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        雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電壓∕頻率協(xié)調(diào)控制策略

        2022-12-02 09:46:04程進(jìn)潘智軒程海鋒戴明利黃敏麗
        電氣傳動(dòng) 2022年23期
        關(guān)鍵詞:調(diào)頻風(fēng)電儲(chǔ)能

        程進(jìn),潘智軒,程海鋒,戴明利,黃敏麗

        (上??睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海200335)

        雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(doubly-fed induc?tion generator,DFIG)是目前的主流機(jī)型,然而由于傳統(tǒng)DFIG運(yùn)行在最大功率跟蹤(maximum power point tracking,MPPT)狀態(tài),轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)頻率解耦,失去了對(duì)頻率波動(dòng)的響應(yīng)能力。

        對(duì)此,文獻(xiàn)[1-2]提出通過在機(jī)側(cè)變流器控制中附加轉(zhuǎn)矩響應(yīng)環(huán)節(jié)來提供慣性響應(yīng)。文獻(xiàn)[2]提出在MPPT有功功率給定值上附加與頻率變化率(-df∕dt)和頻率偏差(-Δf)成正比的參考值,以模擬慣量和支持一次調(diào)頻[3-5]。因此,當(dāng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模擬慣量控制時(shí),機(jī)組慣性動(dòng)能只能為系統(tǒng)提供數(shù)s的支持[6],并且當(dāng)轉(zhuǎn)子動(dòng)能釋放到閾值后,不能繼續(xù)參與調(diào)節(jié),需要從電網(wǎng)吸收能量再次存儲(chǔ),才能恢復(fù)其慣量支撐能力。如果此時(shí)電網(wǎng)頻率尚沒有恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài),轉(zhuǎn)子動(dòng)能的再次存儲(chǔ)將會(huì)影響系統(tǒng)頻率的恢復(fù),導(dǎo)致頻率二次震蕩,惡化系統(tǒng)頻率和電壓的調(diào)節(jié)。

        文獻(xiàn)[7]采用改進(jìn)頻率控制單元,提高響應(yīng)速度,改善暫態(tài)頻率偏差,加速機(jī)組轉(zhuǎn)速恢復(fù),文獻(xiàn)[8]提出推遲轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段,將其控制在電網(wǎng)頻率恢復(fù)到最佳運(yùn)行狀態(tài)后開啟,避免因轉(zhuǎn)子動(dòng)能存儲(chǔ)引起的頻率二次震蕩。

        文獻(xiàn)[9-12]通過調(diào)節(jié)槳距角預(yù)留旋轉(zhuǎn)備用容量來提供慣量支持系統(tǒng)調(diào)頻,然而,槳距角響應(yīng)速度較慢,影響到正常工況下的風(fēng)能利用率,在實(shí)際工程應(yīng)用中,也存在一定的維修風(fēng)險(xiǎn),增加維護(hù)成本。為了實(shí)時(shí)響應(yīng)系統(tǒng)一次調(diào)頻,文獻(xiàn)[13-14]提出在超速減載控制的基礎(chǔ)上利用風(fēng)電機(jī)組有功∕頻率下垂控制特性,超速減載方式節(jié)省了常規(guī)備用的投資成本,交流變頻技術(shù)加快了功率控制速度,增強(qiáng)頻率穩(wěn)定性,但這種方式縮小了正常工況下轉(zhuǎn)子有效運(yùn)行范圍,更降低了風(fēng)能利用率,影響風(fēng)電機(jī)組發(fā)電效益?;谝陨涎芯勘尘?,文獻(xiàn)[15-18]提出綜合超速減載與變槳距角控制,對(duì)DFIG整體控制性能特別是一次調(diào)頻特性有顯著的優(yōu)化效果,在此基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)[19]在控制過程中設(shè)計(jì)修正下垂系數(shù),進(jìn)一步改善一次調(diào)頻能力。上述研究雖比文獻(xiàn)[9-12]變槳控制預(yù)留備用容量方案的風(fēng)能利用率有所提高,也比文獻(xiàn)[13-14]超速減載控制方案的轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍有所擴(kuò)大,但風(fēng)機(jī)在全工況下的風(fēng)能利用率仍然降低了,究竟降低了多少未見有評(píng)述的文獻(xiàn)。

