劉澤宇，趙興勇，唐震

(1.山西大學 電力與建筑學院，山西 太原 030000； 2.國網(wǎng)山西省電力公司 電力科學研究院，山西 太原 030001)

0 引 言

近年來，隨著全球范圍內(nèi)化石燃料逐漸枯竭，風電光伏等新能源機組得到廣泛應用[1]。因此，結(jié)合風電機組的運行特點和轉(zhuǎn)動慣量的產(chǎn)生原理，發(fā)現(xiàn)風電機組轉(zhuǎn)動慣量的主要影響因素，研究新能源機組轉(zhuǎn)動慣量的測量技術(shù)，對于改善電網(wǎng)動態(tài)特性提供更多的參數(shù)支持，具有非常重要的實際意義。

風電的隨機性大大提高了電網(wǎng)的不確定性。為了改善整個電網(wǎng)，文獻[2]基于風機運行狀況，在確定風-火機組參與調(diào)頻參考值基礎(chǔ)上，對風電機組調(diào)頻功率進行動態(tài)分配。文獻[3]提出了變參數(shù)控制策略,該策略能夠根據(jù)系統(tǒng)頻率變化實時修改參數(shù)，對系統(tǒng)提供動態(tài)有效儲能。上述文獻均基于系統(tǒng)風機占比不變情形下進行分析，并沒有驗證不同風機占比下調(diào)頻方案可行性。本文在考慮不同風機滲透率以及風電機組運行工況與風機慣量控制耦合關(guān)系的前提下，提出風機自適應慣量控制。在Simulink中搭建雙機系統(tǒng)檢驗該控制方法是否能有效補償系統(tǒng)慣量。

1 風機轉(zhuǎn)動慣量

系統(tǒng)在額定頻率正常運行時，同步機轉(zhuǎn)子以額定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動[4]的動能為：

(1)

式中：Ωn為同步機轉(zhuǎn)子的額定機械角速度；J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量。同步機轉(zhuǎn)子慣性時間常數(shù)HS指在轉(zhuǎn)子上施加額定轉(zhuǎn)矩Tm后，轉(zhuǎn)子從靜止狀態(tài)(機械角速度為0)加速到額定運行狀態(tài)(機械角速度為Ωn)所經(jīng)過的時間，故有：

(2)

當同步機的極對數(shù)為1時，轉(zhuǎn)子機械角速度Ωn與轉(zhuǎn)子電角速度ω相等，故：

(3)

式中：Pn為同步機的額定功率；f0為系統(tǒng)的額定頻率；f(t)為系統(tǒng)的瞬時頻率。在t時刻內(nèi)轉(zhuǎn)子釋放能量E(t)為：

E(t)=-1/2Jω(t)2

(4)

在t時間點輸出的電磁功率Pe(t)即為該能量微分：

(5)

式(3)代入式(5)且一般f(t)≈f0，可表示為：

(6)

綜上，風機接入電網(wǎng)慣量量測表達式為：

(7)

慣性時間常數(shù)量測表達式為：

(8)

由式(7)、式(8)可知，系統(tǒng)頻率變化率相反數(shù)與同步發(fā)電機慣量支持的電磁功率成正比，因此虛擬慣量可以看作是系統(tǒng)頻率的微分反饋控制。而實際中利用傳感設(shè)備可測得系統(tǒng)某節(jié)點的頻率,進而得到頻率與時間的時域慣性，通過上式可得到轉(zhuǎn)動慣量和慣性時間常數(shù)。

2 自適應慣量控制

根據(jù)風機[5]占比及機組運行工況，聯(lián)合機組自身慣量特性和傳統(tǒng)PID控制方法提出自適應慣量控制,此時風電機組調(diào)頻功率給定為：

(9)

式中：KP、KD分別為慣性控制的比例、微分系數(shù)；Kw為不同滲透率風電場調(diào)頻比例系數(shù)；ΔPw為附加有功功率設(shè)定值；Δf為系統(tǒng)頻率偏差。

自適應慣量控制參數(shù)由式(10)動態(tài)給定：

(10)

圖1為風機慣量控制圖?？刂扑惴ǖ膭討B(tài)過程為：首先根據(jù)雙機系統(tǒng)中風機占比確定風機調(diào)頻比例系數(shù)Kw大小，使其滿足：風機占比低，Kw取值盡可能?。伙L機占比高，Kw取值盡可能大。接著檢測機組輸出電磁功率Pe，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω，系統(tǒng)頻率偏差Δf，判斷頻率偏差范圍。若頻率偏差小于死區(qū)，則不參與調(diào)頻，參數(shù)控制函數(shù)值f(ωr，Pe) = 0，反之則參與調(diào)頻；檢測轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，若ωr<ωmin，則不參與調(diào)頻，參數(shù)控制控制函數(shù)值f(ωr，Pe) = 0，若ωmin<ωr<ωmax，則參與調(diào)頻。當系統(tǒng)參與調(diào)頻時，根據(jù)文獻[6]

