文摘

与复杂的可再生能源系统的发展,电网的频率控制和监管由这样的可再生能源(如风力涡轮机)更重要,因为采用不同的发电机可以导致频率变化。为了解决电网的频率调节,我们将一个变量系数主要频率协调监管方案同步发电机(SG)和双馈感应发电机(DFIG)。DFIG的变量调整系数的定义是根据目前的储备能力,可应用于调整不同操作条件下调节频率变化在一个预定义的容许范围。自从DFIG可以充分利用保护区的风力发电系统中频率的规定,该方法可以解决频率调节响应和经济性能。仿真结果表明,提出的协调控制方案可以达到满意的频率调节反应,导致需求减少SG的频率调节。

1。介绍

风能产业在世界各国正以较快的速度发展。到2050年,100%可再生能源可以提供给世界,其中风力发电占40%1,2]。这表明风能将逐渐成为未来可再生能源的主要来源。今天,风力发电技术相对成熟;然而,风力发电具有高度不确定的性质,因为风速极大地受到环境条件的影响,如温度和气流的变化。连接更多的风能电网不仅有许多问题在风电场本身的操作也给操作带来困难和监管的电网3,4]。传统的双馈感应发电机(DFIG)建立风力发电机没有频率调节功能,因为其转子速度是完全解耦的系统频率。因此,惯性响应和频率调节电网的能力在这个配置的影响。如今,一些风力发电产业在发达国家已经要求风电场应具有一定的频率调节能力提出了先进的策略。然而,认识到DIFG-based风力涡轮机的可调频率范围是严重的限制风速(5]。此外,风力发电通常是包含在频率调节,使之成为一个复杂的过程中协调与传统同步发电机(6]。

为了解决上述问题,人们做了许多努力探讨可行性将风力发电并入电网频率调节近年来通过开发先进控制策略和频率调节方案(7,8]。在[9- - - - - -11),造成的潜在问题大规模风力发电集成,和最近研究进展相关的两个重要方面,控制策略和频率调节能力,已审核。在DFIG控制设计方面,作者的12- - - - - -15]提议使用比例微分控制器(PD控制器)来构建一个主频率调节控制器在转子端,设计相应的转换器,这样DFIG可以迅速适应系统中频率变化引起的。此外,发展速度控制方案后,作者的16- - - - - -18)提出了几种复合变速风力发电机频率控制方案结合可变螺距控制方法和虚拟惯性控制方法。在[19),介绍了可变下垂加强风力涡轮发电机的主要频率的贡献(WTG),和每个WTG监管的下垂参数优化输出功率根据可用的备用功率保证金。在[20.),降维模型集成控制器方法的建议,从而对风力发电机组的。主要提供惯性响应和频率控制此控制器允许耦合控制转矩和螺旋角DFIGs的速度范围。在[21),仿真结果表明,惯性项可以忽略,而合成惯性策略减少了非常快的下垂控制策略。指出,所有上述方法提出了风电场的角度或者内部控制风力涡轮机的合成研究的可能性和有效性使用风力发电在电网的频率调节。然而,当变频的风力发电并入电网作为一种新型的频率调节电源的经济表现DFIG-based风力涡轮机和系统频率调节能力的同时应该考虑。因此,为了获得更好的电网响应和频率调制能力,有必要协调DFIGs之间的频率调节输出和同步发电机,根据可调频率的能力DFIG-based不同风速下风力涡轮机。事实上,这个观点已经被认为是一个新兴的研究课题,因为它可以提高风频率调节。

灵感来自上面的讨论,探讨了使用DFIGs实现频率调节的可行性从的角度调整系数。我们发现可调频率的风力涡轮机可以有效地进行电网的频率监管责任。我们提出一个协调的主要频率调节策略之间的同步发电机和DFIG-based风力涡轮机使用变量系数。战略考虑风速变化的影响在DFIG的风能采集和提高了最大功率点跟踪翻译(MPPT) [22,23传统的DFIG运行方式。翻译的MPPT地区,DFIG达到deloading翻译操作通过控制转子的速度偏离MPPT操作点;在恒功率区,DFIG运行deloading操作通过控制螺旋角,以储备对DFIG有功功率参与电网的主要频率调节。这一战略考虑频率调节能力和经济效益。在DFIG容许范围的频率变化,可以充分利用闲置产能参与系统频率调节。它不仅可以减少同步发电机的频率调节压力,也降低了风力发电间接缩短。最后,仿真结果证明了该策略的有效性。本文的主要贡献是引入一个变量系数频率协调监管SG和DFIG,可适应不同操作条件下充分利用储备风力发电,并解决频率调节响应和经济性能。

