考慮風(fēng)速分區(qū)的風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)短期頻率響應(yīng)協(xié)同控制策略

彭 勃, 張 峰， 梁 軍

(電網(wǎng)智能化調(diào)度與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(山東大學(xué)), 山東省濟(jì)南市 250061)

0 引言

隨著風(fēng)電并網(wǎng)容量的逐年增加,風(fēng)電所具有的間歇性與隨機(jī)性等特點(diǎn)給電力系統(tǒng)帶來了新的挑戰(zhàn)[1-2]。其中雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組(doubly-fed induction generator (DFIG) based wind turbine)是目前風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)用最為廣泛的變速恒頻風(fēng)電機(jī)組。該類風(fēng)電機(jī)組通過電力電子變流器變速恒頻運(yùn)行輸出有功功率,但風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子并不與電網(wǎng)直接相連[3-5],因此,風(fēng)力機(jī)缺乏轉(zhuǎn)子慣量,機(jī)組轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率解耦[6-7],不具備同步發(fā)電機(jī)組的頻率響應(yīng)能力。在風(fēng)電機(jī)組高比例接入的區(qū)域電網(wǎng)中,大量風(fēng)電機(jī)組對(duì)傳統(tǒng)機(jī)組的替代會(huì)使該區(qū)域電網(wǎng)的總慣量降低[8-9]。因此,使風(fēng)電機(jī)組具備包含慣性響應(yīng)與一次調(diào)頻的短期頻率響應(yīng)能力,對(duì)高風(fēng)電滲透率地區(qū)電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性以及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行都具有重要意義。

針對(duì)這一問題,國(guó)內(nèi)外已有一系列相關(guān)研究成果。其中,附加慣性控制環(huán)節(jié)[4-5,7-10]的方法經(jīng)常被應(yīng)用于此類研究。該方法以系統(tǒng)頻率作為輸入信號(hào),經(jīng)微分控制環(huán)節(jié),將附加控制信號(hào)疊加在風(fēng)力機(jī)的最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking,MPPT)環(huán)節(jié)之上,實(shí)現(xiàn)變速風(fēng)電機(jī)組的虛擬慣性頻率響應(yīng),然而風(fēng)力機(jī)所能提供的虛擬慣性響應(yīng)能力與其響應(yīng)前運(yùn)行狀態(tài)直接相關(guān),風(fēng)速的隨機(jī)性與波動(dòng)性難以保證風(fēng)電機(jī)組具有持久可靠的慣性響應(yīng)能力,而且易造成系統(tǒng)頻率的二次波動(dòng),不利于系統(tǒng)頻率穩(wěn)定;轉(zhuǎn)速控制[10-12]、槳距角控制[13-14]與綜合控制[15-16]等方法通過降低風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能捕獲效率,使風(fēng)力機(jī)工作在減載運(yùn)行狀態(tài),以留出為應(yīng)對(duì)系統(tǒng)頻率波動(dòng)而提供短期功率支持的備用容量,然而長(zhǎng)期的減載運(yùn)行會(huì)使風(fēng)電機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益受到較大影響。

近年來,儲(chǔ)能由于其性能穩(wěn)定、控制靈活、響應(yīng)快速等特點(diǎn)[17]被廣泛應(yīng)用于平抑可再生能源出力波動(dòng)[18]、調(diào)峰調(diào)頻[19]等場(chǎng)合,適合應(yīng)用于系統(tǒng)的短期頻率調(diào)節(jié)場(chǎng)合。文獻(xiàn)[15,20]中風(fēng)力機(jī)通過減載運(yùn)行來維持一定的調(diào)頻備用容量,并應(yīng)用儲(chǔ)能裝置來彌補(bǔ)風(fēng)力機(jī)備用容量不足以應(yīng)對(duì)頻率波動(dòng)的場(chǎng)合,此時(shí)風(fēng)力機(jī)仍然需要長(zhǎng)期運(yùn)行在減載狀態(tài)以留有備用容量,犧牲了風(fēng)力機(jī)的最大風(fēng)能捕獲效率。文獻(xiàn)[21]提出了利用儲(chǔ)能裝置來補(bǔ)償風(fēng)電機(jī)組慣量的控制策略。該控制策略雖然能夠提高風(fēng)電機(jī)組的慣性頻率響應(yīng)能力,但儲(chǔ)能承擔(dān)了全部的頻率響應(yīng)需求,導(dǎo)致儲(chǔ)能容量需求偏高。鑒于目前儲(chǔ)能成本仍然較高,單純依靠?jī)?chǔ)能來補(bǔ)償風(fēng)電機(jī)組慣量的經(jīng)濟(jì)性有待驗(yàn)證。文獻(xiàn)[19]從風(fēng)—儲(chǔ)配合的角度探討風(fēng)電機(jī)組的短期頻率響應(yīng)能力,雖然所提控制策略可以使風(fēng)電機(jī)組在日常以MPPT模式運(yùn)行,儲(chǔ)能只在輔助風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速恢復(fù)過程中起作用,但沒有考慮不同風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)調(diào)頻能力的差異以及變風(fēng)速下的應(yīng)對(duì)策略。上述研究所提出的控制策略雖然都在一定程度上增加了風(fēng)電機(jī)組的慣量,使其具備了短期頻率響應(yīng)能力,但所提出的控制策略中風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能缺乏與儲(chǔ)能的有效協(xié)同配合,而且風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)不但無法滿足多風(fēng)況下的系統(tǒng)調(diào)頻需求,還造成了風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行效益的降低以及儲(chǔ)能的高成本配置需求。

