CN110190609A - 一种变速风电机组参与电力系统调频的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种变速风电机组参与电力系统调频的方法，该方法包括以下步骤：①初始化功率裕度、浆距角、有功指令、转速等；②判断转速是否大于额定转速；③若转速大于或等于额定转速则确定电磁转矩，若转速小于额定转速则利用图1减载曲线进行超速控制直至转速大于或等于额定转速；④确定电磁转矩并应用桨距角与转矩的关系曲线确定最佳电磁转矩对应的浆距角；⑤判断系统频率是否正常，若正常则返回步骤②；若不正常，则释放转子动能以响应系统频率变化。

Description

一种变速风电机组参与电力系统调频的方法

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种变速风电机组参与电力系统调频的方法。

背景技术

风能作为重要的可再生能源，在未来能源发展中占有重要地位，随着风电渗透率不断提高，电力系统的频率稳定性问题也随之加大。目前广泛采用的变速风电机组，虽然采用了交流变频控制，但其解耦控制使机组的有功功率无法响应系统频率变化。这种风电机组通常运行于最大功率点跟踪(maximum power point tracking,MPPT)控制方式下，使其转子动能被埋没且不提供有功备用，在有外界扰动时无法提供惯性支持。为防止系统频率突变，一般需要通过惯量响应使发电机有足够的时间调整发电功率以重建功率平衡。由于变速风电机组具有灵活、可控的有功调节能力。因此，可以利用机组的快速有功调节功能，存储或释放转子动能，虚拟出惯量响应。利用风电机组参与对电力系统进行调频的方案是理论研究的热点，但现有技术并不能充分发挥风电机组自身的调频能力。

发明内容

针对上述问题和现有技术的不足，本发明提供了一种变速风电机组参与电力系统调频的方法，该方法包括以下步骤：①初始化功率裕度、浆距角、有功指令、转速等；②判断转速是否大于额定转速；③若转速大于或等于额定转速则确定电磁转矩，若转速小于额定转速则利用图1减载曲线进行超速控制直至转速大于或等于额定转速；④确定电磁转矩并应用图2桨距角与转矩的关系曲线确定最佳电磁转矩对应的浆距角；⑤判断系统频率是否正常，若正常则返回步骤②；若不正常，则释放转子动能以响应系统频率变化。

进一步地，所述步骤③中应用T-ω曲线进行超速控制，让转子转速超越MPPT运行点，机组功率下降实现减载，在该操作范围内桨距角为0°；当超速控制无法满足减载要求时，启用变桨控制。

进一步地，所述步骤④中电磁转矩的计算过程是：定义功率裕度x(以pu为单位)为产生的功率与可从风中提取的最大功率P_opt之比，在数学上，这可以表述为：从该风速开始，直到风力机的额定风速，通过适当组合桨距角和转矩来实现所需的功率裕度，在数学上，功率裕度(1-x)的补充可以表示为：其中， 为每一个功率裕度所对应的最小风速，针对每个风速和功率裕度x，求解该等式，计算每种情况下所需的桨距角，对于每种组合，可以找到减载所需的最佳转矩：

进一步地，所述步骤④中图2桨距角与转矩的关系曲线的计算过程为：对于步骤③中每个功率余量x，存在与额定风速下的减载操作点相对应的桨距角β_max，从该桨距角开始，所需的减载操作的电磁转矩变得恒定，因此它被计算为：

本发明的有益效果在于：提出了结合虚拟惯性和减载调频的变速风电机组频率控制方法：

1、通过初始化功率裕度，桨距角，转速，有功指令等数据判定转速的大小。

2、计算得出电磁转矩来确定与其相对应的桨距角。

3、风电机组变桨控制粗调联合超速控制精调进行减载控制。

4、变速风电机组通过结合减载备用和虚拟惯性控制进行频率调节。

5、减载运行留有有功备用为虚拟惯性控制提供有功支撑。

附图说明

图1：变速风电机减载最优T-ω曲线图；

图2：桨距角与转矩的关系曲线图。

图3基于减载备用和虚拟惯性控制协调频率控制示意图；

图4基于减载备用和虚拟惯性控制协调频率控制流程图。

具体实施方式

目前广泛采用的变速风电机组，虽然采用了交流变频控制，但其解耦控制使机组的有功功率无法响应系统频率变化。这种风电机组通常运行于最大功率点跟踪(maximumpower point tracking,MPPT)控制方式下，使其转子动能被埋没且不提供有功备用，在有外界扰动时无法提供惯性支持。为防止系统频率突变，一般需要通过惯量响应使发电机有足够的时间调整发电功率以重建功率平衡。由于变速风电机组具有灵活、可控的有功调节能力。因此，可以利用机组的快速有功调节功能，存储或释放转子动能，虚拟出惯量响应。

