CN110729756A - 一种基于有效风速估计的大型风电机组虚拟惯量控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于有效风速估计的大型风电机组虚拟惯量控制方法，包括以下步骤：步骤s1：实时检测风电机转速、输出功率、桨距角、机舱风速和机舱振动加速度，通过有效风速估计方法，得到风速估计值；步骤s2：通过风速‑功率关系曲线得到风电机组估计输出功率；步骤s3：在过渡过程控制模式中，计算虚拟惯量控制模式下吸收或释放的能量；步骤s4：计算风电机组对风轮惯性能量的补充或吸收；步骤s5：计算过渡过程控制模式所需的时间；步骤s6：计算过渡过程控制模式的风电机组输出功率设定值。本发明保证了机组在虚拟惯量响应控制模式和最大能量跟踪控制模式之间的平滑切换，避免了虚拟惯量响应控制恢复过程对电网频率造成较大二次冲击。

Description

一种基于有效风速估计的大型风电机组虚拟惯量控制方法
技术领域
本发明涉及风力发电机组控制领域，尤其涉及一种基于有效风速估计的大型风电机组虚拟惯量控制方法。
背景技术
随着常规能源被风电大量替代，局部电网风电渗透率不断攀升，电力系统呈现低惯量、弱阻尼运行特性，风电具备电网频率主动支撑能力对电力系统稳定越来越重要。大型风电机组通常都通过变流器实现并网控制，这种控制方式对电网频率变化不做任何响应。而大型风电机组的风轮惯量都比较大，可以通过虚拟惯量控制技术为电力系统提供惯量支持，在电网频率发生波动时，采用虚拟惯量控制技术调节风轮转速，以实现风轮惯性能量的短时释放或吸收，可实现类似传统同步发电机的惯量调频能力，甚至可以实现效果更好。
风电机组虚拟惯量响应结束后，风轮转速需要恢复到最大能量跟踪控制(MPPT)模式对应目标转速，由于前面虚拟惯量响控制过程风电机组吸收(或释放)了部分风轮动能，根据能量守恒定律，在恢复到最大能量跟踪控制(MPPT)模式过程中，肯定也会释放(或吸收)部分风轮动能，而这个恢复过程风电机组输出有功功率会出现一个较大凹坑(或凸包)，给电网频率造成二次冲击，这对电力系统稳定是非常不利的。
一种在中国专利文献上公开的“风电机组参与一次调频后退出调频时的转速恢复方法”，其公告号CN107742903A，其公开日2018年02月27日，包括：获取电网中所有风电机组的风速、电网的额定频率和当前频率，根据风电机组的风速，将所有风电机组划分成若干风电机群；当当前频率小于额定频率时，控制转速大于转速最低安全阈值的风电机组参与电网的一次调频；当电网调频中存在风电机组的转速小于转子参考转速时，记录当前时间为当前风电机组所在风电机群退出调频时转速恢复的启动时刻；根据启动时刻和相邻两个风电机群的转速恢复间隔，计算余下风电机群的转速恢复时刻；当风电机群的转速恢复时刻大于当前时间时，计算其内部参与调频的所有风电机组的转速恢复功率；将退出调频功率发送给与其对应的风电机组的转子侧逆变器进行风电机组转速的恢复。通过电网当前频率和额定功率的对比，计算电网转速恢复功率，当由于电网的频率和风电机组的频率容易出现偏差，该方法在转速恢复时，难以保证转速恢复功率的准确性，无法避免电网频率出现二次跌落的可能性。
发明内容
本发明主要解决了目前的风电机组在虚拟惯量控制之后电网频率出现二次跌落的问题，提供了一种基于有效风速估计的大型风电机组虚拟惯量控制方法，保证了机组在虚拟惯量响应控制模式和最大能量跟踪控制(MPPT)模式之间的平滑切换，并避免给电网频率造成较大二次冲击，有利于电力系统的频率稳定。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种基于有效风速估计的大型风电机组虚拟惯量控制方法，包括以下步骤：步骤s1：在进行虚拟惯量控制模式时，实时检测风电机转速、输出功率、桨距角、机舱风速和机舱振动加速度，通过有效风速估计方法，得到风速估计值；步骤s2：根据风速估计值，通过风速-功率关系曲线得到风电机组估计输出功率；步骤s3：在虚拟惯量控制模式之后，进入过渡过程控制模式，获取电网频率的上升或下降，根据风电机组估计输出功率，计算虚拟惯量控制模式下风电机组吸收或释放的风轮惯性能量；步骤s4：根据虚拟惯量控制模式下风电机组吸收或释放的风轮惯性能量，计算过渡过程控制模式下风电机组对风轮惯性能量的补充或吸收；步骤s5：根据过渡过程控制模式下风电机组对风轮惯性能量的补充或吸收，计算过渡过程控制模式所需的时间；步骤s6：在过渡过程控制模式进行的时间内，周期性的计算过渡过程控制模式的风电机组输出功率设定值；步骤s7：过渡过程控制模式结束后，风电机组切回最大能量跟踪控制模式。通过有效风速估计值以及风速-功率对应关系，估计风电机的输出功率，同时测得实际功率，通过判断在虚拟惯量控制模式下电网频率是上升还是下降，计算虚拟惯量控制模式下吸收(或释放)的能量，根据能量守恒定律，调节风电机输出功率设定值，对风轮减少(或增加)的能量进行补充(或吸收)，以此达到虚拟惯量响应控制模式和最大能量跟踪控制(MPPT)模式之间的平滑切换。
