基于传动调速的大型风电机组一次调频控制方法.pdf

56 EPEM 2023.7 下发电运维Power Operation基于传动调速的大型风电机组一次调频控制方法华电（宁夏）能源有限公司新能源分公司 高 刚 李 敏 柳 旭摘要：本文提出基于传动调速的大型风电机组一次调频控制方法。测试结果表明，本文设计的调频控制方法的频率控制偏差最高为0.0025Hz，控制精准性较好，具有良好频率控制效果。关键词：风电机组；传动调速；一次调频；转速频率风力发电的大力发展对于实现我国能源结构优化转型具有积极的促进作用，风力发电的核心风电机组能够将清洁风能转化为电力，拥有较为复杂的机电结构。由于风力的复杂多变，机组风轮受到的风力载荷时重时轻，此时机组也会通过传动机制将不同的风速力矩传动到发电机，使电机转速出现较大波动，导致电机输出电压极为不稳定，损害电机使用寿命和电能效率。为了在不同风力下输出稳定电能，必须保证大规模风电机组在运行过程中根据风速变化及时对有功功率进行一次性频率调节1。现有一次调频控制方法的频率偏差较大，无法有效控制机组功率，所以相关的研究学者对其进行研究。颜湘武2等人以转子动能惯量支撑为基础，分析发电机组的惯量特性和下垂特性，有效避免频率二次跌落，缓解输出有功功率，为风力机组安全稳定运行提供功率支持。但该方法未进行耗时方面的测试，在机组一次调配控制速率方面有待验证。盛锴3等人以实际功率响应参数为基础构建调频模型，通过狼群算法获取模型全局最优解，完成机组实际功率响应辨识。但该方法在大规模复杂电力环境下的辨别能力需要进一步提高。1 基于双模线性调频分解运行信号大型风电机组的传动运行是通过调速电机控制齿轮箱，将输入的风轮非线性转速控制成恒定转速。为了清除输入的风电机组一次调频过程中的无用转速信号，降低控制偏差和运行损耗，需对采集的转速信号进行分解。假设转速信号表示为 y（t），s（t）为脉冲回波，n（t）代表无用噪声，则运行信号的产生可以表示为：y（t）=s（t）+n（t），利用波束形式法提升运行信号的信噪比，则对该原始信号进行时频转化，利用频谱移相求和方法获得信号的特征频谱。在一定的映射空间中，运行信号的瞬态频谱利用下述公式表示：，式中：tm表示频谱特征。通过分布式信号方位估计方法，获取多普勒基波信号形式。对噪声频谱进行计算，获取去噪后的转速信号公式为：，式中：fe1表示电压信号消失频率，fe2为谐波信号介质频率，ta表示信号频率位阶。对去噪的运行信号做频谱分解。假设采集到的电压信号属于随机信号，表示为 x（t），则表示无意义的离散信号 y（m），波束信号宽度描述为 Ts。波束信号的深度一定程度上对信号能量分布特性产生影响，该影响可以用公式描述：，将波束信号所有相关特征量的相关性进行对比，根据关联准则挖掘以及频谱特征提取方法，获得波束信号在每个特征量的聚集情况4，并结合本式的计算结果，综合展现运行信号的特征信息。根据特征信息可以截断有效信号和无用信号。设在信号 x（n）上截取长度是 L 的点，x（n）的频谱能够利用 L 点上的 DFT 完成信号分解：，式 中：，如 果2023.7 下 EPEM 57发电运维Power OperationL=MN，并且令 n=n1+n2N，K=k1+k2M，则完成风机机组运行信号的分解去除了无用信号，为后续调频奠定数据基础。2 基于传动调速的一次调频控制方法2.1 风机机组一次调频仿真模型建立大型风机机组的转速变化具有非线性特征，变化幅度较大。转速频繁变化会长期启动风轮桨距，通过转子增速或减速伺服控制风机机组运行。频繁开关桨距会降低风轮的使用寿命，甚至影响调频的精度。因此本文选择采用基于传动调速的风电机组一次调频控制方法，根据风机齿轮各部件的转速和转矩关系，建立一次调频仿真模型。