CN107742903A - 风电机组参与一次调频后退出调频时的转速恢复方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风电机组参与一次调频后退出调频时的转速恢复方法，其包括当当前频率小于额定频率时，控制转速大于转速最低安全阈值的风电机组参与电网的一次调频；当电网调频中存在风电机组的转速小于转速参考值时，记录当前时间为当前风电机组所在风电机群退出调频时的启动时刻；根据启动时刻和相邻两个风电机群的转速恢复间隔，计算余下风电机群的转速恢复时刻；当风电机群的转速恢复时刻大于当前时间时，计算其参与调频的所有风电机组的转速恢复功率；计算风电机组的退出调频功率；将退出调频功率发送给与其对应的风电机组的转子侧逆变器进行风电机组转速的恢复。

Description

风电机组参与一次调频后退出调频时的转速恢复方法
技术领域
本发明涉及风力发电参与电网调频技术领域，具体涉及一种风电机组参与一次调频后退出调频时的转速恢复方法。
背景技术
风电并网容量不断增大给包括电力系统安全稳定运行带来了一系列的挑战。为减弱风电并网给电力系统带来的冲击，保证电力系统安全稳定运行，国内外最新发布的一些风电场并网导则均明确要求并网风电场主动参与系统频率控制。双馈风电机组(DFIG)作为目前风力发电的主要机型，DFIG的转子中储存着大量的旋转动能，由于DFIG的变频器解耦了风电机组的转子转速与电力系统频率，DFIG转子动能被完全“隐藏”，因此其不具备主动响应系统频率变化的能力。
为了使DFIG具备与同步发电机类似的频率响应能力，国内外学者对DFIG的转子动能控制方法研究已取得丰硕的成果，此方法的基本思路为：改变DFIG的转速功率追踪曲线，使其运行于超速减载模式，从而获得一定量的有功储备；当系统频率骤变时，通过响应附加的虚拟惯性控制环节将存储在DFIG转子的旋转动能转化为电磁功率，从而改变自身出力以提供短时的有功支撑，该方法具备响应速度快、持续时间短等特点。DFIG响应虚拟惯性控制之后将进行转速恢复，此过程因向电网吸收有功功率而容易导致系统频率的二次跌落等不利影响。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的风电机组参与一次调频后退出调频时的转速恢复方法在风电机组退出电网调频时不会引起电网频率二次跌落。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种风电机组参与一次调频后退出调频时的转速恢复方法，其包括：
获取电网中所有风电机组的风速、电网的额定频率和当前频率，根据风电机组的风速，将所有风电机组划分成若干风电机群；
当当前频率小于额定频率时，控制转速大于转速最低安全阈值的风电机组参与电网的一次调频；
当电网调频中存在风电机组的转速小于转子参考转速时，记录当前时间为当前风电机组所在风电机群退出调频时转速恢复的启动时刻；
根据启动时刻和相邻两个风电机群的转速恢复间隔，计算余下风电机群的转速恢复时刻；
当风电机群的转速恢复时刻大于当前时间时，计算其内部参与调频的所有风电机组的转速恢复功率：
ΔP1＝Kp(ωref-ωr)+Ki∫(ωref-ωr)dt
其中，ΔP1为转速恢复功率；Kp为比例增益；Ki为积分增益；ωref为转子参考转速；ωr为转子转速；
根据风电机组转速恢复功率及其超速减载功率和虚拟惯量附加功率，计算风电机组的退出调频功率：
Pref＝Poptl+ΔPf-ΔP1
其中，Pref为退出调频功率；Poptl为超速减载功率；ΔPf为虚拟惯量附加功率；
将退出调频功率发送给与其对应的风电机组的转子侧逆变器进行风电机组转速的恢复。
进一步地，记录启动时刻与计算余下风电机群的转速恢复时刻之间还包括对余下风电机群按其风速大小进行排序。
进一步地，所述根据风电机组的风速，将所有风电机组划分成若干风电机群进一步包括：
获取电网中风速大于设定风速的所有风电机组，标记其为可参与调频的风电机组并记录总量；
设置若干个具有不同风速范围的风速等级，根据风速大小，将可参与调频的风电机组划分至其风速等级所对应的风电机群；
统计每个风电机群中的风电机组，并判断风电机群中的风电机组数量是否大于总量的设定比例；
当大于时，根据总量的设定比例将大于总量设定比例的风电机群平均划分成多个子风电机群；
当所有风电机群的风电机组数量小于总量的设定比例时，记录风电机群及其包含的风电机组。
进一步地，所述控制转速大于转速最低安全阈值的风电机组参与电网的一次调频进一步包括：
计算风电机组运行于超速减载模式时所能提供的虚拟惯量附加功率和风电机组参与超速减载功率：
