計及發(fā)電量損失的風電機組調頻自適應控制策略研究

吳仟 王瑞良 孫勇

（1.浙江運達風電股份有限公司，浙江杭州 310012；2.浙江省風力發(fā)電技術重點實驗室，浙江杭州 310012）

0 引言

隨著可再生能源接入電力系統(tǒng)，傳統(tǒng)的發(fā)電機在電力系統(tǒng)中的占比不斷下降，高滲透率的可再生能源降低了電力系統(tǒng)的慣性，危及系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性[1]。為了使風電機組在頻率不穩(wěn)定時能夠參與電網一次調頻，在風電機組進行減載控制獲得備用有功的基礎之上，引入附加功率控制環(huán)節(jié)，使其具備參與電力系統(tǒng)一次調頻的能力。然而傳統(tǒng)調頻控制策略將風電機組運行限制在較低出力水平，根據頻率偏差信號及頻率下垂特性計算出調頻目標值，并將其作為風電機組調頻功率控制指令，無疑增加了機組的發(fā)電量損失[2]。

文獻[3]提出雙饋風機在傳統(tǒng)控制的基礎上通過增加頻率控制環(huán)節(jié)來實現轉子功率的釋放和吸收相應的有功出力實現頻率調節(jié)，對比研究了風電中的虛擬慣性控制、下垂控制、轉子速度控制、槳距角控制以及單臺和多臺之間的協(xié)調控制能力。

文獻[4]提出了基于慣性控制比例控制方法進行頻率調節(jié)，結合變槳距角控制來整定出風電機組靜態(tài)調差系數的頻率控制策略，并采用虛擬慣性控制策略實現系統(tǒng)頻率的調整。

1 一次調頻下垂特性

風電在整個電力系統(tǒng)中的占比不斷上升，因此各地政策標準要求風力發(fā)電具備參與一次調頻能力。在電網頻率變化超過一定范圍時，風電機組需按照預設的下垂特性曲線自動增加或降低風電機組出力來參與系統(tǒng)一次調頻，風電機組一次調頻下垂特性曲線如圖1所示。

圖1 風電機組一次調頻下垂特性曲線

當頻率在（f-fd，f+fd）范圍內時，風電機組不參與一次調頻，但至少預留ΔP備用容量；當頻率下降到f-fd以下時，風電機組最多增加有功出力ΔP；當頻率上升到f+fd以上時，風電機組最多減小有功出力ΔP；當系統(tǒng)頻率上升到51.5 Hz以上時，可停止向電網供電。

2 風電機組調頻控制原理

為保證風電機組自身具備一定的備用調頻容量，需要對風電機組進行減載運行控制[5]。針對雙饋風電機組的運行特點，提出一種變目標槳距角的風電機組減載控制策略。在正常模式下，槳距角參考值是根據PI環(huán)節(jié)計算而來；而在調頻模式下，槳距角參考值由有功調頻目標值及頻率偏差兩部分共同確定，如圖2所示。

圖2 基于槳距角預留的調頻控制原理

3 風電機組自適應調頻策略

傳統(tǒng)調頻控制策略雖然能提供風電調頻政策標準所要求的頻率支撐能力，但由此導致的風電機組運行效益低和發(fā)電量損失大的問題卻不能很好地解決，因此設計風電機組自適應調頻控制策略很有必要。本文所設計的調頻自適應控制策略主要由離線設計與在線尋參兩部分構成，如圖3所示，具體實現步驟如下。

圖3 風電機組自適應調頻策略流程圖

（1）根據風電機組運行特性，建立風電機組靜態(tài)功率數學模型：

式中：Pm為輸出功率；ρ為空氣密度；R為槳葉半徑；Cp為風能利用系數；λ為葉尖速比；β為槳距角；v為風速。

（2）根據風電機組一次調頻下垂特性，計算出不同電網頻率f對應的調頻響應值ΔP：

（3）構建目標函數F以期望獲得最小的槳距角調節(jié)量，同時將輸出功率Pm∈（Pmin，Pmax）取多個功率點P（1，…，s），電網頻率f∈（fmin，fmax）取多個頻率點f（1，…，n），并對ωref、βref、轉速調節(jié)時間等變量進行等式約束和不等式約束：

