CN106952180A - 一种建立双馈分布式风电系统低阶频率响应模型的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种建立双馈分布式风电系统低阶频率响应模型的方法，首先分别根据双馈风电机组在低、中、高风速区间的频率响应特性，提出双馈风电机组详细模型在对应各风速区间的简化方法；然后再在传统低阶频率响应模型基础上，基于小信号分析理论推导并建立可适用于双馈分布式风电系统在低、中、高风速区间的低阶频率响应模型,以用于快速且较精确地模拟双馈分布式风电系统的频率动态响应特性。本发明大大简化了建模工作，可为今后分析双馈分布式风电系统频率响应特性提供有效便捷的途径，从而为双馈风电机组频率控制技术的实施提供参考依据。

Description

一种建立双馈分布式风电系统低阶频率响应模型的方法

技术领域

本发明涉及一种建立双馈分布式风电系统低阶频率响应模型的方法，属于分布式风电系统频率特性分析与控制技术领域。

背景技术

由于风电机组出力的波动性与随机性，而且风电机组多采用了电力电子器件，导致其发电机转子转速与电网频率解耦，那么随着大量的风电机组接入电网，势必改变传统电网的频率动态特性，进而影响电网的稳定运行。

在1990年由Anderson P.M首次提出的传统低阶频率响应模型，已在过去二十几年被成熟且广泛应用。该模型提出的核心简化思想是仅考虑影响系统动态行为的主导模态，忽略其他所有次要模态，这样既保证了模型精度，又大大简化了模型复杂度。但该传统低阶频率响应模型已无法适用于目前新出现的双馈分布式风电系统。针对双馈风电机组对系统动态特性的影响一些相关文献进行研究，由林今，李国杰，孙元章，黎雄等发表的《双馈风电机组的小信号分析及其控制系统的参数优化》的论文中，发现只有与双馈风电机组转子转速相关的模态才是影响系统动态行为的主导模态。因此在该研究成果以及传统低阶频率响应模型基础上，如何建立新的适用于双馈分布式风电系统低阶频率响应模型，成为了目前研究的新方向。

发明内容

本发明的目的在于克服传统低阶频率响应模型无法适用目前双馈分布式风电系统的缺陷，同时由于采用详细模型进行分析时需要大量的建模工作和仿真时间，提供一种建立双馈分布式风电系统低阶频率响应模型的方法。

本发明为解决以上技术问题，采用以下技术方案：

一种建立双馈分布式风电系统低阶频率响应模型的方法，包括以下步骤：

1)根据双馈风电机组在低、中、高风速区间不同的频率控制策略，提出双馈风电机组详细模型在不同风速区间的简化方法；

2)建立中、高风速区间双馈风电机组简化小信号状态方程；

3)推导出中、高风速区间双馈风电机组额外输出有功功率与风电系统频率偏差之间的传递函数关系；

4)将低、中、高风速区间双馈风电机组额外输出有功功率，分别乘以然后接入到传统低阶频率响应模型中去，从而最终得到适用于双馈分布式风电系统在低、中、高风速区间的低阶频率响应模型，其中，L_p为双馈风电机组装机容量占风电系统总装机容量百分比。

前述的步骤1)中，双馈风电机组在低风速区间的频率控制策略为：当风速V_w处于低风速区间时，即0≤V_w≤V_wcutin，V_wcutin为切入风速，此时为了保证双馈风电机组稳定运行，不向系统提供频率控制；

因此，双馈风电机组详细模型在低风速区间的简化方法为：双馈风电机组向风电系统额外输出有功功率为零，即：

ΔP_{e_low}＝0 (1)

ΔP_{e_low}为低风速区间双馈风电机组向风电系统额外输出有功功率。

前述的步骤1)中，双馈风电机组在中风速区间的频率控制策略为：当风速V_w处于中风速区间时，即V_wcutin＜V_w＜V_wrate，V_wcutin为切入风速，V_wrate为额定风速，双馈风电机组整个频率控制过程仅调节双馈风电机组转子转速，桨距角不需要动作，此时桨距角β＝0°；