        文獻(xiàn)[20]指出在高滲透率背景下,儲(chǔ)能技術(shù)憑借其快速響應(yīng)能力在風(fēng)電場頻率響應(yīng)方向上具有廣闊的應(yīng)用前景;文獻(xiàn)[21]提出了基于儲(chǔ)能技術(shù)的風(fēng)電場虛擬慣量補(bǔ)償策略;文獻(xiàn)[22]論述了風(fēng)電場裝配集中式儲(chǔ)能參與一次調(diào)頻的方案;文獻(xiàn)[23]論述了基于限轉(zhuǎn)矩控制的風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻控制策略的有效性;文獻(xiàn)[24]在直流母線處配置超級(jí)電容器組儲(chǔ)能單元完成故障穿越;文獻(xiàn)[25]和文獻(xiàn)[26]分別采用直流母線并聯(lián)配置鋰電池和超級(jí)電容器參與系統(tǒng)慣量支撐與一次調(diào)頻,并沒有考慮到頻率變化時(shí)的電壓波動(dòng)情況,且目前尚無綜合分析風(fēng)電機(jī)組頻率和電壓協(xié)調(diào)控制研究。

        綜上,本文綜合考慮DFIG發(fā)電效益和系統(tǒng)一次調(diào)頻需求,提出基于分布式儲(chǔ)能控制DFIG參與系統(tǒng)慣量支撐與一次調(diào)頻控制。分析雙饋感應(yīng)機(jī)組的無功調(diào)節(jié)能力,從而確定其有功-頻率和無功-電壓協(xié)調(diào)控制策略?;贛atlab∕Simulink搭建四機(jī)兩區(qū)域模型,對(duì)所提方案具備電壓和頻率協(xié)調(diào)控制功能進(jìn)行仿真驗(yàn)證。最后通過實(shí)驗(yàn)說明了所提控制策略的有效性。

        1 基于分布式儲(chǔ)能的DFIG電卾∕頻率協(xié)調(diào)控制方法

        1.1 基于儲(chǔ)能裝置的DFIG慣量支撐與一次調(diào)頻

        雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)組采用超速減載控制時(shí),不僅影響了其正常工作時(shí)的發(fā)電效益,還忽視了負(fù)荷突減時(shí)轉(zhuǎn)速和功率調(diào)節(jié)深度的問題。對(duì)此,本文綜合超速減載控制和MPPT的優(yōu)勢(shì),提出控制策略如圖1所示。

        圖1 一次調(diào)頻控制結(jié)構(gòu)Fig.1 Primary frequency modulation control structure

        一次調(diào)頻控制調(diào)節(jié)步驟如下。

        將擾動(dòng)分為三類:1)無擾動(dòng)時(shí),風(fēng)機(jī)工作在MPPT狀態(tài)下,輸出功率Pω即為參考功率Pref,無其他附加功率;2)當(dāng)負(fù)荷預(yù)測(cè)模塊發(fā)現(xiàn)負(fù)荷增加時(shí),保持與無擾動(dòng)時(shí)相同的控制,保證風(fēng)電機(jī)組的最大發(fā)電效益;3)發(fā)現(xiàn)負(fù)荷減小時(shí),根據(jù)頻率偏差Δf和頻率變化率df∕dt得到附加調(diào)節(jié)功率ΔP1和ΔP2,其中,一次調(diào)頻功率ΔP1=Kp×Δf,慣量支撐功率 ΔP2=Kd×df∕dt,最終得到參考功率Pref=ΔP1+ΔP2+Pω,據(jù)此實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的調(diào)頻控制。

