雙饋感應風電機功率平滑控制與改善電網頻率的研究
2011-12-31 00:00:00陳波,吳政球,譚勛瓊,唐民富
湖南大學學報·自然科學版 2011年11期
摘 要：在分析雙饋感應風力發電機運行特性和傳統最大風能追蹤控制策略的基礎上，提出了一種基于約束因子限幅控制的雙饋電機有功功率平滑控制策略，給出了約束因子α的表達式和取值規則.在matlab/simulink仿真平臺上，搭建了一個9 MW的風電場與2臺同步電機的互聯系統.實驗結果表明，與傳統的最大風能追蹤控制策略相比，所提控制策略能平滑雙饋電機的有功功率輸出，明顯減小同步發電機的轉速波動，改善了電網的頻率.
關鍵詞：風力機；雙饋感應發電機；約束因子；有功功率平滑；電網頻率
中圖分類號：TM315 文獻標識碼：A
Study of the Power Smoothing Contorl of Doubly-fed Induction
Generator Wind Turbine and the Contribution to Grid Frequency
CHEN Bo，WU Zheng-qiu，TAN Xun-qiong，TANG Min-fu
(College of Electrical and Information Engineering，Hunan Univ，Changsha，Hunan 410082，China)
Abstract:Based on the analysis of both the operating characteristics of doubly-fed induction generator（DFIG）and conventional control strategy of maximum power point tracking（MPPT）， a control strategy based on the constraint factor of amplitude-limit to smooth the output of active power was proposed. The expression and calculation method of constraint factor α was provided.Based on matlab/simulink simulation， a power system with one 9 MW wind farm and two synchronous machines was built. Experiment results have shown that， compared with the conventional MPPT control method， the proposed control strategy can smooth the active power of DFIG and weaken the rotor speed fluctuation of synchronous machines， so thus the grid frequency can be improved.
Key words: wind turbines; doubly-fed induction generator; constraint factor;active power smoothing;grid frequency
雙饋感應發電機因功率解耦控制靈活［1-4］、在較大風速范圍內具有較高的風能捕獲效率［5］、成本較低等優點而成為目前主流的風力發電機型.文獻［6-7］對于雙饋電機自身所具有的無功功率調控能力進行了研究.雙饋電機在傳統最大風能追蹤控制策略下，其有功輸出會因風速的波動而隨機波動，隨著風電場大量并入電網，會對系統電能質量產生較大的影響［8-9］，系統需要有大而迅速可調的備用容量，才能保證頻率的穩定.如何使風電機組在額定風速下輸出較為平滑的有功功率和減小電網的頻率波動問題，逐漸成為研究的熱點.
文獻［10］利用電力電子技術和儲能元件抑制風電機組輸出功率的波動，然而這種控制方法需增加新的硬件裝置，提高了系統成本和控制難度.文獻［11］通過變槳距來平滑風電機功率輸出，但是，當風速變化較快時，由于變槳距結構的慣性很大，僅通過這種控制來調節發電機輸出的有功功率，很難達到理想效果.文獻［12］提出了一種通過變槳距與轉速控制相結合的控制方案，但輸出功率給定值的計算需要測量風速的大小，而實際中風速大小可能快速變化，風向也具有不確定性，要得到準確的測量值比較困難，且風能的利用效率很低.
本文在分析雙饋感應風力發電機運行特性基礎上，提出一種限制功率輸出的控制策略，即將傳統控制策略中的輸出功率給定值乘以一個約束因子α作為新的輸出功率給定值，并結合變速與變槳距角控制來限制有功功率輸出.控制方法完全避免了風速的測量，也無需增加新的硬件設備，控制方案簡單有效.文中通過對一個9 MW的風電場和2臺同步電機的互聯系統進行時域仿真與分析，依據發電機能提供的備用容量大小和調節能力，設置不同的m值，在平滑雙饋電機有功功率輸出和減小電網頻率波動的基礎上，最大限度地利用風能.
