高湍流低風(fēng)速下風(fēng)電機組主動減載控制策略研究

冀宵玉，李巖，孫琦，劉公鑠

(南京理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引 言

為增強電力系統(tǒng)運行可靠性，提高電能質(zhì)量，使風(fēng)電機組協(xié)助電網(wǎng)進(jìn)行頻率調(diào)整勢在必行[1]。然而，為使收益最大化，風(fēng)電場通常會控制風(fēng)電機組運行在最大功率點(maximum power point tracking ,MPPT)，這也導(dǎo)致了當(dāng)電網(wǎng)頻率降低時，風(fēng)電機組沒有能力提供額外的有功輸出以參與電網(wǎng)調(diào)頻。因此，使風(fēng)電機組具備一定的備用功率的風(fēng)電機組主動減載運行策略的研究儼然成為新能源電網(wǎng)效益與穩(wěn)定問題的研究焦點。我國西部地區(qū)風(fēng)力資源開發(fā)已趨于飽和，加上西電東送會造成較大的電能損耗，風(fēng)電行業(yè)開始向東部沿海地區(qū)發(fā)展。相對于高風(fēng)速低湍流的西部地區(qū)，東部地區(qū)的風(fēng)能資源存在低速高湍流的特點，因此，對于風(fēng)機的穩(wěn)定的運行提出了更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

目前國內(nèi)外專家提出的對風(fēng)電機組的減載控制方法主要分為三類：一是超速控制減載運行策略，即利用超速使風(fēng)電機組脫離最大功率點，通過將有功輸出存儲為轉(zhuǎn)子動能的方式達(dá)到減載目的[2-3];二是變槳控制減載運行策略，即通過增加槳距角以減少風(fēng)能利用率，完成減載[4];三是超速控制與槳距角控制相結(jié)合的減載運行策略[5]。其中主流減載策略為優(yōu)先超速后續(xù)變槳的控制方式，即先在額定轉(zhuǎn)速以下使轉(zhuǎn)子超速達(dá)到減載的目的，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后繼續(xù)通過增大槳距角的方式降低輸出功率。該方法充分利用了超速減載控制快速性的特點，輔以變槳減載，實現(xiàn)全風(fēng)速段的減載。

以上主動減載控制策略對于西部較為平穩(wěn)的風(fēng)速可以較好地完成對風(fēng)電機組的減載。但面對東部地區(qū)湍流強度較大的風(fēng)速，由于超速控制風(fēng)速段的局限性，減載后風(fēng)電機組僅靠變槳控制無法適應(yīng)湍流風(fēng)速。為了提高風(fēng)電機組減載運行時的風(fēng)速跟隨性，結(jié)合超速減載的快速響應(yīng)性和變槳減載的全風(fēng)速適應(yīng)性，對現(xiàn)有超速優(yōu)先的轉(zhuǎn)速和槳距角的協(xié)調(diào)減載控制策略進(jìn)行優(yōu)化，提出適用于湍流風(fēng)速的超調(diào)槳距角和轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)主動減載控制策略。在現(xiàn)有減載策略的基礎(chǔ)上，通過協(xié)調(diào)增大槳距角控制和減小轉(zhuǎn)速控制將轉(zhuǎn)速保持在低于額定轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定運行點，預(yù)留轉(zhuǎn)速區(qū)間，穩(wěn)定后通過轉(zhuǎn)速變化來響應(yīng)小范圍的風(fēng)速波動，通過槳距角變化來響應(yīng)大范圍的風(fēng)速波動。最后，通過仿真驗證該策略的可行性。

1 超調(diào)槳距角的主動減載控制策略

為了解決超速變槳協(xié)調(diào)控制減載在對中風(fēng)速區(qū)風(fēng)電機組減載運行后無法適應(yīng)湍流風(fēng)速的問題，提出通過超調(diào)槳距角的方法，將風(fēng)機減載后的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速保持在額定轉(zhuǎn)速以下，對現(xiàn)有的超速變槳協(xié)調(diào)控制減載的控制策略進(jìn)行改進(jìn)。風(fēng)電機組在用該策略減載后，可以較好地適應(yīng)湍流風(fēng)速，對于小的風(fēng)速波動，僅靠轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速即可響應(yīng)其變化，對于較大的風(fēng)速波動，則執(zhí)行變槳機構(gòu)進(jìn)行響應(yīng)。

現(xiàn)有風(fēng)電機組主動減載控制策略的槳距角β1可推導(dǎo)得出：

(1)

式中：d%為減載比；Cp,max為該風(fēng)速下的最大風(fēng)能轉(zhuǎn)化系數(shù)；ωn為風(fēng)電機組的額定轉(zhuǎn)速；v為風(fēng)速；R為風(fēng)輪半徑。

