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计及电网频率波动敏感特性的双馈风电机组优化发电控制策略

来源:SCI期刊网 分类:电子论文 时间:2021-12-31 09:22 热度:

摘 要:摘要:为协调优化提高风电机组发电量目标和限制机组功率波动目标,提出一种带滤波器的改进转矩控制策略。在风力机空气动力学、机组转子运动学和风机控制原理的基础上,考虑自然风频

  摘要:为协调优化提高风电机组发电量目标和限制机组功率波动目标,提出一种带滤波器的改进转矩控制策略。在风力机空气动力学、机组转子运动学和风机控制原理的基础上,考虑自然风频谱特征和电网调频敏感频段,推导并建立了机组转速和输出功率对风速的小信号分析模型。基于工作点处转速和功率对风速的传递函数,对比分析了常规转矩控制和改进转矩控制的控制性能。分析结果表明,提出的控制策略提高了机组对中低频风的动态跟踪性能,同时抑制了机组在电网敏感的高频风段中的功率波动,实现了提高发电量目标和限制功率波动目标的综合优化。最后,在 BLADED 和 RTDS 联合仿真平台上建立了 1.5MW 双馈风力发电系统,通过仿真和实验验证了理论分析的正确性及所提控制策略的有效性。

计及电网频率波动敏感特性的双馈风电机组优化发电控制策略

  关键词:风电机组;提高发电量;功率波动;小信号分析;多目标优化

  引言

  1 风能作为当今社会最具经济价值的绿色能源之一,已得到了世界各国的普遍关注和大力发展。一方面,根据国家发改委要求,风电 2020 年要实现与煤电平价上网的目标,因此降低机组度电成本十分紧要,关乎风电产业在当前能源结构中的竞争力。对于已投运的机组,提高发电量是降低度电成本最有效的方法之一。另一方面,自然风具有随机波动特性,造成风电功率波动,大规模风电并网对电网安全稳定运行和调峰产生较大压力,因此在大型风电机组控制策略的研究中,不应忽视策略带来的机组功率波动问题[1,2],尤其在电网调频的敏感频段。综上,提高机组发电量和限制机组功率波动均是风电机组的重要控制目标。然而在不外接储能装置的情况下,平滑机组功率只能从源动力端对风力机捕获的风功率进行削峰控制,即降功率运行,会造成发电量损失。因此提高机组发电量和限制机组功率波动又是具有矛盾性的目标。

  大多数兆瓦级变速风电机组采用最优转矩控制,因为其控制结构简单,可以在稳态时有效实现 MPPT 控制,但由于转动惯量巨大,造成动态过程中转速无法有效跟踪风速[3-5]。现有机组控制研究大多集中于单一目标开展,许多研究在最优转矩控制的基础上改进,以提高机组转速对变化风速的动态跟踪速度,但忽略了对机组功率波动造成的不利影响 [6- 11]。文献[12]在最优转矩控制策略基础上,提出一种带低通滤波器的最优转矩控制,验证了控制策略的功率平滑能力,但忽略了损失电量的不利影响。

  基于以上讨论,提出一种兼顾提高发电量和限制功率波动目标的机组优化控制方法。首先建立风电机组转子运动学方程,结合风力机气动模型和风力发电机控制原理,建立小信号分析模型对控制策略性能进行对比分析。然后结合自然风能量频谱特征及电网调频特点,进行控制参数选择。最后,通过仿真和实验验证了理论分析的正确性,以及所提方法在协调优化提高机组发电量和限制功率波动目标方面的有效性。

  1 机组常规控制

  1.1 系统结构

  图 1 所示为采用的双馈风力发电系统在常规最优转矩控制下的结构框图[13-15]。机组由风力机、双馈风力发电机、转子侧整流器、网侧逆变器、直流母线电容和滤波器等组成。

  1.3 控制性能分析

  将风力发电系统看做一个整体,风速是最重要的外部输入。风速到转速的传递函数可用来描述机组转速对风速变化的跟踪能力,风速到输出功率的传递函数可用来描述由风速变化造成的机组发电功率波动。文献[17]指出,使用单质量块传动链模型进行所提控制目标分析是合理有效的。

  2 改进的转矩控制

  2.1 对风速分频考虑

  如图 2,根据典型的 Van de Hoven 自然风能量频谱[18],风速波动超过 0.5Hz 的部分所含能量极少。这为提出兼顾提高机组发电量和限制功率波动目标的控制方法提供了思路:降低机组对所含能量极少但波动极大的高频风的幅频响应,仅提高机组对蕴含能量丰富的中低频风的幅频响应,可以最大程度同时优化两目标。