其中，PMPPT表示最大功率追踪运行模式下的有功功率；Poptl为超速减载功率；Δf为当前频率与额定频率的差值；K为微分比例系数；Koptl为超速减载运行方式下风电机组的转速功率比例系数；
累加每台风电机组的虚拟惯量附加功率和超速减载功率得到调频有功功率，并将调频有功功率送至相应风电机组转子侧的逆变器参与电网的一次调频。
进一步地，所述超速减载功率的计算公式为：
其中，Koptl为风电机组的转速功率比例系数；ωr为转子转速。
进一步地，所述转子参考转速的计算公式为：
其中，R为风电机组半径；v为风速；λoptl为风电机组减载20％时对应的最优叶尖速比。
进一步地，所述比例增益和积分增益的计算公式为：
其中，t为当前时刻；ts为转速恢复时刻；m为转速恢复间隔；a为斜率。
本发明的有益效果为：本方案通过计算的退出调频功率控制相应风电机组恢复转速，可以有效降低转速恢复初始时刻的功率突变，避免转速恢复过程中系统功率缺失。
根据调频前划分成的风电机群和转速恢复间隔，所有风电机群按一定的先后时间进行转速的恢复，能够有效地避免所有风电机组同时进行转速恢复而引起系统频率二次下跌，进一步增强系统频率的动态稳定性。
附图说明
图1为风电机组参与一次调频后退出调频时的转速恢复方法一个实施例的流程图。
图2是本发明实施例提供的含风电机组3机9节点仿真系统模型。
图3是本发明实施例提供的三种转子动能控制下系统的频率响应。
图4是本发明实施例提供的DFIG的功率和转速响应曲线。
图5是本发明实施例提供的风电机组均匀分布时系统频率响应曲线。
图6是本发明实施例提供的风电机组不均匀分布时系统频率响应曲线。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
参考图1，图1示出了风电机组参与一次调频后退出调频时的转速恢复方法一个实施例的流程图；如图1所示，该方法100包括步骤101至步骤107。
在步骤101中，获取电网的额定频率和当前频率；当电网的当前频率小于额定频率时，表明电网中的负荷功率大于电源功率，电源应当额外增发有功功率以维持电网有功功率平衡。
在步骤102中，当当前频率小于额定频率时，控制转速大于转速最低安全阈值的风电机组参与电网的一次调频。
在本发明的一个实施例中，所述控制转速大于转速最低安全阈值的风电机组参与电网的一次调频进一步包括：
计算风电机组运行于超速减载模式时所能提供的虚拟惯量附加功率和风电机组参与超速减载功率：
其中，PMPPT表示最大功率追踪运行模式下的有功功率；Poptl为超速减载功率；Δf为当前频率与额定频率的差值；K为微分比例系数；Koptl为超速减载运行方式下风电机组的转速功率比例系数；
累加每台风电机组的虚拟惯量附加功率和超速减载功率得到调频有功功率，并将调频有功功率送至相应风电机组转子侧的逆变器参与电网的一次调频。
在步骤103中，当电网调频中存在某一风电机组的转速小于转子参考转速时，将当前风电机组所在风电机群记为第一个风电机群并记录当前时间为第一个风电机群退出调频时转速恢复的启动时刻
在步骤104中，根据启动时刻和相邻两个风电机群的转速恢复间隔，计算余下风电机群的转速恢复时刻。
实施时，记录启动时刻与计算余下风电机群的转速恢复时刻之间还包括对余下风电机群按其风速大小进行排序。
对于之前未按风速进行排序时，余下的风电机群可以随机生成一个顺序，根据随机生成的顺序计算余下风电机群的转速恢复时刻。
首先设定第1个风电机群G1的转速恢复的启动时刻t1，其他风电机群Gi在此基础上依次增加转速恢复间隔得到相应的风电机群的转速恢复时刻：
ti＝ti-1+m,(i＝2,...，k)
其中，m为转速恢复间隔；ti为第i个风电机群的转速恢复时刻，k为风电机群的总量。
所有风电机组在退出调频时，都需要根据计算的退出调频功率进行转速的恢复，且在转速恢复时，都是按顺序整个风电机群中的所有风电机组同时退出调频。
在步骤105中，计算风电机群的转速恢复时刻大于当前时间时，其内部参与调频的所有风电机组的转速恢复功率：
ΔP1＝Kp(ωref-ωr)+Ki∫(ωref-ωr)dt
其中，ΔP1为转速恢复功率；Kp为比例增益；Ki为积分增益；ωref为转子参考转速；ωr为转子转速。
对于第一个风电机群的所有风电机组已经按照退出调频功率开始恢复转速后，就需要时刻判断余下风电机群的转速恢复时刻与当前时间关系：
在本发明的一个实施例中，所述比例增益和积分增益的计算公式为：
其中，t为当前时刻；ts为转速恢复时刻；m为转速恢复间隔；a为常数。
