【《基于风机转子转速的风电调频策略分析》5100字】

基于风机转子转速的风电调频策略分析目录TOC\o"1-3"\h\u13923基于风机转子转速的风电调频策略分析 1181431.1.1风机转子转速恢复策略 1192811.1.2风机分组控制策略 426811.1.3仿真验证考虑分组控制和有序恢复的风电调频策略有效性 6针对基于风机转子转速的风电一次调频控制研究，本小节提出一种考虑分组控制和错位有序恢复的风电调频策略（GroupingandOrderlyRecoverycharacterizedFrequencyRegulation,GORFR），为上节中Proposedscheme的拓展和延伸。首先，基于风机在该策略不同控制参数设置下的运行特性，将风机分组，为后续错位转速恢复减轻频率二次冲击奠定基础。在发生频率跌落时，令各组风机均提升有功功率至转矩保护限制下的最大值来抑制频率跌落。考虑调频时基于转子转速或可释放转动惯量调节的控制策略与系统频率解耦，通过补充频率过调抑制系数对风机参考功率进行修正。GORFR通过让风机分组错位启动转速恢复和以“先抑后扬”的功率调节方式来收敛回到最大功率运行点，能有效平滑风机调频状态切换时的过渡过程，并使转速恢复不至于过慢。同时，频率过调抑制系数的引入增强了被触发后与系统频率解耦的调频控制对不同程度扰动的适应性。。风机转子转速恢复策略图3-12给出了GORFR的运行特性示意图，其中：Pm——风机输入机械功率；QUOTEωFOSωFOS——频率过调抑制作用下的起始转速；QUOTEPref,FOSPref,FOS——频率过调抑制作用下的修正参考功率。可以看到，GORFR（记为方法1）基本控制流程由转子减速释放惯量（阶段I）和转子转速恢复（阶段II）2个阶段组成。(a)功率-转速平面下的运行特性(b)不同风速下可释放的转子动能对比(c)控制框图图3.12方法1的运行特性 阶段I：旨在向系统提供临时的高水平输出功率来抑制频率下降，相应的功率参考Pref,I为：QUOTEPref,I=kFOS[PTlimω0-PMPPTωmarω0-ωmar(ωr-ωmar)+PMPPTωmar]nωmar=ωmin+∆ω(3-14)式中：ω0——对应运行风速下的最大功率转速；ωmar——临界转子转速，用于为功率参考轨迹定点；n——用于调整风机释放转动惯量行为的参数。由图3-12（b）可知，在确保风机转速收敛的情况下，以ωmar取代文献[41]所提策略（记为方法2）采用的ωmin可使风机具有更充分的转动惯量释放空间，同时该增量（图3-12（b）中的阴影部分）随着风速的增大而扩大。此外，kFOS为频率过调抑制系数，用于抑制风机功率过度抬升而导致的频率过调，如式（3-15）所示QUOTEkFOS=1-Pref,max-Pref,min∆fmax(p.u.)*∆f+kDdfdt(3-15)式中：Pref,min和Pref,max分别为风机的最小和最大输出功率标幺值；QUOTE∆fmax∆fmax为高频切机继电器动作阈值；kD为微分抑制系数。为确保风机转速收敛至稳定运行区间，如图3-12（c）所示，在计算kFOS时，QUOTE∆f∆f和df/dt均通过限幅环节（≥0）导入。 假定风机调频前处于最大功率运行点A，对应转速为ω0。如图3-12（a）和（c）所示，一旦扰动监测环节检测到系统发生频率跌落事件（|QUOTE∆f∆f|≥0.02Hz）[42]，风机控制器则将风机功率参考切换为调频模式的第1阶段Pref,I，将输出功率抬升至该转速下的转矩限制极限，紧接着按式（3-14）伴随转子的减速而衰减。由转子动态方程可知，dωr/dt与风机的输入机械转矩与输出电磁转矩之差Tm–Te成正比。由于QUOTEPe>PmPe>Pm，风机转速持续下降并渐近收敛于点C。