因此，双馈风电机组详细模型在中风速区间的简化方法为：根据双馈风电机组在中风速区间的频率控制策略以及已有的双馈风电机组详细模型小信号分析结果：只有与双馈风电机组转子转速相关的模态才是影响风电系统动态行为的主导模态，则在中风速区间，从风电系统频率动态特性角度出发，将双馈风电机组详细模型简化为如下式：

其中，P_{m_mid},P_{e_mid}分别为在中风速区间时双馈风电机组输入的机械功率与输出的有功功率，H_DG1为双馈风电机组惯性时间常数，ρ为空气密度，R为风轮半径，ω_r为双馈风电机组转子转速，V_w0为双馈风电机组参与频率控制时的实时风速，C_p(·)是风能利用系 数表达式，f_n为系统额定频率，G是齿轮增速比，p为发电机极对数，d％为双馈风电机组初始减载率，λ_opt最优叶尖速比，C_pmax为最大风力利用系数，ω_s为风电系统实时频率，ω_sn为风电系统额定频率，k_p,k_d分别为双馈风电机组频率辅助控制器比例系数与微分系数。

前述的步骤1)中，双馈风电机组在高风速区间的频率控制策略为：当风速V_w处于高风速区间时，即V_wrate≤V_w≤V_wcutout，V_wcutout为切出风速，在高风速区间双馈风电机组会受到最大允许转速ω_rmax与额定转矩T_rated限制，因此双馈风电机组只能依靠桨距角动作来完成整个频率控制过程；

因此，双馈风电机组详细模型在高风速区间的简化方法为：根据双馈风电机组在高风速区间的频率控制策略，并只考虑主导模态，此时双馈风电机组详细模型可简化为：

其中，P_{m_hig},P_{e_hig}分别为双馈风电机组在高风速区间时输入的机械功率与输出的有功功率，β为桨距角，T_servo为桨距角执行机构时间常数，x₁为中间变量，k_{p_blade},k_{i_blade}为桨距角PI控制器参数。

前述的步骤2)中，双馈风电机组在中风速区间的简化小信号状态方程为：

其中，X＝[ω_r]为状态变量，Y＝[P_{e_mid}]为输出变量，U＝[ω_s rocω_s]为输入变量，C_mid＝[b_mid]，D_mid＝[-k_p-k_d]，Δ为增量符号，ω_r0为双馈风电机组初始转速。

前述的步骤2)中，双馈风电机组在高风速区间的简化小信号状态方程为：

其中,X＝[ω_r x₁ β]^T为状态变量,U＝[ω_s rocω_s]^T为输入变量，Y＝[P_{e_hig}]为输出变量，C_hig＝[b_hig 0 0]，

D_hig＝[-k_p -k_d]，b_hig＝(1-d％)T_rated，β₀为初始减载备用运行状态下的桨距角，P_m为双馈风电机组输入的机械有功功率。

前述的步骤3)中，中风速区间双馈风电机组额外输出有功功率ΔP_{e_mid}与风电系统频率偏差Δω_s之间的传递函数关系为：

其中，s为复变量。

前述的步骤3)中，高风速区间双馈风电机组额外输出有功功率ΔP_{e_hig}与风电系统频率偏差Δω_s之间的传递函数关系为：

其中，

h(s)＝2H_DG1ω_rmaxT_servos³+[2H_DG1ω_rmax-T_servo(a_hig-b_hig)]s²-(a_hig-b_hig+c_higk_{p_blade})s-c_higk_{i_blade}。

与现有技术相比，本发明达到的有益效果是：(1)首先克服了传统低阶频率响应模型无法适用目前新出现的双馈分布式风电系统的缺陷；(2)与采用详细模型相比，本发明提出的新模型大大简化了建模工作，可为今后分析双馈分布式风电系统频率响应特性提供有效便捷的途径，从而为双馈风电机组频率控制技术的实施提供参考依据。