本文的结构如下:部分2提供了系统建模和问题公式化。部分3介绍了协调控制方案的发电机。协调频率调节策略节中给出4,数值模拟部分所示5。最后,给出了一些结论6。

2。系统制定和问题陈述

本文研究了同步发电机系统包括(SG)和DFIG-based风力涡轮发电机(WTG)。之间的连接结构SG和WTG如图1(一)。WTG主要频率调节系统由空气动力学模型,螺旋角控制系统如图1 (b),DFIG辅助控制器实现惯性反应,和查找表来计算最大和deloading功率。

在图1 (b),f是当前频率,额定频率,是预期的角速度,是当前角速度,是甩负荷的保留螺旋角,是比例系数,是控制器的时间常数,和螺旋角的最大和最小限制。与传统的螺旋角控制相比,螺旋角的频率响应链接补充道,和电网的频率偏移作为输入。通过调整螺旋角响应频率变化,DFIG-based风力涡轮机可以提供长期的电源对电网的支持。

一个简化的动力学模型使用的电气行为时风力涡轮机是这项研究的主要兴趣。风速和空气动力力矩之间的关系可以被描述为 在哪里气动转矩提取风,是空气密度,R是风力发电机转子半径,相当于风速、转子的螺旋角,是提示速度比,转子的空气动力效率。

开发了计算数值近似对于给定的值和 。这里用作以下近似 在哪里

实际上,DFIG的动态特性和电网是解耦的翻译在传统MPPT控制方法;风力发电机不能应对系统频率的变化。然而,转动惯量存储在WTG是显著的;因此,存在浪费的DFIG转子转动惯量传统操作模式。然而,如果有一个合适的操作条件,它可以通过适当的控制策略充分释放和利用来支持系统的稳定性。本文的目的是开发一种新的对风力发电机组的参与主要频率控制策略规定,SG之间的协调控制策略和DFIG主要频率监管是探索。

3所示。协调控制的同步发电机和DFIG-Based风力涡轮机

3.1。频率调节的特点

根据SG的主要频率调节原理,调整系数,即 ,DFIG-based风力涡轮机的定义是 Δ在哪里DFIG的频率调节和Δf频率变化的系统。

当同步发电机和DFIG-based并行连接风力涡轮机,频率调节之间的关系特点和发电机的有功功率分配可以见图2。在图中,代表了调节同步发电机的特性曲线。代表DFIG-based的风力涡轮机。我们假设系统的总负载Σ ,线段对应是哪一个在图中。当系统频率 ,负载的同步发电机 ,和负载由风力涡轮机 ,这样

在系统负载增加Δ之后然后是稳定的f₁同步发电机的输出功率增加,Δ和产生的总功率输出 ;风力发电机的输出功率增加Δ和总输出功率 。的总和Δ两个发电机输出功率的增加P。根据图1和(4),我们可以获得 Δ在哪里和Δ代表的单位值同步发电机的输出功率和DFIG-based风力涡轮机,分别;和调整系数的单位价值的同步发电机和DFIG-based风力涡轮机,分别。

根据(6),当一个同步发电机和DFIG运行在并行模式下和发电机的功率增量被保留在各自单位值,SG和DFIG-based风力涡轮机之间的功率分配相应的调整系数成反比。即发电机与较小的调整系数较大的载荷增量,而较大的发电机调整系数较小的载荷增量。因此,可以得出结论:当同步发电机和DFIG-based风力发电机并联运行,DFIG-based风力涡轮机参与频率监管可以有效降低频率调节同步发电机的压力;频率调节同步发电机的输出和DFIG-based风力涡轮机可以被调整的比例协调来 。

3.2。协调控制策略后DFIG-Based风力发电机连接到电网

在主频率调节、频率调节同步发电机的输出是由 Δ在哪里f是系统频率偏差,系统额定频率,的单位价值调整系数,发电机的额定容量。

当DFIG和n同步发电机并联操作,根据(7),给出了调整方程如下: Δ在哪里和Δ同步发电机的频率调节输出吗和DFIG-based风力涡轮机,分别;和同步发电机的额定容量是我分别和DFIG-based风力涡轮机。