為應(yīng)對(duì)上述問題,本文將同步發(fā)電機(jī)組的慣性頻率響應(yīng)以及一次調(diào)頻階段整合為短期頻率響應(yīng)階段,提出了考慮風(fēng)速分區(qū)的風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)短期頻率響應(yīng)協(xié)同控制策略。該控制策略將風(fēng)速詳細(xì)分區(qū),通過模糊邏輯控制器實(shí)現(xiàn)了二者的協(xié)同配合,增加了風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)的慣量,使其具備了短期頻率響應(yīng)能力,改善了系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。

1 風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)虛擬慣量及短期頻率響應(yīng)能力

電力系統(tǒng)中的同步發(fā)電機(jī)組用于短期頻率響應(yīng)的能量主要來源于儲(chǔ)存在其轉(zhuǎn)子中的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能Ek,SG[6,22],可表示為:

(1)

式中:J為同步發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;ωm為同步發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子角速度。

通常,慣性時(shí)間常數(shù)H被用來表示同步發(fā)電機(jī)組慣量的大小,其被定義為同步電角速度ωs下的發(fā)電組轉(zhuǎn)子動(dòng)能與發(fā)電機(jī)組額定容量SN之比,即

(2)

定義風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)的虛擬慣性時(shí)間常數(shù)為Hvir,可表示為:

(3)

式中:Ek,DFIG,j為第j臺(tái)雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)動(dòng)能;EESS為儲(chǔ)能系統(tǒng)響應(yīng)系統(tǒng)頻率波動(dòng)而輸出的電能;SDFIG,ES為風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)的總額定容量。

當(dāng)系統(tǒng)頻率波動(dòng)時(shí),風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)用于提高等效慣性頻率響應(yīng)能力的有功功率變化量ΔP可表示為:

(4)

式中:ΔPDFIG和ΔPESS分別為雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組與儲(chǔ)能系統(tǒng)的有功功率輸出變化量;Jvir為風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)虛擬同步發(fā)電機(jī)組的虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;ωv為風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)的虛擬同步發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子角速度。

將式(3)代入(4)得到:

(5)

并將式(5)轉(zhuǎn)換為標(biāo)幺值形式如下所示:

(6)

ΔE*=Hvir[(f*(t+Δt))2-(f*(t))2]

(7)

式中:ΔE*為風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行慣性頻率響應(yīng)的電能標(biāo)幺值。

式(7)可整理為:

(8)

由式(8)可知,風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)可以通過輸出有功功率來響應(yīng)系統(tǒng)頻率波動(dòng);對(duì)于一定的ΔE*,風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)的虛擬慣性時(shí)間常數(shù)越大,則系統(tǒng)的頻率波動(dòng)越小。

電力系統(tǒng)的頻率響應(yīng)可以分為慣性響應(yīng)、一次調(diào)頻與二次調(diào)頻或自動(dòng)發(fā)電控制(automatic generation control,AGC)這3個(gè)階段[4],由于風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子中所儲(chǔ)存的轉(zhuǎn)子動(dòng)能有限,以及儲(chǔ)能較為昂貴的容量配置成本,因此二者都無法在較長(zhǎng)時(shí)間尺度上參與系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)。相比之下,在頻率發(fā)生波動(dòng)后的慣性響應(yīng)階段與較短時(shí)間尺度的一次調(diào)頻階段,更加適合通過風(fēng)力機(jī)與儲(chǔ)能系統(tǒng)的協(xié)同配合來提升系統(tǒng)慣量,抑制系統(tǒng)頻率波動(dòng)。本文將風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)系統(tǒng)頻率波動(dòng)的慣性響應(yīng)以及之后的一次調(diào)頻時(shí)間段內(nèi)的頻率響應(yīng)歸為短期頻率響應(yīng),本文的控制策略也主要應(yīng)用于頻率發(fā)生波動(dòng)后的這段時(shí)間之內(nèi)。

2 基于模糊邏輯與風(fēng)速分區(qū)的風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)協(xié)同控制策略設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

模糊邏輯控制無需對(duì)被控過程進(jìn)行定量的數(shù)學(xué)建模,當(dāng)被控過程十分復(fù)雜或者被控過程的數(shù)學(xué)模型難以準(zhǔn)確建立時(shí),模糊邏輯控制就顯得更具實(shí)用性[23]。在風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)中,依據(jù)當(dāng)前頻率特性以及風(fēng)力機(jī)運(yùn)行狀態(tài)來決定風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)響應(yīng)系統(tǒng)調(diào)頻需求的有功功率增量是一個(gè)非常復(fù)雜的過程,其數(shù)學(xué)模型難以準(zhǔn)確建立,故模糊邏輯控制方法對(duì)此過程十分適用。

為使所提控制策略能夠適應(yīng)多種風(fēng)況,需要將不同風(fēng)速下風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速—功率特性進(jìn)行分區(qū)歸類,再以此為基礎(chǔ)制定適應(yīng)各風(fēng)速區(qū)段特點(diǎn)的運(yùn)行控制策略。

2.1 風(fēng)速分區(qū)方法

風(fēng)力機(jī)正常運(yùn)行時(shí),采用MPPT運(yùn)行模式來捕獲當(dāng)前風(fēng)速下的最大風(fēng)功率。風(fēng)力機(jī)出力與當(dāng)前風(fēng)速直接相關(guān),不同的風(fēng)速對(duì)應(yīng)著各自的最大風(fēng)功率與最優(yōu)轉(zhuǎn)速,因此,若利用風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)子動(dòng)能參與頻率調(diào)節(jié),則需要了解當(dāng)前風(fēng)速所對(duì)應(yīng)的風(fēng)力機(jī)出力以及風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