附图说明

图1是传统低阶频率响应模型；

图2是本发明建立双馈分布式风电系统在低风速区间的低阶频率响应模型；

图3是本发明建立双馈分布式风电系统在中风速区间的低阶频率响应模型；

图4是本发明建立双馈分布式风电系统在高风速区间的低阶频率响应模型。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明首先提出了双馈风电机组在低、中、高不同风速区间的简化模型，然后根据小信号分析理论推导出双馈风电机组额外输出的有功功率与系统频率偏差的关系式；最后再将所推导低、中、高风速区间时的额外有功功率与系统频率偏差的关系式与传统低阶频率响应模型进行整合，从而可建立在低、中、高风速区间时的双馈分布式风电系统的低阶频率响应模型。具体如下：

步骤1，根据双馈风电机组在低、中、高风速区间不同的频率控制策略，提出双馈风电机组详细模型在不同风速区间的简化方法；

双馈风电机组在低风速区间的频率控制策略为：当风速V_w处于低风速区间时，即0≤V_w≤V_wcutin，V_wcutin为切入风速，此时为了优先保证双馈风电机组稳定运行，不向系统提供频率控制。

因此，双馈风电机组详细模型在低风速区间的简化方法为：由于双馈风电机组不向系统提供频率控制，因此在风电系统发生扰动时，双馈风电机组向风电系统额外提供(或吸收)的有功功率为零，即可用式(1)表达：

ΔP_{e_low}＝0 (1)

ΔP_{e_low}为双馈风电机组向风电系统提供的有功功率。

双馈风电机组在中风速区间的频率控制策略为：当风速V_w处于中风速区间时，即V_wcutin＜V_w＜V_wrate，V_wrate为额定风速，双馈风电机组由于在中风速区间，整个频率控制 过程仅调节双馈风电机组转子转速，桨距角不需要动作(此时桨距角β＝0°)。

因此，双馈风电机组详细模型在中风速区间的简化方法为：根据双馈风电机组在中风速区间的频率控制策略以及已有的双馈风电机组详细模型小信号分析结果：只有与双馈风电机组转子转速相关的模态才是影响风电系统动态行为的主导模态。那么在中风速区间，从系统频率动态特性角度出发，可以将双馈风电机组详细模型简化为如下式：

式中，P_{m_mid},P_{e_mid}分别为在中风速区间时双馈风电机组输入的机械功率与输出的有功功率；H_DG1为双馈风电机组惯性时间常数；ρ为空气密度；R为风轮半径；ω_r为双馈风电机组转子转速；V_w0为双馈风电机组参与频率控制时的实时风速，C_p(·)是风能利用系数表达式；f_n为系统额定频率(有名值)，G是齿轮增速比；p为发电机极对数；d％为双馈风电机组初始减载率；λ_opt最优叶尖速比；C_pmax为最大风力利用系数；ω_s为系统实时频率(标幺值)；ω_sn为系统额定频率(标幺值)；k_p,k_d分别为双馈风电机组频率辅助控制器比例系数与微分系数。

双馈风电机组在高风速区间的频率控制策略为：当风速V_w处于高风速区间时，即V_wrate≤V_w≤V_wcutout，V_wcutout为切出风速。在高风速区间双馈风电机组会受到最大允许转速ω_rmax与额定转矩T_rated限制，因此双馈风电机组只能依靠桨距角动作来完成整个频率控制过程。

因此，双馈风电机组详细模型在高风速区间的简化方法为：同样根据双馈风电机组在高风速区间的频率控制策略，并只考虑主导模态，此时双馈风电机组详细模型可简化为：

式(3)中，P_{m_hig},P_{e_hig}分别为双馈风电机组在高风速区间时输入的机械功率与输出的有功功率；β为桨距角，T_servo为桨距角执行机构时间常数；x₁为中间变量；k_{p_blade},k_{i_blade}为桨距角PI控制器参数。

