CN105811439B - 一种基于虚拟惯量的风电场黑启动频率控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于虚拟惯量的风电场黑启动频率控制方法，步骤10）当系统停电时，以风电场作为黑启动电源；步骤20）采用柴油发电机向风电场侧母线进行供电；步骤30）对永磁直驱风电机组的辅机系统进行供电；步骤40）在启动阶段采用跟踪曲线切换虚拟惯量控制方法，在机侧变流器控制环节引入系统频率偏差；步骤50）采用基于系数变换的主频率控制方法平滑切换的方法，将当前主频率控制方法切换至附加功率外环虚拟惯量控制方法对频率进行响应；步骤60）启动对侧火电厂辅机；步骤70）启动大容量火电机组，对外恢复电网。该方法提升风电场黑启动过程的孤立系统频率稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种频率控制方法，具体来说，涉及一种基于虚拟惯量的风电场黑启动频率控制方法。
背景技术
黑启动是指整个电力系统因故障全停后，不依赖别的系统帮助，通过系统中具有自启动能力机组带动无自启动能力的机组，逐渐扩大系统供电范围，最终实现整个系统恢复的过程。传统黑启动电源通常选取抽水蓄能电站或燃气轮机等运行可靠性较高的电源，然而受水资源分布、燃气轮机运行维护要求较高等因素约束，电网中存在黑启动电源不足及分布不合理的实际问题。随着智能电网环境下运行控制技术的提升，采用大规模“系统友好型”风电场作为黑启动电源在理论研究和实际应用上均是一种有益的尝试。
目前大部分风电机组采用变流器实现变速恒频控制，使得风力机的转速与网侧频率完全解耦，当频率变化时无法进行实时响应，为系统提供惯量和频率支持。黑启动过程对孤立小系统的频率稳定性提出了较高的要求，这也成为了制约风电场参与电网黑启动的条件之一。
发明内容
技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于虚拟惯量的风电场黑启动频率控制方法，该方法充分利用风电机组的转速空间，提升风电场黑启动过程的孤立系统频率稳定性。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明实施例采用以下的技术方案：
一种基于虚拟惯量的风电场黑启动频率控制方法，该方法包括以下步骤：
步骤10)当系统故障停电时，以风电场作为黑启动电源；
步骤20)采用柴油发电机向风电场35kV侧母线进行供电，同时启动静止无功发生器，为黑启动系统提供无功功率支撑；在黑启动过程中，柴油发电机作为主参考源，为黑启动系统提供稳定的电压幅值和频率参考；
步骤30)利用步骤20)中静止无功发生器和柴油发电机提供的功率，对永磁直驱风电机组的辅机系统进行供电，当风速满足永磁直驱风电机组启动条件时，风轮机开始捕获风能，利用机侧变流器对永磁直驱风电机组的转速进行控制，实现经由网侧变流器对35kV侧母线的功率传递；
步骤40)当步骤30)的永磁直驱风电机组启动后，在启动阶段采用跟踪曲线切换虚拟惯量控制方法，在机侧变流器控制环节引入系统频率偏差，作为当前主频率控制方法；在永磁直驱风电机组满足变桨条件时，利用改进桨距角响应虚拟惯量控制方法，在风电机组变桨距系统引入频率偏差，作为辅助频率控制方法对系统频率进行响应；
步骤50)当永磁直驱风电机组启动后，采用基于系数变换的主频率控制方法平滑切换的方法，当频率偏差满足切换条件时，将当前主频率控制方法切换至附加功率外环虚拟惯量控制方法对频率进行响应，减小控制方法切换对系统频率的冲击；
步骤60)当主频率控制方法切换后，系统频率趋于稳定时，启动对侧火电厂辅机；
步骤70)启动大容量火电机组，对外逐步恢复电网。
