雙饋風(fēng)機慣量控制最優(yōu)退出時刻的研究.pdf

1、風(fēng)能具有清潔、來源豐富和可再生等優(yōu)點，如今風(fēng)力發(fā)電在全球范圍內(nèi)發(fā)展十分迅速。風(fēng)電機組一般通過電力電子裝置接入系統(tǒng)，輸出功率與系統(tǒng)頻率解耦，不能響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化，對外表現(xiàn)出的慣量為零。因此風(fēng)電大規(guī)模并入電網(wǎng)導(dǎo)致系統(tǒng)慣量降低，使系統(tǒng)應(yīng)對有功功率擾動的能力變差。
　　風(fēng)機的慣量控制可以有效解決風(fēng)機并網(wǎng)導(dǎo)致的慣量降低問題。擾動發(fā)生后，慣量控制通過模擬同步機的慣量，釋放風(fēng)機存儲在轉(zhuǎn)子中的動能，使風(fēng)機參與調(diào)頻。在動能釋放的過程中，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速持續(xù)

2、下降;為了保證風(fēng)電機組的安全運行，風(fēng)機必須在轉(zhuǎn)速下降至下限之前結(jié)束慣量控制，退出調(diào)頻，切換回正常運行狀態(tài)，將轉(zhuǎn)速恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)值。風(fēng)機退出調(diào)頻導(dǎo)致其輸出功率突然下降，繼擾動引起的頻率下降之后，給頻率帶來第二次跌落。
　　本文深入分析和研究了風(fēng)機結(jié)束慣量控制引起的二次跌落問題，以方波式慣量控制為例，對風(fēng)機調(diào)頻過程建模并對模型進行了簡化，研究了二次跌落與風(fēng)機退出調(diào)頻時刻之間的關(guān)系，構(gòu)建了最優(yōu)退出方程組，并對最優(yōu)退出時刻的求解進行了化簡，先

3、后推導(dǎo)了風(fēng)機參與調(diào)頻時最優(yōu)退出時刻的精確數(shù)值解、最優(yōu)退出時刻的近似解析解以及固定退出時刻，其中固定退出時刻形式簡潔、計算簡單、物理意義清晰，適合在工程實際中應(yīng)用。
　　文章首先分析了風(fēng)機調(diào)頻及二次跌落問題的研究現(xiàn)狀，對現(xiàn)有方法進行了歸納和總結(jié)。然后介紹了風(fēng)機的運行原理、慣量控制的原理和系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型，并分析了風(fēng)機并網(wǎng)對系統(tǒng)慣量和頻率響應(yīng)的影響。
　　在上述研究的基礎(chǔ)上，對風(fēng)機調(diào)頻的過程進行建模，推導(dǎo)了風(fēng)機采用方波式慣量控制

4、參與調(diào)頻時的頻率響應(yīng)，然后以風(fēng)機退出調(diào)頻引起的二次跌落最小為目標，通過對頻率響應(yīng)的極小值求偏導(dǎo)的方法構(gòu)造了最優(yōu)退出方程組，得到了最優(yōu)退出時刻。通過非線性方程組的數(shù)值解法對最優(yōu)退出方程組進行求解，得到最優(yōu)退出時刻的精確數(shù)值解。
　　通過數(shù)值解法雖然可以得到最優(yōu)退出時刻的準確值，但數(shù)值解經(jīng)過多次迭代才能求得，不便于對最優(yōu)退出時刻的特性進行解析分析。為了得到最優(yōu)退出時刻的解析表達形式，論文對系統(tǒng)頻率響應(yīng)和最優(yōu)退出方程組分別進行泰勒展開，

5、得到最優(yōu)退出方程組的近似線性方程組，進而求得最優(yōu)退出時刻的近似解析解。解析解有明確的表達式，可對最優(yōu)退出時刻的影響因素進行分析。分析表明，風(fēng)機慣量控制的最優(yōu)退出時刻與系統(tǒng)參數(shù)、風(fēng)速、風(fēng)機輸出功率和擾動大小都相關(guān)。
　　為了簡化分析，文章進一步對風(fēng)機調(diào)頻時的頻率表達式進行化簡，采用一種簡化模型對風(fēng)機退出調(diào)頻的過程進行建模。從物理意義來看，簡化模型忽略了風(fēng)機退出調(diào)頻時的功率與退出時間之間的耦合關(guān)系以及風(fēng)機退出調(diào)頻后的轉(zhuǎn)速恢復(fù)過程，僅考

6、慮擾動發(fā)生時刻風(fēng)機輸出功率的增加以及退出調(diào)頻時刻輸出功率的下降。將最優(yōu)退出方程組應(yīng)用于簡化模型，得到簡化模型的最優(yōu)退出時刻。分析表明，簡化模型所對應(yīng)的最優(yōu)退出時刻與風(fēng)速、風(fēng)機的輸出功率和擾動大小均無關(guān)，稱為固定退出時刻。
　　理論分析和仿真結(jié)果表明，風(fēng)機在固定退出時刻和最優(yōu)退出時刻退出調(diào)頻時，所引起的二次跌落都比較小，二者產(chǎn)生的頻率響應(yīng)差異也非常小。這樣，在風(fēng)機以方波式慣量控制參與系統(tǒng)調(diào)頻時，可以找到一個僅與系統(tǒng)參數(shù)相關(guān)而與風(fēng)機具