        由上述控制策略可知,負(fù)荷增加后DFIG由于缺乏備用容量以至于不能參與系統(tǒng)一次調(diào)頻,解決問題的關(guān)鍵是配備合適的儲(chǔ)能系統(tǒng)參與系統(tǒng)調(diào)頻。儲(chǔ)能系統(tǒng)通過雙向DC∕DC變流器連接到直流側(cè)母線電容上,該變流器能夠憑借其ms級(jí)的響應(yīng)速度支持儲(chǔ)能系統(tǒng)完成輸出功率的快速變化,進(jìn)而幫助風(fēng)電機(jī)組完成一次調(diào)頻控制,同時(shí)能夠在系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)后及時(shí)退出,有效地避免超調(diào)現(xiàn)象的出現(xiàn)。同時(shí),超級(jí)電容器功率密度大、可循環(huán)次數(shù)較多,因此,本文選取超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)為風(fēng)電機(jī)組提供備用容量,如圖2所示。

        圖2 DFIG的儲(chǔ)能配置Fig.2 DFIG energy storage configuration

        利用下垂控制給定其輸出功率參考值,如下式所示:

        式中:Kscss為下垂系數(shù)。

        當(dāng)負(fù)荷增加時(shí),超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)持續(xù)放電。

        1.2 DFIG的無功電壓控制方法

        1.2.1 無功功率限值的計(jì)算

        由于網(wǎng)側(cè)變流器無功輸出較少,本節(jié)為了簡化計(jì)算,將其忽略。DFIG等效電路圖如圖3所示。圖3中,Ps,Qs,Pr,Qr分別為定、轉(zhuǎn)子側(cè)輸出的有功和無功功率。

        圖3 雙饋風(fēng)電機(jī)組的等效電路圖Fig.3 Equivalent circuit diagram of DFIG

        根據(jù)圖3,可以得到如下的關(guān)系式:

        式中:Rs,Xσs,Rr,Xσr分別為定、轉(zhuǎn)子電阻、電抗;Xm為激磁電抗;Is,Ir分別為定、轉(zhuǎn)子電流向量;Im為勵(lì)磁電流向量;s為轉(zhuǎn)差率;Us,Ur分別為定、轉(zhuǎn)子電壓向量;E為氣隙磁場感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)向量。

        式中:Ips為定子側(cè)電流的有功分量;Iqs為定子側(cè)電流的無功分量;Us為定子電壓。

        對(duì)定子側(cè)有功和無功采用解耦控制,則

        由此可得到Ps,Qs與轉(zhuǎn)子電流之間的關(guān)系,如下所示:

        式中:Xs為定子電抗。

        將式(6)做出進(jìn)一步的整理,得到下式:

        進(jìn)一步忽略Rs,則定子發(fā)出無功功率限值為

        式中:Qsmax,Qsmin分別為定子側(cè)輸出無功功率的最大值和最小值;Irmax為轉(zhuǎn)子電流最大值,通常取1.2(標(biāo)幺值)。

        觀察式(8)可以得到,風(fēng)機(jī)的有功功率輸出實(shí)際值決定了機(jī)組能夠輸出無功功率的最大范圍,從而構(gòu)建無功限幅模塊。

        1.2.2 無功-電壓下垂控制策略

        為了達(dá)到平抑風(fēng)電系統(tǒng)電壓振蕩的目的,本文優(yōu)化無功控制,改進(jìn)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制策略,如圖4所示。

        圖4 無功功率控制策略框圖Fig.4 Reactive power control strategy block diagram

        圖4中,Kq為下垂系數(shù),uref為電壓參考值,u為實(shí)際值。為獲取無功功率給定值Qref,其控制步驟如下:首先,Q0為正常工作時(shí),在單位功率因數(shù)狀態(tài)下風(fēng)機(jī)的無功功率輸出值,故Q0=0。ΔQ為電壓振蕩時(shí)通過下垂控制得到的無功功率輸出值,ΔQ=Kq(uref-u)。令QG=ΔQ+Q0,再根據(jù)式(8)設(shè)計(jì)無功限幅模塊,QG經(jīng)過限幅模塊得到最終參考值Qref。

