超速风电机组的改进频率控制方法

胥国毅, 胡家欣, 郭树锋, 陈春萌, 李春来, 毕天姝

(1. 新能源电力系统国家重点实验室, 华北电力大学, 北京市 102206;2. 青海省光伏发电并网技术重点实验室(国网青海省电力公司电力科学研究院), 青海省西宁市 810008)

0 引言

随着风力发电技术的迅猛发展,风力发电在电力系统中所占比重不断提高,变速风电机组灵活的控制性能使其成为并网风电场主流机型,然而变速风电机组通过变频器接入电网,降低了系统的有效惯量,容易使系统发生较大的频率偏移。同时由于风电占比不断提高,压缩了同步发电机的并网容量,系统调频容量不足,对电网的安全稳定运行带来挑战。通过变频器灵活的有功和无功功率调节能力,开发风电机组的控制潜力向电力系统提供频率控制,成为促进风力发电技术进一步发展的关键。西北电网已经率先开展风电及光伏参与系统频率控制实验[1]。国内外的风电机组生产厂商也正着力开发风电机组提供系统频率控制的功能,以满足建设电网友好型风电场的需求[2]。

通过变速风电机组的变速运行能力,利用风电机组的旋转动能可以对系统频率进行控制,这种方法不需要额外投资,通过对风电机组的控制系统进行改造，建立系统频率变化与风电机组输出功率的联系就能实现[3-9],然而这种方法的控制器参数难以确定,并且只能提供暂态频率支撑,在风电机组转速恢复期间容易出现频率的二次下降。

为应对系统频率下降扰动,使风电机组具有持续有功功率储备从而具有一次调频能力,风电机组需要进行减载控制[10]。通过风电场有功功率减载运行的同时降低传统机组备用容量压力,提高风电接入系统的整体经济性[11]。文献[12]将风速划分成不同区域,在不同风速区域采用不同的控制方法实现风电机组减载运行,在转子侧有功功率控制环中增加下垂控制,使风电机组响应系统频率变化。文献[13]通过风电机组转速控制使超速减载运行风电机组具有惯性响应和一次调频的功能。文献[14]提出了根据风电机组储备功率变化的频率控制器参数动态调节方法,优化风电机组的调节性能,但风电机组的减载功率没能充分利用。文献[15]提出的风电机组变下垂系数频率控制策略,将转子转速看作线性递减函数,以获取频率控制器参数。由于转速线性变化,因而对转子动能的利用不够充分。目前对于超速减载风电机组的频率控制方法主要采用转速控制、固定下垂系数控制和变下垂系数控制。当系统频率发生跌落时,通过增加风电机组捕获的机械功率,提高有功功率输出参与电网调频,还未考虑到在频率控制过程中对风电机组旋转动能和减载功率的有效利用,以充分发挥风电机组的频率控制能力。

为了克服现有方法的不足。本文提出充分利用风电机组旋转动能和减载功率的频率控制方法,根据风电机组运行状态选择频率控制器参数,从而有效提升风电机组频率控制效果。

1 风电机组模型及系统频率控制

由于全功率变频器风电机组在机组结构、低电压穿越、故障恢复等方面的优势,逐渐成为主流机型,其主要由风力机、发电机和全功率变频器构成。本文采用的全功率变频器风电机组，参数见附录A。

风力机模型为[16]:

(1)

(2)

(3)

式中:Pm为风电机组的机械功率;ρ为空气密度;A为风轮扫风面积;Vw为风速;cp为风能利用系数;β为风电机组的桨距角;系数c1=0.517 6,c2=116,c3=0.4,c4=5,c5=21,c6=0.006 8;λ为风电机组的叶尖速比。

风电机组控制主要包括转速控制和桨距角控制,风电机组控制给出风电机组有功功率参考值Pref和桨距角参考值β;全功率变频器风电机组的变频器控制主要包括机侧变频器控制和网侧变频器控制,机侧变频器控制发电机输出功率,网侧变频器控制直流电压和风电机组无功功率输出,机侧和网侧变频器均采用比例—积分(PI)控制实现[16]。

电力系统频率跌落可以用最大频率偏移量Δfmax、频率变化率df/dt、稳态频率偏差Δfn和频率下降时间Tnadir等指标来衡量。其中最大频率偏移量和频率变化率是两个最重要的指标,通常用来触发电力系统中的保护控制装置。在电力系统频率控制中,通常采用式(4)来反映含高比例风电的电力系统频率变化与有功功率不平衡量的关系[17]。即

