CN104852377B - 适应于电网高风电渗透率条件下的双馈风机惯性控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适应于电网高风电渗透率条件下的双馈风机惯性控制方法，本发明通过惯性控制启动模块来启动风机惯性响应，通过惯性控制闭锁模块来闭锁风机惯性响应，实现风机在最大功率跟踪工作模式与惯性响应工作模式间自主转换。本发明设置恒定附加电磁转矩步长，惯性响应作用强度不随转速降低而减弱。当系统频率事故发生时，较传统控制方法，该方法可使风机在稳定运行约束范围内更加有效地抑制系统频率跌落。本发明能有效提高系统频率跌落最低点、降低频率下降速度，能可靠保证系统频率安全；同时，也能减小低频减载启动次数，避免系统过多负荷被迫切除，减小经济损失。

Description

适应于电网高风电渗透率条件下的双馈风机惯性控制方法

技术领域

本发明属于电力系统运行与控制技术领域，涉及一种电力系统运行与控制方法，尤其是涉及一种适应于电网高风电渗透率条件下的双馈风机惯性控制方法。

背景技术

风电在提供绿色能源的同时，也对电网运行产生了一些不利影响。其中，动态频率安全问题便首当其冲。目前，包括双馈型、直驱型的变速风机是风电场采用的主要机型，因其转子转速与电网频率变化解耦，导致电力系统等效惯量减小，电网功率缺额时频率特性恶化，且这种恶化随风电高渗透率提高而加剧。因此，保证系统动态频率安全稳定与提高风电渗透率构成一对矛盾，而变速风机的机电解耦特性正是这种矛盾的根源。对此，变速风机虚拟惯性控制技术被广泛引入，成为研究热点。许多国家和地区也将风机提供惯性响应纳入电网运行导则。频率微分控制或结合频率下垂控制的惯性控制方法被普遍采用。其中，下垂控制增加系统阻尼，而微分惯性控制增加系统等效惯量。微分惯性控制技术被越来越多应用的同时，也暴露出一些缺点：首先是惯性控制增益如何设置问题。惯性响应能力随控制增益增加而提高，但控制增益增大到一定程度时风机惯性响应能力不再提升，且较大的控制增益可能引起风机自激振荡。通常控制增益设置为风机固有惯性时间常数2倍，以使风机具有与同步发电机相当的惯性响应能力。但实际上，变速风机可变转速范围较同步发电机更宽，可释放或吸收的动能也大得多，这样做使风机惯性响应能力得不到充分发挥。所以，惯性控制增益设置方法的不确定致使微分惯性控制难以向电网提供优质的惯性响应服务。其次，微分惯性控制方法存在风机惯性响应能力随转速下降而减弱问题。在研究中发现，微分惯性控制能力受速度控制器影响而被削弱，且该方法也缺乏控制自主性。随着电力系统风电渗透率不断提高，当发生严重频率事故时，电网频率跌落抑制能力下降。因此，微分惯性控制方法无法满足大功率缺额扰动、高风电渗透下的电力系统安全稳定运行需求。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题，提供了一种适应于电网高风电渗透率条件下的双馈风机惯性控制方法。

本发明所采用的技术方案是：一种适应于电网高风电渗透率条件下的双馈风机惯性控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：当电力系统正常运行时，系统频率保持稳态同步，惯性控制启动逻辑条件不满足，附加电磁转矩输出ΔT_e＝0，采样保持器处于采样状态；此时，风机工作在最大功率跟踪状态，速度控制器输出最优电磁转矩参考值T_opt，风机输出最优功率；

步骤2：当电力系统发生功率缺额时，系统频率发生变化，通过设置系统频率微分、频率偏差逻辑判断条件启动惯性响应；

步骤3：当步骤2满足时，施加附加电磁转矩ΔT_e；同时，采样保持器跳变到保持状态，速度控制器输出值保持为稳态电磁转矩参考值T_{opt_0}；总的电磁转矩参考值为T_{opt_0}+ΔT_e，风机经过变流器模块和发电机模块跟踪响应该值，并输出电磁转矩和有功功率；

