CN109861251B - 一种用于微网暂稳态频率优化的双馈风机综合控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于微网暂稳态频率优化的双馈风机综合控制方法，包括以下步骤：1)构建包含风电、光伏和同步电机三种电源的微网系统；2)在风机参与调频的暂态频率支撑阶段采用虚拟惯量控制以降低动态频率偏差；3)在风机参与调频的稳态频率恢复阶段采用有功‑频率下垂控制以提高稳态频率；4)以风机的下垂控制参数为控制变量，构建以终端母线上动态频率偏差、系统稳态频率偏差、风机输出功率和转子转速恢复时间为评价指标的多目标规划模型，通过粒子群优化得到风机的最佳下垂控制参数，完成包含虚拟惯量控制和下垂控制的DFIG综合控制。与现有技术相比，本发明具有提高转子动能、充分参与调频、降低动态频率偏差和稳态频率偏差等优点。

Description

一种用于微网暂稳态频率优化的双馈风机综合控制方法

技术领域

本发明涉及双馈风机控制领域，尤其是涉及一种用于微网暂稳态频率优化的双馈风机综合控制方法。

背景技术

实现双馈感应发电机与同步机协同调频控制技术是实现电网友好型风电场的重要一环，是提高风电消纳能力的重要难关。然而双馈风机转子侧和电网侧的解耦控制使得风机电磁功率对电网频率没有响应，其高渗透接入电网降低了系统的惯量，使得系统不能及时响应负荷突变引起的频率波动，加剧了系统调频压力。因此，充分利用风机自身的旋转动能和备用功率，模拟同步机的惯性响应和调频能力，响应电网频率的变化，是高比例风电接入电网的必然选择。

国内外研究学者提出风电参与调频主要有两个控制策略：

1、虚拟惯量控制：虚拟惯量控制通过在功率控制环中引入频率变化率，模拟同步机惯性响应，利用转子动能为系统提供惯量，在功率扰动过程减缓频率的变化，提供动态频率支撑，提高频率最低点。

2、有功-频率下垂控制

下垂控制根据频率偏差调整风电出力，模拟同步机的一次调频。下垂控制利用风机减载控制预留的功率，通过功频特性响应频率偏差从而增发有功，可提高系统稳态频率偏差。

虚拟惯量控制可以有效抵抗频率变化，提高系统惯量。风机的下垂控制利用减载备用功率应对频率波动，提高稳态频率，来帮助同步机的一次调频进行协同调频。目前还没有从本质上探究风机附加虚拟惯量如何影响系统惯量，以及惯量怎样减缓频率变化速率；目前的下垂控制参数大多根据效果试错法得出，没有根据效果根据算法优化得出，并且现有针对下垂控制需要的有功备用，预留固定的减载容量，不能适应不同减载率的需求。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于微网暂稳态频率优化的双馈风机综合控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于微网暂稳态频率优化的双馈风机综合控制方法，包括以下步骤：

1)构建包含风电、光伏和同步电机三种电源的微网系统；

2)在风机参与调频的暂态频率支撑阶段采用虚拟惯量控制以降低动态频率偏差；

3)在风机参与调频的稳态频率恢复阶段采用有功-频率下垂控制以提高稳态频率；

4)以风机的下垂控制参数为控制变量，构建以终端母线上动态频率偏差、系统稳态频率偏差、风机输出功率和转子转速恢复时间为评价指标的多目标规划模型，通过粒子群优化得到风机的最佳下垂控制参数，完成包含虚拟惯量控制和下垂控制的DFIG综合控制。

所述的步骤3)中，在进行有功-频率下垂控制时，根据不同风速下的调频目标结合转速限制设定不同风速下的风机预留减载率。

所述的风机预留减载率d％的表达式为：

其中，ΔP为负荷扰动时微电网的功率缺额，kD为负荷的频率调节效应参数，Δf_steady为稳态频率偏差，Δf_fd为有无风机参与一次调频的稳态频率偏差，即预设调频偏差，η为微电网中新能源渗透率，P_opt为最大功率追踪点的功率。

所述的步骤4)具体包括以下步骤：

41)设定不同风速下预设下垂控制参数kd的取值范围；

42)分别获取任一kd值对应的评价指标值，即终端母线上动态频率偏差Δf_dynamic、稳态频率偏差Δf_steady、风机输出功率P_DFIG和转子转速恢复时间值t_wr；

