林 旭,李 軍,楊德健,王 鑫,王汝田,金朝陽(yáng)
(1.現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北電力大學(xué)),吉林吉林 132012;2.電網(wǎng)智能化調(diào)度與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(山東大學(xué)),山東濟(jì)南 250061)
截至2022 年11 月底,2022 年1—11 月份全國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量約2.51×109kW,同比增長(zhǎng)8.1%,其中風(fēng)電裝機(jī)容量約3.5×108kW,同比增長(zhǎng)15.1%,為推動(dòng)達(dá)成碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn),預(yù)計(jì)未來(lái)幾年我國(guó)的風(fēng)電裝機(jī)容量將會(huì)持續(xù)快速增長(zhǎng)[1]。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)(Doubly-fed Induction Generator,DFIG)是目前風(fēng)電場(chǎng)的主流機(jī)型,其通過(guò)變流器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子側(cè)與電網(wǎng)側(cè)的功能交換,采用矢量控制技術(shù),具有功率解耦控制、最大風(fēng)能跟蹤(Maximum Power Point Tracking,MPPT)等優(yōu)點(diǎn)[2],但不具備慣性響應(yīng)能力[3],在風(fēng)機(jī)滲透率不斷增加的情況下,電力系統(tǒng)的慣量和頻率控制能力會(huì)顯著下降[4],惡化系統(tǒng)頻率安全特性和制約風(fēng)電消納水平,當(dāng)系統(tǒng)頻率偏差過(guò)大會(huì)觸發(fā)低頻率減載等保護(hù)動(dòng)作[5-7],從而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的頻率安全穩(wěn)定性造成危害。
DFIG 參與調(diào)頻控制策略主要有轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制[8]和功率備用控制[9],功率備用控制通過(guò)變槳控制、超速控制留出備用,支撐系統(tǒng)調(diào)頻。其中變槳控制通過(guò)控制風(fēng)機(jī)槳距角降低有功出力,但頻繁切換槳距角會(huì)增加風(fēng)機(jī)磨損[10-12],超速控制受風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的制約只適用于風(fēng)速較低的情況下[13];轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制利用風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子釋放動(dòng)能參與系統(tǒng)調(diào)頻[14],其主要包括:慣性控制[15]、下垂控制[16]及功率軌跡預(yù)設(shè)控制策略[17],慣性控制與下垂控制以測(cè)量頻率信息為輸入,經(jīng)控制回路調(diào)整自身出力,通過(guò)釋放轉(zhuǎn)子中的動(dòng)能補(bǔ)償系統(tǒng)功率缺額[18-19];功率軌跡預(yù)設(shè)控制策略在檢測(cè)到擾動(dòng)后,瞬時(shí)增加風(fēng)機(jī)有功出力,響應(yīng)速度快,避免因頻率測(cè)量誤差造成的調(diào)頻不當(dāng)甚至是失穩(wěn)問(wèn)題[20-21]。
