CN109936152A - 高渗透率风电并网后的电网调频控制方法、风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明属于供电或配电的电路装置或系统；电能存储系统技术领域，公开了一种高渗透率风电并网后的电网调频控制方法、风力发电机。一次调频方面，根据对虚拟惯量参数K_pf和K_df的整定，调频风电容量S_M的改变可用调频渗透率x衡量；二次调频方面，当电网所需有功恒定时，较大的风轮半径R使C_P的改变量减小；当s增加时，参与二次调频的风机数变多，风电机组均以捕获风能的方式向电网输送有功。风电机组参与电网一、二次调频对提高电网频率稳定及恢复到额定值有促进作用；调频渗透率的提高，有助于促进系统频率一次稳定并使其更接近于系统额定频率50Hz。调频深度的提高在高渗透率、大规模风电场中能分担系统二次调频压力、提高调频裕度。

Description

高渗透率风电并网后的电网调频控制方法、风力发电机

技术领域

本发明属于供电或配电的电路装置或系统；电能存储系统技术领域，尤其涉及一种高渗透率风电并网后的电网调频控制方法、风力发电机。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：根据国家能源局发布的《2017年风电并网运行情况》，2017年前3季度全国累计风电并网容量达到1.57亿kW，风电发电量为2128亿kWh，“弃风”电量为295.5亿kWh，平均弃风率高达13.9％。作为一种丰富、清洁、经济的可再生能源，风能须受到广泛重视和利用。然而大规模风电场中风随机、间歇、波动的特点以及无惯性大功率风电机组的大规模柔性并网，使得系统中的转动惯量变小并且电网稳定性有所欠缺，并对电力系统提出了包括频率在内的一系列挑战。风机参与电网调频能改善电网频率，随着电网中风电机组的数目和容量不断增加，风电渗透率升高，频率稳定性随之减弱。因此，结合相关控制策略研究不同渗透率下系统频率的变化规律有重要意义。为了提高电网频率的稳定性，可采取对风电机组的微观控制和对风电场乃至系统的宏观控制。国内外风电机组的控制策略主要有惯性控制、下垂控制、转子转速控制、桨距角控制等。在高风电渗透率的背景下从机理的角度定量分析了风电对电力系统一次和二次调频的影响，但未能提出有效的控制方法；分析了变速恒频风机的优越性，提出了频率响应的综合控制方法，但未涉及二次调频的具体控制策略；从虚拟惯量控制的角度分别提出了协调型和变参数型的新方法，有效提高了系统频率的稳定性；着重分析了惯性控制和下垂控制及其调差系数的特点，提出选用合适的控制方法及恰当的参数能够优化系统一次调频的思想；从变桨法的角度结合变速恒频风机的特性，介绍了变速变桨的控制方法，但未结合系统频率分析二次无差调频的效果；分别研究了近年来风电并网的功频特性、功率波动和系统备用容量的评估以及含二次调频的风电模型。以上均是从风电机组内部机理或微观控制技术的角度研究风电机组的调频特性，然而随着风电场规模增大，风电渗透率不断提高，对于风机运行状态的改善以及对风电场宏观的频率控制就显得极为迫切。因此，如何使风机能动地参与电网调频并实现对电网频率的无差控制将会是未来需要进一步完善的方向。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)现有技术大多对风电一次调频展开研究，相关控制策略能够提升一次调频效果，但对风电二次无差调频研究甚少，往往不能使得系统频率恢复至额定值；

(2)现有技术忽略了风电机组运行状态的差异以及风电机一、二次调频能力的差异，未能有机结合不同运行状态下的风电机组的调频特性，也不能利用风电机组抑制电网频率的多次扰动；

(3)现有技术大多从微观的角度研究某台风电机的调频能力，未能在宏观上研究高渗透率下多台风电机同时并入电网后对电网造成的影响，也未能提出具体的调频策略。

解决上述技术问题的难度和意义：

(1)目前对于风电二次调频的研究极少，在一次调频尽可能提高电网频率稳定性的基础之上，提出有效的二次调频控制方法能够使风电调频后系统频率恢复至额定值，能够维持电网频率稳定；