43)形成以四个评价指标为待优化目标函数的多目标规划模型，分别对四个评价指标赋值权值，并对每组评价指标值进行加权求和；

44)将加权后的评价指标值最小的作为最优解，其对应的kd值作为当前风速下的最优kd值。

所述的步骤41)中，预设下垂控制参数kd的取值范围为1-50。

所述的步骤42)中，四个评价指标赋值权值为0.3，0.2，0.1，0.1。

所述的步骤43)中，待优化的目标函数为：

F(Δf_dynamic,Δf_steady,P_DFIG,t_wr)＝minΣ(Δf_dynamic+Δf_steady+P_DFIG+t_wr)。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明首先从惯量角度提出可以衡量负荷突变时频率变化快慢的惯量指标，确定风机的虚拟惯量控制参数Kin对微网系统惯量的影响以及动态频率偏差的影响。通过预设调频偏差来确定超速控制对应的预留减载率，不仅提高了转子的动能，提供更多功率支撑，而且足够的有功备用功率的释放可以帮助稳态频率的恢复，通过粒子寻优的方法得出最佳下垂控制参数，利用预留的减载备用功率，配合同步机的功频静特性系数，可以更加充分的参与调频，实现双馈风机与同步机的协同调频。通过仿真验证了所提方法可以有效降低微网在受到扰动情况下的动态频率偏差和稳态频率偏差。

附图说明

图1为含DFIG的微电网系统。

图2为风机主要控制。

图3为动态与稳态频率偏差。

图4为双馈风机虚拟惯量控制。

图5为不同kin取值惯量变化。

图6为不同惯量对应的动态频率偏差。

图7为kin取5和10情况下转子转速最小值。

图8为风速9m/s时转子转速最小值随kin变化情况。

图9为不同风速下Kin取值。

图10为超速减载控制原理图。

图11为电力系统功率-频率静态特性。

图12为预设调频偏差。

图13为预设调频偏差随着风速变化趋势。

图14为不同风速下的减载率。

图15为不同风速下基于粒子群的最优kd。

图16为风机高渗透接入后各种控制方式对应的频率。

图17为风速变化情况。

图18为未加入控制与加入控制微电网频率偏差变化对比曲线。

图19为DFIG有功出力变化曲线。

图20为不同减载率情况下的调频效果对比曲线。

图21为不同减载率情况下DFIG有功出力对比曲线。

图22为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图22所示，本发明提出一种适用于微网暂稳态频率优化的双馈风机综合控制方法，包括下述步骤：

步骤1、针对微电网暂态调频优化：提出量化系统惯量的指标，通过DFIG虚拟惯量控制来影响微电网总惯量，构建风机虚拟惯量控制参数和微电网惯量的关系。

步骤2、风机采用虚拟惯量控制，从惯量角度探究虚拟惯量控制参数变化对动态频率偏差的影响。

步骤3、针对微电网稳态频率的优化，风机加入下垂控制，提出基于下垂控制与预设调频目标供需平衡的可变减载率方案，按此方案确定不同风速下风机预留减载率。

步骤4、在当前减载备用的基础上，以风机的下垂控制参数kd为输入，建立以系统稳态频率偏差、转子转速恢复时间等为目标函数的多目标规划问题，通过粒子群优化得到风机最佳下垂控制参数，从而形成包含虚拟惯量控制和下垂控制的DFIG综合控制。

本发明搭建了包含风电、光伏、同步电机三种电源的微网系统，含DFIG的微电网系统如图1所示。该系统由一台额定功率为16MW的同步电机、两座有功功率参考值恒为1MW的光伏电源(PV)和一台额定功率为5MW的DFIG组成，固定负荷Load2、3总和为15MW、可变负荷Load1为2MW。系统额定频率为50HZ。同步发电机及DFIG在频率控制中的主要参数取值如表1所示。

表1主要参数取值

风机控制图如图2所示，主要包含虚拟惯量控制、下垂控制、超速减载控制。风机参与调频分为两个阶段：暂态频率支撑阶段以及稳态频率恢复阶段，虚拟惯量控制能在频率跌落时对暂态频率起支撑作用，降低动态频率偏差，但是对稳态调频没有影响。风机的有功-频率下垂控制，利用风机减载能量，配合同步电机一次调频，使得稳态频率升高，提高稳态频率。

如图3，定义负荷突变后电网频率最大变化相对偏差为动态频率偏差，表征不同惯量控制方式的频率阻尼效果。定义频率恢复后与基准频率偏差为稳态频率偏差，表征系统备用容量的调频效果，备用容量主要由同步电机一次调频和风机的减载备用容量提供。