步骤4：随着惯性响应进行，当风机转速减小至最低转速限制时，通过设置的惯性控制闭锁模块闭锁惯性响应，采样保持器跳变回采样状态，风机转速逐渐恢复，回到最大功率跟踪工作模式。

作为优选，步骤2中所述的启动惯性响应的过程为：

当电力系统发生功率缺额时，频率发生变化，|df_s/dt|和|Δf_s|增大，当满足式壹时，惯性控制启动；

$\left\{\begin{array}{c}|df/dt|>fla{g}_{(df/dt)},or,\left|\mathrm{\Δ}f\right|>fla{g}_{\left(\mathrm{\Δ}f\right)}\\ {\mathrm{\ω}}_r>{\mathrm{\ω}}_{\min }\end{array}\right.$ (式壹)；

上式中，df_s/dt，Δf_s分别为电网频率变化率和频率偏差，flag_(df/dt)和flag_(Δf)分别为频率变化率启动阀值和频率偏差启动阀值，ω_r为转子转速。

作为优选，步骤3中所述的总电磁转矩参考值为：

T_ref＝T_{opt_0}+△T_e (式贰)；

其中，T_{opt_0}为惯性控制启动前0_-时刻速度控制器输出最优电磁转矩，ΔT_e为附加恒定电磁转矩。

惯性响应过程中，电磁转矩参考值T_ref不随风机自身转速变化而改变；可以根据不同的惯性响应强度需求设置不同的ΔT_e。对于确定的初始状态及最小转速限制值，风机可释放动能一定：ΔE_k＝(ω² _r0-ω² _r0)J/2，设置ΔT_e越大，输出有功增量越大，风机减小到最低限制转速的时间越短，相反，设置ΔT_e越小风机减小到最低转速限制的时间越长。

本发明具有以下优点：

(1)本发明不受速度控制器影响、无自激振荡问题、惯性响应能力更强，能在稳定运行约束范围内更有力地对电网提供动态有功功率支撑；

(2)随着系统功率缺额增加，本发明表现出更好的频率跌落抑制效果；

(3)本发明能很好解决含高风电渗透率电力系统在功率缺额条件下的频率恶化问题，本发明的引入能打破因频率安全问题受限的大规模风电发展束缚，提高风电接纳能力；

附图说明

附图1：是本发明的实施例中惯性控制启动及惯性响应动态过程示意图，其中(a)表示电力系统频率变化率曲线，(b)表示电力系统频率偏差曲线，(c)表示风机有功功率曲线，(d)表示风机电磁转矩曲线，(e)表示风机转速曲线；

附图2：是本发明的实施例中设置最低转速限制的惯性响应示意图；(a)表示风机有功功率曲线，(b)表示风机电磁转矩曲线，(c)表示风机转速曲线；

附图3：是本发明的实施例中未设置最低转速限制的惯性响应示意图；(a)表示风机有功功率曲线，(b)表示风机电磁转矩曲线，(c)表示风机转速曲线；

附图4：是本发明的实施例中最大转速限制下闭锁惯性控制示意图；(a)表示风机有功功率曲线，(b)表示风机电磁转矩曲线，(c)表示风机转速曲线；

附图5：是本发明的实施例中随风电渗透率增加系统频率跌落曲线示意图；(a)表示无惯性控制时频率曲线，(b)表示采用模式转换惯性控制法时频率曲线。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的一种适应于电网高风电渗透率条件下的双馈风机惯性控制方法，包括以下步骤：

步骤1：当电力系统正常运行时，系统频率保持稳态同步，惯性控制启动逻辑条件不满足，附加电磁转矩输出ΔT_e＝0，采样保持器处于采样状态；此时，风机工作在最大功率跟踪状态，速度控制器输出最优电磁转矩参考值T_opt，风机输出最优功率；

步骤2：当电力系统发生功率缺额时，系统频率发生变化，通过设置系统频率微分、频率偏差逻辑判断条件启动惯性响应；

当电力系统发生功率缺额时，频率发生变化，|df_s/dt|和|Δf_s|增大，当满足式壹时，惯性控制启动；

$\left\{\begin{array}{c}|d{f}_s/dt|>fla{g}_{(df/dt)},or,\left|\mathrm{\Δ}{f}_s\right|>fla{g}_{\left(\mathrm{\Δ}f\right)}\\ {\mathrm{\ω}}_r>{\mathrm{\ω}}_{\min }\end{array}\right.$ (式壹)；

