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风电机组改造升级的新思路:华电学者提出超级电容器控制策略

日期:2021-06-08    来源:电气新科技

国际风力发电网

2021
06/08
09:10
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关键词: 风电机组改造 风电机组技改 风电电容器

双馈感应发电机在常规超速减载控制下虽然可保留部分有功备用参与系统调频,但存在风电机组发电效益降低、转速调节范围减小及桨距角控制起动频繁等问题。为此,河北省分布式储能与微网重点实验室(华北电力大学)的研究人员颜湘武、崔森、常文斐撰文,结合双馈风电机组网侧变流器的控制特性,提出计及超级电容储能荷电状态(SOC)控制的双馈感应发电机的惯量与一次调频自适应控制策略。

仿真实验表明双馈感应发电机的惯量支撑和一次频率调节能力及发电效益较常规一次频率控制具有明显提高,为双馈感应发电机的改造升级提供了新思路。

双馈感应发电机(Double-Fed Induction Generator, DFIG)装机容量约占90%的市场份额,是当今的主流机型。由于传统DFIG采用最大功率跟踪运行方式,机组的转速与电网频率无关,即机组的出力不响应电网频率的波动。

为了提高风力发电系统的惯量支撑和频率响应能力,有关学者进行了研究,提出了解决方法,但是均未考虑DFIG自身发电效益,降低了风能利用率,故如何配置风电机组的调节机制来缓解发电效益和系统稳定性之间的关系是目前亟待解决的问题。

储能装置已广泛应用于风电场,在基于储能参与电网一次调频控制方面,有学者分析了具有快速响应的储能技术对高渗透率情况下的风电场频率响应的应用场景;有学者提出一种在储能技术的依托下对风电场的虚拟惯量进行补偿的策略;有学者分析风电出力特点,提出一种储能电源参与含风电电网的优化下垂控制策略,可有效平抑风电功率波动。

倘若仅采用虚拟下垂控制,即使减小了稳态频率偏差,也无法减缓频率下降速度和降低最大频率偏差变化量。然而仅采用单一虚拟惯性控制,则只能在频率变化过程中起作用,无法降低稳态频率偏差。因此有学者给出了合理协调两者之间关系的方法,但储能电源循环周期寿命短,且不考虑储能SOC变化,大大增加了维护成本。

在针对储能装置参与风电场一次调频策略研究中,大多采用风电场集中式储能方案,其安全可靠性风险往往大于分布式模式,而目前风力发电集中并网点高压侧普遍出现频率、电压波动幅度增大现象,其中风电场内部或并网点变压器中低压侧的频率波动幅度更大,超过一次调频动作阈值(0.033Hz)的情形频繁出现;故提高单台风电机组的致稳性和抗扰性,使其具备一次调频能力显得尤为重要。

超级电容器目前仅应用于配合低电压穿越和平滑功率波动方面,由于具有功率密度大的优点,可瞬时大功率输出,故可为系统提供惯量支撑和一次频率调节。

针对上述问题,河北省分布式储能与微网重点实验室(华北电力大学)的研究人员,在2021年第5期《电工技术学报》上撰文,兼顾DFIG运行的经济性和系统一次频率调节需求,结合实际运行场景和DFIG网侧变流器的控制特性,提出了计及超级电容储能SOC控制DFIG的惯量与一次调频自适应控制策略。

结合惯性与下垂控制模式各自优势,采用一种确定两种调频模式参与调频的比例系数模型,实现两种调频模式平滑切换。在此基础上综合考虑自身储能SOC实时修正虚拟惯性与下垂系数,其惯量支撑和一次频率调节都由超级电容储能模块扩展功能实现,无需修改或增加原风电机组的结构和控制方案,从而使风电机组的升级改造变得简单容易,提高了单台风电机组的致稳性和抗扰性。

在系统稳定或发电需求增加(减小)期间风电机组始终运行在最大功率跟踪模式以达到最大发电效益。当发电需求减小或增大时,通过控制超级电容器充电与放电来参与系统频率调节,实现DFIG在全工况运行下具有一次调频能力。最后基于Matlab/Simulink搭建含DFIG的四机两区域仿真模型,验证所提方案有效性。

研究人员通过理论与仿真分析,得到以下结论:

1)相较于传统的集中式储能参与系统调频,所提出的超级电容器控制策略使得单台风电机组具备一次频率调节能力,其惯量支撑和一次频率调节都由超级电容储能模块扩展功能实现,无需修改或增加原风电机组的结构和控制方案,使得单台风电机组具有良好的鲁棒性和兼容性,提高其单台风机的致稳性和抗扰性。尤其适合现场已投运机组的升级改造,为单台风机的改造和控制提出了新思路和新方向。

2)综合考虑超级电容SOC即时状态控制选择合适惯性和下垂系数进行出力来避免其储能装置的过充过放问题,且有效发挥了虚拟惯性和虚拟下垂对于频率偏差及其变化率的感知反应能力,实现平滑超级电容器更加高效的出力,减小其充放电深度,提高使用寿命。在频率下降阶段后期,虚拟下垂填补了虚拟惯性出力不足的问题,使得超级电容器的功率配置有了更大的考虑空间,其容量利用率得到了显著提升。

3)所提方法是在风机最大功率跟踪控制的基础上实现的,相比于常规的超速减载调频控制,既兼顾了发电效益,同时又大大提高了风机的惯量支撑和一次频率调节能力,继而超速减载调频控制的减载率越大,其转速和功率的实际可调节深度越小,风能利用率和输出功率越低,体现所提出的一次调频控制优越性。

4)接下来将对双馈风力发电机组参与系统一次调频的整个阶段进行更深入的分析,对分配系数曲线进行优化,以达到更好的调频效果与储能装置的优化问题。


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