為方便制定不同風(fēng)速下風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)響應(yīng)系統(tǒng)調(diào)頻需求的運(yùn)行控制策略,將1.5 MW雙饋風(fēng)電機(jī)組在不同風(fēng)速下的最優(yōu)功率、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速分為4個(gè)區(qū)間(見附錄A圖A1)。將風(fēng)速小于6 m/s的區(qū)間劃分為風(fēng)速一區(qū),此區(qū)間風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωr僅能保持最低轉(zhuǎn)速ωr,min,無法通過降低轉(zhuǎn)速釋放旋轉(zhuǎn)動(dòng)能的方式響應(yīng)調(diào)頻需求;將6～11 m/s的風(fēng)速區(qū)間劃分為風(fēng)速二區(qū),此區(qū)間風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為最優(yōu)轉(zhuǎn)速以保持MPPT運(yùn)行模式來捕獲當(dāng)前風(fēng)速下的最大風(fēng)功率;將11～12 m/s的風(fēng)速區(qū)間劃分為風(fēng)速三區(qū),此區(qū)間風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到上限值并被維持在轉(zhuǎn)速上限ωr,max,同時(shí)風(fēng)力機(jī)出力Pw接近額定值PN;將風(fēng)速大于12 m/s的區(qū)間劃分為風(fēng)速四區(qū),此區(qū)間風(fēng)力機(jī)出力達(dá)到額定值PN,此時(shí)控制系統(tǒng)通過增大槳距角將風(fēng)力機(jī)輸出功率維持在風(fēng)力機(jī)出力額定值。

由于風(fēng)速一區(qū)中風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能不足,風(fēng)速區(qū)間四區(qū)中風(fēng)力機(jī)輸出功率達(dá)到額定值無法越限增發(fā),因此,當(dāng)風(fēng)速處于此兩區(qū)間時(shí),風(fēng)力機(jī)往往無法參與調(diào)頻,限制了風(fēng)電場(chǎng)響應(yīng)系統(tǒng)調(diào)頻需求的風(fēng)速區(qū)間寬度,無法在跨度較大的風(fēng)速區(qū)間都能夠參與頻率調(diào)節(jié)。

本文提出的基于模糊邏輯控制的風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)協(xié)同控制策略以風(fēng)速分區(qū)為基礎(chǔ),針對(duì)各風(fēng)速區(qū)間特點(diǎn)制定相應(yīng)的運(yùn)行控制策略,使風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)具備在風(fēng)速一區(qū)至風(fēng)速四區(qū)均能響應(yīng)系統(tǒng)短期頻率調(diào)節(jié)需求的能力。

2.2 模糊邏輯控制方法

在附錄A圖A1風(fēng)速分區(qū)的基礎(chǔ)上,本文通過模糊邏輯控制方法實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力機(jī)與儲(chǔ)能系統(tǒng)的靈活配合,以提高風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)的短期頻率響應(yīng)能力。

風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)協(xié)同控制策略中的模糊邏輯控制器共有2個(gè)。其中,第1個(gè)模糊邏輯控制器(FLC1)用于決定風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)慣性頻率響應(yīng)的總有功功率增量;第2個(gè)模糊邏輯控制器(FLC2)用于決定風(fēng)力機(jī)的調(diào)頻參與系數(shù),即風(fēng)力機(jī)在慣性頻率響應(yīng)中有功出力的大小。因此,FLC1與FLC2共同決定了風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)所需承擔(dān)的調(diào)頻需求,在整個(gè)短期頻率響應(yīng)的過程中,儲(chǔ)能系統(tǒng)都在與風(fēng)力機(jī)靈活配合,在充分利用風(fēng)力機(jī)調(diào)頻潛力的同時(shí)還避免了風(fēng)力機(jī)過度參與調(diào)頻,從而實(shí)現(xiàn)了風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合運(yùn)行。

不同于傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)組在慣性頻率響應(yīng)階段有轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)動(dòng)能阻尼,以及一次調(diào)頻階段有調(diào)速器,風(fēng)力機(jī)本身不具備慣性響應(yīng)能力和一次調(diào)頻能力,在風(fēng)力機(jī)的短期頻率響應(yīng)實(shí)現(xiàn)過程中,這2部分沒有明確的階段分界,都體現(xiàn)為風(fēng)力機(jī)釋放轉(zhuǎn)子動(dòng)能以及儲(chǔ)能系統(tǒng)的有功功率。從短期頻率響應(yīng)啟動(dòng)的條件來說,若系統(tǒng)頻率偏差Δf的絕對(duì)值或系統(tǒng)頻率變化率df/dt的絕對(duì)值超過設(shè)定值,則頻率響應(yīng)標(biāo)志位都會(huì)啟動(dòng)來觸發(fā)短期頻率響應(yīng),風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)短期頻率響應(yīng)的有功出力大小則由模糊邏輯控制器決定。

對(duì)于FLC1,其輸入與輸出變量對(duì)應(yīng)關(guān)系及隸屬函數(shù)曲線如附錄A圖A2所示,其輸入為Δf(-1～0 Hz)與df/dt(-0.6～0.6 Hz/s)[21],輸出為風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)的慣性響應(yīng)總支持有功功率增量ΔPtotal,SPT(0～0.25(標(biāo)幺值))。FLC1根據(jù)系統(tǒng)頻率的變化情況實(shí)時(shí)決定風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)的短期頻率響應(yīng)總有功功率增量,動(dòng)態(tài)模擬了同步發(fā)電機(jī)組的慣性響應(yīng)特性,補(bǔ)償了風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)慣量。FLC1的模糊邏輯推理表如附錄A表A1所示。其建立原則為:當(dāng)Δf較大或者df/dt絕對(duì)值較大時(shí),則輸出ΔPtotal,SPT較大;當(dāng)Δf較小并且df/dt接近于0時(shí),則輸出ΔPtotal,SPT較小,因此有利于系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。

