基于风场AGC调度控制的三区域控制法.pdf

能源发电控制技术 皇 皇 兰竺 T h e Ne w E n e r g y P o we r Co n t r o l T e c h n ol o q y 基 于风 场 A GC调度控 制的三 区域控 制法 李振华 曹积欣 董玲玲 山东华能莱州风力发电有限公司 山东2 6 4 0 0 0 摘要 针对电网调度中心对风场的自动功率调度目标要求 在分析 M W 级双馈变桨风机机组运行特性的基础上 采用传统的 P I D控 制为基础 结合控制保护区域检测单元 机组控制输出保护单元组合的三区域控制系统建立的风场有功控制单元 针对莱州风 电场进行 A G C控制测试 证明三区域控制系统具有良好的系统控制性能 关键词 P I D控制 双馈变桨风机 A G C 自动发电控制 D oI 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 3 8 8 6 2 0 1 4 0 1 0 1 9 中图分类号 T P 2 9 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 3 8 8 6 2 0 1 4 0 1 0 0 5 1 0 3 Th r e e a r e a Co n t r o l Ba s e d o n AGC Di s p a t ch Co n t r o l i n t h e W i n d F a r m L I Z h e n h u a C AO J i x i n DO NG L in g li n g S h a n d o n g H u a n e n g L a i z h o u P o w e r C o L t d S h a n d o n g 2 6 4 0 0 0 C h in a Ab s t r a ct W it h r e s p e ct t o t h e a u t o ma t ic p o we r d is p a t ch t a r g e t s e t b y t h e g r id d is p a t ch ce n t e r o n t h e w in d f a r m b a s e d o n t h e a n a ly s is o f t h e o P e r a t i o n a l ch a r a ct e r i s t ics o f t h e d o u b l e f e d p it ch co n t r o l le d MW w in d t u r b i n e t h e w in d f a r m a ct i v e co n t r o l u n i t a d o p t i n g t h e 3 a r e a co n t r o l s y s t e m t r a d i t i o n a l P I D co n t r o l i n co m b i n a t i o n w i t h t h e co n t r o l p r o t e ct i o n a r e a t e s t u n i t a n d t h e co n t r o l o u t p u t p r o t e ct i o n u n it is t e s t e d o n it s AGC in t h e L a iz h o u W in d F a rm a n d t h e r e s u h p r o v e s t h a t t h e 3 a r e a co n t r o l s y s t e m h a s a g o o d s y s t e m co n t r o l f un ct io n Ke y w o r d s P I D co n t r o l d o u b le fe d p it ch co n t r o ll e d w i n d t u r b i n e A G C A u t o G r i d C o n t r o 1 O 引 言 为提高风电并网运行的技术和管理水平 优化风电并网调度 运行 为实现风电功率预测预报为辅助手段的各类电源协调运 行 提高调度能力的具体 目标 电力调度机构要按照有关法律法 规和技术标准要求 加强风电调度管理 在保证电力系统安全稳 定运行的前提下 实现风电等可再生能源的优先调度和全额收购 目标要求 因此风电场必须具备低电压穿越技术 风场负荷预测系统 风电场在线负荷控制技术 风电场在线负荷控制技术主要控制的 是完成电力调度机构对风场下发 的负荷 目标进行有效的目标跟 踪控制 将负荷控制稳态 无差地运行在 目标状态之中 即风场统 称的 A G C调度运行控制 1 三 区域控 制法 对于风电场在线负荷控制技术 可以认为是实现最优控制 控制的准则是 指满足 T A 为最小的控制方式 可采用表达函 数为 T s J IT A E I t I e I d t m in 1 其中 e t 为控制和目标的偏差 为过渡时间 由于风场的风速具有随机性 风速的变化相对规律 比较难于 