        1.3 總控制方案

        綜上所述,本文提出風(fēng)機(jī)有功-頻率和無功-電壓協(xié)調(diào)控制策略,如圖5所示。

        圖5 總控制方案Fig.5 Overall control scheme

        本文所提控制策略皆在轉(zhuǎn)子側(cè)變流器中完成,主要控制思路如下:當(dāng)|Δf|≤ 0.03?Hz,即無擾動(dòng)時(shí),風(fēng)機(jī)工作在MPPT狀態(tài)下,輸出功率Pω即為參考功率Pref,無其他附加功率。當(dāng)Δf<-0.03 Hz,即負(fù)荷增加時(shí),通過超級(jí)電容器放電參與系統(tǒng)調(diào)頻,ΔPscss為通過超級(jí)電容器放電參與系統(tǒng)調(diào)頻的有功功率值。當(dāng)Δf>0.03 Hz,即負(fù)荷減小時(shí),根據(jù)Δf和df∕dt得到附加調(diào)節(jié)功率ΔP1和ΔP2,其中:ΔP1=Kp×Δf,ΔP2=Kd×df∕dt,最終得到參考功率Pref=ΔP1+ΔP2+Pω。

        同時(shí),為了避免源荷波動(dòng)對(duì)電壓的影響,根據(jù)圖4,得到轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制無功輸出給定值Qref,抑制系統(tǒng)電壓波動(dòng),支持電壓恢復(fù)。為了避免無功輸出影響系統(tǒng)有功控制,參考式(8)定義無功功率輸出極限范圍,得到Qsmax和Qsmin,設(shè)計(jì)無功限幅模塊,避免無功控制影響頻率調(diào)節(jié)能力。

        2 基于超級(jí)電容儲(chǔ)能調(diào)頻控制經(jīng)濟(jì)性評(píng)估

        在保持10%預(yù)留備用功率的前提下,1.5 MW雙饋機(jī)組效益分析如表1所示[22]??梢钥闯?,不管是在不限電區(qū)域還是限電50%的區(qū)域,其年損失電量和年經(jīng)濟(jì)損失都不容忽視。

        表1 風(fēng)機(jī)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析Tab.1 Economic analysis of wind turbine operation

        根據(jù)文獻(xiàn)[26]計(jì)算得到采用144V×55F超級(jí)電容模組6串3并共18組參與系統(tǒng)一次調(diào)頻。其成本S(E)如下所示:

        式中:C1為超級(jí)電容器建設(shè)成本;C2為系統(tǒng)運(yùn)行成本;C3為設(shè)備日常維護(hù)所需要的成本;C4為儲(chǔ)能系統(tǒng)購電成本。

        超級(jí)電容器建設(shè)成本C1如下所示:

        式中:αp為單位功率價(jià)格,單位 元∕kW;Prated為額定功率,單位kW;αE為單位容量價(jià)格,單位元∕(kW·h);Erated為額定容量,單位 kW·h;Cbuild為建設(shè)過程中的其他成本。

        系統(tǒng)運(yùn)行成本C2如下所示:

        式中:N為額定循環(huán)次數(shù);i為第i次充放電;α(icha-energy),E(iloss)分別為第i次充放時(shí)的購電單價(jià)和能量損失。

        設(shè)備日常維護(hù)所需要的成本C3如下所示:

        式中:α(o&M)為單位功率的超級(jí)電容器日常維護(hù)所需費(fèi)用,單位元∕kW。

        儲(chǔ)能系統(tǒng)購電成本C4如下所示:

        式中:αE2為售電電價(jià),單位 元(∕kW·h);Ebuy為儲(chǔ)能系統(tǒng)購電電量,單位kW·h。

        有關(guān)超級(jí)電容器儲(chǔ)能裝置的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表2所示。

