CN106998070A - 一种双馈风电机组频率下垂系数修正方法及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双馈风电机组频率下垂系数修正方法，方法包括以下步骤：步骤S1，实时监测系统频率的变化，当系统频率偏差超过设定的死区频率阈值时，则触发下一步进行频率响应控制；步骤S2，根据双馈风电机组参与频率响应控制前的初始运行条件计算缩小因子并定时进行在线更新计算；步骤S3，将由风电场控制中心设定的下垂系数R_f乘以缩小因子进行修正，并依据修正后的下垂系数进行双馈风电机组的频率下垂控制。本发明基于此方法还提出一种双馈风电机组频率下垂系数修正控制系统。本发明方法能够使系统实际稳态频率偏差到达期望值，从而使双馈风电机组贡献出期望一次调频能力。

Description

一种双馈风电机组频率下垂系数修正方法及其控制系统

技术领域

本发明涉及一种双馈风电机组频率下垂系数修正方法及其控制系统，属于双馈风电机组频率响应控制技术领域。

背景技术

为了应对全球气候变化和环境污染危机，进行能源生产和消费改革，大力发展可再生清洁能源，已成为全球普遍共识。截至到2015年底，全球风电累计装机容量达到3.32亿千万，遍布100多个国家和地区。在丹麦、西班牙和德国，其风电的发电量占比已经达到42％、19％和13％。然而由于风电机组变流器多采用了矢量解耦控制，从而导致了风电机组转子转速与电网频率发生解耦。那么随着风电装机规模的不断扩大，势必消弱系统的频率调节能力。目前包括德国、丹麦、挪威、英国等欧洲国家的电网部门明确规定风电场需要具备一次频率调节能力。

Johan Morren等人早在2006年就提出了在变速风电机组转子侧变流器有功控制环中增加经典的比例微分辅助控制器，从而给出了变速风电机组频率控制器的基本雏形。紧接着有很多相关风电机组频率控制技术在该雏形基础上不断提出。而其中关于变速风电机组频率辅助控制器参数的整定方法，正逐渐成为一个重要研究方向。如由潘文霞，全锐，王飞发表的《基于双馈风电机组的变下垂系数控制策略》论文中将转子有效惯性动能与纯机械减载容量作为实时可用容量整定变下垂系数，从而可以自适应风速变化，最大挖掘双馈风电机组的下垂调频能力。但它主观认为双馈风电机组会按照设定的下垂系数作出期望一次调频贡献，可事实上，由于双馈风电机组减载备用曲线运行点会随转子转速变化而发生偏移，导致其实际一次调频能力要低于期望值，即已有双馈风电机组下垂系数整定方法无法使其按照设定下垂系数贡献出期望一次调频能力。因此本发明致力于解决该问题，提出了一种基于低阶频率响应模型修正双馈风电机组下垂系数的方法，从而可使其向系统贡献出期望一次调频能力。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种双馈风电机组频率下垂系数修正方法及其控制系统，通过建立低阶频率响应模型，分别推导出双馈风电机组期望与实际一次调频能力的量化计算式，再根据量化计算式对由风电场控制中心设定的下垂系数进行有效修正，旨在使双馈风电机组向系统贡献出期望一次调频能力。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种双馈风电机组频率下垂系数修正方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤S1，实时监测系统频率的变化，当系统频率偏差超过设定的死区频率阈值时，则触发下一步进行频率响应控制；

步骤S2，根据当前风速V_w0，以及初始减载率计算缩小因子并每隔一段时间更新此值以自适应风速变化，

其中

P_m,P_{e_实际}分别为双馈风电机组输入机械与实际输出的有功功率；P_{N_DG1}为双馈风电机组额定功率；ω_r为双馈风电机组实时转子转速；ω_r0为双馈风电机组初始转速；ρ为空气密度；R为风轮半径；V_w0为当前风速；f_n＝50Hz；G为齿轮箱变比；p为极对数；ω_s为系统实时频率；ω_sn为系统额定频率；C_pmax为最大风能利用系数；λ_opt为双馈风电机组仅采用超速法并按照减载率d％运行在备用状态时的叶尖速比；β为桨距角，d％为双馈风电机组初始减载率；

