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面向AGC 的变速变桨风电机组有功功率控制策略
2017-08-30 10:50:39  作者:陈载宇 沈春 殷明慧  来源:中国设计师网  
  •    随着风电的大规模、高渗透率接入电网,未来的电网调度迫切需要风电电源具备传统电源的有功功率稳定输出特性和调节性能。为此,面向自动发电控制(AGC)的风机有功功率控制(APC)已经成为当前风电机组主控策略的研究热点之一。目前,APC的实现方主要包括基于桨距角调节的功率控制(PAC)和基于转速调节的功率控制(RSC)。基于对风机能量平衡关系的分析,总结了上述两种APC策略的实现原理,并利用FAST软件对控制方法和控制指令进行了仿真比较。仿真表明:相较于PAC方法,RSC方法具有更为平稳的有功功率输出;而且在低风速时,由于利用风轮的动能缓冲,RSC方法能够有效减少变桨机构的动作频率和动作幅度;但在高风速时,两种控制方法都需要频繁的变桨。此外,功率指令的设定对于APC控制效果的影响也是不容忽视的。

  南京理工大学自动化学院 陈载宇 沈春 殷明慧

  国电南瑞科技股份有限公司 李威

  国网江苏省电力公司电力科学研究院 刘建坤

  风能作为一种成本低、技术成熟、可靠性高的可再生能源,近十几年来已在全球范围内迅速普及且大规模接入电网。随着风电渗透率的不断提高,特别是当风电高占比接入电网远离负荷中心时,薄弱的送端系统加上风电功率的随机性和间歇性,势必给电网的有功调度和安全稳定运行带来巨大压力和新的挑战[1-3]。

  为促进互联大电网大规模地消纳风电功率,需要充分发掘风电机组的有功功率调节能力及在此基础上的电网辅助服务功能,以折中风电机组的风能捕获与接入电网的运行压力。为此,国家电网公司制定的《风电场接入电力系统技术规定》[4]中明确要求:风电场应具备有功功率调节能力,能够根据电网调度部门指令控制其功率输出。在此背景下,提升风电机组有功输出的平稳性和可控性,并在基础上将风电电源纳入电网自动发电控制管理,已成为风电机组主控策略的研究热点之一[5-16]。

  为实现风电电源按调度指令恒定输出有功功率,已有许多学者针对变速变桨风电机组提出了有功功率控制策略[10-16],以替代传统的以最大化风能捕获为目标的最大功率点跟踪控制[17-19]。目前,具有代表性的APC策略主要包括基于桨距角调节的功率控制[10-13]和基于转速调节的功率控制[12-16]。

  (1)PAC方法[10-13]。该类控制方法在MPPT控制的基础上,将桨距角调节引入风机全风速段的功率控制,主要通过调整桨距角实现目标功率输出。PAC方法实质上是令风机捕获的风功率与输出的有功功率实时平衡,进而通过改变气动效率来控制风机的有功功率输出;

  (2)RSC方法[12-16]。该类控制方法利用大转动惯量风轮作为风机捕获风能和输出电能之间的能量缓冲,避免了风机输入/输出功率的实时平衡。当捕获风功率充裕时,多余的气动输入能量将缓存至风轮动能;当捕获风功率不足时,通过风机减速释放风轮动能以维持恒定的输出功率。

  本文首先基于VSVP风电机组的数学模型,分析了风机实现APC的能量平衡关系;在此基础上,概述总结了PAC方法和RSC方法的工作机理;并利用FAST软件对不同的控制方法、控制指令进行了动态仿真和比较分析。最后,对面向AGC的风电机组APC控制策略进行总结和展望。

  1 VSVP风电机组的建模与分析

  1.1 风电机组的机电动态模型

  风轮捕获的风功率为[17]:

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  4 结束语

  本文基于对风机能量平衡关系的分析,综述了当前主流的风电机组APC控制策略;并通过FAST仿真,比较分析了PAC方法和RSC方法在不同湍流风况下的控制性能,以及功率指令对控制性能的影响。仿真结果表明,相较于PAC方法,RSC方法能够充分利用大转动惯量风轮提供的动能缓存,具有更加平稳的有功功率输出,并在低风速时能够有效减少变桨机构的动作频率和动作幅度。同时,不恰当的功率指令也会严重影响RSC方法的应用效果,或是增加风电出力的波动性和不确定性,或是导致频繁的变桨动作。

  面对当前的APC控制研究,本文认为至少存在如下两个方面值得进一步深入与完善:

  (1)全风速段的变速变桨协调优化控制研究。RSC方法虽然可以在低风速时利用风轮动能缓解变桨压力,但在面对高风速时,RSC方法实质上已退化为仅依靠变桨维持捕获风功率与输出电功率的实时平衡。在维持恒定出力的同时,如何进一步减少桨距角调节、降低变桨机构机械疲劳,是促进APC控制工程应用的重要指标之一。

  (2)风电机组调度功率指令的确定。功率指令的确定实质上是对电网调度和机组单机运行的协调平衡。如何结合电网AGC的具体要求,对一个调度周期内风电机组可稳定持续有功出力进行准确评估,是合理确定风电调度功率指令的基础。

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  参考文献

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