CN109787252A - 基于模糊控制的并网风电机组频率响应控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模糊控制的并网风电机组频率响应控制系统和方法，风电机组连接在电网上，该控制方法包括以下步骤：通过模糊控制器实时获取桨距角调整量，并将桨距角调整量传输至风电机组的主控制器；风电机组的主控制器根据桨距角调整量调节风电机组的桨距角以调整风电机组的有功出力。本发明还公开了一种基于模糊控制的并网风电机组频率响应控制系统。本发明能够针对电网频率扰动进行快速频率响应而对电网系统起到快速调频作用，并有效避免风机桨叶控制系统频繁动作造成的桨叶磨损，提高抗扰动能力，有助于提高电网频率的稳定性。

Description

基于模糊控制的并网风电机组频率响应控制系统和方法

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，具体涉及一种基于模糊控制的并网风电机组频率响应控制系统和方法。

背景技术

随着风电、光伏等新能源发电机组在电网中的装机占比不断攀升，新能源发电机组逐渐变为“主力”电源。但是当电网高比例接入新能源发电机组时，电网中的传统发电机组(火力发电机组或水力发电机组等)调频极为困难，导致实际调频能力与电网需求不匹配，传统发电机组频繁调节容易使机组加速疲劳积累。对于并网型风电机组发电系统(将风电机组接入现有电网中，将风电机组的发电功率输送到现有电网中)来说，风电机组通过频率响应参与电网快速调频，以调节电网频率扰动，但是现有风电机组参与电网调频容易使得风机桨叶控制系统频繁调节而造成桨叶磨损，且抗扰动能力不佳，不利于电网的稳定运行。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于模糊控制的并网风电机组频率响应控制系统和方法，能够根据电网系统频率的波动大小进行自主控制，针对电网频率扰动进行快速频率响应而对电网系统起到快速调频作用，并有效避免风机桨叶控制系统频繁动作造成的桨叶磨损，提高抗扰动能力，有助于提高电网频率的稳定性。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：

一种基于模糊控制的并网风电机组快速频率响应控制方法，所述风电机组连接在电网上，该控制方法包括以下步骤：

1)通过模糊控制器实时获取桨距角调整量，并将桨距角调整量传输至风电机组的主控制器；

2)风电机组的主控制器根据桨距角调整量调节风电机组的桨距角以调整风电机组的有功出力。

在其中一个实施方式中，所述步骤1)中，通过模糊控制器实时获取桨距角调整量的方法为：定义风电机组与电网的连接点为并网点，实时监测并网点实际频率，计算出目标频率和并网点实际频率的频率偏差和该频率偏差的变化率，模糊控制器根据频率偏差和频率偏差的变化率计算得出桨距角调整量。

在其中一个实施方式中，所述步骤2)中风电机组的主控制器根据桨距角调整量调节风电机组的桨距角的方法为：风电机组的主控制器先计算出初始桨距角调整量，再将初始桨距角调整量和模糊控制器输出的桨距角调整量相叠加得出桨距角目标调整量，然后根据桨距角目标调整量对风电机组的桨距角进行调节。

在其中一个实施方式中，计算目标频率和并网点实际频率的频率偏差之后还要对所述频率偏差进行滤波处理，并根据滤波处理后的频率偏差计算出频率偏差的变化率，模糊控制器根据滤波处理后的频率偏差和频率偏差的变化率计算得出桨距角调整量。

在其中一个实施方式中，模糊控制器根据频率偏差和频率偏差的变化率计算得出桨距角调整量的方法包括：先对频率偏差和频率偏差的变化率进行模糊化处理，再对模糊化处理后的频率偏差和频率偏差的变化率根据模糊控制规则表进行模糊推理得出桨距角调整量的模糊值，然后再对桨距角调整量的模糊值进行解模糊化计算得出桨距角调整量。

在其中一个实施方式中，模糊控制器对频率偏差和频率偏差的变化率进行模糊化处理时采用三角形隶属度函数。

在其中一个实施方式中，模糊控制器进行解模糊化计算时采用最大隶属度法。

一种基于模糊控制的并网风电机组快速频率响应控制系统，所述风电机组连接在电网上，该控制系统包括：

模糊控制器，用于获取桨距角调整量，并将桨距角调整量传输至风电机组的主控制器；

主控制器，用于根据桨距角调整量调节风电机组的桨距角以调整风电机组的有功出力。

在其中一个实施方式中，该控制系统还包括计算单元，所述计算单元用于计算目标频率和并网点实际频率的频率偏差和该频率偏差的变化率，并将目标频率和并网点实际频率的频率偏差和该频率偏差的变化率传输至模糊控制器；所述模糊控制器用于根据频率偏差和频率偏差的变化率计算得出桨距角调整量。

