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  • 頭條華北電力大學(xué)顏湘武團(tuán)隊(duì)特稿:雙饋風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻的新策略
    2020-11-23 作者:顏湘武, 宋子君, 崔森, 孫穎, 李鐵成  |  來源:《電工技術(shù)學(xué)報》  |  點(diǎn)擊率:
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    導(dǎo)語目前雙饋風(fēng)機(jī)普遍采用的最大功率跟蹤控制策略或傳統(tǒng)變槳、超速減載用于一次頻率調(diào)節(jié)各有其不足,本文所提出的基于變功率點(diǎn)跟蹤和超級電容器儲能協(xié)調(diào)控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻策略,充分結(jié)合以上控制策略的優(yōu)勢,彌補(bǔ)其不足,達(dá)到在不損失風(fēng)電機(jī)組發(fā)電效益的前提下,參與系統(tǒng)一次頻率調(diào)節(jié)的效果,并且大大提高了一次頻率調(diào)節(jié)能力和發(fā)電效益,經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢顯著,為儲能裝置在新能源機(jī)組滲透率逐漸加大的背景下提出了新的應(yīng)用思路,同時為風(fēng)電機(jī)組參與一次調(diào)頻的新方法提供了理論依據(jù)。

    團(tuán)隊(duì)介紹

     

    華北電力大學(xué)顏湘武團(tuán)隊(duì)特稿:雙饋風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻的新策略

     

    華北電力大學(xué)顏湘武團(tuán)隊(duì)特稿:雙饋風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻的新策略

     

    顏湘武,博士,教授,博士生導(dǎo)師,“分布式儲能與微網(wǎng)”河北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任,河北電機(jī)工程學(xué)會理事,中國電工技術(shù)學(xué)會電動汽車充換電系統(tǒng)與試驗(yàn)專業(yè)委員會委員,中國電源學(xué)會元器件專委會委員。

    2007年11月至2008年10月期間由國家派出到美國威斯康星麥迪遜大學(xué)留學(xué)研究,現(xiàn)為華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院教授。先后主持和承擔(dān)國家863計劃、國家科技支撐以及國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目10余項(xiàng)。獲得中國電力科學(xué)技術(shù)一等獎1項(xiàng)、三等獎1項(xiàng),河北省科技進(jìn)步三等獎2項(xiàng),授權(quán)國家發(fā)明專利30余項(xiàng)。

    主要從事新能源電力系統(tǒng)穩(wěn)定與自治控制、分布式發(fā)電并網(wǎng)與系統(tǒng)特性分析、高效變換拓?fù)湟约半妱悠嚢踩潆姷确矫娴睦碚摷捌潢P(guān)鍵技術(shù)研究。已培養(yǎng)碩士、博士研究生100余人。先后在《中國電機(jī)工程學(xué)報》、《電工技術(shù)學(xué)報》、IEEE Transaction、European Journal、電力系統(tǒng)自動化等國內(nèi)外權(quán)威和核心期刊,以及IEEE核心國際會議等,發(fā)表學(xué)術(shù)論文200余篇,其中被SCI、EI收錄120余篇。

    導(dǎo)語

    本文提出了基于變功率點(diǎn)跟蹤和超級電容器儲能協(xié)調(diào)控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻策略,并設(shè)計出一套最高放電效率下成本最低的超級電容儲能方案。所提方法在源荷隨機(jī)波動場景下,發(fā)電效益接近于最大功率跟蹤模式,明顯高于超速減載控制模式,同時還具有明顯優(yōu)于傳統(tǒng)超速減載控制的一次頻率調(diào)節(jié)能力,且無需進(jìn)行槳距角調(diào)節(jié),有利于延長變槳系統(tǒng)壽命。

    研究背景

     

    華北電力大學(xué)顏湘武團(tuán)隊(duì)特稿:雙饋風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻的新策略

     

    近年來,隨著風(fēng)電滲透率的提升,系統(tǒng)的等值時間常數(shù)降低,一方面,系統(tǒng)的穩(wěn)定儲備系數(shù)降低,另一方面,系統(tǒng)調(diào)度難度增大,出現(xiàn)棄風(fēng)現(xiàn)象。傳統(tǒng)超速減載控制通過保留部分有功備用參與系統(tǒng)調(diào)頻,但存在風(fēng)電機(jī)組發(fā)電效益降低、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍減小及槳距角控制啟動頻繁等問題。論文提出的變功率點(diǎn)跟蹤和超級電容器儲能協(xié)調(diào)控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻策略,相比傳統(tǒng)超速減載控制的經(jīng)濟(jì)效益和一次頻率調(diào)節(jié)能力均有顯著提升,同時為儲能裝置在新能源機(jī)組滲透率逐漸加大的背景下提出了新的應(yīng)用思路。

