CN110416999A - 一种考虑风电参与调频的风电场聚合频率响应模型构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑风电参与调频的风电场聚合频率响应模型构建方法，该方法通过单个风电机组一次调频控制策略和电力系统小信号分析原理，建立单个风电机组的频率响应模型，随后通过参数等值方法建立风电场机群聚合频率响应模型。该聚合模型无需建立复杂的电磁暂态模型，便能够对风电场具有不同参数的单个风机的频率响应特性进行等效的描述，在保证精度的基础上对原有方法计算效率进行了提高。

Description

一种考虑风电参与调频的风电场聚合频率响应模型构建方法

技术领域

本发明涉及电力系统安全稳定控制领域，具体涉及一种考虑风电参与调频的风电场聚合频率响应模型。

背景技术

当前电网中风电接入比例的不断上升，使风电机组在参与电网一次调频，提供一次调频资源方面具有更重要的意义，因此需要对风电机组的频率响应特性进行建模，以便分析风电机组在系统出现频率扰动状态下的动态响应过程。现有方法中对风电机组的惯量和下垂控制响应进行了等效建模，但对于频率控制回路与惯性参数间的耦合特性考虑不足，亦缺少对频率响应过程的传递函数描述。同时，风电场中不同风电机组运行状态及控制参数的不同，也对新的等效和聚合建模方法提出了需求。

因此，建立一个更加精确的风电场频率响应模型，对分析含风电的电力系统频率响应特征，显得很有必要。

发明内容

本发明提供一种考虑风电参与调频的风电场聚合频率响应模型构建方法，解决了现有技术中对风电场风机机群的一次调频过程频率响应特性描述方法的不足。

为达到上述目的，本发明采用的方法是：一种考虑风电参与调频的风电场聚合频率响应模型构建方法，包括如下步骤：

1)针对单个变速风电机组，建立采用虚拟惯量控制和基于桨距角降载控制

的协调频率控制模型，通过小信号分析建立单个风电机组的频率响应模型；

2)针对多个风电机组组成的风电场，通过加权平均等值建立多风电机组聚

合的频率响应模型。

作为本发明的一种改进，所述的虚拟惯量控制策略通过惯性和下垂控制对系统的频率变化做出响应，调整风电机组的电磁功率输出，基于虚拟惯量的控制方法的传递函数表示为

基于桨距角的频率控制策略通过调整桨距角来改变风电机组功率输出，进而对系统频率变化做出响应，基于桨距角频率控制下的桨距角偏差和频率偏差关系式为

Δβ＝k_bΔf (2)

风电机组的机械转矩可表示为：

根据小信号分析原理，求得的风电机组机械转矩变化量可表示为：

式(3)代入式(4)可得：

进一步，求得的风电机组电磁转矩变化量可表示为：

风电机组的功率摇摆方程为：

2H_tsΔω(s)＝ΔT_m(s)-ΔT_e(s) (7)

通过公式(5)(6)和(7)，得到频率响应模型传递函数表示：

其中H_t为风机惯性时间常数，ω为转子转速，P_e为风机的有功出力，P_e1为虚拟惯量控制的功率变化量，Δf为频率变化量，k_v和R_v分别为虚拟惯量参数和下垂控制参数，k_b为缩放因子，ρ为空气密度，r为叶片长度，v为风速，C_p为风机的性能系数，λ为叶尖速比，β为桨距角，P_base为风机的额定功率，k_p为缩放因子,

作为本发明的一种改进，所述步骤2)中风电场风机机群聚合频率响应模型，其建模过程为：

2-1)将多个风机进行参数等值与聚合，用一个等值参数的响应特性代替多个风机的响应特性，可用式(10)表达：

其中ai，bi，ci和qi为风机机群中第i个风机频率响应模型的参数，kwi表述第i个风机额定功率占风电场总额定功率的比例，N为风电场机群中风机的总数；a，b，c和q为风电场聚合频率响应模型的参数。

