CN110336304B - 一种基于变功率点跟踪和超级电容器储能协调控制的双馈风电机组一次调频方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于新能源技术领域的一种基于变功率点跟踪和超级电容器储能协调控制的双馈风电机组一次调频方法,使得风机在无扰动和系统负荷增大下进行最大功率点跟踪,实现发电效益最大化;负荷减小则一次频率调节控制启动,根据频率偏差及虚拟惯性控制得到附加功率叠加到最大功率跟踪下的输出功率中,得到最终参考功率实现频率调节;为了实现一次调频时所需的备用容量供给,将超级电容器经过双向DC/DC变换器与双馈风电机组直流侧母线电容相连,网侧变流器的作用是维持直流母线电容电压的稳定,超级电容储能装置的放电功率通过网侧变流器直接流向负荷侧。
Description
技术领域
本发明属于新能源技术领域,具体涉及一种基于变功率点跟踪和超级电容器储能协调控制的双馈风电机组一次调频方法。
背景技术
根据国际能源机构(International Energy Agency,IEA)公布的数据,自2009年以来风电在能源结构中的占比逐年增加,平均每年增长0.44%,2017年,风力发电占全球能源需求量的5.6%,风电渗透率具有持续增长趋势。双馈风电机组的变频器控制策略可以实现将有功、无功进行解耦,且实现变速恒频功能,是主流机型之一。由此带来的问题是DFIG转子转速和系统频率无耦合关系,风电的大规模并网必会降低系统调频能力。此外,DFIG通常处于最大功率点跟踪(maximum power point tracking,MPPT)运行状态,没有备用容量进行一次频率调节,也进一步加剧了风电并网的频率稳定问题。
国内外针对风电机组的频率响应开展了较多研究,提出了一些成熟控制方法以满足电网友好型风电场的建设需求。例如在MPPT的基础上叠加虚拟惯性控制和下垂控制,有效增加系统的等效惯量和阻尼,但下垂控制并未改变DFIG捕获的机械功率,因此只能在一定程度上缓解频率下降速度,可能造成频率二次下降;若预先控制DFIG减载运行,就可以留有功率裕度使风机持续参与调频。若直接通过桨距角调节获得备用并参与调频,但机械调节精度低速度迟缓,且考虑到实际运行中一般桨距角固定、不调,有利于变桨控制系统安全、可靠及延长寿命。还有的方法调整了最大功率跟踪曲线,使得风机运行在次优功率曲线上,以此来获得一定备用容量,但超速控制减小了频率升高扰动下的转速调节范围,降低了频率调节能力。并且以上两种控制方式均未考虑到DFIG自身发电效益,降低了风能利用率。如何合理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,是目前需要解决的问题。
另一方面,储能装置已广泛应用于风电场,当前已有方法在DFIG背靠背变流器直流母线侧并联电池和超级电容器组储能单元以平抑风速波动,平滑功率输出;在直流母线并联超导储能单元以改善DFIG应对低压事件的动态性能,为DFIG配备储能装置参与系统调频提供了可能性。还有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,但风电机组本身不具备自主运行参与系统调频能力。
发明内容
结合上述存在的问题,有必要将双馈风电机组的一次频率调节策略进行改进,本发明兼顾DFIG运行的经济性和系统频率稳定性,提出了基于变功率点跟踪和超级电容器储能协调控制的双馈风电机组一次调频策略。该策略在最大功率跟踪模式的基础上进行改进,当出现负荷减小的单一扰动时,其转速调节深度明显优于传统超速减载控制,可提高频率调节能力;负荷增加扰动下则由储能装置为风电场提供备用容量参与系统调频,实现DFIG不损失发电效益的基础上在全工况下均具有一次频率调节能力;在源荷随机波动场景下也无需桨距角调节就可以达到优于传统超速减载控制的频率调节能力且显著提高发电效益。