功率預(yù)設(shè)軌跡方法是提供系統(tǒng)頻率支撐的設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)有功出力曲線。然而,如何更好地發(fā)揮風(fēng)機(jī)的調(diào)頻能力仍需深入研究。文獻(xiàn)[22]中考慮DFIG轉(zhuǎn)矩極限值設(shè)計(jì)有功出力曲線,雖減少了二次頻率跌落,但轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段DFIG 有功輸出減小幅度小,且需要較長(zhǎng)恢復(fù)時(shí)間。文獻(xiàn)[23]提出短時(shí)功率支撐控制策略,DFIG 為調(diào)頻提供短時(shí)功率支撐,具有可控性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),但若恒定功率維持時(shí)間預(yù)設(shè)不當(dāng),可能過(guò)度釋放轉(zhuǎn)子動(dòng)能導(dǎo)致失速風(fēng)險(xiǎn),并引起頻率二次跌落。文獻(xiàn)[24]提出一種基于短時(shí)功率支撐控制策略的自適應(yīng)功率參考函數(shù),其隨時(shí)間增大而減小,有效減小頻率二次跌落,但功率支撐階段該方法的有功輸出快速下降會(huì)影響對(duì)系統(tǒng)頻率最低點(diǎn)的支撐作用。
綜上分析,本文提出基于功率軌跡預(yù)設(shè)的虛擬慣量控制方法,該方法首先提供與傳統(tǒng)虛擬慣量控制策略相同的恒定功率支撐,而后基于系統(tǒng)頻率最低點(diǎn)產(chǎn)生時(shí)間,設(shè)定頻率支撐時(shí)間,旨在維持調(diào)頻能力的同時(shí)釋放更少轉(zhuǎn)子動(dòng)能。轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段,通過(guò)建立有功出力隨時(shí)間變化的線性函數(shù),在設(shè)定的時(shí)間內(nèi),有功出力緩慢恢復(fù)至最大功率跟蹤曲線,實(shí)現(xiàn)可控的轉(zhuǎn)速恢復(fù)周期及減小頻率的二次跌落的目標(biāo),最后通過(guò)仿真分析驗(yàn)證在不同變風(fēng)速場(chǎng)景下改進(jìn)方法的有效性。
DFIG 主要由風(fēng)力機(jī),齒輪箱,雙饋感應(yīng)電機(jī)及電力電子裝置構(gòu)成,如圖1 所示。DFIG 通過(guò)變流器多環(huán)路控制決定交流電壓相位與幅值,實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤等高級(jí)控制策略。圖1 中,vw為風(fēng)速,β為槳距角,PM為風(fēng)機(jī)捕獲機(jī)械功率,ωr為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,Vs和Is分別為定子側(cè)電壓和電流,Vr和Ir分別為轉(zhuǎn)子側(cè)電壓和電流,Vd為直流電壓,輸入網(wǎng)側(cè)變流器維持Vd值恒定,Qr和Qs分別為轉(zhuǎn)子側(cè)及定子側(cè)無(wú)功功率參考值。
圖1 DFIG典型配置及控制系統(tǒng)圖Fig.1 Typcial configuration and control system of DFIG
DFIG 捕獲機(jī)械功率PM如式(1)所示:
式中:ρ為空氣密度;rw為風(fēng)機(jī)葉片半徑;Cp為風(fēng)能利用系數(shù),是葉尖速比λ和槳距角β的非線性函數(shù)。
葉尖速比λ為風(fēng)機(jī)葉片尖端線速度與風(fēng)速之比,如式(2)所示:
式中:ωw為風(fēng)力機(jī)葉片角速度。
當(dāng)β為0,風(fēng)能利用系數(shù)達(dá)到最大,DFIG 通過(guò)控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωr實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)MPPT 運(yùn)行模式如式(3)所示:
式中:PMPPT為最大功率跟蹤曲線;CPmax為最大風(fēng)能利用系數(shù);λ0為最優(yōu)葉尖速比。
DFIG 的慣性響應(yīng)表現(xiàn)為系統(tǒng)頻率變化的緩沖能力,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生頻率擾動(dòng)時(shí),DFIG 釋放轉(zhuǎn)子中儲(chǔ)存的動(dòng)能,增大電磁功率,降低轉(zhuǎn)速,其動(dòng)態(tài)過(guò)程如式(4)所示[18]:
式中:HDFIG為DFIG 慣性時(shí)間常數(shù);ωpu為轉(zhuǎn)子角速度標(biāo)幺值;ΔPpu為擾動(dòng)的標(biāo)幺值;t為時(shí)間。
由于標(biāo)幺值系統(tǒng)中的系統(tǒng)頻率fpu與ωpu相同[22],對(duì)式(4)積分,得出tr至td時(shí)刻DFIG 釋放動(dòng)能與頻率變化關(guān)系如式(5)所示:
式中:tr為擾動(dòng)初始時(shí)刻;td為系統(tǒng)頻率跌落最低點(diǎn)時(shí)刻;ΔEpu為DFIG 釋放動(dòng)能的標(biāo)幺值;Δf(td-tr).pu為tr時(shí)刻至td時(shí)刻的系統(tǒng)頻率變化。
進(jìn)一步化簡(jiǎn)式(5)可得:
根據(jù)式(6)得出,在tr至td時(shí)刻DFIG 轉(zhuǎn)子釋放動(dòng)能ΔEpu增大,td時(shí)刻的系統(tǒng)頻率會(huì)隨之增加,即當(dāng)系統(tǒng)頻率下降時(shí),DFIG 參與調(diào)頻釋放轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)動(dòng)能增加有功輸出,可提高頻率最低點(diǎn),抑制頻率波動(dòng)。
文獻(xiàn)[23]提出了基于功率軌跡預(yù)設(shè)的風(fēng)電機(jī)組虛擬慣量控制方法,擾動(dòng)發(fā)生后風(fēng)電機(jī)組切換至慣量控制模式,如圖2 所示。其中,ΔP為頻率支撐階段恒定的有功增量,Pref1為傳統(tǒng)控制策略的有功出力,P0為擾動(dòng)前測(cè)得的恒定PMPPT值,t0,t1,t2為風(fēng)機(jī)在傳統(tǒng)策略下的運(yùn)行時(shí)間點(diǎn)。
圖2 傳統(tǒng)控制策略框圖Fig.2 Diagram showing traditional control strategy
按照有功功率預(yù)設(shè)軌跡提供調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)有功輸出,有功參考值曲線如圖3 所示,包括頻率支撐階段和轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段,其中,A,B,C,D,E為風(fēng)機(jī)有功運(yùn)行點(diǎn)。
圖3 傳統(tǒng)控制策略原理圖Fig.3 Schematic diagram of traditional control strategy
頻率支撐階段,風(fēng)機(jī)有功出力從P0增加至P0+ΔP,維持t0→t1時(shí)段,文中t0→t1時(shí)段設(shè)為10 s,風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子釋放旋轉(zhuǎn)動(dòng)能,提升頻率最低點(diǎn)。該階段風(fēng)機(jī)有功運(yùn)行點(diǎn)由A點(diǎn)垂直升至B點(diǎn),并維持至C點(diǎn)。轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段,風(fēng)機(jī)有功出力瞬間從P0+ΔP的狀態(tài)切換并維持t1→t2時(shí)段的P0-0.5ΔP狀態(tài),文中t1→t2時(shí)段設(shè)置為20 s,此時(shí)風(fēng)機(jī)有功運(yùn)行點(diǎn)由C點(diǎn)垂直下降到D點(diǎn),并平移至E點(diǎn),風(fēng)機(jī)輸出的電磁功率小于輸入的機(jī)械功率,風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子吸收能量,轉(zhuǎn)速逐漸增大,為確保風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速恢復(fù)至初始狀態(tài),需要滿足加速面積等于減速面積,即頻率支撐階段風(fēng)機(jī)釋放轉(zhuǎn)子動(dòng)能等于轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段風(fēng)機(jī)吸收儲(chǔ)存的動(dòng)能。