  同时,考虑到系统参与一次调频的响应时间一般为 2-15 秒,因此系统调频对剧烈的频率波动不能及时响应。综合考虑电网调频特点,电网迫切需求风电机组参与功率平滑的频段为 0.05-1Hz。结合自然风的频谱特征,界定风电机组对提高发电量重点关注频段为 0-0.05Hz,对功率波动重点关注频段为 0.05-0.5Hz。

  2.2 提出带滤波器的改进转矩控制

  提出一种带滤波器的改进转矩控制,图 1 中的最优转矩控制部分替换为下图控制结构。

  由图 6 可以看出,随着滤波器时间常数减小,机组转速的幅频响应在中频段升高,这一过程随时间常数单调变化。由图 7 可以看出,随着滤波器时间常数减小,功率的幅频响应在中频段升高,却在高频段减小。这是由于 T=3 时,功率传递函数的零点距离两个极点位置较远,系统近似二阶低通滤波环节;而 T=6 和 T=12 时,系统在中高频段之后均近似于一阶低通滤波环节。这使得系统在 T=3 时,对中频风功率幅频响应更大,在高频段幅频响应更小,符合设计目标。值得注意的是,T 选取的下限值应保证功率传递函数的零点位于虚轴左侧。

  3 实验与仿真验证

  3.1 硬件在环半实物联合实验仿真平台

  分析结果在 GH Bladed 和实时数字仿真器(RTDS)硬件在环联合实验仿真平台上进行验证[19]。GH Bladed 是用于风机设计的专业仿真分析工具,RTDS是一个可以展示详细电磁暂态过程的实时仿真工具,外部实际DSP控制器通过RTDS 提供的 A/D 和 D/A 转换板卡接入仿真回路中,利用实际的 DSP 硬件控制器控制 RTDS 中搭建的双馈风机电气模型。另外采用两个 PLC 分别用来实现通信功能和作为机组主控制器。系统各部分之间采用 ADS 通信方式。

  3.2 实验与仿真验证

  用 GH Bladed 生成了符合 IEC 标准的平均风速为 6 m/s 的 3D 湍流风作为机组输入,湍流风纵向、横向及垂直湍流强度参数分别为 25.02%、19.61%、13.95%。如图 9(a)。

  对机组输出的电磁功率数据进行积分可以得到机组的发电量,可用来比较不同控制算法下发电量情况。定义功率波动指标(power fluctuating index, PFI),用来描述机组输出功率的波动程度。

  值得注意的是,滤波器时间常数为3时改进转矩控制策略的机组发电量略高于无滤波器改进转矩控制。这是由于无滤波器改进转矩控制下的输出功率对全频段的风功率波动均快速响应,而高频风波动中含有的能量极少,因此这种过快响应反而会造成MPPT控制的无效跟踪。

  图9(f)为四种控制策略下输出功率在电网敏感频段的能量频谱分析结果,发现无滤波器改进转矩控制方法在该高频段的能量远高于其余三种方法,而带滤波器的改进转矩控制方法不同程度降低了机组输出功率在该高频段的能量。

  以上结果符合前文机理分析,带滤波器的改进转矩控制对中低频风具有更高的幅频响应,对高频风具有较低的幅频响应。由于中低频风中蕴含绝大部分风能,高频风能量极少但波动快,通过加强对高能量中低频风的跟踪能力提高了发电量,通过降低对低能量高频风的响应抑制了机组在电网敏感频段的功率波动,最终实现了提高机组发电量和限制机组功率波动目标的协调优化。

  4 结论

  针对风电机组控制中存在的提高发电量和限制功率波动目标之间的矛盾性问题,提出一种带滤波器的改进转矩控制策略。建立了多种控制方法下的机组小信号分析模型,对比研究了所提控制方法的控制性能。具体结论如下:

  (1)考虑自然风频谱特征和电网调频敏感频段,基于风速分频思想设计机组转矩控制策略,是实现协调优化提高发电量和限制功率波动目标的有效方法。自然风中大部分风能蕴含于中低频风波动中,通过加强对高能量中低频风的跟踪,降低机组对低能量高频风波动的响应,可以最大程度地综合优化两目标。

  (2)尽管理论上采用不带滤波器的改进转矩控制的机组应该具有最高的发电量,但实际上由于该方法对全频段风波动均响应,而高频风中蕴含能量极少,反而会造成MPPT的无效跟踪,造成输出功率波动很大。

  (3)控制方法的参数选择对于控制结果有影响,应结合具体机组参数进行机理分析,合理选择适当参数,以实现机组提高发电量目标与限制功率波动目标的综合最优。——论文作者:田 昕,蔡 旭,贾 锋

文章名称:计及电网频率波动敏感特性的双馈风电机组优化发电控制策略

文章地址:http://www.sciqk.com/lwfw/dzlw/12571.html

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