CN110768307A - 一种风电场一次调频控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电场一次调频控制方法及系统，使用超速减载控制的风电场功率分配策略：风电场接受系统调度指令后根据各风电机组反馈的风速信息计算需要减载的功率，将功率参考值及减载控制方式分配给各单机，最大限度的储存风电机组转子动能，提高系统的频率动态特性；在调频控制中利用变参数控制策略，该控制策略能够保证在调频过程中风机能够释放自身最大备用功率，同时加快频率跌落后的恢复速度。保证每台风机在调频过程中充分释放备用功率，有效提高频率稳态值。惯性控制系数的改变能够有效提高频率的恢复速度。

Description

一种风电场一次调频控制方法及系统

技术领域

本发明属于风能控制技术领域，尤其涉及一种风电场一次调频控制方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

近年来以风力发电为代表的可再生能源发电在我国发展迅速，并网容量逐年提升，截至2017年底我国风电装机容量占世界总装机容量的35％，高居世界第一。

同时，风电并网容量的提升也对电力系统的安全稳定运行带来了很大影响。双馈感应发电机(Doubly-Fed Induction Generator,DFIG)为当前风力发电机的主要机型，具有运行范围广、发电效率高等特点，但由于其通过电力电子变换器与电网相连，使得其转子转速与电网频率不再耦合，无法响应系统频率的变化。因此，在高比例风力发电地区，电力系统的频率稳定性较差，需要风电机组参与系统调频。由于新能源消纳等问题，风电场通常运行在减载弃风模式，如何合理利用风电场的减载功率，使其作为风电场的调频备用功率并在频率跌落发生后能够快速释放，是本申请主要研究的问题。

当前风电机组的调频控制方法主要分为模拟惯性控制、下垂控制和减载控制。采用模拟惯性控制的风机通常运行在最大功率追踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)状态，在频率故障发生时突增/减有功功率，快速释放储存的转子旋转动能，增加系统的等效惯量。下垂控制模拟同步发电机有功-频率的下垂关系，使风机出力与频率偏差成比例关系。减载控制分为超速控制和变桨距角控制，即通过增加风机的转子转速和桨距角来降低风机出力，这部分减载功率作为调频的备用功率。本申请研究的风电调频策略主要基于风电场的减载控制而展开。

发明人在研究中发现，目前国内外不少文献提出了风电场参与系统调频的控制策略。文献“张冠锋,杨俊友,孙峰,等.基于虚拟惯量和频率下垂控制的双馈风电机组一次调频策略[J].电工技术学报,2017(22):231-238.”提出了虚拟惯量控制与下垂控制相结合的控制策略，但对调频参数取值并没有进行过多讨论，在多风速的风电场中调频效果一般，且无功率备用情况下容易引发频率的二次跌落。文献“陈宇航,王刚,侍乔明,等.一种新型风电场虚拟惯量协同控制策略[J].电力系统自动化.”采用实时调整调频参数的方式保证在风电场虚拟惯量控制下不会造成系统频率的二次跌落，但也减小了调频过程中风电场有功出力。文献“彭勃,张峰,梁军.考虑风速分区的风—储系统短期频率响应协同控制策略[J].电力系统自动化, 2018(8):57-65.”提出了基于风电场-储能协调频率控制策略，储能元件的加入基本能够消除由风机转速恢复带来的频率二次跌落问题。文献“Chang-Chien L R,Hung C M,Yin Y C.Dynamic Reserve Allocation for System Contingency by DFIGWind Farms[J].IEEE Transactions on Power Systems,2008, 23(2):729-736.”及“范冠男,刘吉臻,孟洪民,et al.电网限负荷条件下风电场一次调频策略[J].电网技术,2016,40(7):2030-2037.”对风电场有功功率分配及调频控制策略都做了相关研究，功率分配方面使高风速风机承担更多的调频功率，频率控制方面采用了减载控制与下垂控制相结合的方式，下垂系数按照高风速风机采用较大下垂系数的原则整定，但是下垂系数的给定没有考虑当前风机功率减载的具体情况，很可能出现参数过小导致减载功率不能充分释放，或是参数过大导致风机功率过大退出调频的情况。可见，当前大多研究在功率分配策略上形式单一，且调频参数的整定不能很好的结合风机的工况及电网的实际需求。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种风电场一次调频控制方法，能够满足风电场减载的功率要求，合理分配风机功率，同时能够改善系统频率的动态响应特性及稳态值。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

