陳載宇， 沈 春， 殷明慧， 李 威， 劉建坤

(1. 南京理工大學(xué)自動化學(xué)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(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103)

面向AGC的變速變槳風(fēng)電機(jī)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(xué)自動化學(xué)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(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103)

隨著風(fēng)電的大規(guī)模、高滲透率接入電網(wǎng)，未來的電網(wǎng)調(diào)度迫切需要風(fēng)電電源具備傳統(tǒng)電源的有功功率穩(wěn)定輸出特性和調(diào)節(jié)性能。為此，面向自動發(fā)電控制(AGC)的風(fēng)機(jī)有功功率控制(APC)已經(jīng)成為當(dāng)前風(fēng)電機(jī)組主控策略的研究熱點(diǎn)之一。目前，APC的實(shí)現(xiàn)方法主要包括基于槳距角調(diào)節(jié)的功率控制(PAC)和基于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的功率控制(RSC)?；趯︼L(fēng)機(jī)能量平衡關(guān)系的分析，總結(jié)了上述2種APC策略的實(shí)現(xiàn)原理，并利用FAST軟件對控制方法和控制指令進(jìn)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(wěn)的有功功率輸出；而且在低風(fēng)速時(shí)，由于利用風(fēng)輪的動能緩沖，RSC方法能夠有效減少變槳機(jī)構(gòu)的動作頻率和動作幅度；但在高風(fēng)速時(shí)，2種控制方法都需要頻繁的變槳。此外，功率指令的設(shè)定對于APC控制效果的影響也是不容忽視的。

變速變槳風(fēng)機(jī)；有功功率控制；自動發(fā)電控制；功率指令

風(fēng)能作為一種成本低、技術(shù)成熟、可靠性高的可再生能源，近十幾年來已在全球范圍內(nèi)迅速普及且大規(guī)模接入電網(wǎng)。隨著風(fēng)電滲透率的不斷提高，特別是當(dāng)風(fēng)電高占比接入電網(wǎng)遠(yuǎn)離負(fù)荷中心時(shí)，薄弱的送端系統(tǒng)加上風(fēng)電功率的隨機(jī)性和間歇性，勢必給電網(wǎng)的有功調(diào)度和安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來巨大壓力和新的挑戰(zhàn)[1-3]。

為促進(jìn)互聯(lián)大電網(wǎng)大規(guī)模地消納風(fēng)電功率，需要充分發(fā)掘風(fēng)電機(jī)組的有功功率調(diào)節(jié)能力及在此基礎(chǔ)上的電網(wǎng)輔助服務(wù)功能，以折中風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能捕獲與接入電網(wǎng)的運(yùn)行壓力。為此，國家電網(wǎng)公司制定的《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》[4]中明確要求：風(fēng)電場應(yīng)具備有功功率調(diào)節(jié)能力，能夠根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度部門指令控制其功率輸出。在此背景下，提升風(fēng)電機(jī)組有功輸出的平穩(wěn)性和可控性，并在基礎(chǔ)上將風(fēng)電電源納入電網(wǎng)自動發(fā)電控制(automatic generation control，AGC)管理，已成為風(fēng)電機(jī)組主控策略的研究熱點(diǎn)之一[5-16]。

為實(shí)現(xiàn)風(fēng)電電源按調(diào)度指令恒定輸出有功功率，已有許多學(xué)者針對變速變槳(variable speed variable pitch，VSVP)風(fēng)電機(jī)組提出了有功功率控制(active power control，APC)策略[10-16]，以替代傳統(tǒng)的以最大化風(fēng)能捕獲為目標(biāo)的最大功率點(diǎn)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(diào)節(jié)的功率控制(pitch angle control，PAC)[10-13]和基于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)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(chǔ)上，將槳距角調(diào)節(jié)引入風(fēng)機(jī)全風(fēng)速段的功率控制，主要通過調(diào)整槳距角實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功率輸出。PAC方法實(shí)質(zhì)上是令風(fēng)機(jī)捕獲的風(fēng)功率與輸出的有功功率實(shí)時(shí)平衡，進(jìn)而通過改變氣動效率來控制風(fēng)機(jī)的有功功率輸出；