（4）在Matlab上編寫拉格朗日乘子法程序[6]求解出在不同輸出功率點、不同電網頻率點下的槳距角參考值，其具體求解步驟如下：

1）提取目標函數的非線性等式約束條件及不等式約束條件；

2）對目標函數F進行拉格朗日變換得到無約束優(yōu)化函數，建立不等式約束下的拉格朗日函數L如下：

其中，X=（ωref，βref）是目標函數自變量；h（X）是等式約束條件，γj是對應的約束系數；g（X）是不等式約束，μk是對應的約束系數。

3）通過Matlab編程獲得在不等式約束條件下的全局最優(yōu)解（ωref，βref），記錄下不同輸出功率點Ps、不同電網頻率點fn下槳距角參考值θ（s，n）的對應關系。

（5）風機接收到電網頻率與風電機組功率信息（f（t）、P（t））時，采用雙線性插值法進行調頻自適應在線尋參工作，對風電機組進行實時調頻響應，其具體步驟如下：

1）提取滿足f′≤f（t）≤f″，P′≤P（t）≤P″關系且相鄰的4個點，將其從左至右、從上至下依次標記為β11、β12、β21、β22；

2）采用雙線性插值法計算t時刻風電機組槳距角參考值βref，計算公式如下：

3）將計算出來的t時刻槳距角參考值βref反饋給變槳執(zhí)行部件進行一次調頻響應，此后循環(huán)執(zhí)行步驟（5）。

4 仿真分析

為驗證上述風電機組調頻自適應控制策略設計的有效性，本文選擇容量2 500 kW雙饋機型進行仿真驗證，通過工業(yè)級仿真軟件Bladed進行靜態(tài)功率仿真，記錄在不同風速、槳距角下風電機組所對應的功率值。設定頻率死區(qū)fd=0.05 Hz、額定容量Pn=2 500 kW、調頻百分比ΔP=0.1Pn，通過在Matlab上編寫拉格朗日乘子法程序求解出在不同輸出功率點、不同電網頻率點下的槳距角參考值，如表1所示。風機根據輸入的實時頻率、功率信息以及頻率f—功率P—槳距角βref關系，采用雙線性插值法循環(huán)進行調頻自適應在線尋參工作。

表1 風電機組在不同輸出功率點、不同電網頻率點下的槳距角βref參考值 單位：°

為驗證上述控制器求解參數及本文控制策略的有效性，下文在風機不同風況、不同功率運行點進行仿真驗證。首先設定電網初始頻率為50 Hz，風速為恒定風速9 m/s。在20 s時風機開啟調頻自適應控制策略進行調頻功率備用，在120 s時電網頻率下擾至49.8 Hz，該策略通過雙線性插值法進行在線尋參工作發(fā)揮穩(wěn)定的功率支撐作用。從圖4可以看出，在20 s時槳距角增大進行減載備用，穩(wěn)定后風機輸出功率降低250 kW左右，使其長期保持0.1Pn的調頻能力。在120 s時，風機通過雙線性插值法計算后減小槳距角，增大輸出功率約75 kW左右，滿足調頻標準要求。

圖4 頻率擾動下的風機運行狀態(tài)曲線

接著針對風速為湍流風情況進行Bladed仿真驗證，設置電網頻率為50 Hz，若要滿足調頻標準要求，需要250 kW調頻功率備用。從圖5可以看出，在傳統(tǒng)調頻控制策略中，風機需長期運行在輸出功率最低點670 kW左右。加入該調頻控制策略后，風機輸出功率隨著風速變化而持續(xù)變化，機組始終保持250 kW的調頻備用能力。因此，該策略減少了機組的發(fā)電量損失，提升了系統(tǒng)的經濟性。

圖5 傳統(tǒng)調頻策略與自適應調頻策略對比圖

5 結語

針對傳統(tǒng)調頻控制策略中導致風電機組運行效益低和發(fā)電量損失大的問題，本文提出了一種計及發(fā)電量損失的風電機組調頻自適應控制方法，采用拉格朗日乘子法離線提取出頻率—功率—槳距角之間的關系，提高了在線尋參效率；采用雙線性插值法求解出風電機組槳距角參考值來對風電機組進行實時調頻響應，很好地減少了發(fā)電量損失，提升了系統(tǒng)的經濟性，具有較強的調頻適應性及魯棒性。