面向AGC的變速變槳風電機組有功功率控制策略

陳載宇， 沈 春， 殷明慧， 李 威， 劉建坤

(1. 南京理工大學自動化學院，江蘇 南京 210094；2. 國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106；3. 國網江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103)

面向AGC的變速變槳風電機組有功功率控制策略

陳載宇1， 沈 春1， 殷明慧1， 李 威2， 劉建坤3

(1. 南京理工大學自動化學院，江蘇 南京 210094；2. 國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106；3. 國網江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103)

隨著風電的大規模、高滲透率接入電網，未來的電網調度迫切需要風電電源具備傳統電源的有功功率穩定輸出特性和調節性能。為此，面向自動發電控制(AGC)的風機有功功率控制(APC)已經成為當前風電機組主控策略的研究熱點之一。目前，APC的實現方法主要包括基于槳距角調節的功率控制(PAC)和基于轉速調節的功率控制(RSC)。基于對風機能量平衡關系的分析，總結了上述2種APC策略的實現原理，并利用FAST軟件對控制方法和控制指令進行了仿真比較。仿真表明：相較于PAC方法，RSC方法具有更為平穩的有功功率輸出；而且在低風速時，由于利用風輪的動能緩沖，RSC方法能夠有效減少變槳機構的動作頻率和動作幅度；但在高風速時，2種控制方法都需要頻繁的變槳。此外，功率指令的設定對于APC控制效果的影響也是不容忽視的。

變速變槳風機；有功功率控制；自動發電控制；功率指令

風能作為一種成本低、技術成熟、可靠性高的可再生能源，近十幾年來已在全球范圍內迅速普及且大規模接入電網。隨著風電滲透率的不斷提高，特別是當風電高占比接入電網遠離負荷中心時，薄弱的送端系統加上風電功率的隨機性和間歇性，勢必給電網的有功調度和安全穩定運行帶來巨大壓力和新的挑戰[1-3]。

為促進互聯大電網大規模地消納風電功率，需要充分發掘風電機組的有功功率調節能力及在此基礎上的電網輔助服務功能，以折中風電機組的風能捕獲與接入電網的運行壓力。為此，國家電網公司制定的《風電場接入電力系統技術規定》[4]中明確要求：風電場應具備有功功率調節能力，能夠根據電網調度部門指令控制其功率輸出。在此背景下，提升風電機組有功輸出的平穩性和可控性，并在基礎上將風電電源納入電網自動發電控制(automatic generation control，AGC)管理，已成為風電機組主控策略的研究熱點之一[5-16]。

為實現風電電源按調度指令恒定輸出有功功率，已有許多學者針對變速變槳(variable speed variable pitch，VSVP)風電機組提出了有功功率控制(active power control，APC)策略[10-16]，以替代傳統的以最大化風能捕獲為目標的最大功率點跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)控制[17-19]。目前，具有代表性的APC策略主要包括基于槳距角調節的功率控制(pitch angle control，PAC)[10-13]和基于轉速調節的功率控制(rotor speed control，RSC)[12-16]。

(1) PAC方法[10-13]。該類控制方法在MPPT控制的基礎上，將槳距角調節引入風機全風速段的功率控制，主要通過調整槳距角實現目標功率輸出。PAC方法實質上是令風機捕獲的風功率與輸出的有功功率實時平衡，進而通過改變氣動效率來控制風機的有功功率輸出；

(2) RSC方法[12-16]。該類控制方法利用大轉動慣量風輪作為風機捕獲風能和輸出電能之間的能量緩沖，避免了風機輸入/輸出功率的實時平衡。當捕獲風功率充裕時，多余的氣動輸入能量將緩存至風輪動能；當捕獲風功率不足時，通過風機減速釋放風輪動能以維持恒定的輸出功率。

本文首先基于VSVP風電機組的數學模型，分析了風機實現APC的能量平衡關系；在此基礎上，概述總結了PAC方法和RSC方法的工作機理；并利用FAST(fatigue, aerodynamics, structures, and turbulence)軟件對不同的控制方法、控制指令進行了動態仿真和比較分析。最后，對面向AGC的風電機組APC控制策略進行總結和展望。