上式中，df_s/dt，Δf_s分别为系统频率变化率和频率偏差，flag_(df/dt)和flag_(Δf)分别为频率变化率启动阀值和频率偏差启动阀值，ω_r为转子转速。

根据式壹，模式转换法惯性控制启动条件为风机满足转速大于最低转速限制时，频率变化率或者频率偏差达到启动阀值。为区别于系统正常运行时频率扰动，设置flag_(df/dt)＝0.05Hz/s，flag_(Δf)＝0.1Hz，风机转速最小限制ω_min＝0.8p.u.。此外，设电磁转矩启动步长ΔT_e＝0.15pu。图1显示了模式转换法惯性控制启动过程中各主要物理量的响应曲线。

根据图1(a)，t＝30s时系统发生功率缺额，频率变化率df_s/dt迅速减小至-0.16Hz/s，|df_s/dt|>0.05，且ω_r＝1.18p.u.，满足启动条件，惯性控制启动；t＝32s时，df_s/dt增大至-0.05Hz/s以上，|df_s/dt|<0.05。但由图1(b)可知，Δf_s增大至0.15Hz，|Δf_s|>0.1Hz，惯性控制启动条件满足。t＝30s-40s区间，惯性控制启动条件始终满足，风机持续惯性响应，图1(c)、图1(d)、图1(e)分别显示了惯性响应过程中风机输出有功功率、电磁转矩和转速曲线。由图1(d)可见风机电磁转矩保持恒定值-0.69p.u，不受速度控制器影响而减小；由图1(e)可见风机转速下降显著。

步骤3：当步骤2满足时，施加附加电磁转矩ΔT_e；同时，采样保持器跳变到保持状态，速度控制器输出值保持为稳态电磁转矩参考值T_{opt_0}；总的电磁转矩参考值为T_{opt_0}+ΔT_e，风机经过变流器模块和发电机模块跟踪响应该值，并输出电磁转矩和有功功率；

当惯性控制启动后，进入惯性响应过程。在惯性响应过程中总电磁转矩参考值为：

T_ref＝T_{opt_0}+△T_e (式贰)；

其中，T_{opt_0}为惯性控制启动前0_-时刻速度控制器输出最优电磁转矩，ΔT_e为附加恒定电磁转矩；

惯性响应过程中，电磁转矩参考值T_ref不随风机自身转速变化而改变；可以根据不同的惯性响应强度需求设置不同的ΔT_e。对于确定的初始状态及最小转速限制值，风机可释放动能一定：ΔE_k＝(ω² _r0-ω² _r0)J/2，设置ΔT_e越大，输出有功增量越大，风机减小到最低限制转速的时间越短，相反，设置ΔT_e越小风机减小到最低转速限制的时间越长。

根据式贰，模式转换法惯性控制闭锁条件为风机转速达到最低转速限制或者最高转速限制。同前，风机最低转速限制为ω_min＝0.8pu，风机最高转速限制设置为额定转速ω_max＝1.2pu，以下分别对最低转速限制闭锁和最高转速限制闭锁过程仿真。

设风速V_w＝11m/s，ΔT_e＝0.4pu。图2显示了风机惯性响应过程中，达到最低转速限制时闭锁过程。由图2(c)可知，由于惯性响应强度较大，风机转速很快降至0.8pu，达到闭锁条件，惯性控制随即停止，电磁转矩、有功功率和转子转速迅速减小后又逐渐增大，风机经历转速恢复过程后回到正常运行状态。此外，虽然电磁转矩启动步长设置较大，未产生如微分惯性控制中控制增益设置较大带来的自激振荡问题。