    論文內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)

    傳統(tǒng)超速減載控制通過保留部分有功備用參與系統(tǒng)調(diào)頻一方面在正常運(yùn)行時損失了風(fēng)電場的發(fā)電效益,另一方面在負(fù)荷突減這一擾動下并未考慮到轉(zhuǎn)速和功率調(diào)節(jié)深度的問題,調(diào)節(jié)效果不佳。

    針對此問題,本文進(jìn)一步探索發(fā)現(xiàn)最大功率跟蹤模式在正常運(yùn)行方式下可最大化發(fā)電效益,在負(fù)荷突減這一擾動下若可以參與調(diào)頻,則其可調(diào)范圍遠(yuǎn)大于超速減載模式。

    本文結(jié)合變功率跟蹤控制和MPPT模式的優(yōu)點(diǎn),最大化發(fā)電效益的同時實(shí)現(xiàn)DFIG在負(fù)荷突減擾動下的一次頻率調(diào)節(jié),同時針對在負(fù)荷突增擾動下風(fēng)電機(jī)組無備用容量參與調(diào)頻問題,合理配置儲能提高風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻能力,論文提出的基于超級電容儲能的雙饋風(fēng)電機(jī)組參與系統(tǒng)一次調(diào)頻配置如圖1所示。

    華北電力大學(xué)顏湘武團(tuán)隊(duì)特稿:雙饋風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻的新策略

    圖1 DFIG的儲能配置

    超級電容器經(jīng)過雙向DC/DC變換器與雙饋風(fēng)電機(jī)組的直流側(cè)母線電容相連接,超級電容器一方面由于功率密度大,可瞬時大功率輸出;另一方面可循環(huán)次數(shù)較多,滿足頻繁充放電的需求,因此選取超級電容儲能輔助DFIG風(fēng)電機(jī)組參與調(diào)頻。

    本文中雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子側(cè)與網(wǎng)側(cè)變流器可維持原有的控制方式,網(wǎng)側(cè)變流器的作用是維持直流母線電容電壓的穩(wěn)定,故超級電容儲能裝置的充放電功率通過網(wǎng)側(cè)變流器直接流向電網(wǎng)。

    基于變功率點(diǎn)跟蹤和超級電容器儲能協(xié)調(diào)控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻策略原理框圖如圖2所示。

    華北電力大學(xué)顏湘武團(tuán)隊(duì)特稿:雙饋風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻的新策略

    圖2 超級電容儲能系統(tǒng)的控制原理框圖

    首先根據(jù)負(fù)荷預(yù)測模塊判斷擾動類型。根據(jù)風(fēng)機(jī)VSG技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)電機(jī)組虛擬同步機(jī)技術(shù)要求和試驗(yàn)方法》,將調(diào)頻死區(qū)設(shè)定為 ,此時可近似判定為系統(tǒng)無擾動,風(fēng)電機(jī)組不參與慣性調(diào)節(jié)和一次頻率調(diào)節(jié)。

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    在無擾動和負(fù)荷增加擾動下,風(fēng)機(jī)運(yùn)行在最大功率點(diǎn)跟蹤狀態(tài)下,實(shí)現(xiàn)發(fā)電效益最大化;若負(fù)荷減小,變功率點(diǎn)跟蹤控制啟動,根據(jù)頻率偏差得到風(fēng)機(jī)附加調(diào)節(jié)功率;若負(fù)荷增加,超級電容儲能裝置控制啟動,根據(jù)頻率偏差得到儲能裝置附加調(diào)節(jié)功率。

    儲能單元容量配置需要滿足負(fù)荷突增擾動下的一次頻率調(diào)節(jié)需求。若儲能裝置容量過小,無法提供充足的備用容量參與頻率調(diào)節(jié);若儲能裝置容量過大,則會增加儲能系統(tǒng)成本,造成一定量的容量浪費(fèi)。故綜合上述因素,需要合理設(shè)置儲能裝置的容量。