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

本文首先基于VSVP風(fēng)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型，分析了風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)APC的能量平衡關(guān)系；在此基礎(chǔ)上，概述總結(jié)了PAC方法和RSC方法的工作機(jī)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(jìn)行了動態(tài)仿真和比較分析。最后，對面向AGC的風(fēng)電機(jī)組APC控制策略進(jìn)行總結(jié)和展望。

1 VSVP風(fēng)電機(jī)組的建模與分析

1.1 風(fēng)電機(jī)組的機(jī)電動態(tài)模型

風(fēng)輪捕獲的風(fēng)功率為[17]：

(1)

λ=ωrR/v

(2)

這里，ωr為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。

圖1給出了某風(fēng)機(jī)在不同槳距角β下的CP-λ曲線?？梢钥闯觯涸跇嘟枪潭ǖ那闆r下，改變風(fēng)機(jī)運(yùn)行的葉尖速比可以使風(fēng)能利用系數(shù)發(fā)生變化，進(jìn)而調(diào)節(jié)捕獲的風(fēng)功率；而在葉尖速比不變的情況下，調(diào)節(jié)槳距角也能達(dá)到同樣的目的。

圖1 不同槳距角對應(yīng)的Cp-λ曲線

(3)

風(fēng)機(jī)傳動鏈可描述為一個(gè)雙質(zhì)量塊模型，其運(yùn)動方程為[17]：

其中:Tm=Pm/ωr為氣動轉(zhuǎn)矩;Dr和Dg為風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)的外阻尼系數(shù);Jr和Jg為風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量;Tls和Ths為低速軸(風(fēng)輪側(cè))和高速軸(發(fā)電機(jī)側(cè))的轉(zhuǎn)矩;Kls和Dls為傳動鏈扭轉(zhuǎn)的剛度和阻尼系數(shù)(等效到低速側(cè));θr-θg/ng為高速軸和低速軸之間的扭轉(zhuǎn)角度;ωg為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速;ng為齒輪箱變速比;Tem為發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩。

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

(5)

1.2 風(fēng)機(jī)的能量平衡分析

在應(yīng)用傳統(tǒng)MPPT控制策略時(shí)，風(fēng)電機(jī)組輸出的有功功率主要由實(shí)時(shí)風(fēng)速對應(yīng)的最大功率點(diǎn)決定。此時(shí)，由于基于風(fēng)輪轉(zhuǎn)速控制實(shí)現(xiàn)MPPT，風(fēng)機(jī)因輸入/輸出功率不平衡而導(dǎo)致的失穩(wěn)或超速問題并不突出。但是，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組需要響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度指令而保持恒定輸出的有功功率時(shí)，面對隨風(fēng)速變化而不斷波動的捕獲風(fēng)功率，需要更加關(guān)注風(fēng)機(jī)輸入/輸出能量的平衡問題。

圖2為風(fēng)電機(jī)組能量轉(zhuǎn)換關(guān)系(忽略阻尼和損耗)的示意圖。由圖2可見，對于風(fēng)輪捕獲的風(fēng)功率Pm，一部分轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)輸出的電功率Pe；一部分緩存為風(fēng)輪的動能，并相應(yīng)改變風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。由于控制目標(biāo)為維持恒定的輸出功率，APC控制設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于如何保證捕獲風(fēng)能、風(fēng)輪動能與輸出電能量三者的動態(tài)平衡，以使風(fēng)機(jī)始終在設(shè)定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)正常運(yùn)行。即，當(dāng)捕獲風(fēng)能充裕時(shí)，避免風(fēng)輪因過量緩存動能而導(dǎo)致風(fēng)機(jī)超速[13]；當(dāng)捕獲風(fēng)能不足時(shí)，避免風(fēng)輪因過多釋放動能而使風(fēng)機(jī)失去穩(wěn)定[6]。

圖2 風(fēng)電機(jī)組的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系

2 風(fēng)電機(jī)組的有功功率控制策略

如圖3所示，以永磁風(fēng)電機(jī)組為例，實(shí)現(xiàn)APC功能的控制系統(tǒng)實(shí)際上包含2個(gè)控制環(huán)：(1)實(shí)現(xiàn)APC策略的外環(huán)控制；(2)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的內(nèi)環(huán)控制。需要注意的是，由于機(jī)電動態(tài)的響應(yīng)時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電磁動態(tài)，本文根據(jù)快慢子系統(tǒng)解耦的思想[17]，僅討論風(fēng)機(jī)的機(jī)電動態(tài)及相應(yīng)的APC策略。

