CN104343629A - 一种双馈风电机组频率响应的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双馈风电机组频率响应的控制方法，包括以下步骤：步骤一：风速区间识别单元根据初始减载率del％，建立低、中、高风速区间判据，当初始减载率发生变化，则及时更新判据，再对风速进行区间识别；步骤二：上述低风速或中风速或高风速时变下垂系数R_f变按照对应风速区间的整定计算式进行整定；步骤三：同时系统频率偏差监测单元监测系统频率偏差Δf，当系统频率偏差Δf超过设定的死区频率范围，则触发双馈风电机组变下垂系数控制；步骤四：所述自定义下垂特性单元，根据当前整定好的变下垂系数R_f变以及系统频率偏差Δf，控制双馈风电机组的频率响应。本发明通过整定变下垂系数提高控制双馈风电机组的频率响应能力。

Description

一种双馈风电机组频率响应的控制方法

技术领域

本发明涉及一种双馈风电机组频率响应的控制方法，属于风电机组有功控制领域。

背景技术

目前国内外已有较多文献致力于双馈风电机组的频率响应控制的研究，提出了一些成熟的控制方法并成功应用于实际风电场中，比如采用虚拟关系控制和下垂控制的综合频率响应控制方法，但由于双馈风电机组在频率响应前是工作在最大功率运行点上，无法提供有功备用容量，只能一定程度上缓解频率下降的速度，还会造成频率的二次跌落。

因此很多文献又进一步提出预先控制双馈风电机组减载运行，从而可以留有一定的有功备用容量，并在转子侧有功控制环中增加频率-下垂控制器。然而采用传统的固定下垂系数控制方法，若下垂系数设定偏小，会造成双馈风电机组过响应，转子转速无法恢复，双馈风电机组不能稳定运行，同时还会造成电网频率二次跌落，甚至频率发生崩溃；若下垂系数设定偏大，又无法充分利用双馈风电实时机组可用容量，即削弱了双馈风电机组的频率调节能力。

因此，为了克服双馈风电机组固定下垂系数控制的缺陷，实现双馈风电机组变下垂系数控制，是一项非常重要的控制技术。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种双馈风电机组频率响应的控制方法，能实现变下垂系数频率响应控制。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种双馈风电机组频率响应的控制方法，包括以下步骤：

步骤一：风速区间识别单元根据初始减载率del％，建立低、中、高风速区间判据，当初始减载率发生变化，则及时更新判据，再对风速进行区间识别得到低风速或中风速或高风速；

步骤二：上述低风速或中风速或高风速时变下垂系数R_f变按照对应风速区间的整定计算式进行整定；

步骤三：同时系统频率偏差监测单元监测系统频率偏差Δf，当系统频率偏差Δf超过设定的死区频率范围，则触发双馈风电机组变下垂系数控制，即向自定义下垂特性单元发出触发信号；

步骤四：所述自定义下垂特性单元接收到触发信号，根据当前整定变下垂系数R_f变以及系统频率偏差Δf，控制双馈风电机组的频率响应。

进一步的，所述步骤二中低风速时变下垂系数整定计算式由如下方法获得：

双馈风电机组频率动态响应过程中，其输出功率P_gen、风力机捕获的机械功率P_mec以及转子动能ΔE_k之间存在如下关系：

其中，T_response为一次频率响应时间；Δf_band为自定义下垂特性单元设定的频率偏移限值；f_n为额定频率；t为时间变量；P_del0为初始减载功率；

双馈风电机组在频率响应过程中转子动能ΔE_k为：

${\mathrm{\ΔE}}_k=H({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{del}0}^2-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{opt}}^2)---\left(2\right)$

其中，H为双馈风电机组惯性时间常数；ω_del0为减载运行时初始转速；ω_opt为最大功率运行时最优转速；

一次频率响应过程中，风力机捕获的机械功率P_mec表达为：

$P_{\mathrm{mec}}=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ\πR}}^2{C}_p({\mathrm{\β}}_{\min },\frac{{2\mathrm{\πf}}_n{\mathrm{\ω}}_{r}R}{{\mathrm{GpV}}_w})V_w^3/R_N---\left(3\right)$

其中，ρ为空气密度；R为风轮半径；ω_r为频率调节过程中的实时转速；G为齿轮箱变比；p为双馈风电机组极对数；V_w为当前风速；P_N为额定功率；β_min为最优桨距角位置；C_p(β,λ)为风力机特性拟合式，其中桨距角β＝β_min，β_min为最优桨距角位置，叶尖速比

