雙饋風(fēng)電機(jī)組總體控制策略及運(yùn)行性能

林子琴

新疆風(fēng)能有限責(zé)任公司

雙饋風(fēng)電機(jī)組總體控制策略及運(yùn)行性能

林子琴

新疆風(fēng)能有限責(zé)任公司

隨著風(fēng)電機(jī)組技術(shù)不斷進(jìn)步、風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量逐漸增大，更多的大型風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)始并入電網(wǎng)，對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響也隨之增大，因而受到廣泛關(guān)注。目前，隨著單機(jī)容量為兆瓦級(jí)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組以及上百兆瓦風(fēng)電場(chǎng)的迅速發(fā)展，并網(wǎng)電網(wǎng)系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行的要求需要得到更高的保證，因而使得風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行性能及其總體控制策略的研究對(duì)于風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

雙饋風(fēng)電機(jī)組；總體控制策略；運(yùn)行性能

1、前言

雙饋風(fēng)電(DFIG)機(jī)組由于自身的優(yōu)良性能逐漸成為風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)發(fā)展的主流機(jī)型。為了深入研究雙饋風(fēng)電機(jī)組全風(fēng)速下的運(yùn)行性能，筆者提出對(duì)風(fēng)電機(jī)組總體控制策略進(jìn)行研究。首先建立了風(fēng)力發(fā)電機(jī)、傳動(dòng)鏈和雙饋發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。其次，從風(fēng)能最大利用和風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行角度考慮，提出了電機(jī)損耗最小的風(fēng)電機(jī)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(jī)功率解耦控制策略對(duì)風(fēng)電機(jī)組的總體運(yùn)行性能進(jìn)行仿真，并將仿真結(jié)果與理論分析和實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和驗(yàn)證。

2、風(fēng)電機(jī)組多時(shí)間尺度特性

風(fēng)電機(jī)組是一個(gè)包含電磁、機(jī)電系統(tǒng)及機(jī)械過(guò)程的多時(shí)間尺度動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，對(duì)風(fēng)機(jī)各部件進(jìn)行詳細(xì)建模，用于電力系統(tǒng)分析是低效的，也是不切合實(shí)際的。下面主要探討機(jī)電暫態(tài)時(shí)間尺度下風(fēng)電機(jī)組的簡(jiǎn)化模型，用于系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析，簡(jiǎn)稱暫態(tài)穩(wěn)定模型。

雙饋風(fēng)電機(jī)組暫態(tài)穩(wěn)定模型的導(dǎo)出建立在詳細(xì)機(jī)理模型的基礎(chǔ)之上，詳細(xì)機(jī)理模型包含：風(fēng)速、氣動(dòng)、變槳、傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、變流器、電氣控制以及機(jī)組保護(hù)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(xì)模型降階為暫態(tài)穩(wěn)定模型需明確各部分動(dòng)態(tài)的衰減速度，一般用帶寬(頻域)或時(shí)間常數(shù)(時(shí)域)進(jìn)行度量。

2.1 風(fēng)速、氣動(dòng)以及變槳系統(tǒng)模型

2.1.1 風(fēng)速模型

短時(shí)間尺度風(fēng)速建模通常要包含平均風(fēng)速、陣風(fēng)、漸變風(fēng)以及湍流幾個(gè)部分。由于風(fēng)機(jī)對(duì)風(fēng)速波動(dòng)體現(xiàn)為低通濾波特性，且濾波時(shí)間常數(shù)較大，約為12s，與研究系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的時(shí)間尺度相比(0.1~10s)以認(rèn)為維持不變，所以本文風(fēng)速建模采用恒定的平均風(fēng)速。

2.1.2 風(fēng)輪氣動(dòng)模型

風(fēng)輪氣動(dòng)部分的建模在暫態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題研究中通常采用類如Cp曲線擬合的靜態(tài)模型。對(duì)于由槳葉載荷不平衡引起的風(fēng)剪切、塔影效應(yīng)等現(xiàn)象，可以根據(jù)需要選擇合理的空間濾波器進(jìn)行模擬，從而避免繁瑣的葉素動(dòng)量計(jì)算。單從風(fēng)輪氣動(dòng)建模的角度來(lái)看，以上幾種特定現(xiàn)象會(huì)對(duì)風(fēng)輪的輸入轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生一定影響，但結(jié)合整機(jī)發(fā)電控制來(lái)看，以上氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)經(jīng)風(fēng)機(jī)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(jī)構(gòu)兩個(gè)部分。執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型一般采用帶速率和槳距角限制的一階動(dòng)態(tài)模型，T為時(shí)間常數(shù)，由于該時(shí)間常數(shù)位于暫態(tài)穩(wěn)定分析的時(shí)間尺度內(nèi)，所以不能忽略動(dòng)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(guò)程，因此在進(jìn)行暫態(tài)穩(wěn)定分析時(shí)需要考慮其調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)。

2.2 傳動(dòng)系模型

風(fēng)電機(jī)組軸系建模通常是將風(fēng)輪槳葉、輪轂、齒輪箱、發(fā)電機(jī)等旋轉(zhuǎn)部件按照相互耦合強(qiáng)度不同等值成多質(zhì)量塊，較詳細(xì)的軸系模型高達(dá)11階(六質(zhì)量塊)，能反映5種振蕩模式，但對(duì)于系統(tǒng)穩(wěn)定性研究更關(guān)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、雙饋風(fēng)電機(jī)組總體控制策略