步骤2，进一步建立中、高风速区间双馈风电机组简化小信号状态方程；

双馈风电机组在中风速区间的简化小信号状态方程推导过程为：

选取状态变量X＝[ω_r]，输出变量Y＝[P_{e_mid}]以及输入变量U＝[ω_s rocω_s]，可以将步骤1所推导的式(2)转化为如式(4)所示的小信号状态方程：

式(4)中，C_mid＝[b_mid],

D_mid＝[-k_p-k_d],Δ为增量符号，

ω_r0为双馈风电机组初始转速。

双馈风电机组在高风速区间的简化小信号状态方程推导过程为：

选取状态变量X＝[ω_r x₁ β]^T,输入变量U＝[ω_s rocω_s]^T,输出变量Y＝[P_{e_hig}],可以将步骤1所推导的式(3)转换成如式(5)所示的小信号状态方程：

其中,

C_hig＝[b_hig 0 0]，

D_hig＝[-k_p -k_d]，b_hig＝(1-d％)T_rated，β₀为初始减载备用运行状态下的桨距角，P_m为双馈风电机组输入的机械有功功率。

步骤3，根据式(4)、(5)进一步推导出中、高风速区间双馈风电机组额外输出有功功率与系统频率偏差之间的传递函数关系；

中风速区间双馈风电机组额外输出的有功功率ΔP_{e_mid}与系统频率偏差Δω_s之间的传递函数关系式为：

其中，s为复变量。

高风速区间双馈风电机组额外输出的有功功率ΔP_{e_hig}与系统频率偏差Δω_s之间的关系式为：

其中，

h(s)＝2H_DG1ω_rmaxT_servos ³+[2H_DG1ω_rmax-T_servo(a_hig-b_hig)]s²-(a_hig-b_hig+c_higk_{p_blade})s-c_higk_{i_blade}。

步骤4，建立总装机容量为S_N的双馈分布式风电系统在低、中、高风速区间的低阶频率响应模型，所涉及的双馈分布式风电系统只有火电机组和双馈风电机组作为发电单元，其中双馈风电机组装机容量占比为L_P：以双馈分布式风电系统中的火电机组装机额定容量(1-L_P)S_N作为基准，那么分别将ΔP_{e_low}、ΔP_{e_mid}、ΔP_{e_hig}即式(1)、(6)、(7)乘以后，则可以得到占系统装机总容量占比为L_p的双馈风电机组在低、中、高风速区间向系统输出的额外有功功率(标幺值)分别为ΔP'_{e_low}＝0，

然后再分别按照图2、图3、图4虚线框所示方法接入到传统低阶频率响应模型，从而最终可以分别建立如图2、图3、图4所示的双馈分布式风电系统在低、中、高风速区间的低阶频率响应模型。图1、2、3、4所涉及到的参数解释如下：H_DG2为火电机组惯性时间常数；D_DG2为火电机组阻尼系数；R_eq为调差系数；T_R为蒸汽容积时间常数；F_HP为高压缸稳态输出功率占或火电机组总输出功率百分比；K_m为功率因数相关的系数；ΔP_L为系统负荷扰动。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种建立双馈分布式风电系统低阶频率响应模型的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据双馈风电机组在低、中、高风速区间不同的频率控制策略，提出双馈风电机组详细模型在不同风速区间的简化方法；

2)建立中、高风速区间双馈风电机组简化小信号状态方程；

3)推导出中、高风速区间双馈风电机组额外输出有功功率与风电系统频率偏差之间的传递函数关系；

4)将低、中、高风速区间双馈风电机组额外输出有功功率，分别乘以然后接入到传统低阶频率响应模型中去，从而最终得到适用于双馈分布式风电系统在低、中、高风速区间的低阶频率响应模型，其中，L_p为双馈风电机组装机容量占风电系统总装机容量百分比。

