林子琴
新疆風能有限責任公司
雙饋風電機組總體控制策略及運行性能
林子琴
新疆風能有限責任公司
隨著風電機組技術不斷進步、風電場裝機容量逐漸增大,更多的大型風電場開始并入電網(wǎng),對電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的影響也隨之增大,因而受到廣泛關注。目前,隨著單機容量為兆瓦級大型風力發(fā)電機組以及上百兆瓦風電場的迅速發(fā)展,并網(wǎng)電網(wǎng)系統(tǒng)的安全、可靠運行的要求需要得到更高的保證,因而使得風電系統(tǒng)運行性能及其總體控制策略的研究對于風電機組的控制系統(tǒng)設計具有重要的現(xiàn)實意義。
雙饋風電機組;總體控制策略;運行性能
雙饋風電(DFIG)機組由于自身的優(yōu)良性能逐漸成為風力發(fā)電市場發(fā)展的主流機型。為了深入研究雙饋風電機組全風速下的運行性能,筆者提出對風電機組總體控制策略進行研究。首先建立了風力發(fā)電機、傳動鏈和雙饋發(fā)電機的數(shù)學模型。其次,從風能最大利用和風機安全運行角度考慮,提出了電機損耗最小的風電機組最大功率輸出控制策略,以及轉(zhuǎn)速和功率限制的變槳控制策略。最后,結(jié)合雙饋發(fā)電機功率解耦控制策略對風電機組的總體運行性能進行仿真,并將仿真結(jié)果與理論分析和實際運行數(shù)據(jù)進行比較和驗證。
風電機組是一個包含電磁、機電系統(tǒng)及機械過程的多時間尺度動態(tài)系統(tǒng),對風機各部件進行詳細建模,用于電力系統(tǒng)分析是低效的,也是不切合實際的。下面主要探討機電暫態(tài)時間尺度下風電機組的簡化模型,用于系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析,簡稱暫態(tài)穩(wěn)定模型。
雙饋風電機組暫態(tài)穩(wěn)定模型的導出建立在詳細機理模型的基礎之上,詳細機理模型包含:風速、氣動、變槳、傳動系統(tǒng)、發(fā)電機、變流器、電氣控制以及機組保護等組成部分,各部分的模型均具有多尺度、高階、非線性等特征,將該詳細模型降階為暫態(tài)穩(wěn)定模型需明確各部分動態(tài)的衰減速度,一般用帶寬(頻域)或時間常數(shù)(時域)進行度量。
2.1 風速、氣動以及變槳系統(tǒng)模型
2.1.1 風速模型
短時間尺度風速建模通常要包含平均風速、陣風、漸變風以及湍流幾個部分。由于風機對風速波動體現(xiàn)為低通濾波特性,且濾波時間常數(shù)較大,約為12s,與研究系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的時間尺度相比(0.1~10s)以認為維持不變,所以本文風速建模采用恒定的平均風速。
2.1.2 風輪氣動模型
風輪氣動部分的建模在暫態(tài)穩(wěn)定問題研究中通常采用類如Cp曲線擬合的靜態(tài)模型。對于由槳葉載荷不平衡引起的風剪切、塔影效應等現(xiàn)象,可以根據(jù)需要選擇合理的空間濾波器進行模擬,從而避免繁瑣的葉素動量計算。單從風輪氣動建模的角度來看,以上幾種特定現(xiàn)象會對風輪的輸入轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生一定影響,但結(jié)合整機發(fā)電控制來看,以上氣動轉(zhuǎn)矩的波動經(jīng)風機慣量濾波后將被大幅抑制。
2.1.3 變槳系統(tǒng)模型
變槳系統(tǒng)模型包含控制器和執(zhí)行機構兩個部分。執(zhí)行機構模型一般采用帶速率和槳距角限制的一階動態(tài)模型,T為時間常數(shù),由于該時間常數(shù)位于暫態(tài)穩(wěn)定分析的時間尺度內(nèi),所以不能忽略動態(tài)。變槳系統(tǒng)的控制模型包含轉(zhuǎn)速控制和功率控制兩部分,控制器采用PI調(diào)節(jié)器。由于變槳控制屬慢過程,因此在進行暫態(tài)穩(wěn)定分析時需要考慮其調(diào)節(jié)動態(tài)。
2.2 傳動系模型
風電機組軸系建模通常是將風輪槳葉、輪轂、齒輪箱、發(fā)電機等旋轉(zhuǎn)部件按照相互耦合強度不同等值成多質(zhì)量塊,較詳細的軸系模型高達11階(六質(zhì)量塊),能反映5種振蕩模式,但對于系統(tǒng)穩(wěn)定性研究更關注的是軸系的低頻振蕩,可用等效兩質(zhì)量塊模型表征該振蕩模式。
3.1 基于電機損耗最小的風能最大輸出控制策略