(2)电力系统中，分别研究不同运行状态的风机参与电网调频的效果极为困难，设定风电机组的三种运行状态能够分别对一、次风电调频展开研究并分析出具体效果，结合风电机组二次调频的效果，能够抑制电网频率的多次扰动，均使得系统频率恢复至额定；

(3)在不改变电网参数的情况下无法研究风电渗透率变化时的调频效果，定义“恒定风电渗透率”模型并提出“调频渗透率”的概念能衡量风电机组调频容量的变化，从而分析出高渗透率下风电并网的效果并得出可行的调频策略。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高渗透率风电并网后的电网调频控制方法、风力发电机。

本发明是这样实现的，一种高渗透率风电并网后的电网调频控制方法，所述高渗透率风电并网后的电网调频控制方法包括：一次调频和二次调频；

一次调频的作用：当电网发生频率扰动时，风电机组能够在频率响应控制作用下给予电网有功支撑，从而提高电网频率的稳定性，并且使系统频率更加接近额定频率；

一次调频的实现：借助虚拟惯量法，使风电机组具有类似于同步机的功-频特性，当系统频率产生偏差时，风机对应产生有功功率，并传递给电网；

一次调频根据对虚拟惯量参数K_pf和K_df的整定，根据调频风电容量S_M的改变可用调频渗透率x衡量；

二次调频的作用：当电网发生频率扰动时，利用频率的二次调整可消除频率误差，并且使系统频率恢复至额定值，维持系统稳定运行；

二次调频的实现：利用变桨法调整风机所捕获的风能，同时结合PI控制，将风能转化成所需电能传递给电网，使频率得到无差控制；

二次调频过程中，当电网所需有功恒定时，较大的风轮半径R使C_P的改变量减小；当s增加时，参与二次调频的风机数变多，风电机组均以捕获风能的方式向电网输送有功。

进一步，在保证总风电渗透率m不变的情况下，通过改变x参与调频的风电容量占总发电量的比例，在风电系统中，定义风电和传统的发电总容量为S_N，风电机发电容量为S_W，风电渗透率为m，则：

若风电场的风机数为n，调频风机数量为s·n，各台风机的容量为S_Wi，参与调频的风电容量为S_M，对应的调频渗透率为x_i得到如下关系：

式中：0≤s≤1，特别地，当s＝0时，无风机参与系统调频，风机仅作为发电机向电网提供电能；当s＝1时，x＝m，此时调频渗透率达到最大，与风电渗透率相等，风电场中的所有风电机组均处于调频状态。

进一步，调频深度s指参与调频的风机数占风电场风机总数的比例，风电场中各风机容量相等，则等份额承担调频任务；在风机容量接近或相等的情况下，x_i为定值C，x与s的线性关系表示为：

x＝x_i·n·s＝C·n·s；

对应的：

m＝C·n；

调频渗透率与风电渗透率以及调频深度的关系表示为：

x＝m gs。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述高渗透率风电并网后的电网调频控制方法的风力发电机。

现状：目前国内风电场的渗透率大多在20％之下，风能的利用率较低同时风电机参与电网调频的能力较弱，维持电网频率的能力也有所欠缺，不同风电渗透率下系统频率的变化图如下。当风电渗透率提高时，系统频率更加稳定并且稳定值更接近额定值，当风电渗透率达到40％时，系统频率较为可观。现有技术大多研究的是单台风机在低渗透率下的一次调频情况，本发明着重研究了在40％高渗透率时风电机组的调频情况。在一次调频方面，风电渗透率的提高能够加强虚拟惯量控制，给予电网更大的有功支撑，提高电网的频率稳定性；在二次调频方面，每台风机均具备二次调频能力，而本发明提出的风电机组模型能够分别参与电网二次调频，能够应对电网的多次频率扰动。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：大规模风电注入电网后，部分地区电网末端的风电渗透率超过20％，导致电网中传统的同步发电机维持同步运行的调频压力极大，对高渗透率下风电机组参与电网调频时的系统频率等特性进行分析就极为重要。本发明对双馈感应风力发电机(DFIG)的虚拟惯量控制及变桨距运行方式进行研究，提出了风电机组参与电网一、二次调频的控制策略并搭建了相应的频率响应控制模块，在风电渗透率为40％时分别对不同调频情况下系统频率的变化进行了实验；提出了“调频渗透率”和“调频深度”的概念，以及“高渗透率下留有裕量”的一、二次联合调频策略，在同一模型中不改变电网参数的情况下对比分析了不同调频渗透率或调频深度下系统的频率调整特性；基于改进后的3机9节点系统，验证了调频渗透率及调频深度对于系统频率调整及稳定运行的重要作用。