        表2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)Tab.2 Technical and economic indicators

        目前DFIG低壓側(cè)多呈現(xiàn)出更明顯的頻率振蕩現(xiàn)象,以某電網(wǎng)內(nèi)某35 kV的母線為例,常規(guī)工作狀態(tài)下此區(qū)域系統(tǒng)頻率在24 h內(nèi)的波動(dòng)不超過±0.04 Hz,但越過±0.033 Hz(火電機(jī)組調(diào)頻死區(qū))高達(dá)1 670次,調(diào)頻電源頻繁投入[17]。為進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提策略的效益問題,設(shè)定超級(jí)電容器參與電網(wǎng)一次調(diào)頻時(shí),在電網(wǎng)頻率越上限時(shí)充電,越下限時(shí)放電,每次調(diào)頻容量為150 kW×30 s。同時(shí)結(jié)合式(8)~式(12)以及表1和表2所示的數(shù)據(jù),得到一臺(tái)容量1.5 MW的DFIG配置150 kW×30 s超級(jí)電容器的一次性投資額為64.7萬元。通過折舊率考慮硬件損耗,平均每年僅需要投入4.6萬元的建設(shè)投資金額,與備用方案相比其發(fā)電效益更強(qiáng)。其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比見表3所示。

        表3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比Tab.3 Technical and economic comparison

        在表3中,本文分別從技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性對(duì)比兩種應(yīng)用模式,可知采用預(yù)留備用容量的應(yīng)用模式時(shí),其技術(shù)性與火電機(jī)組相當(dāng),但高達(dá)30.8萬元的年損失不容忽視;對(duì)比發(fā)現(xiàn),應(yīng)用模式采用10%(標(biāo)幺值)儲(chǔ)能裝置時(shí),不僅其性能明顯優(yōu)于火電,且年均投資僅需約4.6萬元。

        3 仿真驗(yàn)證

        3.1 仿真模型

        本文在Matlab仿真軟件構(gòu)件搭建四機(jī)兩區(qū)域模型如圖6所示,其中采用本文所提的超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)參與調(diào)頻控制。

        圖6 4機(jī)2區(qū)域系統(tǒng)Fig.6 4-machine 2-area system

        圖6中,G1~G3為容量900 MW的火電廠;風(fēng)電場G4含300臺(tái)容量為1.5 MW的DFIG。Load1和Load2分別為880 MW和950 MW的有功負(fù)荷,Load3為隨機(jī)波動(dòng)負(fù)荷,C1和C2為無功補(bǔ)償裝置,具體仿真系統(tǒng)參數(shù)如下。原動(dòng)機(jī)參數(shù):槳距角β=0°,最佳葉尖速比λ=8.1,最大風(fēng)能利用系數(shù)Cp=0.48,額定風(fēng)速V=12 m∕s;發(fā)電機(jī)參數(shù):定子電阻Rs=0.007 06(標(biāo)幺值),定子電感Ls=0.171(標(biāo)幺值),轉(zhuǎn)子電阻Rr=0.005(標(biāo)幺值),轉(zhuǎn)子電感Lr=0.156(標(biāo)幺值),激磁電感Lm=2.9(標(biāo)幺值),極對(duì)數(shù)p=3,慣性時(shí)間常數(shù)H=5.04 s,阻尼F=0,直流電容C=10 F,直流母線電壓Vdc=1 200 V;網(wǎng)側(cè)變流器控制參數(shù):電壓控制Kp=0.002,Ki=0.05;電流控制Kp=1,Ki=100。轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制參數(shù):功率控制Kp=1,Ki=5;電流控制Kp=0.3,Ki=8。

        3.2 負(fù)荷功率階躍場景

        3.2.1 有功負(fù)荷階躍分析

        給定機(jī)組額定風(fēng)速10 m∕s,并于仿真時(shí)間第20 s增加100 MW負(fù)荷。仿真結(jié)果如圖7~圖9所示。

        圖7 頻率偏差曲線(有功負(fù)荷階躍)Fig.7 Frequency deviation curves(active load step)