對(duì)于FLC2(見附錄A圖A3),其輸入為風(fēng)速二區(qū)、三區(qū)的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωr(0.7～1.2(標(biāo)幺值))以及此風(fēng)速分區(qū)的風(fēng)力機(jī)出力參考值Pw,ref(0.2～1(標(biāo)幺值)),輸出為風(fēng)力機(jī)的短期頻率響應(yīng)參與系數(shù)α(0～1(標(biāo)幺值))。FLC2根據(jù)當(dāng)前風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)參與慣性響應(yīng)的能力來決定α,進(jìn)而決定了風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)短期頻率響應(yīng)過程中風(fēng)力機(jī)所承擔(dān)的出力增量,如下式所示:

ΔPw,SPT=αΔPtotal,SPT

(9)

式中:ΔPw,SPT為風(fēng)力機(jī)短期頻率響應(yīng)有功功率增量。

此時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)短期頻率響應(yīng)有功功率增量ΔPess,SPT如下式所示:

ΔPess,SPT=(1-α)ΔPtotal,SPT

(10)

其模糊語言變量含義可參考FLC1中的定義。根據(jù)風(fēng)力機(jī)功率和轉(zhuǎn)速曲線及風(fēng)速分區(qū),推理表的建立原則為:當(dāng)ωr較大且Pw,ref較大時(shí),則輸出α較大;當(dāng)ωr非常小時(shí)則輸出α盡可能小;當(dāng)Pw,ref非常大時(shí),則輸出α盡可能小。FLC2的模糊邏輯推理表見附錄A表A2。

通過在風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)中引入模糊邏輯控制器FLC1與FLC2,使風(fēng)力機(jī)可以根據(jù)實(shí)時(shí)頻率偏差與變化率,以及自身當(dāng)前狀態(tài),動(dòng)態(tài)決定參與頻率調(diào)節(jié)的程度。在充分利用了風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)動(dòng)能調(diào)頻潛力的同時(shí)還避免了風(fēng)力機(jī)對(duì)調(diào)頻需求的過度要求。同時(shí),由于系統(tǒng)總的調(diào)頻出力增量由FLC1實(shí)時(shí)決定,故風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)所需承擔(dān)的調(diào)頻需求也隨之確定,儲(chǔ)能系統(tǒng)可靈活配合風(fēng)力機(jī),實(shí)現(xiàn)風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合運(yùn)行。

2.3 風(fēng)力機(jī)運(yùn)行控制策略的實(shí)現(xiàn)

基于2.2節(jié)中模糊邏輯控制器FLC2的輸出,風(fēng)力機(jī)的調(diào)頻參與程度即可確定。本節(jié)進(jìn)一步確定風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行控制策略。通過對(duì)風(fēng)力機(jī)的控制,風(fēng)力機(jī)可以釋放轉(zhuǎn)子動(dòng)能響應(yīng)系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)需求。本文所用雙饋風(fēng)電機(jī)組模型的控制原理圖見附錄A圖A4,其控制運(yùn)行原理可參見附錄A中介紹。

雙饋風(fēng)電機(jī)組的控制框圖如圖1所示,其中,TG為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器時(shí)間常數(shù);Pe與Pm分別為風(fēng)力機(jī)的電磁功率與風(fēng)能輸入的機(jī)械功率;β為槳距角;Hw為風(fēng)力機(jī)自身的慣性時(shí)間常數(shù);Tcmd為轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)；Pcmd為轉(zhuǎn)矩控制下的輸出功率指令;PI為比例—積分控制器。以系統(tǒng)頻率下降為例,此時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)子動(dòng)能的釋放而逐步下降;當(dāng)系統(tǒng)頻率恢復(fù)到正常范圍后,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也會(huì)逐漸恢復(fù),因此雙饋風(fēng)電機(jī)組的頻率響應(yīng)控制主要包含系統(tǒng)頻率檢測(cè)、頻率支持以及轉(zhuǎn)速恢復(fù)等3個(gè)環(huán)節(jié)。

圖1 雙饋風(fēng)電機(jī)組控制框圖Fig.1 Control block of DFIG based wind turbine

對(duì)于頻率檢測(cè)環(huán)節(jié),通過實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)頻率,與系統(tǒng)額定值[21]進(jìn)行比較,當(dāng)系統(tǒng)頻率偏移或頻率變化率檢測(cè)結(jié)果的絕對(duì)值超出允許值則將控制系統(tǒng)的頻率響應(yīng)標(biāo)志位置1,此時(shí)風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)入短期頻率響應(yīng)階段。

當(dāng)頻率響應(yīng)標(biāo)志位為1時(shí),進(jìn)入頻率支持環(huán)節(jié)。模糊邏輯控制器FLC2以當(dāng)前風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωr與出力參考值Pw,ref作為輸入變量,經(jīng)過模糊規(guī)則,可以得到風(fēng)力機(jī)的參與系數(shù)α,由此得到短期頻率響應(yīng)有功功率增量ΔPw,SPT,此時(shí)風(fēng)力機(jī)退出MPPT運(yùn)行模式,并將當(dāng)前轉(zhuǎn)速參考值ωr,ref設(shè)置為追蹤因釋放旋轉(zhuǎn)動(dòng)能而下降的當(dāng)前轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωr,隨風(fēng)力機(jī)出力增加轉(zhuǎn)速下降,從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的慣性頻率響應(yīng)。

在轉(zhuǎn)速恢復(fù)環(huán)節(jié),當(dāng)風(fēng)力機(jī)的頻率控制結(jié)束時(shí),頻率響應(yīng)標(biāo)志位置0,風(fēng)力機(jī)重新以MPPT模式運(yùn)行,此時(shí)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速參考值設(shè)置為附錄A圖A1中的當(dāng)前風(fēng)速下的最優(yōu)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,之后在風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制下逐步恢復(fù)風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速。