一次频率响应时间T_response内，发电机转子的实时转速ω_r的表达式：

${\mathrm{\ω}}_r={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{del}0}-\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{del}0}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{opt}}}{T_{\mathrm{response}}}t---\left(4\right)$

其中，ω_del0为减载运行时初始转速，ω_opt为最大功率运行时的最优转速，

因此在低风速区间内，通过式(1)至(4)来整定变下垂系数R_f变。

进一步的，中风速时变下垂系数整定计算式由如下方法获得：

频率响应过程中，风力机捕获的机械功率P_mec表达为：

$P_{\mathrm{mec}}=P_{\mathrm{del}0}+\frac{P_{\mathrm{mppt}}-P_{\mathrm{del}0}}{T_{\mathrm{response}}}t---\left(5\right)$

其中，P_del0为初始减载功率；P_mppt为最大输出功率；因此在中风速区间，通过式(1)、(2)和式(5)来整定变下垂系数R_f变。

进一步的，高风速时变下垂系数整定计算式由如下方法获得：

以纯机械减载容量作为机组容量，进行变下垂系数整定，V_wcutin为切入风速；V_wcutout为切出风速，则双馈风电机组容量ΔP_margin为：

ΔP_margin＝del％P_mppt    (6)

其中，del％为双馈风电机组初始减载率；

为了充分利用高风速区间机组容量，按照式(7)：

计算并整定下垂系数R_f变。

进一步的，所述步骤四中，自定义下垂特性单元根据变下垂系数R_f变以及系统频率偏差Δf，向双馈风电机组转子有功控制器功率外环额外增加一个有功增量ΔP，并与初始减载功率P_del0相叠加得到新有功功率P_ref；再向双馈风电机组的输出P_gen形成偏差信号后，经功率外环PI控制器，获得转子q参考电流i_qref。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明能够在低、中风速区间，充分利用可用转子动能参与频率响应，并且又能够有效避免因固定下垂系数设定偏小而引起的双馈风电机组过度响应、转子转速不能恢复以及系统频率二次跌落等情况发生；

(2)本发明能够在高风速区间，充分利用实时机组可用容量，参与频率响应控制，尤其当实时机组可用容量越大时，采用本发明提出的变下垂系数控制，相比于固定下垂系数控制，对于双馈风电机组频率响应能力的提升越明显。

附图说明

图1(a)是低风速区间双馈风电机组机械功率与电磁功率动态响应过程图。

图1(b)是低风速区间双馈风电机组转子转速动态响应过程图。

图2是中风速区间双馈风电机组理想频率动态响应过程。

图3是高风速区间双馈风电机组提供纯机械减载容量示意图。

图4(a)是双馈风电机组转子侧有功控制器。

图4(b)是双馈风电机组桨距角控制器。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明制定了一种双馈风电机组频率响应的控制方法，如图4(a)所示是双馈风电机组转子侧有功控制器，所述转子侧有功控制器包括风速区间识别单元、系统频率偏差监测单元和自定义下垂特性单元。自定义下垂特性单元输入端分别连接风速区间识别单元的输出端和系统频率偏差监测单元的输出端。

所述控制方法具体实现步骤如下：

步骤一：风速区间识别单元根据初始减载率del％，建立低、中、高风速区间判据；若初始减载率发生变化，需及时更新判据，再对当前实时风速或超短期预测风速进行区间识别，得到低风速或中风速或高风速；并向自定义下垂特性单元下发风速区间识别结果。所述低、中、高风速区间判据如表1所示：

表1：

表1中，V_w为当前风速；V_wcutin为切入风速；V_w1为低、中风速区间的临界风速；V_w2为中、高风速区间的临界风速；V_wcutout为切出风速；ω_max为最大允许转速；λ_del0为初始减载率del％运行时的次优叶尖速比，可通过插值-查表的方法获取；λ_opt为最优叶尖速比；G为齿轮箱变比；p为双馈风电机组极对数；R为风轮半径。

步骤二：上述低风速或中风速或高风速时变下垂系数R_f变按照对应风速区间的整定计算式进行整定，在实际工程应用中，由于风速间歇性变化，可每10分钟在线整定一次。

低风速时变下垂系数整定计算式由如下方法获得：如图1(a)所示，双馈风电机组在低风速区间的频率动态响应过程，图中P_gen为双馈风电机组的输出功率，P_mec为风力机捕获的机械功率；A点对应初始响应时刻t_start，对应初始减载功率功率和转速分别为P_del0、ω_del0，D点则对应频率响应结束时刻t_end，此时刚好达到最大输出功率P_mppt、最优转速ω_opt。图1(b)阴影区域面积S_ADE为可利用的纯机械减载容量；阴影区域面积S_ABCD为可利用的转子动能，机组可用容量则为两者之和，即总阴影区域面积S_ABCDE。