本发明提出的“高渗透率下留有裕量”的一、二次调频策略具体体现在，在风电渗透率达到40％的基础之上，使每台风机均具备一次和二次调频的能力。在一次调频方面，采用“最大调频渗透率”的策略，使虚拟惯量控制的效果最大化，风电机组向电网提供最大传递功率；在二次调频方面，大规模风电场中风电机数目足够多的情况下，可以使风电机组分步二次调频，从而应对系统的多次频率扰动。

本发明在Simulink平台建立了风电机组参与电网调频的模型，采用虚拟惯量和变桨法及频率响应控制策略，结合不同调频渗透率及调频深度下所提出策略对系统频率的变化得出如下结论：(1)风电机组参与电网一、二次调频对提高电网频率稳定及恢复到额定值有促进作用，尤其在风电机组的调频渗透率及调频深度较高时，效果更明显。(2)调频渗透率(0≤x≤40.3％)的提高，不仅有助于促进系统频率的一次稳定并使其更接近于系统额定频率50Hz，还能在二次调频中缓解各发电机的压力，降低偏差，更快达到系统额定频率。(3)调频深度s的提高在高渗透率、大规模风电场中能进一步分担系统二次调频压力、提高调频裕度，“高渗透率下留有裕量”的一、二次联合调频策略对促进系统频率稳定及多次扰动的预防有着深远意义。

附图说明

图1是本发明实施例提供的高渗透率风电并网后的电网调频控制方法流程图。

图2是本发明实施例提供的功率回路惯性控制图。

图3是本发明实施例提供的频率调节等效模型图。

图4是本发明实施例提供的C_P-λ-β特性曲线图。

图5是本发明实施例提供的桨距角控制结构图图。

图6是本发明实施例提供的调频策略流程图。

图7是本发明实施例提供的仿真模型结构图。

图8是本发明实施例提供的风机组一次调频仿真曲线图。

图9是本发明实施例提供的不同调频渗透率x时一次调频的仿真结果图。

图10是本发明实施例提供的风机组仅二次调频的仿真曲线图。

图11是本发明实施例提供的风机组一、二次调频相结合的仿真曲线图。

图12是本发明实施例提供的有无一次辅助调频的二次调频仿真结果图。

图13是本发明实施例提供的不同调频渗透率x时二次调频的仿真结果图。

图14是本发明实施例提供的不同调频深度s时二次调频的仿真结果图。

图15是本发明实施例提供的分步调频策略下的调频结果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的高渗透率风电并网后的电网调频控制方法包括以下步骤：

S101：对双馈感应风力发电机(DFIG)的虚拟惯量控制及变桨距运行方式进行研究，提出了风电机组参与电网一、二次调频的控制策略并搭建了相应的频率响应控制模块，在风电渗透率为40％时分别对不同调频情况下系统频率的变化进行了探究；

S102：提出了“调频渗透率”和“调频深度”的概念，以及“高渗透率下留有裕量”的一、二次联合调频策略，在同一模型中不改变电网参数的情况下对比分析了不同调频渗透率或调频深度下系统的频率调整特性；

S103：基于改进后的3机9节点系统，验证了调频渗透率及调频深度对于系统频率调整及稳定运行的重要作用。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。

1风电参与调频的方法

1.1转子虚拟惯性控制

为使双馈感应风电机在系统频率变化时拥有和同步机类似的惯量响应特性，须对变速风电机组控制器功率或转矩参考值增加频率响应控制环节，当系统频率下降时，通过惯性控制降低DFIG转子转速，使之释放动能，参与系统一次调频。在惯性控制中，DFIG功率控制器需增加D_f和df/dt两个辅助回路，如图2所示。

图2中，第一回路通过D_f比例控制实现惯性控制，额外增加的功率P_f1通过测量频率与额定频率绝对偏差算出：

P_f1＝K_pf(f₀-f) (1)

