淺析變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組分層分段控制策略

禚明華 王程濤

(1.興安熱電有限責(zé)任公司額爾格圖風(fēng)電場(chǎng),內(nèi)蒙古烏蘭浩特 137400;2.興安熱電有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古烏蘭浩特 137400)

淺析變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組分層分段控制策略

禚明華 王程濤

(1.興安熱電有限責(zé)任公司額爾格圖風(fēng)電場(chǎng),內(nèi)蒙古烏蘭浩特 137400;2.興安熱電有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古烏蘭浩特 137400)

本文依據(jù)分層分段控制策略為基礎(chǔ),通過(guò)并網(wǎng)后變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)為題以及優(yōu)化運(yùn)行,淺析變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組的控制策略。按照風(fēng)速分兩個(gè)階段控制風(fēng)電機(jī)組。首先參照分層分段理念將風(fēng)電機(jī)組電氣控制部分進(jìn)行跟蹤控制。即,對(duì)參考值以及參考值整定控制。同時(shí)追蹤控制低風(fēng)速的最大風(fēng)能和恒功率高風(fēng)速等能。利用該階段的控制,對(duì)某等電廠(chǎng)接入系統(tǒng)中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電業(yè)以及風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行特性進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明,此控制策略能最大限度的發(fā)揮變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功調(diào)節(jié)能力,在提高并網(wǎng)后電壓穩(wěn)定性的同時(shí),實(shí)現(xiàn)了變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功優(yōu)化運(yùn)行。

雙饋風(fēng)電機(jī)組 分層分段控制策略

變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是利用雙饋電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電機(jī)，不僅單機(jī)容量不斷擴(kuò)大，也提升系統(tǒng)調(diào)節(jié)的靈活性，改善并網(wǎng)特的同時(shí)延長(zhǎng)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)行效率。但是單機(jī)容量的加大也致使并網(wǎng)容量不斷增加。因此，為保障期安全性和穩(wěn)定性，控制協(xié)調(diào)最為重要。目前，變速恒頻風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)控制的研究主要是控制策略的分析和設(shè)計(jì)，包括電壓調(diào)節(jié)策略和頻率調(diào)節(jié)策略[1，2]。

1 變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組分段控制

為了充分利用并保證風(fēng)能發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組分層分段控制策略這一目標(biāo)。變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組最優(yōu)風(fēng)功率特性曲線(xiàn)如圖1所示。

當(dāng)處于高風(fēng)速控制階段時(shí)，風(fēng)電機(jī)組有功輸出將保持額定功率不變，參考值不變的情況下安全運(yùn)行。同時(shí)，隨著風(fēng)速的變化調(diào)整槳距角。即，當(dāng)風(fēng)速均衡時(shí)，風(fēng)力機(jī)械的功率大小取決于風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率系數(shù)。當(dāng)風(fēng)速過(guò)大超過(guò)額定風(fēng)速時(shí)，須太正槳距角并保持風(fēng)機(jī)機(jī)械功率不變，葉片轉(zhuǎn)速不變。

2 變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組分層控制

由于風(fēng)能具有不穩(wěn)定性因素，因此如何利用風(fēng)能來(lái)提升系統(tǒng)與風(fēng)電機(jī)朱之間的穩(wěn)定性是主要問(wèn)題。變速恒頻不僅能提升風(fēng)電機(jī)的運(yùn)行條件也能在一定范圍內(nèi)提成并網(wǎng)后的電壓穩(wěn)定性。因此，通過(guò)并網(wǎng)后變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)為題以及優(yōu)化運(yùn)行，淺析變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組的控制策略。按照風(fēng)速分兩個(gè)階段控制風(fēng)電機(jī)組。首先參照分層分段理念將風(fēng)電機(jī)組電氣控制部分進(jìn)行跟增控制。同時(shí)追蹤控制低風(fēng)速的最大風(fēng)能和恒功率高風(fēng)速等能。其具體工作原理如下。

2.1 風(fēng)電機(jī)組的有功功率特性

注入系統(tǒng)的總有功功率應(yīng)包含雙饋發(fā)電機(jī)定子側(cè)注入系統(tǒng)的有功功率和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)注入系統(tǒng)的有功功率兩部分。在軸與定子合成磁場(chǎng)的方向保持一致的同時(shí)保證定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)在坐標(biāo)系下，并忽略定子電阻，利用磁鏈方程和電壓方程計(jì)算出系統(tǒng)有功功率和無(wú)功功率。

2.2 風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功功率特性

通常情況下，風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功功率控制采用釘子側(cè)恒功率因數(shù)控制模式。由電機(jī)定子側(cè)功率因數(shù)計(jì)算出發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子注入系統(tǒng)的無(wú)功功率，以及風(fēng)電機(jī)組注入系統(tǒng)的總無(wú)功功率。

