考虑最大转子动能储备的直驱式风力发电机组群优化控制

赖业宁，颜云松，薛峰，唐冠军

(国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 211106)

0 引 言

随着我国“双碳”目标的确立，新能源发电在能源应用领域得到进一步重视[1]。截止到2021年6月我国风电装机容量达到22.6亿千瓦，同比增长9.5%[2]。为了实现低弃风率，要求风力发电机采用最大功率追踪控制(maximum power point tracking, MPPT)实现最大风能捕获[3-4]。近年来，随着风力发电机组等新能源快速发展和大规模接入电网，对电网安全稳定运行造成影响。为此，南瑞集团等编制和发布了Q/GDW 10256—2020《新能源场站全景监控通用技术规范》，旨在针对新能源场站紧急情况开展信息感知和利用电力电子设备进行快速调节，从而提升新能源场站机组的精益化控制水平[5]。

目前，针对风电场站的紧急控制主要是考虑快速切功率的运行情景，通常采用切场或切机[6]。随着风电接入的容量增大和技术需求的提升，在未来紧急控制中还需要风电机组具备紧急功率速增的潜力。为了满足在MPPT运行模式下的风电场紧急功率速增，通常配备储能装置。为了降低储能装置的安装与运维成本，可以对风电机组采取降功率运行。文献[7]针对风电机组容量增加导致调频能力不足的问题，结合低、中、高三种风速模式提出一种超速和变桨减功率控制模式，实现全风速范围容量备用。文献[8]针对大规模新能源接入电网的安全稳定问题，提出采用低频减载作为频率紧急控制的手段，并提出基于df/dt的低频减载优化策略。文献[9]指出变速风电机组通过提前减功率参与电网紧急调频，可以有效解决风电随机性对电网运行产生的影响。可以看出，风力发电机组开展容量备用的方式主要是通过超速或变桨距控制实现减功率运行。其中变桨距控制动态响应时间较长，通常为秒级，而紧急功率控制通常需要的响应时间为数百毫秒，因此变桨距控制不适合用于紧急功率控制[10]。而超速运行是使风力发电机转子运行在超速模式下，通过瞬间释放转子动能获得有功支撑。

本文针对风电场参与紧急功率速增控制的情景，以直驱式风力发电机组(direct drive wind power system, DDWPS)为研究对象，对其超速减功率运行进行了分析。搭建基于Simulink的DDWPS，对不同风速条件下的机组超速减功率与发电机转子动能存储性能进行了仿真。并以最大转子动能储备为优化目标，利用GUROBI优化软件对某风电场多台DDWPS的超速减载率进行优化。该方法的实现可以为风电场参与紧急功率速增控制提供理论与工程基础。

1 超速减功率控制

图1 恒定风速下PMWPG输出功率与转速关系曲线

对于DDWPS，实现超速减功率运行是通过改变永磁风力发电机(permanent magnet wind power generator, PMWPG)的电磁转矩电流，从而调节PMWPG的转速，使其工作在MPPT曲线之下。图1给出了在某一恒定风速下，PMWPG输出功率与转速的关系曲线。可以看出，当发电机进行MPPT控制时，输出功率为a点，此时的转速为最优转速ωopt。为了实现有功功率的储备，需要降低发电机的输出功率。此时，通过减小发电机的电磁功率，使转子提速至超速点b，所对应的发电机转速为ω1。由于受风力发电机组机械安全性能的约束，发电机的转速必须限制在最大转速ωmax以内，因此机组的超速点不允许超过ωmax。

根据上述超速减功率运行过程分析，可以得出风力发电机组最大减载率为DDWPS在固定风速下，风力发电机转速达到ωmax时的输出功率与MPPT时的输出功率与之比，即：

(1)