将式(10)分解为：

其中

将式(10)写为如下的形式：

将上述各式的参数k,d,p,q表示为一个集合X＝{k,d,p,q}；

2-2)确定等值参数X；

定义加权平均系数λi，并将风电场聚合参数X和各单机参数Xi间的关系表示为

比较式(13)和式(14)，可知对于X中的参数k,d,p，令λi＝kwi，易得

因此，根据加权平均思想可得

因此等值参数X＝{k,d,p,q}可以计算求得。

有益效果：

本发明提供了针对风电场风机的单机频率响应模型和风电场机群的聚合频率响应模型，考虑风电机组参与调频的风电场频率响应特性进行了公式化描述，对理解风电机组在功率扰动过程中的频率响应过程、电力系统的频率稳定在线预测具有指导作用。

附图说明

图1为本发明的系统流程图；

图2为本发明内容中风电场中风电机组综合虚拟惯量控制和基于桨距角降载控制的组合频率控制策略模型；

图3为本发明内容中的对风电场多机频率响应模型等值过程的示意图；

图4为本发明实施例实施效果比较图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。

如图1所述为本发明的系统流程图本发明实施例提供的一种考虑风电参与调频的风电场聚合频率响应模型构建方法，包括如下步骤：

1)针对单个变速风电机组，建立采用虚拟惯量控制和基于桨距角降载控制

的协调频率控制模型，通过小信号分析建立单个风电机组的频率响应模型；

2)针对多个风电机组组成的风电场，通过加权平均等值建立多风电机组聚

合的频率响应模型。

对于步骤1)所述采用虚拟惯量控制和基于桨距控制的降载控制的控制策略模型如附图1所示。其中H_t为风机惯性时间常数，ω为转子转速，T_m和T_e分别为机械转矩和电磁转矩，P_e为风机的有功出力，Δf为频率变化量，Δβ为桨距角变化量，k_v和R_v分别为虚拟惯量参数和下垂控制参数，k_b为缩放因子。如图2所示，虚拟惯量控制回路通过惯性和下垂控制对系统的频率变化做出响应，调整风电机组的电磁功率输出，基于桨距的控制通过调整桨距角对系统频率变化做出响应，经过风机桨距角调整风电机功率输出。

步骤1)中所述的虚拟惯量控制方式的传递函数为

P_e1为虚拟惯量控制的功率变化量。

步骤1)所述的基于桨距角频率控制下的桨距角偏差和频率偏差关系式为

Δβ＝k_bΔf (2)

步骤1)所述的风电机组的机械转矩可表示为：

步骤1)所述的风电机组机械转矩变化量可表示为：

步骤1)式(3)代入式(4)可得：

步骤1)所述的风电机组电磁转矩变化量可表示为：

步骤1)所述的风电机组功率摇摆方程为：

2H_tsΔω(s)＝ΔT_m(s)-ΔT_e(s) (7)

步骤1)所述单个风电机组频率响应模型融合了虚拟惯量控制和桨距控制方式，整体描述了风机的电磁功率变化量与频率变化量的对应关系。通过公式(5)(6)和(7)，本频率响应模型的传递函数如下式：

其中ρ为空气密度，r为叶片长度，v为风速，C_p为风机的性能系数，λ为叶尖速比，β为桨距角，P_base为风机的额定功率，k_p为缩放因子,

步骤2)所述风电场风机机群聚合频率响应模型，其建模过程为：

(2-1)将多个风机进行参数等值与聚合，如附图3所示，用一个等值参数

的响应特性代替多个风机的响应特性，可用式(10)表达：

其中ai，bi，ci和qi为风机机群中第i个风机频率响应模型的参数，kwi表述第i个风机额定功率占风电场总额定功率的比例，N为风电场机群中风机的总数；a，b，c和q为风电场聚合频率响应模型的参数。

