CN109630354B - 惯性控制下基于转换器控制的风机和同步机协同调频方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种惯性控制下基于转换器控制的风机和同步机协同调频方法及系统，包括：在扰动发生之后，系统发生频率跌落；同步机测量初始频率变化率；利用初始频率变化率计算实际有功不平衡量；利用简化的系统频率响应模型计算出虚拟的系统频率偏移量；利用虚拟频率偏移量代替同步机转速变化量作为调速系统的输入信号；计算风机实际增发功率，在风机实际增发功率的前提下加上约束条件得到风机的实际输出功率。本发明方案可在系统满负荷不平衡的情况下使同步机增发机械功率，并且不需在同步机和风机之间设置通信设备。提出的协同调频策略也可以改善由于惯性控制退出造成的频率二次跌落现象。

Description

惯性控制下基于转换器控制的风机和同步机协同调频方法及 系统

技术领域

本发明涉及惯性控制下基于转换器控制的风机和同步机协同调频技术领域，具体而言，涉及到一种惯性控制下基于转换器控制的风机和同步机协同调频方法及系统。

背景技术

随着风电的渗透率增大，现代电网系统面临着巨大的挑战。传统同步机的减少和基于转换器控制的风机由于转速和频率解耦无法为系统惯性做出贡献导致了系统惯性的降低。经历了有功不平衡的扰动后低惯性系统会发生频率跌落现象。因此，为了保证系统频率的稳定性提高风机为系统频率做出贡献的能力是很有必要的。

近年提出的风机的惯性控制策略是在检测到系统频率跌落的信号后，增发有功功率，并在扰动发生后释放转子中储存的动能至系统。在惯性控制下，扰动发生后风机能提供很小的惯性，提高系统频率的稳定性。在过去的时间里对惯性控制的影响和提高系统惯性的方法展开了广泛的研究。

然而，惯性控制对系统也有一些不利的影响。首先，惯性控制中最明显的不足是在频率调节过程中风机有着较快的有功功率响应，这样会隐藏系统中有功功率的不平衡,导致同步机拒绝更多的机械功率并延迟其响应。另一个关注的问题是在惯性控制下系统频率调节过程中，风机通过减少有功功率返回至正常运行点，这会导致系统频率明显的下降，称之为频率二次跌落现象。

目前所进行的研究中，将风机的有功功率增量传递给传统的同步机，使调速器能在满负荷不平衡的状况下更快的增发机械功率。但实际上，这些方法在联络系统上的花费都比较高，并不经济。

为了降低和消除频率二次跌落现象，提出了一些平缓的终结惯性控制的方法，如基于动态下垂特性的惯性控制和基于扩展状态观测器的惯性仿真控制器。此外，还可以通过能量储存设备来降低频率的二次跌落。在惯性控制过程中值得注意的是，由于控制系统的动态特性，同步机的机械功率增大，引发超调。这种超调是可以用来补偿惯性控制过程终结时降低的功率，降低系统频率的二次跌落现象。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种惯性控制下基于转换器控制的风机和同步机协同调频方法及系统，首先分析了风机和同步机的输出功率特性和在惯性控制中的系统频率响应，提出了一种风机与传统同步机的协同调频策略。在惯性控制中应用此策略，同步机能够在系统满负荷不平衡的情况下无需与风机通信就可以增发机械功率。而且，通过重新设计风机的输出功率，同步机超调的机械功率可用来降低频率的二次跌落现象。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

在一个或多个实施方式中公开的一种惯性控制下基于转换器控制的风机和同步机协同调频方法，包括：

在扰动发生之后，系统发生频率跌落；

同步机测量初始频率变化率；

利用初始频率变化率计算实际有功不平衡量；

利用简化的系统频率响应模型计算出虚拟的系统频率偏移量；

利用虚拟频率偏移量代替同步机转速变化量作为调速系统的输入信号；

计算风机实际增发功率，在风机实际增发功率的前提下加上约束条件得到风机的实际输出功率。

进一步地，所述调速系统利用初始频率变化率计算实际有功不平衡量，具体为：

其中，H_s为系统的惯性时间常数，Δf为频率偏移量。

进一步地，所述利用简化的系统频率响应模型计算出虚拟的系统频率偏移量，具体为：

其中，

D_s为系统的阻尼系数，R为调速器调差系数，K_m为同步机机械功率增益，H_s为系统的惯性时间常数，T_R为再热时间常数，F_H是高压缸产生的功率所占的比例，ΔP_L为实际有功不平衡量。