通過以上運(yùn)行控制策略,風(fēng)力機(jī)能夠通過釋放轉(zhuǎn)子動(dòng)能響應(yīng)系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)需求,充分發(fā)揮轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能的調(diào)頻潛力,并通過FLC2動(dòng)態(tài)決定參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)的程度。

2.4 儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行控制策略的實(shí)現(xiàn)

利用2.2節(jié)中模糊邏輯控制器FLC1與FLC2的輸出,儲(chǔ)能系統(tǒng)參與調(diào)頻的有功功率即可確定。本節(jié)進(jìn)一步確定儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行控制策略。本文所用儲(chǔ)能系統(tǒng)模型為MATLAB/Simulink原件庫(kù)中的電池模組,其等效電路圖及運(yùn)行原理見附錄A圖A5及相關(guān)介紹。

儲(chǔ)能系統(tǒng)在風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)中的主要作用是與風(fēng)力機(jī)協(xié)同配合進(jìn)行有功功率支持以應(yīng)對(duì)系統(tǒng)頻率波動(dòng)和增加風(fēng)電機(jī)組的慣量,并使之具備短期頻率響應(yīng)能力以及輔助風(fēng)力機(jī)恢復(fù)轉(zhuǎn)速,從而避免頻率的二次跌落。在整個(gè)風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)的短期頻率響應(yīng)的過程中,儲(chǔ)能系統(tǒng)都能與風(fēng)力機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)配合。

當(dāng)風(fēng)速處于二區(qū)與三區(qū)且風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于最低轉(zhuǎn)速,此時(shí)風(fēng)力機(jī)具備利用轉(zhuǎn)子動(dòng)能響應(yīng)頻率波動(dòng)的能力,儲(chǔ)能系統(tǒng)則配合風(fēng)力機(jī)響應(yīng)頻率波動(dòng)。如圖2所示,Pess為當(dāng)前儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出有功功率;儲(chǔ)能系統(tǒng)參與頻率響應(yīng)的有功功率增量ΔPess,SPT為FLC1的輸出ΔPtotal,SPT與FLC2的輸出ΔPw,SPT之差;fref為系統(tǒng)頻率參考值;f為系統(tǒng)頻率。

當(dāng)風(fēng)力機(jī)退出調(diào)頻進(jìn)入轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段,風(fēng)力機(jī)出力驟降,此時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)增大有功功率輸出以彌補(bǔ)風(fēng)力機(jī)出力的缺失所造成的功率不平衡,減小風(fēng)力機(jī)出力驟降造成頻率二次跌落的影響。

當(dāng)風(fēng)速處于一區(qū)與四區(qū)時(shí),風(fēng)力機(jī)由于其轉(zhuǎn)速與功率限制無法利用轉(zhuǎn)子動(dòng)能參與調(diào)頻,因此儲(chǔ)能系統(tǒng)單獨(dú)響應(yīng)這2個(gè)區(qū)段時(shí)的頻率波動(dòng),使風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)具備適應(yīng)更寬風(fēng)速范圍的系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)響應(yīng)能力。然而,為了避免系統(tǒng)頻率恢復(fù)過程中儲(chǔ)能系統(tǒng)功率的過度釋放,在控制環(huán)節(jié)中附加了儲(chǔ)能系統(tǒng)功率的下垂環(huán)節(jié),當(dāng)系統(tǒng)頻率回升達(dá)到49.8 Hz[24]時(shí),儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出功率將逐漸變緩,經(jīng)下垂環(huán)節(jié)修正后的儲(chǔ)能系統(tǒng)參與頻率響應(yīng)的有功功率為Pess,drop,如下式所示:

(11)

式中:Pess,49.8為頻率為49.8 Hz時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的有功功率。

圖2 儲(chǔ)能系統(tǒng)控制框圖Fig.2 Control block of energy storage system

為彌補(bǔ)當(dāng)儲(chǔ)能結(jié)束響應(yīng)頻率波動(dòng)時(shí)所引起的沖擊以及最終將頻率穩(wěn)定在設(shè)定頻率,在儲(chǔ)能系統(tǒng)控制框圖中附加了PI環(huán)節(jié)。當(dāng)系統(tǒng)實(shí)測(cè)頻率大于49.8 Hz時(shí)此環(huán)節(jié)啟用,綜上,儲(chǔ)能系統(tǒng)參與頻率響應(yīng)的有功功率輸出Pess,SPT如下式所示:

(12)

式中:ΔPPI為圖2中PI調(diào)節(jié)的輸出,即儲(chǔ)能系統(tǒng)有功功率輸出的修正量。

通過以上儲(chǔ)能控制環(huán)節(jié)以及模糊邏輯控制器的共同作用,實(shí)現(xiàn)了以有限容量的儲(chǔ)能設(shè)備與風(fēng)力機(jī)相配合,在使風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)具備在多種風(fēng)況下響應(yīng)系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)需求能力的同時(shí),避免了在風(fēng)力機(jī)結(jié)束或退出調(diào)頻時(shí),輸出功率的瞬間下降所造成的系統(tǒng)頻率二次跌落問題。

2.5 儲(chǔ)能系統(tǒng)的有功功率與容量需求分析

(13)

設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)在時(shí)間間隔Δt內(nèi)釋放出的能量與同步發(fā)電機(jī)組動(dòng)能相同,即

Pess,nΔt=0.078 4PNH

(14)

式中:Pess,n為儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定功率。

一般發(fā)電機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)H約為5 s,設(shè)Δt≈2H,則Pess,n可表示為:

Pess,n≈0.04PN

(15)

故在本文控制策略下,本文選取4%PN作為儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定功率Pess,n。由于儲(chǔ)能系統(tǒng)用于配合風(fēng)力機(jī)進(jìn)行短期頻率響應(yīng),故儲(chǔ)能系統(tǒng)的持續(xù)充放電時(shí)間僅需數(shù)十秒至數(shù)分鐘即可滿足要求,本文取4 min作為儲(chǔ)能系統(tǒng)持續(xù)充放電的時(shí)間長(zhǎng)度,以此可得其能量容量。