当实际运行转速超过风速额定阈值，风机无法通过调节转子完成高速运行模式与低速运行模式的转换，可以通过一次调频仿真模型模拟控制一次调频的具体幅度。风机机组输出频率稳定运行的前提是机组转速与转矩的平衡。在风机机组运行过程中，为保证最终的供电质量，必须在分析各参数关系的基础上科学地分配各发电机组的转子电压。由机组调节中心模块使各机组转子的输入和输出电压和功率保持平衡。所以在实际的大型风机机组转速变化中，一般不存在包含多个相关子系统的独立转子系统。对由两个或两个以上转子磁链连接的子系统来说，除了保证其电压供需平衡外，还应保证其频率稳定。风轮转子有多种磁链。风机机组在运行时，一旦磁链上的转子被风荷变动干扰，电机的频率将很快发生变化。以满足电力输出稳定为目标，结合机组整体耗能特性与机组运行态势，得到以激励为基础的响应调度模型。风电机组频率一次调节方法的设计，需要根据电机功率需求响应特点，灵活调节机组负荷，避免大规模失稳现象的出现，得到如下所示的调节模型。分析电机输出功率和转速频率关系，一般用功率 P 表示电机转子转矩 T，计算公式如下：P=T、P=PL+D，式中：D 表示叶轮惯性响应常数；表示角速度。利用适应值函数选取机组输出功率与偏差功率的均方差，根据机组全程的出力情况，对发电机组初始转速约束条件进行初始化设置，同时随机初始化全部时段的调节频率，使其满足各项约束条件；将转速数据的个体极值与位置、全局极值与位置进行任意初始化设置。若此时满足出力及储能约束，则计算转速变化负荷分配结果并输出，若此时未满足，则根据调速率统一机组调速程度。速度变化调节率一般以 R 描述：R=a/ap100%，式中：a 表示转速变化率；ap表示功率输出变化率。频 率 偏 差 与 负 荷 扰 动 关 系 如 下 所 示：，式中：D 表示负荷阻尼常数；PL表示有功偏差。风电机组一次调频模型公式如下所示：W=-P/fss=1/R+D。一次调频具有非线性和缓冲性，它的输出功率在瞬时会存在不平稳波动，W 也会因此增加，转速频率随之超出限定阈值，增加了电机运行的不稳定性。因此，为了提高电机频率控制效果，提出了控制策略。2.2 一次调频控制方法基于上节获得的调频模型，利用传动调速设计一次调频控制方法，对风速不同造成的调频误差进行控制。在进行风机一次频率调节时，需要依据差异性的风速，对调频模型进行优化控制。根据上节的分析结果，设计一次调频控制方法流程，分为以下步骤。步骤1：根据设定的频率偏差阈值定位风机开始调频的初始时间；步骤2：输入转速后，将第 i 时的调频目标值 DDAA,ES（i）和初始运行频率 DDAA,G（i），按照相等的比例对不同电压下的调频偏差值 SACE（t）进行动态分配；步骤3：根据风速变化参数 和转速变量 PES，计算出调节灵敏度 SES；步骤4：对控制策略中的调频灵敏度 SES进行监测，判断该灵敏度是否使输出功率变化值符合目标调节范围，如果判断结果为否，则需回到上一步继续计算灵敏度。否则需调整分配比例。步骤5：调整分配比例，利用 DDAA,ES（i）和调频初始化后的备用功率值 PGcap（i），以相等的比例对调节需求负荷 SARR（t）进行动态分配；步骤6：参照以上比例，重复进行步骤3；步骤7：利用Lagrange 函数解决调频偏差优化问题，公式如下：，式中：a=a1,a2,amT，a 表示 Lagrange 乘子。w与 b 分别表示权重与函数中值；i与（ui）分别表示局部变化率系数和闭区间映射；i表示误差变量。J（SARR（t）,SESa）表示调频误差的高斯径向基核函数。通过求解参数 a 与 b，从而控制转速，由此完成一次调频。