电力系统惯性的物理概念是：通过旋转质量体中存储的动能来抵抗频率变化的一种性质。它表征了系统频率对功率供应需求不平衡的敏感性。当系统受到干扰导致功率供需不平衡时，在干扰发生的初始时刻，只能靠惯性来抑制频率的变化。系统惯性越低，在负荷突变时，频率变化的速度就越快，微网中发生频率波动时实际频率与额定频率偏差往往更大，如果频率下降过大，将激活保护装置动作切除负荷。

系统的惯量计算

当前电网出现供需不平衡时，一般系统频率动态变化取决于系统加入小扰动的瞬间的惯量，因此有功与频率的暂态关系可以从如下推导得出：

发电机的总惯量依靠施加的不平衡转矩来加速，由于功率是转矩和转速的乘积，主要通过以下转子运动方程得出：

J是转子转动惯量，ω_r为转子角速度，Δp为机械功率与电磁功率之差。

当微电网频率发生波动的短暂时间内，调速器来不及动作，发电机机械功率不发生突变,依靠转动惯量来阻尼转速的变化，它频率变化的初始阻力。

通常定义惯性时间常数H为转子转动动能与同步电机额定容量的比值：

转速与频率关系是ω_r＝2πf，，f即发电机的电气输出的系统频率。

联合公式(2)和(1)，忽略发电机的极对数p，将同步电机转速等效为系统频率，可以得到标幺化公式：

df/dt为初始时刻频率变化率，ΔP是扰动时变化，本发明设置系统突然加入2WM的负荷的小扰动，f₀是扰动时刻系统的频率，S_N是电源的额定容量。

惯量主要取决于在扰动时刻系统中包含的发电机容量，以及发电机本身的惯量大小。在功率不足的一秒内，频率主要取决于惯量的作用。

在负荷突然增加的瞬间，到一次调频动作之前，只能靠惯量来维持df/dt，。约2S后调速器动作，通过微网中电源和负荷的调差系数调整频率达到新的平衡位置，当系统惯量不足，表现为低惯量时，由公式3可知，惯量越低，系统频率变化率df/dt越大，会导致系统频率波动较大。

虚拟惯量控制如图4所示。风机转子中储存的动能表示：

J为风机转子转动惯量，ω_d为风机转速。传统DFIG转子转速与系统频率解耦，在DFIG中附加虚拟惯性控制环节，可以释放转子中储存的动能，从而对系统频率变化做出响应。

当前旋转动能在频率变化瞬间时刻可以释放的电磁功率为：

一般惯性时间常数定义为转子的旋转动能与风机额定容量的比值：

ω_dN与S_dN分别为风机的额定转速与额定容量。

用标幺值表示为：

传统DFIG转子转速不会跟随微网频率变化而改变，电磁功率与系统频率解耦，在图中将微网频率变化量df/dt加入输入端，会产生与频率相耦合的功率ΔP_in＝K_indf/dt。对输入转子侧变流器的参考有功影响如下：

P_ref＝P_opt-K_indf/dt. (9)

式(9)可以得出：当微网中电磁功率不足，频率下降时，P_ref＞P_opt，可知，虚拟惯量控制环节产生的额外功率弥补了电磁功率与机械功率偏差，帮助降低系统df/dt，在频率暂态时间内，kin会增加系统的惯量，kin会影响系统惯量，本发明取不同kin时得出频率波形，根据扰动频率探究对惯量的影响，不同kin取值时惯量变化如图5所示。

因为风机中加入下垂控制，会导致转速的进一步降低，所以当前虚拟惯量取值kin变化时预先设定值kd。从系统惯量角度，本发明所用案例中同步电机惯性时间常数保持不变，通过风机虚拟惯量控制来改变微网的惯量，所以当前微网中惯量与同步电机的调速器是解耦的，通过风机kin提高系统惯量不会影响后续一次调频，故频率最低值仅靠系统惯量的作用，故增大惯量，发生扰动时频率最低值会提高。当惯量变化时，不同惯量时动态频率偏差如图6所示。

在风机转速允许的范围内，尽可能增大kin，提高惯量使得微网频率在较小偏差内运行。根据选择的kin，确定不同风速下系统对应的惯量。因为还要在风机中加入下垂控制，会导致转速的进一步降低，所以取时预先设定一定值的kd，以kin取5和10为例，扰动过程转子转速最小值如图7所示。

如图8所示，当前在kd为40预留转速裕度的前提下，当kin应尽可能偏大，当前风速取kin为18，预留足够的转速裕度，并且可以达到最佳惯量，不同风速下kin取值如图9所示。