式中:PMPPT为工作在最大功率点时的功率；Pωmax为发电机转速在最大允许转速ωmax时的功率。

结合图1可以进一步得出，只有当风速处于中低风速区域时，才可以实现仅利用发电机转子超速实现减功率运行。此时，根据全景监控系统首先判断机组是否可以满足减载指令要求，若可以满足要求，则求出超速降功率运行时的发电机电磁转矩电流，对机侧变流器进行控制，实现超速减功率运行。

2 超速减功率运行仿真

本文基于Simulink搭建了一台2 MW的DDWPS仿真模型，并对不同风速下的PMWPG超速减载情况进行了仿真。仿真系统的主要具体参数如表1所示。

图2(a)和图2(b)分别给出了额定风速11 m/s时，DDWPS工作在MPPT和最大超速减载条件下的仿真结果。可以看出，系统在1.8 s时由MPPT模式进入超速降功率模式，此时PMWPG转速由25 r/min调节到最大允许转速28.5 r/min。输出功率由最大功率2 MW下降至1.8 MW，减载率为10%。在整个超速过

表1 DDWPS仿真系统主要参数

程中，发电机转子储存的能量增加：

(2)

图2 11 m/s风速下的DDWPS超速减功率仿真结果

式中:J为DDWPS的转动惯量；ωopt为最优转速；ωmax为最大允许转速。

图3(a)和图3(b)分别给出了低于额定风速时的仿真结果。本文以10 m/s为例，系统同样在1.8 s时由MPPT模式进入超速降功率模式，此时PMWPG转速由22.1 r/min调节到最大允许转速28.5 r/min。输出功率由最大功率1.5 MW下降至1.14 MW，减载率为24%。整个超速过程中，发电机转子储存的能量为63.3 kJ。

图3 10 m/s风速下的DDWPS超速减功率仿真结果

从图2和图3可以看出，当DDWPS工作在额定风速下，其最大减载功率较大，但是转子动能增加小于DDWPS低于额定风速条件下的超速减功率运行时的转子储能。因此当一个风电场有多台机组响应减功率指令时，存在机组优化使风机转子动能存储最大，以便在紧急功率速增时提供更多的有功功率支撑。

3 多台机组超速减功率优化运行

本文以三台机组为例，对其减载率进行优化，以实现最大转子动能，其目标函数为：

(3)

约束条件为：

(4)

式中：ωi_intial和ωi_final分别为第i台风机在超速前的角速度和超速后的角速度；Pd_ref为接收的减功率参考值；Pd_i为第i台风机的超速后的功率。

由于该优化为单目标线性优化，因此选用GUROBI优化软件进行计算。假设一个风电场中的风速分布不均，三台机组的风速分别为额定风速11 m/s、低于额定风速10.5 m/s和10 m/s，风电场接收的减载率指令为10%。在不开展优化时，风电场各台风机在允许最大转速的情况下，通常将该减载指令均衡施加到各机组上，即每台机组减载10%运行。优化前后结果如表2和表3所示。可以看出，优化前总的转子储能为110.9 kJ，而优化后总的转子储能为112.9 kJ，相比优化前增加了1.8%。

表2 优化前结果

表3 优化后结果

4 结束语

结合紧急功率速增控制的响应时间要求，对风电场中DDWPS超速减功率运行进行了分析，并搭建基于Simulink的DDWPS仿真模型，对不同风速条件下的机组超速减功率与发电机转子动能存储性能进行了仿真。结果表明，在中低风速条件下，对DDWPS的PMWPG进行控制可以实现超速减功率运行，且额定风速下的超速运行相比低于额定风速，其降功率较多，但转子动能增加较少。针对风电场多台发电机共同参与高紧急功率速增的情况，要求在满足功率需求的同时，需要更多地增加转子动能以提高紧急功率输出的支撑。因此本文以最大转子动能储备为优化目标，利用GUROBI优化软件对某一风电场中三台DDWPS的超速减载率进行优化。结果表明，额定风速条件下的风机相比低于额定风速条件下的风机，其减载率应较小，以增加整个风电场多台机组的转子总动能。通过上述研究可以为风电场参与紧急功率速增控制提供理论与工程基础。