CN107800154A - 一种dfig参与电网一次调频的多风速段综合控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种DFIG参与电网一次调频的多风速段综合控制方法，使DFIG具备了响应风速变化的良好一次调频能力，通过风速变化耦合功率协调控制系数，有效改变功率变化量响应电网频率的变化。本发明既能防止风机在参与调频时，超出风机的调频容量，保证在不同风速下合理的参与调频，又可以使DFIG通过桨距角减载储备的功率尽可能多地用于调频，减少弃风。
Description
技术领域
本发明属于电力系统调频控制技术领域，具体涉及一种DFIG参与电网一次调频的多风速段综合控制方法的设计。
背景技术
发展可再生能源是改善我国能源结构、推进环境保护、保持社会与经济可持续发展的重大举措。但是可再生电源一般都具有波动性与间歇性的特征，使得可再生能源和电网的整体协调性较低。且可再生电源在传统的控制方式下一般运行在最大功率跟踪点，无法在系统频率波动时提供有功支持，更不能改变功率-频率特征曲线参与电网频率的一次调节。
发明内容
本发明的目的是提出一种DFIG参与电网一次调频的多风速段综合控制方法，使双馈感应风力发电机组(DFIG)具备了响应风速变化的良好一次调频能力，通过风速变化耦合功率协调控制系数，有效改变功率变化量响应电网频率的变化。既能防止风机在参与调频时，超出风机的调频容量，保证在不同风速下合理的参与调频，又可以使DFIG通过桨距角减载储备的功率尽可能多地用于调频，减少弃风。
本发明的技术方案为：一种DFIG参与电网一次调频的多风速段综合控制方法，包括以下步骤：
S1、测量电网系统的频率并计算频率偏差Δf。
S2、计算DFIG调差系数δW。
S3、根据DFIG调差系数δW计算下垂系数K1和惯量系数K2。
S4、根据下垂系数K1和惯量系数K2计算第二功率改变量ΔP2。
S5、测量电网系统风速V，并将V分别与风机切入风速V1、临界风速V2以及风机切出风速V3比较，若V<V1或V>V3，则进入步骤S6；若V1<V<V2，则进入步骤S7；若V2<V<V3，则进入步骤S8。
S6、使风机停止工作，输出功率为零，不参与系统调频，控制结束。
S7、根据第二功率改变量ΔP2对风机进行协调控制，使其参与系统调频，控制结束。
S8、根据频率偏差Δf对风机采用协调控制和变桨距控制相结合的控制方式，使其参与系统调频，控制结束。
本发明的有益效果是：
(1)本发明考虑了风机当前风速下的桨距角减载控制方法，通过整定不同风速下风机的功率协调控制系数，可以使风机在多种风速下均能较好地参与一次调频。
(2)本发明通过协调不同风速下桨距角减载控制与功率协调控制，保证频率偏差及联络线净功率偏差在允许范围内时，使风机储备的功率充分地用于调频，既可满足电网频率调整的需求，又能尽量减少风机减载备用产生的弃风。
附图说明
图1所示为本发明实施例提供的一种DFIG参与电网一次调频的多风速段综合控制方法流程图。
图2所示为本发明实施例提供的协调控制模型示意图。
图3所示为本发明实施例提供的变桨距控制模型示意图。
图4所示为本发明实施例提供的电网系统仿真模型示意图。
图5所示为本发明实施例提供的协调控制仿真结果示意图。
图6所示为本发明实施例提供的协调控制和变桨距控制相结合的综合控制仿真结果示意图。
具体实施方式
现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。
本发明实施例提供了一种DFIG参与电网一次调频的多风速段综合控制方法，如图1所示，包括以下步骤S1-S8：
S1、测量电网系统的频率并计算频率偏差Δf，计算公式为：
Δf＝f-fref (1)
其中f为电网系统的频率，fref为额定频率50Hz。
S2、计算DFIG调差系数δW，计算公式为：
其中ΔfW为系统频率变化量，本发明实施例中取0.2Hz，fref为额定频率50Hz，ΔPW为风机减载的储备功率，本发明实施例中取20％，PWN为双馈风机额定有功功率。
S3、根据DFIG调差系数δW计算下垂系数K1和惯量系数K2。
下垂系数K1的计算公式为：
其中PWN为双馈风机额定有功功率，fref为额定频率50Hz；
惯量系数K2的计算公式为：
K2＝HSω*/25 (4)