式中：f₀表示基本频率，K_pf表示下垂比例系数。

第二回路通过使用df/dt比例控制改变电磁功率，进而改变转子转速，吸收或释放部分旋转动能，其表达式为：

式中：K_pf表示惯性比例系数。结合式(1)和(2)得：

频率调节的动态等效模型可用图3表示，图中P_G为常规发动机的输出功率，PNC为风力发电机的输出功率，P_L为负载有功功率，P_T为与相邻系统交换的功率，P_A为总功率缺额。

在稳定的状态下，功率平衡方程为

P_G+P_NC+P_T-P_L-P_A＝0 (4)

由于转换器对电功率快速的控制，可认为风力发电机功率参考和实际输出P_NC之间呈线性变化，即：

总功率缺额和频率偏差之间的关系为：

式中：P_A为功率缺额，D为阻尼系数。联立式(3)～(6)得：

式中：H’＝2H+K_df，D’＝D+K_pf均为惯性控制作用后的等值参数，分别由参数K_df和K_pf决定。

式(7)反映了在加入频率响应控制后等效惯性和等效阻尼的变化将取决于K_pf和K_df，因此有必要对二者进行整定。传统同步发电机的下垂特性可表示为：

式中：为传统同步发电机单位调节功率标幺值，δ_g为同步发电机调差系数，K_g为传统同步发电机单位调节功率，P_gn为传统同步发电机额定有功功率，f_N为额定频率。

当DFIG风机模拟同步机的下垂特性时，K_pf对应的表达式表示为：

式中：δ_w为DFIG风机调差系数，P_wn为DFIG风机额定有功功率，f_N为额定频率。

根据式(9)，当δ_w和f_N为定值时，风机有功功率P_wn的增加将会使得K_pf变大；根据式(7)，当K_pf为正值时系统等效阻尼增加，有利于维持频率稳定；结合式(1)，K_pf的增加也会使得风机释放出更多的动能来给予系统有功支撑。

在对惯性比例系数K_df的整定方面，风机释放转子动能后转化的有功功率可表示为：

惯性时间常数可定义为：

式中：ω_ref为DFIG风机额定角速度，S为视在功率，结合式(10-11)可得：

用标幺值可表示为：

由于式(13)采用标幺值，则瞬时频率标幺值f*＝ω^*，则对应的功-频关系可以表示为：

将ΔP*＝ΔP/S，Δf*＝Δf/f_N代入式(14)可得：

因此，惯量比例系数K_df的表达式为

根据式(16)，风机容量S的增加将会使K_df变大，结合式(7)，K_df的增加将会使系统等效惯性增加，可以使电力系统在负荷波动引起频率变化时，频率变化速度减慢，从而有利于系统的频率稳定。

由式(9)和(16)可知，当参与调频的风机容量变大时，K_pf与K_df均变大，系统惯性和阻尼随之增加，转子虚拟惯性控制效果增强，频率稳定性因此提高。本发明将利用“调频渗透率x”的概念在以递增风机容量的方式来分析不同x下系统频率的变化。

1.2变桨法

风机运行中风轮吸收的功率可表示为：

式中：C_p为风能利用系数，λ为叶尖速比，β为桨距角，ρ为空气密度，R为风轮半径。风能利用系数C_p被认为是由叶尖速比λ和桨距角β共同决定的二元函数，本发明是恒高风速下的风机调频情况，则v也为定值，风轮吸收的功率仅取决于C_p，三者对应的特性曲线如图4，关系式可表示为：

根据图4可得风机在变桨过程中的一般情况：当风速未达到额定时，取β＝0，同时调整λ可获得最理想的风能利用系数C_p(λ,β)，此时处于运行点a；当风速达到额定及以上时，风轮所捕获的能量急剧增加，这就要增加转子动能以使发电机输出频率保持稳定，但是由于转子转速升高，发电机功率的输出会提升风能转化的发电能量使其超过发电额定值，此时应通过增大β以减小C_p，使风机捕获的功率下降，从而保证发电机安全运行，对应图3中a点向b点运行的过程。