圖3 永磁風(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)APC功能的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

2.1 基于槳距角調(diào)節(jié)的有功功率控制

圖4 PAC方法運(yùn)行原理

圖5給出了PAC控制器的原理結(jié)構(gòu)[10, 12]，其包括氣動功率控制和輸出功率控制2個(gè)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(diào)節(jié)槳距角來改變捕獲風(fēng)功率Pm，使其與Pref保持平衡；

圖5 PAC控制器的原理結(jié)構(gòu)

2.2 基于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的有功功率控制

RSC方法優(yōu)先使用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)改變捕獲風(fēng)功率，并利用風(fēng)輪動能緩沖輸入/輸出功率的瞬時(shí)不平衡。

RSC方法的運(yùn)行原理[12-16]如圖6所示。基于穩(wěn)態(tài)分析可知，對于給定風(fēng)速v1，如果風(fēng)機(jī)保持恒定的輸出功率Pref，則其轉(zhuǎn)速將最終穩(wěn)定在平衡點(diǎn)A處。類似地，風(fēng)速v2對應(yīng)于穩(wěn)定平衡點(diǎn)B。進(jìn)一步基于動態(tài)分析可知，當(dāng)風(fēng)速從v2躍增至v1時(shí)，Pm大于Pe，風(fēng)輪將加速至A點(diǎn)。這不僅能降低Pm，而且可將氣動能量緩存入風(fēng)輪動能。反之，當(dāng)風(fēng)速從v1減小至v2，Pm小于Pe，風(fēng)輪將最終減速至B點(diǎn)。風(fēng)輪減速不僅能夠增大Pm，而且釋放的風(fēng)輪動能可暫時(shí)維持恒定的有功出力?？梢?，上述2種風(fēng)速變化導(dǎo)致的輸入/輸出功率不平衡都無需槳距角調(diào)節(jié)。

圖6 RSC方法運(yùn)行原理

綜上，圖7給出了RSC控制器原理結(jié)構(gòu)[12, 14]，其同樣包括2個(gè)控制部分：

(1) 輸出功率控制,當(dāng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速不低于轉(zhuǎn)速下限時(shí)，按功率指令Pref進(jìn)行恒功率輸出；否則，切換至MPPT控制；

(2) 風(fēng)輪限速控制,以實(shí)際風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速上限的差值作為PI控制器的輸入，通過槳距角調(diào)節(jié)防止風(fēng)機(jī)超速。

圖7 RSC控制器的原理結(jié)構(gòu)

3 仿真驗(yàn)證與比較分析

應(yīng)用美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(national renewable energy laboratory, NREL)開發(fā)的風(fēng)機(jī)仿真軟件FAST[20]，從輸出功率平穩(wěn)性和變槳動作頻繁度2個(gè)方面，對PAC方法和RSC方法進(jìn)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(fēng)機(jī)模型采用NERL開發(fā)的600 kW CART3試驗(yàn)機(jī)型[20]。

3.1 PAC方法與RSC方法的比較分析

分別采用風(fēng)速幅值不同的(平均風(fēng)速為7 m/s和10 m/s)2條10 min湍流風(fēng)速，對PAC和RSC的控制性能進(jìn)行仿真驗(yàn)證。Pref設(shè)為110 kW。

3.1.1 低幅值湍流風(fēng)速的仿真比較

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

圖8 低幅值湍流風(fēng)速下2種APC控制方法的仿真結(jié)果

(1) 因?yàn)樾枰S風(fēng)速波動不斷改變捕獲風(fēng)功率，PAC要比RSC更加頻繁地調(diào)節(jié)槳距角。它們對應(yīng)槳距角累積調(diào)節(jié)量分別為339.2°和213.9°。顯然，變槳機(jī)構(gòu)的頻繁調(diào)節(jié)容易導(dǎo)致機(jī)械疲勞，不利于風(fēng)電機(jī)組的長期穩(wěn)定運(yùn)行。

(2) 在風(fēng)輪轉(zhuǎn)速不低于轉(zhuǎn)速下限ωlim.l時(shí)，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(shí)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(wěn)性較差。