其中H为风机惯性时间常数，本发明实施例中取H＝4s，S为风机额定容量，本发明实施例中取S＝600MVA，ω*为风机转速标幺值。
S4、根据下垂系数K1和惯量系数K2计算第二功率改变量ΔP2，计算公式为：
其中Δf为频率偏差，K1为下垂系数，K2为惯量系数，t为电网系统时间。
S5、测量电网系统风速V，并将V分别与风机切入风速V1、临界风速V2以及风机切出风速V3比较，若V<V1或V>V3，则进入步骤S6；若V1<V<V2，则进入步骤S7；若V2<V<V3，则进入步骤S8。
其中，临界风速V2的计算公式为：
其中Popt为临界风速V2下最大功率跟踪的输出功率，d％为风机减载水平，ρ为空气密度，R为风轮半径，CPC(λC,0)为最大风能利用系数，其计算公式为：
其中λC为风机转速达到最大值时的叶尖速比，其计算公式为：
λC＝ωmaxR/V (8)
其中ωmax为风机转速的最大值，R为风轮半径，V为电网系统风速。
S6、使风机停止工作，输出功率为零，不参与系统调频，控制结束。
当V<V1或V>V3时，为保护风机，应使风机停止工作。
S7、根据第二功率改变量ΔP2对风机进行协调控制，使其参与系统调频，控制结束。
当V1<V<V2时，风机处于最大功率输出区域，为了让风机参与系统调频，对其进行协调控制，如图2所示，协调控制的公式为：
ΔP＝ΔP1+ΔP2 (9)
其中ΔP为总功率改变量，ΔP1为第一功率改变量，ΔP2为第二功率改变量。
S8、根据频率偏差Δf对风机采用协调控制和变桨距控制相结合的控制方式，使其参与系统调频，控制结束。
当V2<V<V3时，由于其转子转速已达到最大值，为了利用多余的风能参与系统调频，将改变风机的桨距角进行有功储备，此时风机参与系统调频方式为协调控制和变桨距控制相结合的控制方式。其中协调控制的公式采用公式(9)，如图3所示，变桨距控制的公式为：
β＝Δβ+β0 (10)
其中β为风机最终桨距角，Δβ为桨距角变化量，其计算公式为：
Δβ＝ΔfKβ (11)
其中Δf为频率偏差，Kβ为桨距角调节系数。
β0为变桨距时预留桨距角，其计算公式为：
其中CPC(λC,0)为最大风能利用系数，λC为风机转速达到最大值时的叶尖速比。
为了本发明的有效性，本发明实施例基于MATLAB/Simulink仿真平台建立4机2区域仿真模型对所研究控制方法进行仿真分析，其仿真模型如图4所示，图中4台同步发电机G1～G4的额定功率均为700MW，惯性时间常数为6.5s；一台等值的双馈风机GW的额定功率为1200MW，惯性时间常数为4s，风机额定风速为12m/s，风机减载水平为20％；系统负荷L有功功率为3000MW。
通过理论计算，对协调控制方法中的参数进行整定，在原4机2区域模型中对变参数整定后的协调控制方法进行仿真，仿真时间为110s，其仿真结果如图5所示。其中系统负荷L在40s时突增300MW，60s时突减200MW，80s时突减200MW。
由图5可知，在40s时负荷突增导致系统频率减小，风机通过控制方法参与系统的一次调频，使系统频率的改变量减小，并且响应迅速。当风速较大时，变参数整定后的控制方法使系统频率提升了0.05Hz，由仿真可知变参数整定后的控制效果要优于整定前的控制效果，验证其有效性。
由于实际情况中风速处于变化过程，不同风速段下风机应该有不同的调频控制策略，在原4机2区域模型下对多风速段下风机一次调频综合控制进行仿真，系统负荷在40s时突增500MW，仿真时间为110s，其仿真结果如图6所示。
如图6所示，当系统负荷在40s突增时，系统频率减小，风机参与调频其输出功率增大，系统频率变化量减小，并且响应迅速。由于40s到80s风速较小，风机能提供的有功支持也较小，所以对系统频率的改变量减小作用也较小。在80s时风速增大，在较大风速下风机风能较大，对频率能有足够的有功支持，因为高风速下风机桨距角增大而储备有功功率，所以此时通过减小桨距角释放储备的有功功率参与系统调频，释放出较多有功功率，使频率的改变量大大减小，相对于风机不参与调频时系统频率提升了0.09Hz，此过程系统频率重新稳定到49.8Hz内，起到了很好的一次调频效果。