1 VSVP風電機組的建模與分析

1.1 風電機組的機電動態模型

風輪捕獲的風功率為[17]：

(1)

λ=ωrR/v

(2)

這里，ωr為風輪轉速。

圖1給出了某風機在不同槳距角β下的CP-λ曲線。可以看出：在槳距角固定的情況下，改變風機運行的葉尖速比可以使風能利用系數發生變化，進而調節捕獲的風功率；而在葉尖速比不變的情況下，調節槳距角也能達到同樣的目的。

圖1 不同槳距角對應的Cp-λ曲線

(3)

風機傳動鏈可描述為一個雙質量塊模型，其運動方程為[17]：

其中:Tm=Pm/ωr為氣動轉矩;Dr和Dg為風輪和發電機的外阻尼系數;Jr和Jg為風輪和發電機的轉動慣量;Tls和Ths為低速軸(風輪側)和高速軸(發電機側)的轉矩;Kls和Dls為傳動鏈扭轉的剛度和阻尼系數(等效到低速側);θr-θg/ng為高速軸和低速軸之間的扭轉角度;ωg為發電機轉速;ng為齒輪箱變速比;Tem為發電機電磁轉矩。

若進一步將傳動鏈視為剛性軸，則傳動鏈可以簡化為一個單質量塊模型[18]，式(4)可簡化為:

(5)

1.2 風機的能量平衡分析

在應用傳統MPPT控制策略時，風電機組輸出的有功功率主要由實時風速對應的最大功率點決定。此時，由于基于風輪轉速控制實現MPPT，風機因輸入/輸出功率不平衡而導致的失穩或超速問題并不突出。但是，當風電機組需要響應電網調度指令而保持恒定輸出的有功功率時，面對隨風速變化而不斷波動的捕獲風功率，需要更加關注風機輸入/輸出能量的平衡問題。

圖2為風電機組能量轉換關系(忽略阻尼和損耗)的示意圖。由圖2可見，對于風輪捕獲的風功率Pm，一部分轉化為發電機輸出的電功率Pe；一部分緩存為風輪的動能，并相應改變風輪轉速。由于控制目標為維持恒定的輸出功率，APC控制設計的關鍵在于如何保證捕獲風能、風輪動能與輸出電能量三者的動態平衡，以使風機始終在設定轉速范圍內正常運行。即，當捕獲風能充裕時，避免風輪因過量緩存動能而導致風機超速[13]；當捕獲風能不足時，避免風輪因過多釋放動能而使風機失去穩定[6]。

圖2 風電機組的能量轉換關系

2 風電機組的有功功率控制策略

如圖3所示，以永磁風電機組為例，實現APC功能的控制系統實際上包含2個控制環：(1)實現APC策略的外環控制；(2)調節發電機轉矩的內環控制。需要注意的是，由于機電動態的響應時間要遠遠小于電磁動態，本文根據快慢子系統解耦的思想[17]，僅討論風機的機電動態及相應的APC策略。