在步骤106中，根据风电机组转速恢复功率及其超速减载功率和虚拟惯量附加功率，计算风电机组的退出调频功率：
Pref＝Poptl+ΔPf-ΔP1
其中，Pref为退出调频功率；Poptl为超速减载功率；ΔPf为虚拟惯量附加功率；
实施时，本方案优选所述超速减载功率的计算公式为：
其中，Koptl为风电机组的转速功率比例系数；ωr为转子转速。
在步骤107中，将退出调频功率发送给与其对应的风电机组的转子侧逆变器进行风电机组转速的恢复。
在本发明的一个实施例中，根据风电机组的风速，将所有风电机组划分成若干风电机群进一步包括：
获取电网中风速大于设定风速的所有风电机组，标记其为可参与调频的风电机组并记录总量；
设置若干个具有不同风速范围的风速等级，根据风速大小，将可参与调频的风电机组划分至其风速等级所对应的风电机群；
统计每个风电机群中的风电机组，并判断风电机群中的风电机组数量是否大于总量的设定比例；
当大于时，根据总量的设定比例将大于总量设定比例的风电机群平均划分成多个子风电机群；
当所有风电机群(含分裂后的多个子风电机群)的风电机组数量小于风电机组总量的设定比例时，记录风电机群及其包含的风电机组。
下面结合具体的实例对风电机群的划分进行说明：
步骤1：测量所有风电机组的风速，筛选所有风电机组中风速大于8m/s的作为可参与调频的风电机组；
步骤2：将风速共划分为多个等级：风速位于区间8-12m/s时，按间隔1m/s可化分为4个等级；风速大于12m/s为1个等级；
步骤3：根据步骤2中的风速等级，将步骤1中可参与调频的风电机组划分至对应的风电机群，并统计第i个风电机群Gi中机组的数量Ri(i＝1…k,k为风电机群的数量)；
步骤4：设定比例系数η，并计算风电场中所有可调频机组的数量∑Ri，判断步骤3中的Ri是否大于η∑Ri；
步骤5：当Ri大于η∑Ri时，根据η∑Ri，确定Ri需要分成的子群的个数Nmin，其满足不等式int(Ri/Nmin)<η∑Ri(其中int为取整函数)，当所分的子群的风机机组数量小于或等于η∑Ri时，则进入步骤6；
步骤6：进一步对第i个风电机群Gi进行均匀分组，即将第i个风电机群Gi分裂为Nmin个子风电机群，并使每个子风电机群中机组的数量为int(Ri/Nmin)；当所有风电机群均满足Ri小于等于η∑Ri时，则结束分群。
实施时，本方案优选所述转子参考转速的计算公式为：
其中，R为风电机组半径；v为风速；λoptl为风电机组减载20％时对应的最优叶尖速比。
下面结合具体的实例对本方案的转速恢复方法的效果进行说明：
为了验证本发明所提出的转速恢复方法的有效性，用风电场代替经典的3机9节点系统中母线1处的同步机，由此得到基于图2的含风电机组3机9节点仿真系统模型。其中，同步机G1、G2额定容量均为300MW，风电场共由200台1.5MW的DFIG构成，此时系统中风电机组的渗透率达到50％。根据风电场中等值机组的数量，仿真可分为单机情况以及多机情况，以下做更为详细的说明：
单机情况
为了验证退出调频时本发明中改进的转子动能控制的优越性，仿真中分别采用如下三种转子动能控制策略：直接退出调频的转子动能控制、恒定PI参数的转子动能控制和改进的转子动能控制。设定DFIG(双馈风电机组)的风速为9m/s，在40秒时系统突增50MW负荷，系统的频率响应曲线以及DFIG的转速功率响应曲线分别如图3和图4所示。
由图3和图4可知，直接退出调频的转子动能控制在转速恢复初期转子转速立即加速上升且出现一定的超调量，进而引起0.13pu有功功率的短时缺失，导致系统频率二次跌落0.03Hz。
采用恒定PI参数的转子动能控制时转子转速恢复速度有所减缓，虽然减小了缺失的有功功率峰值，但是任有0.1pu的有功骤减。
采用本发明中改进的转子动能控制时，由于可变参数PI控制器可将转子转速逐渐恢复至最初状态，因此避免了转速初始恢复时刻的功率缺失并且缩短了转速恢复至初始状态的时间，抑制了系统频率的二次下跌。
多机情况
为了验证转速延时恢复策略和基于风速的分群策略的有效性，对多机情况做了以下仿真。
转速延时恢复策略
风电机组均匀分布时，不同风速等级下风电机组的数量如表1所示。仿真中对比了如下三种控制策略：直接退出调频的转子动能控制、附加转速延时的直接退出调频的转子动能控制、附加转速延时的改进的转子动能控制；仿真设定系统70s突增50MW负荷，转速恢复开始时间t1＝70s，延迟时间Δti＝4s，系统频率响应如图5所示。
表1 不同风速等级下风电机组的数量
由图可知，直接退出调频的转子动能控制引起了系统频率的二次跌落，频率最低值为49.5Hz，严重影响了系统的稳定运行。当转速延时与前者结合后，系统频率呈阶梯状骤减了0.15Hz，而附加转速延时的改进的转子动能控制平滑了系统频率跌落的过程，减小了频率跌落的峰值，增强了系统频率的稳定性。
