楊波， 趙巧娥， 武曉冬， 楊杰

(山西大學(xué) 電力與建筑學(xué)院，山西 太原 030006)

0 引 言

隨著風(fēng)電并網(wǎng)容量飛速發(fā)展及火電機(jī)組受停建或緩建政策的影響，導(dǎo)致系統(tǒng)中的等效慣量減小、調(diào)頻能力不足，使系統(tǒng)在發(fā)生負(fù)荷突變等擾動(dòng)情況下，頻率偏差和變化率加大，增加系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行的成本，隨之影響了風(fēng)電的進(jìn)一步消納[1-2]。

為此，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者提出眾多研究方案使得雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)具備向電力系統(tǒng)提供頻率調(diào)整的能力。文獻(xiàn)[3]利用虛擬慣量使得風(fēng)機(jī)響應(yīng)頻率變化，但是根據(jù)頻率偏差給出相同的虛擬慣量出力，并未考慮風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能的分布情況，從而導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的過度調(diào)節(jié)，不利于轉(zhuǎn)速恢復(fù)，影響系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定。

文獻(xiàn)[4-5]提出改進(jìn)超速控制的頻率控制方法，所提控制方法能夠提升系統(tǒng)頻率控制效果。文獻(xiàn)[6-7]利用漿距角控制，與虛擬慣量控制相結(jié)合，可以有效支撐系統(tǒng)慣量，還可提高系統(tǒng)頻率靜態(tài)穩(wěn)定性。

文獻(xiàn)[8]在風(fēng)機(jī)不同風(fēng)況下選用不同的功率備用控制策略，但這種控制方式下并未考慮超速控制的備用容量需求，即在最大功率追蹤區(qū)隨轉(zhuǎn)速增大超速差額不斷減小，調(diào)頻深度將不能滿足要求。

針對(duì)上述文獻(xiàn)存在的問題，本文從風(fēng)機(jī)自身角度出發(fā)，考慮風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)動(dòng)能的分布，優(yōu)化的虛擬慣量出力，并在此基礎(chǔ)上，與功率備用控制相結(jié)合形成綜合協(xié)調(diào)控制策略，使得雙饋風(fēng)機(jī)能夠參與系統(tǒng)一次頻率調(diào)整。最后，在MATLAB/Simulink中建立系統(tǒng)仿真模型。通過仿真表明所提控制策略相較于傳統(tǒng)虛擬慣量控制下的綜合協(xié)調(diào)控制具有良好的改善效果。

1 轉(zhuǎn)子動(dòng)能優(yōu)化的虛擬慣量控制

在一次調(diào)頻這個(gè)較小的時(shí)間尺度范圍內(nèi)，可以認(rèn)為風(fēng)速是固定不變的，在不同風(fēng)速下存在一個(gè)最大功率點(diǎn)，由此可得風(fēng)機(jī)的最大功率追蹤曲線方程為：

(1)

(2)

式中：Popt為風(fēng)機(jī)在某風(fēng)速下最優(yōu)出力；kopt為功率跟蹤系數(shù)；ωr為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；ρ為空氣密度；S為風(fēng)力機(jī)葉片迎風(fēng)掃掠面積；Rw為風(fēng)輪半徑；CP為風(fēng)能利用系數(shù)；λ為葉尖速比，其中λ=ωwRw/v，v和ωw表示風(fēng)速和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。

若轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速?gòu)摩?變化到ω2，雙饋風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)子動(dòng)能的變化量ΔE為：

二要優(yōu)化督查程序。建立健全督查工作制度，對(duì)年度督查項(xiàng)目預(yù)先分解、立項(xiàng)、分工，制定出具體的督查標(biāo)準(zhǔn)，明確督查責(zé)任人員，避免無準(zhǔn)備、無序化督查現(xiàn)象。堅(jiān)持督查與督辦相結(jié)合，對(duì)督查的重點(diǎn)工作，要督促被督查單位，拿出具體的運(yùn)行計(jì)劃、實(shí)施辦法。督查之后要列出問題清單，反饋并幫助基層進(jìn)行銷號(hào)整改，落實(shí)基層整改情況報(bào)告制度，有必要時(shí)可以進(jìn)行二次督查或進(jìn)行“回頭看”，避免督查走過場(chǎng)現(xiàn)象。

(3)

式中：J為機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，風(fēng)機(jī)可將其作為一次調(diào)頻的能量來源，用以響應(yīng)系統(tǒng)頻率的變化。在轉(zhuǎn)子變流器環(huán)節(jié)附加與頻率變化相關(guān)的有功功率參考值ΔP為：

(4)