本发明具有以下有益效果：本发明的基于模糊控制的并网风电机组频率响应控制方法和系统，通过设置模糊控制器输出桨距角调整量，并将该桨距角调整量叠加到风电机组主控制器上，使得风电机组能够根据电网系统频率的波动大小进行自主控制，从而针对电网故障引起的频率扰动进行快速频率响应而对电网系统起到调频作用，有效避免了风机桨叶控制系统频繁动作造成的桨叶磨损，能够快速抑制频率波动与系统振荡，缩短了频率调节时间，有助于提高电网频率的稳定性。

附图说明

图1是本发明的基于模糊控制的并网风电机组频率响应控制方法的控制原理图；

图2是本发明的河西敦煌风电基地风电机组所在电网系统的频率波动图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1所示，f(x)是频差函数，包括死区、限幅和调差率等参数；AGC是上级主站发出的有功功率指令；Δf是目标频率与并网点实际频率的偏差；Δf/Δt是频率偏差变化率；Δβ是模糊控制器输出的桨距角调整量。

本实施例公开了一种基于模糊控制的并网风电机组快速频率响应控制方法，风电机组连接在电网上形成并网型风电机组发电系统，该方法包括以下步骤：

1)通过模糊控制器实时获取桨距角调整量，并将桨距角调整量传输至风电机组的主控制器；

2)风电机组的主控制器根据桨距角调整量调节风电机组的桨距角以调整风电机组的有功出力，从而快速响应电网系统频率变化，达到对电网系统的调频作用。

在其中一个实施方式中，步骤1)中，通过模糊控制器实时获取桨距角调整量的方法为：定义风电机组与电网的连接点为并网点，实时监测并网点实际频率，计算出目标频率和并网点实际频率的频率偏差Δf和该频率偏差的变化率Δf/Δt，模糊控制器根据频率偏差Δf和频率偏差的变化率Δf/Δt计算得出桨距角调整量Δβ。

其中，目标频率为预先给定的并网点频率。

在其中一个实施方式中，步骤2)中风电机组的主控制器根据桨距角调整量调节风电机组的桨距角的方法为：风电机组的主控制器先计算出初始桨距角调整量，再将初始桨距角调整量和模糊控制器输出的桨距角调整量Δβ相叠加(也即将初始桨距角调整量和模糊控制器输出的桨距角调整量Δβ的值相加)得出桨距角目标调整量，然后根据桨距角目标调整量对风电机组的桨距角进行调节。

其中，初始桨距角调整量是由风电机组的主控制器根据风电机组频率和给定频率的频率偏差自行计算得出。

通过将风电机组主控制器初始确定的初始桨距角调整量和模糊控制器输出的桨距角调整量Δβ进行叠加，可以迅速调整风电机组出力并避免单独通过主控侧控制风电场出力造成的功率回调波动和频率调节速度过慢。

模糊控制器可以根据电网频率的波动情况实时输出桨距角调整量Δβ，通过将该桨距角调整量Δβ和初始桨距角调整量相加而得出最终的桨距角目标调整量，也即使得最终桨距角的调节是综合了上述两种桨距角调整量而得出的，使得风电机组快速频率响应采用主控侧频差函数响应控制与桨距角模糊控制相组合的方式，避免了单独由主控侧得出的初始桨距角调整量来直接调整桨距角而造成的桨叶频繁调节形成的磨损。例如，在电网系统发生较大故障或扰动，也即在频率变化速率快、扰动幅度大时，通过模糊控制器输出的桨距角调整量Δβ和初始桨距角调整量的叠加，可直接进行风机浆距角调整而快速调整风机出力，避免电网系统频率稳定性发生破坏，也避免频率调节速度慢和功率回调波动等问题；在频率变化速度快、频率扰动幅度小时，通过模糊控制器输出的桨距角调整量Δβ和初始桨距角调整量的叠加使得浆距角目标调整量减小，此时主要依靠风电机组主控侧频率快速响应及电网中其余传统发电机组进行调频控制；在电网系统有常规的较大负荷变动，也即频率变化速度慢、频率扰动幅度大时，此时应主要依靠主控侧进行功率调节，通过模糊控制器输出的桨距角调整量Δβ和初始桨距角调整量的叠加使得浆距角目标调整量随着扰动幅度及扰动速度逐渐恢复而迅速减小，避免桨距角频繁调整；在频率变化速度慢、频率扰动幅度小时，通过模糊控制器输出的桨距角调整量Δβ和初始桨距角调整量的叠加使得浆距角目标调整量为零，也即退出浆距角控制功能，减少浆叶磨损。通过上述过程，可以模糊控制器的作用，可以使得电网在发生频率小扰动或频率变化速率不大时不调整浆距角，而在频率大扰动、频率快速变化或大幅波动情况下通过调整浆距角而迅速调整风电机组出力，可以有效避免桨叶频繁调节而造成磨损。