步骤S3，将由风电场控制中心设定的下垂系数R_f乘以缩小因子依据修正后的下垂系数进行双馈风电机组的频率下垂控制。

进一步的，缩小因子的计算过程为：

步骤S01，在传统低阶频率响应模型基础上，建立考虑双馈风电机组期望一次调频能力时的分布式系统低阶频率响应模型；

步骤S02，在传统低阶频率响应模型基础上，建立考虑双馈风电机组实际一次调频能力时的分布式系统低阶频率响应模型；

步骤S03，根据所建立的考虑双馈风电机组期望一次调频能力时的低阶频率响应模型，建立系统频率偏差Δω_s与系统有功负荷扰动ΔP_L的传递函数关系式；

步骤S04，根据所建立的考虑双馈风电机组实际一次调频能力时的低阶频率响应模型，建立系统频率偏差Δω_s与系统有功负荷扰动ΔP_L传递函数关系式；

步骤S05，基于步骤S03中获得的系统频率偏差Δω_s与系统有功负荷扰动ΔP_L的传递函数关系式，根据拉普拉斯变换终值定理推导出系统期望稳态频率偏差Δω_qss期望计算式；

步骤S06，基于步骤S04中获得的系统频率偏差Δω_s与系统有功负荷扰动ΔP_L传递函数关系式，根据拉普拉斯变换终值定理推导出系统实际稳态频率偏差Δω_qss实际计算式；

步骤S07，基于以上获得系统期望与实际稳态频率偏差的量化计算式，获得下垂系数的缩小因子。

进一步的，步骤S02中建立考虑双馈风电机组实际一次调频能力的分布式系统低阶频率响应模型，先获得双馈风电机组实际输出的额外有功功率ΔP_{e_实际}与系统频率偏差Δω_s之间的关系式为：

在传统低阶频率响应模型基础上，从系统频率偏差Δω_s出发，先乘以再乘以最后再与折算后的分布式系统有功负荷扰动相减，获得考虑双馈风电机组实际一次调频能力的分布式系统低阶频率响应模型。

进一步的，系统期望稳态频率偏差Δω_qss期望计算式：

进一步的，系统实际稳态频率偏差Δω_qss实际计算式：

相应的，本发明的双馈风电机组频率下垂系数修正控制系统，其特征是，包括系统频率监测单元、下垂系数修正单元以及频率响应控制单元；

系统频率监测单元，用于实时监测系统频率的变化，当系统频率偏差超过设定的死区频率阈值时，则触发下垂系数修正单元；

下垂系数修正单元，用于对由风电场控制中心设定的下垂系数R_f乘以一个缩小因子进行修正，并将修正后的下垂系数发送至频率响应控制单元。

频率响应控制单元，用于依据修正后的下垂系数进行双馈风电机组的频率下垂控制。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：通过将风电场控制中心设定的下垂系数R_f乘以缩小因子进行修正后，能够使系统实际稳态频率偏差到达期望值，从而使双馈风电机组贡献出期望一次调频能力。

附图说明

图1是传统低阶频率响应模型；

图2是考虑双馈风电机组期望一次调频能力时的分布式系统低阶频率响应模型；

图3是考虑双馈风电机组实际一次调频能力时的分布式系统低阶频率响应模型；

图4是具体实施双馈风电机组下垂系数修正方法的控制策略框图；

图5为具体实施验证下垂系数修正方法有效性的仿真模型；

图6为具体实施中下垂系数修正前、后与期望调频效果的比较结果。

具体实施方式

下面结合附图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。

本发明的一种双馈风电机组下垂系数修正方法，首先分别建立了考虑双馈风电机组期望与实际一次调频能力时的分布式系统低阶频率响应模型；然后选取为“缩小稳态频率偏差的贡献”作为评估双馈风电机组一次调频能力的量化指标，并根据所建立的低阶频率响应模型分别推导出期望与实际系统稳态频率偏差的量化计算式；最后根据所推导的期望与实际系统稳态频率偏差的量化计算式来修正双馈风电机组下垂系数。具体如下：

步骤S1，在传统低阶频率响应模型基础上，建立考虑双馈风电机组期望一次调频能力时的分布式系统低阶频率响应模型。

文献<<A low-order system frequency response model>>建立了传统低阶频率响应模型，如图1所示。图1中所涉及的参数介绍：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；s为复变量。

当考虑双馈风电机组期望一次调频能力时，也即是双馈风电机组能够按照设定的下垂系数R_f作出期望一次调频贡献，此时双馈风电机组期望输出的额外有功功率ΔP_{e_期望}与系统频率偏差Δω_s存在如下关系式：

