CN102611132A - 双馈变速风电机组的附加频率控制器参数整定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双馈变速风电机组的附加频率控制器参数整定方法，可在保证风电机组稳定运行的基础上充分发挥其对系统频率的支撑作用。它的过程为：1)采集电网数据，求出电网的总的常规发电机装机容量、转动惯量、一次调频能力以及负荷总量特征参数，将系统简化成两机系统；2)以突增负荷的形式为系统设置功率扰动，扰动量为系统负荷总量的5％，通过大量的仿真计算，求出切入和切出风速之间不同风速对应的附加频率控制器增益最优值，由此形成控制器增益选择的备选参数库；3)对步骤2)中已求出切入和切出风速间各整数风速对应的控制器增益，对测得的风速采取向下取整的方式，然后从备选参数库中查找对应的控制器增益对控制器进行设置。

Description

双馈变速风电机组的附加频率控制器参数整定方法

技术领域

本发明涉及一种双馈变速风电机组的附加频率控制器参数整定方法，属于DFIG稳定控制技术领域。

背景技术

风力发电作为技术最成熟、最具规模开发条件的新能源发电方式，在电网中所占的比例不断增加。目前应用最广的为双馈变速风电机组，双馈变速风电机组转子转速与系统频率解耦，转速可变范围较大，通常运行在最大功率跟踪状态(曹军，王虹富，邱家驹.变速恒频双馈风电机组频率控制策略.电力系统自动化.2009，33(13)，78-82.薛迎成，邰能灵，宋凯，等.变速风力发电机提供调频备用容量研究.电力自动化设备.2010，30(8)：75-80)，风能利用效率最高，但DFIG在系统频率发生变化时无法像常规发电机一样做出响应来减缓频率变化，风电场装机容量越大越不利电网频率稳定。针对大规模风电并网后的频率控制问题国内外学者做过相关研究，基本思想都与增强风机输出功率与系统频率的耦合性有关，其中(Lalor G，Mullane A，O’Malley M.Frequency control and wind turbine technologies.IEEE transactions on power systems.2005，20(4)，1905-1913.M.Akbari，SeyedM.madani.Participation of DFIG based wind turbines in improving short term frequencyregulation.Proceeding of ICEE 2010.11-13)为风机添加了虚拟转动惯量控制环节，即在频率变化时，通过风机转子动能的改变来模拟与同步机类似的惯性常数和暂态频率响应特性，减缓了扰动下系统频率的变化速率，但对改善扰动后系统频率最低值作用不明显；(DurgaGautan，Lalit Goet.Control strategy to mitigate the impact of reduced inertia dueto doubly fed induction generation on large power systems.IEEE transactions on powersystems.2011，26(1)，214-224.Gowaid I A，EI-Zawawi A，EI-Gammal M.Improved inertiaand frequency support from grid-connected DFIG wind farms.Power Systems Conferenceand Exposition(PSCE).2011，1-9)为风机添加一次调频控制环节，改善了系统的频率稳定性，但未对不同风速下附加控制的适应性进行分析；(Nayeem R，Torbjorn T，Daniel K.Temporary primary frequency control support by variable speed windturbines-potential and applications.IEEE transactions on power systems.2008，33(2)，601-612)则进一步研究了类似附加控制器在不同风速下风机为系统提供有功支撑所能持续的时间。与常规发电机一次调频不同，风机输出功率调节过程中响应迅速，但所能提供的功率支撑只能持续较短时间，且风速不同时风电机组参与系统调频所能持续时间不同，在风电机组参与系统调频过程中应根据风速等变量对附加控制器参数做出调整以充分发挥风机参与系统调频能力。

