雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(Double-Fed Induction Generator, DFIG)裝機(jī)容量約占90%的市場(chǎng)份額,是當(dāng)今的主流機(jī)型。由于傳統(tǒng)DFIG采用最大功率跟蹤運(yùn)行方式,機(jī)組的轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率無(wú)關(guān),即機(jī)組的出力不響應(yīng)電網(wǎng)頻率的波動(dòng)。
為了提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的慣量支撐和頻率響應(yīng)能力,有關(guān)學(xué)者進(jìn)行了研究,提出了解決方法,但是均未考慮DFIG自身發(fā)電效益,降低了風(fēng)能利用率,故如何配置風(fēng)電機(jī)組的調(diào)節(jié)機(jī)制來(lái)緩解發(fā)電效益和系統(tǒng)穩(wěn)定性之間的關(guān)系是目前亟待解決的問題。
儲(chǔ)能裝置已廣泛應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng),在基于儲(chǔ)能參與電網(wǎng)一次調(diào)頻控制方面,有學(xué)者分析了具有快速響應(yīng)的儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)高滲透率情況下的風(fēng)電場(chǎng)頻率響應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景;有學(xué)者提出一種在儲(chǔ)能技術(shù)的依托下對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的虛擬慣量進(jìn)行補(bǔ)償?shù)牟呗?;有學(xué)者分析風(fēng)電出力特點(diǎn),提出一種儲(chǔ)能電源參與含風(fēng)電電網(wǎng)的優(yōu)化下垂控制策略,可有效平抑風(fēng)電功率波動(dòng)。
倘若僅采用虛擬下垂控制,即使減小了穩(wěn)態(tài)頻率偏差,也無(wú)法減緩頻率下降速度和降低最大頻率偏差變化量。然而僅采用單一虛擬慣性控制,則只能在頻率變化過程中起作用,無(wú)法降低穩(wěn)態(tài)頻率偏差。因此有學(xué)者給出了合理協(xié)調(diào)兩者之間關(guān)系的方法,但儲(chǔ)能電源循環(huán)周期壽命短,且不考慮儲(chǔ)能SOC變化,大大增加了維護(hù)成本。
在針對(duì)儲(chǔ)能裝置參與風(fēng)電場(chǎng)一次調(diào)頻策略研究中,大多采用風(fēng)電場(chǎng)集中式儲(chǔ)能方案,其安全可靠性風(fēng)險(xiǎn)往往大于分布式模式,而目前風(fēng)力發(fā)電集中并網(wǎng)點(diǎn)高壓側(cè)普遍出現(xiàn)頻率、電壓波動(dòng)幅度增大現(xiàn)象,其中風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部或并網(wǎng)點(diǎn)變壓器中低壓側(cè)的頻率波動(dòng)幅度更大,超過一次調(diào)頻動(dòng)作閾值(0.033Hz)的情形頻繁出現(xiàn);故提高單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的致穩(wěn)性和抗擾性,使其具備一次調(diào)頻能力顯得尤為重要。
超級(jí)電容器目前僅應(yīng)用于配合低電壓穿越和平滑功率波動(dòng)方面,由于具有功率密度大的優(yōu)點(diǎn),可瞬時(shí)大功率輸出,故可為系統(tǒng)提供慣量支撐和一次頻率調(diào)節(jié)。
針對(duì)上述問題,河北省分布式儲(chǔ)能與微網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))的研究人員,在2021年第5期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文,兼顧DFIG運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和系統(tǒng)一次頻率調(diào)節(jié)需求,結(jié)合實(shí)際運(yùn)行場(chǎng)景和DFIG網(wǎng)側(cè)變流器的控制特性,提出了計(jì)及超級(jí)電容儲(chǔ)能SOC控制DFIG的慣量與一次調(diào)頻自適應(yīng)控制策略。
圖1 DFIG的儲(chǔ)能配置
