伍雙喜，譚 嫣，李宇駿，張雨萌，楊銀國(guó)，寧家鑫

基于最大轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能的風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)變利用率的有功功率分配策略?xún)?yōu)化

伍雙喜1,2，譚 嫣1，李宇駿2，張雨萌2，楊銀國(guó)1，寧家鑫2

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制中心，廣東 廣州 510600；2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

風(fēng)機(jī)采用最大功率追蹤控制時(shí)無(wú)功率備用量，當(dāng)系統(tǒng)供需發(fā)生變化時(shí)，易對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性造成較大影響。提出了一種風(fēng)場(chǎng)變利用率的有功功率分配策略，在滿足系統(tǒng)調(diào)度命令的同時(shí)，減少風(fēng)能的損失，提高風(fēng)能利用率?？紤]到風(fēng)場(chǎng)的尾流效應(yīng)，所提方案通過(guò)改變每臺(tái)風(fēng)力機(jī)的利用率來(lái)控制風(fēng)機(jī)的有功功率輸出。其中，每臺(tái)風(fēng)力機(jī)的利用率根據(jù)其自身轉(zhuǎn)速而自適應(yīng)調(diào)整。當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，風(fēng)力機(jī)的利用率則較高。當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，則降低風(fēng)力機(jī)的利用率，這樣風(fēng)電場(chǎng)可存儲(chǔ)更多的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，可在系統(tǒng)需要時(shí)釋放回系統(tǒng)。通過(guò)在基于雙饋風(fēng)機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)中對(duì)所提變利用率策略進(jìn)行研究，結(jié)果表明，在滿足調(diào)度需求的同時(shí)，所提控制策略比傳統(tǒng)的等利用率方案更加節(jié)能。

風(fēng)電場(chǎng)；變利用率；雙饋風(fēng)機(jī)；有功分配

0 引言

近年來(lái)，隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的持續(xù)增長(zhǎng)，電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行面臨巨大挑戰(zhàn)[1-4]。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電超過(guò)系統(tǒng)需求時(shí)，變速風(fēng)力機(jī)(Variable Speed Wind Turbines, VSWT)若仍采用最大功率點(diǎn)追蹤(Maximum Power Point Tracking, MPPT)控制可能會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)的供需失衡[5-7]。此時(shí)，為保證系統(tǒng)中的有功平衡，傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)(Synchronous Generators, SGs)將運(yùn)行在較低出力水平甚至關(guān)停一段時(shí)間，這會(huì)導(dǎo)致同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行成本增加、同步發(fā)電機(jī)生命周期縮短等問(wèn)題[8]。

一種直接的解決方案是利用儲(chǔ)能系統(tǒng)(Energy Storage System, ESS)來(lái)滿足系統(tǒng)的調(diào)度需求[9-13]。然而，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，如飛輪和超級(jí)電容等儲(chǔ)能量較低，在長(zhǎng)期滿足系統(tǒng)調(diào)度需求方面存在很大困難。此外，考慮到充放電損耗高、安裝投資高、生命周期短等缺點(diǎn)，ESS技術(shù)也并不經(jīng)濟(jì)。因此，有必要研究利用風(fēng)力機(jī)自身能力來(lái)滿足系統(tǒng)的調(diào)度需求。

實(shí)際上，風(fēng)電場(chǎng)(Wind Power Plant, WPP)可通過(guò)適當(dāng)?shù)墓β史峙淇刂?，調(diào)節(jié)每臺(tái)風(fēng)力機(jī)的出力，可以滿足系統(tǒng)間的功率平衡[14-16]。具體而言，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)的出力超出系統(tǒng)負(fù)荷時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)可通過(guò)減載控制策略來(lái)降低有功功率輸出[17-20]。類(lèi)似地，當(dāng)系統(tǒng)中負(fù)荷超出風(fēng)機(jī)最大有功出力時(shí)，可通過(guò)過(guò)載控制暫時(shí)性地抬升風(fēng)電場(chǎng)出力以滿足系統(tǒng)負(fù)荷需求[21-24]。