(4)

式中:Hs为系统惯性时间常数;D为负载阻尼系数;f为频率,Δf为频率偏移量;PT为传统发电机输出功率;Pw为风力发电输出功率;PL为系统总的负载。

由于风力发电的大规模接入降低了系统惯性的时间常数,将引起系统较大的频率变化率和频率偏移量。由式(4)可以看出,当系统发生功率不平衡的初始阶段,频率偏移量Δf还相对比较小,系统频率变化率df/dt将主要取决于系统的不平衡功率和惯性时间常数。如果在频率跌落的初始阶段,控制风电机组输出较大的有功功率,将有效降低系统频率变化率。系统最大频率偏移量取决于系统中参与频率调节的发电机原动机及调速器性能,通常发电机及调速器具有较大的时间常数,再热循环机组调节更为缓慢,水电机组由于水锤效应,在初始阶段具有反调节特性[17],而风电机组能够通过变频器快速调整有功功率输出,可以用于补偿传统发电机相对较慢的调整性能,从而提高系统频率控制效果。

2 超速风电机组频率控制

为了使风电机组具有备用有功功率参与系统频率控制,通过超速法或桨距角控制可以实现风电机组的减载运行。两种控制方法控制系统相对独立,因此可以分别进行研究。基于超速法的减载控制方法,其控制速度优于变桨距角控制,然而受风电机组最大转速的限制,超速法不适用于风速高于额定风速的情况。由风速的概率分布可知,一年内绝大部分时间风速均小于风电机组额定转速[7],因此基于超速法获取备用容量在大部分时间内均适用。

采用超速法对风电机组进行减载控制时,控制风电机组转速偏离最优转速,以降低风电机组捕获的机械功率,如图1所示。

图1 风电机组功率曲线Fig.1 Power curves of wind turbine

定义减载水平为:

(5)

式中:P为风电机组实际输出有功功率;Popt为该风速下风电机组最优功率。

风电机组的最大功率点跟踪(MPPT)曲线即为d=0的减载曲线。本文分析中假设风电机组运行在10%的减载曲线上,如图1所示。由于风电机组处于超速减载运行状态,风电机组同时具有较大的旋转动能和有功功率储备用于系统频率控制。

当系统频率降低时,通常采用下垂控制,控制风电机组输出功率为:

(6)

式中:P0为风电机组初始输出功率;ΔP为频率偏移时风电机组增发的有功功率;-1/Rf为下垂控制的斜率。

下垂控制参数难以确定,参数过大,风电机组将过度失速;参数过小,风电机组最终将停留在最优转速与初始转速间的某点运行,减载功率没有得到充分利用。本文研究超速状态下风电机组的频率控制方法,以充分利用风电机组的旋转动能和减载功率,提升频率控制效果,并且通过选择合适的控制参数以确保风电机组安全运行。

3 超速风电机组改进频率控制方法

3.1 频率控制改进方法

超速减载运行的风电机组由于运行速度高于该风速下最优转速,同时具有持续的有功功率储备和较大的旋转动能可以用于系统频率控制。根据其功率特点,通过控制风电机组在频率跌落的初始阶段迅速释放转子动能以降低系统的频率变化率,减载功率用于系统的一次调频,从而使风电机组具有完善的系统调频功能。

在系统发生频率下降的初期,系统中有功功率不平衡量最大,通过控制风电机组使其输出较大的有功功率,将有效降低系统频率变化率,该功率主要来源于风电机组的旋转动能。由于风电机组输出功率大于捕获的机械功率,风电机组转速将迅速下降,风电机组的运行点将从减载功率曲线向最优功率曲线移动,因此,风电机组所捕获的机械功率也将随之增加。当风电机组的转速降低到最优转速时,将风电机组保持在最优功率曲线运行,从而获得比频率跌落前大的输出功率。与仅采用风电机组转子动能进行系统频率控制相比,风电机组不需要从系统获得额外的能量用于返回初始转速,因而不会出现系统频率二次跌落的问题。风电机组最终将运行在最优转速下,从而保证了机组的安全运行。

按照所提超速风电机组频率控制方法设计的风电机组频率控制框图如图2所示。通过检测系统频率跌落触发风电机组的频率控制,当系统频率跌落超过死区时,按照式(7)控制风电机组的有功功率输出,控制信号Pref为机侧变频器的有功控制指令。

(7)

