CN108599253A - 一种风电机组场级一次调频与阻尼控制的联合控制方法 - Google Patents

一种风电机组场级一次调频与阻尼控制的联合控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种风电机组场级一次调频与阻尼控制的联合控制方法，包括：针对因大电网内发生的扰动故障引起系统频率骤升、骤降，设计风电场级的一次调频控制与阻尼控制器，同时解决并网风电场系统低频振荡与系统的高低周问题。本发明具体涉及风电场并网点的一种附加阻尼控制器，校正一次调频的有功功率输出，从而增加系统阻尼。将本发明应用到大型并网风电场，能够增强受扰后系统调频特性与低频振荡阻尼特性，快速抑制频率波动与系统振荡,提升电网接纳大容量新能源电力的能力。

Description

一种风电机组场级一次调频与阻尼控制的联合控制方法
技术领域
本发明属于风电系统控制领域，具体涉及一种风电机组场级一次调频与阻尼控制的联合控制方法。
背景技术
大规模远距离输电是解决大型清洁能源消纳和防治大气污染的重要举措，但是大规模清洁能源发电的自身特点也给电网的安全稳定运行带来了一系列的挑战，如清洁能源发电机组的高低压穿越问题，尤其是近年来风电机组的频率控制与阻尼控制问题难以解决给电网安全及新能源送出带来了较大制约。
我国新能源开发发展快速，但新能源大多分布在距离负荷中心较远的三北地区，将大规模新能源送出大部分采用常规高压或特高压直流(LCC HVDC)集中送出。但是由于LCC-HVDC存在换相失败问题，而且由于直流输电距离远、跨越地域比较广，直流故障时有发生，交流电网将产生大量的功盈余，送端交流电网频率与阻尼控制问题突出，送端电网功率不平衡，系统频率将大幅跌落或上升，对电网安全运行造成很大影响。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种风电机组场级一次调频与阻尼控制的联合控制方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：一种风电机组场级一次调频与阻尼控制的联合控制方法，包括以下步骤：
步骤1，风电场级的一次调频协调控制，通过当电网频率偏差大于第一阈值，且风电机组有功出力大于第二阈值时，一次调频动作的同时，通过输入并联的附加信号使阻尼控制器同时进行控制；
步骤2，当控制系统出现单向频率偏差时，则阻尼控制器以调频输出量为主，当控制系统出现振荡时，则阻尼控制器以阻尼输出为主；
步骤3，将所述阻尼输出或调频输出量叠加至一次调频功率指令；
步骤4，当叠加后的一次调频功率指令与自动发电控制系统的有功功率指令方向相反时，若电网频率低于额定频率，则闭锁所述自动发电控制系统减负荷指令；
若电网频率高于额定频率，则闭锁所述自动发电控制系统加负荷指令。
进一步的，所述一次调频与阻尼控制器同时控制的具体步骤包括测量环节、超低频滤波环节、死区环节、隔直环节、三级超前/滞后补偿环节、放大环节及限幅环节，且各环节依次连接。
进一步的，所述测量环节用于对所述并联的附加信号进行处理，传递函数为其中，a、b、c为常数；
所述超低频滤波环节中的滤波器为两个串联的二阶滤波器，该滤波器通过下式的传递函数来实现超低频分量的滤波，
其中s为积分算子，s2为积分算子的二次方；Gl1、Gl2、ξl1、ξl2为双二阶滤波器的配置参数；
死区环节的设置与调速系统一次调频的死区相同；
隔直环节用于滤掉直流次要信号，传递函数为其中TW1为隔直时间常数，T1、T3、T5为超前时间常数，T2、T4、T6为滞后时间常数；
三级超前/滞后补偿环节用于通过相位补偿和放大环节，采用非线性处理环节区对调速系统信号进行相位补偿，传递函数为
所述放大环节用于对所述超低频分量的信号进行增益；
限幅环节用于实现对输入信号的限幅控制。
进一步的，所述风电机组有功出力大于第二阈值时，一次调频下垂特性通过设定频率与有功功率折线函数实现，即：
式中，fd为一次调频死区；fN为系统额定频率；PN为额定功率；δ％为新能源一次调频调差率；P0为有功功率初值。
进一步的，所述第一阈值为正负0.05-0.1Hz，所述第二阈值为额定功率的20％。
