禚明華 溫紅巖

優(yōu)化大型風(fēng)電機(jī)組限功率運(yùn)行保障我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)的容量

禚明華 溫紅巖

Point

我國(guó)近幾年大量風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)給電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來了很大的困難，對(duì)電網(wǎng)的調(diào)度部門所管轄風(fēng)電場(chǎng)提出了相對(duì)較為嚴(yán)格的限發(fā)要求，相應(yīng)的變速風(fēng)電機(jī)組就要從之前一直運(yùn)用的傳統(tǒng)風(fēng)能利用模式逐漸的轉(zhuǎn)換到需要限制風(fēng)能功率的運(yùn)行模式上來，但是由于風(fēng)力機(jī)的功率具有較強(qiáng)的非線性，而運(yùn)行模式的改變對(duì)風(fēng)電機(jī)組提出了更高的設(shè)計(jì)要求，我們的研究人員提出了一種考慮風(fēng)電機(jī)組限功率運(yùn)行狀態(tài)優(yōu)化的風(fēng)電場(chǎng)功率調(diào)度策略，本文將針對(duì)大型風(fēng)電機(jī)組限功率運(yùn)行特性進(jìn)行分析，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。

在我國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)的政策支持下，風(fēng)電裝機(jī)容量的容量也在逐漸的遞增當(dāng)中，在2012年的時(shí)候我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)的容量已經(jīng)穩(wěn)居世界第一的位置，但是隨之出現(xiàn)的風(fēng)電并網(wǎng)又對(duì)我國(guó)的電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了很大的影響，因此在我國(guó)電網(wǎng)公司中有這樣一條規(guī)定，規(guī)定中要求風(fēng)電場(chǎng)要根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度的指令去控制風(fēng)電機(jī)組的功率輸出，這樣才能夠準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)行，但是這種模式對(duì)風(fēng)電機(jī)組以及風(fēng)電場(chǎng)的相關(guān)控制都提出了很大的要求。對(duì)我們的研究人員來說也是一項(xiàng)極大的挑戰(zhàn)。

1、風(fēng)電機(jī)組限功率運(yùn)行的特性分析

我國(guó)對(duì)風(fēng)電機(jī)組限功率運(yùn)行主流大型變速風(fēng)電機(jī)組分為兩種，一種是永磁直驅(qū)型的，另一種是雙饋型，其主要運(yùn)行方式如圖1中實(shí)線所示：

圖1　變漿型變速風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行控制的曲線

在相對(duì)額定風(fēng)速以下，我們以最大的風(fēng)能追蹤最為控制的目標(biāo)，而在額定的風(fēng)速以上，主要是以額定的功率作為控制的目標(biāo)，此時(shí)并不會(huì)涉及到風(fēng)電機(jī)組風(fēng)電調(diào)度這一類問題，我國(guó)目前的風(fēng)電機(jī)組是處于低電網(wǎng)限發(fā)要求之下的，這種情況就要求我們將風(fēng)電機(jī)組從之前適應(yīng)的風(fēng)速逐漸的向電網(wǎng)的方向轉(zhuǎn)變，主要的運(yùn)行方式如圖1中虛線所示。圖一當(dāng)中r為風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速；p為風(fēng)電機(jī)組的功率；β為風(fēng)電機(jī)組的槳距角。

但是，由于風(fēng)輪的氣功功率特征和槳矩角都是有著高度的非線性的，所以說實(shí)際的風(fēng)電機(jī)組功率控制系統(tǒng)一般都會(huì)運(yùn)用正常的運(yùn)行方式來對(duì)風(fēng)電機(jī)組限功率運(yùn)行方式進(jìn)行制定，在限功率運(yùn)行的前提下，風(fēng)電機(jī)組會(huì)采取改變槳距的方法來維持其始終處于較低的功率中，但是這種方法對(duì)大型風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性是有很大影響的，所以，我們的研究人員要對(duì)風(fēng)電機(jī)組的對(duì)象特征以及變化的規(guī)律進(jìn)行設(shè)計(jì)是非常關(guān)鍵的。

2、變速風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定性分析

我們?yōu)榱四軌蚋又庇^的研究大型風(fēng)電機(jī)組在限制功率的情況下研究機(jī)組的穩(wěn)定性和其出現(xiàn)變化的規(guī)律。因此我們以主流機(jī)為標(biāo)準(zhǔn)，將目標(biāo)的功率定位0.3，發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩Te曲線和風(fēng)輪機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tm曲線為例進(jìn)行說明，說明情況如圖2所示。