由于雙饋發(fā)電機發(fā)電效率會隨著電機參數(shù)和運行工況改變,因此風力機即使能夠?qū)崿F(xiàn)最大風能捕獲,發(fā)電機發(fā)出的有功功率也會隨著運行效率而改變。為了使雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)盡可能地利用風能以及保持較高的發(fā)電效率,筆者提出了基于電機損耗最小的最大輸出控制策略。在同一風速下,不同風力機轉(zhuǎn)速會使風力機輸出不同的功率,為了實現(xiàn)最大風能的追蹤,必須在風速變化時實時地調(diào)整電機轉(zhuǎn)速。由此可見,風力機的最大功率值與轉(zhuǎn)速的立方成正比,并用轉(zhuǎn)速檢測代替了風速檢測。轉(zhuǎn)速測量相比風速測量更加簡單、容易、可靠、穩(wěn)定。另外可依據(jù)已知的風力機最佳功率輸出曲線,查表得到機組轉(zhuǎn)速參考值,再對DFIG機組進行控制。
3.2 基于轉(zhuǎn)速和功率限制的變槳距控制策略
當風速高于額定風速以上運行時,風力發(fā)電機組受機械強度、發(fā)電機容量和變頻器容量限制,必須調(diào)節(jié)風力機的功率系數(shù),降低風輪捕獲的能量,保持發(fā)電機輸出恒定的功率。只單獨考慮轉(zhuǎn)速限制或者功率限制的變槳距控制策略,并不能很好地實現(xiàn)機組最大風能的跟蹤運行,因此有必要建立基于轉(zhuǎn)速和功率限制的變槳距控制策略。
為了綜合驗證筆者研究的功率解耦控制策略、最大風能捕獲策略及風力發(fā)電機變槳距控制策略在并網(wǎng)雙饋風電機組中的控制效果,本節(jié)對并網(wǎng)后雙饋風電機組全風速運行性能進行仿真。仿真用2MW風電機組參數(shù)為:額定功率PN=2150kW;額定電壓UN=690 V;定子電阻Rs=0.00706p.u.;定子漏感Lsσ=0.171p.u.;折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電阻Rr=0.005p.u.;折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子漏感Lrσ=0.156p.u.;定、轉(zhuǎn)子互感Xm=2.9p.u.;發(fā)電機慣性常數(shù)Hg=0.951s;極對數(shù)np=3;變流器直流側(cè)電容設定電壓Vdc=1200V;風力機慣性常數(shù)Hw=4.05s,傳動軸剛度系數(shù)Ks=0.3p.u.;額定風速ν=11m/s。設定風速為2s時開始從5m/s逐步上升至20m/s,其全風速運行范圍內(nèi)的仿真結(jié)果如圖1所示。
由圖可以看出,隨著風速ν的上升,發(fā)電機轉(zhuǎn)速ωr也從0.703pu逐步上升至1.255p.u.(t=8.7s時達到同步轉(zhuǎn)速);直流鏈電壓基本上能夠穩(wěn)定工作在1200V,證明網(wǎng)側(cè)變流器工作正常;還可以看出DFIG輸出總的電能有功功率Pelec和無功功率Qelec能夠順利實現(xiàn)功率的解耦控制,Pelec在轉(zhuǎn)速ωr達到限定轉(zhuǎn)速1.21p.u.以前跟隨風速逐漸變大,實現(xiàn)最大風能捕獲;當機組達到額定功率以上時變槳系統(tǒng)開始工作,限定機械載荷和轉(zhuǎn)速的進一步提高,機組則保持風力機額定功率平穩(wěn)運行。
圖1 雙饋風電機組總體控制的運行性能仿真結(jié)果
圖中實線為實際測得的DFIG總的輸出有功功率Pelec對轉(zhuǎn)速ωr的變化曲線,加實點標記的虛線為雙饋風電機組最大功率跟蹤值Premf對轉(zhuǎn)速ωr的變化曲線??梢钥闯觯p饋風電機組總體運行結(jié)果和實際風電機組測試結(jié)果基本吻合;此外,通過應用筆者提出的發(fā)電機損耗最小的最大功率跟蹤策略,額定功率以下每轉(zhuǎn)速點對應的最大功率大于實測機組的功率,驗證了所提出控制策略的優(yōu)越性。
為了全面準確分析并網(wǎng)風力發(fā)電機組實時運行特性,針對雙饋風力發(fā)電機組類型,首先建立了風力機、傳動鏈和雙饋發(fā)電機的數(shù)學模型。其次,從風能最大利用和風機安全運行角度,提出了一種考慮電機損耗最小的風電機組最大功率輸出控制策略,以及考慮轉(zhuǎn)速和功率限制的變槳控制策略。最后,結(jié)合雙饋發(fā)電機功率解耦控制策略對風電機組的總體運行性能進行了仿真。通過仿真、理論分析以及與實際風電機組運行數(shù)據(jù)的比較,提出的最大功率輸出控制策略,能很好地跟蹤最大輸出功率點,其最優(yōu)轉(zhuǎn)速和理論分析一致。通過仿真輸出功率和實際風電機組輸出功率比較,雙饋風電機組全程運行結(jié)果和實際風電機組測試結(jié)果基本吻合,且可以看出在額定功率以下每轉(zhuǎn)速點對應的最大功率大于實測機組的功率,進一步驗證了所提出控制策略的優(yōu)越性。
[1]賀益康,鄭康,潘再平,等.交流勵磁變速恒頻風電系統(tǒng)運行研究[J].電力系統(tǒng)自動化,2004,28(13):55-59,68.