作为优选，所述的步骤s3中，若电网频率下降，则计算出整个虚拟惯量控制过程风电机组吸收的风轮惯性能量，计算公式为：
Figure BDA0002202935780000021
其中，为估计的整个虚拟惯量控制过程吸收的风轮惯性能量，T1为虚拟惯量开始时刻，T2为虚拟惯量结束时刻，
Figure BDA0002202935780000023
为风电机组估计输出功率，Pg为风电机组测得输出功率，t为时间。电网频率下降时，计算虚拟惯量控制过程吸收的风轮惯性能量。
作为优选，所述的步骤s3中，若电网频率上升，则计算出整个虚拟惯量控制过程风电机组释放的风轮惯性能量，计算公式为：
Figure BDA0002202935780000024
其中，
Figure BDA0002202935780000025
为估计的整个虚拟惯量控制过程释放的风轮惯性能量，T1为虚拟惯量开始时刻，T2为虚拟惯量结束时刻，
Figure BDA0002202935780000031
为风电机组估计输出功率，Pg为风电机组测得输出功率，t为时间。电网频率上升时，计算出虚拟惯量控制过程释放的风轮惯性能量。
作为优选，当电网频率下降时，过渡过程控制模式需吸收的能量
Figure BDA0002202935780000032
当电网频率上升时，过渡过程控制模式需补充的能量
Figure BDA0002202935780000033
根据虚拟惯量控制模式下吸收或释放的能量，得到过渡过程控制模式需吸收或补充的能量。
作为优选，所述步骤s5中，当电网频率下降时，过渡过程控制模式所需的时间计算式为：
Figure BDA0002202935780000034
其中，T3为过渡过程控制模式所需的时间，emax1为电网允许的凹坑最低点输出功率偏差值。
作为优选，所述步骤s5中，当电网频率上升时，所述过渡过程控制模式所需的时间计算公式为：
Figure BDA0002202935780000035
其中，T4为过渡过程控制模式所需的时间，emax2为电网允许的凸坑最高点输出功率偏差值。
作为优选，所述步骤s6中，当电网频率下降时，风电机组输出功率设定值的计算式为：
Figure BDA0002202935780000036
其中，Pgd为风电机组输出功率设定值，
Figure BDA0002202935780000037
为风电机组估计输出功率，t为时间，且满足T2≤t≤(T2+T3)。利用能量守恒定律，吸收虚拟惯量控制过程后释放的多余能量，平滑过渡到最大能量跟踪控制(MPPT)模式。
作为优选，所述步骤s6中，当电网频率上升时，风电机组输出功率设定值的计算公式为：
Figure BDA0002202935780000038
其中，Pgd为风电机组输出功率设定值，
Figure BDA0002202935780000039
为风电机组估计输出功率，t为时间，且满足T2≤t≤(T2+T4)。
在过渡过程控制模式中，对虚拟惯量控制模式下吸收或释放的能量进行补充或吸收，保证了机组在虚拟惯量响应控制模式和最大能量跟踪控制(MPPT)模式之间的平滑切换，避免输出功率突变，从而给风电机组关键部件造成较大疲劳损伤。
本发明的有益效果是：(1)保证了机组在虚拟惯量响应控制模式和最大能量跟踪控制(MPPT)模式之间的平滑切换，避免输出功率突变，从而给风电机组关键部件造成较大疲劳损伤；(2)避免了虚拟惯量响应控制恢复过程对电网频率造成较大二次冲击。
附图说明
图1是本发明的一种流程示意图。
图2是本发明的风电机释放偏差输出功率的一种运行轨迹图。
图3是本发明的有效风速估计方法的一种实现框图。