    本文所采用的超級電容器儲能裝置處于恒功率放電模式,可以得到圖3所示的儲能裝置放電效率曲線,其中?為超級電容放電效率,Umax為最高工作電壓。

    華北電力大學(xué)顏湘武團(tuán)隊(duì)特稿:雙饋風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻的新策略

    圖3 超級電容儲能裝置的效率曲線

    由上圖可知,超級電容器在恒功率放電時,其放電效率與最高工作電壓大小成正比。綜合考慮超級電容器組的成本和放電效率問題,本文采用144 V*55 F超級電容器5串2并共10組組成該雙饋風(fēng)機(jī)機(jī)組的儲能裝置,其最低工作電壓為32 V,最高工作電壓為720 V,其放電效率為96.9%。

    表1中對一次調(diào)頻方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了對比,由對比可知預(yù)留備用的調(diào)頻方案可以在調(diào)節(jié)過程中提供長期的功率支撐,其調(diào)節(jié)性能與火電相當(dāng),但經(jīng)濟(jì)損失巨大;相比之下,配置儲能方案僅需一次性投入,投資額在可接受的范圍之內(nèi),且調(diào)頻性能明顯優(yōu)于火電,在后續(xù)的推廣應(yīng)用中,儲能系統(tǒng)還可以進(jìn)一步平滑出力、減少棄風(fēng)棄光,業(yè)主可通過這些綜合應(yīng)用的模式增加收益。由此可知配置分布式的儲能的雙饋風(fēng)電機(jī)組是風(fēng)電場首選的一次頻率調(diào)節(jié)方案。

    華北電力大學(xué)顏湘武團(tuán)隊(duì)特稿:雙饋風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻的新策略

    表1 2種應(yīng)用模式技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對比

    本文基于MATLAB/Simulink仿真平臺建立四機(jī)兩區(qū)域仿真模型進(jìn)行仿真分析。由表2可知,在系統(tǒng)源荷隨機(jī)波動場景下,基于變功率點(diǎn)跟蹤和超級電容器儲能協(xié)調(diào)控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻策略和超速減載預(yù)留10%備用容量相比,頻率調(diào)節(jié)能力提高10%,平均風(fēng)能利用率提高12%,平均輸出功率增大23.5%,且超速減載控制在參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)時槳距角調(diào)節(jié)時間占比高達(dá)20%,而基于超級電容器儲能參與調(diào)頻控制無需槳距角調(diào)節(jié)。

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    表2 源荷隨機(jī)波動時響應(yīng)性能指標(biāo)

    因此在源荷隨機(jī)波動場景下,超級電容器參與調(diào)頻控制在風(fēng)機(jī)發(fā)電效益大大提高的基礎(chǔ)上,其頻率調(diào)節(jié)能力高于常規(guī)的超速減載控制,更能滿足系統(tǒng)的一次頻率調(diào)節(jié)需求,且無需進(jìn)行槳距角調(diào)節(jié),有利于變槳控制系統(tǒng)安全、可靠及延長壽命。

    結(jié)論

    目前雙饋風(fēng)機(jī)普遍采用的最大功率跟蹤控制策略或傳統(tǒng)變槳、超速減載用于一次頻率調(diào)節(jié)各有其不足,本文所提出的基于變功率點(diǎn)跟蹤和超級電容器儲能協(xié)調(diào)控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻策略,充分結(jié)合以上控制策略的優(yōu)勢,彌補(bǔ)其不足,達(dá)到在不損失風(fēng)電機(jī)組發(fā)電效益的前提下,參與系統(tǒng)一次頻率調(diào)節(jié)的效果,并且大大提高了一次頻率調(diào)節(jié)能力和發(fā)電效益,經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢顯著,為儲能裝置在新能源機(jī)組滲透率逐漸加大的背景下提出了新的應(yīng)用思路,同時為風(fēng)電機(jī)組參與一次調(diào)頻的新方法提供了理論依據(jù)。

    引用本文

    顏湘武, 宋子君, 崔森, 孫穎, 李鐵成. 基于變功率點(diǎn)跟蹤和超級電容器儲能協(xié)調(diào)控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2020, 35(3): 530-541. Yan Xiangwu, Song Zijun, Cui Sen, Sun Ying, Li Tiecheng. Primary Frequency Regulation Strategy of Doubly-Fed Wind Turbine Based on Variable Power Point Tracking and Supercapacitor Energy Storage. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(3): 530-541.

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