双馈风电机组频率动态响应过程中，其输出功率P_gen、风力机捕获的机械功率P_mec以及转子动能ΔE_k之间存在如下关系：

其中，T_response为一次频率响应时间(一般取30s)；R_f变为变下垂系数；Δf_band为自定义下垂特性单元设定的频率偏移限值；f_n为额定频率；t为时间变量。

双馈风电机组在频率响应过程中转子动能ΔE_k为：

${\mathrm{\ΔE}}_k=H({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{del}0}^2-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{opt}}^2)---\left(2\right)$

式(2)中，H为双馈风电机组惯性时间常数；ω_del0为减载运行时初始转速；ω_opt为最大功率运行时最优转速。

整个一次频率动态响应过程中，风力机捕获的机械功率P_mec可表达为：

$P_{\mathrm{mec}}=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ\πR}}^2{C}_p({\mathrm{\β}}_{\min },\frac{{2\mathrm{\πf}}_n{\mathrm{\ω}}_{r}R}{{\mathrm{GpV}}_w})V_w^3/R_N---\left(3\right)$

式(3)中ρ为空气密度；ω_r为频率调节过程中的实时转速；G为齿轮箱变比；p为双馈风电机组极对数；V_w为当前风速；P_N为额定功率；β_min为最优桨距角位置，本发明最佳实施例中取β_min＝0°；C_p(β,λ)为风力机特性拟合式，其中桨距角β＝β_min，叶尖速比

一次频率响应时间T_response内，发电机转子转速可近似看作线性递减，如图1(b)所示，即：

${\mathrm{\ω}}_r={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{del}0}-\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{del}0}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{opt}}}{T_{\mathrm{response}}}t---\left(4\right)$

式(4)中，ω_del0为减载运行时初始转速，ω_opt为最大功率运行时的最优转速。

因此在低风速区间内，通过式(1)～(4)来整定变下垂系数R_f变。

低风速时变下垂系数整定计算式由如下方法获得：如图2所示为中风速理想频率动态响应过程，风力机捕获的机械功率P_mec将按照近似线性路径AD变化。因此频率响应过程中，风力机捕获的机械功率P_mec可表达为：

$P_{\mathrm{mec}}=P_{\mathrm{del}0}+\frac{P_{\mathrm{mppt}}-P_{\mathrm{del}0}}{T_{\mathrm{response}}}t---\left(5\right)$

式(5)中，P_del0为初始减载功率；P_mppt为最大输出功率。

因此在中风速区间，可通过式(1)、(2)、(5)来整定变下垂系数R_f变。

低风速时变下垂系数整定计算式由如下方法获得：由于受最大允许转速ω_max限制，在频率响应控制过程中，转速基本恒定在最大转速，转子动能几乎没有。因此应该以纯机械减载容量作为机组实时可用容量，进行变下垂系数整定。如图3所示，为双馈风电机组在风速为V_w0时提供纯机械减载容量的示意图。图中A点、B点分别对应最大功率运行、当前减载率运行工作点；V_wcutin为切入风速；V_wcutout为切出风速。双馈风电机组实时可用容量ΔP_margin为：

ΔP_margin＝del％P_mppt   (6)

式(6)中，del％为双馈风电机组减载率。

为了充分利用高风速区间实时可用机组容量，可以按照式(7)计算并整定变下垂系数R_f变：

步骤三：同时系统频率偏差监测单元需要实时监测系统频率偏差Δf，一旦监测到实时系统频率偏差Δf超过设定的死区频率范围，则触发双馈风电机组变下垂系数控制，即向自定义下垂特性单元发送一个触发信号。

步骤四：当自定义下垂特性单元收到触发信号后，将根据当前整定好的变下垂系数R_f变以及系统频率实时偏差Δf，向双馈风电机组转子有功控制器功率外环额外增加一个有功增量ΔP。并与初始减载功率P_del0相叠加得到新有功功率P_ref；再与双馈风电机组实时输出P_gen形成偏差信号后，经功率外环PI控制器，获得转子q参考电流i_qref，具体双馈风电机组变下垂系数控制框图如图4(a)所示。图4(b)桨距角控制器中的参考转速ω_ref的取值如表2：