在稳定状态,当整个系统是Δ的频率变化f,频率调节发电机的输出系统Δ可以计算为 从(8)- (10),我们可以获得

如果所有发电机参与系统取代了一个等价的发生器,频率调节系统的输出 在哪里相当于调整系数和是系统的总容量。从(8)和(9),我们可以推出 基于(11)和(12),可以进一步获得

方程(12)和(15)说明,从整个电网的角度来看,当容量与系统是一个常数,每个并行操作生成器的较小的调整系数,较小的等价的调整系数该系统将和大单位功率调节,基本频率调节能力就越好;相反,每个平行操作发电机的较大调整系数,更大的调整系数该系统将和更小的单位功率调节,实力较弱的主频率调节的能力。从(13),当系统负载变化时,每个生成器可以确定的力量

当风力发电机,没有连接到电网频率调节能力, ,和趋于无穷。然后剩下的同步发电机使用微分控制方案。如果更多的风力涡轮机,没有取代传统同步发电机频率调节能力,连接到电网,然后我们知道 和系统将变得更大。因此,连接大型风力涡轮机没有电网的频率调节能力将明显减少频率调节系统的能力。

4所示。协调策略频率调节

主频率调节控制系统由DFIGs协调和同步发电机如图2。整个系统包括三个模块:控制区域:在这一领域,权力是恒定的;然后通过调整螺旋角行动系统,DFIGs的有功功率输出可以调整适应系统频率的变化;区域B:这个区域最大功率点跟踪模块。它可以实现功率的能力预定DFIG的开关运行概要文件和调整DFIG有功功率的参与频率调节根据调优变量调整系数;C区:该区域协调控制模块的同步发电机。根据系统频率偏差,我们选择相应的调整系数和协调之间的频率调节输出同步发电机和DFIGs。

4.1。控制策略的主要频率调节DFIG-Based涡轮机

摘要DFIG的传统操作模式被修改和改进。在最大功率点跟踪区域,DFIG控制deloading操作通过增加或减少转子速度。在恒功率区,它可以保留有功功率通过调整螺旋角,所以DFIG频率的调节能力。

以下4.4.1。最大功率点跟踪控制

受同步发电机调速器的原理,主要频率调节控制器连接风力涡轮机转子侧变换器的设计。我们DFIG-based风力发电机的负载降低20%在当前风速区域,如图所示3。在这个图中,是相应的转子速度当前风速,是次优功率风力发电机的负载降低20%,的调整系数DFIG最大功率点跟踪模块,f是系统的实时频率,是系统的额定频率,K₁Δ,增益值吗P_ω是DFIG-based风力发电机的频率调节功率对应于系统频率变化,然后呢是次优功率的总和Δ和频率调节能力P_ω。

风力涡轮机,相对应的频率调节功率频率变化

DFIG-based风力涡轮机可以参与频率监管传统同步发电机如果变量调整系数调整在最大功率点跟踪区域,并自动调整系数可以调整根据当前风速确定频率的监管权力。

4.1.2。在功率恒定地区控制策略

在本文中,我们介绍螺旋角的调节系数。通过改进传统的螺旋角控制系统,DFIG还可以实现的功能deloading预定功率恒定区对系统频率变化。在恒功率区,deloading DFIG运行可以通过预先调整螺旋角β₀由下列方程计算: DFIG-based风力涡轮机的叶尖速度比的定义是 。

根据同步发电机调节器的原理,我们设计的螺旋角控制器区域B,如图3。在图中,β_ω的螺旋角DFIG-based风力涡轮机的功率是恒定的。Δf之间的区别是系统当前的频率和额定频率 。 是静态调整螺旋角系数。K₂是获得的值。在功率不变区域,改进的螺旋角控制系统使DFIG适应当前风速通过调整螺旋角根据其特点。

当DFIG-based风力涡轮机参与频率调节、螺旋角的运动范围

在恒功率区,螺旋角之间的变量调整系数,介绍了频率特性和优化。DFIG-based风力涡轮机可以应对系统频率变化通过改变机械功率被DFIG根据系统频率的变化。因此,DFIG能够参与频率调整过程。