当系统频率变化时，同步机转速也随之变化。设转速为ω时，同步机具有的旋转动能为：

式中J为同步机的转动惯量。则同步机输出功率变化为：

考虑惯性时间常数；

式中：ω_r为额定转速；S为基准功率。

由式(2)和式(3)可得：

取标幺值：

根据式(5)模拟传统同步发电机的惯性响应特性，还需要在机组控制中加入频率控制环节，以Δf为输入量，当系统出现偏差时增发有功功率，即：

P_set＝k_pΔf (6)

式中k_p为比例系数；Δf为频率偏差。以dΔf/dt为输入量，当系统频率发生变化时，机组释放旋转动能增发有功功率即：

式中k_d为微分系数。当机组转速达到限值时，退出调频过程。

在虚拟惯性控制方式下，变速风电机组有功功率的参考指令主要由MPPT控制的有功参考指令P_opt和虚拟惯性控制的有功参考指令P_f构成：

式(8)可知MPPT控制与虚拟惯性控制存在矛盾，因此引入频率偏差补偿MPPT控制下的转速。设MPPT控制方式下的初始转速为ω₀，当前运行点转速为ω₁，补偿MPPT控制的输入转速为：

ω₀＝ω₁-Δω₁＝ω₁-k₁Δf (9)

式中k₁为转速调节系数。因此MPPT控制的有功参考指令可以改为：

P_opt＝k_opt(ω₁-k₁Δf)³ (10)

由式(10)可得经过改进的MPPT控制有效避免了其与虚拟惯性控制的相互干扰，此时的虚拟惯性控制可以为系统提供安全可靠的惯性支撑。利用虚拟惯性控制通过释放转子动能进行短暂的频率支援，但其会因动能释放后转速过低引发频率的二次跌落同时为防止与MPPT控制有所冲突，通过补偿MPPT控制的有功参考指令来提供变速风电机组自身缺乏的惯性。

对于长时间的频率支撑，在以虚拟惯性控制调频的基础上增添风机减载运行所提供的有功备用容量作为补充，则可使得变速风电机组的惯量支撑和一次调频能力有所提高。为使电力系统频率控制更加完善，让风力机的减载运行作为虚拟惯性控制调频的助力，提供有功功率备用，达到长期频率控制的效果。其中，超速控制和变桨控制用于风力机的减载操作，两者均操作于风力机部分，放弃风能的最大捕获。应用T-ω曲线(如图1)进行超速控制，让转子转速超越MPPT运行点，机组功率下降实现减载，在该操作范围内桨距角为0°。当超速控制无法满足减载要求时，启用变桨控制。

由于超速控制仅应用于低于额定风速的工况，对于接近或高于额定值的风速，当达到额定转子速度时，应通过计算桨距角和所需功率余量来进行精确的变桨控制。计算方法如下：

定义功率裕度x(以pu为单位)为产生的功率与可从风中提取的最大功率P_opt之比。在数学上，这可以表述为：

给定功率裕度x，风力机在低于额定值的风速下达到其额定速度。从该风速开始(直到风力机的额定风速)，通过适当组合桨距角和转矩来实现所需的功率裕度。在数学上，功率裕度(1-x)的补充可以表示为：

其中， 为每一个功率裕度所对应的最小风速。针对每个风速和功率裕度x求解该等式，可以计算每种情况下所需的桨距角，对于每种组合，可以找到减载所需的最佳转矩。

对于每个功率余量x，存在与额定风速下的减载操作点相对应的桨距角β_max。从该桨距角开始，所需的减载操作的电磁转矩变得恒定，因为它被简单地计算为：

如图2为桨距角与转矩的关系曲线

该频率控制方法的主要控制过程为：

1)根据计算的出的电磁转矩应用于风力机的减载控制方案中，给定频率偏差，主频率控制的功频下垂特性以每单位值输出风力机的期望功率裕度增加或减少。

2)在给定总功率裕度参考的情况下，将该变化添加到所需的稳态功率裕度。稳态功率裕度参考指的是在电网的正常操作条件下保持的功率裕度，即在具有稳定的情况下频率级别为50Hz。考虑到风力机的旋转速度低于额定值，获得电磁转矩参考值Te(曲线图2)。

3)将转矩参考值送到功率转换器中，一旦达到风力的额定速度，就可以调节桨距角。传统的速度控制器驱动变桨执行器。使其不超过风力机的速度，在该操作范围中，获得发电机的转矩参考值后可得相应的有功备用容量，减载过程中变桨控制因其运行于机械部件作为粗调方案与对频率响应速度快的超速控制作为精调方案协同作用，为系统提供频率支撑和虚拟惯性控制所产生的不足予以补充，使得电力系统更加稳定。