        圖8 風(fēng)機(jī)出口電壓波動(dòng)曲線(有功負(fù)荷階躍)Fig.8 Wind turbine outlet voltage fluctuation curves(active load step)

        圖9 風(fēng)電機(jī)組輸出功率曲線(有功負(fù)荷階躍)Fig.9 Wind turbine output power curves(active load step)

        觀察圖7最大功率跟蹤控制曲線可以發(fā)現(xiàn),在MPPT控制下,風(fēng)電機(jī)組缺乏對(duì)頻率的調(diào)節(jié)作用,系統(tǒng)負(fù)荷增加100 MW后,頻率跌落程度最深;采用本文所提有功-頻率調(diào)節(jié)策略后,相比于原來的MPPT控制,頻率跌落程度明顯減小。由圖8可知,負(fù)荷增加100 MW同樣會(huì)帶來系統(tǒng)電壓的波動(dòng),在MPPT控制下,風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓跌落深度深;采用本文所提的電壓∕頻率協(xié)調(diào)控制能夠有效地降低電壓跌落深度,效果顯著。

        由圖9可知,在MPPT模式下,風(fēng)電機(jī)組輸出功率皆不響應(yīng)負(fù)荷的變化,始終保持恒定狀態(tài),并不參與滿足系統(tǒng)的調(diào)頻和調(diào)壓需求,本文所提策略對(duì)此進(jìn)行了合理的改進(jìn)。改進(jìn)頻率控制后,風(fēng)電機(jī)組輸出有功功率響應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)負(fù)荷的增加,進(jìn)一步增加無功-電壓調(diào)節(jié)控制,對(duì)于風(fēng)機(jī)出口電壓的波動(dòng)也能輸出無功功率來響應(yīng)。故本文所提策略能夠應(yīng)對(duì)系統(tǒng)負(fù)荷突增的情況,平抑此時(shí)電壓和頻率的波動(dòng)。

        3.2.2 無功負(fù)荷階躍分析

        給定風(fēng)速10 m∕s,并于仿真時(shí)間第20 s增加100 Mvar無功負(fù)荷。仿真結(jié)果如圖10~圖12所示。

        圖10 頻率偏差曲線(無功負(fù)荷階躍)Fig.10 Frequency deviation curves(reactive load step)

        圖11 風(fēng)機(jī)出口電壓波動(dòng)曲線(無功負(fù)荷階躍)Fig.11 Wind turbine outlet voltage fluctuation curves(reactive load step)

        從圖11中可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)風(fēng)電機(jī)組采用MPPT控制模式時(shí),風(fēng)機(jī)缺乏對(duì)電壓的響應(yīng)能力,于仿真時(shí)間第20 s增加100 Mvar系統(tǒng)無功負(fù)荷后,電壓跌落程度最深。結(jié)合圖10,無功負(fù)荷的增加也帶來了不小的頻率波動(dòng)。采用本文所提策略后,電壓跌落情況得到了明顯的改善,并且有效地抑制了頻率波動(dòng)現(xiàn)象。

        進(jìn)一步觀察圖12可以看出,采用MPPT控制時(shí),面對(duì)系統(tǒng)負(fù)荷增加100 Mvar的情況,風(fēng)電機(jī)組功率輸出幾乎不響應(yīng),系統(tǒng)抗擾能力較弱。采用本文所提的電壓∕頻率協(xié)調(diào)控制后,機(jī)組輸出功率支持頻率和電壓的恢復(fù),系統(tǒng)穩(wěn)定性增強(qiáng)。

        3.3 源荷隨機(jī)波動(dòng)場景

        給定隨機(jī)波動(dòng)風(fēng)速,并伴隨有功、無功隨機(jī)波動(dòng)的負(fù)荷,有功負(fù)荷在±200 MW波動(dòng),無功負(fù)荷在±160 Mvar波動(dòng),如圖13所示。

