【《直驱风机参与调频时的控制策略案例分析》2900字】

直驱风机参与调频时的控制策略案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u263直驱风机参与调频时的控制策略案例分析 1108731.1调频控制策略综述 1308191.2下垂控制 2215931.3下垂控制仿真分析 3169031.3.1接入变动负荷 4154171.3.2切除变动负荷 6276791.4小结 81.1调频控制策略综述近几年来，全球化石能源逐渐短缺，安全、清洁、可靠的风力发电得到了各个国家的重视。但是随着大规模的风电场并网，导致我国某些地区风电功率占区域电网功率的百分比逐渐提高，系统与风电场的作用机制越来越复杂，不利于系统的调频和稳定运行，所以十分有必要去研究风电场的调频控制策略。直驱风电机组的机械侧和电气侧没有耦合关系，全功率变频器完全阻隔了机组转子的动能，使得风电机组对系统频率的变化没有任何反应，更无法对系统频率做出调整，使其在正常的频率范围内运行。通常，风速的大小和方向都是变化的，无法预知的，此时风电机组一般在最大功率点处运行，这样可以十分有效的利用风能，但却没有备用的有功功率，因此系统受到干扰导致频率出现大的变化的时候，风电机组无法对系统频率进行适当的调整。这将会使系统在增加负荷或减少负荷、出现运行故障等各种不正常状态时，频率变化范围更大，速度更快，极大降低运行的可靠性和稳定性。电力系统的频率对电能的质量有着重要的影响，是十分重要的参数，与电力设备及供电设备本身的安全和效率有着密切的关系。为了提高风电机组对频率变化的响应能力使系统频率相对稳定，国内发布的电网细则中明确指出风电场必须要能参与到系统的调频，提供和其他发电厂一样的惯性响应。下面讨论两种比较常用的风电机组。第一种是鼠笼式恒速风机，它有较好的调频性能，和电网的耦合程度相比后一种较好，可以在遭遇扰动导致频率发生变化时，提供给系统一定的惯性支撑。相比之下，现在应用比较广泛的变速恒频机组则没有这一作用，必须在使用附加控制的前提下，才可以对频率的波动变化做出反应。通常我们采用的方法有：有功功率控制和附加储能控制。本文主要分析有功功率控制中的转子动能控制的原理，优缺点。附加储能系统的储能方式多种多样,常用的有飞轮储能,超导储能等，本文不做详细分析。而对转子动能进行控制主要的措施有下垂控制、虚拟惯量控制和拥有两者的优点的综合控制。下面主要对下垂控制策略的原理进行详细说明，并在PSCAD中进行仿真验证。1.2下垂控制下垂控制又被称为比例控制或者斜率控制。该控制方法通过控制系统使得风电机组的有功出力和系统频率联系起来。通过检测装置来检测发电机组有功出力，利用函数关系把有功出力转换为频率的控制量。这样，我们就可以在频率波动时，根据频率的上升下降情况，来调节风电机组输出的有功功率，从而参与到系统频率的调整。图4-1是下垂控制中风电机组输出的有功功率和系统频率的关系曲线，曲线是一条直线。下垂控制通过在有功的参考值上加入附加有功功率∆Pdr图4-1下垂控制频率曲线当系统的频率上升或者下降时，频率变化的差值将直接决定附加有功功率的数值，控制图如图4-2所示。当频率的差值超过设定的值时，下垂控制就会动作产生附加有功进行频率的调整。下垂控制产生的有功功率附加值计算式为：∆式(4-1)中，R为下垂控制环节的系数：fnom图4-2下垂控制的结构框图在系统的频率上升或下降时，下垂控制系数的数值将决定有功输出的变化量。下垂控制系数一般为固定值，那么由式（4-1）得下垂控制输出的有功功率和频率的差值为正比例关系。所以，在频率变化较大导致频率的偏差（∆f）较大时，下垂控制也会输出相应较大的有功功率。当系统的频率下跌到最低值时，相应输出的有功也会达到最大值。在系统频率变化的初期，∆f相对较小，此时下垂控制输出的有功功率值也会较小，系统的调频性能不是很好。由于风速的随机性，式（4-1）中的控制系数R如果为固定值，下垂控制在∆f较小时，风机参与系统调频的力度有限，文献[14-15]提出了控制系数R变化的控制方法，调频效果较好，本文主要讨论下垂系数固定的情况。1.3下垂控制仿真分析上文已经叙述了下垂控制的原理和结构框图。下面我们在仿真软件中根据所建立的风电机组模型，结合调频策略，对系统频率进行调整。在搭建的模型中，100台单机为2MW的直驱风电机组构成了风电场，将其等值为单台容量为200MW风电机组。整个系统由直驱风电机组和交流电源共同为负荷供电，交流电源的电压为220kV,容量为200MVA，频率为50Hz。直驱风电机组的参数如表4-1所示。整个仿真系统如图4-3所示。图4-3仿真模型参数数值额定容量200MVA机端电压690V风电机组总数100台单机容量2MVA表4-1直驱风电机组参数图中的负荷由两部分组成，一部分是固定负荷PL1+Q1.3.1接入变动负荷图4-4不加控制策略在3s时接入变动负荷，导致系统有功功率不再平衡，系统频率下跌。图4-6为不加控制策略时频率的变化曲线和风机输出有功功率的变化曲线，由图可知频率在3s时下降，最低值为49.42Hz,随后频率又恢复50Hz。在这个过程中风电机组的有功出力几乎不变，始终为200MW,风机不参与系统的调频，频率的调整完全是由交流电源的作用而恢复正常值。下面我们在风力机组中加入下垂控制策略，再观察频率和风机有功出力的情况。图4-5下垂控制结构图图4-6加入下垂控制策略加入下垂控制后，3s变动负荷接入系统时，频率的变化范围明显减小，频率的其最低值为49.73Hz，相比不加控制策略的情况，频率上升了0.31。通过下垂控制，风电机组增加输出有功功率来参与系统频率的调节，使得频率的变化范围减少。在频率恢复到正常水平后，风电机组输出的有功功率也逐渐恢复到200MW。1.3.2切除变动负荷前面分析了加入变动负荷时，频率的变化曲线以及下垂控制对频率的调节作用。下面我们分析切除变动负荷的情况。图4-7切除负荷不加控制策略仿真图在系统运行之初，把固定负荷PL1+Q下面分析风力发电机组加上下垂控制后，频率的变化情况。图4-8切除负荷加入下垂控制的情况图4-8为加入下垂控制后，风电机组出力和系统频率的变化情况。加入控制后，频率上升的最大值为50.41Hz,相比没有控制时的50.72Hz,有了明显的下降。这是由于风电机组在3s时，由于下垂控制的作用，风电机组输出的有功功率下降，参与了系统的调频，增加了系统的惯性。1.4小结本章提出了直驱风机参与调频时的控制策略，对下垂控制方法和原理做了详细的描述，并说明其优缺点。并在PSCAD仿真软件中搭建了直驱风机和交流电源共同为负荷供电的仿真系统，在系统中接入固定负荷和变