针对双馈风电机组参与系统一次调频的研究较少，目前研究中已有的一次调频控制器基本形式如图1中虚线框内部分所示，图中f_grid为系统频率，f_ref为系统额定频率，1/R为等效的一次调频系数。电网频率稳定性研究中的功率扰动通常设为电网失去最大的一台发电机(电网中一次可发生的最大功率扰动，失去的发电机额定容量约为电网负荷总量的5％)，此场景下电网频率如果满足要求则其他大小的功率扰动下电网频率也是安全的；以往研究中风速多采用固定风速，且一般取高风速，此时风机转子初始转速为最大值，参与系统一次调频过程中可起到较好的效果；但当风速较低时，比如取切入风速(风机运行的最低风速，一般为5m/s)，风机参与系统调频过程中会因转速下降过多而无法正常运行。

综上，现有技术缺点为：

现有的双馈风电机组附加一次调频控制器增益通常设为定值(Durga Gautan，Lalit Goet.Control strategy to mitigate the impact of reduced inertia due to doubly fed inductiongeneration on large power systems.IEEE transactions on power systems.2011，26(1)，214-224)，目前针对控制器设计的研究中只是针对特定的风速进行研究，并未考虑控制器在其他风速下的适应性。(James F.Conroy，Rick Waston.Frequency response capability offull converter wind turbine generators in comparison to conventional generation.IEEEtransactions on power systems.2008，23(2)，649-656)对风机通过附加控制器参与系统调频过程中风电运行稳定性进行了研究，并指出附加控制器增益过大会导致风机转子转速低于最低转速而无法稳定运行，对于确定的增益，风速较高时虽可起到较好的调频效果，但当风速较低时(接近切入风速)可能会导致风机转速下降过多而无法稳定运行，以往的研究中未对控制器参数如何整定以提高其适应性进行研究。

发明内容

本发明的目的是为解决上述问题，提出一种双馈变速风电机组的附加频率控制器参数整定方法，按照本发明提出的方法对风机参与系统调频过程中控制器参数进行调整，可在保证风电机组稳定运行的基础上充分发挥其对系统频率的支撑作用，该方法作用下双馈风机附加频率控制框图如图2所示，图中db为频率控制死区，死区内附加频率控制不起作用，可防止系统频率小幅度波动时风机附加控制器的频繁动作。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种双馈变速风电机组的附加频率控制器参数整定方法，它的过程为：

1)采集电网数据，求出电网的总的常规发电机装机容量、转动惯量、一次调频能力以及负荷总量特征参数，将系统简化成两机系统；

2)以突增负荷的形式为系统设置功率扰动，扰动量为系统负荷总量的5％，通过大量的仿真计算，求出切入和切出风速之间各整数风速对应的附加频率控制器增益最优值，由此形成控制器增益选择的备选参数库；

3)步骤2)中已求出切入和切出风速间各整数风速对应的控制器增益，实际中测得的风速不一定为整数，并且测量值存在误差，因此对测得的风速采取向下取整的方式，然后从备选参数库中查找对应的控制器增益对控制器进行设置。

由于电网结构规模确定的情况下，系统转动惯量和一次调频能力都为定值，且电网频率处处相等，转动惯量和一次调频能力相同的两个电网在同样大小的功率扰动作用下，系统频率变化曲线相同，因此，在分析电力系统频率稳定性时，可将电网等效为两机系统，等效后系统结构如图3所示，一台为常规发电机，一台为风电机组，系统频率响应的控制系统框图如图4所示。

所述步骤2)中仿真过程为：

风电机组输入功率P_m通过式(1)到式(4)求出：

$P_m=\frac{\mathrm{\ρ}}{2}{A}_r{v}^3{C}_p---\left(1\right)$

$C_p\left(t\right)=0.22(\frac{116}{{\mathrm{\λ}}_i}-0.4\mathrm{\θ}\left(t\right)-5)\exp (-\frac{1.25}{{\mathrm{\λ}}_i})---\left(2\right)$

${\mathrm{\λ}}_i=\frac{1}{\frac{1}{\mathrm{\λ}+0.08\mathrm{\θ}\left(t\right)}-\frac{0.035}{\mathrm{\θ}{\left(t\right)}^3+1}}---\left(3\right)$

λ＝ω(t)R/v    (4)