表2：

本发明制定了一种双馈风电机组频率响应的控制方法，根据低、中、高不同风速区间以及不同的频率响应过程，分别给出了对应风速区间变下垂系数整定方法。其中在低、中风速区间，为了充分利用可用转子动能，提出以纯机械减载容量与可用转子动能总和作为机组可用容量；在高风速区间，以纯机械减载容量最为机组可用容量，从而实现变下垂系数控制，可保证在双馈风电机组稳定运行的前提下，有效提升双馈风电机组频率响应能力。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种双馈风电机组频率响应的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：风速区间识别单元根据初始减载率del％，建立低、中、高风速区间判据，当初始减载率发生变化，则及时更新判据，再对风速进行区间识别得到低风速或中风速或高风速；

步骤二：上述低风速或中风速或高风速时变下垂系数R_f变按照对应风速区间的整定计算式进行整定；

步骤三：同时系统频率偏差监测单元监测系统频率偏差Δf，当系统频率偏差Δf超过设定的死区频率范围，则触发双馈风电机组变下垂系数控制，即向自定义下垂特性单元发出触发信号；

步骤四：所述自定义下垂特性单元接收到触发信号，根据当前整定变下垂系数R_f变以及系统频率偏差Δf，控制双馈风电机组的频率响应。

2.如权利要求1所述的一种双馈风电机组频率响应的控制方法，其特征在于：所述步骤二中低风速时变下垂系数整定计算式由如下方法获得：

双馈风电机组频率动态响应过程中，其输出功率P_gen、风力机捕获的机械功率P_mec以及转子动能ΔE_k之间存在如下关系：

其中，T_response为一次频率响应时间；Δf_band为自定义下垂特性单元设定的频率偏移限值；f_n为额定频率；t为时间变量；P_del0为初始减载功率；

双馈风电机组在频率响应过程中转子动能ΔE_k为：

${\mathrm{\ΔE}}_k=H({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{del}0}^2-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{opt}}^2)---\left(2\right)$

其中，H为双馈风电机组惯性时间常数；ω_del0为减载运行时初始转速；ω_opt为最大功率运行时最优转速；

一次频率响应过程中，风力机捕获的机械功率P_mec表达为：

$P_{\mathrm{mec}}=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ\πR}}^2{C}_p({\mathrm{\β}}_{\min },\frac{{2\mathrm{\πf}}_n{\mathrm{\ω}}_{r}R}{{\mathrm{GpV}}_w})V_w^3/R_N---\left(3\right)$

其中，ρ为空气密度；R为风轮半径；ω_r为频率调节过程中的实时转速；G为齿轮箱变比；p为双馈风电机组极对数；V_w为当前风速；P_N为额定功率；β_min为最优桨距角位置；C_p(β,λ)为风力机特性拟合式，其中桨距角β＝β_min，β_min为最优桨距角位置，叶尖速比

一次频率响应时间T_response内，发电机转子的实时转速ω_r的表达式：

${\mathrm{\ω}}_r={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{del}0}-\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{del}0}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{opt}}}{T_{\mathrm{response}}}t---\left(4\right)$

其中，ω_del0为减载运行时初始转速，ω_opt为最大功率运行时的最优转速，

因此在低风速区间内，通过式(1)至(4)来整定变下垂系数R_f变。

3.如权利要求1所述的一种双馈风电机组频率响应的控制方法，其特征在于：中风速时变下垂系数整定计算式由如下方法获得：

频率响应过程中，风力机捕获的机械功率P_mec表达为：

$P_{\mathrm{mec}}=P_{\mathrm{del}0}+\frac{P_{\mathrm{mppt}}-P_{\mathrm{del}0}}{T_{\mathrm{response}}}t---\left(5\right)$

其中，P_del0为初始减载功率；P_mppt为最大输出功率；因此在中风速区间，通过式(1)、(2)和式(5)来整定变下垂系数R_f变。

4.如权利要求1所述的一种双馈风电机组频率响应的控制方法，其特征在于：高风速时变下垂系数整定计算式由如下方法获得：

以纯机械减载容量作为机组容量，进行变下垂系数整定，V_wcutin为切入风速；V_wcutout为切出风速，则双馈风电机组容量ΔP_margin为：

ΔP_margin＝del％P_mppt   (6)

其中，del％为双馈风电机组初始减载率；

为了充分利用高风速区间机组容量，按照式(7)：

计算并整定下垂系数R_f变。

5.如权利要求1至4中任一项所述的一种双馈风电机组频率响应的控制方法，其特征在于：所述步骤四中，自定义下垂特性单元根据变下垂系数R_f变以及系统频率偏差Δf，向双馈风电机组转子有功控制器功率外环额外增加一个有功增量ΔP，并与初始减载功率P_del0相叠加得到新有功功率P_ref；再向双馈风电机组的输出P_gen形成偏差信号后，经功率外环PI控制器，获得转子q参考电流i_qref。