图3显示了风机惯性响应过程中，当达到最低转速限制时，不设置闭锁限制的风机运行过程。由图3(a)，图3(b)可知，t＝46s，风机输出有功功率和电磁转矩出现持续振荡，且不能恢复到正常运行水平值；由图3(c)可知，风机转速持续下降至0.6pu以下，也不能恢复，在实际运行中，风机将被切出。所以，风机必须设置最低转速闭锁，避免该情况发生。

设风速V_w＝16m/s，转子转速为1.2pu。由图4可见，t＝30s系统发生功率缺额时，虽然频率骤降，但因ω_r达到最大转速限制1.2pu，满足闭锁条件，风机不进行惯性响应，有功功率和电磁转矩保持不变。

图5给出了t＝30s，系统发生10％功率缺额，对风电渗透率分别为5％，10％，15％，20％，30％五种情况，无控制和采用模式转换法时风机对系统频率跌落抑制能力变化曲线。

由图5(a)可知，当风电机组不采用惯性控制策略时，随着风电渗透率提高，系统频率特性变差：频率跌落速度加快、频率跌落最低点加深，这正是当前风电渗透率提高带来的隐患；由图5(b)可知，采用模式转换法时，随着风电渗透率提高，系统频率特性变好，频率跌落速度变慢、频率跌落最低点提高。此外，频率变化曲线随风电渗透率增加变化明显，说明模式转换法惯性控制作用效果对风电渗透率改变的灵敏度较高。由此可见，模式转换法能很好解决风电渗透率提高带来的功率缺额条件下系统频率特性恶化问题。

本发明能有效提高系统频率跌落最低点、降低频率下降速度，能可靠保证系统频率安全；同时，也能减小低频减载启动次数，避免系统过多负荷被迫切除，减小经济损失的一种模式转换惯性控制方法。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种适应于电网高风电渗透率条件下的双馈风机惯性控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：当电力系统正常运行时，系统频率保持稳态同步，惯性控制启动逻辑条件不满足，附加电磁转矩输出ΔT_e＝0，采样保持器处于采样状态；此时，风机工作在最大功率跟踪状态，速度控制器输出最优电磁转矩参考值T_opt，风机输出最优功率；

步骤2：当电力系统发生功率缺额时，系统频率发生变化，通过设置系统频率微分、频率偏差逻辑判断条件启动惯性响应；

步骤3：当步骤2满足时，施加附加电磁转矩ΔT_e；同时，采样保持器跳变到保持状态，速度控制器输出值保持为稳态电磁转矩参考值T_{opt_0}；总的电磁转矩参考值为T_{opt_0}+ΔT_e，风机经过变流器模块和发电机模块跟踪响应该值，并输出电磁转矩和有功功率；

步骤4：随着惯性响应进行，当风机转速减小至最低转速限制时，通过设置的惯性控制闭锁模块闭锁惯性响应，采样保持器跳变回采样状态，风机转速逐渐恢复，回到最大功率跟踪工作模式。

2.根据权利要求1所述的适应于电网高风电渗透率条件下的双馈风机惯性控制方法，其特征在于，步骤2中所述的启动惯性响应的过程为：

当电力系统发生功率缺额时，频率发生变化，||df_s/dt||和||Δf_s||增大，当满足式壹时，惯性控制启动；

$\left\{\begin{array}{c}|d{f}_s/dt|>fla{g}_{(df/dt)},Or,\left|\mathrm{\&Delta;}{f}_s\right|>fla{g}_{\left(\mathrm{\&Delta;}f\right)}\\ {\mathrm{\&omega;}}_r>{\mathrm{\&omega;}}_{\min }\end{array}\right.$ (式壹)；

上式中，df_s/dt，Δf_s分别为系统频率变化率和频率偏差，flag_(df/dt)和flag_(Δf)分别为频率变化率启动阀值和频率偏差启动阀值，ω_r为转子转速。

3.根据权利要求1所述的适应于电网高风电渗透率条件下的双馈风机惯性控制方法，其特征在于，步骤3中所述的总电磁转矩参考值为：

T_ref＝T_{opt_0}+△T_e (式贰)；

其中，T_{opt_0}为惯性控制启动前0_-时刻速度控制器输出最优电磁转矩，ΔT_e为附加恒定电磁转矩。