在点C，风机输出电磁功率的降落伴随其摄入机械功率随转子减速的降落，此时Pe≈Pm。若连续满足以下条件5次，则判定风机转子转速已经收敛[41,42]。QUOTEωrt-ωrt-T≤4e-7p.u.(3-16)式中：T为采样间隔，取值为5e-5s。 风机运行到达C点，意味着阶段I进行完毕，风机可以进行阶段II或保持在该新的稳定运行点待命运行。阶段II：旨在恢复更高的风力发电效率，并为后续潜在的频率跌落事件做惯量备用准备。刚进入阶段II时由于Pe≈Pm，风机转速收敛于QUOTEωCωC作稳定运行。要使QUOTEω0ωr恢复到ω0，需要下调风机功率来驱动转子转速恢复。显著下调风机功率可以迅速恢复转速，然而这在高风电渗透水平下会给系统再次带来较大的功率缺额，造成二次频率冲击。因此，驱动转速恢复的功率下调量应设为较小值。在本文提出的策略中，为避免显著的二次频率跌落，QUOTEωCωC被用于整定转速恢复阶段的参考功率Pref,II，如式（3-17）所示(3-17)式中：Δp——用于驱动转速恢复的功率下调量；Prec(ωr)——风机转速恢复期间附加在MPPT参考功率上的控制信号；2–2/{1+exp^[–k1(QUOTEω0ωr–k2)]}是其基于逻辑回归函数的调控项，用于驱动风机以“先抑后扬”的功率调节方式进行转速恢复。k1=L/(QUOTEω0QUOTEωFOSQUOTEωrω0–QUOTEω0QUOTEωFOSQUOTEωrωC)，QUOTEk2=ωCk2=QUOTEω0QUOTEωFOSQUOTEωrωC分别为其映射系数和平移系数，L为dPref,II/dt的调节系数；QUOTEω0-ωrω0-ωCQUOTEω0-ωrω0-ωC(QUOTEω0QUOTEωFOSQUOTEωrω0–QUOTEω0QUOTEωFOSQUOTEωrωr)/(QUOTEω0QUOTEωFOSQUOTEωrω0–QUOTEω0QUOTEωFOSQUOTEωrωC)为收敛因子，确保风机参考功率Pref,II收敛于最大功率跟踪模式的功率PMPPT。Prec(ωr)的调节特性示意图如图3-13所示。图中，Prec(ωC)等于QUOTEPref,IIQUOTEPref,IQUOTEPref,minQUOTEPref,FOSQUOTEPmPref,I(QUOTEωCQUOTEω0QUOTEωFOSQUOTEωrωC)–QUOTEPrecωCQUOTEPrecωrQUOTEPref,IQUOTEPref,minQUOTEPref,FOSQUOTEPmPMPPT(QUOTEω0QUOTEωFOSQUOTEωrωC)–Δp（参见图3-12（a））。即所提控制策略让风机参考功率先缓慢减少以加速转子转速的恢复，再逐渐回升直接收敛至对应风速下的最大功率运行转速QUOTEω0ω0。此“先抑后扬”的参考功率设计旨在补偿小QUOTE∆p∆p驱动下的转速恢复进程，寻求在二次频率冲击和转速恢复耗时之间的平衡。图3-13QUOTEPrecωrPrec(ωr)调节特性示意图风机分组控制策略首先，在大量仿真研究的基础上，图3-14归纳了在控制参数n的典型取值下调频初期的风机功率特性，其中，tA，tB，tC分别对应图3-12（a）中的运行点A，B，C；PB为运行点B的风机输出功率。对于分组控制，本文建议考虑包括以下几个方面。1）风机所受风速（包括尾流效应[47]、地理位置等因素的影响）。2）风机在不同控制策略下的运行特性配合（如后续GORFR中控制参数n的不同取值下的运行特性配合）。3）按风机转速恢复对电网频率二次冲击的限制进行分组，即错开各风电机群启动转速恢复的时刻来减轻因同时恢复而引起的二次功率缺额。图3-14方法1在n的不同取值下的运行特性针对第3个方面，显然风机分组数的增加能进一步减轻风机转速恢复带来的二次频率冲击。