張愛琴

（國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106）

0 引 言

風(fēng)能作為一種清潔型能源，能夠有效替代原有的化石型能源[1]。在我國，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)發(fā)展成為與火力發(fā)電同等重要的電能來源。隨著風(fēng)力發(fā)電規(guī)模的逐步擴大，風(fēng)力發(fā)電機組對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行產(chǎn)生了一定程度的影響，主要體現(xiàn)在電力系統(tǒng)的調(diào)功方面[2]。通過常規(guī)的火力發(fā)電機組進行調(diào)功已經(jīng)無法滿足電力系統(tǒng)的實際需求，為保證電力系統(tǒng)的安全、可靠以及穩(wěn)定運行，必須限制風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率[3,4]。實際上，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與電力系統(tǒng)的配合運行可以歸結(jié)為功率問題，因此研究風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)對安全可靠利用風(fēng)能的意義重大。

1 風(fēng)力發(fā)電有功功率控制模型

1.1 風(fēng)電機組模型

風(fēng)機是實現(xiàn)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能的機械裝置，是風(fēng)電機組的重要組成部分。依據(jù)空氣動力學(xué)原理，可以將風(fēng)機所轉(zhuǎn)換得到的機械功率描述為：

風(fēng)電機組的電氣部分包括發(fā)電機和變流器兩部分，其基本原理是通過矢量控制算法獨立控制有功功率和無功功率?？梢詫㈦姎獠糠趾喕枋鰹椋?/p>

式中，Pe為變流器輸出的電磁功率；τe為電機的時間參數(shù)；Pe*為變流器的給定電磁功率。

風(fēng)電機組的控制模型如圖1所示，變槳系統(tǒng)依據(jù)功率偏差信號調(diào)節(jié)功率，電氣系統(tǒng)依據(jù)功率參考信號調(diào)節(jié)功率。

1.2 風(fēng)電機組運行原理

基于風(fēng)能的特點，風(fēng)電機組的功率控制與火電機組的控制存在巨大差異，風(fēng)電機組需要依據(jù)實時的風(fēng)力狀況調(diào)整相匹配的控制策略，以滿足相應(yīng)的功率控制要求。風(fēng)力發(fā)電機組包含有3大工作狀態(tài)，分別是啟動狀態(tài)、最大風(fēng)能跟蹤狀態(tài)以及功率恒定狀態(tài)[6]。啟動狀態(tài)中，風(fēng)速的變化區(qū)間為(0,vin)，風(fēng)機自由轉(zhuǎn)動，不進行功率控制；最大風(fēng)能跟蹤狀態(tài)中，風(fēng)速的變化區(qū)間為(vin,vn)，采用有效的最大風(fēng)能跟蹤控制策略，保證可有效利用風(fēng)能；功率恒定狀態(tài)中，風(fēng)速的變化區(qū)間為(vn,vout)，通過相應(yīng)的控制策略保證風(fēng)電機組輸出功率恒定。風(fēng)電機組的運行功率曲線如圖2所示。

圖1 風(fēng)電機組控制模型

圖2 風(fēng)電機組功率曲線

1.3 有功功率控制模型

風(fēng)電場控制架構(gòu)主要包含了風(fēng)能管理層、風(fēng)電場控制層以及風(fēng)電機組控制層。風(fēng)能管理層負(fù)責(zé)依據(jù)電力系統(tǒng)的功率和頻率需求實現(xiàn)能量調(diào)度；風(fēng)電場控制層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集并根據(jù)運算將功率分配指令下發(fā)到風(fēng)電機組；風(fēng)電機組控制層根據(jù)功率給定指令以及頻率控制指令調(diào)節(jié)有功功率[7]。

風(fēng)電機組的輸出功率可以表示為：

式中，Pe,i為風(fēng)電機組的實際輸出功率；為風(fēng)電機組的理論輸出功率；為風(fēng)電機組的給定輸出功率。

2 風(fēng)電機組限負(fù)荷控制策略

電力系統(tǒng)為了保持自身運行的穩(wěn)定性，必須要控制風(fēng)電機組的負(fù)荷，通過調(diào)節(jié)風(fēng)電機組的功率來實現(xiàn)限負(fù)荷的要求，減載的功率可作為備用[8]。