式中:ωopt为风电机组在该风速下的最优转速(ωopt也可以选取风电机组初始转速和最优转速之间的值,在这种情况下,由于风电机组最终将运行在所选择的转速,因而仅利用了部分转子动能和减载功率);ωr和ωr0分别为风电机组的实际转速和系统频率跌落时的风电机组转速;K为比例系数,参数K的大小将决定风电机组在系统频率跌落初期输出功率的大小,其值由风电机组的运行状态和转速下降时间Tdec(释放转子旋转动能时间)确定,参数K的选取将在下节讨论。

图2 风电机组频率控制框图Fig.2 Block diagram of frequency control for wind turbine

式(7)中的功率K(ωr-ωopt)/(ωr0-ωopt)来自于风电机组的旋转动能,转速降至ωopt时将为0,而Pm的增加来自于风电机组储备的机械功率。采用式(7)的控制方法,风电机组在频率控制期间的输出功率如图3所示,在频率跌落初期风电机组具有最大的输出功率,随着风电机组转速的降低而平稳过渡到最优功率曲线,风电机组的可用转子动能和减载功率得以完全利用。风电机组最终将运行在最优转速ωopt,因此,风电机组不会由于参数的选取不当而过度失速。

图3 风电机组功率曲线Fig.3 Power curves of wind turbine

3.2 控制器参数整定

风电机组在不同运行状态下的可用转子动能不同,采用3.1节所述控制方法,需要根据不同状态下的转子动能计算参数K的值用于系统频率控制。

转动惯量时间常数定义为[17]:

(8)

式中:ωrs为风电机组转子的额定转速,为1.2倍同步转速;J为风电机组转动惯量;S为风电机组的额定容量。

风电机组由于转速变化释放的旋转动能为:

(9)

式中：ωr1为风电机组最终转速。

将式(8)代入式(9),并将风电机组的转速转换为以同步转速为基准值的标幺值,可以得到风电机组由于转速变化释放的旋转动能。即

(10)

式中:ωr0,pu为风电机组初始转速的标幺值;ωr1,pu为风电机组最终转速的标幺值。

风电机组的运动方程为[17]:

(11)

式中:Tm和Te分别为风电机组的机械转矩和电磁转矩;ω为风电机组的角速度。

按照式(7)定义的风电机组有功功率输出可以由式(11)仿真计算得到不同参数K时风电机组转速变化曲线,由转速变化曲线获得风电机组转速由初始转速ωr0下降到最优转速ωopt的时间,即风电机组释放转子动能时间Tdec,由此可以得到不同风速下频率控制器参数K与Tdec的关系。以一台2 MW惯性时间常数为2 s的风电机组为例,设该风电机组的减载水平为10%,通过仿真计算得到不同风速下控制器参数K与Tdec的关系如图4所示。曲线上的点表示选取参数K时,风电机组转速将在对应的时间Tdec内由ωr0降至ωopt。由风电机组的固有参数H可以计算获得不同风速下的频率控制器参数表,系统运行人员根据系统频率变化特点设定风电机组释放旋转动能的时间Tdec,由实际风速和Tdec通过参数表获得对应的控制器参数K,代入式(7)实现风电机组的频率变参数控制。假定转子旋转动能频率支撑时间为10 s,对应7,8,9,10 m/s风速下的K分别为0.16,0.2,0.28,0.35。

图4 控制器参数K与Tdec计算结果Fig.4 Simulation result of parameter K and Tdec of controller

4 仿真验证

本文采用MATLAB/Simulink搭建如附录A图A1所示电力系统模型对所提出的风电机组频率控制方法进行仿真验证。该模型中包含两台同步发电机G1和G2,用于模拟同步机电源,G1和G2的额定容量分别为150 MW和300 WM,G1采用发电机6阶模型,G2采用发电机3阶模型,为了反映不同类型发电机的调频特性,G1设置为非再热式机组,G2设置为再热式机组。系统中包含25台2 MW直驱风电机组(采用单机等值模型),负载均采用恒功率负荷模型。系统的频率通过锁相环(PLL)测量风电机组接入点的电压获得。

设定风速为定值10 m/s,该风速下如果风电机组运行在最大功率跟踪状态,风电机组转速将运行在ωopt=1.0(标幺值)。为了获得一次调频的能力,将风电机组通过超速控制处于10%的减载运行状态,风电机组转速为ωr0=1.19(标幺值),输出18 MW有功功率,发电机G1,G2的有功功率分别为100 MW和200 WM。