作为优选例，所述的步骤30)中，改进桨距角响应虚拟惯量控制方法是指：通过将引进系统频率与频率参考值比较，并将系统频率与频率参考值的频率偏差值，通过惯性环节和限幅环节得到风机角速度的偏差值，将风机角速度的偏差值与角速度参考值相比较，并将矫正后的角速度先后经过风电机组变桨距系统中的PI控制器、限幅环节、惯性环节以及桨距角的限速器，得到风电机组的桨距角。
作为优选例，所述的步骤40)中，基于系数变换的主频率控制方法平滑切换的方法是指：在风电机组启动后，通过设定斜率，采用系数随时间变换的方法，将最大功率跟踪曲线比例系数k'opt平滑地恢复至1；同时，当满足切换条件时，将系统的主频率切换方法切换至附加功率外环虚拟惯量控制方法；k'opt依据式(1)确定：
其中，k'opt为最大功率跟踪曲线比例系数，kopt为固定的跟踪曲线比例系数，ωr0为初始运行对应的电角速度，η为比例系数，Δf为频率偏差值。
作为优选例，所述的步骤40)中，所述的切换条件是指：t≥t1且Δf≤0.01Hz，其中：t1为永磁直驱风电机组启动后到方法切换的时间，Δf表示频率偏差。
有益效果：与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：
(1)本发明实施例的控制方法，基于风电场黑启动场景的特殊性，考虑到风电场黑启动采用变桨控制限功率运行而留下的转速空间，提出的桨距角响应控制方法，能够有效减小火电厂辅机启动时造成的频率跌落。
(2)本发明实施例利用不同虚拟惯量控制方法在不同阶段的控制效果，基于柔性方法切换方法，并结合改进桨距角控制方法及柴油发电机频率响应特性，提出了适用于风电场黑启动的主辅频率控制方法。与传统的虚拟惯量控制方法相比，采用本实施例方法将网侧频率偏差引入风电机组控制系统中，通过释放“隐藏”的旋转动能，可使风电机组在频率变化时通过快速功率控制，为系统提供一定的频率支撑能力，可有效提升风电机组的频率控制能力，减小风电场黑启动全动态过程中的频率偏差，加强孤立小系统的频率稳定性，并能减小柴油发电机的输出功率，经济性较好。
附图说明
图1为本发明实施例的流程图；
图2为本发明实施例采用的系统构架图；
图3为传统不同虚拟惯量控制方法控制效果对比图；
图4为本发明实施例的方法与传统附加桨距角控制方法的控制效果对比图；
图5为本发明实施例的方法与传统附加桨距角控制方法的动态响应对比图；
图6为本发明实施例的柔性切换与现有技术的直接切换的效果对比图；
图7为本发明实施例与传统虚拟惯量控制方法的效果对比图；
图8为本发明实施例与传统方法动态响应的效果对比图；
图9为本发明实施例中改进桨距角响应虚拟惯量控制方法的流程框图；
图10为本发明实施例中基于系数变换的主频率控制方法平滑切换的方法流程框图。
具体实施方式
下面参照附图，并结合实施例对本发明作进一步详细描述。但是本发明不限于所给出的例子，可为采用间歇性新能源电厂作为黑启动电源的频率控制方法提供技术参考。
如图1所示，本发明实施例的一种基于虚拟惯量的风电场黑启动频率控制方法，包括以下步骤：
步骤10)当系统故障停电时，以风电场作为黑启动电源。
步骤20)采用柴油发电机向风电场35kV侧母线进行供电，同时启动静止无功发生器，为黑启动系统提供无功功率支撑；在黑启动过程中，柴油发电机作为主参考源，为黑启动系统提供稳定的电压幅值和频率参考。
步骤30)利用步骤20)中静止无功发生器和柴油发电机提供的功率，对永磁直驱风电机组的辅机系统进行供电，当风速满足永磁直驱风电机组启动条件时，风轮机开始捕获风能，利用机侧变流器对永磁直驱风电机组的转速进行控制，实现经由网侧变流器对35kV侧母线的功率传递。