假设分布式系统中双馈风电机组与火电机组额定装机容量比为(L_p为常数)，由于双馈风电机组转子转速与系统电网频率完全解耦，也即是与火电机组转子运动方程完全解耦，因此当双馈风电机组期望输出的额外有功功率注入到传统低阶频率响应模型时，需要以火电机组额定容量作为基准进行标幺值折算。折算后的双馈风电机组期望输出的额外有功功率标幺值为且它的变化方向与有功负荷扰动变化方向相反。因此需要在图1所示的传统低阶频率响应模型基础上，按照图2虚线框所示方法从系统频率偏差Δω_s出发，先乘以再乘以再与分布式系统有功负荷扰动相减(说明：分布式系统有功负荷扰动为ΔP_L，按照火电机组额定容量折算后的有功负荷扰动标幺值为)，从而得到附图2所示的考虑双馈风电机组期望一次调频能力的分布式系统低阶频率响应模型。

步骤S2，在传统低阶频率响应模型基础上，建立考虑双馈风电机组实际一次调频能力时的分布式系统低阶频率响应模型。

首先建立双馈风电机组简化模型：文献《Implementing virtual inertial inDFIG-based wind power generation》指出只有双馈风电机组惯性时间常数才是应用系统动态行为的主导参数，因此在分析双馈风电系统频率动态特性时，可将双馈风电机组简化为：

其中，P_m,P_{e_实际}分别为双馈风电机组输入机械与实际输出的有功功率(标幺值，p.u)；H_DG1为双馈风电机组的惯性时间常数；P_{N_DG1}为双馈风电机组额定功率(MW)；ω_r为双馈风电机组实时转子转速(标幺值，p.u)；ρ为空气密度(kg/m³)；R为风轮半径(m)；C_p(·)为风力机特性表达式V_w0为当前风速(m/s)；f_n＝50Hz；G为齿轮箱变比；p为极对数；ω_s为系统实时频率(标幺值，p.u)；ω_sn为系统额定频率(标幺值，p.u)；R_f为期望设定的下垂系数；C_pmax为最大风能利用系数；d％为双馈风电机组初始减载率；λ_opt为双馈风电机组仅采用超速法并按照减载率d％运行在备用状态时的叶尖速比；β为桨距角。

再一步选取状态变量X＝[ω_r]，输入变量U＝[ω_s]，输出变量Y＝[P_{e_实际}]，那么根据鞠平教授著作的《电力系统建模理论与方法》当中的第五章第6小节(223页)，以及张志科硕士论文《双馈风电机组小干扰稳定性分析及参与调频控制策略研究》(21页)，对于形如式(2)的非线性系统，利用泰勒级数展开，可以得到一阶近似线性化增量方程，如下所示：

其中，C＝[b]， ω_r0为双馈风电机组初始转速；Δ为增量符号。

那么再根据式(3)，可以进一步推导出双馈风电机组实际输出的额外有功功率ΔP_{e_实际}与系统频率偏差Δω_s之间的关系式为：

同样对于双馈风电机组与火电机组额定装机容量比为的分布式系统而言，当双馈风电机组实际输出的额外有功功率注入到传统低阶频率响应模型时，需要以火电机组额定容量作为基准进行标幺值折算。折算后双馈风电机组实际输出的额外有功功率标幺值为它的变化方向与有功负荷扰动变化方向相反。因此需要在图1所示的传统低阶频率响应模型基础上，按照图3虚线框所示方法：从系统频率偏差Δω_s出发，先乘以再乘以最后再与折算后的分布式系统有功负荷扰动相减(说明：分布式系统有功负荷扰动为ΔP_L，但此时需要按照火电机组额定容量进行折算，折算后的有功负荷扰动标幺值为)，从而可以得到附图3所示的考虑双馈风电机组实际一次调频能力的分布式系统低阶频率响应模型。

步骤S3，根据所建立的考虑双馈风电机组期望一次调频能力时的低阶频率响应模型，建立系统频率偏差Δω_s与系统有功负荷扰动ΔP_L的传递函数关系式：

说明：其中有功负荷扰动可以表达为：ΔP_L＝ΔP_stepu(t)，u(t)为阶跃函数，描述负荷突变，ΔP_step为有功负荷扰动幅值大小，因此根据拉斯变换公式可知ΔP_L与ΔP_step存在的传递函数为代入式(5)可得：

