引言

隨著可再生能源接入電力系統(tǒng),傳統(tǒng)的發(fā)電機在電力系統(tǒng)中的占比不斷下降,高滲透率的可再生能源降低了電力系統(tǒng)的慣性,危及系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。為了使風電機組在頻率不穩(wěn)定時能夠參與電網(wǎng)一次調(diào)頻,在風電機組進行減載控制獲得備用有功的基礎(chǔ)之上,引入附加功率控制環(huán)節(jié),使其具備參與電力系統(tǒng)一次調(diào)頻的能力。然而傳統(tǒng)調(diào)頻控制策略將風電機組運行限制在較低出力水平,根據(jù)頻率偏差信號及頻率下垂特性計算出調(diào)頻目標值,并將其作為風電機組調(diào)頻功率控制指令,無疑增加了機組的發(fā)電量損失。

文獻提出雙饋風機在傳統(tǒng)控制的基礎(chǔ)上通過增加頻率控制環(huán)節(jié)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)子功率的釋放和吸收相應(yīng)的有功出力實現(xiàn)頻率調(diào)節(jié),對比研究了風電中的虛擬慣性控制、下垂控制、轉(zhuǎn)子速度控制、獎距角控制以及單臺和多臺之間的協(xié)調(diào)控制能力。

文獻提出了基于慣性控制比例控制方法進行頻率調(diào)節(jié),結(jié)合變獎距角控制來整定出風電機組靜態(tài)調(diào)差系數(shù)的頻率控制策略,并采用虛擬慣性控制策略實現(xiàn)系統(tǒng)頻率的調(diào)整。

1一次調(diào)頻下垂特性

風電在整個電力系統(tǒng)中的占比不斷上升,因此各地政策標準要求風力發(fā)電具備參與一次調(diào)頻能力。在電網(wǎng)頻率變化超過一定范圍時,風電機組需按照預(yù)設(shè)的下垂特性曲線自動增加或降低風電機組出力來參與系統(tǒng)一次調(diào)頻,風電機組一次調(diào)頻下垂特性曲線如圖1所示。

當頻率在-fd,f+fd)范圍內(nèi)時,風電機組不參與一次調(diào)頻,但至少預(yù)留AP備用容量;當頻率下降到f-fd以下時,風電機組最多增加有功出力AP;當頻率上升到f＋fd以上時,風電機組最多減小有功出力AP;當系統(tǒng)頻率上升到51.5Hz以上時,可停止向電網(wǎng)供電。

2風電機組調(diào)頻控制原理

為保證風電機組自身具備一定的備用調(diào)頻容量,需要對風電機組進行減載運行控制。針對雙饋風電機組的運行特點,提出一種變目標獎距角的風電機組減載控制策略。在正常模式下,獎距角參考值是根據(jù)PI環(huán)節(jié)計算而來;而在調(diào)頻模式下,獎距角參考值由有功調(diào)頻目標值及頻率偏差兩部分共同確定,如圖2所示。

3風電機組自適應(yīng)調(diào)頻策略

傳統(tǒng)調(diào)頻控制策略雖然能提供風電調(diào)頻政策標準所要求的頻率支撐能力,但由此導(dǎo)致的風電機組運行效益低和發(fā)電量損失大的問題卻不能很好地解決,因此設(shè)計風電機組自適應(yīng)調(diào)頻控制策略很有必要。本文所設(shè)計的調(diào)頻自適應(yīng)控制策略主要由離線設(shè)計與在線尋參兩部分構(gòu)成,如圖3所示,具體實現(xiàn)步驟如下。

(1)根據(jù)風電機組運行特性,建立風電機組靜態(tài)功率數(shù)學模型:

式中:Pm為輸出功率:p為空氣密度:R為獎葉半徑:Cp為風能利用系數(shù):入為葉尖速比:8為獎距角:,為風速。

(2)根據(jù)風電機組一次調(diào)頻下垂特性,計算出不同電網(wǎng)頻率f對應(yīng)的調(diào)頻響應(yīng)值A(chǔ)P:

(3)構(gòu)建目標函數(shù)F以期望獲得最小的獎距角調(diào)節(jié)量,同時將輸出功率Pme(Pmin,Pmax)取多個功率點P(1,…,s),電網(wǎng)頻率femin,fmax)取多個頻率點f(1,…,n),并對oref、8ref、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時間等變量進行等式約束和不等式約束:

(4)在Matlab上編寫拉格朗日乘子法程序求解出在不同輸出功率點、不同電網(wǎng)頻率點下的獎距角參考值,其具體求解步驟如下:

1)提取目標函數(shù)的非線性等式約束條件及不等式約束條件:

2)對目標函數(shù)F進行拉格朗日變換得到無約束優(yōu)化函數(shù),建立不等式約束下的拉格朗日函數(shù)L如下:

其中,X=(oref,8ref)是目標函數(shù)自變量:h(X)是等式約束條件,yj是對應(yīng)的約束系數(shù):g(X)是不等式約束,μk是對應(yīng)的約束系數(shù)。

3)通過Matlab編程獲得在不等式約束條件下的全局最優(yōu)解(oref,8ref),記錄下不同輸出功率點Ps、不同電網(wǎng)頻率點fn下獎距角參考值9(s,n)的對應(yīng)關(guān)系。

(5)風機接收到電網(wǎng)頻率與風電機組功率信息(1)、P(1))時,采用雙線性插值法進行調(diào)頻自適應(yīng)在線尋參工作,對風電機組進行實時調(diào)頻響應(yīng),其具體步驟如下:1)提取滿足f'≤f(1)≤f",P'≤P(1)≤P"關(guān)系且相鄰的4個點,將其從左至右、從上至下依次標記為811、812、821、822:

2)采用雙線性插值法計算1時刻風電機組獎距角參考值8ref,計算公式如下:

3)將計算出來的1時刻獎距角參考值8ref反饋給變獎執(zhí)行部件進行一次調(diào)頻響應(yīng),此后循環(huán)執(zhí)行步驟(5)。

4仿真分析

為驗證上述風電機組調(diào)頻自適應(yīng)控制策略設(shè)計的有效性,本文選擇容量2500kw雙饋機型進行仿真驗證,通過工業(yè)級仿真軟件Bladed進行靜態(tài)功率仿真,記錄在不同風速、獎距角下風電機組所對應(yīng)的功率值。設(shè)定頻率死區(qū)fd=0.05Hz、額定容量Pn=2500kw、調(diào)頻百分比AP=0.1Pn,通過在Matlab上編寫拉格朗日乘子法程序求解出在不同輸出功率點、不同電網(wǎng)頻率點下的獎距角參考值,如表1所示。風機根據(jù)輸入的實時頻率、功率信息以及頻率f一功率P一獎距角8ref關(guān)系,采用雙線性插值法循環(huán)進行調(diào)頻自適應(yīng)在線尋參工作。

為驗證上述控制器求解參數(shù)及本文控制策略的有效性,下文在風機不同風況、不同功率運行點進行仿真驗證。首先設(shè)定電網(wǎng)初始頻率為50Hz,風速為恒定風速9m/s。在20s時風機開啟調(diào)頻自適應(yīng)控制策略進行調(diào)頻功率備用,在120s時電網(wǎng)頻率下擾至49.8Hz,該策略通過雙線性插值法進行在線尋參工作發(fā)揮穩(wěn)定的功率支撐作用。從圖4可以看出,在20s時獎距角增大進行減載備用,穩(wěn)定后風機輸出功率降低250kw左右,使其長期保持0.1Pn的調(diào)頻能力。在120s時,風機通過雙線性插值法計算后減小獎距角,增大輸出功率約75kw左右,滿足調(diào)頻標準要求。

接著針對風速為湍流風情況進行B1aded仿真驗證,設(shè)置電網(wǎng)頻率為50Hz,若要滿足調(diào)頻標準要求,需要250kw調(diào)頻功率備用。從圖5可以看出,在傳統(tǒng)調(diào)頻控制策略中,風機需長期運行在輸出功率最低點670kw左右。加入該調(diào)頻控制策略后,風機輸出功率隨著風速變化而持續(xù)變化,機組始終保持250kw的調(diào)頻備用能力。因此,該策略減少了機組的發(fā)電量損失,提升了系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

5結(jié)語

針對傳統(tǒng)調(diào)頻控制策略中導(dǎo)致風電機組運行效益低和發(fā)電量損失大的問題,本文提出了一種計及發(fā)電量損失的風電機組調(diào)頻自適應(yīng)控制方法,采用拉格朗日乘子法離線提取出頻率一功率一獎距角之間的關(guān)系,提高了在線尋參效率:采用雙線性插值法求解出風電機組獎距角參考值來對風電機組進行實時調(diào)頻響應(yīng),很好地減少了發(fā)電量損失,提升了系統(tǒng)的經(jīng)濟性,具有較強的調(diào)頻適應(yīng)性及魯棒性。