步骤40)当步骤30)的永磁直驱风电机组启动后，在启动阶段采用跟踪曲线切换虚拟惯量控制方法，在机侧变流器控制环节引入系统频率偏差，作为当前主频率控制方法；在永磁直驱风电机组满足变桨条件时，利用改进桨距角响应虚拟惯量控制方法，在风电机组变桨距系统引入频率偏差，作为辅助频率控制方法对系统频率进行响应。
步骤50)当永磁直驱风电机组启动后，采用基于系数变换的主频率控制方法平滑切换的方法，当频率偏差满足切换条件时，将当前主频率控制方法切换至附加功率外环虚拟惯量控制方法对频率进行响应，减小控制方法切换对系统频率的冲击。
步骤60)当主频率控制方法切换后，系统频率趋于稳定时，启动对侧火电厂辅机。
步骤70)启动大容量火电机组，对外逐步恢复电网。
上述实施例的基于虚拟惯量的风电场黑启动频率控制方法中，在风电场黑启动全动态过程中，柴油发电机作为主频率参考源，对孤立小系统的频率进行全过程响应支撑。机侧变流器通过方法切换的附加功率外环虚拟惯量控制方法和跟踪曲线切换虚拟惯量控制方法作为风电机组的主频率控制方法，改进桨距角响应虚拟惯量控制方法作为风电机组的辅助频率控制方法，对孤立小系统的频率进行响应。
在上述实施例中，所述的步骤30)中，变桨条件是考虑到风电场黑启动阶段利用变桨控制限功率运行留下的大约80％的转速空间。通常黑启动过程都满足变桨条件。
如图9所示，改进桨距角响应虚拟惯量控制方法是指：通过将引进系统频率与频率参考值比较，并将系统频率与频率参考值的频率偏差值，通过惯性环节和限幅环节得到风机角速度的偏差值(其中，KVI为惯性环节的增益，TVI为时间常数)，将风机角速度的偏差值与角速度参考值相比较，并将矫正后的角速度先后经过风电机组变桨距系统中的PI控制器(即比例积分控制器)、限幅环节、惯性环节以及桨距角的限速器，得到风电机组的桨距角(其中，Kp为该惯性环节的增益，Tp为时间常数)。该改进桨距角响应虚拟惯量控制方法，在风电机组变桨距系统内引入频率偏差信号，通过滞后环节和限幅环节可得到较好的桨距角响应，减小系统频率波动。
作为优选，步骤40)中的基于系数变换的主频率控制方法平滑切换的方法是指：如图10所示，在风电机组启动后，通过设定斜率，采用系数随时间变换的方法，将最大功率跟踪曲线比例系数k'opt平滑地恢复至1；同时，当满足切换条件时，将系统的主频率切换方法切换至附加功率外环虚拟惯量控制方法。所述的切换条件是指：t≥t1且Δf≤0.01Hz，其中：t1为永磁直驱风电机组启动后到方法切换的时间，Δf表示频率偏差。优选的，t1＝5s。
k'opt依据式(1)确定：
其中，k'opt为最大功率跟踪曲线比例系数，kopt为固定的跟踪曲线比例系数，ωr0为初始运行对应的电角速度，η为比例系数，Δf为频率偏差值。
上述实施例的控制方法，基于风电场黑启动场景的特殊性，考虑到风电场黑启动采用变桨控制限功率运行而留下的转速空间，提出一种新的桨距角响应控制方法，同时基于柔性方法切换方法，利用不同虚拟惯量控制方法在不同阶段的控制效果，结合柴油发电机频率响应特性，提出一种新的适用于风电场黑启动的频率控制方法。与传统的虚拟惯量控制方法相比，采用本实施例的方法可有效提升风电机组的频率控制能力，减小风电场黑启动全动态过程中的频率偏差，加强孤立小系统的频率稳定性。
下面提供一实施例。
图2为本实施例采用的风电场黑启动系统，包括：若干条并联的永磁风机支路、柴油发电机以及火电厂辅机，永磁风机通过风机箱变连接到风电场35kV母线上，柴油发电机并联设置在35kV母线上，该系统通过输电线路与火电厂相接。
本实施例在PSCAD/EMTDC软件平台上搭建了上述风电场黑启动系统，等值风机辅机大小为80+j40kVA，永磁直驱风电机组额定容量1.5MW，功率因数为1，火电厂辅机采用感应电动机模型，容量为450kVA。为验证方法的有效性，本实施例考虑极端情况下只启动一台风机的情况，设置t＝0s柴油发电机启动，为系统提供电压和频率参考值，同时启动静止无功发生器，为系统提供无功支撑，t＝5s启动等值风机辅机，t＝10s启动一台永磁直驱风电机组，考虑风速总体趋势上升时风电功率波动情况，t＝20s启动对侧火电厂一台机组辅机。