图4是本发明的风速-风电机组输出功率关系的一种曲线图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例一：一种基于有效风速估计的大型风电机组虚拟惯量控制方法，如图1所示，包括以下步骤：步骤s1：在进行虚拟惯量控制模式时，实时检测风电机转速、输出功率、桨距角、机舱风速和机舱振动加速度，通过有效风速估计方法，得到风速估计值；有效风速估计方法可以采用卡尔曼滤波、牛顿迭代式方法、神经网络和机器学习方法，如图3所示，为一种机器学习方法下的有效风速估计方法，该方法分两个阶段，分别是离线训练阶段和在线使用阶段，在离线训练阶段中，首先收集机组历史输出数据，将数据进行归一化处理后构造训练集，通过训练集训练人工智能模型，在在线使用阶段中，收集机组实时输出数据，将数据进行归一化处理后结合人工智能模型构造风速估计模型，通过风速估计模型对有效风速估计值进行估计。
步骤s2：根据风速估计值，通过风速-功率关系曲线得到风电机组估计输出功率；如图4所示，根据不同风速下对应的风电机组输出功率，对风电机组的实际输出功率进行有效估计。
步骤s3：在虚拟惯量控制模式之后进入过渡过程控制模式，获取电网频率的上升或下降，计算虚拟惯量控制模式下风电机组吸收或释放的风轮惯性能量；根据能量守恒定律，虚拟惯量控制过程吸收的风轮惯性能量，在恢复到MPPT控制模式的过渡控制过程，需要释放相同的风轮惯性能量；当电网频率下降时，计算出整个虚拟惯量控制过程风电机组吸收的风轮惯性能量，计算式为：
Figure BDA0002202935780000041
其中，
Figure BDA0002202935780000042
为估计的整个虚拟惯量控制过程吸收的风轮惯性能量，T1为虚拟惯量开始时刻，T2为虚拟惯量结束时刻，
Figure BDA0002202935780000043
为风电机组估计输出功率，Pg为风电机组测得输出功率，t为时间；当电网频率上升时，计算出整个虚拟惯量控制过程风电机组释放的风轮惯性能量，计算式为：
Figure BDA0002202935780000051
其中，
Figure BDA0002202935780000052
为估计的整个虚拟惯量控制过程释放的风轮惯性能量。
步骤s4：据虚拟惯量控制模式下风电机组吸收或释放的风轮惯性能量，计算过渡过程控制模式下风电机组对风轮惯性能量的补充或吸收，当电网频率下降时，过渡过程控制模式需吸收的能量
Figure BDA0002202935780000053
当电网频率上升时，过渡过程控制模式需补充的能量
Figure BDA0002202935780000054
步骤s5：根据过渡过程控制模式下风电机组对风轮惯性能量的补充或吸收，计算过渡过程控制模式所需的时间；步骤s6：在过渡过程控制模式进行的时间内，周期性的计算过渡过程控制模式的风电机组输出功率设定值；如图2所示，在过渡过程控制模式中，风电机组释放偏差输出功率ΔPg沿半椭圆轨迹运行，椭圆轨迹的长轴长为过渡过程需要的时间T，椭圆轨迹的短轴长为电网允许的凹坑最低点输出功率偏差值的2倍，即2emax。其中，对电网二次冲击大小由emax决定，而emax通常要求小于5％额定输出功率，根据椭圆面积计算公式，半个椭圆面积为：
Figure BDA0002202935780000055
过渡过程控制模式时间T的计算公式为：
Figure BDA0002202935780000056
根据椭圆的方程可知
Figure BDA0002202935780000057
由此，需要释放偏差输出功率ΔPg为：
Figure BDA0002202935780000058
因此，当电网频率下降时，过渡过程控制模式所需的时间为
Figure BDA0002202935780000059
其中，T3为过渡过程控制模式所需的时间，emax1为电网允许的凹坑最低点输出功率偏差值，风电机组输出功率设定值为
其中，Pgd为风电机组输出功率设定值，t为时间，且满足T2≤t≤(T2+T3)，过渡过程控制模式下需吸收的能量
Figure BDA00022029357800000511
当电网频率上升时，过渡过程控制模式所需的时间为
Figure BDA0002202935780000061
其中，T4为过渡过程控制模式所需的时间，emax2为电网允许的凸坑最高点输出功率偏差值，风电机组输出功率设定值为
Figure BDA0002202935780000062
其中，t为时间，且满足T2≤t≤(T2+T4)，则过渡过程控制模式下需补充的能量
Figure BDA0002202935780000063
