基于電網(wǎng)調(diào)頻的風(fēng)力發(fā)電有功功率控制策略研究

張愛(ài)琴

（國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106）

0 引 言

風(fēng)能作為一種清潔型能源，能夠有效替代原有的化石型能源[1]。在我國(guó)，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)發(fā)展成為與火力發(fā)電同等重要的電能來(lái)源。隨著風(fēng)力發(fā)電規(guī)模的逐步擴(kuò)大，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生了一定程度的影響，主要體現(xiàn)在電力系統(tǒng)的調(diào)功方面[2]。通過(guò)常規(guī)的火力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行調(diào)功已經(jīng)無(wú)法滿足電力系統(tǒng)的實(shí)際需求，為保證電力系統(tǒng)的安全、可靠以及穩(wěn)定運(yùn)行，必須限制風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率[3,4]。實(shí)際上，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與電力系統(tǒng)的配合運(yùn)行可以歸結(jié)為功率問(wèn)題，因此研究風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)對(duì)安全可靠利用風(fēng)能的意義重大。

1 風(fēng)力發(fā)電有功功率控制模型

1.1 風(fēng)電機(jī)組模型

風(fēng)機(jī)是實(shí)現(xiàn)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的機(jī)械裝置，是風(fēng)電機(jī)組的重要組成部分。依據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，可以將風(fēng)機(jī)所轉(zhuǎn)換得到的機(jī)械功率描述為：

風(fēng)電機(jī)組的電氣部分包括發(fā)電機(jī)和變流器兩部分，其基本原理是通過(guò)矢量控制算法獨(dú)立控制有功功率和無(wú)功功率。可以將電氣部分簡(jiǎn)化描述為：

式中，Pe為變流器輸出的電磁功率；τe為電機(jī)的時(shí)間參數(shù)；Pe*為變流器的給定電磁功率。

風(fēng)電機(jī)組的控制模型如圖1所示，變槳系統(tǒng)依據(jù)功率偏差信號(hào)調(diào)節(jié)功率，電氣系統(tǒng)依據(jù)功率參考信號(hào)調(diào)節(jié)功率。

1.2 風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行原理

基于風(fēng)能的特點(diǎn)，風(fēng)電機(jī)組的功率控制與火電機(jī)組的控制存在巨大差異，風(fēng)電機(jī)組需要依據(jù)實(shí)時(shí)的風(fēng)力狀況調(diào)整相匹配的控制策略，以滿足相應(yīng)的功率控制要求。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組包含有3大工作狀態(tài)，分別是啟動(dòng)狀態(tài)、最大風(fēng)能跟蹤狀態(tài)以及功率恒定狀態(tài)[6]。啟動(dòng)狀態(tài)中，風(fēng)速的變化區(qū)間為(0,vin)，風(fēng)機(jī)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，不進(jìn)行功率控制；最大風(fēng)能跟蹤狀態(tài)中，風(fēng)速的變化區(qū)間為(vin,vn)，采用有效的最大風(fēng)能跟蹤控制策略，保證可有效利用風(fēng)能；功率恒定狀態(tài)中，風(fēng)速的變化區(qū)間為(vn,vout)，通過(guò)相應(yīng)的控制策略保證風(fēng)電機(jī)組輸出功率恒定。風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行功率曲線如圖2所示。

圖1 風(fēng)電機(jī)組控制模型

圖2 風(fēng)電機(jī)組功率曲線

1.3 有功功率控制模型

風(fēng)電場(chǎng)控制架構(gòu)主要包含了風(fēng)能管理層、風(fēng)電場(chǎng)控制層以及風(fēng)電機(jī)組控制層。風(fēng)能管理層負(fù)責(zé)依據(jù)電力系統(tǒng)的功率和頻率需求實(shí)現(xiàn)能量調(diào)度；風(fēng)電場(chǎng)控制層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集并根據(jù)運(yùn)算將功率分配指令下發(fā)到風(fēng)電機(jī)組；風(fēng)電機(jī)組控制層根據(jù)功率給定指令以及頻率控制指令調(diào)節(jié)有功功率[7]。

風(fēng)電機(jī)組的輸出功率可以表示為：

式中，Pe,i為風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際輸出功率；為風(fēng)電機(jī)組的理論輸出功率；為風(fēng)電機(jī)組的給定輸出功率。

2 風(fēng)電機(jī)組限負(fù)荷控制策略

電力系統(tǒng)為了保持自身運(yùn)行的穩(wěn)定性，必須要控制風(fēng)電機(jī)組的負(fù)荷，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)電機(jī)組的功率來(lái)實(shí)現(xiàn)限負(fù)荷的要求，減載的功率可作為備用[8]。

2.1 限負(fù)荷減載控制原理

如果單個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組要實(shí)現(xiàn)d%的減載，那么減載功率的給定值可以描述為：

