引言

隨著可再生能源接入電力系統(tǒng),傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)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(jī)組在頻率不穩(wěn)定時(shí)能夠參與電網(wǎng)一次調(diào)頻,在風(fēng)電機(jī)組進(jìn)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(jī)組運(yùn)行限制在較低出力水平,根據(jù)頻率偏差信號(hào)及頻率下垂特性計(jì)算出調(diào)頻目標(biāo)值,并將其作為風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻功率控制指令,無(wú)疑增加了機(jī)組的發(fā)電量損失。

文獻(xiàn)提出雙饋風(fēng)機(jī)在傳統(tǒng)控制的基礎(chǔ)上通過(guò)增加頻率控制環(huán)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子功率的釋放和吸收相應(yīng)的有功出力實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)節(jié),對(duì)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(jiǎng)距角控制以及單臺(tái)和多臺(tái)之間的協(xié)調(diào)控制能力。

文獻(xiàn)提出了基于慣性控制比例控制方法進(jìn)行頻率調(diào)節(jié),結(jié)合變獎(jiǎng)距角控制來(lái)整定出風(fēng)電機(jī)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(shí)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(gè)電力系統(tǒng)中的占比不斷上升,因此各地政策標(biāo)準(zhǔn)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(guò)一定范圍時(shí),風(fēng)電機(jī)組需按照預(yù)設(shè)的下垂特性曲線自動(dòng)增加或降低風(fēng)電機(jī)組出力來(lái)參與系統(tǒng)一次調(diào)頻,風(fēng)電機(jī)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(shí),風(fēng)電機(jī)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(shí),風(fēng)電機(jī)組最多增加有功出力AP;當(dāng)頻率上升到f＋fd以上時(shí),風(fēng)電機(jī)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(shí),可停止向電網(wǎng)供電。

2風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻控制原理

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

3風(fēng)電機(jī)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(biāo)準(zhǔn)所要求的頻率支撐能力,但由此導(dǎo)致的風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行效益低和發(fā)電量損失大的問(wèn)題卻不能很好地解決,因此設(shè)計(jì)風(fēng)電機(jī)組自適應(yīng)調(diào)頻控制策略很有必要。本文所設(shè)計(jì)的調(diào)頻自適應(yīng)控制策略主要由離線設(shè)計(jì)與在線尋參兩部分構(gòu)成,如圖3所示,具體實(shí)現(xiàn)步驟如下。

(1)根據(jù)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行特性,建立風(fēng)電機(jī)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(jiǎng)葉半徑:Cp為風(fēng)能利用系數(shù):入為葉尖速比:8為獎(jiǎng)距角:,為風(fēng)速。

(2)根據(jù)風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻下垂特性,計(jì)算出不同電網(wǎng)頻率f對(duì)應(yīng)的調(diào)頻響應(yīng)值A(chǔ)P:

(3)構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)F以期望獲得最小的獎(jiǎng)距角調(diào)節(jié)量,同時(shí)將輸出功率Pme(Pmin,Pmax)取多個(gè)功率點(diǎn)P(1,…,s),電網(wǎng)頻率femin,fmax)取多個(gè)頻率點(diǎn)f(1,…,n),并對(duì)oref、8ref、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)間等變量進(jìn)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(diǎn)、不同電網(wǎng)頻率點(diǎn)下的獎(jiǎng)距角參考值,其具體求解步驟如下:

1)提取目標(biāo)函數(shù)的非線性等式約束條件及不等式約束條件:

2)對(duì)目標(biāo)函數(shù)F進(jìn)行拉格朗日變換得到無(wú)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(biāo)函數(shù)自變量:h(X)是等式約束條件,yj是對(duì)應(yīng)的約束系數(shù):g(X)是不等式約束,μk是對(duì)應(yīng)的約束系數(shù)。

3)通過(guò)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(diǎn)Ps、不同電網(wǎng)頻率點(diǎn)fn下獎(jiǎng)距角參考值9(s,n)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

(5)風(fēng)機(jī)接收到電網(wǎng)頻率與風(fēng)電機(jī)組功率信息(1)、P(1))時(shí),采用雙線性插值法進(jìn)行調(diào)頻自適應(yīng)在線尋參工作,對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行實(shí)時(shí)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(gè)點(diǎn),將其從左至右、從上至下依次標(biāo)記為811、812、821、822:

2)采用雙線性插值法計(jì)算1時(shí)刻風(fēng)電機(jī)組獎(jiǎng)距角參考值8ref,計(jì)算公式如下:

3)將計(jì)算出來(lái)的1時(shí)刻獎(jiǎng)距角參考值8ref反饋給變獎(jiǎng)執(zhí)行部件進(jìn)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(yàn)證上述風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻自適應(yīng)控制策略設(shè)計(jì)的有效性,本文選擇容量2500kw雙饋機(jī)型進(jìn)行仿真驗(yàn)證,通過(guò)工業(yè)級(jí)仿真軟件Bladed進(jìn)行靜態(tài)功率仿真,記錄在不同風(fēng)速、獎(jiǎng)距角下風(fēng)電機(jī)組所對(duì)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(guò)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(diǎn)、不同電網(wǎng)頻率點(diǎn)下的獎(jiǎng)距角參考值,如表1所示。風(fēng)機(jī)根據(jù)輸入的實(shí)時(shí)頻率、功率信息以及頻率f一功率P一獎(jiǎng)距角8ref關(guān)系,采用雙線性插值法循環(huán)進(jìn)行調(diào)頻自適應(yīng)在線尋參工作。

為驗(yàn)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(jī)不同風(fēng)況、不同功率運(yùn)行點(diǎn)進(jìn)行仿真驗(yàn)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(shí)風(fēng)機(jī)開(kāi)啟調(diào)頻自適應(yīng)控制策略進(jìn)行調(diào)頻功率備用,在120s時(shí)電網(wǎng)頻率下擾至49.8Hz,該策略通過(guò)雙線性插值法進(jìn)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(shí)獎(jiǎng)距角增大進(jìn)行減載備用,穩(wěn)定后風(fēng)機(jī)輸出功率降低250kw左右,使其長(zhǎng)期保持0.1Pn的調(diào)頻能力。在120s時(shí),風(fēng)機(jī)通過(guò)雙線性插值法計(jì)算后減小獎(jiǎng)距角,增大輸出功率約75kw左右,滿足調(diào)頻標(biāo)準(zhǔn)要求。

接著針對(duì)風(fēng)速為湍流風(fēng)情況進(jìn)行B1aded仿真驗(yàn)證,設(shè)置電網(wǎng)頻率為50Hz,若要滿足調(diào)頻標(biāo)準(zhǔn)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(jī)需長(zhǎng)期運(yùn)行在輸出功率最低點(diǎn)670kw左右。加入該調(diào)頻控制策略后,風(fēng)機(jī)輸出功率隨著風(fēng)速變化而持續(xù)變化,機(jī)組始終保持250kw的調(diào)頻備用能力。因此,該策略減少了機(jī)組的發(fā)電量損失,提升了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

5結(jié)語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)調(diào)頻控制策略中導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行效益低和發(fā)電量損失大的問(wèn)題,本文提出了一種計(jì)及發(fā)電量損失的風(fēng)電機(jī)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(jiǎng)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(jī)組獎(jiǎng)距角參考值來(lái)對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jì)性,具有較強(qiáng)的調(diào)頻適應(yīng)性及魯棒性。