2.1 限負(fù)荷減載控制原理

如果單個風(fēng)力發(fā)電機組要實現(xiàn)d%的減載，那么減載功率的給定值可以描述為：

式中，Pdeload為減載時的功率給定值；Popt為最大風(fēng)能跟蹤時的功率給定值。

當(dāng)風(fēng)速和空氣密度維持恒定時，可以得到：

由式（6）可知，只要控制風(fēng)能捕獲參數(shù)就能實現(xiàn)減載。即通過改變控制風(fēng)機的轉(zhuǎn)速或者變槳距角來改變風(fēng)能捕獲參數(shù)即可實現(xiàn)減載控制。風(fēng)機減載控制原理如圖3所示。

圖3 風(fēng)機負(fù)荷減載控制原理

由圖3可知，加速和減速都能夠?qū)崿F(xiàn)減載，但是加速能夠?qū)⒍嘤嗟膭幽艽鎯υ谵D(zhuǎn)子上備用，因此普遍采用加速減載控制策略。但是，加速減載不適用于風(fēng)速較高的狀態(tài)。調(diào)整變槳距角盡管能夠適應(yīng)不同風(fēng)速的運行狀態(tài)，但是需要頻繁調(diào)節(jié)，加大了風(fēng)機的機械損耗。

2.2 限負(fù)荷減載控制策略

本文根據(jù)風(fēng)速狀態(tài)提出超速減載與變槳距角減載協(xié)調(diào)控制的減載策略，保證所預(yù)留的功率既能夠?qū)崿F(xiàn)限負(fù)荷控制又能夠為風(fēng)電系統(tǒng)提供調(diào)頻備用?；陲L(fēng)電場風(fēng)速的隨機性和不確定性，風(fēng)電場中的多個風(fēng)機會運行在不同的風(fēng)速下。為了充分利用加速減載控制方式和變槳距角減載控制方式的優(yōu)點，在不同的風(fēng)速區(qū)間采用不同的減載控制策略。具體的減載曲線如圖4所示。

圖4 風(fēng)機功率減載曲線

如圖4所示，AB區(qū)間采用加速減載控制策略，BC區(qū)間采用加速減載和變槳距角減載相結(jié)合的協(xié)調(diào)控制策略，CD區(qū)間采用變槳距角減載的控制策略。

3 仿真研究及分析

仿真風(fēng)電場負(fù)荷指令發(fā)生變化時的工況，在仿真環(huán)境下設(shè)置初始0 s時刻開始，負(fù)荷給定指令穩(wěn)定在2.7 MW；20～60 s，負(fù)荷給定指令突然增加0.5 MW；60 s時刻，負(fù)荷給定指令恢復(fù)到2.7 MW。在負(fù)荷給定指令發(fā)生變化時，功率響應(yīng)曲線如圖5所示。

圖5 負(fù)荷給定指令變化時功率響應(yīng)曲線

當(dāng)負(fù)荷給定指令增加時，如果最大發(fā)電功率的外包絡(luò)線大于負(fù)荷給定指令，則風(fēng)電機組實際輸出功率基本上能夠有效跟隨負(fù)荷給定指令。但由于風(fēng)速是動態(tài)的，輸出功率也在進行動態(tài)調(diào)節(jié)，因此無法完全跟隨負(fù)荷給定指令。

低速風(fēng)機的負(fù)荷響應(yīng)曲線如圖6所示。當(dāng)負(fù)荷給定指令在20～60 s變化時，風(fēng)機會減速釋放能量，保證風(fēng)機輸出功率增加對負(fù)荷給定指令進行響應(yīng)。

中速風(fēng)機的負(fù)荷響應(yīng)曲線如圖7所示。當(dāng)負(fù)荷給定指令在20～60 s變化時，風(fēng)機會通過減速加載和減小槳距角保證風(fēng)機輸出功率增加對負(fù)荷給定指令進行響應(yīng)。

圖6 低速風(fēng)機負(fù)荷響應(yīng)曲線

圖7 中速風(fēng)機負(fù)荷響應(yīng)曲線

4 結(jié) 論

本文從風(fēng)電場有功功率控制系統(tǒng)出發(fā)，研究了風(fēng)電機組有功功率控制問題，提出了加速減載和變槳距角減載相結(jié)合的方式控制有功功率。對風(fēng)電場進行負(fù)荷限制，保證風(fēng)電場具備一定的備用功率，可以用作滿足電力系統(tǒng)的調(diào)度需求。經(jīng)過仿真驗證，本文所提出的限負(fù)荷減載控制策略完全能夠有效控制風(fēng)電機組的有功功率，具備大規(guī)模推廣應(yīng)用的價值，有助于保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。