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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)電機組出力來參與系統(tǒng)一次調(diào)頻,風(fēng)電機組一次調(diào)頻下垂特性曲線如圖1所示。

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

2風(fēng)電機組調(diào)頻控制原理

為保證風(fēng)電機組自身具備一定的備用調(diào)頻容量,需要對風(fēng)電機組進行減載運行控制。針對雙饋風(fēng)電機組的運行特點,提出一種變目標獎距角的風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)電機組運行特性,建立風(fēng)電機組靜態(tài)功率數(shù)學(xué)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(fēng)能利用系數(shù):入為葉尖速比:8為獎距角:,為風(fēng)速。

(2)根據(jù)風(fēng)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(fēng)機接收到電網(wǎng)頻率與風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)速、獎距角下風(fēng)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(fēng)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(fēng)機不同風(fēng)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(fēng)速為恒定風(fēng)速9m/s。在20s時風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)速為湍流風(fēng)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(fēng)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(fēng)機輸出功率隨著風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)電機組獎距角參考值來對風(fēng)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。