CN107732943A - 一种基于双馈异步风力发电机的风电并网调频方法及系统 - Google Patents
一种基于双馈异步风力发电机的风电并网调频方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于双馈异步风力发电机的风电并网调频方法，所述风力发电机连接有用于控制风力发电机参考转矩的变频器，包括以下步骤：判断风力发电机的转子是否已经达到额定转速；若否，则采用惯量响应调频方法；若是，则采用一次调频方法；采用改变风力发电机的有功功率输出，而改变风力发电机的转速，从而实现电网调频。本发明还公开了一种调频系统，包括风力发电机、变频器以及控制器，所述控制器内配置有惯量响应调频模块以及一次调频模块。本发明跟随风速的随机波动性，进行调频策略的响应，电网频率恢复迅速，并且能抑制频率的二次跌落，不依赖硬件储能设备，大大降低了成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种风电并网系统的电网调频方法及系统。
背景技术
在风力发电技术中，基于双馈异步风力发电机(doubly fed-inductiongeneration，DFIG)的风力发电系统与传统的基于普通异步发电机的恒速恒频风力发电系统相比具有明显的优势，现已逐渐成为风电市场的主流机型。根据各国风电并网相关要求，风电参与系统调频将会成为未来电网发展的一种必然要求。
双馈型风电机组通过变频器控制电磁功率(包括有功功率与无功功率)的输出，由于其机械功率与系统电磁功率的解耦、转速控制与电网频率的解耦，风力机转子机械功率无法对电网频率变化做出快速有效的响应，因此其旋转动能对系统惯量的贡献几乎没有。当系统频率发生变化时，若风电机组不进行任何响应，有时甚至会加剧系统频率的变化。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种基于双馈异步风力发电机的风电并网调频方法，解决现有技术中风电机组未能很好的参与系统调频的技术问题，能够在不增加硬件设施的前提下，通过软件程序控制来改变风电机组的有功出力，以帮助系统电网频率恢复正常。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种基于双馈异步风力发电机的风电并网调频方法，所述风力发电机连接有用于控制风力发电机参考转矩的的变频器，包括以下步骤：
步骤1：判断风力发电机的转子是否已经达到额定转速；若否，则采用步骤2的惯量响应调频方法；若是，则采用步骤3的一次调频方法；
步骤2：惯量响应调频方法，包括以下步骤：
步骤2.1：计算风力发电机的最大调频能量：
其中，ΔEmax上为电网频率上升时，风力发电机所具有的最大调频能量，ω为风力发电机的当前转速，ωr为转子转速上限；
ΔEmax下为电网频率下降时，风力发电机所具有的最大调频能量，ω为风力发电机的当前转速，ω1为转子转速下限；
步骤2.2：计算调频功率：
其中，ΔP上为电网频率上升时，风力发电机所要需要减少的有功功率输出；ΔP下为电网频率下降时，风力发电机所要需要增加的有功功率输出；t为调频持续时间；f上0为电网频率上限值，f上1为电网频率最大值，f下0为电网频率下限值，f下1为电网频率最小值；
步骤2.3：将调频功率叠加到风力发电机的参考功率上，计算出风力发电机的参考转矩Tref：
其中，PLimint为风力发电机的参考功率，ω额为风力发电机的额定转速；
步骤2.4：将参考转矩输入变频器中，通过变频器改变风力发电机的参考转矩，从而使得风力发电机的转速变化，起到调频作用；跳转至步骤4；
步骤3：一次调频方法，包括以下步骤：
步骤3.1：保持风力发电机运行在额定转速，通过增大桨距角，使得风力发电机的有功功率输出低于有功功率的额定值，以维持风力发电机的储能运行；
步骤3.2：当电网频率下降时，通过减小桨距角，以增大风力发电机的有功功率输出，从而使得风电机组能够增加出力，以支持系统调频；当电网频率上升时，通过增大桨距角，以减小风力发电机的有功功率输出，从而使得风电机组能够较小出力，以支持系统调频；
步骤4：判断电网频率是否恢复正常，若是，则结束调频；若否，则回到步骤1。