4.2。之间的协调策略的主要频率调节DFIG和同步发电机

系统与多个发电机,可以协调频率调整和通过这些发电机频率调节能力。当DFIG-based风力发电机连接到系统时,有必要对传统发电机检测包含这些新发电机。当系统频率变化时,频率调节功率的一部分将被分配给根据风速风力涡轮机(24,25)和诱导频率偏差。因此,有必要将系统的频率调节地区根据系统频率偏差的大小。

同步发电机的控制和协调策略C区,如图所示2。的基本方法进行了总结如下。

当系统在正常操作区域和频率偏差在允许的范围内(0.2赫兹),如果DFIG-based风力涡轮机使用的频率调节和deloading操作,这将导致风力发电缩短和减少风力发电的经济效益。一般来说,SG的调整系数在0.03和0.05之间。在这种情况下,为了减少SGs的频率调节输出,我们设置了调节系数0.05,因此,更多的保留能力DFIG-based风力涡轮机将用于频率监管和“废弃的空气”将会减少。特别是,功率不变区域,保留DIFG-based风力涡轮机的力量更大,因此可调频率输出功率也会增加。

频率偏差较大时,系统在应急管理领域。为了使系统运行稳定,加快恢复系统频率、同步发电机和风力涡轮机DFIG-based应该使用尽可能多的系统频率调节。同步发电机的调整系数通常设置为0.03,所以DFIGs参与系统频率调节尽可能根据当前风速。

上述研究系统协调控制策略和DFIGs同步发电机可以通过以下步骤实现:

测量系统频率和计算频率的变化

如果频率变化大于0.2赫兹,我们设置了SG的调整系数为0.03;否则,我们设置SG的调整系数为0.05

测量转子的速度DIFG在当前风速

如果> ,我们可以计算沥青调整系数在恒定面积的基础上(17),然后应用的操作系统

如果≤ ,我们可以计算沥青调整系数在最大功率跟踪面积的基础上(17),然后应用的操作系统

计算的主要频率调节同步发电机,Δ ,基于步骤的结果,ΔDFIG的主要频率调节 ,基于一步或 。然后我们获得的总频率调节系统 。

该算法的实际实现可以在图中找到4。

5。模拟

为了验证提出的频率调节策略的有效性,我们使用Matlab / Simulink进行仿真,模拟模型包括4-generator和二区电网(26]。这个测试系统的结构如图5。3的电网模型由传统同步发电机的额定功率700兆瓦,和惯性时间常数为6.5。此外,DFIG-based与等效容量800×15兆瓦的风力涡轮机连接到总线2;上限的单位是1,有功功率和负载的能力L1和L2 1200 mw和1800 mw,分别。风力涡轮机的可变螺距时间常数是3 s和额定风速是12米/秒。在模型中,DFIG-based风力涡轮机操作负载条件下减少20%,和有一个负载跳上L1 40多岁的时候。在实际情况下,风电场参与频率调节一般选择在发达风区。此外,当风电场的规模非常大,风能的收集效果也是显著的,因为它可以降低风速和输出功率的波动。因此,风速变得平坦。本文的主要重点是风力发电机的可行性分析参与频率调节; hence, we select a constant wind speed in the simulation. In this simulation, the output active power of DFIG and SG is per unite value based on 。

5.1。负载的变化最大功率点跟踪的区域

两种情况进行模拟研究:(a)小于0.2赫兹频率变化和(b)频率变化大于0.2赫兹。

(a),风速设置为9米/秒。40多岁的时候,外加负载突然增加了300兆瓦,然后频率偏差小于0.2赫兹。SG的调整系数, ,设置为0.03,0.04和0.05,分别。相应的仿真结果如图6。

在图6,我们发现的频率调节输出SG逐渐减少,只要调整系数增加(图6 (b)),而监管DFIG-based风力涡轮机的输出频率逐渐增加(图6 (c))。从的角度系统频率恢复,恢复频率响应当我们组是最好的= 0.03,如图6(一)。然而,如果SG的调整系数很小,DFIG有限的频率调节输出,如图6 (c)。当我们设置= 0.05,频率也可以保留在一个约0.2赫兹,和系统频率是相对稳定的。因此,为了提高频率调节DFIG-based风力涡轮机的输出尽可能的恢复力量,充分利用DFIG-based风力涡轮机的频率调节,我们可以= 0.05。螺旋角变化也显示在图6 (d)。在图所示的波动6由于系统操作MTTP区域和频率变化大于0.2赫兹,所以它需要一些瞬态时间达到一个新的稳定状态,因为有限的控制效果的 。