然而,文獻(xiàn)[23]提出的虛擬慣量控制策略存在以下問(wèn)題:
1)系統(tǒng)受擾動(dòng)后,頻率最低點(diǎn)大約在3~5 s 后產(chǎn)生[25-26],恒定ΔP維持時(shí)間過(guò)長(zhǎng),風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能過(guò)度釋放,可能會(huì)造成轉(zhuǎn)速過(guò)低而產(chǎn)生失速風(fēng)險(xiǎn)。
2)轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段,有功出力瞬間切換狀態(tài)系統(tǒng)會(huì)再次感受到擾動(dòng)造成二次頻率跌落,嚴(yán)重時(shí)會(huì)低于頻率跌落最低點(diǎn),特別是在變動(dòng)風(fēng)速場(chǎng)景下,容易誘發(fā)風(fēng)機(jī)失速,進(jìn)一步惡化系統(tǒng)的頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。
針對(duì)傳統(tǒng)控制策略存在問(wèn)題,本文提出改進(jìn)虛擬慣量控制策略,通過(guò)設(shè)置合理的ΔP維持時(shí)間減小轉(zhuǎn)子動(dòng)能釋放,兼顧頻率跌落最低點(diǎn)支撐,并優(yōu)化了頻率二次跌落問(wèn)題,功率預(yù)設(shè)軌跡如圖4 所示,其中ta,tb,tc,td,te為風(fēng)機(jī)在改進(jìn)策略下的運(yùn)行時(shí)間點(diǎn),ΔPC為有功運(yùn)行點(diǎn)C所對(duì)應(yīng)的有功增量。
圖4 改進(jìn)控制策略原理圖Fig.4 Schematic diagram of improved control strategy
在頻率支撐階段,由于系統(tǒng)頻率跌落最低點(diǎn)大約出現(xiàn)在擾動(dòng)后3~5 s,為保證頻率支撐效果并減小轉(zhuǎn)子動(dòng)能過(guò)度釋放,減小風(fēng)機(jī)失速的風(fēng)險(xiǎn),在風(fēng)機(jī)頻率支撐階段有功增量ΔP保持大小不變前提下,將維持時(shí)間縮減為ta→tb,文中設(shè)置ta→tb時(shí)段為5 s。此階段風(fēng)機(jī)有功運(yùn)行點(diǎn)由A點(diǎn)垂直上升至B點(diǎn),并平移到C點(diǎn),風(fēng)機(jī)有功參考值大小如式(7)所示,其中ΔP的值與傳統(tǒng)方法一致:
式中:Pref2為改進(jìn)控制策略的有功出力。
為使轉(zhuǎn)子恢復(fù)轉(zhuǎn)速,風(fēng)機(jī)輸入的電磁功率應(yīng)小于輸出的機(jī)械功率,傳統(tǒng)控制策略瞬時(shí)改變有功出力將會(huì)造成嚴(yán)重的頻率二次跌落。因此,本文在tb→td時(shí)段建立Pref2隨時(shí)間增大而減小的線性函數(shù)以減緩跌落速度如式(8)所示。此階段風(fēng)機(jī)有功運(yùn)行點(diǎn)由C點(diǎn)運(yùn)行到E點(diǎn),有功運(yùn)行D對(duì)應(yīng)tc時(shí)刻為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子開(kāi)始恢復(fù)轉(zhuǎn)速。
式中:Pm0為tb時(shí)測(cè)得的恒定PMPPT值;Δt為tb→td時(shí)段時(shí)間變化量。
Δt決定了二次頻率跌落程度及轉(zhuǎn)速的恢復(fù)速度,其值較小會(huì)產(chǎn)生顯著的二次頻率跌落,其值較大會(huì)使轉(zhuǎn)速的恢復(fù)速度相對(duì)較慢。因此,為在系統(tǒng)二次頻率控制啟動(dòng)前恢復(fù)至MPPT 運(yùn)行(擾動(dòng)后20~30 s 啟動(dòng)二次頻率跌落),本文設(shè)置Δt=15 s。
當(dāng)ΔPC隨時(shí)間縮減為0 時(shí),DFIG 的有功出力如式(10)所示:
在td→te時(shí)段,風(fēng)機(jī)有功運(yùn)行點(diǎn)由E點(diǎn)收斂到A點(diǎn),Pref2恢復(fù)至PMPPT狀態(tài),風(fēng)機(jī)逐漸恢復(fù)到擾動(dòng)前狀態(tài)。
針對(duì)傳統(tǒng)虛擬慣量控制策略存在問(wèn)題,進(jìn)行了以下改進(jìn):
1)頻率支撐階段,風(fēng)機(jī)縮減恒定有功出力維持時(shí)間,減小轉(zhuǎn)子動(dòng)能釋放,兼顧頻率跌落最低點(diǎn)支撐,合理調(diào)用風(fēng)機(jī)慣性調(diào)頻潛力,減小產(chǎn)生失速風(fēng)險(xiǎn)。
2)在轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段,確立有功參考值隨時(shí)間增大而減小的線性關(guān)系,改進(jìn)基于有功參考值瞬時(shí)減小的控制方式,以有效減小有功出力瞬間跌落引起的頻率二次跌落。當(dāng)ΔPC縮減為0 時(shí),功率軌跡將返回MPPT 曲線,使風(fēng)機(jī)平穩(wěn)退出調(diào)頻,避免對(duì)系統(tǒng)頻率的二次沖擊。
為驗(yàn)證本文改進(jìn)策略有效性,基于仿真平臺(tái)EMTP-RV 建立含風(fēng)電的IEEE 14 系統(tǒng),如圖5 所示。其中1—14 為母線節(jié)點(diǎn),G1—G5為同步發(fā)電機(jī),裝機(jī)容量分別為615 MW,130 MW,120 MW,120MW,60MW,L2—L14為系統(tǒng)靜態(tài)負(fù)載,總計(jì)539MW。
圖5 仿真系統(tǒng)模型Fig.5 Model of simulation system
在仿真過(guò)程中,參考魁北克電網(wǎng)導(dǎo)則[16]設(shè)置ΔP為0.1 p.u.,為更加貼切現(xiàn)實(shí)風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況,設(shè)置t=50 s 同步機(jī)G2脫網(wǎng)產(chǎn)生100 MW 功率缺額后,選取2 種隨機(jī)波動(dòng)風(fēng)速場(chǎng)景(在50 s 擾動(dòng)前DFIG 進(jìn)行初始化,風(fēng)速需保持恒定),如圖6 所示。
圖6 變風(fēng)速場(chǎng)景Fig.6 Scenario of variable wind speed
由圖6 可知,隨機(jī)波動(dòng)風(fēng)速1 與隨機(jī)波動(dòng)風(fēng)速2 初期(頻率支撐階段)相較于初始風(fēng)速具有整體增加與降低的變化特征。通過(guò)對(duì)運(yùn)行在MPPT、傳統(tǒng)策略、改進(jìn)策略下的風(fēng)機(jī)自身穩(wěn)定性及調(diào)頻結(jié)果,驗(yàn)證改進(jìn)策略在變風(fēng)速情況下的有效性。
1)算例1:變風(fēng)速場(chǎng)景1。算例1 仿真結(jié)果如圖7 所示。
圖7 算例1仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of case 1
在t=50 s 時(shí)同步機(jī)G2脫機(jī)造成100 MW 擾動(dòng),此時(shí)系統(tǒng)頻率開(kāi)始下降觸發(fā)風(fēng)機(jī)參與調(diào)頻。在頻率支撐階段,當(dāng)風(fēng)機(jī)在MPPT 運(yùn)行模式下不參與調(diào)頻,系統(tǒng)頻率最低點(diǎn)下降為58.952 Hz;當(dāng)DFIG 分別以傳統(tǒng)策略和改進(jìn)策略運(yùn)行時(shí),采用改進(jìn)方法和傳統(tǒng)方法的風(fēng)機(jī)有功輸出迅速增加15 MW,系統(tǒng)頻率最低點(diǎn)由58.952 Hz 提升到59.086 Hz,頻率最低點(diǎn)提高了0.116 Hz。
在轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段,傳統(tǒng)策略下有功增量瞬間改變?yōu)?0.5ΔP的狀態(tài),造成了新的有功沖擊,系統(tǒng)出現(xiàn)0.184 Hz 的二次頻率跌落,80 s 時(shí)控制信號(hào)觸發(fā)風(fēng)機(jī)恢復(fù)至MPPT 模式,但此時(shí)由于風(fēng)速的波動(dòng)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)80 s 時(shí)的轉(zhuǎn)速值區(qū)別于擾動(dòng)前狀態(tài)的轉(zhuǎn)速值,經(jīng)過(guò)20 s 暫態(tài)過(guò)程后風(fēng)機(jī)逐步恢復(fù)至初始狀態(tài),期間產(chǎn)生超調(diào)現(xiàn)象;改進(jìn)方法通過(guò)預(yù)設(shè)有功出力軌跡隨時(shí)間逐步改變至MPPT 模式,90 s 左右,風(fēng)機(jī)能夠根據(jù)風(fēng)速變化的特點(diǎn)平穩(wěn)地改變至MPPT 模式后退出調(diào)頻,消除頻率二次跌落。
2)算例2:變風(fēng)速場(chǎng)景2。算例2 仿真結(jié)果如圖8 所示。在頻率支撐階段,當(dāng)發(fā)生擾動(dòng)后采用MPPT控制策略時(shí),系統(tǒng)頻率最低點(diǎn)為58.952 Hz。DFIG在傳統(tǒng)方法和改進(jìn)方法控制策略下功率預(yù)設(shè)軌跡與算例1 相同,頻率跌落最低點(diǎn)提升至59.086 Hz。
圖8 算例2仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of case 2
在轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段,傳統(tǒng)策略下有功預(yù)設(shè)軌跡為恢復(fù)轉(zhuǎn)速瞬間切換狀態(tài),引發(fā)了0.161 Hz 的二次頻率跌落,并且由于風(fēng)速的急劇下降,此時(shí)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)繼續(xù)下降,誘發(fā)失速風(fēng)險(xiǎn),嚴(yán)重影響風(fēng)機(jī)自身運(yùn)行穩(wěn)定性,70 s 時(shí)再次造成了0.461 Hz 的頻率跌落;改進(jìn)策略下機(jī)組轉(zhuǎn)速在變風(fēng)速場(chǎng)景2 的下降程度小于傳統(tǒng)策略,如圖8(c)所示,驗(yàn)證了改進(jìn)方法可以減少風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子動(dòng)能釋放,避免了在波動(dòng)風(fēng)速下轉(zhuǎn)子動(dòng)能過(guò)度釋放造成的失速現(xiàn)象,從而削弱由于風(fēng)機(jī)的自身穩(wěn)定性問(wèn)題對(duì)系統(tǒng)頻率的影響。
針對(duì)傳統(tǒng)虛擬慣量控制策略存在問(wèn)題,本文提出一種改進(jìn)控制策略,提升DFIG 頻率調(diào)節(jié)能力,有效改善轉(zhuǎn)速失速及二次頻率跌落問(wèn)題。通過(guò)仿真分析得到如下結(jié)論:
1)頻率支撐階段,改進(jìn)控制策略在有效滿足支撐頻率的同時(shí),減少動(dòng)能釋放,充分利用風(fēng)機(jī)調(diào)頻潛質(zhì),避免風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能過(guò)度釋放,減少不必要的轉(zhuǎn)子動(dòng)能釋放。
2)轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段,傳統(tǒng)控制策略在有功出力瞬間切換狀態(tài),并在波動(dòng)風(fēng)速下因轉(zhuǎn)子動(dòng)能過(guò)度釋放造成的失速現(xiàn)象,誘發(fā)了嚴(yán)重的頻率二次跌落,改進(jìn)策略通過(guò)預(yù)設(shè)功率軌跡隨時(shí)間逐步改變至MPPT模式,避免了在波動(dòng)風(fēng)速下轉(zhuǎn)子動(dòng)能過(guò)度釋放造成的失速現(xiàn)象,減小風(fēng)機(jī)因自身穩(wěn)定性問(wèn)題對(duì)系統(tǒng)頻率的沖擊。