3 测试与分析为证实设计方法具有应用价值且选择的一次调58 EPEM 2023.7 下发电运维Power Operation频方案可解决当前运行问题，需要完成实验测试。构建综合型20机组测试系统，对此方法的应用效果进行分析。3.1 测试参数设定采用20机组测试系统在 Simulink 仿真软件中设置主频为1的条件下进行仿真测试，其中含有10台风电机以及部分微燃机及储能单元，机组参数与负荷数据见表1。表1 机组参数及负荷量统计表设备类型风力发电机微型燃机储能单元单机最小储能容量（kW）010-单机额定储能容量（kW）505050单机负荷量（kW）1005.52652550使用寿命（年）1515-风力发电机的发电功率约束设定为60MW，设备常规备用负荷为总负荷的15%。风电备用比例系数取值为0.15。利用 Simulink 建立了风机机组一次调频仿真模型，在储能单元中连接调速设备和转速励磁调节设备，均为250MVA。储能单元串行环境采用普通PC 机。试验平台为多个储能单元节点组成的 Cluster，节 点 由18GBRAM 和2.98G8核 IntelXeomX9870CPU 组成，集群通信基于 MPI 库实现。仿真数据集选择某风力发电厂的开放数据集，该数据集提供多种规模机组的数据集，将数据集写入 HDFS 中。具体环境配置如下：硬件环境 Inteli3双核 CPU、网络环境 DDR20GBInfiniband、单节点内存6GB、节点连接网络天河-1A、MPI 版本 MPICH-2、处理器 IntelXeon642.33GHz、模型编译器 Simulink、操作系统 Centors7.0、编程语言 Python。图1 一次调频仿真模型 图2 三种方法一次功率调频控制 偏差对比分析3.2 测试结果分析3.2.1调频控制偏差测试电力系统运行过程中，电网频率正常为50Hz，调频控制偏差不超过 0.01即为有效控制。基于图1所示的调频仿真模型，以文献 2 方法和文献 3 方法作为对比方法，测试不同方法的机组一次调频控制偏差，以此验证本文方法的有效性。设置测试运行时间为7s，过度补偿为6%，测试结果如图2所示。由图2可知，使用文献 2 方法进行一次功率调频，频率偏差的最高值是0.039Hz，文献 3 方法进行一次功率调频，频率偏差最大值是0.018Hz。使用本文方法进行一次功率调频，频率偏差最大值仅为0.0025Hz，偏差明显小于其他两种方法。这是因为本文方法通过波束形式法转化调频分解运行信号，以频谱移相求的形式分解特征频谱，获取运行信号信噪比，提高信号去噪效果。通过上述分析结果可知，使用本文设计的调频控制方法具有良好频率控制效果。3.2.2耗时测试为了评估本文方法、文献 2 方法、文献 3 方法的机组一次调频实用性，统计三种方法在以上20机组设备一次调频控制过程中的耗时，测试结果如图3所示。图3 不同方法一次调频控制耗时结果由图3可以看出，与文献 2 方法和文献 3 方法相比，本文方法在机组设备一次调频控制耗时更短。这是因为本文方法利用转速和转矩等参数获取机组整体耗能特性，在此基础上建立响应调度模型，分析机组激励情况，优化电机运行效果。根据响应调度模型调节功率需求响应，以此构建调节模型，提升机组一次调频控制速率。参考文献1 单煜,汪震,等.基于分段频率变化率的风电机组一次调频控制策略 J.电力系统自动化,2022,11.2 颜湘武,孙雪薇,等.基于转子动能与超级电容器储能的双馈风电机组惯量和一次调频改进控制策略 J.电工技术学报,2021,1.3 盛锴,邹鑫,等.基于功率响应特性的双馈风电场一次调频模型参数全局辨识J.热能动力工程,2022,9.4 蔡晖,张文嘉,等.基于大规模风电机组的虚拟惯量控制技术对江苏电网频率稳定性的影响研究 J.电力电容器与无功补偿,2021,4.