有兩種有功功率控制方案可實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的減載或過(guò)載控制。第一種是通過(guò)槳距預(yù)留部分有功功率[25-26]。然而，該方案迫使風(fēng)機(jī)偏離MPPT運(yùn)行，不可避免地造成大量的風(fēng)能損失。此外，槳距的響應(yīng)速度相對(duì)較慢，頻繁啟動(dòng)槳矩角控制可能會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)應(yīng)力疲勞。第二種廣泛使用的方法是利用風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能(Kinetic Energy, KE)[22-23]。在減載控制中，通過(guò)加速轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速來(lái)保持其輸出功率，將部分風(fēng)能轉(zhuǎn)化為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能。相反地，在過(guò)載控制中可以通過(guò)降低轉(zhuǎn)速將保留的動(dòng)能釋放出來(lái)。這種有功分配方法比基于槳距控制的方法風(fēng)能利用率高?；诖藘?yōu)勢(shì)，本文進(jìn)一步研究了基于動(dòng)能的有功功率分配策略，使風(fēng)電場(chǎng)能夠在較小風(fēng)能生產(chǎn)損失的情況下完成電力調(diào)度命令。文獻(xiàn)[27]中，通過(guò)控制每臺(tái)風(fēng)機(jī)的利用率(Utilization Level, UL)相同，提出了一種簡(jiǎn)單直接的有功功率分配策略。

本文相對(duì)于傳統(tǒng)有功功率分配策略，有以下創(chuàng)新點(diǎn)和不同：

1) 考慮風(fēng)機(jī)之間尾流效應(yīng)的影響，根據(jù)不同風(fēng)速進(jìn)行風(fēng)機(jī)自適應(yīng)變利用率有功功率分配；

2) 統(tǒng)籌協(xié)調(diào)各風(fēng)電機(jī)組，減少等利用率策略的風(fēng)能損失，增加轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)動(dòng)能的儲(chǔ)存以提高能量利用率。

本文首先說(shuō)明在傳統(tǒng)的等利用率方案下，風(fēng)電場(chǎng)往往不夠節(jié)能，且較高風(fēng)速下的風(fēng)機(jī)可能比較低風(fēng)速下的風(fēng)機(jī)能量損失更多。由此，本文在考慮風(fēng)電場(chǎng)尾流效應(yīng)下，提出了一種風(fēng)場(chǎng)變利用率有功功率分配策略，該策略統(tǒng)籌協(xié)調(diào)每臺(tái)DFIG，進(jìn)而減少總能量損失，在節(jié)約風(fēng)能的目標(biāo)下，對(duì)系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)進(jìn)行變利用率策略控制，進(jìn)行有功功率的自適應(yīng)分配，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性提供支撐。風(fēng)電場(chǎng)中每臺(tái)風(fēng)機(jī)的利用率根據(jù)其轉(zhuǎn)速進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，其中，前排風(fēng)機(jī)降低利用率，后排風(fēng)機(jī)提高利用率，以便存儲(chǔ)更多的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能用以后續(xù)釋放。本文所提策略在DIgSILENT/ PowerFactory中得到了有效驗(yàn)證，結(jié)果表明，在滿足調(diào)度需求下，所提出的分配策略可以比傳統(tǒng)的等利用率方案利用更多的風(fēng)能。

1 ?風(fēng)機(jī)模型及傳統(tǒng)有功分配策略

1.1 風(fēng)機(jī)模型及MPPT算法

式中：是由MPPT算法確定的輸出功率；kg是齒輪箱的傳動(dòng)比。式(2)是當(dāng)在0.7～1.2 p.u.工作時(shí)MPPT曲線的表達(dá)式(圖1中BC段)。當(dāng)?shù)陀?.7 p.u.(圖1中AB段)時(shí)，急速下降到零。當(dāng)在1.2～1.22 p.u.時(shí)，隨線性增加到額定有功(圖1中CD段)。最后由于槳距角控制作用限制到額定功率(圖1中DE段)。

1.2 尾流效應(yīng)模型

式中：是自由風(fēng)速；-是風(fēng)機(jī)j葉片的直徑；是風(fēng)機(jī)i的轉(zhuǎn)子掃掠面積，單位為；是風(fēng)機(jī)i與j的重疊面積與掃掠面積之比；是風(fēng)機(jī)j的軸向感應(yīng)系數(shù)；是風(fēng)機(jī)i的徑向距離；k是粗糙度系數(shù)，不同環(huán)境下粗糙度系數(shù)不同。