式中：P_m为风机输入功率，ρ为风能密度，A_r为风机叶片扫风面积，v为风速，C_p为风功率利用系数，λ为叶尖速比，θ(t)为风机浆矩角，R为风机转动半径；

系统频率变化过程微分方程为：

$T_J\frac{\mathrm{d\Δf}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\Δp}+{\mathrm{\ΔP}}_G+{\mathrm{\ΔP}}_W+{\mathrm{\ΔP}}_m-{\mathrm{\ΔP}}_L---\left(5\right)$

$T_G\frac{{\mathrm{d\ΔP}}_G}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ΔP}}_G=-K_G\mathrm{\Δf}---\left(6\right)$

$T_W\frac{{\mathrm{d\ΔP}}_W}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ΔP}}_W=-\frac{1}{R}\mathrm{\Δf}---\left(7\right)$

ΔP_L＝K_LΔf    (8)

风机转子转速变化过程可用式(9)表示

${\mathrm{\ω}}_1=\sqrt{{{\mathrm{\ω}}_0}^2-\frac{{\∫}_{t_0}^t{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{ref}}\mathrm{dt}}{H_W}}---\left(9\right)$

式中：ω₁为风机转子当前转速，ω₀为参与系统调频前的转速，H_W为风机转子转动惯量，t₀为风机参与系统调频初始时刻，t为当前时刻；Δp为系统功率扰动量，ΔP_G为常规发电机一次调频所增发的功率，ΔP_L为系统系统频率变化过程中负荷功率的变化量，K_L为负荷的单位调节功率，T_J为系统惯性时间常数，T_G为常规发电机组一次调频时间常数，K_G为常规发电机的频率调节效应系数，T_W为风电机组功率控制相应时间常数，该值较小为毫秒级，1/R为风机添加附加一次调频控制环节后风机等效一次调频系数，ΔP_m为风机因转速和浆矩角变化所引起的风机输入功率减少量，ΔP_W为风电机组实际增发的功率，ΔP_ref为风机附加一次调频控制器所输出的功率信号，ΔP_m+ΔP_W＝ΔP_ref。

按照(Durga Gautan，Lalit Goet.Control strategy to mitigate the impact of reducedinertia due to doubly fed induction generation on large power systems.IEEEtransactions on power systems.2011，26(1)，214-224)中控制器参数设置方式求R初始值R0。在风速确定情况下，综合式(1)到式(9)采用改进欧拉法进行迭代求解可得出5％功率扰动下风机参与系统调频时系统的频率变化曲线，相应的可得系统频率最低点f(0)，但此时的R不一定为最优值，需要对R进行修正，修正过程如下，分别求R＝R0-ΔR和R＝R0+ΔR(ΔR取0.1)时的系统频率最低点f(-1)和f(1)，根据f(0)、f(-1)和f(1)的大小关系，修正过程可分为：

(1)如果f(0)＞＝f(-1)且f(0)＞＝f(1)，则R0即为此风速下的最优R值；

(2)如果f(0)＝＜f(-1)，则分别求R＝R0-nΔR时的系统频率最低点f(-n)，增大n，直到f(-(n-1))＜f(-n)且f(-n-1)＜f(-n)为止，对应的R值即为此风速下的最优R值；n＝1，2，3……；

(3)如果f(0)＝＜f(1)，则分别求R＝R0+nΔR(n＝1，2，3……)时的系统频率最低点f(n)，增大n，直到f(n-1)＜f(n)且f(n+1)＜f(n)为止，对应的R值即为此风速下的最优R值；n＝1，2，3……。

本发明的有益效果是：双馈变速风机稳定运行转速随风速变化而变化，风机参与系统调频情况过程中，风速不同时调频效果差异较大，当附加控制器采用相同的增益时，有些风机可能过度调频导致转速低于最低转速而无法稳定运行，有些风机可能没有充分发挥其调频能力。本发明提出的变参数控制方法可有效解决上述问题，根据当前风速大小对控制器增益做出调整，可在保证风电机组稳定运行的前提下充分发挥其对系统频率的调节作用。

