双馈风电机组备用容量控制策略研究

Posted 2022-08-10 studyer_domi

1、内容简介

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2、内容说明

第 3 章 双馈风电机组调频技术
3.1虚拟惯性控制
虚拟惯性控制是风电机组运行过程中，通过改机组转子侧变流器的电流给定，控制转子发生临时性变化情况下短时释放/吸收风电机组旋转质体所储存的部分动能，以快速响应系统频率的暂态变化，提供类似于传统机组的转动惯量［5］，因其通过改变转子转速实现频率调节，也叫转子动能控制。常规的虚拟惯性控制途径为最大风能追踪的附加频率控制，它的控制量主要以系统变化频率来进行提现的，而且系统频率的改变会在很大程度上影响风力发电机组的功率输出，其附加功率要和风机最大风能的输出功率尽可能持平，当系统频率下降时，风力发电机才会提供一定的旋转力[1]。另外在调频的同时，利用虚拟惯性方法能够让电机调速器的反应速度下降，使系统的恢复能力大打折扣，因此，如果在风力发电机组没有得到额外功率支持的前提下，频率很有可能会出现又一次下降的情况。
虚拟惯性控制将之前存储在风力发电机组当中的旋转力快速释放到电网上，维持整体的惯量平衡，可这本身也有一定的局限性，首先，尽管虚拟惯性能够在短时间内维持机组的惯量平衡，可其自适应能力较差，无论是在大风天气还是微风天气，都无法实现转子转速的改变，调频无从入手；其次，虚拟惯性控制主要依赖持续转子转速的持续降低所提供的额外功率来维持正常运转，所以这在转速恢复的时候，频率会出现又一次的下降问题。在调频方面，虚拟惯量不是长久之计，但超速控制和桨距角控制能够克服这一点，要想让调频效果最佳化，这种方法应用的会比较多。

3.1备用功率控制原理
3.1.1 超速减载控制
当调节发电机转子转速以降低风轮输出功率时，使用减载运行方式。如图 3.7 所示，当风力发电机组在最大功率跟踪区域的1点运行时，相应的速度为，并且该风电机组的机械功率和电磁功率是相等的。通过超速控制，发电机的速度可以增加到对应于 2点的速度，并且风力发电机组的功率输出将变小。使风力发电机组在2点运行，给频率调节提供部分功率备用。频率发生波动时，能控制发电机转速使其降低，即将风力发电机组的功率输出增大到图中的5点。当风力发电机组在 5点处运行时，机械功率和电磁功率再次相等。风力发电机组在 1 点的左侧3点运行。也可以通过降低机组的功率输出以提供功率备用。当电磁功率减小时，转子转动速度变大，这时机械型功率变大，转子转动速度再次变大，对系统稳定性有害。

当风力发电机组减载方式使用超速控制时，反应比较迅速，而且转速控制具有很小机械损坏率，然而超速减载控制具有限制区域。在额定风速下时，机组转速大于最大安全运行速度，此运行方式有很大弊端。这时，超速控制无法进行，并且风力发电机组要调整俯仰角来维持风力发电机组的恒定功率输出。因此，在额定的风速以下运行时，要使用超速减载控制。
图为转矩控制的原理框图

3.1.2桨距角控制
随着风速增加，发电机的转子速度也增加。当风速高于额定风速时，发电机转子的速度将达到额定速度，无法再使用超速方式使风力发电机组转速再升高，仅仅能利用俯仰角的改变来完成风力发电机组的减载动作。

通过控制俯仰角增大来减小风能利用率来实现风电机组减载操作，保证风力发电机组功率输出小于最大值，为频率控制留出一部分功率备用[52]。当风速为固定值时，俯仰角越高，为风力发电机组留出的功率备用值更大。当系统的频率降低时，利用俯仰角的降低来增大风力发电机组的有功输出，而且参与系统频率调整。如图 3.9 所示，系统频率变化量被加入到俯仰角控制中，用来完善常规的俯仰角控制策略，使得风力发电机组具有足够的备用容量并达到更好的频率调节效果[53]。具有很大的频率调节范围是俯仰角控制的优势，因此俯仰角控制适用于各种风速。然而，由于俯仰角控制属于机械型控制，所以运行时间比较长。而且，若俯仰角使用过度，机械型损耗增加，这加大了运行维护的费用。通常，为了减少俯仰角的使用次数，通常在额定风速之上使用俯仰角控制。

3.2风电分段调频控制策略
3.2.1风机运行分段原理
风电机组的运行状态可以根据风况的不同，划分为三个区域，分别为最大功率追踪区域，恒定转速区域，恒定功率区域。
最大功率跟踪区域：风速对应的最佳速度在启动速度和额定速度之间。为了跟踪最大风能跟踪曲线，当风速发生变化时，需要通过控制发电机转子的转速，使之与风速达到相应的最佳速度，即保持最佳叶尖速比，由于此区间转子转速低于额定值，所以要保持俯仰角为0°不变，因此此时由风轮捕获到的风能也是最大值。
恒速区域：此时对应于最优风速的转速已达到发电机转子速度的极限数值。从那时起，风速继续增加，发电机的转子速度不能继续增加。转子旋转速度是保持在最大旋转速度，在该区域中可捕获的风能还不能达到发电机的额定功率。因此，随着风的速度的增加，尽管转子速度是一定的，但风能利用系数低于最好的数值，但是风的速度增加值补充了风能利用系数的降低，并且可以继续对捕获的风能产生积极的作用。
恒定功率运行区域：当风速增加直到风力发电机捕获的风能达到发电机的额定功率时，有必要控制俯仰角以使风轮捕获的风能保持在额定功率并且不再增加。在该区域中，转子速度保持在最大速度，并且风轮捕获的功率保持在额定功率。俯仰角随着风速的增加而逐渐增大，风力发电机退出电网运行直到风速超过切机风

3、仿真分析

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4、参考论文

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