进一步地，所述简化的系统频率响应模型以负荷变化为输入量，以频率偏移为输出量。

进一步地，利用虚拟频率偏移量代替同步机转速变化量作为调速系统的输入信号，避免同步机受到惯性控制的影响，使同步机输出功率在没有惯性控制的情况下同样增加。

进一步地，所述计算风机实际增发功率，具体为：

其中，t₀为惯性控制开始作用的时间，t₁为同步机增发功率达到最大值的时间，t₂为同步机机械功率达到稳定值的时间，ΔP_max为同步机机械功率的最大值；ΔP_L为实际有功不平衡量，k_wi为风机输出有功功率关于时间的增益系数。

进一步地，在风机实际增发功率的前提下加上约束条件得到风机的实际输出功率，具体为：

其中，ΔP_wi为风机实际增发功率，ω_r为风机转子转速，ΔP_add为风机的实际输出功率，ΔP_wc为风机计算出的增发功率，ω_{r min}为风机转子转速最小值，ΔP_MPPT为最大功率跟踪下风机增发有功功率。

在一个或多个实施方式中公开的一种惯性控制下基于转换器控制的风机和同步机协同调频系统，包括服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述的惯性控制下基于转换器控制的风机和同步机协同调频方法。

在一个或多个实施方式中公开的一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时执行上述的惯性控制下基于转换器控制的风机和同步机协同调频方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明方案可在系统满负荷不平衡的情况下使同步机增发机械功率，并且不需在同步机和风机之间设置通信设备。而且，提出的协同调频策略也可以改善由于惯性控制退出造成的频率二次跌落现象。最后利用仿真分析验证了此策略的有效性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是同步机-风机简化模型示意图；

图2(a)和图2(b)分别是扰动发生后分别在有惯性控制和无惯性控制情况下系统输出功率和频率响应曲线；

图3是负荷扰动下风机实际输出功率和同步机增发功率曲线；

图4是惯性控制下基于转换器控制的风机和同步机协同调频方法示意图；

图5是系统仿真模块示意图；

图6是低风速下调频过程中系统频率曲线；

图7是低风速下风机调频量曲线；

图8是低风速下同步机调频量曲线；

图9是中风速下调频过程中系统频率曲线；

图10是中风速下风机调频量曲线；

图11是中风速下同步机调频量曲线；

图12是高风速下调频过程中系统频率曲线；

图13是高风速下风机调频量曲线；

图14是高风速下同步机调频量曲线。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

在一个或多个实施方式中公开了一种惯性控制下基于转换器控制的风机和同步机协同调频方法，首先分析了风机和同步机的输出功率特性和在惯性控制中的系统频率响应，提出了一种风机与传统同步机的协同调频策略。在惯性控制中应用此策略，同步机能够在系统满负荷不平衡的情况下无需与风机通信就可以增发机械功率。而且，通过重新设计风机的输出功率，同步机超调的机械功率可用来降低频率的二次跌落现象。

1)系统同步机-风机简化模型

为了方便分析，提出后同步机-风机简化模型，如图1所示。在图1中，风机输出机械功率Pmw表示为:

式中，ρ为空气密度,A为风力机叶片扫过面积，v_w为未扰动风速，C_p为风能利用系数，其数值由叶尖速比λ和桨距角β决定。

风机正常运行在最大频率跟踪模式下，其输出电磁功率可根据式(2)计算：

式中ω_r为风机转子转速，k为最大功率跟踪曲线的利用系数。

使用上述简化的系统频率响应模型，其中同步机处P_ms为同步机输出机械功率，H_s和D_s分别为系统的惯性时间常数和阻尼系数，K_m和R分别为同步机机械功率增益和调速器调差系数，F_H是高压缸产生的功率所占的比例，T_R为再热时间常数。

在扰动发生之后，系统会发生频率下降，偏移量记为Δf，接收到频率下降的信号，通过惯性控制风机实际输出功率ΔP_add。综合惯性控制是惯性控制一种常用的形式，利用频率偏差作为输入量，可代替干扰后同步机的变化。增发的功率由式(3)计算出：

式中，k_p为频率偏差的权重系数，k_d为频率偏差的微分权重系数。

惯性控制下的输出电磁功率表示为式(4)：

P_ew＝P_MPPT+ΔP_add (4)

可用系统同步机-风机简化模型分析惯性控制下的输出功率特点。

2)惯性控制下同步机和风机输出功率

图2(a)和图2(b)分别为扰动发生后分别在有惯性控制和无惯性控制的情况下的同步机与风机输出功率曲线和系统频率响应曲线。

从图2中发现在惯性控制情况下，频率最低点有了明显的改善。然而，同步机输出功率却较无惯性控制情况下增长较慢。同步机调速系统根据同步机转速增发功率的，其转速与频率耦合。在惯性控制下，其频率偏移得到改善，但对于同步机而言，由于转速变化得到改善，故其有功功率不平衡被隐藏了。