并最终可以写出式(7)：

其中，m₁＝R_eqR_fT_R；m₀＝R_eqR_f；n₂＝2(1-L_p)H_DG2T_RR_eqR_f；

n₁＝(1-L_p)K_mF_HPT_RR_f+2(1-L_p)H_DG2R_eqR_f+(1-L_p)T_RD_DG2R_eqR_f+L_pT_RR_eq

n₀＝(1-L_p)K_mR_f+(1-L_p)D_DG2R_eqR_f+L_pR_eq；s为复变量。

步骤S4，根据所建立的考虑双馈风电机组实际一次调频能力时的低阶频率响应模型，建立系统频率偏差Δω_s与系统有功负荷扰动ΔP_L传递函数关系式为：

同样将代入式(8)，并合并同类项可得：

最终可以化简成：

其中f₀＝(b-a)R_eqR_f；f₁＝[2H_DG1ω_del0-T_R(a-b)]R_eqR_f；f₂＝2H_DG1ω_del0T_RR_eqR_f；g₃＝4(1-L_p)H_DG1H_DG2ω_del0T_RR_eqR_f；

g₀＝(1-L_p)K_m(b-a)R_f+(1-L_p)D_DG2(b-a)R_eqR_f-L_paR_eq。

步骤S5，根据式(7)，并根据拉普拉斯变换终值定理推导出系统期望稳态频率偏差Δω_qss期望计算式：

步骤S6，同样根据式(10)，并根据拉普拉斯变换终值定理推导出系统实际稳态频率偏差Δω_qss实际计算式：

步骤S7，根据步骤S5所推导出的系统期望稳态频率偏差计算式(11)可知，当系统频率进入稳态时，双馈风电机组是刚好按照由风电场控制中心设定的下垂系数R_f向系统额外提供了期望有功功率作为一次调频贡献；根据步骤S6所推导出的实际稳态频率偏差计算式(12)可知当系统频率达到稳态时，双馈风电机组实际向系统额外输出的有功功率为仅为期望值的倍。因此可提出将风电场控制中心设定的下垂系数R_f乘以一个缩小因子后，可使双馈风电机组实际输出的额外有功功率达到期望值，即可使系统实际稳态频率偏差到达期望值，从而使双馈风电机组贡献出期望一次调频能力。

采用本发明提出的一种双馈风电机组频率下垂系数修正控制系统，具体控制策略框图如附图4。在传统转子侧有功控制器的基础上额外增加了下垂系数修正单元，即包括依次相连的系统频率监测单元、下垂系数修正单元及频率控制单元，系统频率监测单元实时监测系统频率的变化，下垂系数修正单元对风电场控制中心设定的下垂系数进行修正，频率控制单元基于修正后的下垂系数实现频率响应控制。具体工作原理如下：当系统频率发生扰动时，图4中的系统频率监测单元将实时监测出系统频率偏差Δω_s＝ω_s-ω_sn，并发送给下垂系数修正单元。此时下垂系数修正单元将根据风电场控制中心下发的初始减载率d％与当前实时风速V_w0来对双馈风电机组参数进行初始值计算(包括初始转速ω_r0，初始桨距角β₀，从而可计算出参数 并计算出此时的缩小因子并每隔一段时间(如15分钟)更新此值以自适应风速变化；然后下垂系数修正单元会将由风电场控制中心设定的下垂系数R_f乘以缩小因子频率控制单元根据当前系统频率偏差Δω_s给出额外有功功率参考值将额外有功功率参考值与减载备用功率曲线单元给定的参考值叠加得到新的有功功率参考值P_{e_ref}，再与双馈风电机组实际输出有功功率P_DFIG形成偏差后，经功率外环PI(比例-积分)控制器，获得q轴参考电流i_qref，实现频率响应控制。使系统实际稳态频率偏差到达期望值，从而使双馈风电机组贡献出期望一次调频能力。

最后对本发明提出的下垂系数修正方法提出进行验证，具体采用了文献《Implementing virtual inertia in DFIG-based wind power generation》给出的加拿大安大略省某实际分布式系统，具体如图5所示，具体含义此处不多赘述。对下垂系数修正前、后的调频效果与期望调频效果进行比较，得到如图6所示的结果。从图6结果可以看出，下垂系数修正前，系统频率稳态偏差要明显低于期望值，而采用本发明方法对下垂系数进行修正后，系统稳态频率偏差则刚好达到了期望值。