2.根据权利要求1所述的一种建立双馈分布式风电系统低阶频率响应模型的方法，其特征在于，所述步骤1)中，双馈风电机组在低风速区间的频率控制策略为：当风速V_w处于低风速区间时，即0≤V_w≤V_wcutin，V_wcutin为切入风速，此时为了保证双馈风电机组稳定运行，不向系统提供频率控制；

因此，双馈风电机组详细模型在低风速区间的简化方法为：双馈风电机组向风电系统额外输出有功功率为零，即：

ΔP_{e_low}＝0 (1)

ΔP_{e_low}为低风速区间双馈风电机组向风电系统额外输出有功功率。

3.根据权利要求1所述的一种建立双馈分布式风电系统低阶频率响应模型的方法，其特征在于，所述步骤1)中，双馈风电机组在中风速区间的频率控制策略为：当风速V_w处于中风速区间时，即V_wcutin＜V_w＜V_wrate，V_wcutin为切入风速，V_wrate为额定风速，双馈风电机组整个频率控制过程仅调节双馈风电机组转子转速，桨距角不需要动作，此时桨距角β＝0°；

因此，双馈风电机组详细模型在中风速区间的简化方法为：根据双馈风电机组在中风速区间的频率控制策略以及已有的双馈风电机组详细模型小信号分析结果：只有与双馈风电机组转子转速相关的模态才是影响风电系统动态行为的主导模态，则在中风速区间，从风电系统频率动态特性角度出发，将双馈风电机组详细模型简化为如下式：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{d\ω}}_r}{dt}=\frac{P_{m\_mid}-P_{e\_mid}}{2H_{DG1}{\mathrm{\ω}}_r}\\ P_{m\_mid}=0.5{\mathrm{\ρ\πR}}^2{C}_p(0,\frac{{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\ω}}_{base}R}{V_{w0}})V_{w0}^3\\ P_{e\_mid}=(1-d\%)k_{opt}{\mathrm{\ω}}_r^3-k_p({\mathrm{\ω}}_s-{\mathrm{\ω}}_{sn})-k_d\frac{{\mathrm{d\ω}}_s}{dt}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，P_{m_mid},P_{e_mid}分别为在中风速区间时双馈风电机组输入的机械功率与输出的有功功率，H_DG1为双馈风电机组惯性时间常数，ρ为空气密度，R为风轮半径，ω_r为双馈风电机组转子转速，V_w0为双馈风电机组参与频率控制时的实时风速，C_p(·)是风能利用系数表达式，f_n为系统额定频率，G是齿轮增速比，p为发电机极对数，d％为双馈风电机组初始减载率，λ_opt最优叶尖速比，C_pmax为最大风力利用系数，ω_s为风电系统实时频率，ω_sn为风电系统额定频率，k_p,k_d分别为双馈风电机组频率辅助控制器比例系数与微分系数。

4.根据权利要求3所述的一种建立双馈分布式风电系统低阶频率响应模型的方法，其特征在于，所述步骤1)中，双馈风电机组在高风速区间的频率控制策略为：当风速V_w处于高风速区间时，即V_wrate≤V_w≤V_wcutout，V_wcutout为切出风速，在高风速区间双馈风电机组会受到最大允许转速ω_rmax与额定转矩T_rated限制，因此双馈风电机组只能依靠桨距角动作来完成整个频率控制过程；