設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)使用壽命為20年,在此時(shí)間尺度上,本文所提出風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)協(xié)同控制策略下的儲(chǔ)能系統(tǒng)配置成本與僅有風(fēng)力機(jī)長(zhǎng)期留備用模式[15]產(chǎn)生的機(jī)會(huì)成本,以及儲(chǔ)能系統(tǒng)單獨(dú)進(jìn)行頻率響應(yīng)[21]的配置成本對(duì)比見附錄A中表A3與表A4。通過對(duì)比可知,本文所提控制策略的成本低于另外2種控制策略,故本文所提控制策略具有經(jīng)濟(jì)可行性。

2.6 風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)協(xié)同控制流程

以風(fēng)速分區(qū)為基礎(chǔ),采用不同的風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)協(xié)同配合控制策略?；谀：壿嬁刂频娘L(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)協(xié)同控制策略總體流程圖如圖3所示。

圖3 風(fēng)-儲(chǔ)系統(tǒng)協(xié)同控制流程圖Fig.3 Flow chart of coordinated control strategy of wind-energy storage system

1)當(dāng)系統(tǒng)頻率偏移檢測(cè)結(jié)果的絕對(duì)值超出允許值0.033 Hz時(shí),頻率響應(yīng)標(biāo)志位啟動(dòng),進(jìn)入風(fēng)速分區(qū)判斷環(huán)節(jié),否則風(fēng)力機(jī)以MPPT模式正常運(yùn)行。

2)若當(dāng)前風(fēng)速處于風(fēng)速一區(qū),此時(shí)僅能通過儲(chǔ)能系統(tǒng)響應(yīng)系統(tǒng)頻率波動(dòng)。當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)荷電狀態(tài)(state of charge,SOC)soc大于下限值socmin,則系統(tǒng)通過模糊邏輯控制器來決定輸出有功功率的大小,否則進(jìn)入SOC恢復(fù)環(huán)節(jié)。

3)若當(dāng)前風(fēng)速處于風(fēng)速二區(qū),風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于ωr,min時(shí),由FLC2得出風(fēng)力機(jī)的調(diào)頻參與系數(shù)來決定風(fēng)力機(jī)的頻率響應(yīng)功率增量ΔPw,SPT;當(dāng)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速下降到小于ωr,min或者頻率上升速率高于0.2 Hz/s時(shí),風(fēng)力機(jī)終止慣性頻率響應(yīng),啟動(dòng)轉(zhuǎn)速恢復(fù)環(huán)節(jié);風(fēng)力機(jī)退出后,由儲(chǔ)能系統(tǒng)彌補(bǔ)風(fēng)力機(jī)退出調(diào)頻所形成的功率缺額并繼續(xù)支持系統(tǒng)頻率恢復(fù)。

4)若當(dāng)前風(fēng)速處于風(fēng)速三區(qū),此區(qū)段的運(yùn)行控制策略與風(fēng)速處于風(fēng)速二區(qū)中大致相同,但此區(qū)間風(fēng)力機(jī)出力較高,在釋放轉(zhuǎn)子動(dòng)能增加出力的同時(shí)不能超過風(fēng)力機(jī)的出力上限。

5)當(dāng)風(fēng)速處于風(fēng)速四區(qū)時(shí),此時(shí)風(fēng)力機(jī)出力達(dá)到額定值,并保持MPPT模式不變,儲(chǔ)能系統(tǒng)則承擔(dān)此區(qū)段的調(diào)頻任務(wù),并通過SOC判斷是否進(jìn)入SOC恢復(fù)環(huán)節(jié)。

3 仿真驗(yàn)證

3.1 仿真系統(tǒng)介紹

為了驗(yàn)證本文所提控制策略的有效性,在MATLAB/Simulink平臺(tái)上搭建仿真系統(tǒng)。由于本文基于單臺(tái)雙饋風(fēng)電機(jī)組對(duì)應(yīng)單臺(tái)儲(chǔ)能裝置的控制策略具有普適性,故在仿真系統(tǒng)中選取一個(gè)等值雙饋風(fēng)電機(jī)組代表風(fēng)電場(chǎng)。仿真系統(tǒng)包括與等值風(fēng)電機(jī)組對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)、3臺(tái)同步發(fā)電機(jī)組、變壓器、負(fù)荷以及等值線路組成。仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖與詳細(xì)參數(shù)見附錄B圖B1、表B1至表B4。

對(duì)于頻率偏高事件,通過調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速或者槳距角使風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在非MPPT模式,在各風(fēng)速區(qū)間內(nèi)運(yùn)行的風(fēng)力機(jī)都可以實(shí)現(xiàn)減載,從而對(duì)頻率升高事件做出響應(yīng)。相較于根據(jù)當(dāng)前風(fēng)力機(jī)運(yùn)行狀態(tài)釋放轉(zhuǎn)子動(dòng)能增加風(fēng)力機(jī)的出力而言,降低風(fēng)力機(jī)出力更易實(shí)現(xiàn)。在應(yīng)對(duì)頻率偏高事件時(shí),風(fēng)力機(jī)與儲(chǔ)能系統(tǒng)的協(xié)同配合過程與應(yīng)對(duì)頻率跌落時(shí)十分相似,區(qū)別在于風(fēng)力機(jī)減載無法滿足的調(diào)頻需求需要通過儲(chǔ)能系統(tǒng)從電網(wǎng)充電來進(jìn)行,之后再通過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與槳距角控制使風(fēng)力機(jī)恢復(fù)MPPT運(yùn)行狀態(tài)。因此,本文主要針對(duì)電網(wǎng)頻率跌落事件進(jìn)行仿真與分析。在5 s時(shí),設(shè)置負(fù)荷功率突增50 MW。