圖3 永磁風電機組實現APC功能的控制系統結構原理

2.1 基于槳距角調節的有功功率控制

圖4 PAC方法運行原理

圖5給出了PAC控制器的原理結構[10, 12]，其包括氣動功率控制和輸出功率控制2個部分。

(1) 氣動功率控制：以輸出電功率Pe與功率指令Pref的差值作為PI控制器的輸入量，通過調節槳距角來改變捕獲風功率Pm，使其與Pref保持平衡；

圖5 PAC控制器的原理結構

2.2 基于轉速調節的有功功率控制

RSC方法優先使用轉速調節改變捕獲風功率，并利用風輪動能緩沖輸入/輸出功率的瞬時不平衡。

RSC方法的運行原理[12-16]如圖6所示。基于穩態分析可知，對于給定風速v1，如果風機保持恒定的輸出功率Pref，則其轉速將最終穩定在平衡點A處。類似地，風速v2對應于穩定平衡點B。進一步基于動態分析可知，當風速從v2躍增至v1時，Pm大于Pe，風輪將加速至A點。這不僅能降低Pm，而且可將氣動能量緩存入風輪動能。反之，當風速從v1減小至v2，Pm小于Pe，風輪將最終減速至B點。風輪減速不僅能夠增大Pm，而且釋放的風輪動能可暫時維持恒定的有功出力。可見，上述2種風速變化導致的輸入/輸出功率不平衡都無需槳距角調節。

圖6 RSC方法運行原理

綜上，圖7給出了RSC控制器原理結構[12, 14]，其同樣包括2個控制部分：

(1) 輸出功率控制,當風輪轉速不低于轉速下限時，按功率指令Pref進行恒功率輸出；否則，切換至MPPT控制；

(2) 風輪限速控制,以實際風輪轉速和轉速上限的差值作為PI控制器的輸入，通過槳距角調節防止風機超速。

圖7 RSC控制器的原理結構

3 仿真驗證與比較分析

應用美國國家可再生能源實驗室(national renewable energy laboratory, NREL)開發的風機仿真軟件FAST[20]，從輸出功率平穩性和變槳動作頻繁度2個方面，對PAC方法和RSC方法進行了仿真比較，并討論了不同功率指令對APC控制效果的影響[21]。風機模型采用NERL開發的600 kW CART3試驗機型[20]。

3.1 PAC方法與RSC方法的比較分析

分別采用風速幅值不同的(平均風速為7 m/s和10 m/s)2條10 min湍流風速，對PAC和RSC的控制性能進行仿真驗證。Pref設為110 kW。

3.1.1 低幅值湍流風速的仿真比較

圖8比較了2種APC方法在低幅值(平均風速為7 m/s)湍流風速下的仿真軌跡。由圖8可以看出，由于依靠風輪動能緩沖避免了捕獲風功率與輸出電功率的即時平衡，RSC方法的應用效果要優于PAC方法。

圖8 低幅值湍流風速下2種APC控制方法的仿真結果

(1) 因為需要隨風速波動不斷改變捕獲風功率，PAC要比RSC更加頻繁地調節槳距角。它們對應槳距角累積調節量分別為339.2°和213.9°。顯然，變槳機構的頻繁調節容易導致機械疲勞，不利于風電機組的長期穩定運行。

(2) 在風輪轉速不低于轉速下限ωlim.l時，RSC方法可以恒定保持輸出電功率；相比而言，由于變槳動作延時和變槳速度的限制，PAC方法輸出的有功功率存在較大波動，平穩性較差。

3.1.2 高幅值湍流風速的仿真比較

采用相同的功率指令，高幅值湍流風速下PAC方法和RSC方法的仿真結果如圖9所示。在高風速條件下，風機更容易達到轉速上限，這極大限制了風輪動能的緩沖空間。此時，RSC方法需要頻繁變槳來維持捕獲風功率與輸出電功率的實時平衡。統計可得，PAC和RSC對應槳距角累積調節量分別為358.3°和565.6°。可見，RSC方法雖然仍可獲得相較于PAC方法更為平穩的有功功率輸出，但也付出了更大的變槳代價。

圖9 高幅值湍流風速下2種APC控制方法的仿真結果

3.2 功率指令對控制性能影響分析

圖10 不同功率指令下RSC方法的仿真結果

功率指令出力保持恒定時間/s槳距角累積調節量/(°)捕獲風能總量/MJPhref299．240．6370．36Pmref600．049．7154．11Plref600．0183．627．96