基于风速的分群策略
当风电机组不均匀分布时，不同风速等级下风电机组的数量如表2所示，由表可知，处于9-10m/s风速区间内的风电机组数量占风电场中机组总数量的比例为57.5％，该值大于设定值η＝40％，因此根据本发明提出的基于风速的分群策略进行进一步的处理，相应的分群结果如表3所示。设定系统70s突增50MW负荷，系统频率响应如图6所示。
表2 分群前不同风速等级下风电机组的数量
表3 分群后不同风速等级下风电机组的数量
由图6可知，分群前由于处于9-10m/s风速区间内的风电机组数量过多，所以此部分风电机组将同时吸收系统有功功率并进行转速恢复，导致系统频率在5s时间内下降0.08pu。分群优化后避免了上述情况，虽然延长了系统频率的动态过渡时间，但明显减缓了系统频率的跌落峰值，有利于系统的安全稳定运行。

Claims (7)

1.风电机组参与一次调频后退出调频时的转速恢复方法，其特征在于，包括：
获取电网中所有风电机组的风速、电网的额定频率和当前频率，根据风电机组的风速，将所有风电机组划分成若干风电机群；
当当前频率小于额定频率时，控制转速大于转速最低安全阈值的风电机组参与电网的一次调频；
当电网调频中存在风电机组的转速小于转子参考转速时，记录当前时间为当前风电机组所在风电机群退出调频时转速恢复的启动时刻；
根据启动时刻和相邻两个风电机群的转速恢复间隔，计算余下风电机群的转速恢复时刻；
当风电机群的转速恢复时刻大于当前时间时，计算其内部参与调频的所有风电机组的转速恢复功率：
ΔP1＝Kp(ωref-ωr)+Ki∫(ωref-ωr)dt
其中，ΔP1为转速恢复功率；Kp为比例增益；Ki为积分增益；ωref为转子参考转速；ωr为转子转速；
根据风电机组转速恢复功率及其超速减载功率和虚拟惯量附加功率，计算风电机组的退出调频功率：
Pref＝Poptl+ΔPf-ΔP1
其中，Pref为退出调频功率；Poptl为超速减载功率；ΔPf为虚拟惯量附加功率；
将退出调频功率发送给与其对应的风电机组的转子侧逆变器进行风电机组转速的恢复。
2.根据权利要求1所述的风电机组参与一次调频后退出调频时的转速恢复方法，其特征在于，记录启动时刻与计算余下风电机群的转速恢复时刻之间还包括对余下风电机群按其风速大小进行排序。
3.根据权利要求1所述的风电机组参与一次调频后退出调频时的转速恢复方法，其特征在于，所述根据风电机组的风速，将所有风电机组划分成若干风电机群进一步包括：
获取电网中风速大于设定风速的所有风电机组，标记其为可参与调频的风电机组并记录总量；
设置若干个具有不同风速范围的风速等级，根据风速大小，将可参与调频的风电机组划分至其风速等级所对应的风电机群；
统计每个风电机群中的风电机组，并判断风电机群中的风电机组数量是否大于总量的设定比例；
当大于时，根据总量的设定比例将大于总量设定比例的风电机群平均划分成多个子风电机群；
当所有风电机群的风电机组数量小于总量的设定比例时，记录风电机群及其包含的风电机组。
4.根据权利要求1所述的风电机组参与一次调频后退出调频时的转速恢复方法，其特征在于，所述控制转速大于转速最低安全阈值的风电机组参与电网的一次调频进一步包括：
计算风电机组运行于超速减载模式时所能提供的虚拟惯量附加功率和风电机组的超速减载功率：
<mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;P</mi> <mi>f</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>M</mi> <mi>P</mi> <mi>P</mi> <mi>T</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>o</mi> <mi>p</mi> <mi>t</mi> <mi>l</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <mi>K</mi> <mfrac> <mrow> <mi>d</mi> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>f</mi> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> </mrow>
