双馈感应风力发电机组复合频率控制策略研究.pdf

  • 文档大小:387.98 KB
  • 文档格式:pdf
  • 约 6页
  • 2021-06-17 发布
  • 举报
双馈感应风力发电机组复合频率控制策略研究1 双馈感应风力发电机组复合频率控制策略研究2 双馈感应风力发电机组复合频率控制策略研究3 双馈感应风力发电机组复合频率控制策略研究4 双馈感应风力发电机组复合频率控制策略研究5 双馈感应风力发电机组复合频率控制策略研究6
已阅读完毕,您还可以下载文档进行保存
文档单价:6.00 会员免费
开通会员可免费下载任意文档
  1. 1、本文档共6页,内容下载后可编辑。
  2. 2、本文档内容版权归属内容提供方,所产生的收益全部归内容提供方所有。如果您对本文有版权争议,可选择认领。
  3. 3、本文档由用户上传,本站不保证质量和数量令人满意,可能有诸多瑕疵,付费之前,请仔细先通过免费阅读内容等途径辨别内容交易风险。如存在严重挂羊头卖狗肉之情形,可联系本站下载客服投诉处理。
第40卷第8期2012年4月16日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlV01.40No.8Apr.16,2012双馈感应风力发电机组复合频率控制策略研究朱晓荣,赵猛,王毅(华北电力大学电气与电子工程学院,河北保定071003)—摘要:双馈感应风力发电机组(DoublyFedInductionGeneratot,DFIG)现有的基于最大风功率追踪的控制策略不能对系统频率的变化作出响应。大量基于DFIG的风电场并入电网并取代传统的同步发电机组,将降低系统的频率控制能力。首先分“”析了风力发电穿透率对系统频率控制能力的影响;其次研究了DFIG附加虚拟惯性控制环的频率响应,分析了桨距角控“”制参与系统一次调频的能力;最后设计了一种新的复合频率控制方法,该方法通过虚拟惯性控制和桨距角频率控制的共同作用,降低了系统频率的初始变化率及稳态偏差。仿真结果验证了所提控制策略的有效性。关键词:双馈感应发电机;风力发电;频率控制;惯性控制;桨距角控制Compositefrequencycontrolstrategyofdoubly-fedinductiongeneratorwindturbines—ZHUXiaorong,ZHAOMeng,WANGYi(SchoolofElectronicandElectricalEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,Baoding071003,China)—Abstract:TheexistingcontrolstrategybasedonmaximumwindpowertrackingofDoublyfedInductionGenerators(DFIG)cannot—responsetothedeviationofthesystemfrequency.AlargenumberofDFIGbasedwindfarmstakingtheplaceofconventionalsynchronousgeneratorswilldecreasethecontrolabilityofthesystemfrequency.First,theimpactofthewindpenetrationO11thecontrollabilityofthesystemfrequencyisanalyzed.Then,theresponseofthevirtualinertiacontrolloopandthepitchanglecontrolusedforprimaryfrequencyregulationareintroducedindetail.Finally,anewcompositefrequencycontrolstrategyisproposed,whichcandecreasetheinitialrateofchangeandthesteady-stateerrorofthesystemfrequencythroughthecombinationofthevirtualinertiacontrolandthepitchanglecontro1.Thesimulationresultsdemonstratetheeffectivenessoftheapproach.ThisworkissupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.50807015andNo.50977028).Keywords:doubly-fedinductiongenerator(DFIG);windpowergeneration;frequencyregulmion;inertiacontrol;pitchanglecontrol中图分类号:TM315文献标识码:A—文章编号:16743415(2012)08-0020-05O引言双馈感应风力发电机能够实现有功功率、无功功率的快速解耦控制,在较大的风速范围内变速运行,实现最大风能捕获,因而广泛应用于大型风电场中[1-21。