步骤s7：过渡过程控制模式结束后，风电机组切回最大能量跟踪控制模式。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (8)

1.一种基于有效风速估计的大型风电机组虚拟惯量控制方法，包括以下步骤：
步骤s1：在进行虚拟惯量控制模式时，实时检测风电机转速、输出功率、桨距角、机舱风速和机舱振动加速度，通过有效风速估计方法，得到风速估计值；
步骤s2：根据风速估计值，通过风速-功率关系曲线得到风电机组估计输出功率；
步骤s3：在虚拟惯量控制模式之后，进入过渡过程控制模式，获取电网频率的上升或下降，根据风电机组估计输出功率，计算虚拟惯量控制模式下风电机组吸收或释放的风轮惯性能量；
步骤s4：根据虚拟惯量控制模式下风电机组吸收或释放的风轮惯性能量，计算过渡过程控制模式下风电机组对风轮惯性能量的补充或吸收；
步骤s5：根据过渡过程控制模式下风电机组对风轮惯性能量的补充或吸收，计算过渡过程控制模式所需的时间；
步骤s6：在过渡过程控制模式进行的时间内，周期性的计算过渡过程控制模式的风电机组输出功率设定值；
步骤s7：过渡过程控制模式结束后，风电机组切回最大能量跟踪控制模式。
2.根据权利要求1所述的一种基于有效风速估计的大型风电机组虚拟惯量控制方法，其特征在于，所述步骤s3中，若电网频率下降，则计算出整个虚拟惯量控制过程风电机组吸收的风轮惯性能量，计算式为：
Figure FDA0002202935770000011
其中，
Figure FDA0002202935770000012
为估计的整个虚拟惯量控制过程吸收的风轮惯性能量，T1为虚拟惯量开始时刻，T2为虚拟惯量结束时刻，
Figure FDA0002202935770000013
为风电机组估计输出功率，Pg为风电机组测得输出功率，t为时间。
3.根据权利要求1所述的一种基于有效风速估计的大型风电机组虚拟惯量控制方法，其特征在于，所述步骤s3中，若电网频率上升，则计算出整个虚拟惯量控制过程风电机组释放的风轮惯性能量，计算式为：
Figure FDA0002202935770000014
其中，
Figure FDA0002202935770000015
为估计的整个虚拟惯量控制过程释放的风轮惯性能量，T1为虚拟惯量开始时刻，T2为虚拟惯量结束时刻，为风电机组估计输出功率，Pg为风电机组测得输出功率，t为时间。
4.根据权利要求3所述的一种基于有效风速估计的大型风电机组虚拟惯量控制方法，其特征在于，当电网频率下降时，过渡过程控制模式需吸收的能量当电网频率上升时，过渡过程控制模式需补充的能量
Figure FDA0002202935770000018
5.根据权利要求4所述的一种基于有效风速估计的大型风电机组虚拟惯量控制方法，其特征在于，所述步骤s5中，当电网频率下降时，过渡过程控制模式所需的时间计算式为：
Figure FDA0002202935770000021
其中，T3为过渡过程控制模式所需的时间，emax1为电网允许的凹坑最低点输出功率偏差值。
6.根据权利要求4所述的一种基于有效风速估计的大型风电机组虚拟惯量控制方法，其特征在于，所述步骤s5中，当电网频率上升时，过渡过程控制模式所需的时间计算式为：
Figure FDA0002202935770000022
其中，T4为过渡过程控制模式所需的时间，emax2为电网允许的凸坑最高点输出功率偏差值。
7.根据权利要求1或5所述的一种基于有效风速估计的大型风电机组虚拟惯量控制方法，其特征在于，所述步骤s6中，当电网频率下降时，风电机组输出功率设定值的计算式为：
其中，Pgd为风电机组输出功率设定值，
Figure FDA0002202935770000024
为风电机组估计输出功率，t为时间，且满足T2≤t≤(T2+T3)。
8.根据权利要求1或6所述的一种基于有效风速估计的大型风电机组虚拟惯量控制方法，其特征在于，所述步骤s6中，当电网频率上升时，风电机组输出功率设定值的计算式为：
Figure FDA0002202935770000025
其中，Pgd为风电机组输出功率设定值，
Figure FDA0002202935770000026
为风电机组估计输出功率，t为时间，且满足T2≤t≤(T2+T4)。
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