综上所述，本发明提供的DFIG参与电网一次调频的多风速段综合控制方法对于多风速段具有较为普遍的适应性，能够快速的响应系统频率的变化，很好的调节系统的频率。同时利用变桨距控制技术，在高风速时充分利用风能进行系统频率调整，防止弃风。在不同风速时都较好的保证了DFIG参与电网一次调频的调频效果，具有较强的实用性。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种DFIG参与电网一次调频的多风速段综合控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、测量电网系统的频率并计算频率偏差Δf；
S2、计算DFIG调差系数δW；
S3、根据DFIG调差系数δW计算下垂系数K1和惯量系数K2；
S4、根据下垂系数K1和惯量系数K2计算第二功率改变量ΔP2；
S5、测量电网系统风速V，并将V分别与风机切入风速V1、临界风速V2以及风机切出风速V3比较，若V<V1或V>V3，则进入步骤S6；若V1<V<V2，则进入步骤S7；若V2<V<V3，则进入步骤S8；
S6、使风机停止工作，输出功率为零，不参与系统调频，控制结束；
S7、根据第二功率改变量ΔP2对风机进行协调控制，使其参与系统调频，控制结束；
S8、根据频率偏差Δf对风机采用协调控制和变桨距控制相结合的控制方式，使其参与系统调频，控制结束。
2.根据权利要求1所述的多风速段综合控制方法，其特征在于，所述步骤S1中频率偏差Δf的计算公式为：
Δf＝f-fref (1)
其中f为电网系统的频率，fref为额定频率50Hz。
3.根据权利要求1所述的多风速段综合控制方法，其特征在于，所述步骤S2中DFIG调差系数δW的计算公式为：
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其中ΔfW为系统频率变化量，取0.2Hz，fref为额定频率50Hz，ΔPW为风机减载的储备功率，PWN为双馈风机额定有功功率。
4.根据权利要求1所述的多风速段综合控制方法，其特征在于，所述步骤S3中下垂系数K1的计算公式为：
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</mrow>
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其中PWN为双馈风机额定有功功率，fref为额定频率50Hz；
惯量系数K2的计算公式为：
K2＝HSω*/25 (4)
其中H为风机惯性时间常数，S为风机额定容量，ω*为风机转速标幺值。
5.根据权利要求1所述的多风速段综合控制方法，其特征在于，所述步骤S4中第二功率改变量ΔP2的计算公式为：
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其中Δf为频率偏差，K1为下垂系数，K2为惯量系数，t为电网系统时间。
6.根据权利要求1所述的多风速段综合控制方法，其特征在于，所述步骤S5中临界风速V2的计算公式为：
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其中Popt为临界风速V2下最大功率跟踪的输出功率，d％为风机减载水平，ρ为空气密度，R为风轮半径，CPC(λC,0)为最大风能利用系数，其计算公式为：
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其中λC为风机转速达到最大值时的叶尖速比，其计算公式为：
λC＝ωmaxR/V (8)
其中ωmax为风机转速的最大值，R为风轮半径，V为电网系统风速。
7.根据权利要求1所述的多风速段综合控制方法，其特征在于，所述步骤S7和S8中协调控制的公式为：
ΔP＝ΔP1+ΔP2 (9)
其中ΔP为总功率改变量，ΔP1为第一功率改变量，即风机超速减载储备功率，ΔP2为第二功率改变量。
8.根据权利要求6所述的多风速段综合控制方法，其特征在于，所述步骤S8中变桨距控制的公式为：
β＝Δβ+β0 (10)
其中β为风机最终桨距角，Δβ为桨距角变化量，其计算公式为：
Δβ＝ΔfKβ (11)
其中Δf为频率偏差，Kβ为桨距角调节系数；
β0为变桨距时预留桨距角，其计算公式为：
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