3.2 不同風(fēng)速下的仿真結(jié)果

本文對(duì)所提出的風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)協(xié)同控制策略、僅有風(fēng)力機(jī)附加慣性環(huán)節(jié)的控制方法[5]以及無附加控制的情況進(jìn)行仿真,通過對(duì)比這3種控制方式的仿真結(jié)果來驗(yàn)證風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)協(xié)同控制策略的有效性以及與傳統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)慣性控制方法相比的優(yōu)越性。此3種控制方法在仿真結(jié)果圖中分別以風(fēng)—儲(chǔ)協(xié)同控制、附加慣性控制以及無控制表示。

本文選取系統(tǒng)運(yùn)行在風(fēng)速二區(qū)和風(fēng)速四區(qū)來檢驗(yàn)本文控制策略的應(yīng)用效果。由于當(dāng)風(fēng)速處于風(fēng)速一區(qū)與風(fēng)速四區(qū)時(shí),利用儲(chǔ)能系統(tǒng)來滿足系統(tǒng)頻率響應(yīng)需求,所提出控制策略對(duì)于二者的處理流程類似,故這里僅分析風(fēng)速在風(fēng)速四區(qū)時(shí)的情況。風(fēng)速三區(qū)的仿真結(jié)果可見附錄B圖B2。

1)系統(tǒng)運(yùn)行在風(fēng)速二區(qū)的仿真結(jié)果

取仿真風(fēng)速為9 m/s。如附錄A圖A1所示,此時(shí)風(fēng)速位于風(fēng)速二區(qū)。在風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速不低于下限的前提下,充分利用風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能響應(yīng)頻率波動(dòng),并利用儲(chǔ)能系統(tǒng)作為風(fēng)力機(jī)參與調(diào)頻的補(bǔ)充是本文控制策略在此區(qū)段的控制目標(biāo)。

圖4為仿真系統(tǒng)運(yùn)行在風(fēng)速二區(qū)時(shí)的仿真結(jié)果。其中,圖4(a)為系統(tǒng)頻率響應(yīng)曲線,風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)協(xié)同控制策略下的系統(tǒng)頻率最低值fnadir為49.4 Hz,高于另外2種控制方式,有效提升了頻率下跌最低值。圖4(a)中在僅有風(fēng)力機(jī)參與調(diào)頻的控制方式下,當(dāng)風(fēng)力機(jī)退出調(diào)頻時(shí),其輸出功率將快速降低,隨之導(dǎo)致系統(tǒng)頻率的二次跌落,不利于系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。圖4(b)與圖4(c)分別為風(fēng)速二區(qū)中風(fēng)電機(jī)組出力曲線和風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速曲線,相比于僅有風(fēng)力機(jī)的控制方式,風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)協(xié)同控制策略下的風(fēng)電機(jī)組出力由模糊邏輯控制器得出風(fēng)力機(jī)參與系數(shù)與風(fēng)電機(jī)組總支持有功功率值來決定。處于風(fēng)速二區(qū)時(shí),風(fēng)力機(jī)調(diào)頻參與系數(shù)受轉(zhuǎn)速影響,隨著風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降低而逐漸減小,風(fēng)力機(jī)所分擔(dān)的調(diào)頻功率需求也逐漸減小,直至達(dá)到退出條件而退出調(diào)頻。無控制方式下風(fēng)力機(jī)出力一直保持MPPT模式運(yùn)行,無法響應(yīng)系統(tǒng)頻率波動(dòng)。在僅有風(fēng)力機(jī)附加慣性環(huán)節(jié)的調(diào)頻方式下,風(fēng)力機(jī)承擔(dān)更多的出力,需釋放更多的轉(zhuǎn)子動(dòng)能使得轉(zhuǎn)速下降更多,調(diào)頻結(jié)束后恢復(fù)至MPPT模式更慢。儲(chǔ)能系統(tǒng)有功功率輸出如圖4(d)所示,在風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)投入調(diào)頻初期,風(fēng)力機(jī)參與系數(shù)較高,故此時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)所承擔(dān)的有功功率較小,主要功能是彌補(bǔ)風(fēng)力機(jī)承擔(dān)調(diào)頻出力的不足;當(dāng)風(fēng)力機(jī)在14.9 s退出調(diào)頻后,為抑制風(fēng)力機(jī)出力驟降造成系統(tǒng)頻率二次跌落,儲(chǔ)能系統(tǒng)通過增發(fā)功率來彌補(bǔ)風(fēng)力機(jī)功率缺額,并輔助風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速恢復(fù)。

圖4 系統(tǒng)處于風(fēng)速二區(qū)時(shí)仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of power systems when operating in the second wind speed section

通過將本文所提控制策略在此風(fēng)速區(qū)段的控制效果與其他控制方式對(duì)比,可以看出本文控制策略能夠滿足系統(tǒng)在風(fēng)速二區(qū)運(yùn)行時(shí)的頻率調(diào)節(jié)需求,當(dāng)系統(tǒng)頻率發(fā)生波動(dòng)時(shí),能更加有效地提升系統(tǒng)慣性,抑制了頻率的下跌速率,使系統(tǒng)頻率下跌的最低點(diǎn)升高;通過儲(chǔ)能系統(tǒng)與風(fēng)力機(jī)的配合,抑制了頻率的二次跌落,提升了此風(fēng)速區(qū)段內(nèi)風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)的短期頻率響應(yīng)能力。

