方式進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，提高響應(yīng)速度。但如若變槳系統(tǒng)的操作過于頻繁，則會(huì)使機(jī)組的載荷提升，使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)功率被改變，響應(yīng)速度減慢，但載荷值會(huì)由此減小。假設(shè)某風(fēng)速狀態(tài)下，槳距角用β表示，機(jī)組運(yùn)行的最佳轉(zhuǎn)速為w，與額定轉(zhuǎn)速W相比較低，輸出功率用L表示?？赏ㄟ^調(diào)整轉(zhuǎn)速的方式，使機(jī)組輸出功率的最大值、最小值變化。以升功率為例，可采用變速變槳的方式，將給定功率控制在合理范圍內(nèi)；也可通過主動(dòng)改變轉(zhuǎn)速的方式，對(duì)變槳功率進(jìn)行調(diào)節(jié)[1]。

2 基于功率調(diào)節(jié)的風(fēng)電場功率分配措施

2.1 分配技術(shù)基礎(chǔ)

以永磁同步風(fēng)電機(jī)組為力，有功功率分配框圖如下圖1所示。由功率控制器對(duì)各臺(tái)機(jī)組風(fēng)速與實(shí)際功率進(jìn)行采集，風(fēng)速為VW，1到VW，N，實(shí)際功率輸出為P1到PN，采用功率控制分配法，分別為每個(gè)機(jī)組配置一個(gè)給定功率，即Pset1到PsetN，最后使風(fēng)電場中各臺(tái)機(jī)組輸出功率的總值與調(diào)度給定功率相同，其中前者用Psum表示，后者用Psumset表示。

圖1 風(fēng)電場有功功率分配圖

2.2 模糊控制流程

根據(jù)模糊控制器結(jié)構(gòu)、推理規(guī)則、隸屬度函數(shù)等創(chuàng)建模糊控制算辦法，在對(duì)有功功率波動(dòng)有效控制的同時(shí)，對(duì)風(fēng)電功率進(jìn)行平抑，具體流程如下：

第一步：對(duì)各參數(shù)變量進(jìn)行初始化，明確電容器、電池運(yùn)行范圍、采樣時(shí)間、風(fēng)場容量、并網(wǎng)有功功率要求等，確保N時(shí)段內(nèi)的有功功率波動(dòng)處于△P之內(nèi)；

第二步：在電容器與電池常規(guī)運(yùn)行區(qū)間，制定隸屬度函數(shù)、控制規(guī)則表，對(duì)t時(shí)段風(fēng)電功率與t-N時(shí)段功率的最大波動(dòng)率進(jìn)行計(jì)算；

第三步：在當(dāng)前電池能量狀態(tài)下，以模糊控制規(guī)則為依據(jù)，輸出比例系數(shù)，并計(jì)算出儲(chǔ)能出力功率與并網(wǎng)分量值。在當(dāng)前電容器能量狀態(tài)下，根據(jù)控制規(guī)則，計(jì)算出電池與電容器的真實(shí)輸出功率，并對(duì)二者的SOE情況進(jìn)行估算；

第四步：在上述流程完畢后，獲得特定時(shí)段內(nèi)并網(wǎng)值、儲(chǔ)能信號(hào)值與SOE變化曲線[2]。

2.3 升降分配算法

首先，確定各個(gè)風(fēng)電機(jī)組所在的調(diào)節(jié)區(qū)，采集機(jī)組現(xiàn)行功率、變速功率的升降調(diào)節(jié)能力；其次，對(duì)功率調(diào)節(jié)區(qū)域內(nèi)機(jī)組實(shí)時(shí)輸出功率的綜合進(jìn)行計(jì)算，并與給定功率調(diào)節(jié)區(qū)的機(jī)組功率相一致；最后，將兩組區(qū)域的總給定功率相減，判斷機(jī)組功率需要提升或者下降。在升功率分配中，根據(jù)機(jī)組WB控制策略，事先按照變轉(zhuǎn)速上升措施進(jìn)行分配，如若功率調(diào)節(jié)Ⅰ區(qū)與Ⅱ區(qū)功率變化情況超出變轉(zhuǎn)速升功率范圍，則會(huì)受到變槳距角功率增加的影響，使機(jī)組整體的升分配能力增強(qiáng)。對(duì)變速功率上升能力區(qū)間P進(jìn)行計(jì)算時(shí)，P為兩個(gè)區(qū)間內(nèi)機(jī)組變轉(zhuǎn)速功率提升力的總和。在降功率分配中，按照變轉(zhuǎn)速下降措施進(jìn)行分配，如若功率調(diào)節(jié)Ⅰ區(qū)與Ⅱ區(qū)功率變化情況低于變轉(zhuǎn)速升功率范圍，則會(huì)受到變槳距角功率降低的影響，使機(jī)組整體的降分配能力降低。對(duì)變速功率下降能力區(qū)間P進(jìn)行計(jì)算時(shí)，P為兩個(gè)區(qū)間內(nèi)機(jī)組變轉(zhuǎn)速功率下降力的總和。在機(jī)組能力調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上，風(fēng)電場有功功率的分配措施如下：一是采集場內(nèi)全部運(yùn)行機(jī)組轉(zhuǎn)速、風(fēng)速與槳距角信息，依靠以往經(jīng)驗(yàn)或者查詢表，獲取現(xiàn)有機(jī)組轉(zhuǎn)速最大值與最優(yōu)值；二是采用機(jī)組調(diào)節(jié)力模糊評(píng)價(jià)法，結(jié)合機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)計(jì)算出每臺(tái)機(jī)組升功率調(diào)節(jié)力，則降功率調(diào)節(jié)力為前者的模糊補(bǔ)集；三是根據(jù)場內(nèi)有功功率輸出與電網(wǎng)調(diào)度指令的差值，計(jì)算有功功率的偏差，如若偏差超過0，則對(duì)場內(nèi)全部機(jī)組進(jìn)行升功率分配，反之則對(duì)全體機(jī)組進(jìn)行降功率分配，為每臺(tái)機(jī)組發(fā)布有功功率的給定指令。