(1) 當Pref設定過高時，由于捕獲的風能不足以長時間支撐輸出電功率，風機不得不頻繁切換至MPPT控制以避免失穩。此時，風電出力的波動性和不確定性將大幅增加。

(2) 當Pref設定過低時，相對充裕的捕獲風能和有限的風輪動能緩沖容量使得風機更容易運行至轉速上限，從而頻繁啟動槳距角調節。

4 結束語

本文基于對風機能量平衡關系的分析，綜述了當前主流的風電機組APC控制策略；并通過FAST仿真，比較分析了PAC方法和RSC方法在不同湍流風況下的控制性能，以及功率指令對控制性能的影響。仿真結果表明，相較于PAC方法，RSC方法能夠充分利用大轉動慣量風輪提供的動能緩存，具有更加平穩的有功功率輸出，并在低風速時能夠有效減少變槳機構的動作頻率和動作幅度。同時，不恰當的功率指令也會嚴重影響RSC方法的應用效果，或是增加風電出力的波動性和不確定性，或是導致頻繁的變槳動作。

面對當前的APC控制研究，本文認為至少存在如下2個方面值得進一步深入與完善：

(1) 全風速段的變速變槳協調優化控制研究。RSC方法雖然可以在低風速時利用風輪動能緩解變槳壓力，但在面對高風速時，RSC方法實質上已退化為僅依靠變槳維持捕獲風功率與輸出電功率的實時平衡。在維持恒定出力的同時，如何進一步減少槳距角調節、降低變槳機構機械疲勞，是促進APC控制工程應用的重要指標之一。

(2) 風電機組調度功率指令的確定。功率指令的確定實質上是對電網調度和機組單機運行的協調平衡。如何結合電網AGC的具體要求，對一個調度周期內風電機組可穩定持續有功出力進行準確評估，是合理確定風電調度功率指令的基礎。

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陳載宇

陳載宇(1989 —)，男，天津人，博士研究生，研究方向為風力發電系統主控策略；

沈 春(1992 —)，男，江蘇東臺人，碩士研究生，研究方向為風力發電系統有功功率控制策略；

殷明慧(1978 —)，男，江蘇南京人，副教授，研究方向為風力發電系統的設計與控制技術、電力系統穩定分析等；

李 威(1976 —)，男，江蘇睢寧人，研究員級高級工程師，從事電力系統電力系統安全穩定分析與控制等研究工作；

劉建坤(1980 —)，男，山東濰坊人，高級工程師，從事電力系統仿真分析、電力系統規劃和運行以及柔性交直流輸電等研究工作。

Review of Active Power Control Strategy for Variable-speed Variable-pitch Wind Turbine Participating in AGC

CHEN Zaiyu1, SHEN Chun1, YIN Minghui1, LI Wei2, LIU Jiankun3

(1. School of Automation, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China；2. NARI Technology Development Co. Ltd., Nanjing 211106, China；3. State Grid Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute, Nanjing 211103, China)

With large-scale and high penetration level wind integration, stable and adjustable active power output of wind energy conversion systems like traditional power sources is an urgent requirement for the future power grid operation and dispatch. Active power control (APC) for wind turbines participating in automatic generation control (AGC) has become one of the highly-concerned issues in the main control strategy research of wind turbine. Existing APC methods mainly include the output power control base on the pitch angle control (PAC) and the rotor speed control (RSC). Base on the analysis on energy balance of wind turbine, the principles of the aforementioned APC strategies are summarized in this paper. Then, the performance of PAC and RSC are compared by simulations on the FAST (Fatigue, Aerodynamics, Structures, and Turbulence) code. Results show that RSC possesses a more stable active power output as compared with PAC. Because of the energy buffer of rotor inertia, the frequency and amplitude of pitch angle manipulation can be effectively reduced at low wind speed by RSC method. However, both methods require frequent pitch angle adjustment at high wind speed. It is also pointed out that the power reference exerts a significant influence upon APC performance.

variable-speed variable-pitch wind turbine; active power control; automatic generation control; power reference

2016-10-28；

2016-11-21

國家自然科學基金(61673213, 51507080)；中央高校基本科研業務費專項資金(30915011104)；江蘇省產學研前瞻性聯合研究項目(BY2016004-13)資助

TM614

A

2096-3203(2017)01-0009-06