DFIG在实现变速运行的同时,使得风力机转速和电网的频率解耦,无法像传统的同步发电机一样对系统的频率变化产生惯性响应【jJ。另外,随着风电透入水平的增加,大规模风电并网引起的频率控制问题日益凸显。因此,如何提高风电机组自身的可控性,使其能够像传统的同步发电机一样为电网提供辅助的频率服务成为研究的热点问题。基金项目:国家自然科学基金项目(50807015,50977028);中央高校基本科研业务费专项资金资助同步发电机组的转动惯量通过调速装置参与系统的频率调整,系统的频率调整包括一次调频和二次调频。系统转动惯量的大小决定了系统的频率变化率(theRateOfChangeOfFrequency,ROCOF),转动惯量越大,频率变化越慢;转动惯量越小,频率变化越快】。一次调频是发电机对电网频率变化作出的自动响应,主要针对变化周期短(秒级)、变化幅度小的负荷分量。二次调频主要是电网调度中心的自动发电控制(AGC)软件通过远动通道对发电机有功出力进行控制,针对变化周期较长(分钟级)、变化幅度较大的负荷分量。这两种频率控制功能互补、相辅相成j。对于DFIG风电机组参与系统频率控制,国内“”外学者分别在虚拟惯性控制与一次调频两方面“”进行了不同程度的研究。虚拟惯性控制方面,文朱晓荣,等双馈感应风力发电机组复合频率控制策略研究一21-献[6.7]详细研究了在系统频率变化时,DFIG机组的频率响应特性,指出DFIG机组自身具有较大的转动惯量,具有参与系统频率调节的潜力。文献[8.12]提出在风机控制系统中增加惯性响应环,模拟惯性响应,使风机能够对系统频率调节提供短期的动态支持。一次调频方面,文献[13]提出了一种用飞轮辅助风力发电的方案,通过飞轮的充放电控制,使风力发电一飞轮系统具有类似于传统发电机组的功率和频率控制特性。文献[14.18]提出通过调整功率一转速最优曲线减少一部分有功输出,留做备用功率,当系统频率变化时,通过调整风机有功输出参与系统频率调节。以上两类方法都能在一定程度“”上改善系统的频率响应特性,但是虚拟惯性控制不能降低频率稳态偏差,一次调频不能改善系统频率变化率。本文在前人研究的基础上,基于一个小型孤立电力系统,使用DIgSILENT/PowerFactory仿真软件研究了不同风电穿透水平下系统的频率响应特性,“”分析了DFIG附加虚拟惯性控制环的频率响应,提出在系统频率变化时,通过调节桨距角控制风电机组输出的有功功率,参与系统频率的一次调整。“”最后,将虚拟惯性控制环与桨距角控制相结合,形成一个完整的DFIG风电机组复合频率控制策“”略,该控制策略通过虚拟惯性和桨距角调节的共同作用,可以降低系统频率的初始变化率及稳态偏差。仿真结果验证了所提控制策略的有效性。1风电穿透率对系统频率响应的影响利用DIgSILENT/PowerFactory建立如图1所示的仿真系统。该系统包括一台同步发电机与一台2MW的DFIG风力发电机组。同步发电机额定功率8MW,功率因数pf=0.8,惯性时间常数2S,配备有标准IEEE调速系统(IEEESGO:T1=0.3S,T2=5S,T3=11.88S,T4=0.1S,K1=25,K3=1,Pm=0.95p.u.)以及自动调压装置AVR(SEXS:Tb=20S,TR=4S,=0.1S,K=400P.U.)。DFIG机组采用定子磁链定向的功率解耦控制策略,定子侧额定电压690V,转子侧额定电压1945V,直流母线额定电压1200V,电机惯量为84.08kgm,额定转速为1800rpm。系统负荷5Mw,在仿真时间5S时,增加750kW负荷,分析系统频率变化。为了说明不同风电穿透水平下系统频率的响应特性,调整DFIG风电机组在系统中的比重,同时相应改变系统中同步发电机的额定功率,即相当于DFIG风电机组取代同步发电机的情况。当风电穿透率分别为0%、15%、30%三种情况下系统频率偏差如图2所不。仿真结果说明,当DFIG取代同步电机之后,由于系统总惯量的减少,频率变化率随风电穿透率的增加而增大;由于系统总动能储备的减少,频率稳态偏差随风电穿透率的增加而增大。因此,大量风电并网后,系统的频率调节能力下降。为保证系统频率的稳定性,风电机组必须具有参与系统频率调节的能力。图1仿真系统结构Fig.1Structureofsimulationsystemt/s图2不同风电穿透水平下系统频率偏移曲线Fig.2Frequencydeviationbasedondifferentwindpenetration2DFIG风电机组频率控制策略2.1惯-性控制环节转速为CO时,同步发电机具有的旋转动能为1E言(1)式中,为转动惯量。