中模糊邏輯規(guī)則表推理原則可知當頻率偏差Δf較小時，則輸出K2要盡可能小，K1絕對值盡可能大且為負值；當系統(tǒng)頻率偏差Δf較大時，如果頻率變化率為正，則輸出參數(shù)要K2盡可能小，K1絕對值盡可能大且為負值；頻率變化率為負時，則K2要盡可能大，K1盡可能大且為正值。進入下一周期，重復上述過程?？刂七^程如圖1所示。

3 仿真驗證

在Simulink下搭建雙機系統(tǒng)仿真模型如圖2所示。其中：G1為風電場，G2為額定容量200 MW的火電廠，并預備調(diào)頻減載能力，設(shè)置風機風速為9 m/s,每臺風機的額定容量為1.5 MW，各組風機數(shù)量分別為10臺、20臺和30臺，調(diào)整火電廠出力保持系統(tǒng)總功率恒定為150 MW。對應的風電滲透率風別為10%、20%和30%。在20 s時負荷突增10 MW，觀察系統(tǒng)頻率以及風場有功波動情況，驗證本文所提不同滲透率下風機慣量補償策略可行性。

圖2 仿真系統(tǒng)示意圖

圖3為發(fā)生負荷突增擾動頻率/轉(zhuǎn)速變化,可知當風機采取本文所提控制時能快速降低轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速響應系統(tǒng)頻率變化，相較于減載控制釋放更多轉(zhuǎn)子動能，為電網(wǎng)提供調(diào)頻有功支撐，在結(jié)束調(diào)頻后逐步提高轉(zhuǎn)速，使其盡量相等于減載控制后轉(zhuǎn)速水準，有效避免調(diào)頻造成失速問題，保證機組運行穩(wěn)定。

圖3 負荷突增擾動下仿真結(jié)果

圖4是發(fā)生負荷突增擾動下風機采取本文所提控制時控制器輸出曲線。結(jié)合圖3可知控制參數(shù)KP和KD在頻率發(fā)生跌落時發(fā)生快速增加，使風機系統(tǒng)能在短時間內(nèi)提供更多的控制輸出有效加速系統(tǒng)頻率恢復，進而減少系統(tǒng)頻率的惡化。同時在調(diào)頻結(jié)束之后，控制器不會出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)恢復速度。

圖4 控制器輸出曲線

表1為有功負荷突增擾動、不同滲透率下風機最高有功出力。由表1可知,在相同的控制方式下，隨著風機占比的提高，風電機組有功出力逐漸增加。風機在不同滲透率條件下均能夠穩(wěn)定、可靠地增發(fā)出力，為系統(tǒng)調(diào)頻進行準備；風機采取傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子減載控制時，通過降低轉(zhuǎn)速釋放轉(zhuǎn)子中的動能，增加向電網(wǎng)輸出有功為系統(tǒng)頻率提供支撐；風機采取本文所提策略，通過識別系統(tǒng)頻率變化來實時修改調(diào)節(jié)參數(shù)增加風機有功出力，使風機在不同運行條件下均能提供更加有效的慣量補償。

表1 不同滲透率下風機最高出力

由以上分析可知，當系統(tǒng)總功率不變、風機滲透率逐漸增大時，將造成系統(tǒng)最大頻率偏移逐漸增大，且均大于采取附加控制下的最大頻率偏移量。采取本文所提控制策略的風機在系統(tǒng)發(fā)生頻率跌落時能夠更靈活有效地進行頻率支撐。

4 結(jié)束語

本文針對不同滲透率下風-火系統(tǒng)對電網(wǎng)頻率特性的影響，提出一種自適應慣量補償策略，使風機能在頻率發(fā)生擾動時維持頻率穩(wěn)定，得出如下結(jié)論。

(1) 通過分析風機轉(zhuǎn)動慣量產(chǎn)生機理，得出風機慣量與系統(tǒng)頻率變化率成反比，且風機能虛擬出遠大于固有慣量的等效慣量。

(2) 研究不同風機滲透率下系統(tǒng)頻率影響，得出隨著風機占比提高，系統(tǒng)頻率波動增大且風機調(diào)頻出力逐漸提高，說明不同滲透率下風電場都可以采取輔助調(diào)頻維持頻率穩(wěn)定。

(3) 分別在不同占比風機條件下進行負荷突增常見擾動仿真。結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子減載方法，該控制策略可以更好地提高系統(tǒng)頻率響應特性，有效提高風電機組的運行穩(wěn)定性。