本发明提出的设计方法主要包括两部分,在负荷突减扰动下的变功率点跟踪控制和在负荷突增扰动下的超级电容器储能控制。其调节步骤如下:首先根据负荷预测模块判断扰动类型,在无扰动和负荷增大扰动下,风机运行在最大功率点跟踪状态下,实现发电效益最大化;若负荷减小,一次频率调节控制启动,根据频率偏差Δf得到附加调节功率ΔP1及虚拟惯性控制得到附加功率ΔP2叠加到最大功率跟踪运行方式下的输出功率Pω中,得到最终参考功率Pref。由变功率点跟踪的控制策略可知,在负荷突增扰动下风电机组无备用容量参与调频,因此合理配置储能系统是提高风电场调节能力的关键。储能系统通过变流器与DFIG直流侧母线电容相连,变流器的响应速度为毫秒级,因此储能系统可以实现功率的快速变化,满足辅助风电机组调频的需求,且可以及时退出一次调频过程,防止超调。超级电容器一方面由于功率密度大,可瞬时大功率输出;另一方面可循环次数较多,满足频繁充放电的需求。因此选取超级电容储能系统辅助DFIG风电机组参与调频。超级电容储能装置参与风电机组一次调频的目的在于防止频率跌落以及尽可能的使风电机组转子转速恢复至最大功率跟踪点,因此当发生负荷突增扰动时,储能会相应动作,
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或技术方案,下面将对实施例或技术方案描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明一种基于变功率点跟踪和超级电容器储能协调控制的双馈风电机组一次调频方法的负荷突减扰动下的变功率点跟踪控制原理框图;
图2为本发明一种基于变功率点跟踪和超级电容器储能协调控制的双馈风电机组一次调频方法的超级电容储能系统的控制原理框图;
图3为本发明一种基于变功率点跟踪和超级电容器储能协调控制的双馈风电机组一次调频方法的超级电容储能系统的控制策略流程图;
图4为本发明一种基于变功率点跟踪和超级电容器储能协调控制的双馈风电机组一次调频方法的DFIG的储能配置示意图;
图5为本发明一种基于变功率点跟踪和超级电容器储能协调控制的双馈风电机组一次调频方法的超级电容器恒功率放电原理图;
图6为本发明一种基于变功率点跟踪和超级电容器储能协调控制的双馈风电机组一次调频方法的储能装置效率曲线。
具体实施方式
下面结合附图对发明进一步详细说明。
本发明提出的设计方法主要包括两部分,在负荷突减扰动下的变功率点跟踪控制和在负荷突增扰动下的超级电容器储能控制,其控制原理图如图1和图2所示。超速减载控制一方面在正常运行时损失了风电场的发电效益,另一方面在负荷突减这一扰动下并未考虑到转速和功率调节深度的问题,调节效果不佳。针对此问题,本发明进一步探索发现最大功率跟踪模式在正常运行方式下可最大化发电效益,在负荷突减这一扰动下若可以参与调频,则其运行点可在最大功率点处进行移动,功率调节裕度和转速可调范围远大于超速减载模式。因此本发明结合超速减载控制和MPPT模式的优点,最大化发电效益的同时实现DFIG在负荷突减扰动下的基于变功率点跟踪的一次频率调节,其调节原理框图如图1所示,结合了超速减载控制和MPPT模式的优点,最大化发电效益的同时实现DFIG在负荷突减扰动下的基于变功率点跟踪的一次频率调节,其调节步骤如下:首先根据负荷预测模块判断扰动类型,在无扰动和负荷增大扰动下,风机运行在最大功率点跟踪状态下,实现发电效益最大化;若负荷减小,一次频率调节控制启动,根据频率偏差得到附加调节功率及虚拟惯性控制得到附加功率叠加到最大功率跟踪运行方式下的输出功率中,得到最终参考功率。
设计超级电容储能系统的控制策略如图2所示。由变功率点跟踪的控制策略可知,在负荷突增扰动下风电机组无备用容量参与调频,因此合理配置储能系统是提高风电场调节能力的关键。超级电容储能装置参与风电机组一次调频的目的在于防止频率跌落以及尽可能的使风电机组转子转速恢复至最大功率跟踪点,因此当发生负荷突增扰动时,储能会相应动作。储能单元容量配置需要满足负荷突增扰动下的一次频率调节需求。若储能装置容量过小,无法提供充足的备用容量参与频率调节;若储能装置容量过大,则会增加储能系统成本,造成一定量的容量浪费。故综合上述因素,需要合理设置储能装置的容量。
图3为超级电容储能系统的控制策略流程图,为防止过充或过放,需要首先判定超级电容储能系统当前SOC状态是否满足SOCmin≤SOC(t)≤SOCmax约束条件。满足SOC约束后,超级电容储能系统在下垂控制下开始放电,输出功率参考值为Pref_scss=KscssΔf,Kscss为超级电容储能系统的下垂系数。当系统频率下降时,超级电容储能系统持续放电。