式中：Δf為頻率偏差；Kd為慣性系數(shù)；Kp為下垂系數(shù)。

傳統(tǒng)虛擬慣量控制根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)統(tǒng)一的頻率偏差給出了相同出力，而不同風(fēng)機(jī)蘊(yùn)藏的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能不同，將會(huì)導(dǎo)致機(jī)組的過度調(diào)節(jié)。為此引入變系數(shù)k，引入系數(shù)k優(yōu)化后，風(fēng)機(jī)有功功率參考值ΔP′為：

(5)

式中:k為風(fēng)機(jī)當(dāng)前旋轉(zhuǎn)動(dòng)能與風(fēng)機(jī)最小轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)旋轉(zhuǎn)動(dòng)能平均值的比值。系數(shù)k為：

(6)

式中：ω為風(fēng)機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速;ωmin和ωmax分別為風(fēng)機(jī)允許的最小轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速。相應(yīng)的控制策略如圖1所示。

圖1 優(yōu)化的虛擬慣量控制策略

引入?yún)?shù)k可以根據(jù)此時(shí)風(fēng)機(jī)所儲(chǔ)存旋轉(zhuǎn)動(dòng)能的大小實(shí)時(shí)調(diào)整慣性響應(yīng)的出力，而非單一的根據(jù)頻率偏差統(tǒng)一調(diào)節(jié)出力。

2 綜合協(xié)調(diào)控制策略

2.1 功率備用控制

功率備用控制通過減載運(yùn)行的容量作為一次調(diào)頻的能量來源，結(jié)合汽輪機(jī)的靜態(tài)調(diào)差系數(shù)的定義，風(fēng)力機(jī)的減載水平d%可設(shè)定為：

(7)

(8)

式中：ΔPG為發(fā)電機(jī)減載容量；PG為額定容量；fN為頻率的額定值；δ*為等效的發(fā)電機(jī)靜態(tài)調(diào)差系數(shù)；KG為單位調(diào)節(jié)功率。若雙饋風(fēng)機(jī)具備和同步機(jī)一樣的調(diào)頻能力，根據(jù)上述式子，可求得風(fēng)機(jī)的減載水平。

2.1.1 超速控制

在最大功率追蹤區(qū)，風(fēng)速一定時(shí)，風(fēng)機(jī)輸出功率的大小由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，雙饋風(fēng)機(jī)在不同風(fēng)速下的出力隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化的曲線如圖2所示。

圖2 DFIG的功率曲線

由圖2可知，在最大功率追蹤區(qū)ac內(nèi)選擇超速控制，在恒轉(zhuǎn)速區(qū)cd和恒功率區(qū)de內(nèi)選擇漿距角控制可以使得風(fēng)機(jī)預(yù)留備用容量，在恒定的減載水平下，得到風(fēng)機(jī)的減載曲線。

而在ac區(qū)域內(nèi)，隨著風(fēng)速的增加，受轉(zhuǎn)子最大轉(zhuǎn)速的限制，可支配備用容量越來越小。因此風(fēng)機(jī)工作在ac區(qū)域內(nèi)，存在一個(gè)僅憑超速控制就能滿足d%減載需求的風(fēng)速極限vx，即在此風(fēng)速下，通過超速控制減載d%正好達(dá)到轉(zhuǎn)速上限ωmax，并將風(fēng)速vx作為超速控制和漿距角控制的分界。

2.1.2 漿距角控制

如圖2所示，當(dāng)風(fēng)速vx

(9)

剩余的減載率為d%～d1%，由漿距角控制實(shí)現(xiàn)，則有：

(10)

式中：βx為風(fēng)機(jī)在風(fēng)速vx

當(dāng)風(fēng)速v>v3時(shí)，預(yù)留備用容量全部由漿距角控制完成。雙饋風(fēng)機(jī)在不同漿距角下獲得最大風(fēng)能時(shí)，所對(duì)應(yīng)的Cp-λ應(yīng)滿足：

?CP(λ,β)/?λ=0

(11)

(12)

綜上，本文結(jié)合超速控制和漿距角控制的優(yōu)缺點(diǎn)，在不同的風(fēng)速狀況下選用適宜的控制策略。

2.2 頻率綜合協(xié)調(diào)控制策略

風(fēng)電場(chǎng)同時(shí)具備慣量響應(yīng)和功率備用這兩種控制策略將極大提升系統(tǒng)頻率響應(yīng)能力，相應(yīng)的頻率綜合協(xié)調(diào)控制策略如圖3所示。

圖3 頻率綜合協(xié)調(diào)控制策略

綜上所述，在風(fēng)電場(chǎng)中通過對(duì)風(fēng)機(jī)的風(fēng)速進(jìn)行判斷，進(jìn)而選用相應(yīng)的功率備用控制模式。即若風(fēng)速v