結(jié)合慣性與下垂控制模式各自優(yōu)勢(shì),采用一種確定兩種調(diào)頻模式參與調(diào)頻的比例系數(shù)模型,實(shí)現(xiàn)兩種調(diào)頻模式平滑切換。在此基礎(chǔ)上綜合考慮自身儲(chǔ)能SOC實(shí)時(shí)修正虛擬慣性與下垂系數(shù),其慣量支撐和一次頻率調(diào)節(jié)都由超級(jí)電容儲(chǔ)能模塊擴(kuò)展功能實(shí)現(xiàn),無(wú)需修改或增加原風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)和控制方案,從而使風(fēng)電機(jī)組的升級(jí)改造變得簡(jiǎn)單容易,提高了單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的致穩(wěn)性和抗擾性。
圖2 一次調(diào)頻自適應(yīng)控制策略流程
在系統(tǒng)穩(wěn)定或發(fā)電需求增加(減小)期間風(fēng)電機(jī)組始終運(yùn)行在最大功率跟蹤模式以達(dá)到最大發(fā)電效益。當(dāng)發(fā)電需求減小或增大時(shí),通過控制超級(jí)電容器充電與放電來(lái)參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)DFIG在全工況運(yùn)行下具有一次調(diào)頻能力。最后基于Matlab/Simulink搭建含DFIG的四機(jī)兩區(qū)域仿真模型,驗(yàn)證所提方案有效性。
圖3 含雙饋風(fēng)電場(chǎng)的4機(jī)2區(qū)域系統(tǒng)
研究人員通過理論與仿真分析,得到以下結(jié)論:
1)相較于傳統(tǒng)的集中式儲(chǔ)能參與系統(tǒng)調(diào)頻,所提出的超級(jí)電容器控制策略使得單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組具備一次頻率調(diào)節(jié)能力,其慣量支撐和一次頻率調(diào)節(jié)都由超級(jí)電容儲(chǔ)能模塊擴(kuò)展功能實(shí)現(xiàn),無(wú)需修改或增加原風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)和控制方案,使得單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組具有良好的魯棒性和兼容性,提高其單臺(tái)風(fēng)機(jī)的致穩(wěn)性和抗擾性。尤其適合現(xiàn)場(chǎng)已投運(yùn)機(jī)組的升級(jí)改造,為單臺(tái)風(fēng)機(jī)的改造和控制提出了新思路和新方向。
2)綜合考慮超級(jí)電容SOC即時(shí)狀態(tài)控制選擇合適慣性和下垂系數(shù)進(jìn)行出力來(lái)避免其儲(chǔ)能裝置的過充過放問題,且有效發(fā)揮了虛擬慣性和虛擬下垂對(duì)于頻率偏差及其變化率的感知反應(yīng)能力,實(shí)現(xiàn)平滑超級(jí)電容器更加高效的出力,減小其充放電深度,提高使用壽命。在頻率下降階段后期,虛擬下垂填補(bǔ)了虛擬慣性出力不足的問題,使得超級(jí)電容器的功率配置有了更大的考慮空間,其容量利用率得到了顯著提升。
3)所提方法是在風(fēng)機(jī)最大功率跟蹤控制的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的,相比于常規(guī)的超速減載調(diào)頻控制,既兼顧了發(fā)電效益,同時(shí)又大大提高了風(fēng)機(jī)的慣量支撐和一次頻率調(diào)節(jié)能力,繼而超速減載調(diào)頻控制的減載率越大,其轉(zhuǎn)速和功率的實(shí)際可調(diào)節(jié)深度越小,風(fēng)能利用率和輸出功率越低,體現(xiàn)所提出的一次調(diào)頻控制優(yōu)越性。
4)接下來(lái)將對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組參與系統(tǒng)一次調(diào)頻的整個(gè)階段進(jìn)行更深入的分析,對(duì)分配系數(shù)曲線進(jìn)行優(yōu)化,以達(dá)到更好的調(diào)頻效果與儲(chǔ)能裝置的優(yōu)化問題。
以上研究成果發(fā)表在2021年第5期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》,論文標(biāo)題為“考慮儲(chǔ)能自適應(yīng)調(diào)節(jié)的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)一次調(diào)頻控制策略”,作者為顏湘武、崔森、常文斐。