通过模糊控制器来计算桨距角调整量Δβ，是采用模糊控制的方法，它不依赖于具体的数学模型即可根据系统实时动态情况实施控制，避免了针对不同风机类型进行不同建模而进行控制器参数设置的难题，非线性控制效果好，能够实现风电机组进行快速频率响应调节的目的。

在其中一个实施方式中，计算目标频率和并网点实际频率的频率偏差之后还要对所述频率偏差进行滤波处理，并根据滤波处理后的频率偏差Δf计算出频率偏差的变化率Δf/Δt，模糊控制器根据滤波处理后的频率偏差Δf和频率偏差的变化率Δf/Δt计算得出桨距角调整量Δβ。

在其中一个实施方式中，模糊控制器根据频率偏差和频率偏差的变化率计算得出桨距角调整量的方法包括：先对频率偏差Δf和频率偏差的变化率Δf/Δt进行模糊化处理，再对模糊化处理后的频率偏差和频率偏差的变化率根据模糊控制规则表所蕴涵的模糊关系进行模糊推理得出桨距角调整量的模糊值，然后再对桨距角调整量的模糊值进行解模糊化计算得出桨距角调整量Δβ。

在其中一个实施方式中，模糊控制器对频率偏差和频率偏差的变化率进行模糊化处理时采用三角形隶属度函数。

在其中一个实施方式中，模糊控制器进行解模糊化计算时采用最大隶属度法。

本实施例还公开了一种基于模糊控制的并网风电机组快速频率响应控制系统，风电机组连接在电网上形成并网型风电机组发电系统，该控制系统包括：

模糊控制器，用于获取桨距角调整量，并将桨距角调整量传输至风电机组的主控制器；

主控制器，用于根据桨距角调整量调节风电机组的桨距角以调整风电机组的有功出力。

在其中一个实施方式中，该控制系统还包括计算单元，计算单元用于计算目标频率和并网点实际频率的频率偏差和该频率偏差的变化率，并将目标频率和并网点实际频率的频率偏差和该频率偏差的变化率传输至模糊控制器；模糊控制器用于根据频率偏差和频率偏差的变化率计算得出桨距角调整量Δβ。也即模糊控制器是以目标频率与并网点实际频率的偏差以及该频率偏差变化率作为输入变量，以桨距角调整量Δβ作为模糊控制器的输出，以叠加到风电机组主控制器的桨距角指令上，实现根据电网系统频率的波动大小进行自主模糊控制。

下面以甘肃河西敦煌风电基地风机为例验证本实施例基于模糊控制的风电机组快速频率响应控制方法：按照风电机组加装模糊控制器的参数配置，进行电网频率大扰动故障仿真，低频仿真故障是拉西瓦水电厂350万千瓦全停，高频仿真故障是天中直流500万千瓦闭锁安控拒动。如图2所示，当风电机组叠加桨距角模糊控制后，风电机组可针对电网大扰动进行快速频率响应，有效减小了系统频率偏差，缩短了频率调节时间，同时减少了风机的频繁动作，大大减轻了因风机频繁动作而造成的桨叶磨损。