附图说明

图1为DFIG基本的附加一次频率控制系统框图；

图2为本发明的频率控制系统框图；

图3为本发明的系统等效结构图；

图4为本发明的系统频率响应的等效控制系统框图；

图5为本发明的测试系统模型。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

实施例1：

为验证本发明的有效性，在matlab/simulink中搭建了IEEE9节点系统，如图5所示，1号节点为风电场，由6台1.5MW风机组成，2号和3号节点为同步机，容量分别为30MW和20MW，T_J2＝6s，K_G2＝1.5MW/HZ；T_J3＝4s，K_G3＝1.2MW/H_Z；系统中负荷总量为40MW，T_JL＝1s，K_L＝0.5MW/H_Z，系统频率为50Hz，仿真场景为第2s时在6号节点突增2MW(系统总负荷量的5％)的负荷。

1)按步骤1)求出系统总的常规发电机装机容量、转动惯量、一次调频系数、负荷总量，分别为P_G＝50MW，T_J＝9s，K_G＝3.2MW/H_Z，系统负荷总量为40MW，将系统等效为两机系统。

2)按负荷总量5％为系统添加负荷扰动(扰动量为2MW)，风机切入风速为3m/s，切出风速为24m/s，求出切入和切出风速间整数风速对应的风机附加一次调频控制器最优增益增益列表如表1所示，表中Wind speed表示风速，f_nadir为系统频率最低点。

表1不同风速下R值的选取及系统频率最低点

Wind speed(m/s)	R	fnadir(Hz)	扰动量(MW)
				3	∞	49.465	2.0
4	∞	49.465	2.0
				5	∞	49.465	2.0
6	∞	49.465	2.0
				7	15	49.467	2.0
8	7	49.532	2.0
				9	3.7	49.560	2.0
10	2.8	49.566	2.0
				11	2.3	49.565	2.0
12	2.2	49.563	2.0
				13	1.7	49.523	2.0
14	0.8	49.732	2.0
				15＜＝Wind speed＜＝24	R＜＝0.7	49.743	2.0

表1中，风速较低时(3m/s～6m/s)风机转子转速为最低转速0.7p.u.，控制器参数R设为无穷大，相对于增益1/R为零，风机不参与系统调频，如果此时1/R不为零，则风机转子转速会降低至小于0.7p.u.，风机会退出运行；随着风速的增加，附加控制器参数R最优值不断减小，但风速增大到一定程度(大于等于15m/s)后R最优值便不在变化，原因是受风机最大输出功率的限制。

3)根据当前风速对控制器参数进行设置，由于风速测量存在较大误差，因此，为保证风机稳定运行，对测得的风速向下取整然后根据备选参数库中的R值对控制器参数进行设置，例如，风速为测得的为9.4m/s，则根据表1将R值设为3.7。

Claims (3)

1.一种双馈变速风电机组的附加频率控制器参数整定方法，其特征是，它的过程为：

1)采集电网数据，求出电网的总的常规发电机装机容量、转动惯量、一次调频能力以及负荷总量特征参数，将系统简化成两机系统；

2)以突增负荷的形式为系统设置功率扰动，扰动量为系统负荷总量的5％，通过大量的仿真计算，求出切入和切出风速之间不同风速对应的附加频率控制器增益最优值即风机切入风速和切出风速之间所有整数风速值，由此形成控制器增益选择的备选参数库；

3)对步骤2)中已求出切入和切出风速间各整数风速对应的控制器增益，实际中风速不一定为整数，因此对测得的风速采取向下取整的方式，然后从备选参数库中查找对应的控制器增益对控制器进行设置。

2.如权利要求1所述的双馈变速风电机组的附加频率控制器参数整定方法，其特征是，所述步骤2)中仿真过程为：

P_m通过式(1)到式(4)求出：

$P_m=\frac{\mathrm{\ρ}}{2}{A}_r{v}^3{C}_p---\left(1\right)$

$C_p\left(t\right)=0.22(\frac{116}{{\mathrm{\λ}}_i}-0.4\mathrm{\θ}\left(t\right)-5)\exp (-\frac{1.25}{{\mathrm{\λ}}_i})---\left(2\right)$