其中，PMPPT表示最大功率追踪运行模式下的有功功率；Poptl为超速减载功率；Δf为当前频率与额定频率的差值；K为微分比例系数；Koptl为超速减载运行方式下风电机组的转速功率比例系数；
累加每台风电机组的虚拟惯量附加功率和超速减载功率得到调频有功功率，并将调频有功功率送至相应风电机组转子侧的逆变器参与电网的一次调频。
5.根据权利要求1所述的风电机组参与一次调频后退出调频时的转速恢复方法，其特征在于，所述超速减载功率的计算公式为：
<mrow> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>o</mi> <mi>p</mi> <mi>t</mi> <mi>l</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>K</mi> <mrow> <mi>o</mi> <mi>p</mi> <mi>t</mi> <mi>l</mi> </mrow> </msub> <msubsup> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>r</mi> <mn>3</mn> </msubsup> </mrow>
其中，Koptl为风电机组的转速功率比例系数；ωr为转子转速。
6.根据权利要求1所述的风电机组参与一次调频后退出调频时的转速恢复方法，其特征在于，所述转子参考转速的计算公式为：
<mrow> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>v&amp;lambda;</mi> <mrow> <mi>o</mi> <mi>p</mi> <mi>t</mi> <mi>l</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mi>R</mi> </mfrac> </mrow>
其中，R为风电机组半径；v为风速；λoptl为风电机组减载20％时对应的最优叶尖速比。
7.根据权利要求1所述的风电机组参与一次调频后退出调频时的转速恢复方法，其特征在于，所述比例增益和积分增益的计算公式为：
<mrow> <msub> <mi>K</mi> <mi>p</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mn>0</mn> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>t</mi> <mo>&lt;</mo> <msub> <mi>t</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>+</mo> <mi>m</mi> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>a</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>t</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <msub> <mi>t</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>&amp;le;</mo> <mi>t</mi> <mo>&amp;le;</mo> <msub> <mi>t</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>+</mo> <mi>m</mi> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>a</mi> <mi>m</mi> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>t</mi> <mo>&gt;</mo> <msub> <mi>t</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>+</mo> <mi>m</mi> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow>
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其中，t为当前时刻；ts为转速恢复时刻；m为转速恢复间隔；a为斜率。
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