系统频率变化时,同步发电机转速也相应发生变化,此时发电机释放的动能为AP:一dEk:×2:Jco(21df2dfdf考虑到惯性时间常数为:(312b。一式中:为额定转速;。为基准功率。电力系统保护与控制取标幺值为:2历f51根据式(5),为了使DFIG风电机组具有类似于传统同步发电机的惯性响应特性,可在DFIG机组功率控制环节中增加辅助频率控制环,如图3虚线框所示。图3DFIG机组惯性响应控制环Fig.3InertiaresponsecontrolloopfortheDFIG图中,厂m。为系统测量频率,为参考频率。为了△获得较好的频率响应,分别增加出与fN个辅助控制回路。出回路增加的功率参考值为誓(6)当电机转速降低时,DFIG机组的最大功率追踪控制策略使得发电机电磁转矩减小,风轮机上的空气动力学转矩将大于电磁转矩,与之差产生一个加速转矩。,此加速转矩抑制电机减速释放动能,因此在图3频率辅助控制环中加入Af控制回路以抵消。的作用。Af回路增加的功率参考值为尸,=(一)(7)整个辅助频率控制环额外增加的总功率参考值为=。十(8)当系统频率不变时,惯性响应环节不起作用;系统负荷增大,频率降低时,该控制环节能够快速调整有功功率参考值,增大有功出力,对系统频率变化提供动态支持。在t=-5S时,负荷增加750kW,系统的频率响应如图4所示。从图4可见,增加惯性响应控制环节之后,扰动最初的几秒内,系统频率变化率减小,频率最低点抬高。这说明有惯性控制环节的DFIG风电机组对系统频率调节具有一定的支撑作用。但是系统频率的最终稳态值并未改变。s图4增加惯性控制环后系统频率偏移曲线Fig.4FrequencydeviationwithinertiaresponseloopAf控制回路对系统频率响应的影响如图5所示。从图5可见,加入Af回路后,系统频率变化率进一步减小,频率最低点有所抬高。图5Af控制回路的影响Fig.5TheinfluenceofAfcontrolloop2.2桨距角频率控制环节传统的桨距角控制系统用于限制从风能中捕获的功率,当风速高于额定风速时,维持风机运行在恒功率区。本文中,DFIG风电机组通过桨距角控制降低有功出力,使风机留有一定的备用容量,从而可实现风机参与电网频率的一次调整。当风速保持不变,不同桨距角下DFIG机组的功率.转速特性曲线如图6所示。图中A点为最大风功率捕获模式下风机的运行点,此时桨距角为岛,保持风轮转速不变,桨距角增大为届,风机运行在B点,此时风机具有备用容量AP,可用于参加系统的频率控制。O.60.50.40.30.2010.0图6不同桨距角下风机功率特性曲线Fig.6Windturbinepowercurveswithdifferentpitchangle朱晓荣,等双馈感应风力发电机组复合频率控制策略研究当系统频率变化Af时,类似于常规同步发电机调速器的下垂特性,设计桨距角的变化量为=kAf=(fm。。一f0)(9)式中,k为比例系数。桨距角控制结构框图如图7所示。为满足频率调节要求并兼顾尽可能多的利用风能的原则,根据风机出力一桨距角关系合理选择桨距角调节范围。本文假定风机出力为正常运行时的80%,即预留20%的功率储备用于频率调节。考虑到风能利用的经济性,实际风电场中并非所有的风电机组都参加一次调频,因此在图7中利用信号转换环节,根据控制信号C的值,使风机能够在参与一次调频和不参与一次调频两种模式间进行灵活转换。图7桨距角控制环Fig.7Pitchanglecontrolloop系统负荷增大、频率降低时,通过减小桨距角使风机增加有功功率,支持系统频率调节;反之,系统负荷减小、频率过高时,通过增大桨距角使风机降低有功出力。在t=5S时,负荷增加750kW,DFIG具有浆距角频率控制环和没有浆距角频率控制环时,系统的频率响应如图8所示,风机输出功率如图9所示。从图8可见,增加桨距角频率控制环节之后,系统频率稳态值明显提高,这正是风机备用容量△尸对系统频率支持作用的体现,但是由于系统惯量并未改变,频率变化率和频率最低点均未改变。图9说明增加桨距角频率控制环节之后,风机输出功率增大,能够参与系统频率调节。图8加桨距角控制环节后频率偏移曲线Fig.8Frequencydeviationwithpitchanglecontrolloopi图9加桨距角控制环节后风机输出功率Fig.9Theoutputpowerwithpitchanglecontrolloop2.3复合频率控制策略上述分析表明,惯性响应控制环能够使DFIG风电机组具有惯性响应特性,等效地增大了系统的转动惯量,因此能减小系统频率变化率,提高频率最低点,但不能减小频率稳态误差。桨距角频率控制环节,通过桨距角控制降低风机出力,使风电机组具有一定的有功备用容量参与系统一次调频,因此能够减小频率稳态误差,但该控制环节没有改变系统惯量,因此不能减小系统频率变化率。