进一步的，风电机组调频与阻尼控制采用惯量响应控制与桨距角控制相组合的方式。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明针对目前由特高压直流换流站集中送出的千万千瓦级风力发电机集群由于特高压直流故障等扰动而导致其频率波动与系统振荡的问题，提出了风电机组场级一次调频与阻尼控制的联合控制方法。
本发明设计了针对因大电网内发生的扰动故障引起系统频率骤升、骤降，设计风电场级的一次调频控制与阻尼控制器，同时解决并网风电场系统低频振荡与系统的高低周问题。本发明具体涉及风电场并网点的一种附加阻尼控制器，校正一次调频的有功功率输出，从而增加系统阻尼。将本发明应用到大型并网风电场，能够增强受扰后系统调频特性与低频振荡阻尼特性,快速抑制频率波动与系统振荡，可应用于所有风力发电厂，覆盖范围广，相对于风力发电机组本体改造，实现方便、投资小、效果更加显著。
附图说明
图1是本发明的一次调频与阻尼控制配合示意图；
图2是本发明的一次调频附加阻尼控制的传递函数框图示意图；
图3是本发明的协调控制流程图；
图4a是本发明的无阻尼控制抑制频率跌落与功率振荡的效果图。
图4b是本发明的有阻尼控制抑制频率跌落与功率振荡的效果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
如图1、图2、图3和图4a、图4b所示，如图1所示，在风电场并网点，装设风电场级的一次调频控制与阻尼控制器，同时解决并网风电场系统低频振荡与系统的高低周问题。
一次调频控制与阻尼控制器包括：一次调频控制器(GOV)，阻尼控制器(GGADS)，其中晶控制器输入量电场主变压器PT(电压互感器)、CT(电流互感器)和风电机组保护PT(电压互感器)、CT(电流互感器)的实时测量为控制器的输入量，通过计算得到频率偏差与功率偏差。输出功率调节量到光端机，通过对风电机组的变流器、主控等通信，使用快速光纤通道，保证控制延时小于0.2秒。
一次调频控制器(GOV)，阻尼控制器(GGADS)连接构成并联控制回路，也可以实现单独功能的投入和退出。
本实施例提供一种风电机组场级一次调频与阻尼控制的联合控制方法，包括以下步骤：
步骤1，风电场级的一次调频协调控制，通过当电网频率偏差大于正负0.05-0.1Hz，且风电机组有功出力大于20％PN时，一次调频动作的同时，通过输入一并联的附加信号使阻尼控制器同时进行控制。
风电机组有功出力大于20％PN时，一次调频下垂特性通过设定频率与有功功率折线函数实现，即：
式中，fd为一次调频死区；fN为系统额定频率；PN为额定功率；δ％为新能源一次调频调差率；P0为有功功率初值。
风电机组调频与阻尼控制采用惯量响应控制与桨距角控制相组合的方式。机组一次调频响应时间应不大于0.2s，有功功率调节控制误差不应超过±2％PN；
以参与一次调频的下垂曲线为例，图中，一次调频死区设定0.1Hz，调差率高频设定2％、低频设定5％，增负荷方向变化幅度设定不小于4％PN、减负荷方向变化幅度设定不小于10％PN。
步骤2，当控制系统出现单向频率偏差时，则阻尼控制器以调频输出量为主，当控制系统出现振荡时，则阻尼控制器以阻尼输出为主。
步骤3，将阻尼输出或调频输出量叠加至一次调频功率指令；
步骤4，当叠加后的一次调频功率指令与自动发电控制系统的有功功率指令方向相反时，若电网频率低于额定频率，则闭锁自动发电控制系统减负荷指令；
若电网频率高于额定频率，则闭锁自动发电控制系统加负荷指令。
风电场AGC(自动发电控制系统)投入运行或监控系统功率闭环调节方式下，一次调频与AGC有功功率指令方向相反情况下，当电网频率低于额定频率0.1Hz(该值可根据各区域电网实际情况确定)时应闭锁AGC减负荷指令，当电网频率高于额定频率0.1Hz(该值可根据各区域电网实际情况确定)时应闭锁AGC加负荷指令。
进一步的，引入的附加控制简化模型如附图2所示，该模型中含有测量环节、滤波环节、死区环节、隔直环节、三级超前/滞后补偿环节、放大环节及限幅环节，并且各环节依次连接。
非线性环节包括死区和限幅：