載模式，而當(dāng)風(fēng)速vxv3時(shí)，只可采用漿距角控制。在全過程采用基于轉(zhuǎn)子動(dòng)能優(yōu)化的虛擬慣量控制提升頻率的響應(yīng)速度。

3 仿真分析

采用MATLAB/Simulink搭建如圖4所示的系統(tǒng)仿真模型。G1、G2分別表示容量為150 MW和300 MW的火電廠，風(fēng)電場(chǎng)為含有33臺(tái)1.5 MW的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)，每11臺(tái)一種風(fēng)速，風(fēng)速分別為7 m/s、10 m/s、12 m/s，負(fù)荷均采用恒定有功負(fù)荷。

圖4 仿真系統(tǒng)模型

在t=40 s時(shí)負(fù)載L1突增15 MW，大約經(jīng)過10 s后系統(tǒng)頻率進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。對(duì)比風(fēng)電場(chǎng)無控制方式、傳統(tǒng)虛擬慣量下的綜合協(xié)調(diào)控制和轉(zhuǎn)子動(dòng)能優(yōu)化的虛擬慣量下的綜合協(xié)調(diào)控制三種情形下系統(tǒng)頻率變化，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 仿真系統(tǒng)模型

通過仿真得到系統(tǒng)在各種控制方式下一次調(diào)頻各項(xiàng)指標(biāo)，表1為不同控制方式下的調(diào)頻效果。

表1 不同控制方式下調(diào)頻效果對(duì)比

從圖5可知，由于負(fù)荷突增，導(dǎo)致系統(tǒng)頻率急劇下降，在三種控制方法下，相較于無控制方式，附加傳統(tǒng)虛擬慣量控制衰減了頻率下跌速度，并且頻率的最低點(diǎn)提高了0.039 Hz。優(yōu)化后的虛擬慣量綜合控制不僅降低了頻率變化率，而且相較于傳統(tǒng)控制，頻率的最低點(diǎn)略有提升。

優(yōu)化后的虛擬慣量綜合控制方法下，從負(fù)荷突增到頻率趨于穩(wěn)定所用時(shí)間相較于虛擬慣量綜合控制所用時(shí)間更短，利于轉(zhuǎn)速的恢復(fù)，優(yōu)化綜合控制方法頻率恢復(fù)時(shí)間快，調(diào)頻效果更好。

4 結(jié)束語

風(fēng)電滲透率的增加使得電力系統(tǒng)調(diào)頻容量缺乏的問題逐漸顯現(xiàn)，維持電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性工作顯得尤為重要。虛擬慣量控制和功率備用控制組合的綜合協(xié)調(diào)控制策略能夠使風(fēng)機(jī)具備一次調(diào)頻的能力。

本文提出了一種結(jié)合不同的功率備用控制和優(yōu)化轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制的綜合協(xié)調(diào)控制策略，使用雙饋風(fēng)機(jī)調(diào)頻的控制方法。風(fēng)機(jī)在電網(wǎng)頻率正常時(shí)面對(duì)不同的風(fēng)速選擇相對(duì)的減載狀態(tài)，獲得一定的調(diào)頻備用容量并優(yōu)化轉(zhuǎn)子動(dòng)能的出力，提高不同風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能的利用率。

仿真結(jié)果表明，當(dāng)系統(tǒng)頻率出現(xiàn)大的擾動(dòng)，如負(fù)荷突變，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)采用基于優(yōu)化的綜合協(xié)調(diào)控制策略，能夠滿足一次調(diào)頻的調(diào)頻容量的需求，并考慮了不同風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子動(dòng)能的大小，避免風(fēng)機(jī)過度調(diào)節(jié)，優(yōu)化出力大小，使得調(diào)頻過程更加平穩(wěn)，加快頻率恢復(fù)，頻率調(diào)節(jié)效果更好。

隨著系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)滲透率的提升，越來越需要風(fēng)電具備一次調(diào)頻等輔助調(diào)頻能力。結(jié)合風(fēng)機(jī)自身的特點(diǎn)并選用適宜的控制策略，使其具備頻率響應(yīng)能力，將改善電力系統(tǒng)整體的頻率調(diào)整效果。隨著電力市場(chǎng)的完善，風(fēng)電調(diào)頻將充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)濟(jì)性將會(huì)得到大幅度提高。風(fēng)機(jī)的輔助調(diào)頻將會(huì)成為調(diào)頻市場(chǎng)的中堅(jiān)力量，進(jìn)一步促進(jìn)風(fēng)電的消納。