从图2中还可知由于惯性控制的突然结束系统有明显的频率二次跌落现象，从仿真结果可知频率二次跌落的幅度与风电渗透率，惯性控制的参数和扰动的幅度有关。在一些情况下，频率二次跌落的幅值会超过扰动发生时频率跌落的幅值。

为了解决上述两个问题，本申请设计了一种同步机和风机协调控制的策略，此策略可避免同步机调速系统响应的延迟，也可减轻频率二次跌落的幅度。

同步机与风机协同控制策略由两个部分组成。首先，惯性控制下同步机调速系统的输入信号被计算出的虚拟系统频率偏移替代。其次，考虑了同步机输出功率的特性设计了风机的输出功率。本方案公开的惯性控制下基于转换器控制的风机和同步机协同调频方法如图4所示，包括以下步骤：

在扰动发生之后，系统发生频率跌落；

同步机测量初始频率变化率；

同步机调速器控制系统通过增大进气门的开度增发机械功率，利用初始频率变化率计算实际有功不平衡量；

利用简化的系统频率响应模型计算出虚拟的系统频率偏移量；

利用虚拟频率偏移量代替同步机转速变化量作为调速系统的输入信号；

计算风机实际增发功率，在风机实际增发功率的前提下加上约束条件得到风机的实际输出功率。

下面对具体方法介绍如下：

1)同步机：虚拟系统频率偏移量

由于同步机转速与频率耦合，同步机频率发生改变导致转速同样发生变化，其有功不平衡被隐藏，调速系统响应延迟。为了解决这个问题，一种方法为将风机的增量功率传递给同步机，使其能识别有功功率的不平衡，并以此增发功率。这种方法能有效的加快同步机的响应，但通信设备的花费较高。除此之外，大规模系统中通信时间的延迟是微不足道的。因此，本研究提出了另外一种关于同步机与风机通信的方法。

频率开始时的变化率与负荷扰动的变化关系可由式(5)表示。

最初的频率变化率同步机是可以测量的，其值是不受惯性控制影响的，只取决于同步机本身的惯性。在同步机测得最初的频率变化率后，调速系统计算出实际有功不平衡量，然后利用简化系统频率响应模型计算出虚拟的系统频率偏移量Δf_v，如式(6)：

其中：

D_s为系统的阻尼系数，R为调速器调差系数，K_m为同步机机械功率增益，H_s为系统的惯性时间常数，T_R为再热时间常数，F_H是高压缸产生的功率所占的比例，ΔP_L为实际有功不平衡量。

需要说的是，上面策略中提到的系统虚拟频率偏移为系统中发生相同扰动时，风机没有附加惯性控制的频率偏移量。利用虚拟频率偏移量代替同步机转速变化量作为调速系统的输入信号，这样会避免使同步机受到惯性控制的影响，也会使其输出功率在没有惯性控制的情况下同样增加。

2)风机：惯性控制下的输出功率

本研究在改善系统频率响应的基础上设计风机输出功率。

对于理想中的系统，风机理想实际功率是可以补偿扰动发生后功率不平衡的。这样系统频率就不会跌落。风机实际增发功率ΔP_wi可表示为式(12)：

ΔP_wi＝ΔP_L-ΔP_ms (12)

其中ΔP_ms为同步机增发的机械功率，可由式(13)解得：

其中：

D_s为系统的阻尼系数，R为调速器调差系数，K_m为同步机机械功率增益，H_s为系统的惯性时间常数，T_R为再热时间常数，F_H是高压缸产生的功率所占的比例，ΔP_L为实际有功不平衡量。

由计算可得，风机实际增发功率ΔP_wi可近似为一种线性的关系(如图3所示)，并且ΔP_wi可表示为：

其中t₀为惯性控制开始作用的时间，t₁为同步机增发功率达到最大值的时间，t₂为同步机机械功率达到稳定值的时间，ΔP_max为同步机机械功率的最大值，上述参数由下式给出：

ΔP_max＝ΔP_m(t₁) (19)

式中，△P_m为同步机增发功率，T_R为再热时间常数，F_H是高压缸产生的功率所占的比例，ΔP_wi为风机实际增发功率，显而易见的是，风机输出功率不能设定为ΔP_wi否则会限制风机的电磁转矩和可用的动能。考虑到这些约束条件，风机的输出功率设定为：