因此，双馈风电机组详细模型在高风速区间的简化方法为：根据双馈风电机组在高风速区间的频率控制策略，并只考虑主导模态，此时双馈风电机组详细模型可简化为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{d\ω}}_r}{dt}=\frac{P_{m\_hig}-P_{e\_hig}}{2H_{DG1}{\mathrm{\ω}}_r}\\ \frac{{\mathrm{dx}}_1}{dt}={\mathrm{\ω}}_r-{\mathrm{\ω}}_{rmax}\\ \frac{d\mathrm{\β}}{dt}=\frac{k_{i\_blade}{x}_1+k_{p\_blade}({\mathrm{\ω}}_r-{\mathrm{\ω}}_{max})-\mathrm{\β}}{T_{servo}}\\ P_{m\_hig}=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ\πR}}^2{C}_p(\mathrm{\β},\frac{{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\ω}}_{base}R}{V_{w0}})V_{w0}^3\\ P_{e\_hig}=(1-d\%)T_{rated}{\mathrm{\ω}}_r-k_p({\mathrm{\ω}}_s-{\mathrm{\ω}}_{sn})-k_d\frac{{\mathrm{d\ω}}_s}{dt}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，P_{m_hig},P_{e_hig}分别为双馈风电机组在高风速区间时输入的机械功率与输出的有功功率，β为桨距角，T_servo为桨距角执行机构时间常数，x₁为中间变量，k_{p_blade},k_{i_blade}为桨距角PI控制器参数。

5.根据权利要求3所述的一种建立双馈分布式风电系统低阶频率响应模型的方法，其特征在于，所述步骤2)中，双馈风电机组在中风速区间的简化小信号状态方程为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{d\mathrm{\Δ}X}{dt}=A_{mid}\mathrm{\Δ}X+B_{mid}\mathrm{\Δ}U\\ \mathrm{\Δ}Y=C_{mid}\mathrm{\Δ}X+D_{mid}\mathrm{\Δ}U\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，X＝[ω_r]为状态变量，Y＝[P_{e_mid}]为输出变量，U＝[ω_s rocω_s]为输入变量，C_mid＝[b_mid]，D_mid＝[-k_p -k_d]，Δ为增量符号，ω_r0为双馈风电机组初始转速。

6.根据权利要求4所述的一种建立双馈分布式风电系统低阶频率响应模型的方法，其特征在于，所述步骤2)中，双馈风电机组在高风速区间的简化小信号状态方程为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{d\mathrm{\Δ}X}{dt}=A_{hig}\mathrm{\Δ}X+B_{hig}\mathrm{\Δ}U\\ \mathrm{\Δ}Y=C_{hig}\mathrm{\Δ}X+D_{hig}\mathrm{\Δ}U\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中,X＝[ω_r x₁ β]^T为状态变量,U＝[ω_s rocω_s]^T为输入变量，Y＝[P_{e_hig}]为输出变量，C_hig＝[b_hig 0 0]，D_hig＝[-k_p-k_d]，b_hig＝(1-d％)T_rated，β₀为初始减载备用运行状态下的桨距角，P_m为双馈风电机组输入的机械有功功率。

7.根据权利要求5所述的一种建立双馈分布式风电系统低阶频率响应模型的方法，其特征在于，所述步骤3)中，中风速区间双馈风电机组额外输出有功功率ΔP_{e_mid}与风电系统频率偏差Δω_s之间的传递函数关系为：

${\mathrm{\ΔP}}_{e\_mid}\left(s\right)=\frac{a_{mid}-2H_{DG1}{\mathrm{\ω}}_{r0}s}{2H_{DG1}{\mathrm{\ω}}_{r0}s-(a_{mid}-b_{mid})}(k_p+{\mathrm{sk}}_d){\mathrm{\Δ\ω}}_s---\left(6\right)$

其中，s为复变量。

8.根据权利要求6所述的一种建立双馈分布式风电系统低阶频率响应模型的方法，其特征在于，所述步骤3)中，高风速区间双馈风电机组额外输出有功功率ΔP_{e_hig}与风电系统频率偏差Δω_s之间的传递函数关系为：

${\mathrm{\ΔP}}_{e\_hig}\left(s\right)=-\[1-\frac{b_{hig}s(T_{servo}s+1)}{h\left(s\right)}\](k_p+k_{d}s){\mathrm{\Δ\ω}}_s---\left(7\right)$

其中，

h(s)＝2H_DG1ω_rmaxT_servos³+[2H_DG1ω_rmax-T_servo(a_hig-b_hig)]s²-(a_hig-b_hig+c_higk_{p_blade})s-c_higk_{i_blade}。