限幅环节可以实现对输入信号的限幅控制；死区环节的设置与调速系统一次调频的死区一致，避免当电网频率小范围波动而引起一次调频不必要的动作，偏差信号达到一定范围时对调速系统产生一定的补偿，使其阻尼得到加强。
线性环节包括测量环节、低频滤波环节、隔直环节、超前滞后补偿环境和放大环节。
测量环节用于对并联的附加信号进行处理，传递函数为其中，a、b、c为常数；
超低频滤波环节中的滤波器为两个串联的二阶滤波器，该滤波器通过下式的传递函数来实现超低频分量的滤波，
其中s为积分算子，s2为积分算子的二次方；Gl1、Gl2、ξl1、ξl2为双二阶滤波器的配置参数；
死区环节的设置与调速系统一次调频的死区相同；
隔直环节用于滤掉直流次要信号，传递函数为其中TW1为隔直时间常数，T1、T3、T5为超前时间常数，T2、T4、T6为滞后时间常数；
三级超前/滞后补偿环节用于通过相位补偿和放大环节，采用非线性处理环节区对调速系统信号进行相位补偿，传递函数为
放大环节用于对超低频分量的信号进行增益；限幅环节用于实现对输入信号的限幅控制。
风电机组场级一次调频与阻尼控制的联合控制参数配置，具体步骤包括：
依据不同频率下的一次调频动作测量相位滞后角度，设置相应的超前滞后环节、放大环节参数，将风电场有功功率的的阻尼转矩分量由负阻尼区间扭转到正阻尼区间，依据相位补偿原理，整定计算阻尼控制的参数包括以下四个步骤：
(1)现场测试计算一次调频运行特性，测试一次调频有功功率输出和频率的相位差；
(2)对系统阻尼和灵敏度进行分析，依据参与因子筛选出超低频振荡的主导频率范围；
(3)根据一次调频参数的相频特性进行一定相位补偿，整定GADS的隔直时间常数TW1，以及超前滞后时间常数T1、T3、T5、T2、T4、T6；
(4)测试临界增益值，并针对调速系统的运行特性设置GADS的放大倍数；
测试一次调频死区，设置GADS的死区环节参数以及滤波、限幅环节参数。
本发明的原理为：(1)针对因大电网内发生的扰动故障引起系统频率骤升、骤降，协调设计风电场级的一次调频控制与阻尼控制器，同时解决并网风电场系统低频振荡与系统的高低周问题；
(2)风电场级的一次调频协调控制，通过当电网频率偏差大于一定值，例如正负0.05--0.1Hz，风电机组有功出力大于20％Pn时，在自动为系统提供快速有功功率支撑；
(3)风电场级的阻尼控制器，在一次调频动作的同时，输入一并联的附加信号，阻尼系统的频率振荡，一次调频与阻尼控制器同时动作，当系统出现单向频率偏差时，调频输出量为主；当系统出现振荡时，阻尼输出为主；
(4)风电机组调频与阻尼控制可采用惯量响应控制与桨距角控制相组合的方式。机组一次调频响应时间应不大于0.2s，有功功率调节控制误差不应超过±2％Pn。
其中，具体的是：(1)采用外部控制器对风电场频率与阻尼进行联合控制，以风电机组PT、CT的实时测量为控制器的输入量，设定启动门槛值、死区等变量；
(2)在风电有功出力大于20％额定功率，风电参与一次调频。一次调频下垂特性通过设定频率与有功功率折线函数实现，即：
式中，fd为一次调频死区；fN为系统额定频率；PN为额定功率；δ％为新能源一次调频调差率；P0为有功功率初值。
(3)风电场AGC投入运行或监控系统功率闭环调节方式下，一次调频与AGC有功功率指令方向相反情况下，当电网频率低于额定频率0.1Hz(该值可根据各区域电网实际情况确定)时应闭锁AGC减负荷指令，当电网频率高于额定频率0.1Hz(该值可根据各区域电网实际情况确定)时应闭锁AGC加负荷指令。
工程实际的附加阻尼控制实现是输入风场母线频率或电功率信号，经过附加阻尼控制的相位补偿等环节后将输出信号叠加到厂级一次调频功率指令；引入的附加控制简化模型如附图所示，该模型中含有测量环节、滤波环节、死区环节、隔直环节、三级超前/滞后补偿环节、放大环节及限幅环节，并且各环节依次连接。其中，TW1为隔直时间常数，T1、T3、T5为超前时间常数，T2、T4、T6为滞后时间常数。
非线性环节包括死区和限幅。线性环节包括测量环节、低频滤波环节、隔直环节、超前滞后和放大环节。
限幅环节可以实现对输入信号的限幅控制；死区环节的设置与调速系统一次调频的死区一致，避免当电网频率小范围波动而引起一次调频不必要的动作，偏差信号达到一定范围时对调速系统产生一定的补偿，使其阻尼得到加强。