1.3 基于等利用率的傳統(tǒng)有功分配方案

為維持系統(tǒng)中的供需平衡，要根據(jù)調(diào)度需求合理設(shè)置每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的參考發(fā)電量。下面介紹一種簡(jiǎn)單直接的方法：所有風(fēng)機(jī)設(shè)定相同利用率，即根據(jù)每臺(tái)DFIG的容量平均分配有功功率。

為說(shuō)明各機(jī)組有功出力關(guān)系，給出一個(gè)簡(jiǎn)易的微電網(wǎng)模型，其風(fēng)電場(chǎng)由多臺(tái)DFIG、一臺(tái)同步發(fā)電機(jī)和若干本地負(fù)載組成，如圖3所示。SG提供無(wú)功功率以維持電壓并在低風(fēng)速條件下產(chǎn)生額外的有功功率。風(fēng)電場(chǎng)的總有功功率需求d可以表示為

式中：m是微電網(wǎng)中本地負(fù)載的數(shù)量；是根據(jù)本地負(fù)載計(jì)算的第i個(gè)本地需求；是來(lái)自SG的有功功率；是微電網(wǎng)中的有功功率損耗，可以看作是的一小部分。

2 DFIG不同減載策略的能量流分析

當(dāng)可用風(fēng)力發(fā)電量超過(guò)系統(tǒng)需求時(shí)，應(yīng)采用適當(dāng)?shù)臏p載策略代替?zhèn)鹘y(tǒng)的MPPT算法來(lái)應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的供需失衡。風(fēng)電場(chǎng)中的DFIG可通過(guò)調(diào)節(jié)其利用率暫時(shí)減少其輸出，以滿足系統(tǒng)調(diào)度需求。在高風(fēng)速的風(fēng)電場(chǎng)中，前排DFIG啟用基于槳距角的減載控制以實(shí)現(xiàn)有功功率分配。后排DFIG在低風(fēng)速中采用基于動(dòng)能的減載控制，通過(guò)加速風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。本節(jié)將分析采用不同的減載控制進(jìn)行有功功率分配時(shí)DFIG發(fā)電量的減少或損失，以便說(shuō)明基于等利用率的傳統(tǒng)有功分配方案風(fēng)能利用率較低，并基于該能量流理論分析引出本文的優(yōu)化策略。假設(shè)所有風(fēng)機(jī)在系統(tǒng)需求變化之前都處于MPPT運(yùn)行。

2.1 基于超速的減載控制

圖4顯示了基于超速的減載控制的動(dòng)態(tài)過(guò)程。假設(shè)DFIG在中低風(fēng)速(12 m/s)下工作在其最佳功率點(diǎn)(圖1中的段)，當(dāng)可用風(fēng)能超過(guò)系統(tǒng)所需時(shí)，風(fēng)速較低的風(fēng)力機(jī)(后排DFIG)通過(guò)降低其利用率來(lái)減小輸出。由于風(fēng)電功率與風(fēng)電機(jī)組輸出功率之間的不平衡，DFIG開(kāi)始加速并最終到達(dá)點(diǎn)作為穩(wěn)定點(diǎn)。假設(shè)DFIG在兩個(gè)不同的利用率水平(圖4中的點(diǎn)和點(diǎn))下運(yùn)行，兩個(gè)減載點(diǎn)和的1i和2i的表達(dá)式可用式(8)計(jì)算。

顯然，在基于超速的減載控制下，DFIG的利用率越低，其轉(zhuǎn)子存儲(chǔ)的動(dòng)能就越多。

圖4 超速控制策略示意圖

2.2 基于槳距角的減載控制

圖5 槳距角控制策略圖示

2.3 不同控制下的風(fēng)電和能源分析

基于式(1)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)際捕獲的風(fēng)功率wi可以改寫(xiě)為

從式(10)可知，wi與當(dāng)前轉(zhuǎn)速和風(fēng)機(jī)的槳距角有關(guān)。這解釋了通過(guò)超速控制或槳距角控制(增加槳距角)來(lái)使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子超速時(shí)，風(fēng)機(jī)實(shí)際捕獲的功率會(huì)降低。風(fēng)力機(jī)中的能量平衡方程可表示為