3.1.2 高幅值湍流風(fēng)速的仿真比較

采用相同的功率指令，高幅值湍流風(fēng)速下PAC方法和RSC方法的仿真結(jié)果如圖9所示。在高風(fēng)速條件下，風(fēng)機(jī)更容易達(dá)到轉(zhuǎn)速上限，這極大限制了風(fēng)輪動能的緩沖空間。此時(shí)，RSC方法需要頻繁變槳來維持捕獲風(fēng)功率與輸出電功率的實(shí)時(shí)平衡。統(tǒng)計(jì)可得，PAC和RSC對應(yīng)槳距角累積調(diào)節(jié)量分別為358.3°和565.6°?？梢?，RSC方法雖然仍可獲得相較于PAC方法更為平穩(wěn)的有功功率輸出，但也付出了更大的變槳代價(jià)。

圖9 高幅值湍流風(fēng)速下2種APC控制方法的仿真結(jié)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(jié)果

功率指令出力保持恒定時(shí)間/s槳距角累積調(diào)節(jié)量/(°)捕獲風(fēng)能總量/MJPhref299．240．6370．36Pmref600．049．7154．11Plref600．0183．627．96

(1) 當(dāng)Pref設(shè)定過高時(shí)，由于捕獲的風(fēng)能不足以長時(shí)間支撐輸出電功率，風(fēng)機(jī)不得不頻繁切換至MPPT控制以避免失穩(wěn)。此時(shí)，風(fēng)電出力的波動性和不確定性將大幅增加。

(2) 當(dāng)Pref設(shè)定過低時(shí)，相對充裕的捕獲風(fēng)能和有限的風(fēng)輪動能緩沖容量使得風(fēng)機(jī)更容易運(yùn)行至轉(zhuǎn)速上限，從而頻繁啟動槳距角調(diào)節(jié)。

4 結(jié)束語

本文基于對風(fēng)機(jī)能量平衡關(guān)系的分析，綜述了當(dāng)前主流的風(fēng)電機(jī)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(fēng)況下的控制性能，以及功率指令對控制性能的影響。仿真結(jié)果表明，相較于PAC方法，RSC方法能夠充分利用大轉(zhuǎn)動慣量風(fēng)輪提供的動能緩存，具有更加平穩(wěn)的有功功率輸出，并在低風(fēng)速時(shí)能夠有效減少變槳機(jī)構(gòu)的動作頻率和動作幅度。同時(shí)，不恰當(dāng)?shù)墓β手噶钜矔?yán)重影響RSC方法的應(yīng)用效果，或是增加風(fēng)電出力的波動性和不確定性，或是導(dǎo)致頻繁的變槳動作。

面對當(dāng)前的APC控制研究，本文認(rèn)為至少存在如下2個(gè)方面值得進(jìn)一步深入與完善：

(1) 全風(fēng)速段的變速變槳協(xié)調(diào)優(yōu)化控制研究。RSC方法雖然可以在低風(fēng)速時(shí)利用風(fēng)輪動能緩解變槳壓力，但在面對高風(fēng)速時(shí)，RSC方法實(shí)質(zhì)上已退化為僅依靠變槳維持捕獲風(fēng)功率與輸出電功率的實(shí)時(shí)平衡。在維持恒定出力的同時(shí)，如何進(jìn)一步減少槳距角調(diào)節(jié)、降低變槳機(jī)構(gòu)機(jī)械疲勞，是促進(jìn)APC控制工程應(yīng)用的重要指標(biāo)之一。

(2) 風(fēng)電機(jī)組調(diào)度功率指令的確定。功率指令的確定實(shí)質(zhì)上是對電網(wǎng)調(diào)度和機(jī)組單機(jī)運(yùn)行的協(xié)調(diào)平衡。如何結(jié)合電網(wǎng)AGC的具體要求，對一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)風(fēng)電機(jī)組可穩(wěn)定持續(xù)有功出力進(jìn)行準(zhǔn)確評估，是合理確定風(fēng)電調(diào)度功率指令的基礎(chǔ)。

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陳載宇

陳載宇(1989 —)，男，天津人，博士研究生，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主控策略；

沈 春(1992 —)，男，江蘇東臺人，碩士研究生，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)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?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與控制技術(shù)、電力系統(tǒng)穩(wěn)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(tǒng)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)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(tǒng)仿真分析、電力系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)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(xué)基金(61673213, 51507080)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(30915011104)；江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目(BY2016004-13)資助

TM614

A

2096-3203(2017)01-0009-06