本发明在高风速时给予风机初始桨距角，研究了负荷骤增时风机的调频特性。若风能充足，可设风机处于c点，当负荷骤增时，发电容量不足以维持频率稳定，可通过变桨法改变风机对风能的捕获，根据图4，仅β为变量时，对应图中c点向b点的运行过程。

本发明采用的桨距角结构图如图5。其中，P为风机转子侧实际输出功率，P_ref为风机额定参考功率，该模块以二者功率偏差作为输入，对于功率偏差采用了PI控制，能够在二次调频中对系统频率做到无差调节，使频率恢复至额定。

2调频参数的定义及物理意义

2.1调频参数x和s的提出

风电调频的本质是通过改变风机在调频过程中对电网的输出功率。为了验证虚拟惯量控制在不同容量的风电调频下的效果并同时衡量风机在调频中输出功率的变化，本发明提出了“调频渗透率x”的概念，在保证总风电渗透率m不变的情况下，通过改变x(即参与调频的风电容量占总发电量的比例)，从而研究系统频率的变化规律；本发明提出的“调频深度s”是指参与调频的风机数占总风机数的比例。在风电系统中，定义风电和传统的发电总容量为S_N，风电机发电容量为S_W，风电渗透率为m，则

若风电场的风机数为n，调频风机数量为s·n，各台风机的容量为S_Wi，参与调频的风电容量为S_M，结合式(19)，对应的调频渗透率为x_i那么可以得到如下关系：

式中：0≤s≤1，特别地，当s＝0时，无风机参与系统调频，风机仅作为发电机向电网提供电能；当s＝1时，x＝m，此时调频渗透率达到最大，与风电渗透率相等，风电场中的所有风电机组均处于调频状态。

本发明关注的是风电调频渗透率x改变时的仿真结果，根据式(20)，改变x的方式有2种：(1)用不同容量的风机参与调频，x值可取任意x_i；(2)改变s，通过叠加的方式改变x。

2.2调频深度s的意义

本发明提出的“调频深度s”是指参与调频的风机数占风电场风机总数的比例。调频深度s的提出，一方面能够衡量大规模风电场中调频风机的数目，以叠加的方式改变x的值，控制风电机组的调频状态；另一方面，风电场中的任一台风机参与二次调频，均具备无差控制系统频率的能力，s的增加能够应对频率的多次扰动，在系统的多次频率扰动后，均能使频率恢复到额定值。

本发明不考虑风电场内部各风机调频任务的分配，若风电场中各风机容量相等，则等份额承担调频任务。在风机容量接近或相等的情况下，设x_i为定值C，x与s的线性关系可表示为：

x＝x_i·n·s＝C·n·s (21)

对应的：

m＝C·n (22)

从而调频渗透率与风电渗透率以及调频深度的关系可表示为：

x＝m gs (23)

3调频参数对风电系统的影响分析

双馈发电机参与电力系统调频的过程中，负荷增加后，①发电总功率不变时，若按比例减少同步发电机容量，同步机总惯量不变，双馈发电机功率增加，这时系统惯性未减少，双馈发电机渗透率的增加对系统频率调节几乎无影响；②若在此基础上，改变同步发电机总容量，即用双馈发电机取代同步机，此时双馈发电机渗透率增加，系统惯性降低，系统频率偏移变大，因此，在取代同步发电机时，双馈发电机渗透率的增加会影响系统频率调节效果。

3.1调频渗透率x对一次调频的作用

根据对虚拟惯量参数K_pf和K_df的整定，在系统发生频率扰动后，调频风机容量增大时，虚拟惯量效果增强，风机的输出功率将短时增加来增强系统频率的稳定性。根据调频风电容量S_M的改变可用调频渗透率x来衡量，因此x的增加能够提高系统频率的稳定性。

3.2调频渗透率x对二次调频的作用

风电调频过程中，每台风机均具备二次调频的能力。x不同时，调频容量的差异造成的调频效果的差别主要体现在，风机容量越大，风轮半径也越大，其捕获风能的能力也越强。根据式(17)，当电网所需有功恒定时，较大的风轮半径R会使C_P的改变量减小，从而使得桨距角变化量降低，减小了机械损耗，并相应增加了调频裕度。