3 基于DFIG風(fēng)電場(chǎng)變利用率有功分配策略

為在完成調(diào)度命令的同時(shí)盡可能地利用風(fēng)能，本文提出了一種風(fēng)電場(chǎng)變利用率(減載系數(shù))策略。此策略根據(jù)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行自適應(yīng)利用率調(diào)整，即較高風(fēng)速的風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用更高的利用率(較低的減載系數(shù))，使風(fēng)電場(chǎng)浪費(fèi)的風(fēng)能更少。后排風(fēng)機(jī)采用較低的利用率，將更多的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能來(lái)降低輸出功率。隨后，減載控制中風(fēng)電場(chǎng)中存儲(chǔ)的動(dòng)能可以通過(guò)過(guò)載策略釋放回系統(tǒng)。

3.1 以DFIG的減載控制實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)的有功功率分配

每臺(tái)DFIG的減載系數(shù)可寫(xiě)為

3.2 以DFIG的過(guò)載控制實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)的有功功率分配

當(dāng)系統(tǒng)過(guò)載時(shí)，系統(tǒng)所需的電量可能會(huì)超過(guò)風(fēng)電場(chǎng)可產(chǎn)生的最大功率。上述減載控制儲(chǔ)存的動(dòng)能可以通過(guò)過(guò)載控制釋放回來(lái)。一種簡(jiǎn)單直接的方法是將系統(tǒng)調(diào)度需求與風(fēng)機(jī)的最大發(fā)電量之間的功率差，平均分配給個(gè)低風(fēng)速風(fēng)機(jī)(第一組)。高風(fēng)速風(fēng)機(jī)(第二組)以額定功率運(yùn)行。過(guò)載控制下每臺(tái)低風(fēng)速風(fēng)機(jī)的參考功率可表示為

為使風(fēng)電機(jī)組在過(guò)載控制下穩(wěn)定運(yùn)行，風(fēng)電機(jī)組輸出功率應(yīng)為當(dāng)前轉(zhuǎn)速M(fèi)PPT下輸出功率參考值的最小值(圖6中綠線)和過(guò)載控制下風(fēng)電機(jī)組輸出功率的參考值(圖6中的藍(lán)線)，表示為

式(23)保證風(fēng)機(jī)在釋放所有儲(chǔ)存的動(dòng)能后可恢復(fù)到MPPT狀態(tài)。否則，風(fēng)機(jī)容易達(dá)到最小轉(zhuǎn)速限制并跳閘。整體控制策略如圖6所示，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出的功率過(guò)多時(shí)，風(fēng)機(jī)會(huì)根據(jù)式(17)和式(18)從MPPT曲線的點(diǎn)減載到點(diǎn)，以?xún)?chǔ)存更多動(dòng)能。過(guò)載時(shí)，重新釋放上述存儲(chǔ)的動(dòng)能，基于式(22)和式(23)，工作點(diǎn)從經(jīng)到點(diǎn)。

圖6 減載及過(guò)載狀態(tài)下的風(fēng)機(jī)動(dòng)作方案

本文中的過(guò)載控制可以理解為一種簡(jiǎn)單有效的將風(fēng)力發(fā)電機(jī)儲(chǔ)存的動(dòng)能釋放回系統(tǒng)的方法，也是一種驗(yàn)證所提出的減載策略有效性的方法。若要更詳細(xì)地考慮系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性(如系統(tǒng)受擾后的頻率分布)，可能還有其他策略，但這不是本文的重點(diǎn)。

4 算例分析

圖7 測(cè)試系統(tǒng)