如图3所示，三种传统单一的虚拟惯量控制方法，即附加桨距角控制方法、附加功率外环控制方法和跟踪曲线切换控制方法，在黑启动不同阶段表现的控制效果不同。在风电机组自启动过程中，跟踪曲线切换控制效果最佳；在对侧火电厂机组辅机投入过程中，附加功率外环控制效果最佳。故本实施例采用跟踪曲线切换控制与附加功率外环控制切换的方法使得黑启动过程中频率控制效果最佳。
如图4、5所示，对比传统的附加桨距角控制方法和改进桨距角响应控制方法，可看出由于改进桨距角响应虚拟惯量控制方法直接作用于ωref，在t＝10s风电机组自启动瞬间合理地将角速度减小，储存一部分旋转动能，在t＝20s投入对侧火电厂机组辅机瞬间将风轮角速度提升，释放这部分动能。但由于频繁加减速可能造成机械老化等问题，故本实施例提出的协同控制方法中将改进桨距角响应虚拟惯量控制方法作为辅助控制方法而非主要控制手段。
如图6所示，显示了跟踪曲线切换控制方法切换到附加功率外环控制方法的两种切换方法，即采用直接切换方法和本实施例柔性切换方法。直接切换是指没有切换条件的限制且没有加入系数变换的方法，根据自己的需要对不同的控制方法进行变换。跟踪曲线切换控制方法直接切换到附加功率外环控制方法会导致在两种方法切换点存在一定的频率冲击，达到0.13Hz，且超过了风电机组启动的造成的频率上升幅度。而通过本实施例提出的柔性切换方法，可有效消除切换点的冲击，减小频率变化的幅值，同时其频率变化曲线更为平缓，能够在一定程度上提升风电场黑启动过程中的系统频率稳定性，使其满足风机运行的频率要求。
如图7所示，本实施例提出的协同控制方法与传统的附加功率外环控制、跟踪曲线切换控制相比具有更好的控制效果，具体频率对比如下表所示：
| 频率控制方案 | 风机启动最高频率(Hz) | 辅机投入最低频率(Hz) |
| 附加功率外环控制 | 50.21 | 49.69 |
| 跟踪曲线切换控制 | 50.15 | 49.52 |
| 本实施例协同控制 | 50.10 | 49.83 |
本发明实施例提出的协同控制方法能有效地减小本次搭建的风电场黑启动系统频率波动幅度，将风机启动时最高频率降低至50.10Hz，将火电厂辅机投入时最低频率升高至49.83Hz。采用本发明提出控制方法对比附加功率外环控制、跟踪曲线切换控制，其频率变化幅度分别降低了45％和65％。
如图8所示，从柴油发电机输出有功功率对比情况可以看出，跟踪曲线切换控制以及附加功率外环控制在风电机组启动以及火电厂辅机启动时，柴油发电机输出功率有较大的波动，并且这两种方法火电厂辅机启动时对应的最大输出功率均较大。本发明实施例提出的协同控制方法能够平滑地控制柴油发电机的输出，并将其瞬间输出最大值控制在合理范围之内，降低了黑启动过程中对柴油发电机容量的要求。
通过以上对比可以看出：本发明实施例提出的协同控制方法，能够充分利用不同虚拟惯量控制方法在不同阶段的控制效果，并合理配上本发明实施例提出的改进桨距角响应控制方法，形成在风电场黑启动过程中对频率的主辅控制，可以有效减小此过程中频率变化的幅度。
Claims (5)
1.一种基于虚拟惯量的风电场黑启动频率控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤10)当系统故障停电时，以风电场作为黑启动电源；
步骤20)采用柴油发电机向风电场35kV侧母线进行供电，同时启动静止无功发生器，为黑启动系统提供无功功率支撑；在黑启动过程中，柴油发电机作为主参考源，为黑启动系统提供稳定的电压幅值和频率参考；