前者通过对电磁功率的快速调节实现对系统频率调节的动态支持,后者利用桨距角调节使DFIG风机能够参与系统一次调频,两种方法各具优点,考虑将电气调节方法与机械调节方法相结合,理论上既能减小系统频率变化率又能减小频率稳态误差。3仿真验证在DIgSILENT/PowerFactory中,利用图t所示的系统模型对本文所提出的控制策略进行了仿真验证。惯性控制环控制器参数取为::1.5,一2.0,浆距角频率控制k=-120。在t=-5s,负荷突增750kW,DFIG增加复合频率控制环时系统的频率响应如图10所示;DFIG分别采用惯性控制环,浆距角频率控制环和复合频率控制环时,系统的频率响应如图11所示。图10增加复合频率控制环后频率响应曲线Fig.10Frequencydevi ̄ionwithcompositecontrolloop.24.电力系统保护与控制0.200.00N一0.200.400.600.80一l00}——掣合控制}一,、【0.004.008.00120016002000t/s图11几种控制方法的对比Fig.11Comparisonofthethreecontrolstrategies从图10可见,DFIG采用复合频率控制环后,由于系统惯量的增加,系统频率变化率明显减小,频率最低点大幅抬高;同时由于浆距角控制参与系统频率的一次调整,系统频率稳态值显著提高。从图11可见,复合频率控制环节既能减小系统频率变化率,又能减小系统频率稳态误差值。其频率调节效果明显优于独立的惯性响应控制环和桨距角频率控制环。4结语大量风电并网后,系统总惯量减小,频率调节“”能力下降。虚拟惯性控制环能等效增加系统惯量,降低频率变化率,对系统频率调节提供动态支持;桨距角频率控制环通过调整风机有功出力,留有有功备用容量参与系统频率调节,能够有效减小系统频率稳态偏差。复合频率控制环节既能减小系统频率变化率,又能减小系统频率稳态误差值,可以显著改善系统频率响应。参考文献[1]MustafaKayikci.JovicaMilanovicVDynamiccontributionofDFIG-basedwindplantstosystemfrequencydisturbances[J].IEEETransactionsonPowerSystems,2009,24(2):859-867.[2]赵宇,郭清滔,王奔,等.基于变结构控制的交流励磁变速恒频风力发电机励磁控制研究[J].电力系统保护—与控制,2010,38(15):1217.ZHAOYu,GUOQing-tao,WANGBen,eta1.ResearchofACexcitedVSCFwindpowergeneratorexcitationcontrolsystembasedonvariablestructurecontrol[J].PowerSystemProtectionandControl,2010,38(15):l2.17.[3]迟永宁,王伟胜,刘燕华,等.大型风电场对电力系统暂态稳定性的影nlfi][J].电力系统自动化,2006,30(15):—1014.———CHIYongning,WANGWeisheng,LIUYanhua,eta1.Impactoflargescalewindfarmintegrationonpowersystemtransientstability[J].AutomationofElectricPowerSystems,2006.30(151:10.14.[4]寇凌岳,艾欣.惯性时问常数对互联系统暂态稳定性影响的仿真研究[J1.电力系统保护与控制,2009,—37(151:4247.—K0ULingyue.AIXin.Simulationstudyofsysteminertiaonpowersystemtransientstability【J].PowerSystemProtectionandControl,2009,37(15):42-47.[5]王珍意,谢一工,尹成全,等.对cPs标准下AGC与一次调频配合问题的研究[J].电力系统保护与控制,—2009,37(19):2225.—WANGZhen-yi,XIEYi-gong,YINChengquan,eta1.ResearchonthecoordinationofAGCandprimaryfrequencyregulationbasedonCPS[J].PowerSystem—ProtectionandControl,2009,37(19):2225.16JEkanayakeJ。JenkinsN.ComparisonoftheresponseofdOublyfedandfixed.speedinductiongeneratorwindturbinestochangesinnetworkfrequency[J].IEEETransonEnergyConvers,2004,19(4):800-802.