在5 s时负载1增加15 MW负荷,引起系统频率下降;5.5 s时频率控制器触发风电机组进行频率控制。系统频率大约经过10 s进入稳态,因此对本文所提方法选择风电机组释放旋转动能时间(Tdec)为10 s进行仿真分析,按照3.2节的计算方法得到的控制器参数K为0.35,为了说明不同参数K的控制效果,本文分别取K为0.2和0.45对频率控制效果进行对比。为了比较本文所提方法与传统下垂控制方法的频率控制效果,本文通过试错法选择下垂系数,使风电机组最终停留在最大功率跟踪点附近运行,最大限度地利用风电机组的减载功率。

仿真结果如图5所示。图5(a)为不同控制方法下系统频率的变化情况,由仿真结果可以看出,由于将风电机组引入系统频率控制,系统的频率下降率和最大频率偏移量及稳态频率偏移量均显著降低。本文所提出的控制方法与下垂控制方法相比更显著地降低了频率变化率和频率偏差,提升了系统频率控制效果。系统频率进入稳态后,由于风电机组提供了部分平衡功率,同步发电机增发的功率降低,因此稳态频率偏差有所减小。图5(b)为采用不同控制方法时风电机组的转速变化情况,正常情况风电机组由于超速运行在1.19(标幺值),当风电机组进行频率控制时,风电机组在选择的时间(10 s)内减速到1.0,即10 m/s风速所对应的最优转速,从而说明了本文所采用的频率控制器参数整定方法的正确性。风电机组转速最终保持在最优转速,不会引起风电机组的过度反应,有利于风电机组的安全运行。相较于传统下垂控制方法,本文提出的改进方法使风电机组在频率下降的初始阶段转速迅速变化,输出更大的有功功率用于频率控制。图5(c)为采用本文所提出的控制方法时风电机组的机械功率和输出功率,由仿真结果可以看出,风电机组的机械功率由18 MW增至20 MW,风电机组所增加的机械功率为风电机组超速减载储备的功率。两条曲线的差值表示风电机组旋转动能所释放的功率,在频率跌落初期风电机组输出功率达到35 MW,因此将显著降低系统频率下降率。图5(d)所示为采用下垂控制时风电机组的机械功率和输出功率,其输出功率与系统频率成比例变化,在系统频率最低时输出最大功率23 MW。对比风电机组的输出功率可以看出,本文所提出的方法能够更加有效地利用风电机组的旋转动能用于系统频率控制。

图5 仿真结果Fig.5 Simulation results

参数K选取不同参数时系统频率变化情况及同步发电机在风电机组不同控制方式下的输出功率见附录B。附录B图B1所示为K选取不同参数时系统频率变化情况,由仿真结果看出,如果K选取较小,风电机组输出功率较小,因而频率变化量减小比较少;如果K值选择比较大,风电机组释放旋转动能时间短,风电机组在频率下降初始阶段输出功率大,频率下降缓慢,但是会引起较大的频率偏差,频率恢复也比较缓慢。

附录B图B2和图B3分别为同步发电机G1和G2在风电机组不参与系统频率控制和采用本文所提控制方法时的输出功率,由仿真结果可知,由于系统频率下降,同步发电机的转子动能迅速释放抑制频率下跌,然而旋转动能持续时间短,需要调速器动作最终增加发电机有功功率。由于调速器和汽轮机具有较大的时间常数,因而同步发电机机械功率调节较慢。风电机组在释放转子动能的同时机械功率增加,因此能够有效抑制系统频率下跌。由于风电机组参与系统频率控制降低了系统频率变化,因此减缓了同步发电机输出功率的调节,而再热式机组由于时间常数较大,参与频率控制响应比较慢。

5 结语

本文提出了超速风电机组的改进频率控制方法。该方法将超速减载风电机组的转子动能在系统频率降低时迅速释放用于降低系统频率变化率,减载功率用于系统一次调频,提出了考虑风电机组运行状态的频率控制器参数整定方法。仿真结果表明,所提的频率控制策略能够充分利用超速减载风电机组的旋转动能和减载功率,风电机组平稳过渡到最大风能跟踪运行,与传统下垂控制方法相比,能有效提升风电机组的频率控制能力。

本文所提控制策略具有较强的应用前景,后续工作将围绕考虑系统的频率响应特性,针对风电场中不同运行状态的风电机组,结合虚拟惯量法与本文所提方法,进一步完善风电场的频率控制策略。

本文研究获得国家重大科研仪器研制项目(51627811)和中央高校基本科研业务费专项资金项目(2016MS16)资助，特此致谢！

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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