为简化分析，将式(11)分解为：

其中

因此式(10)也可写为如下的形式：

将上述各式的参数k,d,p,q表示为一个集合X＝{k,d,p,q}。

(2-1)确定等值参数X。

为使等值后的单机频率响应规律能尽可能地接近原始多机群聚合后的频率响应规律，需要选择最优的X取值。考虑到单个风电机组的功率占风电场总功率的比重对于这一风电机组的特性对整体频率响应特性有重要影响，定义加权平均系数λ_i，并将风电场聚合参数X和各单机参数X_i间的关系表示为

比较式(13)和式(14)，可知对于X中的参数k,d,p，令λ_i＝k_wi，易得

因此，根据加权平均思想可得

因此等值参数X＝{k,d,p,q}可以计算求得。

将本发明建立的风电场聚合频率响应模型的动态频率响应特性分别与聚合之前的多机频率响应模型以及实际详细模型的动态频率响应特性进行比较，即可对本发明提出的聚合频率响应模型进行有效性验证。如图4所示，由结果可以看出，本发明提出的聚合频率响应模型与聚合之前的多机频率响应模型以及实际详细模型在频率变化率、频率最低点以及频率稳态值等频率特性指标具有较高的吻合度，表明本发明提出的聚合频率响应模型具有较高的精度。

Claims (3)

1.一种考虑风电参与调频的风电场聚合频率响应模型构建方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)针对单个变速风电机组，建立采用虚拟惯量控制和基于桨距角降载控制的协调频率控制模型，通过小信号分析建立单个风电机组的频率响应模型；

2)针对多个风电机组组成的风电场，通过加权平均等值建立多风电机组聚合的频率响应模型。

2.根据权利要求1所述的一种考虑风电参与调频的风电场聚合频率响应模型构建方法，其特征在于：所述的虚拟惯量控制回路通过惯性和下垂控制对系统的频率变化做出响应，调整风电机组的电磁功率输出，基于虚拟惯量的控制方法的传递函数表示为

基于桨距角的频率控制策略通过调整桨距角来改变风电机组功率输出，进而对系统频率变化做出响应，基于桨距角控制方法的表达式为

Δβ＝k_bΔf (2)

风电机组的机械转矩可表示为：

根据小信号分析原理，求得的风电机组机械转矩变化量可表示为：

式(3)代入式(4)可得：

进一步，求得的风电机组电磁转矩变化量可表示为：

风电机组的功率摇摆方程为：

2H_tsΔω(s)＝ΔT_m(s)-ΔT_e(s) (7)

通过公式(5)(6)和(7)，得到频率响应模型传递函数表示：

式中

其中H_t为风机惯性时间常数，ω为转子转速，P_e为风机的有功出力，P_e1为虚拟惯量控制的功率变化量，Δf为频率变化量，k_v和R_v分别为虚拟惯量参数和下垂控制参数，k_b为缩放因子，ρ为空气密度，r为叶片长度，v为风速，C_p为风机的性能系数，λ为叶尖速比，β为桨距角，P_base为风机的额定功率，k_p为缩放因子,

3.根据权利要求1所述的一种考虑风电参与调频的风电场聚合频率响应模型构建方法，其特征在于：所述步骤2)中风电场风机机群聚合频率响应模型，其建模过程为：

2-1)将多个风机进行参数等值与聚合，用一个等值参数的响应特性代替多个风机的响应特性，可用式(10)表达：

其中ai，bi，ci和qi为风机机群中第i个风机频率响应模型的参数，kwi表述第i个风机额定功率占风电场总额定功率的比例，N为风电场机群中风机的总数；a，b，c和q为风电场聚合频率响应模型的参数。

将式(10)分解为：

其中

将式(10)写为如下的形式：

将上述各式的参数k,d,p,q表示为一个集合X＝{k,d,p,q}；

2-2)确定等值参数X；

定义加权平均系数λi，并将风电场聚合参数X和各单机参数Xi间的关系表示为

比较式(13)和式(14)，可知对于X中的参数k,d,p，令λi＝kwi，易得，

因此，根据加权平均思想可得

从而计算得到等值参数X＝{k,d,p,q}。