但由图3-12（a）可知，先行恢复的风机在其转速恢复至QUOTEωCωE之前（以图3-12（a）中运行点D为例），其未恢复的功率会累加到这段时期内后续风机转速恢复给系统带来的功率缺额上，本文记其为风机转速恢复的“拖尾效应”。为减轻乃至避免“拖尾效应”对分组错位恢复调频效果的影响，各组风机启动转速恢复的时刻之间要留有相应的延时。由此可知，随着风机分组数的增加，错开各组风机转速恢复启动时刻所需的总延时也将增加，即延长了风电场风机整体的恢复时间。这将致使风机处于较低转速运行裕度时间的延长，在次优转速运行的风力发电损失增大。此外，错位恢复分组数增加带来的频率冲击减轻收益增长也会随之衰减，并使整个风机协调控制系统更加复杂。综合考虑采用不同n时风机的输出特性和分组错位控制的利弊，本文仅将风电场的风机平均分为2组。其中一组的参数n设置为1（记为组1），在频率事件发生时释放大量动能抑制频率跌落，随后以较慢衰减的输出功率来延缓频率下降，以进行相对持久的高水平输出。另一组风机的控制参数n设置为2（记为组2），旨在让风机在输出极限PB>1.0和频率跌落发生时提供短暂的高水平输出，抑制频率下降；而在输出极限PB≤1.0（标幺值）时，进一步确保转子减速收敛于稳定运行区间内。由于当n设置为1时，在阶段I的风机更多惯量动能被释放，转速收敛点将更接近QUOTEωminωmin，安全裕度较低。因此组1的风机在到达运行点C时立即激活其转速恢复阶段II。对于组2的风机，它们在减速阶段惯量动能释放总体较慢，与n=1的情况相比，输出功率收敛至摄入机械功率的时间较晚。同时考虑到错位恢复转速的需求，在Pe≈Pm后，组2的风机延迟15s再启动其阶段II，以期平衡风机转速恢复耗时和二次频率冲击。仿真验证考虑分组控制和有序恢复的风电调频策略有效性本小节在带有风电场的4机系统进行仿真验证研究，其拓扑结构如图3-15所示。负荷L1和L2均为700MW的阻性负荷。系统额定频率为60Hz。该系统包含3台容量均为900MVA的同步发电机，分别为G1，G2和G3。同步机均为配有励磁机和IEEE1型调速器的蒸汽轮机。同步机的调差系数均为5%，调频动作死区为0，不考虑自动发电控制。G1和G2的惯性时间常数和初始功率基准分别为6.5s和0.7884p.u.。G3的惯性时间常数和初始功率基准分别为6.5s和0.3942p.u.。图3-15仿真系统关于所提调频策略的控制参数的标幺值如下：用于驱动转速恢复的功率下调量QUOTE∆p∆p设为0.01p.u.，较文献[41]的0.03p.u.更小以减轻风机转速恢复带来的二次频率冲击；临界转速ωmar与转速下限QUOTEωminωmin的距离QUOTE∆ω∆ω为0.05p.u.；转矩保护限制QUOTETTlimTlim为1.02p.u.[41]；QUOTEPref,minPref,min和QUOTEPref,maxPref,max分别为0.17p.u.和1.2p.u.；QUOTE∆fmax∆fmax为0.2Hz；kD取值参照虚拟惯性控制的微分系数，设为10.08s；L取值为5。此外，DFIG的功率变化率限制和功率极限限制分别为0.45p.u./s和1.2p.u.。本节分别在12m/s和9m/s风速以及21.4%和37.5%的风电渗透水平下，研究GORFR的调频特性。此外，还对较小扰动下的频率反调现象进行了分析。即在算例1至算例4中，以在65.0s时切除同步发电机G3作为功率扰动事件。在算例5中，以在65.0s时负荷Load1处突增100MW阻性负荷作为相对较小的功率扰动来触发风机调频响应。风电渗透率的变化反映在风电机组装机容量的增加和同步发电机装机容量的下降。即G1和G2的额定容量均减少112.5MW，并按容量比例降低惯性时间常数至5.68s[48]，而DFIG的数量从200增至350。