3.1 基于電機(jī)損耗最小的風(fēng)能最大輸出控制策略

由于雙饋發(fā)電機(jī)發(fā)電效率會(huì)隨著電機(jī)參數(shù)和運(yùn)行工況改變，因此風(fēng)力機(jī)即使能夠?qū)崿F(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率也會(huì)隨著運(yùn)行效率而改變。為了使雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)盡可能地利用風(fēng)能以及保持較高的發(fā)電效率，筆者提出了基于電機(jī)損耗最小的最大輸出控制策略。在同一風(fēng)速下，不同風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)使風(fēng)力機(jī)輸出不同的功率，為了實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能的追蹤，必須在風(fēng)速變化時(shí)實(shí)時(shí)地調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。由此可見(jiàn)，風(fēng)力機(jī)的最大功率值與轉(zhuǎn)速的立方成正比，并用轉(zhuǎn)速檢測(cè)代替了風(fēng)速檢測(cè)。轉(zhuǎn)速測(cè)量相比風(fēng)速測(cè)量更加簡(jiǎn)單、容易、可靠、穩(wěn)定。另外可依據(jù)已知的風(fēng)力機(jī)最佳功率輸出曲線，查表得到機(jī)組轉(zhuǎn)速參考值，再對(duì)DFIG機(jī)組進(jìn)行控制。

3.2 基于轉(zhuǎn)速和功率限制的變槳距控制策略

當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速以上運(yùn)行時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組受機(jī)械強(qiáng)度、發(fā)電機(jī)容量和變頻器容量限制，必須調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)，降低風(fēng)輪捕獲的能量，保持發(fā)電機(jī)輸出恒定的功率。只單獨(dú)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(shí)現(xiàn)機(jī)組最大風(fēng)能的跟蹤運(yùn)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。

4、雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)全風(fēng)速運(yùn)行性能的仿真

為了綜合驗(yàn)證筆者研究的功率解耦控制策略、最大風(fēng)能捕獲策略及風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳距控制策略在并網(wǎng)雙饋風(fēng)電機(jī)組中的控制效果，本節(jié)對(duì)并網(wǎng)后雙饋風(fēng)電機(jī)組全風(fēng)速運(yùn)行性能進(jìn)行仿真。仿真用2MW風(fēng)電機(jī)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(jī)慣性常數(shù)Hg=0.951s；極對(duì)數(shù)np=3；變流器直流側(cè)電容設(shè)定電壓Vdc=1200V；風(fēng)力機(jī)慣性常數(shù)Hw=4.05s，傳動(dòng)軸剛度系數(shù)Ks=0.3p.u.；額定風(fēng)速ν=11m/s。設(shè)定風(fēng)速為2s時(shí)開(kāi)始從5m/s逐步上升至20m/s，其全風(fēng)速運(yùn)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(fēng)速ν的上升，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速ωr也從0.703pu逐步上升至1.255p.u.(t=8.7s時(shí)達(dá)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(wú)功功率Qelec能夠順利實(shí)現(xiàn)功率的解耦控制，Pelec在轉(zhuǎn)速ωr達(dá)到限定轉(zhuǎn)速1.21p.u.以前跟隨風(fēng)速逐漸變大，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲；當(dāng)機(jī)組達(dá)到額定功率以上時(shí)變槳系統(tǒng)開(kāi)始工作，限定機(jī)械載荷和轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步提高，機(jī)組則保持風(fēng)力機(jī)額定功率平穩(wěn)運(yùn)行。

圖1 雙饋風(fēng)電機(jī)組總體控制的運(yùn)行性能仿真結(jié)果

圖中實(shí)線為實(shí)際測(cè)得的DFIG總的輸出有功功率Pelec對(duì)轉(zhuǎn)速ωr的變化曲線，加實(shí)點(diǎn)標(biāo)記的虛線為雙饋風(fēng)電機(jī)組最大功率跟蹤值Premf對(duì)轉(zhuǎn)速ωr的變化曲線。可以看出，雙饋風(fēng)電機(jī)組總體運(yùn)行結(jié)果和實(shí)際風(fēng)電機(jī)組測(cè)試結(jié)果基本吻合；此外，通過(guò)應(yīng)用筆者提出的發(fā)電機(jī)損耗最小的最大功率跟蹤策略，額定功率以下每轉(zhuǎn)速點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最大功率大于實(shí)測(cè)機(jī)組的功率，驗(yàn)證了所提出控制策略的優(yōu)越性。

5、結(jié)語(yǔ)

為了全面準(zhǔn)確分析并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)時(shí)運(yùn)行特性，針對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組類型，首先建立了風(fēng)力機(jī)、傳動(dòng)鏈和雙饋發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。其次，從風(fēng)能最大利用和風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行角度，提出了一種考慮電機(jī)損耗最小的風(fēng)電機(jī)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(jī)功率解耦控制策略對(duì)風(fēng)電機(jī)組的總體運(yùn)行性能進(jìn)行了仿真。通過(guò)仿真、理論分析以及與實(shí)際風(fēng)電機(jī)組運(yùn)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(diǎn)，其最優(yōu)轉(zhuǎn)速和理論分析一致。通過(guò)仿真輸出功率和實(shí)際風(fēng)電機(jī)組輸出功率比較，雙饋風(fēng)電機(jī)組全程運(yùn)行結(jié)果和實(shí)際風(fēng)電機(jī)組測(cè)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(diǎn)對(duì)應(yīng)的最大功率大于實(shí)測(cè)機(jī)組的功率，進(jìn)一步驗(yàn)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(lì)磁變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行研究[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2004，28(13)：55-59，68.