其中，ΔP_wi为风机实际增发功率，ω_r为风机转子转速，ΔP_add为风机的实际输出功率，ΔP_wc为风机计算出的增发功率，ω_{r min}为风机转子转速最小值，ΔP_MPPT为最大功率跟踪下风机增发有功功率。

为了验证本研究提出的方法的有效性，在DIGSILENT中搭建了四机两区域模型，如图5所示。该模型包含三台同步发电机和一个包含1.5MW×200的DFIG机组的风电厂，其中各台同步发电机的额定容量为：G₁和G₂为400MW的热电厂，G₃为1000MW的热电厂，G₄为300MW的风电厂。负荷L₁为500MW，负荷L₂为1000MW。在t＝80S时，负荷L₂突然增加100MW导致系统频率下降，仿真出在有无惯性控制和三种不同风速下的系统频率及输出功率曲线。

如图6、图7和图8所示，低风速下使用了虚拟惯性控制后的系统频率最低点得到改善，但同步机响应延迟。在加上提出的协调控制策略后，上述问题均得到解决。

如图9、图10和图11所示，在中风速区域下，和无虚拟惯性控制及传统惯性控制策略相比，使用协同调频策略系统频率响应得到改善，并避免了同步机响应的延迟。

如图12、图13和图14所示，将协同调频策略应用到高风速区域下，系统频率二次跌落现象得到改善。

实施例二

在一个或多个实施方式中公开的一种基于虚拟惯量控制下的双馈风机动态转子保护系统，包括服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现实施例一所述的惯性控制下基于转换器控制的风机和同步机协同调频方法。

实施例三

在一个或多个实施方式中公开的一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时执行实施例一所述的惯性控制下基于转换器控制的风机和同步机协同调频方法。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.惯性控制下基于转换器控制的风机和同步机协同调频方法，其特征在于，包括：

在扰动发生之后，系统发生频率跌落；

同步机测量初始频率变化率；

利用初始频率变化率计算实际有功不平衡量；

利用简化的系统频率响应模型计算出虚拟的系统频率偏移量；

利用虚拟频率偏移量代替同步机转速变化量作为调速系统的输入信号；

计算风机实际增发功率，在风机实际增发功率的前提下加上约束条件得到风机的实际输出功率。

2.如权利要求1所述的惯性控制下基于转换器控制的风机和同步机协同调频方法，其特征在于，所述调速系统利用初始频率变化率计算实际有功不平衡量，具体为：

其中，H_s为系统的惯性时间常数，Δf为频率偏移量。

3.如权利要求1所述的惯性控制下基于转换器控制的风机和同步机协同调频方法，其特征在于，所述利用简化的系统频率响应模型计算出虚拟的系统频率偏移量，具体为：

其中，

D_s为系统的阻尼系数，R为调速器调差系数，K_m为同步机机械功率增益，H_s为系统的惯性时间常数，T_R为再热时间常数，F_H是高压缸产生的功率所占的比例，ΔP_L为实际有功不平衡量。

4.如权利要求1所述的惯性控制下基于转换器控制的风机和同步机协同调频方法，其特征在于，所述简化的系统频率响应模型以负荷变化为输入量，以频率偏移为输出量。

5.如权利要求1所述的惯性控制下基于转换器控制的风机和同步机协同调频方法，其特征在于，利用虚拟频率偏移量代替同步机转速变化量作为调速系统的输入信号，避免同步机受到惯性控制的影响，使同步机输出功率在没有惯性控制的情况下同样增加。

6.如权利要求1所述的惯性控制下基于转换器控制的风机和同步机协同调频方法，其特征在于，所述计算风机实际增发功率，具体为：

其中，t₀为惯性控制开始作用的时间，t₁为同步机增发功率达到最大值的时间，t₂为同步机机械功率达到稳定值的时间，ΔP_max为同步机机械功率的最大值；ΔP_L为实际有功不平衡量，k_wi为风机输出有功功率关于时间的增益系数。

7.如权利要求1所述的惯性控制下基于转换器控制的风机和同步机协同调频方法，其特征在于，在风机实际增发功率的前提下加上约束条件得到风机的实际输出功率，具体为：

其中，ΔP_wi为风机实际增发功率，ω_r为风机转子转速，ΔP_add为风机的实际输出功率，ΔP_wc为风机计算出的增发功率，ω_rmin为风机转子转速最小值，ΔP_MPPT为最大功率跟踪下风机增发有功功率。

8.惯性控制下基于转换器控制的风机和同步机协同调频系统，其特征在于，包括服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1-7任一项所述的惯性控制下基于转换器控制的风机和同步机协同调频方法。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时执行权利要求1-7任一项所述的惯性控制下基于转换器控制的风机和同步机协同调频方法。

Images