[7]MullaneA,MalleyMO.Theinertialresponseof——inductionmachinebasedwindturbines[J].IEEETrans—onPowerSystems,2005,20(3):14961503.18JMorrenJ,DeHaanSWH,KlingWL,eta1.Windturbinesemulatinginertiaandsupportingprimaryfrequencycontrol[J].IEEETransonPowerSystems,—2006,21(1):433434.[9]EkanayakeJB,JenkinsN,StrbacGFrequencyresponsefromwindturbines[J].WindEngineering,2008,32(6):573.586.[10]Anaya-laraO,HughesFM,JenkinsN,eta1.ContributionofDFIG・-basedwindfarmstopowersystemshort--termfrequencyregulation[J].IEEProcGener,Transm,andDistrib,2006,l53(2):164-170.111JRamtharanG,EkanayakeJB.JenkinsN.Frequencysupportfromdoublyfedinductiongeneratorwindturbines[J].IETRenewPowerGener,2007,1(1):3-9.[12]ZHANGXiang-yu,LIHe-ming,WANGYi.Controlof—DFIGbasedwindfarmsforpowernetworkfrequencysupport[C】//2010InternationalConferenceonPowerSystemTechnology.[13]孙春顺,王耀南,李欣然.飞轮辅助的风力发电系统功率和频率综合控制[J].中国电机工程学报,2008,28(29):l11一l16.—SUNChun-shun,WANGYao-nan,LIXinran.Synthesizedpowerandfrequencycontrolofwindpowergenerationsystemassistedthroughflywheels[J].ProceedingsoftheCSEE,2008,28(29):111-l16.[14]deAlmeidaRG.PecasLopesJA.Participationofdoublyfedinductionwindgeneratorsinsystemfrequencyregulation[J].IEEETransactionsonPowerSystems,2007,22(3):944.950.(下转第29页continuedonpage29)陈忻磊,等数字化变电站系统最优可靠性分配方法.29.—要度分析fJ].中国电机工程学报,2008,28(1):7782.—ZHANGPeichao,GAOXiang.Analysisofreliabilityandcomponentimportanceforall-digitalprotectivesystems[J].ProceedingsoftheCSEE,2008,28(1):77.82.[5]侯伟宏,张沛超,胡炎.数字化变电站系统可靠性与可用性研究[J].电力系统保护与控制,2010,38(14):35.38.—HOUWei-hong,ZHANGPeichao,HUYan.Reliabilityandavailabilitystudyofthedigitalsubstationsystem[J].PowerSystemProtectionandControl,2010,38(14):35.38.[6]鹿祥宾,李晓钢,林峰.复杂系统的可靠性分配和优化—[J].北京航空航天大学学报,2006,30(6):566568.——LUXiangbin,LIXiaogang,LINFeng.Reliabilityallocationandoptimizationforcomplexsystems[J].JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics,2006,3O(6):566-568.[7]董聪.系统可靠性分配方法[J].系统工程与电子技术,—1996.7:3640.DONGCong.Systemreliabilityassignmentmethod[J].—SystemsEngineeringandElectronics,1996,7:3640.[8]FugateDL.Areliabilityallocationmethodfor—combinationserialparallelsystems[C】//ProceedingsoftheAnnualReliability&MaintainabilitySymposium.1992:432.435.