本例给出基于目标调频偏差值的预留减载方案，根据一次调频中风机下垂控制功率需求，以及不同风速下预设的调频目标，结合转速限制，确定不同风速下风机的减载率。

在风机中加入下垂控制可模拟同步发电机功频特性。在风机MPPT中加入超速控制，实质上是一种减载备用手段，与下垂控制共同作用，在风机转子转速恢复阶段提供功率支撑，帮助微网稳态频率的恢复；

图10为超速减载控制原理图，以风速v2为例，在正常状况时，风机实现最大风能追踪时风机运行于C点。当需要风机参与系统调频时，风机采用超速控制，风机运行于A点，超速减载控制原理如图。Popt是MPPT曲线，P′opt是减载d％后功率曲线。采用超速控制后风机预留了ΔP的有功功率用以参与系统调频。

ΔP＝P_optd％ (10)

采用超速控制不仅为风机预留了一部分备用容量，同时增加转子转速也为风机储存了更多的转子动能，提高风机调频能力。

在上节采用虚拟惯量控制的基础上，频率恢复波形如下：微网仅考虑一次调频，未加入风机的下垂控制，此时仅依靠同步电机以及可控负荷自身的调频作用。超速控制预留的减载备用应当为这部分下垂控制提供一定的备用容量。

电力系统功率-频率静态特性如图11：L1为不加风机下垂控制，仅依靠同步电机的调频功能参与微网调频：此时功频特性为

kG单位调节功率；Δf微电网频率偏差，本发明考虑稳态功率，此处即为稳态频率偏差，若微电网中新能源渗透率为η，且仅柴油机参与调频，不加kd时同步电机按照有差调节实际发出的有功为

ΔPG＝KG×Δf₁*(1-η) (12)

当风机加入下垂控制，此时风机-同步电机等效单位调节功率keq，此时微网系统的静态特性：

为风机参与一次调频和不参与一次调频时的频率偏差，如图12所示，定义为预设调频偏差(Expected frequency deviation，Δf_fd)。加入kd后目标频率值通过预设调频偏差来改变，随着风速变大，风机可预留的备用功率也变大，所以预设调频偏差随着风速变化趋势如图13下：

所以加入下垂控制风机参与调频，此时风机与同步电机共同出力为

Peq＝keq(Δf₁-Δf_fd) (14)

keq不是同步电机调差系数与风机调差线性相加，通过得出。

所以为提供下垂控制需求风机需要补充的功率为：

式中Δf₁为同步电机调频后达到稳态频率与基准频率的偏差，即为风机未加下垂控制时的稳态频率偏差。以实际仿真值代替Δf₁。

Δf_steady≈Δf₁ (17)

如果风机减载备用功率供给这部分调频需求功率，风机可以辅助调频，减小同步电机的备用频率，实现风电和常规电厂间的协调频率控制，所以正常运行时风机采用超速控制，预留功率备用，在系统扰动时转速下降，发出备用功率，帮助微网稳态频率的恢复。

根据目标调频偏差值使风机降功率运行，根据调频供需平衡保证合适的备用功率，充分利用风机预留减载功率调节微电网频率，基于预设调频偏差所得到的不同风速下的减载率如图14所示。

该系统中下垂控制的加入，类似于同步电机一次调频，会影响到微网系统的动态频率偏差，有功备用提供了长期功率支撑会影响稳态频率偏差。风机下垂控制的作用效果是向微网系统输出一定的有功，帮助频率的恢复，从辅助调频的功能来说，尽可能使由于kd发出的风机功率偏大，帮助扰动情况下系统频率的恢复。转子转速恢复时间是另一个评估风机性能的指标，转速应尽可能快地恢复，使得风机离开转速较低区域，回归mppt点运行。同时，kd的加入需要释放更多的转子动能，影响转子转速变化。因此kd作用下转子转速随之变化，风机运行时转速尽可能运行于0.67pu与1.2pu。当前运行于mppt区，所以，转速往较大区域有利于风机运行，它是风机调频能力辅助量化指标。

因此本发明构建Kd与终端母线上动态频率偏差，稳态频率偏差，风机输出功率，转子转速恢复时间四个目标函数的关系，转子转速为约束条件的多目标粒子群。较高的频率有利于电力系统安全稳定运行(与50HZ的频率偏差较小)，通过多目标粒子群得到parato最优解集。根据各项指标的相对重要性，赋予不同的权重系数，将得到的parato最优解集加权求和，此即为基于加权求和的多目标粒子群的整体最优解所对应的kd，不同风速下基于粒子群的最优kd如图15所示。