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型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种双馈风电机组频率下垂系数修正方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤S1，实时监测系统频率的变化，当系统频率偏差超过设定的死区频率阈值时，则触发下一步进行频率响应控制；

步骤S2根据双馈风电机组当前风速V_w0，以及初始减载率d％，计算缩小因子并定时更新此缩小因子以自适应风速变化，

其中P_m,P_{e_实际}分别为双馈风电机组输入机械与实际输出的有功功率；P_{N_DG1}为双馈风电机组额定功率；ω_r为双馈风电机组实时转子转速；ω_r0为双馈风电机组初始转速；ρ为空气密度；R为风轮半径；V_w0为当前风速；f_n＝50Hz；G为齿轮箱变比；p为极对数；ω_s为系统实时频率；ω_sn为系统额定频率；C_pmax为最大风能利用系数；λ_opt为双馈风电机组仅采用超速法并按照减载率d％运行在备用状态时的叶尖速比；β为桨距角，d％为双馈风电机组初始减载率；

步骤S3，将由风电场控制中心设定的下垂系数R_f乘以缩小因子并依据修正后下垂系数进行双馈风电机组的频率下垂控制。

2.根据权利要求1所述的一种双馈风电机组频率下垂系数修正方法，其特征是，缩小因子的计算过程为：

步骤S01，在传统低阶频率响应模型基础上，建立考虑双馈风电机组期望一次调频能力时的分布式系统低阶频率响应模型；

步骤S02，在传统低阶频率响应模型基础上，建立考虑双馈风电机组实际一次调频能力时的分布式系统低阶频率响应模型；

步骤S03，根据所建立的考虑双馈风电机组期望一次调频能力时的低阶频率响应模型，建立系统频率偏差Δω_s与系统有功负荷扰动ΔP_L的传递函数关系式；

步骤S04，根据所建立的考虑双馈风电机组实际一次调频能力时的低阶频率响应模型，建立系统频率偏差Δω_s与系统有功负荷扰动ΔP_L传递函数关系式；

步骤S05，基于步骤S03中获得的系统频率偏差Δω_s与系统有功负荷扰动ΔP_L的传递函数关系式，根据拉普拉斯变换终值定理推导出系统期望稳态频率偏差Δω_qss期望计算式；

步骤S06，基于步骤S04中获得的系统频率偏差Δω_s与系统有功负荷扰动ΔP_L传递函数关系式，根据拉普拉斯变换终值定理推导出系统实际稳态频率偏差Δω_qss实际计算式；

步骤S07，基于以上获得系统期望与实际稳态频率偏差的量化计算式，获得下垂系数的缩小因子。

3.根据权利要求2所述的一种双馈风电机组频率下垂系数修正方法，其特征是，步骤S02中建立考虑双馈风电机组实际一次调频能力的分布式系统低阶频率响应模型，先获得双馈风电机组实际输出的额外有功功率ΔP_{e_实际}与系统频率偏差Δω_s之间的关系式为：

在传统低阶频率响应模型基础上，从系统频率偏差Δω_s出发，先乘以再乘以最后再与折算后的分布式系统有功负荷扰动相减，获得考虑双馈风电机组实际一次调频能力的分布式系统低阶频率响应模型。

4.根据权利要求2所述的一种双馈风电机组频率下垂系数修正方法，其特征是，系统期望稳态频率偏差Δω_qss期望计算式：

5.根据权利要求2所述的一种双馈风电机组频率下垂系数修正方法，其特征是，系统实际稳态频率偏差Δω_qss实际计算式：

6.采用权1至5任一项所述方法的一种双馈风电机组频率下垂系数修正控制系统，其特征是，包括系统频率监测单元、下垂系数修正单元以及频率响应控制单元；

系统频率监测单元，用于实时监测系统频率的变化，当系统频率偏差超过设定的死区频率阈值时，则触发下垂系数修正单元；

下垂系数修正单元，用于由风电场控制中心设定的下垂系数R_f乘以缩小因子进行修正：

其中将修正后的下垂系数发送至频率响应控制单元；

频率响应控制单元，用于依据修正后的下垂系数进行双馈风电机组的频率下垂控制。