3 仿真分析

3.1 基本參數(shù)

該風(fēng)力機(jī)組的主要參數(shù)為：空氣密度1.251kg/m3，槳葉半徑為2.5m，額定風(fēng)速為13.5m/s，風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速為3.5rad/s，槳距角范圍在0～27°之間、變槳系統(tǒng)時(shí)間為5min，發(fā)電機(jī)額定功率為1.3MW。為檢驗(yàn)算法的準(zhǔn)確性，以10臺(tái)風(fēng)電機(jī)組為對(duì)象，根據(jù)某地風(fēng)電場以往的風(fēng)速數(shù)據(jù)，繪制機(jī)組1min內(nèi)的曲線圖，發(fā)現(xiàn)1～10號(hào)機(jī)組的風(fēng)速均值依次提升。

3.2 仿真結(jié)果

假設(shè)初始槳距角度為0，轉(zhuǎn)速為每秒1rad，有功功率調(diào)度指令為5MW。在風(fēng)速權(quán)重下進(jìn)行分配，計(jì)算公式為：

式中，P1代表的是風(fēng)速權(quán)重分配功率；vi代表的是第i臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的總功率。將其與按照調(diào)節(jié)力權(quán)重分配算法相比，有功功率輸出曲線與偏差曲線對(duì)比明顯。采用調(diào)節(jié)力權(quán)重分配的輸出效果可使電網(wǎng)功率配置需求得到滿足，且場內(nèi)功率波動(dòng)值較小，根據(jù)功率平滑度定義，有功功率平滑度計(jì)算公式為：

式中，Pl代表的是有功功率平滑度；d代表的是功率波動(dòng)值；dt代表的是功率標(biāo)準(zhǔn)值。將實(shí)際值代入公式后可知，按照風(fēng)速權(quán)重計(jì)算出的平滑度為68.362，根據(jù)調(diào)節(jié)力權(quán)重計(jì)算的平滑度為21.584。根據(jù)平滑度指標(biāo)可知，后一種算法的功率分配與輸出效果優(yōu)于前一種。將兩種算法的機(jī)組轉(zhuǎn)速變動(dòng)情況對(duì)比可知，二者的變化趨勢大致相同，但按照調(diào)節(jié)力權(quán)重分配的轉(zhuǎn)速平滑度更高，這意味著該算法的應(yīng)用可使軸系載荷有效降低，使發(fā)電機(jī)的效率與壽命得到顯著提升。采用上述兩種方式進(jìn)行功率分配，10臺(tái)機(jī)組槳距角曲線不盡相同，以βi作為槳距角，在t時(shí)間內(nèi)角度的最大值可用公式表示為：

式中，βi代表的是第i臺(tái)機(jī)組的槳距角；t代表的是時(shí)間段。將真實(shí)值代入公式后，可得出按照風(fēng)速權(quán)重算法分配的槳距角為11173.24°，按照調(diào)節(jié)力權(quán)重分配算法的行程為239.55°。根據(jù)兩幅槳距角曲線圖可知，10號(hào)機(jī)組的風(fēng)速達(dá)到最大值，按照調(diào)節(jié)力得出的角幅度為13°，而按照風(fēng)速得出的角幅度為8°，且角幅度與葉片載荷具有反比關(guān)系。采用按照調(diào)節(jié)力權(quán)重分配的方式，機(jī)組整體槳距角的動(dòng)作幅度相對(duì)較低，可使機(jī)組載荷顯著降低，延長機(jī)組變槳系統(tǒng)壽命。根據(jù)調(diào)度中心以往調(diào)度指令可知，風(fēng)電場中的有功指令位于3～6MW之間，內(nèi)部機(jī)組槳距角的初始值與轉(zhuǎn)速無變化，仍分別為0和1rad/s，根據(jù)機(jī)組風(fēng)速曲線可知，兩種功率分配模式下的算法誤差較大，且按照調(diào)節(jié)力分配功率的算法與電網(wǎng)調(diào)度指令的控制要求更加貼近，有功功率的輸出更為平滑，且槳距角的行程減少[3-5]。

4 結(jié)語

綜上所述，風(fēng)電機(jī)組作為風(fēng)力發(fā)電的核心設(shè)備，當(dāng)期發(fā)生故障時(shí)會(huì)為人們生產(chǎn)生活帶來諸多不便。對(duì)此，本文根據(jù)機(jī)組能力提出一種新的有功功率分配算法，以機(jī)組狀態(tài)信息對(duì)依據(jù)評(píng)價(jià)功率調(diào)節(jié)能力。最后開展仿真分析，對(duì)10太機(jī)組的有功功率進(jìn)行分配。根據(jù)結(jié)果可知，此種方式的效果優(yōu)于按照風(fēng)速權(quán)重分配，可充分滿足電網(wǎng)調(diào)度要求。