2.3 參考值的整定

圖1 為電機(jī)組最優(yōu)風(fēng)功率特性曲線(xiàn)圖

為實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)電壓穩(wěn)定和優(yōu)化運(yùn)行。首先根據(jù)風(fēng)速調(diào)節(jié)注入系統(tǒng)中風(fēng)電機(jī)組的有功功率。其次，根據(jù)實(shí)際負(fù)荷情況以及系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)節(jié)無(wú)功功率保證電壓穩(wěn)定性。本位以速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組矢量控制機(jī)構(gòu)為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)中，整定控制的大小隨著時(shí)間的變化而變化，而非保持額定電壓。整定控制的變化取決于整個(gè)電網(wǎng)的控制目標(biāo)和運(yùn)行狀態(tài)，變化量大小以實(shí)際操作為主。

本文從優(yōu)化運(yùn)行角度以實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化運(yùn)行為目標(biāo)，按照全網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行方案下達(dá)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)母線(xiàn)電壓數(shù)值，并以該電壓作為風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)母線(xiàn)電壓參考值運(yùn)行中將根據(jù)下達(dá)值的變化而整數(shù)值。在分層控制中是依據(jù)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)母線(xiàn)電壓實(shí)時(shí)值與參考值間的差距在初始給定值附近進(jìn)行適時(shí)調(diào)整，以保證風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)母線(xiàn)電壓水平、提高電壓穩(wěn)定性。正常運(yùn)行情況下風(fēng)電機(jī)組功率為0.98。分層控制中的最后控制是對(duì)風(fēng)電機(jī)組中連接于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組和系統(tǒng)間的變頻器進(jìn)行控制。變頻器采用雙向流動(dòng)的變頻裝置，其模型多采用PWM控制的理想交直交變頻形式。

3 變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行設(shè)計(jì)及仿真性

根據(jù)變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組分層分段控制原理，力求最大功率發(fā)揮其無(wú)功調(diào)節(jié)能力實(shí)現(xiàn)無(wú)功優(yōu)化目的，特設(shè)計(jì)總控結(jié)構(gòu)。本文不考慮風(fēng)電機(jī)組所處位置對(duì)風(fēng)速的影響，只以某風(fēng)電場(chǎng)的接入系統(tǒng)為例。設(shè)十臺(tái)容量為1.5mw的同一機(jī)型變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)為發(fā)電機(jī)組。單臺(tái)發(fā)電機(jī)的參數(shù)如下：發(fā)現(xiàn)及的轉(zhuǎn)子側(cè)電阻為0.0073pu，定子側(cè)電阻為0.0076pu，轉(zhuǎn)子漏抗為0.0884pu，定子漏抗為0.1248pu，時(shí)間常數(shù)為7.10s。變壓器變比阻抗為0.105pu，額定功率為1500KW，空氣密度為1.0kg/m3。對(duì)于風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行來(lái)講，有兩方面的擾動(dòng)，首先是系統(tǒng)側(cè)擾動(dòng)，其次是風(fēng)擾動(dòng)。本文以系統(tǒng)某節(jié)點(diǎn)的無(wú)功負(fù)荷突變以及風(fēng)擾動(dòng)為例，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和運(yùn)行特性進(jìn)行仿真分析。

在算例分析中發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)速發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，逐步增大的漸變風(fēng)為主要擾動(dòng)形式。即，隨著風(fēng)速的提高，風(fēng)電機(jī)組的有功功率會(huì)增大(初始值為0.98)。為此，須提高風(fēng)電機(jī)組功率，保持母線(xiàn)電壓在優(yōu)化運(yùn)行下的電壓水平。由于最佳風(fēng)功率決定風(fēng)電機(jī)組的有功輸出，因此，在風(fēng)電機(jī)組分段分成控制中能實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能的跟蹤控制和最大功率利用的目標(biāo)。

同時(shí)，風(fēng)電機(jī)組由于風(fēng)速擾動(dòng)引起的有效功率變化也會(huì)引起母線(xiàn)電壓的撥動(dòng)，對(duì)此要平息擾動(dòng)調(diào)整定子功率維持?jǐn)_動(dòng)前的電壓、由于母線(xiàn)電壓的波動(dòng)幅度不超過(guò)額定電壓的1%，因此文本提出的控制策略行之有效，不僅能平息擾動(dòng)帶來(lái)的電壓波動(dòng)，也能優(yōu)化并網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，文中提及的控制策略能最大限度的發(fā)揮變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功調(diào)節(jié)能力，在提高并網(wǎng)后電壓穩(wěn)定性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功優(yōu)化運(yùn)行。不僅能充分發(fā)揮變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功調(diào)節(jié)能力，也能緩解電網(wǎng)的無(wú)功壓力，讓其能在語(yǔ)序范圍內(nèi)進(jìn)行無(wú)功調(diào)節(jié)，在優(yōu)化運(yùn)行的同時(shí)，也提升了電壓的穩(wěn)定性。值得注意的是，文中所提及的控制策略適用于穩(wěn)定運(yùn)行范圍內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組及其接入系統(tǒng)臀型情況。即，系統(tǒng)電壓處于緊急狀態(tài)時(shí)首先要恢復(fù)電壓，然后實(shí)施該分段分層控制策略。

[1]劉沛燦,朱曉榮.雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)頻率控制策略的研究及對(duì)比[J].電力科學(xué)與工程.2011(11).

[2]鄒賢求,吳政球,陳波,張小兵,王國(guó)民.變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組頻率控制策略的改進(jìn)[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào),2011(3).