基于超级电容储能装置参与系统一次调频配置如图4所示,超级电容器经过双向DC/DC变换器与双馈风电机组的直流侧母线电容相连接。本发明中双馈风电机组的转子侧与网侧变流器可维持原有的控制方式,网侧变流器的作用是维持直流母线电容电压的稳定,故超级电容储能装置的充放电功率通过网侧变流器直接流向负荷侧。
本发明所采用的超级电容器储能装置处于恒功率放电模式,附图5为其放电原理图。其中,放电功率为Pd,电容两端电压为Uc,超级电容器储能装置两端电压为U,放电深度为d=1-γ,γ=Umin/Umax为电压比率,超级电容最低工作电压为Umin,最高电压为Umax。由图可知超级电容两端电压可得该超级电容器的放电功率/>在时间T内,超级电容储能装置电压由最高电压Umax到Umin的整个放电过程中,释放能量/>该超级电容储能装置释放的电能/>可得其放电效率/>为使得超级电容储能装置效率最高,则超级电容模组电压应相对较大,单个电容(The Super Capacitor,简称SC)电压通常不高,大约2.5V左右,故可通过串、并联数个SC构成高电压大电容模组来满足大功率储能要求。同时若满足Umin>>id*R,则可忽略超级电容器中的等效串联电阻R,可视其为理想的超级电容器,故电容容量为CF的超级电容器储能容量/>若储能装置由m组超级电容模组串联和n组超级电容模组并联构成,则按照最大功率输出定理,其输出功率的最大值/>且应当确保超级电容器达到最小电压时所输出的功率状态为满功率输出,由此需要满足/>可以得到附图6所示的储能装置效率曲线。
本发明的有益效果是:第一,基于变功率点跟踪和超级电容器储能协调控制的双馈风电机组一次调频策略是在最大功率跟踪控制的基础上在DFIG直流侧母线电容上添加储能装置,相比于传统的超速减载控制,其风能利用率、输出功率都得到大幅度提高,且传统控制的减载率越大,本发明所提出调频控制的发电效益提高的越明显。第二,基于变功率点跟踪和超级电容器储能协调控制的双馈风电机组一次调频策略在源荷随机波动场景下具有比传统超速减载控制更优的一次频率调节能力,且无需进行桨距角调节,有利于变桨控制系统安全、可靠及延长寿命,而传统控制下桨距角调节时间占比高达20%。第三,基于变功率点跟踪和超级电容器储能协调控制的双馈风电机组一次调频策略仅需一次性投入且投资额可接受,相比预留备用有较强的经济优势,其调频性能优于火电,且在后续的推广运行中,储能系统还可以进一步平滑出力、减少弃风弃光,业主可通过这些综合应用的模式增加收益。第四,本发明所提出的调频控制策略可以向电网提供平稳的功率潮流,有利于改善电网的电压、频率品质,实现全运行工况下的一次调节能力。
Claims (2)
1.一种基于变功率点跟踪和超级电容器储能协调控制的双馈风电机组一次调频方法,其特征在于,风机在系统负荷增大时维持最大功率点跟踪,实现发电效益最大化的同时,通过超级电容器储能辅助风电机组实现一次调频;在系统负荷减小时则转换到变功率点跟踪控制进行一次频率调节,具体实现方式如下:
A.将超级电容器经过双向DC/DC变换器与双馈风电机组的直流侧母线电容相连接,若系统负荷增大,可实现一次调频时所需的备用容量供给,双馈风电机组的转子侧与网侧变流器维持原有的控制方式,网侧变流器的作用是维持直流母线电容电压的稳定,超级电容储能装置的放电功率通过网侧变流器直接流向负荷侧;
B.在系统负荷减小情况下,双馈风电机组通过变功率点跟踪实现一次频率调节,根据频率偏差得到附加调节功率及虚拟惯性控制得到附加功率叠加到最大功率跟踪运行方式下的输出功率中,得到最终参考功率实现频率调节。
2.根据权利要求1所述的一种基于变功率点跟踪和超级电容器储能协调控制的双馈风电机组一次调频方法,其特征在于,所述实现方式A中储能单元容量配置时采用恒功率放电模式,超级电容器在恒功率放电时,其放电效率与最高工作电压大小成正比,综合考虑超级电容器组的成本和放电效率问题,且确保超级电容器达到最小电压时所输出的功率状态为满功率输出,通过串、并联数个SC构成高电压大电容模组来满足大功率储能要求。
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