4)在虚拟惯性控制调频过程中，当转子动能逐渐减少，转速降低时通过调用风电机组减载运行提供的备用容量等效于储能部分保证持续的调频能力。

此处提出的通过虚拟惯性调频和减载运行的变速风电机组频率综合控制方法，利用超速控制与变桨控制对变速风电机组进行减载留取系统备用容量，使虚拟惯性控制可通过调用该部分备用容量获取有功功率指令。如图3所示。

控制流程图如图4所示，具体步骤如下：

1)根据初始化的数据判断转速大小来确定变速风电机组减载运行方案。

2)通过减载曲线得知超速控制的结果，通过计算使其在无法满足减载条件时确定风电机组的电磁转矩，并启用变桨控制。系统留有有功备用为虚拟惯性控制提供功率支撑。

3)判断频率是否正常。

4)释放转子动能以响应系统频率变化。

Claims (6)

1.一种变速风电机组参与电力系统调频的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：①初始化功率裕度、浆距角、有功指令、转速；②判断转速是否大于额定转速；③若转速大于或等于额定转速则确定电磁转矩，若转速小于额定转速则利用减载曲线进行超速控制直至转速大于或等于额定转速；④确定电磁转矩并应用桨距角与转矩的关系曲线确定最佳电磁转矩对应的浆距角；⑤判断系统频率是否正常，若正常则返回步骤②；若不正常，则释放转子动能以响应系统频率变化。

2.如权利要求1所述的一种变速风电机组参与电力系统调频的方法，其特征在于，所述步骤③中应用T-ω曲线进行超速控制，让转子转速超越MPPT运行点，机组功率下降实现减载，在该操作范围内桨距角为0°；当超速控制无法满足减载要求时，启用变桨控制。

3.如权利要求1所述的一种变速风电机组参与电力系统调频的方法，其特征在于，所述步骤④中电磁转矩的计算过程是：定义功率裕度x(以pu为单位)为产生的功率与可从风中提取的最大功率P_opt之比，在数学上，这可以表述为：从该风速开始，直到风力机的额定风速，通过适当组合桨距角和转矩来实现所需的功率裕度，在数学上，功率裕度(1-x)的补充可以表示为：其中， 为每一个功率裕度所对应的最小风速，针对每个风速和功率裕度x，求解该等式，计算每种情况下所需的桨距角，对于每种组合，可以找到减载所需的最佳转矩：

4.如权利要求3所述的一种变速风电机组参与电力系统调频的方法，其特征在于，所述步骤④中桨距角与转矩的关系曲线的计算过程为：对于步骤③中每个功率余量x，存在与额定风速下的减载操作点相对应的桨距角β_max，从该桨距角开始，所需的减载操作的电磁转矩变得恒定，因此它被计算为：

5.根据权利要求1所述的一种变速风电机组参与电力系统调频的方法，其特征在于，该频率控制方法的主要控制过程为：

1)根据计算的出的电磁转矩应用于风力机的减载控制方案中，给定频率偏差，主频率控制的功频下垂特性以每单位值输出风力机的期望功率裕度增加或减少；

2)在给定总功率裕度参考的情况下，将该变化添加到所需的稳态功率裕度；稳态功率裕度参考指的是在电网的正常操作条件下保持的功率裕度，即在具有稳定的情况下频率级别为50Hz；考虑到风力机的旋转速度低于额定值，获得电磁转矩参考值Te(曲线图2)；

3)将转矩参考值送到功率转换器中，一旦达到风力的额定速度，就可以调节桨距角；传统的速度控制器驱动变桨执行器；使其不超过风力机的速度，在该操作范围中，获得发电机的转矩参考值后可得相应的有功备用容量，减载过程中变桨控制因其运行于机械部件作为粗调方案与对频率响应速度快的超速控制作为精调方案协同作用，为系统提供频率支撑和虚拟惯性控制所产生的不足予以补充，使得电力系统更加稳定；

在虚拟惯性控制调频过程中，当转子动能逐渐减少，转速降低时通过调用风电机组减载运行提供的备用容量等效于储能部分保证持续的调频能力。

6.根据权利要求1所述的一种变速风电机组参与电力系统调频的方法，其特征在于，控制流程具体步骤如下：

1)根据初始化的数据判断转速大小来确定变速风电机组减载运行方案；

2)通过减载曲线得知超速控制的结果，通过计算使其在无法满足减载条件时确定风电机组的电磁转矩，并启用变桨控制；系统留有有功备用为虚拟惯性控制提供功率支撑；

3)判断频率是否正常；

4)释放转子动能以响应系统频率变化。