测量环节：对输入信号进行处理，传递函数为
超低频滤波环节：低频滤波器通过下述方法来实现：所述滤波器为两个串联的二阶滤波器，该滤波器通过下式的传递函数来实现超低频分量的滤波，
其中s为积分算子，s2为积分算子的二次方；Gl1、Gl2、ξl1、ξl2为双二阶滤波器的配置参数。
放大环节：对超低频分量的信号进行增益，KGOV有益于死区环节的设置以及辅助相位补偿效果。
隔直环节：负责滤掉直流次要信号，避免输入信号的稳态变化影响输出，传递函数为
三级超前/滞后补偿环节：通过相位补偿和之前的增益环节，采用非线性处理环节对调速系统信号进行恰当的相位补偿，以期使系统阻尼由负变正，从而抑制调速系统引起的超低频振荡，传递函数为
如图4a和4b所示，在装机容量为50MW的风电场每台风电机组端口采用基于风电场主变压器低压侧SVG、风机变流器与低压电抗器投切的协调控制方案，当电网内某特高压直流发生1次换相失败后导致系统电压骤升，可以有效将风电机组端口电压降低到1.1pu以下，同时在低压电抗器退出后使得端口电压不低于0.90pu。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种风电机组场级一次调频与阻尼控制的联合控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，风电场级的一次调频协调控制，通过当电网频率偏差大于第一阈值，且风电机组有功出力大于第二阈值时，一次调频动作的同时，通过输入并联的附加信号使阻尼控制器同时进行控制；
步骤2，当控制系统出现单向频率偏差时，则阻尼控制器以调频输出量为主，当控制系统出现振荡时，则阻尼控制器以阻尼输出为主；
步骤3，将所述阻尼输出或调频输出量叠加至一次调频功率指令；
步骤4，当叠加后的一次调频功率指令与自动发电控制系统的有功功率指令方向相反时，若电网频率低于额定频率，则闭锁所述自动发电控制系统减负荷指令；
若电网频率高于额定频率，则闭锁所述自动发电控制系统加负荷指令。
2.根据权利要求1所述的一种风电机组场级一次调频与阻尼控制的联合控制方法，其特征在于：所述步骤1中一次调频与阻尼控制器同时控制的具体步骤包括测量环节、超低频滤波环节、死区环节、隔直环节、三级超前/滞后补偿环节、放大环节及限幅环节，且各环节依次连接。
3.根据权利要求2所述的一种风电机组场级一次调频与阻尼控制的联合控制方法，其特征在于：所述测量环节用于对所述并联的附加信号进行处理，传递函数为其中，a、b、c为常数；
所述超低频滤波环节中的滤波器为两个串联的二阶滤波器，该滤波器通过下式的传递函数来实现超低频分量的滤波，
其中s为积分算子，s2为积分算子的二次方；Gl1、Gl2、ξl1、ξl2为双二阶滤波器的配置参数；
死区环节的设置与调速系统一次调频的死区相同；
隔直环节用于滤掉直流次要信号，传递函数为其中TW1为隔直时间常数，T1、T3、T5为超前时间常数，T2、T4、T6为滞后时间常数；
三级超前/滞后补偿环节用于通过相位补偿和放大环节，采用非线性处理环节区对调速系统信号进行相位补偿，传递函数为
所述放大环节用于对所述超低频分量的信号进行增益；
限幅环节用于实现对输入信号的限幅控制。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种风电机组场级一次调频与阻尼控制的联合控制方法，其特征在于：所述步骤1中风电机组有功出力大于第二阈值时，一次调频下垂特性通过设定频率与有功功率折线函数实现，即：
式中，fd为一次调频死区；fN为系统额定频率；PN为额定功率；δ％为新能源一次调频调差率；P0为有功功率初值。
5.根据权利要求1-3任一所述的一种风电机组场级一次调频与阻尼控制的联合控制方法，其特征在于：所述第一阈值为正负0.05-0.1Hz，所述第二阈值为额定功率的20％。
6.根据权利要求1-3任一所述的一种风电机组场级一次调频与阻尼控制的联合控制方法，其特征在于：风电机组调频与阻尼控制采用惯量响应控制与桨距角控制相组合的方式。
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