利用图1所示模型验证：图16为为取渗透率54％时，风机高渗透接入时未加入控制、加入虚拟惯量控制、加入综合控制(虚拟惯量以及下垂控制)时频率响应。图16说明加入虚拟惯量控制可以减小动态频率偏差。采用超速控制预留减载备用的方式提高了转子转速，提供了更多了旋转动能，加入下垂控制充分利用了这部分备用能量，不仅可以降低动态频率偏差，预留的减载功率在稳态频率恢复阶段提供了有效的功率支撑，帮助降低了稳态频率偏差。

计及风速波动性，设置风速如图17所示，不设置任何扰动，在变风速下对比有无控制时频率、DFIG有功功率变化情况如图18、19所示。

图18和19可证明，本专利所提出的的加入虚拟惯量以及根据粒子群算法得到的下垂控制参数，利用根据预设调频偏差得到的减载备用功率显著减小微电网的频率偏差，在扰动过程中提供更多的有功功率，增强了系统的惯量响应。

通过仿真对比本专利在加入虚拟惯量控制和下垂控制基础上，根据预设调频偏差预留减载率与固定减载率、不加减载率时，在35S,55S分别投入2WM的负荷，微电网的频率、DFIG有功变化频率变化情况如图20、21所示。

图20和21证明，与未预留减载相比固定减载率情况频率跌落值明显降低，但是与根据调频目标而变动的减载方案相比，显然可变减载方案的频率偏差更小。采用超速控制预留减载率时，转子转速提高，虽然正常运行时损失部分功率，但是在扰动过程中，可以释放更多的转子动能，在负荷突变过程提供更多的功率支撑。

Claims (5)

1.一种用于微网暂稳态频率优化的双馈风机综合控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)构建包含风电、光伏和同步电机三种电源的微网系统；

2)在风机参与调频的暂态频率支撑阶段采用虚拟惯量控制以降低动态频率偏差；

3)在风机参与调频的稳态频率恢复阶段采用有功-频率下垂控制以提高稳态频率，在进行有功-频率下垂控制时，根据不同风速下的调频目标结合转速限制设定不同风速下的风机预留减载率，所述的风机预留减载率的表达式为：

其中，ΔP为负荷扰动时微电网的功率缺额，kD为负荷的频率调节效应参数，Δf_steady为稳态频率偏差，Δf_fd为风机参与一次调频和不参与一次调频时的频率偏差，即预设调频偏差，η为微电网中新能源渗透率，P_opt为最大功率追踪点的功率；

4)以风机的下垂控制参数为控制变量，构建以终端母线上动态频率偏差、系统稳态频率偏差、风机输出功率和转子转速恢复时间为评价指标的多目标规划模型，通过粒子群优化得到风机的最佳下垂控制参数，完成包含虚拟惯量控制和下垂控制的DFIG综合控制。

2.根据权利要求1所述的一种用于微网暂稳态频率优化的双馈风机综合控制方法，其特征在于，所述的步骤4)具体包括以下步骤：

41)设定不同风速下预设下垂控制参数kd的取值范围；

42)分别获取任一kd值对应的评价指标值，即终端母线上动态频率偏差Δf_dynamic、稳态频率偏差Δf_steady、风机输出功率P_DFIG和转子转速恢复时间值t_wr；

43)形成以四个评价指标为待优化目标函数的多目标规划模型，分别对四个评价指标赋值权值，并对每组评价指标值进行加权求和；

44)将加权后的评价指标值最小的作为最优解，其对应的kd值作为当前风速下的最优kd值。

3.根据权利要求2所述的一种用于微网暂稳态频率优化的双馈风机综合控制方法，其特征在于，所述的步骤41)中，预设下垂控制参数kd的取值范围为1-50。

4.根据权利要求2所述的一种用于微网暂稳态频率优化的双馈风机综合控制方法，其特征在于，所述的步骤42)中，终端母线上动态频率偏差Δf_dynamic、稳态频率偏差Δf_steady、风机输出功率P_DFIG和转子转速恢复时间值t_wr分别赋值权值为0.3，0.2，0.1，0.1。

5.根据权利要求2所述的一种用于微网暂稳态频率优化的双馈风机综合控制方法，其特征在于，所述的步骤43)中，待优化的目标函数为：

F(Δf_dynamic,Δf_steady,P_DFIG,t_wr)＝minΣ(Δf_dynamic+Δf_steady+P_DFIG+t_wr)。

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