圖2　恒功率控制時(shí)機(jī)械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩

圖2中，Tm曲線和Te曲線相交點(diǎn)就是轉(zhuǎn)速可以獲得穩(wěn)定的平衡點(diǎn)。這一點(diǎn)對(duì)于風(fēng)電機(jī)組來說是非常關(guān)鍵的，比如說β＝0°時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)A和B兩平衡點(diǎn)，此時(shí)Tm曲線和Te曲線對(duì)轉(zhuǎn)速的斜率即分別為式（6）和式（7）中的k1和k2，分別表示為kA1，kA 2和kB1，kB2，由圖中曲線斜率顯然有kA1＞kA2和kB1＜kB2。隨著β的增大，在相同轉(zhuǎn)速下，風(fēng)電機(jī)組所能夠提供的機(jī)械力就會(huì)逐漸的減小，這兩者是成正比的，一方增加，另一方必然會(huì)減少，而當(dāng)槳距角繼續(xù)增大時(shí)，Tm和Te是沒有交點(diǎn)，這樣的話，風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速也就沒有了平衡性，在不同的槳距角下，平衡點(diǎn)的位置也是不同的，平衡點(diǎn)的主要運(yùn)行軌跡如圖3所示。

圖3　平衡點(diǎn)軌跡

3、風(fēng)電機(jī)組限功率運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估

3.1評(píng)價(jià)的指標(biāo)

所謂的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其最終的目的也是為了能夠進(jìn)一步的量化風(fēng)電機(jī)組限功率的運(yùn)行狀態(tài)，我們的科研人員在限功率深度這一概念的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出了針對(duì)大型風(fēng)電機(jī)組的評(píng)價(jià)指標(biāo)，這一指標(biāo)主要的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)就是理論輸出和實(shí)際輸出功率之間的差額多少，對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行評(píng)估還有一個(gè)原因就是這一評(píng)價(jià)指標(biāo)還能夠根據(jù)負(fù)荷區(qū)的實(shí)際情況來進(jìn)性相應(yīng)的比較。這一點(diǎn)是其他評(píng)估中不具備的。

3.2功率上限

在相對(duì)傳統(tǒng)的運(yùn)行方式下，我們根據(jù)風(fēng)速的大小來判斷并網(wǎng)之后運(yùn)行區(qū)間的位置，這樣就能夠確定最大的風(fēng)能追蹤區(qū)，當(dāng)定速運(yùn)行區(qū)和恒功率運(yùn)行區(qū)被區(qū)分出來之后，就可以確定切入風(fēng)速、恒轉(zhuǎn)速風(fēng)速。

3.3功率下限

從理論上來講，風(fēng)電機(jī)組是通過變漿調(diào)節(jié)才將功率降到無限接近于零的，但是我們?yōu)榱诉M(jìn)一步的確保風(fēng)電機(jī)組的可靠性和可操作性，我們?cè)趯?shí)際的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中要求風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行的時(shí)候一定要承擔(dān)相應(yīng)的負(fù)荷才可以，也就是說要出現(xiàn)最低的運(yùn)行功率，這一風(fēng)電機(jī)組的數(shù)據(jù)值和風(fēng)電機(jī)組的具體設(shè)計(jì)是有很大關(guān)系的。我們的研究人員經(jīng)過分析之后得出一個(gè)結(jié)論，那就是設(shè)計(jì)的值定在百分之二十的時(shí)候，風(fēng)電機(jī)組的優(yōu)化調(diào)度會(huì)達(dá)到最合理的狀態(tài)。

4、限功率運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度的策略

為了能夠進(jìn)一步的實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組限功率運(yùn)行狀態(tài)的優(yōu)化調(diào)度，我們的研究人員對(duì)風(fēng)電機(jī)組的限功率運(yùn)行特性進(jìn)行了詳細(xì)的分析，通過風(fēng)電機(jī)組功率的指令來對(duì)風(fēng)電機(jī)組的整體運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，并針對(duì)現(xiàn)階段我國(guó)風(fēng)電機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行過程當(dāng)中的實(shí)際需求，在進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組優(yōu)化調(diào)度之前要考慮實(shí)現(xiàn)以下兩點(diǎn)目標(biāo)：

首先是發(fā)電量的目標(biāo)。風(fēng)電機(jī)出現(xiàn)的目的就是為了發(fā)電，為人類服務(wù)，如果發(fā)電量達(dá)不到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的話，那么對(duì)風(fēng)電機(jī)組的限功率運(yùn)行調(diào)度就是失敗的，我們要在運(yùn)行限功率優(yōu)化調(diào)度之后實(shí)現(xiàn)最大限度的利用風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電才是最重要的。

其次就是風(fēng)電機(jī)組啟停的次數(shù)，這一目標(biāo)主要是風(fēng)電機(jī)組的啟停過程需要?jiǎng)x車系統(tǒng)、槳距角等機(jī)械進(jìn)行操作，這種操作對(duì)風(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)都具有一定損害的。因此，在多周期機(jī)組運(yùn)行調(diào)度中，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的優(yōu)化是非常重要的。

（作者單位：禚明華，興安熱電有限責(zé)任公司額爾格圖風(fēng)電場(chǎng)；溫紅巖，興安熱電有限責(zé)任公司）