本发明还提供一种采用基于双馈异步风力发电机的风电并网调频方法的调频系统，包括风力发电机、变频器以及控制器，所述控制器内配置有惯量响应调频模块以及一次调频模块；所述惯量响应调频模块按照上述风电并网调频方法中的步骤2执行惯量响应调频；一次调频模块按照上述风电并网调频方法中的步骤3执行惯量响应调频。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、由于风速的随机波动性，风速的高低限制了风电机组参与电网的调频容量，本发明则根据风速的高低来选择不同的调频策略：1)高风速时(风力发电机运行在额定风速)，采用一次调频方法；2)低风速时，采用惯量响应调频方法。这样能够大大提高风电机组的利用效率，具有良好的经济效益。
2、低风速时采用惯量响应调频，能够更加电网频率变化做出快速反应，响应速度快，电网频率恢复迅速。但是，过电网频率恢复后，转速会立刻恢复到最大风功率跟踪情况，风力发电机转子加速吸收有功功率容易导致系统频率发生二次跌落。因此，当转子转速达到额定后，启动一次调频策略，减小桨距角，增大有功功率输出，从而有效抑制二次跌频。
3、本发明未采用硬件化的储能设备，如飞轮储能、燃料电池储能，而是采用软件控制风力发电机进行储能运行，以实现提供备用功率的目的，大大机降低了成本。
附图说明
图1是本具体实施方式中调频方法的总体流程图；
图2是电网频率上升时惯量响应调频方法的原理示意图；
图3是电网频率下降时惯量响应调频方法的原理示意图；
图4是模拟实验中电网频率上升时进行惯量响应调频的效果图；
图5是模拟实验中电网频率下降时进行惯量响应调频的效果图；
图6是模拟实验中电网频率上升时进行一次调频的效果图；
图7是模拟实验中电网频率下降时进行一次调频的效果图。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施方式对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，一种基于双馈异步风力发电机的风电并网调频方法，所述风力发电机连接有用于控制风力发电机参考转矩的的变频器，包括以下步骤：
步骤1：判断风力发电机的转子是否已经达到额定转速；若否，则采用步骤2的惯量响应调频方法；若是，则采用步骤3的一次调频方法；
步骤2：惯量响应调频方法，包括以下步骤：
步骤2.1：计算风力发电机的最大调频能量：
其中，ΔEmax上为电网频率上升时，风力发电机所具有的最大调频能量，ω为风力发电机的当前转速，ωr为转子转速上限；
ΔEmax下为电网频率下降时，风力发电机所具有的最大调频能量，ω为风力发电机的当前转速，ω1为转子转速下限；
步骤2.2：计算调频功率：
其中，ΔP上为电网频率上升时，风力发电机所要需要减少的有功功率输出；ΔP下为电网频率下降时，风力发电机所要需要增加的有功功率输出；t为调频持续时间；f上0为电网频率上限值，f上1为电网频率最大值，f下0为电网频率下限值，f下1为电网频率最小值；
步骤2.3：将调频功率叠加到风力发电机的参考功率上，计算出风力发电机的参考转矩Tref：
其中，PLimint为风力发电机的参考功率，ω额为风力发电机的额定转速；
步骤2.4：将参考转矩输入变频器中，通过变频器改变风力发电机的参考转矩，从而使得风力发电机的转速变化，起到调频作用；具体的：
当电网频率上升超过上限值后，通过控制风电机组转子转速或减少风电机组的有功输出，使转子转速升高，如图2中箭头所示，如果频率发生快速升高后，采用持续时间t内减少风电机组输出功率从而控制机组转速的控制策略，其控制原理如图2所示。风电机组处于最大风功率跟踪状态a，当频率调控策略动作后，风电机组的输出电磁功率沿曲线a-b-c-d运行，机械功率沿曲线a-d运行；机械功率大于电磁功率而转子转速上升，风电机组过渡到状态d运行。
当电网频率下降至低于下限值后，通过控制风电机组转子转速或增加风电机组的有功输出，使转子转速下降，如图3中箭头所示，如果频率发生快速下降后，采用持续时间t内增加风电机组输出功率从而控制机组转速的控制策略，其控制原理如图3所示。风电机组处于最大风功率跟踪状态a，当频率调控策略动作后，风电机组的输出电磁功率沿曲线a-e-f-g运行，机械功率沿曲线a-g运行；电磁功率大于机械功率而转子转速下降，风电机组过渡到状态g运行。
步骤3：一次调频方法，包括以下步骤：
步骤3.1：保持风力发电机运行在额定转速，通过增大桨距角，使得风力发电机的有功功率输出低于有功功率的额定值，以维持风力发电机的储能运行；