3 有功功率平滑控制
3.1 有功功率的輸出限制
圖4為不同風速與槳距角情況下，風電機的功率轉速特性曲線.圖中，Vrate>V1>V2>V3，β2>β1，β1=0°，當風速為V3時，追蹤最大風能給定Pref=0.5 p.u.，風力發電機穩定運行在C點；隨著風速增加至V2，風力機可捕獲的最大風能增加，此時控制發電機轉子轉速上升，使風力機捕獲的風能有一部分轉化為轉子的動能存儲起來，則有功功率輸出參考值仍可保持為Pref=0.5 p.u.，系統穩定運行在B點.由于轉速并未超過額定值1.2 p.u.，故槳距角控制系統此時不工作；隨著風速繼續增加至V1，可捕獲的最大風能大量增加，如果僅僅控制轉子轉速，則轉子存儲的大量動能會使轉速遠遠超過額定值，如工作點A所示.這時，啟動槳距角控制系統，β1增加至β2，從而減小了風力機捕獲的最大風能，同時限制轉子轉速在額定值1.2附近，保持Pref=0.5 p.u.，風力發電機穩定運行在D點.
3.2 平滑控制單元
在額定風速下，傳統的最大風能追蹤控制策略使發電機有功功率輸出參考值與實際風速的三次方或發電機組轉速的三次方成正比，故發電機輸出的有功功率會隨著風速的波動而波動.圖5所示為風速信號波動曲線，圖6為相應風速下的雙饋風力發電機有功功率輸出曲線.
為了減小波動，使輸出功率更加平滑，本文提出一種控制方案：在控制系統中增加限幅單元，限制風電機的有功功率輸出，使其輸出極限值Pmax =m，m可調，具體控制方法如下.
當風機捕獲的最大風能小于輸出功率極限值m時（m<1），Pref=Koptω3ropt;當風機捕獲的最大風能大于等于輸出功率極限值m時，Pref=m.控制方法是在式（6）中增加約束因子α（α<1），則有功功率參考值的表達式變為：
要實現控制目標，α的取值規則為：當mω3rate/ω3r>1時，α=1；當mω3rate/ω3r≤1時，α=mω3rate/ω3r.邏輯控制框圖如圖7所示.圖8為限幅平滑控制策略下的系統框圖.限幅控制后的功率輸出曲線如圖9所示.
4 算例分析
在matlab/simulink仿真平臺上搭建如圖11所示電力系統.風電場包含6臺1.5 MW的雙饋感應發電機，額定功率9 MW；同步發電機G1額定功率50 MW；同步發電機G2額定功率10 MW.系統中44 MW恒阻抗負載保持不變，在圖5所示風況下進行仿真.
4.1 傳統控制策略
傳統最大風能追蹤控制策略下，雙饋電機G3最大限度捕獲風能，設置同步發電機G2的有功出力為0.5 p.u.，主要由同步電機G1調節風電場有功出力的波動.各電機發出的有功功率和同步電機轉子轉速如圖12所示.
雙饋電機引起的功率波動由兩臺同步發電機按比例共同分擔填補.
4.2 平滑控制策略
在所提平滑控制策略下，取m=0.6時，即控制雙饋電機G3最多發出有功功率5.4 MW，設置同步發電機G2的有功出力為0.5 p.u.，主要由同步發電機G1調節風電場有功出力的波動.各電機發出的有功功率和轉子轉速如圖13所示：
由于總負荷保持不變，削掉的那部分波動風能由2臺同步電機按比例增發恒定的有功來填補，但是同步發電機輸出功率的波動明顯減小，同步發電機的轉速波動明顯減弱.
4.3 兩種控制策略的對比
與傳統最大風能追蹤控制策略相比，平滑控制策略下的雙饋感應發電機舍棄了部分風能，輸出功率波動減小，如圖14所示.同步發電機的轉速波動減小，電網頻率不同程度地得到改善，如圖15所示.
5 結 論
1）本文中所提引進約束因子α的輸出功率限幅控制策略，在一定風速區間結合變速與變槳距控制，能夠較好地平滑風力機有功功率輸出.
2）雙饋電機接入系統后，其有功功率的平滑輸出使同步發電機的功率波動減小，從而抑制了電網頻率的波動.
3）平滑控制中的m值可以根據所需風能多少靈活設定，隨著m值的減小，舍棄的風能會越多，風力機輸出功率會越平滑，電網頻率會越穩定.
m的具體取值由電力系統運行人員根據實際情況取定，對m值的研究將在今后工作中進一步展開.
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