4.1 風(fēng)速為14 m/s的風(fēng)電場(chǎng)中的減載控制

表1 高風(fēng)速下風(fēng)速、轉(zhuǎn)速、DFIG預(yù)測(cè)最大功率、利用率

表2 高風(fēng)速下變利用率策略和常規(guī)控制方案仿真結(jié)果對(duì)比

圖8和圖9比較了3種不同情況，即沒(méi)有任何額外控制、傳統(tǒng)方案和本文提出的變利用率策略。在本文提出的變利用率策略中，前排雙饋風(fēng)機(jī)(DFIG1)的利用率高于后排雙饋風(fēng)機(jī)(DFIG3)，即DFIG3的轉(zhuǎn)速增幅比DFIG1更高，因?yàn)樵龇^大，因此增加到預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速的時(shí)間更長(zhǎng)，如圖8所示。本文提出的變利用率策略中，DFIG1的利用率較高，DFIG1的轉(zhuǎn)速增加比傳統(tǒng)方案慢。從圖9(a)可以看出，風(fēng)電場(chǎng)將其輸出功率降低到與需求平衡，使系統(tǒng)頻率在負(fù)荷變化期間保持穩(wěn)定，MPPT控制由于無(wú)減載控制，因此各風(fēng)機(jī)出力不變。對(duì)比傳統(tǒng)等利用率(藍(lán)色曲線)和本文所提變利用率控制策略(紅色曲線)，本文所提策略中，DFIG1出力較多，DFIG2和DFIG3出力較少，而更多將能量?jī)?chǔ)存為旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，但總體出力與等利用率策略相同。如圖9(b)所示。相比之下，MPPT控制DFIG的風(fēng)電場(chǎng)中，只有SG承擔(dān)系統(tǒng)中功率調(diào)整，且系統(tǒng)頻率在負(fù)荷突降時(shí)快速增加，從而導(dǎo)致變利用率策略的槳距角控制啟用時(shí)間滯后于等利用率方案，如圖9(c)所示。

圖8 三組DFIG轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果

圖9 雙饋風(fēng)機(jī)3種案例仿真結(jié)果

4.2 風(fēng)速為14 m/s的風(fēng)電場(chǎng)中的過(guò)載控制

4.3 參數(shù)的影響

5 結(jié)論

為滿足電力系統(tǒng)功率供需平衡及調(diào)度需求，并提高風(fēng)能利用率，本文提出了一種基于DFIG的風(fēng)場(chǎng)變利用率的有功功率分配策略，減少有功功率分配導(dǎo)致的風(fēng)能損失。該策略根據(jù)每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速自適應(yīng)地調(diào)整其利用率，以便存儲(chǔ)更多的動(dòng)能，并在系統(tǒng)需要時(shí)釋放回來(lái)。在本文算例中，該變利用率策略比傳統(tǒng)策略增加儲(chǔ)存動(dòng)能6%。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)等利用率方案相比，所提出的方案可統(tǒng)籌協(xié)調(diào)各風(fēng)機(jī)，增加轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)動(dòng)能的儲(chǔ)存以提高能量利用率，減少總能量的損失，更加節(jié)能。隨著未來(lái)風(fēng)電滲透率的提高，風(fēng)場(chǎng)變利用率的有功功率分配策略有很高的實(shí)際工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

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Optimization of a variable utilization level scheme for load sharing control of a wind turbine ina wind farm based on maximum rotor energy storage

WU Shuangxi1, 2, TAN Yan1, LI Yujun2, ZHANG Yumeng2, YANG Yinguo1, NING Jiaxin2

(1. Electric Power Dispatching and Control Center of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou 510600, China;2. School of Electrical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

Under Maximum Power Point Tracking (MPPT) control, the wind turbine has no power reserve, which tends to have a large impact on system stability when system supply and demand change. A variable utilization level (UL) scheme is proposed for a wind power plant (WPP) to fulfill the dispatch order while reducing the loss of wind energy and improving wind energy efficiency. Considering the weak effects of a wind farm, the proposed scheme controls the active power output for each wind turbine (WT) according to its utilization level (UL), which is adaptively adjusted according to WT rotor speed. When the turbine speed is higher, the wind turbine utilization level is higher; when the turbine speed is lower, the wind turbine utilization level is lower. Thereby the wind farm can store more rotational kinetic energy that can be released back into the system when needed. The proposed variable UL strategy is fully investigated in a doubly fed induction generator (DFIG)-based WPP and the results show that the proposed control strategy has better energy efficiency than the conventional equal UL while meeting the dispatch demand.

wind power plant; variable utilization level; doubly fed induction generator; load sharing control

10.19783/j.cnki.pspc.211090

2021-08-13；

2022-03-01

伍雙喜(1984—)，男，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析與控制、新能源并網(wǎng)管理；E-mail: wusx03@ 163.com

譚 嫣(1987—)，女，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾履茉床⒕W(wǎng)管理；E-mail: 179513428@qq.com

李宇駿(1990—)，男，通信作者，博士，副教授，研究方向?yàn)轱L(fēng)電場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)提供慣量和頻率支撐的控制策略。E-mail: yujunli@xjtu.edu.cn

南方電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目資助(GDKJXM20198256)

This work is supported by the Science and Technology Project of China Southern Power Grid Co., Ltd. (No. GDKJXM20198256).

(編輯 周金梅)