3.3调频深度s对二次调频的作用

当s增加时，参与二次调频的风机数变多，风电机组均以捕获风能的方式向电网输送有功。当电网所需有功恒定的情况下，风电机组将共同分担调频任务，各台风机的出力、转速和变桨幅度均减小，调频压力减轻。s的变化同时也反映了x的变化，结合验证x的提高有利于系统二次调频的结论。

综合本发明内容，x的提高能够提升风电一次和二次调频时系统频率的稳定性。

下面结合仿真对本发明的应用效果做详细的描述。

1、算例仿真

根据调频参数和调频策略的提出，仿真设定了风机在高风速段的3种运行状态：(1)只作为发电机；(2)发电的同时辅以一次或二次调频；(3)发电和一、二次调频共同作用。

图7为本发明的仿真结构图，2台同步发电机的容量均为100MVA。仿真用3台容量分别为30、45、60MVA的DFIG风机1、2、3将3机9节点模型中的平衡节点替换，显然，DFIG渗透率的增加会影响系统频率调节。仿真在高风速段进行，在60s加入了10％负荷增量，通过给每台风机加入调频响应来确定各自的调频情况，系统额定频率为50Hz，仿真时间为120s，风电渗透率m恒为40.3％，本发明将通过改变x和s进行仿真分析和验证。

1.1调频渗透率x的变化对一次调频的影响

本发明风电渗透率m恒定在40.3％，通过改变参与调频的风机容量或数量，研究x对一次调频的影响。仿真选用标幺值，因此，不同容量的风机参与或未参与调频时的风机转子转速和出力曲线均相同。

图8反映了虚拟惯量控制的频率响应作用，在60s时以释放能量的方式给予电网有功支撑；图9的4组仿真曲线，分别对应无风机、小容量风机、大容量风机和所有风机均参与一次调频时的情况，对应的x分别为0、8.95％、17.9％和40.3％。随着x的增加，同步机出力得到了缓解，系统频率更加稳定并接近额定值。因此，风机调频渗透率x的提高有助于促进系统一次调频的频率稳定。

1.2一次调频与二次调频的结合

本发明仅给60MVA的风机3施加二次调频响应，分别对仅二次调频和同时加入一次调频渗透率x＝40.3％的情况进行对比仿真。

风机3仅参与二次调频的仿真曲线如图10，风机3在得到二次调频响应后以转子转速和出力的增加来应对系统频率因负荷增加而造成的跌落；给风机组同时施加x为40.3％的一次调频响应，风机组变化曲线如图11，根据仿真曲线，风机3的运行轨迹以二次调频为主，风机1和2在经历一次调频的过程后，在风机3二次调频的作用下，转速和出力均又恢复到了额定值。

将有无一次辅助调频的情况进行对比，得到的仿真结果如图12。根据图12(a)，桨距角在加入一次调频后未发生明显变化，其效果未受虚拟惯量的影响；由图12(b)可以看出，在有一次辅助调频时，频率偏差会明显减小并且更加平滑稳定。因此，一、二次联合调频更有利于系统频率的稳定。

1.3调频渗透率x的变化对二次调频的影响

本发明在一次调频渗透率40.3％的基础上，分析不同容量风机分别参与二次调频的情况。分别给容量30、45、60MVA的风机1、2、3施加二次调频响应。根据图13，x变大时，风机的转子转速和出力将降低，变桨幅度也减小，调频压力减轻，系统频率也有了一定的改善。因此，x的提高有利于缓解发电机调频压力并能增强系统二次调频的稳定性。

1.4调频深度s的变化对二次调频的影响

本发明将3台风机容量均设定为45MW，使二次调频风机等额分担调频任务从而研究s分别为33.3％、66.7％、100％的仿真结果。由图14可以看出，随着s的增加，风机的转速和出力均明显降低，桨距角的变化幅度也明显减小，系统频率的稳定性也有所提高。因此，s提高时风电机组能够同步分担二次调频任务，减轻各自调频压力，有助于提高系统的调频裕度。