[9]MisraKB,LbjubojevicM.Optimalreliabilitydesignofsystems:anewlook[M].IEEETransRel,1973,22(5):255.258.[10]AggarwalKK,GuptaJS.Onminimizingthecostofreliablesystems[J].IEEETransactionsonReliability,1975,224(3):205.[11]AdamantiosMettas.Reliabilityallocationandoptimizationforcomplexsystems[C]//ProceedingsAnnualReliabilityandMaintainabilitySymposium,20002l6.221.[12]李晓辉,张来,李小宇,等.基于层次分析法的现状电网评估方法研究[J].电力系统保护与控制,2008,—36(14):5760.—LIXiao-hui,ZHANGLai,LIXiaoyu,eta1.TheresearchontheevaluationsystemforexistingnetworkbasedonanalytichierarchyprocessandDelphimethod[J].PowerSystemProtectionandControl,2008,36(14):57-60.[13]吕跃进.基于模糊一致矩阵的模糊层次分析法的排序—[模糊系统与数学,2002,16(2):7985.LtiYue ̄in.Weightcalculationmethodoffuzzyanalyticalhierarchyprocess[J].FuzzySystemsandMathematics,—2002,16(2):7985.[14]陈宝林.最优化理论与算法【M】.2版.北京:清华大学出版社,2005:385.386.CHENBao-lin.Thetheoryandalgorithmofoptimum[M】Secondedition.Beijing:QinghuaUniversityPress,2005:385.386.—收稿日期:2011-0522;作者简介:陈忻磊(1985-),男,字化变电站可靠性分析;胡昱宙(1988-),男,字化变电站可靠性分析;修回日期:201卜1卜O7硕士研究生,主要研究方向为数—Email:saver25@yahoo.ca硕士研究生,主要研究方向为数张沛超(1970一),男,博士,副教授,主要研究方向为继电保护,电网调度自动化以及人工智能。(上接第24页continuedfrompage24)[15]ChowdhuryBH,MaHFrequencyregulationwithwindpowerplants[C】//PowerandEnergySocietyGeneralMeetingConversionandDeliveryofElectricalEnergyinthe21stCentury,IEEE,2008.[16]EmmanouilLoukarakis,IoannisMargaris,PanayiotisMoutis.Frequencycon ̄olsupportandparticipationmethodsprovidedbywindgeneration[C】//2009IEEEElectricalPower&EnergyConference.[17]ZertekA,VerbicGPantosM.ParticipationofDFIGwindturbinesinfrequencycontrolancillaryservicebyoptimizedrotationalkineticenergy[C】//20107thInternationalConferenceontheEuropeanEnergyMarket(EEM):1-6.[18]ErlichI,WilchM.Primaryfrequencycontrolbywindturbines[C】//PowerandEnergySocietyGeneralMeeting,IEEE,2010.—收稿日期:201卜O616;修回日期:201卜09-05作者简介:朱晓荣(1972-),女,博士,副教授,主要研究方向为电力电子技术在电力系统中的应用,新能源发电及并网技术等;赵猛(1987一),男,硕士研究生,主要研究方向为电力系统风电并网技术;E-mail:525740222@qq.com王毅(1977一),男,博士,副教授,主要研究方向为电力电子技术在电力系统中的应用,风力发电及并网技术等。
布丁老师
该用户很懒,什么也没介绍
文档单价:6.00 会员免费
开通会员可免费下载任意文档