此時風(fēng)電機組的轉(zhuǎn)速達(dá)到了額定風(fēng)速，轉(zhuǎn)速無法再隨著風(fēng)速的增大而增大，僅依靠槳距角的變化來響應(yīng)風(fēng)速的變化，但槳距角面對湍流風(fēng)速無法較好地響應(yīng)風(fēng)速的變化。

為了適應(yīng)中風(fēng)速區(qū)的湍流風(fēng)速，本文考慮根據(jù)湍流強度給定一個小于額定轉(zhuǎn)速ωn的轉(zhuǎn)速ωb，使減載后的風(fēng)電機組初始運行在該轉(zhuǎn)速，這樣面對小幅度的風(fēng)速變化即可通過轉(zhuǎn)速來響應(yīng)。

改進(jìn)后的槳距角β2可由式(2)求得。

(1-d%)Cp,max=

(2)

式中：d%為減載比；Cp,max為該風(fēng)速下的最大風(fēng)能轉(zhuǎn)化系數(shù)；ωb為設(shè)定轉(zhuǎn)速；v為風(fēng)速；R為風(fēng)輪半徑。

此時求得的槳距角β2相對于額定轉(zhuǎn)速時的槳距角β1會更大，但輸出的有功功率相同。

圖1為超速和變槳協(xié)調(diào)控制減載原理圖，減載前風(fēng)電機組運行于最大功率點A點，此時轉(zhuǎn)速為最佳轉(zhuǎn)速，槳距角為0°。減載時通過超速控制使機組增大轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速使其運行于額定轉(zhuǎn)速B點，但此時無法滿足d%的減載要求，需要繼續(xù)對風(fēng)電機組進(jìn)行減載控制，此時只能增加槳距角到β1，即運行點由B點運行到C點，從而滿足減載要求。但此時面對湍流強度較高的風(fēng)速，減載后由于風(fēng)電機組的轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到了額定轉(zhuǎn)速，無法發(fā)揮其風(fēng)速跟蹤性，僅能依靠槳距角來跟隨風(fēng)速的變化。為了發(fā)揮轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的風(fēng)速跟蹤快速性，考慮將槳距角增加到β2，將風(fēng)輪轉(zhuǎn)速降為ωb，即使機組運行于D點，此時也同樣滿足了減載要求，并且預(yù)留了轉(zhuǎn)速區(qū)間[ωb,ωn]，在該轉(zhuǎn)速區(qū)間風(fēng)電機組可以僅依靠轉(zhuǎn)速來適應(yīng)風(fēng)速的變化，當(dāng)轉(zhuǎn)速上限無法滿足風(fēng)速的變化時，再通過槳距角來響應(yīng)風(fēng)速變化。

圖1 超速和變槳協(xié)調(diào)控制區(qū)主動減載原理圖

2 仿真驗證

2.1 仿真條件

為驗證提出的風(fēng)電機組改進(jìn)轉(zhuǎn)速與槳距角的主動減載協(xié)調(diào)控制策略的可行性及有效性，在MATLAB/Simulink環(huán)境下對湍流風(fēng)速下的風(fēng)電機組主動減載模型進(jìn)行仿真驗證[6-9]。

風(fēng)電機組建模采用當(dāng)前風(fēng)電市場的主流機型，1.5 MW的雙饋異步風(fēng)電機組(doubly fed induction generator,DFIG)模型。風(fēng)電機組參數(shù)設(shè)置如下：風(fēng)機額定功率為1.5 MW，額定風(fēng)速為12 m/s，最大風(fēng)能利用系數(shù)Cp= 0.48，最佳葉尖速比λ=8.1，最大槳距角變化率為2 deg/s。

湍流風(fēng)速仿真采用組合風(fēng)速法，相較于其他風(fēng)速模擬方法，組合風(fēng)速得到的模擬風(fēng)速能夠較精確地反映風(fēng)速的實際突變性、漸變性及隨機性等特點，能更好地驗證所提出減載控制方法的可行性[10]。湍流風(fēng)速如圖2所示，組合風(fēng)速由四種風(fēng)(基本風(fēng)、陣風(fēng)、漸進(jìn)風(fēng)、隨機風(fēng))的分量組合而成，其中基本風(fēng)風(fēng)速為11 m/s，陣風(fēng)峰值為0.5 m/s，漸進(jìn)風(fēng)中階躍風(fēng)峰值為0.5 m/s，隨機風(fēng)的方差為2，間隔時間為0.25 s。