步骤3.2：当电网频率下降时，通过减小桨距角，以增大风力发电机的有功功率输出，从而使得风电机组能够增加出力，以支持系统调频；当电网频率上升时，通过增大桨距角，以减小风力发电机的有功功率输出，从而使得风电机组能够减小出力，以支持系统调频；
步骤4：判断电网频率是否恢复正常，若是，则结束调频；若否，则回到步骤1。
为了更好的说明本发明的有益效果，进行如下模拟实验；根据惯量响应模块和一次调频模块更改代码，将优化后的程序导入实验室PLC中，通过实时监控软件查看是否有低于故障号1000的故障，验证程序是否可以正常运行。若无低于1000的故障，则表示程序可以正常运行。
将电网频率监控信号和电网有功功率监控信号的读写属性改为可读写，然后将有功功率的输出强制大于20％的额定功率，然后人为修改电网频率监控信号的变化，模拟出电网频率的波动情况，然后观察机组有功功率设定值的变化情况。
从图4中可以看出，在机组频率上跃过程中，机组的有功设定值迅速下降，从1600KW的设定值降至1360KW，随着机组频率下跃，功率迅速恢复到开始的设定值。
从图5中可以看出，在机组频率下跃过程中，机组的有功设定值迅速上升，从1600KW的设定值升至1800KW。在设定功率之后，随着机组频率上跃，功率迅速恢复到开始的设定值。
将有功功率的输出强制大于20％的额定功率，对电网频率监控信号进行手动控制，查看机组有功功率设定值是否随着机组一次调频情况调整设定功率。
从图6与图7中可以看出，在电网频率下降和上升的过程中，机组有功功率设定值随着上升和下降。在机组频率超出调节区间之后，功率恢复稳定，证明控制策略有效可行。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (2)
1.一种基于双馈异步风力发电机的风电并网调频方法，所述风力发电机连接有用于控制风力发电机参考转矩的的变频器，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：判断风力发电机的转子是否已经达到额定转速；若否，则采用步骤2的惯量响应调频方法；若是，则采用步骤3的一次调频方法；
步骤2：惯量响应调频方法，包括以下步骤：
步骤2.1：计算风力发电机的最大调频能量：
其中，ΔEmax上为电网频率上升时，风力发电机所具有的最大调频能量，ω为风力发电机的当前转速，ωr为转子转速上限；
ΔEmax下为电网频率下降时，风力发电机所具有的最大调频能量，ω为风力发电机的当前转速，ω1为转子转速下限；
步骤2.2：计算调频功率：
其中，ΔP上为电网频率上升时，风力发电机所要需要减少的有功功率输出；ΔP下为电网频率下降时，风力发电机所要需要增加的有功功率输出；t为调频持续时间；f上0为电网频率上限值，f上1为电网频率最大值，f下0为电网频率下限值，f下1为电网频率最小值；
步骤2.3：将调频功率叠加到风力发电机的参考功率上，计算出风力发电机的参考转矩Tref：
其中，PLimint为风力发电机的参考功率，ω额为风力发电机的额定转速；
步骤2.4：将参考转矩输入变频器中，通过变频器改变风力发电机的参考转矩，从而使得风力发电机的转速变化，起到调频作用；跳转至步骤4；
步骤3：一次调频方法，包括以下步骤：
步骤3.1：保持风力发电机运行在额定转速，通过增大桨距角，使得风力发电机的有功功率输出低于有功功率的额定值，以维持风力发电机的储能运行；
步骤3.2：当电网频率下降时，通过减小桨距角，以增大风力发电机的有功功率输出，从而使得风电机组能够增加出力，以支持系统调频；当电网频率上升时，通过增大桨距角，以减小风力发电机的有功功率输出，从而使得风电机组能够减小出力，以支持系统调频；
步骤4：判断电网频率是否恢复正常，若是，则结束调频；若否，则回到步骤1。
2.一种采用基于双馈异步风力发电机的风电并网调频方法的调频系统，包括风力发电机、变频器以及控制器，其特征在于：所述控制器内配置有惯量响应调频模块以及一次调频模块；所述惯量响应调频模块按照权利要求1中所述风电并网调频方法的步骤2执行惯量响应调频；一次调频模块按照权利要求1中所述风电并网调频方法的步骤3执行惯量响应调频。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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