2)系統(tǒng)運(yùn)行在風(fēng)速四區(qū)的仿真結(jié)果

當(dāng)風(fēng)速達(dá)到12 m/s以上時(shí),即進(jìn)入風(fēng)速四區(qū),此時(shí),風(fēng)力機(jī)無法單獨(dú)參與調(diào)頻,本文利用儲(chǔ)能系統(tǒng)的有功功率輸出來響應(yīng)此風(fēng)速區(qū)段的頻率波動(dòng),使風(fēng)電場(chǎng)在高風(fēng)速下也具備短期頻率響應(yīng)能力。

圖5對(duì)比了在風(fēng)速四區(qū),系統(tǒng)在不同控制方式下發(fā)生負(fù)荷突增后的系統(tǒng)頻率曲線。在僅有風(fēng)力機(jī)附加慣性環(huán)節(jié)參與調(diào)頻的控制方式下，由于風(fēng)力機(jī)的出力達(dá)到上限時(shí)無法參與調(diào)頻,故本文控制策略僅與無控制時(shí)的情況進(jìn)行對(duì)比。如圖5(a)所示,風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)此時(shí)僅儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出有功功率,此控制方式下系統(tǒng)頻率最低點(diǎn)較無控制方式有較明顯上升;由于此風(fēng)速區(qū)段風(fēng)電機(jī)組出力達(dá)到最大值,在正常情況下風(fēng)電機(jī)組出力占系統(tǒng)出力比例較大,系統(tǒng)慣量相對(duì)較低,當(dāng)發(fā)生相同程度的負(fù)荷波動(dòng)時(shí),系統(tǒng)頻率波動(dòng)幅度相較于風(fēng)速二區(qū)與風(fēng)速三區(qū)時(shí)更大,故在風(fēng)速四區(qū)時(shí)系統(tǒng)頻率跌落最低點(diǎn)低于前2個(gè)風(fēng)速區(qū)段。圖5(b)為儲(chǔ)能系統(tǒng)有功功率輸出曲線,當(dāng)系統(tǒng)頻率回升超過49.8 Hz后,為了儲(chǔ)能系統(tǒng)有功功率輸出不至于過大而影響系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性,儲(chǔ)能系統(tǒng)下垂環(huán)節(jié)投入,使儲(chǔ)能系統(tǒng)有功功率輸出平穩(wěn)降低;系統(tǒng)頻率超過49.9 Hz后,PI環(huán)節(jié)投入,在儲(chǔ)能系統(tǒng)有功功率輸出上增加修正量,使系統(tǒng)頻率穩(wěn)定在額定值附近。

圖5 系統(tǒng)運(yùn)行在風(fēng)速四區(qū)時(shí)仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of power system when operating in the fourth wind speed section

此算例驗(yàn)證了本文控制策略在風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行在風(fēng)速四區(qū)時(shí),通過對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充分利用,滿足了系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)需求,有效抑制了系統(tǒng)頻率波動(dòng),彌補(bǔ)了此風(fēng)速區(qū)段僅風(fēng)力機(jī)參與調(diào)頻時(shí)由于出力達(dá)到上限而無法應(yīng)對(duì)的不足。

4 結(jié)語

本文針對(duì)雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組不具備短期頻率響應(yīng)能力的問題,將不同風(fēng)速下的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速—功率特性分區(qū)細(xì)化,提出了基于模糊邏輯控制與風(fēng)速分區(qū)的風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)短期頻率響應(yīng)協(xié)同控制策略。通過仿真,與僅應(yīng)用附加慣性環(huán)節(jié)等方法進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果表明,本文所提出風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行控制策略能夠充分利用風(fēng)力機(jī)與儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)頻潛力,將二者協(xié)同配合,不僅能夠適應(yīng)多種風(fēng)況,還避免了風(fēng)力機(jī)退出調(diào)頻造成的系統(tǒng)頻率的二次跌落問題,有效提升了風(fēng)—儲(chǔ)系統(tǒng)的短期頻率響應(yīng)能力。

本文的研究重點(diǎn)在于不同風(fēng)速區(qū)間下單臺(tái)風(fēng)力機(jī)與單套儲(chǔ)能系統(tǒng)配合進(jìn)行短期頻率響應(yīng)的控制策略并驗(yàn)證其可行性。在高風(fēng)電滲透率電力系統(tǒng)中,風(fēng)電場(chǎng)中的機(jī)組分布較為廣泛,往往處于不同的運(yùn)行狀態(tài),以本文的研究為基礎(chǔ),對(duì)于含多種不同運(yùn)行狀態(tài)風(fēng)力機(jī)的風(fēng)電場(chǎng),FLC1可用于得出當(dāng)前頻率事件下風(fēng)電場(chǎng)的頻率響應(yīng)功率需求;基于風(fēng)速分區(qū),對(duì)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)各風(fēng)力機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估,可以統(tǒng)計(jì)出風(fēng)電場(chǎng)中具備參與頻率響應(yīng)能力的風(fēng)力機(jī);此時(shí),各風(fēng)力機(jī)的FLC2再根據(jù)當(dāng)前風(fēng)力機(jī)運(yùn)行狀態(tài)決策出各自的頻率響應(yīng)參與系數(shù),以此為參考,從風(fēng)電場(chǎng)的角度將頻率響應(yīng)的功率需求在有調(diào)頻能力的風(fēng)力機(jī)與儲(chǔ)能系統(tǒng)之間進(jìn)行合理分配,從而實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)與同一風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)多臺(tái)不同運(yùn)行狀態(tài)的風(fēng)力機(jī)配合參與頻率響應(yīng)的目的。然而,風(fēng)電場(chǎng)中不同風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)的協(xié)調(diào)管理與頻率響應(yīng)能力的評(píng)估,以及風(fēng)電場(chǎng)對(duì)調(diào)頻需求的合理分配問題仍然需要進(jìn)一步研究,這將作為本文下一步的研究方向。

本文得到山東大學(xué)青年學(xué)者未來計(jì)劃資助,特此致謝！

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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