        圖13 隨機(jī)波動(dòng)負(fù)荷Fig.13 Random fluctuating load

        最大功率跟蹤控制策略及本文所提電壓∕頻率協(xié)調(diào)控制策略2種控制策略下的頻率偏差仿真結(jié)果如圖14所示。

        圖14 頻率偏差曲線(源荷隨機(jī)波動(dòng))Fig.14 The curves of frequency deviation(random fluctuation of source load)

        2種控制策略下風(fēng)機(jī)出口電壓波動(dòng)仿真結(jié)果如圖15所示。

        圖15 風(fēng)機(jī)出口電壓波動(dòng)曲線(源荷隨機(jī)波動(dòng))Fig.15 Fluctuation curves of wind turbine outlet voltage(random fluctuation of source load)

        觀察圖14和圖15可以發(fā)現(xiàn),采用MPPT控制時(shí),面對(duì)負(fù)荷和風(fēng)速的隨機(jī)波動(dòng),系統(tǒng)頻率和電壓的振蕩幅度較大。采用本文所提策略后,頻率偏差減小,相比于MPPT控制,負(fù)荷增加時(shí),系統(tǒng)頻率跌落深度降低,負(fù)荷減小時(shí),頻率超調(diào)現(xiàn)象不明顯。同時(shí),系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性得到顯著改善,面對(duì)風(fēng)速和負(fù)荷的變化,電壓基本能保持恒定狀態(tài)。

        圖16為2種控制策略下風(fēng)電機(jī)組輸出功率仿真結(jié)果曲線圖。

        圖16 風(fēng)電機(jī)組輸出功率曲線(源荷隨機(jī)波動(dòng))Fig.16 Output power curves of the wind turbine(random fluctuation of source load)

        觀察圖16可以發(fā)現(xiàn),在源荷波動(dòng)情況下,采用MPPT控制時(shí),風(fēng)速的波動(dòng)影響風(fēng)電機(jī)組有功輸出,風(fēng)速增加,風(fēng)機(jī)輸出功率也增加,如果此時(shí)系統(tǒng)負(fù)荷減小,將會(huì)使系統(tǒng)頻率超調(diào)明顯,缺乏調(diào)頻能力,同時(shí)其電壓調(diào)節(jié)能力也較弱。

        采用本文提出的電壓∕頻率協(xié)調(diào)控制后,風(fēng)電機(jī)組能夠跟隨有功負(fù)荷的變化輸出有功功率,提供調(diào)頻能力,穩(wěn)定系統(tǒng)頻率,也能響應(yīng)無功負(fù)荷,輸出無功功率。

        4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        為驗(yàn)證本文所提控制策略的有效性,本文采用10 kW DFIG實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行驗(yàn)證,圖17為該實(shí)驗(yàn)裝置圖。該實(shí)驗(yàn)裝置由變頻調(diào)速柜、轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器、電網(wǎng)模擬器、快速原型控制器、超級(jí)電容器組成,轉(zhuǎn)子側(cè)變流器由快速原型控制器(rapid control prototype,RCP)控制,網(wǎng)側(cè)變流器由TMS320F28335 DSP芯片實(shí)現(xiàn)基于直流母線電壓外環(huán)的傳統(tǒng)控制,超級(jí)電容器由4組110 V×7 F超級(jí)電容模組兩串兩并實(shí)現(xiàn)。

        圖17 10 kW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.17 Experimental setup of 10 kW doubly-fed wind turbine

        DFIG實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)電氣參數(shù)為:額定功率Pn=10kW,額定電壓Un=380 V,轉(zhuǎn)速范圍ωr=1 200~1 800 r∕min,額定頻率fn=50 Hz,直流母線電壓Vdc=600 V,定轉(zhuǎn)子匝數(shù)比為1,定子漏抗Lls=1.71 mH,轉(zhuǎn)子漏抗Llr=2.39 mH,激磁電抗Lm=89.5 mH,定子電阻Rs=0.467 Ω,轉(zhuǎn)子電阻Rr=0.233 Ω,串聯(lián)激磁電阻Rm=0.633 4 Ω。