本实施例的基于模糊控制的并网风电机组快速频率响应控制方法和系统，通过设置模糊控制器输出桨距角调整量，并将该桨距角调整量叠加到风电机组主控制器上，使得风电机组主控制器采用主控侧频差函数响应控制与桨距角模糊控制相组合的方式来迅速调节风电场有功出力，从而针对电网故障引起的频率扰动进行快速频率响应，并根据电网系统频率的波动大小进行自主控制而对电网系统起到调频作用，能够在电网频率小扰动或频率变化速率不大时不调整桨距角，在电网系统发生大扰动，频率快速变化或大幅波动情况下通过调整桨距角迅速调整风电机组出力并避免单独通过主控侧控制风电场出力造成的功率回调波动，即可以实现并网风电机组参与调整系统频率小扰动及频率大扰动后的迅速响，也有效避免了风电机组原有频率调节控制因无差调节而导致的风机桨叶控制系统频繁动作造成的磨损。

本实施例的控制方法和系统可以适用于多种类型新能源机组，能够迅速响应电网频率扰动，特别针对大扰动能充分发挥新能源机组的调节能力，有效减小了系统频率偏差，缩短了频率调节时间，有助于提高电网频率的稳定性，能够增强受扰后电网系统频率稳定性，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。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (9)

1.一种基于模糊控制的并网风电机组频率响应控制方法，所述风电机组连接在电网上，其特征是，该控制方法包括以下步骤：

1)通过模糊控制器实时获取桨距角调整量，并将桨距角调整量传输至风电机组的主控制器；

2)风电机组的主控制器根据桨距角调整量调节风电机组的桨距角以调整风电机组的有功出力。

2.如权利要求1所述的基于模糊控制的并网风电机组频率响应控制方法，其特征是，所述步骤1)中，通过模糊控制器实时获取桨距角调整量的方法为：定义风电机组与电网的连接点为并网点，实时监测并网点实际频率，计算出目标频率和并网点实际频率的频率偏差和该频率偏差的变化率，模糊控制器根据频率偏差和频率偏差的变化率计算得出桨距角调整量。

3.如权利要求1所述的基于模糊控制的并网风电机组频率响应控制方法，其特征是，所述步骤2)中风电机组的主控制器根据桨距角调整量调节风电机组的桨距角的方法为：风电机组的主控制器先计算出初始桨距角调整量，再将初始桨距角调整量和模糊控制器输出的桨距角调整量相叠加得出桨距角目标调整量，然后根据桨距角目标调整量对风电机组的桨距角进行调节。

4.如权利要求2所述的基于模糊控制的并网风电机组频率响应控制方法，其特征是，计算目标频率和并网点实际频率的频率偏差之后还要对所述频率偏差进行滤波处理，并根据滤波处理后的频率偏差计算出频率偏差的变化率，模糊控制器根据滤波处理后的频率偏差和频率偏差的变化率计算得出桨距角调整量。

5.如权利要求2所述的基于模糊控制的并网风电机组频率响应控制方法，其特征是，模糊控制器根据频率偏差和频率偏差的变化率计算得出桨距角调整量的方法包括：先对频率偏差和频率偏差的变化率进行模糊化处理，再对模糊化处理后的频率偏差和频率偏差的变化率根据模糊控制规则表进行模糊推理得出桨距角调整量的模糊值，然后再对桨距角调整量的模糊值进行解模糊化计算得出桨距角调整量。

6.如权利要求5所述的基于模糊控制的并网风电机组频率响应控制方法，其特征是，模糊控制器对频率偏差和频率偏差的变化率进行模糊化处理时采用三角形隶属度函数。

7.如权利要求5所述的基于模糊控制的并网风电机组频率响应控制方法，其特征是，模糊控制器进行解模糊化计算时采用最大隶属度法。

8.一种基于模糊控制的并网风电机组频率响应控制系统，所述风电机组连接在电网上，其特征是，该控制系统包括：

模糊控制器，用于获取桨距角调整量，并将桨距角调整量传输至风电机组的主控制器；

主控制器，用于根据桨距角调整量调节风电机组的桨距角以调整风电机组的有功出力。

9.如权利要求8所述的基于模糊控制的并网风电机组频率响应控制系统，其特征是，该控制系统还包括计算单元，所述计算单元用于计算目标频率和并网点实际频率的频率偏差和该频率偏差的变化率，并将目标频率和并网点实际频率的频率偏差和该频率偏差的变化率传输至模糊控制器；所述模糊控制器用于根据频率偏差和频率偏差的变化率计算得出桨距角调整量。