(b),风速也9 m / s。40多岁的时候,外加负载突然增加了600兆瓦;频率偏差大于0.2赫兹。同步发电机的调整系数也是一样的(a),相应的仿真结果如图7。根据图7(一)复苏,频率响应是最好的,当我们设置= 0.03。当频率变化大于0.2赫兹,系统在紧急频率调制阶段,和终极目标是提高频率恢复系统的影响。所有的同步发电机和DFIGs应该尽可能地输出功率,如图7 (b)和7 (c)。根据图的频率恢复效果7(一)和螺旋角变化如图7 (d)的调整系数应该设置为同步机= 0.03。

5.2。在恒功率负载变化区域

两种情况下的恒功率区域模拟研究中:(a)频率变化大于0.2赫兹,和(b)小于0.2赫兹频率变化。

(a),在恒功率区,风能被DFIG主要是由调整节距角控制的控制机制。风速度设置为15米/秒。40岁时,负载突然增加了600兆瓦;然后频率偏差超过0.2赫兹。SG的调整系数, ,分别设置为0.03,0.04和0.05。仿真结果如图所示8。

在图8,当设置为0.03,频率恢复性能是最好的其中3例和频率偏移可以保留在0.02赫兹如图8(一个)。因为频率偏移超过0.2赫兹频率的一个周期过程中复苏,频率偏移的大小大于正常价值。因此,系统进入紧急控制阶段。为了使系统频率恢复更好,DFIG-based风力涡轮机可以充分利用恢复力量的频率调节功率是恒定时,风速快,DFIG有很大保留权力。从频率恢复结果图8(一个),当我们把= 0.03,DFIG-based风力发电机和同步发电机可以参与频率监管尽可能(图8 (b))。图8 (c)还表明,DFIG风力涡轮机的输出单位已达到有功功率的上限。因此,我们可以把20%的保留权力为频率调节频率调节功率的一部分,这样的最小值频率下降和稳态偏差反应已显著提高。图8 (d)提供相应的螺旋角变化。

(b),风速设置为15米/秒。40岁时,负载突然增加了300兆瓦;频率偏差小于0.2赫兹。SG的调整系数, ,设置为0.03,0.04和0.05,分别。仿真结果如图所示9。当系统在0.2赫兹频率降低,频率时可以恢复好= 0.03,0.04,和0.05根据频率变化的图9(一个)。图9 (d)显示,当= 0.05,螺旋角的行动范围是最大的,达到2.8°,DFIG的储备力量释放pu(图0.079 (b)),它可以减少系统的稳态频率偏移0.15赫兹。这表明了DFIG有效地降低了功率变化率SG的频率变化的初期阶段(图9 (c)),能够不断为电网提供有功功率的有效支持。

频率调制的过程中,能充分利用DFIG的储备力量为频率调节通过增加DFIG的功率输出,从而间接地减少弃风。图的仿真结果9表明,当频率变化在允许范围内,越大值,静态调整系数越小的螺旋角。螺旋角的行动的范围会更大,和DFIG的频率调节能力将增强,这样它可以进行更多的输出功率和进一步降低电网的稳态频率偏移。

6。结论

在本文中,我们提出了一个控制策略对系统的风力涡轮机被进一步纳入监管频率调整传统的同步发电机的主要频率调节原理。DFIG可以为电网提供惯性力量支持和参与频率调节同步发电机。通过理论分析和仿真验证,可以得到以下结论:

可调频率的风力涡轮机可以有效地进行电网的频率监管责任,和频率调节输出之间的同步发电机和DFIG-based风力涡轮机可以通过调整协调和分配和 。

变量差异系数DFIG在不同风速段定义和校准。在对应的风速变化实时调节输出频率可以确定考虑到目前的保留能力。

通过协调DFIG之间的频率调节输出和同步发电机,频率偏差是保留在容许范围内,和使用的力量DFIG-based风力涡轮机可用于频率监管尽可能多。这些提出的方法不仅可以满足电网频率调节的需求也减少生成的“废弃的空气”DIFG减负荷。

未来的工作将集中在验证提出的协调和控制策略在更现实的风速和操作场景。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究的部分支持由云南电力试验研究所。