步骤30)利用步骤20)中静止无功发生器和柴油发电机提供的功率，对永磁直驱风电机组的辅机系统进行供电，当风速满足永磁直驱风电机组启动条件时，风轮机开始捕获风能，利用机侧变流器对永磁直驱风电机组的转速进行控制，实现经由网侧变流器对35kV侧母线的功率传递；
步骤40)当步骤30)的永磁直驱风电机组启动后，在启动阶段采用跟踪曲线切换虚拟惯量控制方法，在机侧变流器控制环节引入系统频率偏差，作为当前主频率控制方法；在永磁直驱风电机组满足变桨条件时，利用改进桨距角响应虚拟惯量控制方法，在风电机组变桨距系统引入频率偏差，作为辅助频率控制方法对系统频率进行响应；
步骤50)当永磁直驱风电机组启动后，采用基于系数变换的主频率控制方法平滑切换的方法，当频率偏差满足切换条件时，将当前主频率控制方法切换至附加功率外环虚拟惯量控制方法对频率进行响应，减小控制方法切换对系统频率的冲击；
步骤60)当主频率控制方法切换后，系统频率趋于稳定时，启动对侧火电厂辅机；
步骤70)启动大容量火电机组，对外逐步恢复电网。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟惯量的风电场黑启动频率控制方法，其特征是，所述的步骤40)中，改进桨距角响应虚拟惯量控制方法是指：通过将引进系统频率与频率参考值比较，并将系统频率与频率参考值的频率偏差值，通过惯性环节和限幅环节得到风机角速度的偏差值，将风机角速度的偏差值与角速度参考值相比较，并将矫正后的角速度先后经过风电机组变桨距系统中的PI控制器、限幅环节、惯性环节以及桨距角的限速器，得到风电机组的桨距角。
3.根据权利要求1所述的基于虚拟惯量的风电场黑启动频率控制方法，其特征是，所述的步骤50)中，基于系数变换的主频率控制方法平滑切换的方法是指：在风电机组启动后，通过设定斜率，采用系数随时间变换的方法，将最大功率跟踪曲线比例系数k′opt平滑地恢复至1；同时，当满足切换条件时，将系统的主频率切换方法切换至附加功率外环虚拟惯量控制方法；k′opt依据式(1)确定：
其中，k′opt为最大功率跟踪曲线比例系数，kopt为固定的跟踪曲线比例系数，ωr0为初始运行对应的电角速度，η为比例系数，Δf为频率偏差值。
4.根据权利要求3所述的基于虚拟惯量的风电场黑启动频率控制方法，其特征是，所述的步骤50)中，所述的切换条件是指：t≥t1且Δf≤0.01Hz，其中：t1为永磁直驱风电机组启动后到方法切换的时间，Δf表示频率偏差。
5.根据权利要求4所述的基于虚拟惯量的风电场黑启动频率控制方法，其特征是，所述的t1＝5s。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 基于双馈感应风力发电机虚拟惯量和桨距角联合控制的风光柴微电网动态频率控制;赵晶晶等;《中国电机工程学报》;20150805;第35卷(第15期);3815-3822 * |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2021023356A1 (en) * | 2019-08-08 | 2021-02-11 | Mhi Vestas Offshore Wind A/S | Providing auxiliary power using offshore wind turbines |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105811439A (zh) | 2016-07-27 |
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