本小节对风电场按方法1（本节考虑分组控制和有序恢复的风电调频策略），方法2（文献[41]策略），分组-方法2（在方法2的基础上均分风机为其组1和组2进行错位转速恢复）以及MPPT运行（记为方法3）方式调频时的情况进行对比和分析。风速一方面会影响风机的惯量储备，另一方面考虑转矩保护限制，间接影响风机的瞬时输出功率。本小节分别在算例1与算例2中研究风速为12m/s和9m/s时，风电渗透水平为21.4%的2种情况下各控制策略的性能。图3-16算例1的仿真结果表3-1，图3-16和图3-17分别展示了算例1和算例2的仿真结果。可以看到，分组控制风机进行错位转速恢复能有效改善方法2的二次频率跌落深度。而方法1具有与分组-方法2同水平的频率跌落深度抑制能力，并进一步改善了RoCoF。在转速恢复阶段，由于方法1采用了更小的转速恢复驱动功率下调量QUOTE∆p∆p和分组错位恢复控制，系统的二次频率跌落深度得以显著减轻。值得一提的是，方法1以调节风机功率“先抑后扬”的方式使其在小起始功率下调量QUOTE∆p∆p启动下的平滑转速恢复过程不至于过慢。即从系统角度看，方法1能在等量QUOTE∆p∆p驱动转速恢复时减轻系统频率二次跌落；从风机角度看，方法1能允许其下调更大QUOTE∆p∆p以加快转速恢复进程。图3-17算例2的仿真结果表3-1算例1，2中不同调频策略下仿真结果调频策略FN(Hz)SFF(Hz)RoCoF(Hz/s)转速恢复耗时(0.95ω0)(s)Case1Case2Case1Case2Case1Case2Case1Case2方法159.58359.2940.0040.002-0.3326-0.5231143.2&152.7118.4&153.7方法259.57159.3310.0430.051-0.4226-0.5457119.3101.4分组-方法259.59259.3310.0220.029-0.4226-0.5457119.3&126.5101.4&113.9MPPT59.03758.6290.0620.341-0.5111-0.745300风电调频策略的性能还受风电渗透水平的影响。本节分别在算例3与算例4中研究风速为12m/s和9m/s时，风电渗透水平为37.5%下各控制策略的性能。图3-18算例3的仿真结果表3-2，图3-18和图3-19分别展示了算例3和算例4的仿真结果。值得注意的是，算例3中系统频率最低点原本应比算例1的高，因为算例3的风电渗透水平更高，风电能提供更多功率支撑频率。然而对比实验结果可知，在算例3中，各控制策略的调频性能较算例1均有所下降。经分析，这是因为在算例3中产生了频率过调现象，即在释放旋转惯量阶段，系统频率由于风机功率的过度抬升而过调形成反复波动。可以预想到，这一问题将随风电渗透水平的提高而变得更加突出。本文针对频率过调现象及其应对措施的进一步研究在随后的算例5中进行。表3-2算例3，4中不同调频策略下仿真结果调频策略FN(Hz)SFF(Hz)RoCoF(Hz/s)转速恢复耗时(0.95ω0)(s)Case3Case4Case3Case4Case3Case4Case3Case4方法159.51159.1970.0090.006-0.3372-0.4682145.3&164.1132.7&147.3方法259.46059.1980.0730.047-0.4622-0.6423135.3107.8分组-方法259.49659.2010.0370.023-0.4622-0.6423135.3&135.3107.8&122.3MPPT58.866Instable0.081Instable-0.6551Instable0Instable图3-19算例4的仿真结果在算例4中，可以看到风机按方法3运行的情况