1.5高渗透率下留有裕量的分步调频策略

根据图14(d)，系统频率的改善值相当有限，本发明结合提出了“高渗透率下留有裕量”的策略，该策略能够在频率偏差可控范围内，将部分风机视作备用风机，对第一时间的频率扰动不作出调整，用来应对潜在的频率扰动。本发明仿真在130s稳定状态下再加入10％稳态负荷增量，使风机1和2应对系统的一次频率扰动，使风机3应对系统的二次频率扰动。策略中对应的调频深度s为66.7％，备用风机裕度e为33.3％。

由图15可以看出，风机的转速、出力和桨距角均先后发生两次变化，系统经过两次调频，频率又恢复至额定值。因此，该策略能够应对系统频率多次扰动，使风电机组有选择性地进行二次调频。

本发明仿真同时结合了调频渗透率最大时的一次调频作用，因此也验证了本发明“高渗透率下留有裕量”的一、二次联合调频策略的可行性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高渗透率风电并网后的电网调频控制方法，其特征在于，所述高渗透率风电并网后的电网调频控制方法包括：一次调频和二次调频；

一次调频根据对虚拟惯量参数K_pf和K_df的整定，根据调频风电容量S_M的改变可用调频渗透率x衡量；

二次调频，当电网所需有功恒定时，较大的风轮半径R使C_P的改变量减小；定义调频深度s，当s增加时，参与二次调频的风机数变多，风电机组均以捕获风能的方式向电网输送有功。

2.如权利要求1所述的高渗透率风电并网后的电网调频控制方法，其特征在于，所述一次调频当电网发生频率扰动时，风电机组在频率响应控制作用下给予电网有功支撑，使系统频率更加接近额定频率；

一次调频借助虚拟惯量法，使风电机组具有类似于同步机的功-频特性，当系统频率产生偏差时，风机对应产生有功功率，并传递给电网。

3.如权利要求1所述的高渗透率风电并网后的电网调频控制方法，其特征在于，所述二次调频当电网发生频率扰动时，利用频率的二次调整消除频率误差，并且使系统频率恢复至额定值；

二次调频利用变桨法调整风机所捕获的风能，同时结合PI控制，将风能转化成所需电能传递给电网，使频率得到无差控制。

4.如权利要求1所述的高渗透率风电并网后的电网调频控制方法，其特征在于，在保证总风电渗透率m不变的情况下，通过改变x参与调频的风电容量占总发电量的比例，在风电系统中，定义风电和传统的发电总容量为S_N，风电机发电容量为S_W，风电渗透率为m，则：

若风电场的风机数为n，调频风机数量为s·n，各台风机的容量为S_Wi，参与调频的风电容量为S_M，对应的调频渗透率为x_i得到如下关系：

式中：0≤s≤1，特别地，当s＝0时，无风机参与系统调频，风机仅作为发电机向电网提供电能；当s＝1时，x＝m，此时调频渗透率达到最大，与风电渗透率相等，风电场中的所有风电机组均处于调频状态。

5.如权利要求1所述的高渗透率风电并网后的电网调频控制方法，其特征在于，调频深度s指参与调频的风机数占风电场风机总数的比例，风电场中各风机容量相等，则等份额承担调频任务；在风机容量接近或相等的情况下，x_i为定值C，x与s的线性关系表示为：

x＝x_i·n·s＝C·n·s；

对应的：

m＝C·n；

调频渗透率与风电渗透率以及调频深度的关系表示为：

x＝m gs。

6.如权利要求1所述的高渗透率风电并网后的电网调频控制方法，其特征在于，所述高渗透率风电并网后的电网调频控制方法的风电机组参与电网一、二次调频的控制策略：

一次调频，利用虚拟惯量法结合频率响应控制环节，当系统频率产生偏差时，风机对应产生有功功率，给予电网有功支撑；

虚拟惯量法包含下垂和惯性控制两个环节，表达式分别如下：

P_f1＝K_pf(f₀-f)；

得到两个功率回路，当系统发生频率扰动时，风电机便会向电网传递由虚拟惯量提供的能量；

二次调频方面，根据变桨法的原理，通过改变桨距角来调整风机所捕获并传递给电网的能量，关系式：

二次调频利用PI控制对功率偏差进行控制，利用桨距角β作为反馈值，由风机向电网提供对应的能量，使电网频率恢复至额定。

7.一种应用权利要求1～6任意一项所述高渗透率风电并网后的电网调频控制方法的风力发电机。