式中，Pdeload為減載時(shí)的功率給定值；Popt為最大風(fēng)能跟蹤時(shí)的功率給定值。

當(dāng)風(fēng)速和空氣密度維持恒定時(shí)，可以得到：

由式（6）可知，只要控制風(fēng)能捕獲參數(shù)就能實(shí)現(xiàn)減載。即通過(guò)改變控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速或者變槳距角來(lái)改變風(fēng)能捕獲參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)減載控制。風(fēng)機(jī)減載控制原理如圖3所示。

圖3 風(fēng)機(jī)負(fù)荷減載控制原理

由圖3可知，加速和減速都能夠?qū)崿F(xiàn)減載，但是加速能夠?qū)⒍嘤嗟膭?dòng)能存儲(chǔ)在轉(zhuǎn)子上備用，因此普遍采用加速減載控制策略。但是，加速減載不適用于風(fēng)速較高的狀態(tài)。調(diào)整變槳距角盡管能夠適應(yīng)不同風(fēng)速的運(yùn)行狀態(tài)，但是需要頻繁調(diào)節(jié)，加大了風(fēng)機(jī)的機(jī)械損耗。

2.2 限負(fù)荷減載控制策略

本文根據(jù)風(fēng)速狀態(tài)提出超速減載與變槳距角減載協(xié)調(diào)控制的減載策略，保證所預(yù)留的功率既能夠?qū)崿F(xiàn)限負(fù)荷控制又能夠?yàn)轱L(fēng)電系統(tǒng)提供調(diào)頻備用?；陲L(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速的隨機(jī)性和不確定性，風(fēng)電場(chǎng)中的多個(gè)風(fēng)機(jī)會(huì)運(yùn)行在不同的風(fēng)速下。為了充分利用加速減載控制方式和變槳距角減載控制方式的優(yōu)點(diǎn)，在不同的風(fēng)速區(qū)間采用不同的減載控制策略。具體的減載曲線如圖4所示。

圖4 風(fēng)機(jī)功率減載曲線

如圖4所示，AB區(qū)間采用加速減載控制策略，BC區(qū)間采用加速減載和變槳距角減載相結(jié)合的協(xié)調(diào)控制策略，CD區(qū)間采用變槳距角減載的控制策略。

3 仿真研究及分析

仿真風(fēng)電場(chǎng)負(fù)荷指令發(fā)生變化時(shí)的工況，在仿真環(huán)境下設(shè)置初始0 s時(shí)刻開(kāi)始，負(fù)荷給定指令穩(wěn)定在2.7 MW；20～60 s，負(fù)荷給定指令突然增加0.5 MW；60 s時(shí)刻，負(fù)荷給定指令恢復(fù)到2.7 MW。在負(fù)荷給定指令發(fā)生變化時(shí)，功率響應(yīng)曲線如圖5所示。

圖5 負(fù)荷給定指令變化時(shí)功率響應(yīng)曲線

當(dāng)負(fù)荷給定指令增加時(shí)，如果最大發(fā)電功率的外包絡(luò)線大于負(fù)荷給定指令，則風(fēng)電機(jī)組實(shí)際輸出功率基本上能夠有效跟隨負(fù)荷給定指令。但由于風(fēng)速是動(dòng)態(tài)的，輸出功率也在進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，因此無(wú)法完全跟隨負(fù)荷給定指令。

低速風(fēng)機(jī)的負(fù)荷響應(yīng)曲線如圖6所示。當(dāng)負(fù)荷給定指令在20～60 s變化時(shí)，風(fēng)機(jī)會(huì)減速釋放能量，保證風(fēng)機(jī)輸出功率增加對(duì)負(fù)荷給定指令進(jìn)行響應(yīng)。

中速風(fēng)機(jī)的負(fù)荷響應(yīng)曲線如圖7所示。當(dāng)負(fù)荷給定指令在20～60 s變化時(shí)，風(fēng)機(jī)會(huì)通過(guò)減速加載和減小槳距角保證風(fēng)機(jī)輸出功率增加對(duì)負(fù)荷給定指令進(jìn)行響應(yīng)。

圖6 低速風(fēng)機(jī)負(fù)荷響應(yīng)曲線

圖7 中速風(fēng)機(jī)負(fù)荷響應(yīng)曲線

4 結(jié) 論

本文從風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制系統(tǒng)出發(fā)，研究了風(fēng)電機(jī)組有功功率控制問(wèn)題，提出了加速減載和變槳距角減載相結(jié)合的方式控制有功功率。對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行負(fù)荷限制，保證風(fēng)電場(chǎng)具備一定的備用功率，可以用作滿足電力系統(tǒng)的調(diào)度需求。經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證，本文所提出的限負(fù)荷減載控制策略完全能夠有效控制風(fēng)電機(jī)組的有功功率，具備大規(guī)模推廣應(yīng)用的價(jià)值，有助于保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。