预计 同时短期风速的变化不会太大 因此系统的误差过渡跟踪 时间是可以根据风速的变化趋势范围加以定性控制的 不同的风 速范围变化决定不同的系统过渡控制时间常数 通过优化修正控 定稿 日期 2 0 1 3 0 9 2 3 制确保系统的稳定性和鲁棒性 具体的系统控制如图 1 所示 图 1系统控制结构 图 2 控制策略 2 1 经典 P I D 区域控制 对于目标给定功率和实际功率值之间采用经典 P I D控制 经 典 P I D着重于系统输 出量 根据当前时刻的误差量 P 误差累 计量 以及误差的变化速率 D 来调整输入量 j 经典 P I D的传递函数采用 C s X p 1 1 T n S T v S 1 T d S 2 其中 代表比例增益 为积分时间常数 及 代表微 分时间常数 通过 P I D可以得到给定值和实际功率之间的目标调整趋势 但是由于直接使用却无法描述风速扰动误差对于趋势的影响 无 法判断风机机组实际运行扰动误差对于趋势的影响 2 2优化 区域控制 对于风场的 A G C控制 目标是整体场功率的控制 整体功率 取决于在风场中各个单体机组的发电功率累加和 由于单体机组 所处的地理位置不同 所得到的风速和发电功率也各有偏差 对 于单体机组的运行阶段大致分为 机组准备阶段 机组并网阶段 E le ct r i ca I A u t o ma t io n 5 1 电气自动化 2 0 1 4 年第 3 6 卷 第 1 期 新 能源发电控制技术一 T h e Ne w En e r g y P o we r Co n t r o l T e c h n o l o g 发电阶段 停止发电阶段 其 中只有发电阶段机组对外输出有功 功率 其余阶段均不输 出 机组准备阶段 机组并网阶段代表机 组在正常运行模式 停止发电阶段代表机组存在故障保护停机 因此总结风场 的扰动误差包含 1 风速的扰动 包含平均场风速扰动和机组风速扰动 2 机组的运行模式对于功率的扰动 3 采集数据的延时及通讯故障对于功率的扰动 为克服扰动量对于功率输出趋势的误差 需对控制模型加入 对于扰动量的优化控制 确定扰动量的动态过渡时间和扰动幅度 趋势 可以依据最优控制方式得到扰动的动态时间和趋势 可遵 循 以下 函数 G s 1 卢 2 0 S 卢 1 c 0 2 S o 3 S c c J o S 2 S 3 其中 的频率系数设定可通过风速变化趋势模型得到不同 的系数比例值 卢 和 的系数取定于机组的运行模式和通讯模式 联合判断函数 通过优化控制区域 我们可以对功率输出趋势进行有效的误 差修正 保证趋势的变化是在可控制的范围内 所有误差的扰动 将被取消 2 3 机组输出区域控制 对于整体的功率输出趋势并不代表单台机组的功率控制 目 标 由于机组的地理位置 运行模式 机械特性等不 同 需对机组 进行有效的功率控制 目标分配 目前变速风力发电机组受到了很大的重视 它能根据外界风 速的变化而调整风机转速 以达到捕获最大风能或实现输出稳定 功率的目的 双馈的变桨机组是 目前使用最广泛的变速风力发 电机组 对于通过变桨模式在维持机组发电功率的平衡 通过一个 非线性化风机模型和一个桨距角控制器得到实现 因此可以得到 双馈的变桨机组基础控制模式可以完整建立功率平衡控制 对于双馈的变桨机组 其风能捕获功率 桨距角和发电机发 电功率描述可遵循以下函数 1 捕获的风能功率 P o 0 5 p cp A A 4 P 为捕获的风能功率 P空气密度 为风轮的扫风面积 为风速 cp A 为 cp A曲线的取值 A为系统的叶尖速比 其函数 A 2 1 1 R N 6 0 V 5 为风速 R为为叶轮直径 叶轮叶尖速和 和桨距角的曲线关系如下图2所示 图中 只描述桨距角 0 1 0 的曲线 图2所示 轴为A A为无量纲数值 y轴为 为无量 纲数值 桨距角度对应的曲线标志在图上 从此得到结论是 风 力发电系统捕获风能的能力不仅受其机械特性有关 还与所采用 的控制策略有关 在任何风速情况下 可以通过控制桨距角变 化在保证捕获的风能功率恒定 其最优状态是 目标风速和桨距角 0 重合 大于目标风速桨距角通过变大趋势 通过新的 A和对应 角度曲线 cp 通过 cp的变化来保证捕获的风能功率恒定 5 2 E l e ct r i ca l Au t o ma t i o n 0 0 0 0 0 e 矗 0 o 0 一 一 图 2 cp A曲线 2 对于固定的双馈机组 发电机功率 曲线是固定的 图 3 所示为实际机组的发电机功率曲线 譬 g 二 功率 k W 图 3 发 电机速度功率 曲线 图3中 轴为发电机功率 k W Y轴为速度 r m i n 从曲 线中可以知道每一点的发电机速度只有一个对应的发电功率 双 馈机组叶轮和发电机直接通过一个增速齿轮箱刚性连接 因此可 以得到每一点的叶轮速度对应一点发电功率 3 对于固定的双馈机组的风速功率曲线是固定的 图4所 示为实际机组的风速功率曲线 l运 n s 1 图 4 风速功率 曲线 图4中 轴为风速 m s Y轴为风功率 k W 从曲线中可 知每一点的发电机速度只有一个对应的发电功率 双馈机组叶轮 和发电机直接通过一个增速齿轮箱刚性连接 因此可以得到每 点的叶轮速度对应一点发电功率 综合上