${\mathrm{\λ}}_i=\frac{1}{\frac{1}{\mathrm{\λ}+0.08\mathrm{\θ}\left(t\right)}-\frac{0.035}{\mathrm{\θ}{\left(t\right)}^3+1}}---\left(3\right)$

λ＝ω(t)R/v    (4)

式中：P_m为风机输入功率，ρ为风能密度，Ar为风机叶片扫风面积，v为风速，C_p为风功率利用系数，λ为叶尖速比，θ(t)为浆矩角，R为风机转动半径；

系统频率变化过程微分方程为：

$T_J\frac{\mathrm{d\Δf}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\Δp}+{\mathrm{\ΔP}}_G+{\mathrm{\ΔP}}_W+{\mathrm{\ΔP}}_m-{\mathrm{\ΔP}}_L---\left(5\right)$

$T_G\frac{{\mathrm{d\ΔP}}_G}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ΔP}}_G=-K_G\mathrm{\Δf}---\left(6\right)$

$T_W\frac{{\mathrm{d\ΔP}}_W}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ΔP}}_W=-\frac{1}{R}\mathrm{\Δf}---\left(7\right)$

ΔP_L＝K_LΔf    (8)

风机转子转速变化过程可用式(9)表示

${\mathrm{\ω}}_1=\sqrt{{{\mathrm{\ω}}_0}^2-\frac{{\∫}_{t_0}^t{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{ref}}\mathrm{dt}}{H_W}}---\left(9\right)$

式中：ω₁为风机转子当前转速，ω₀为参与系统调频前的转速，H_W为风机转子转动惯量，t₀为风机参与系统调频初始时刻，t为当前时刻；Δp为系统功率扰动量，ΔP_G为常规发电机一次调频所增发的功率，ΔP_L为系统系统频率变化过程中负荷功率的变化量，K_L为负荷的单位调节功率，T_J为系统惯性时间常数，T_G为常规发电机组一次调频时间常数，K_G为常规发电机的频率调节效应系数，T_W为风电机组功率控制相应时间常数，该值较小为毫秒级，1/R为风机添加附加一次调频控制环节后风机等效一次调频系数，ΔP_m为风机因转速和浆矩角变化所引起的风机输入功率减少量，ΔP_W为风电机组实际增发的功率，ΔP_ref为风机附加一次调频控制器所输出的功率信号，ΔP_m+ΔP_W＝ΔP_ref。

3.如权利要求2所述的双馈变速风电机组的附加频率控制器参数整定方法，其特征是，在风速确定情况下，综合式(1)到式(9)采用改进欧拉法进行迭代求解可得出5％功率扰动下风机参与系统调频时系统的频率变化曲线，相应的可得系统频率最低点f(0)，但此时的R不一定为最优值，需要对R进行修正，修正过程如下，分别求R＝R0-ΔR和R＝R0+ΔR(ΔR取0.1)时的系统频率最低点f(-1)和f(1)，根据f(0)、f(-1)和f(1)的大小关系，修正过程可分为：

(1)如果f(0)＞＝f(-1)且f(0)＞＝f(1)，则R0即为此风速下的最优R值；

(2)如果f(0)＝＜f(-1)，则分别求R＝R0-nΔR时的系统频率最低点f(-n)，增大n，直到f(-(n-1))＜f(-n)且f(-n-1)＜f(-n)为止，对应的R值即为此风速下的最优R值；n＝1，2，3……；

(3)如果f(0)＝＜f(1)，则分别求R＝R0+nΔR(n＝1，2，3……)时的系统频率最低点f(n)，增大n，直到f(n-1)＜f(n)且f(n+1)＜f(n)为止，对应的R值即为此风速下的最优R值；n＝1，2，3……。

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