        4.1 一次頻率調(diào)節(jié)的驗(yàn)證

        為驗(yàn)證一次調(diào)頻控制的有效性,本文采用電網(wǎng)模擬器設(shè)置電網(wǎng)頻率波動(dòng),分別將頻率值由50 Hz上下波動(dòng)±0.1~±0.3 Hz,如圖18a所示。設(shè)置雙饋風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)速為8 m∕s,風(fēng)電機(jī)組根據(jù)電網(wǎng)模擬器頻率波動(dòng)輸出的有功功率見圖18b所示,當(dāng)系統(tǒng)頻率降低時(shí),風(fēng)電機(jī)組輸出有功功率,反之,風(fēng)電機(jī)組吸收有功功率。超級(jí)電容器的輸出功率曲線如圖18c所示,當(dāng)頻率降低時(shí),超級(jí)電容器放電,參與系統(tǒng)一次調(diào)頻。當(dāng)系統(tǒng)頻率增加時(shí),風(fēng)電機(jī)組通過增加轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降低輸出的有功功率,參與系統(tǒng)一次調(diào)頻,如圖18d所示。在整個(gè)過程中,風(fēng)電機(jī)組的直流母線電壓維持在300 V,如圖18e所示,為超級(jí)電容器通過網(wǎng)側(cè)變流器進(jìn)行充∕放電提供了良好的基礎(chǔ)。

        圖18 實(shí)驗(yàn)波形圖Fig.18 Experimental waveforms

        4.2 一次電壓調(diào)節(jié)的驗(yàn)證

        為驗(yàn)證雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組定子側(cè)無功電壓下垂控制方案的有效性,在時(shí)間T為10 s時(shí),采用電網(wǎng)模擬器設(shè)置持續(xù)時(shí)間為10 s的電壓波動(dòng),電壓降低分別跌落至額定電壓0.75(標(biāo)幺值)和0.5(標(biāo)幺值),升高至額定電壓1.25(標(biāo)幺值)和1.5(標(biāo)幺值)。

        圖19為驗(yàn)證雙饋風(fēng)電機(jī)組定子側(cè)的無功電壓下垂控制的實(shí)驗(yàn)波形圖,從圖中可以得到,其風(fēng)電機(jī)組定子側(cè)根據(jù)電網(wǎng)電壓波動(dòng)快速輸出無功功率,該技術(shù)為電網(wǎng)提供了電壓支撐。

        5 結(jié)論

        本文提出計(jì)及分布式儲(chǔ)能的DFIG電壓∕頻率協(xié)調(diào)控制,實(shí)現(xiàn)電壓、頻率的雙向調(diào)節(jié)功能,為風(fēng)電機(jī)組的本體改造與控制升級(jí)提供了思路。

        1)在風(fēng)機(jī)MPPT控制基礎(chǔ)上提出基于超級(jí)電容器的調(diào)頻策略,在保障經(jīng)濟(jì)性的同時(shí),顯著提升了風(fēng)機(jī)的調(diào)頻能力。

        2)提出基于分布式儲(chǔ)能的雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)電壓∕頻率協(xié)調(diào)控制的配置方案,與超速減載預(yù)留備用方式相比,本文所提策略每年能夠減少85%的經(jīng)濟(jì)損失,同時(shí)又具有更好的控制性能,且投資較少,僅為一臺(tái)DFIG成本的10.8%。

        3)本文所提策略兼顧風(fēng)電機(jī)組有功和無功的控制優(yōu)化,能夠同時(shí)增強(qiáng)系統(tǒng)頻率和電壓的穩(wěn)定性,優(yōu)化系統(tǒng)一次調(diào)頻過程,穩(wěn)定機(jī)端電壓。

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