圖2 模擬湍流風(fēng)速

2.2 結(jié)果分析

對湍流風(fēng)速下提出的改進(jìn)減載策略與常規(guī)減載策略的動態(tài)減載效果進(jìn)行仿真驗證。風(fēng)電機組在t=20 s時在MPPT模式下穩(wěn)態(tài)運行。設(shè)在t=50 s時系統(tǒng)突然發(fā)生減載20%。得到仿真系統(tǒng)中雙饋風(fēng)電機組有功功率、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與槳距角隨時間變化追蹤趨勢，分別如圖3～圖5所示。以仿真時間為界，可將仿真試驗分為三個階段：一階段是t=20～50 s(簡稱為穩(wěn)態(tài)過程1)，此時電力系統(tǒng)處于風(fēng)電機組減載之前的穩(wěn)態(tài)運行時期，雙饋風(fēng)電機組運行于MPPT模式；二階段是t=50～60 s(簡稱為暫態(tài)過程)，由于機組切換為減載系數(shù)為20%的主動減載運行模式，系統(tǒng)開始進(jìn)入減載運行暫態(tài)過渡過程，風(fēng)電機組的有功出力與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和槳距角急速變化調(diào)整；三階段是t=60 s后(簡稱為穩(wěn)態(tài)過程2)，此時系統(tǒng)變化暫態(tài)過程結(jié)束，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，進(jìn)入第二個穩(wěn)態(tài)過程。

三種運行模式的風(fēng)電機組有功功率對比圖如圖3所示，在穩(wěn)態(tài)過程1中，由于系統(tǒng)處于湍流風(fēng)速下，系統(tǒng)風(fēng)速不斷變化導(dǎo)致風(fēng)機轉(zhuǎn)速也相應(yīng)變化，雙饋風(fēng)機有功出力在最大有功功率1.12 MW附近波動；暫態(tài)過程中，提出的改進(jìn)減載策略與常規(guī)減載策略控制風(fēng)電機組的有功出力根據(jù)減載20%條件變化調(diào)整，有功出力急劇減??；改進(jìn)減載策略與常規(guī)減載策略下雙饋風(fēng)電機組的輸出有功功率均保持在0.9 MW左右，為MPPT模式下的80%，達(dá)到了減載20%目標(biāo)，即兩種減載策略均穩(wěn)定實現(xiàn)了雙饋風(fēng)機減載指令。

圖3 有功功率對比

圖4為三種運行模式下的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對比圖。在穩(wěn)態(tài)過程1中，即使處于湍流風(fēng)況狀態(tài)，MPPT控制模式亦使雙饋風(fēng)機的轉(zhuǎn)速在該風(fēng)速的最佳轉(zhuǎn)速1.12 pu上下波動。改進(jìn)前的常規(guī)減載策略控制下的雙饋風(fēng)機運行在最大轉(zhuǎn)速1.2 pu處，長期處于最大轉(zhuǎn)速使得風(fēng)機產(chǎn)生較大機械磨損，不利于風(fēng)機的長期穩(wěn)定運行。而提出的改進(jìn)減載策略控制下的雙饋風(fēng)機轉(zhuǎn)速的保持卻在安全裕度內(nèi)的1.18 pu處轉(zhuǎn)動速度，有更好的安全性、穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性。

圖4 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對比

如圖5所示，在穩(wěn)態(tài)過程1中，由于未達(dá)到轉(zhuǎn)速上限，雙饋風(fēng)機槳距角始終為0。改進(jìn)前的常規(guī)減載策略控制下的雙饋風(fēng)機的槳距角在0～9°之間劇烈變化。由于槳距角的響應(yīng)速度較慢，此種情況下風(fēng)機無法較好地跟蹤風(fēng)速的變化。但是提出的改進(jìn)減載策略控制下的雙饋風(fēng)機槳距角在3.5～9°之間變化，較小的槳距角變化范圍使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速能更好地響應(yīng)風(fēng)速的變化，有更好的靈敏性。明顯減少的槳距角變化頻率也對減小風(fēng)電機組的機械損耗有著良好抑制作用。

仿真結(jié)果表明，提出的改進(jìn)轉(zhuǎn)速與槳距角的協(xié)調(diào)控制策略相較于常規(guī)變槳變速協(xié)調(diào)控制策略，提升了風(fēng)電機組在湍流風(fēng)速下減載運行的穩(wěn)定性，其風(fēng)速跟蹤速度顯著提高，變槳動作和變槳頻率顯著降低，表現(xiàn)出更高的靈敏性與經(jīng)濟(jì)性，改善了風(fēng)電機組參與電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)的能力。

圖5 槳距角對比

3 結(jié)束語

本文提出了超調(diào)槳距角的超速變槳協(xié)調(diào)控制策略，實現(xiàn)風(fēng)電機組在沿海地區(qū)高湍流風(fēng)速下的減載運行?，F(xiàn)有減載策略在中風(fēng)速段風(fēng)電機組達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，僅靠變槳無法及時響應(yīng)高湍流風(fēng)速，不利于穩(wěn)定運行且增大機械磨損，使用該控制策略可有效解決上述問題。最后通過仿真表明，該控制策略在實現(xiàn)減載的基礎(chǔ)上，可有效增大風(fēng)速跟蹤效果，減小機械磨損。為后續(xù)風(fēng)電機組利用減載后的備用功率參與電網(wǎng)調(diào)頻，保障電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性做好基礎(chǔ)。