一种风电场一次调频控制方法，包括：

使用超速减载控制的风电场功率分配策略：风电场接受系统调度指令后根据各风电机组反馈的风速信息计算需要减载的功率，将功率参考值及减载控制方式分配给各单机，最大限度的储存风电机组转子动能，提高系统的频率动态特性；

在调频控制中利用变参数控制策略，该控制策略能够保证在调频过程中风机能够释放自身最大备用功率，同时加快频率跌落后的恢复速度。

进一步的技术方案，建立风力机模型：风力机将吸收的风能转换为机械能后通过齿轮箱将机械功率输入到异步发电机中，风能的本质是流动空气所携带的能量，根据空气动力学原理，获得桨叶半径为R的风力机输出的机械功率P_mw表达式。

进一步的技术方案，系统调度向风电场发送调度功率指令P_d，设当前风电场各风机能发出的最大功率之和为P_wfm，，若风电场需要在限功率模式下运行，则风电场需要减载的功率为

ΔP_wfde＝P_wfm-P_d。

进一步的技术方案，风电场控制策略包含两层控制：场站控制和单机控制，风电场接收系统调度指令后决定采用最大功率运行模式还是限功率运行模式；

若采用限功率运行模式，风电场站的中央控制器收集各风机反馈回来的风速信息，向各风机分配参考功率值、减载运行方式以及调频控制系数；各风机主要采用下垂控制与惯性控制结合的控制策略，在频率扰动发生时，各风机频率值超过控制死区自动响应频率变化，不同的调频系数使得不同风机的出力也不相同。

进一步的技术方案，根据当前风电场利用超速控制所能减载的最大功率与风电场需要减载的功率进行比较，若当前风电场利用超速控制所能减载的最大功率大于等于风电场需要减载的功率，则只使用超速控制即可完成风电场的减载目标。

进一步的技术方案，超速控制时，根据每台风机的减载量，优先减载较低风速等级的风机，使其转速达到最大值，如果减载量已经达到要求，较高风速的风机就不再动作。

进一步的技术方案，若当前风电场利用超速控制所能减载的最大功率小于风电场需要减载的功率时，在使低速风机全部超速到额定转速之后，需要额外采用变桨距角控制减载高风速风机。

进一步的技术方案，高风速风机的功率分配引入权重系数，以风速为依据进行分配，计算采用变桨距角控制的各风速风机减载量。

进一步的技术方案，在调频控制中利用变参数控制策略：对于采用减载控制的风机，根据风机功率参考值表达式中，K_p、K_d分别为采用超速控制的下垂系数和惯性控制系数，通过调节各风电机组K_p和K_d，使得风机能够充分发挥自身调频能力并且改善系统频率的动态响应特性。

进一步的技术方案，下垂系数整定方法：每组风机调频控制中下垂系数的整定值：

其中，R为调差系数，K_m为机械功率增益，由调度给定，第n组风机的单机减载量为ΔP_den，设第n组风机的下垂控制系数为K_pn，ΔP_L为负荷功率变化量，即系统功率扰动值，D为电力系统的阻尼系数，ΔP_wfde为风电场需要减载的功率；通过测量系统的平均频率初始变化率的方式来估计系统功率扰动值。

进一步的技术方案，对惯性控制系数K_d进行优化整定，以优化系统频率的动态响应特性：

其中，ΔP_m为同步机机械功率的变化量；ΔP_L为负荷功率变化量，即系统功率扰动值；H和D分别为电力系统的惯量和阻尼系数；以上变量均取标幺值；一次调频结束进入稳态后系统频率变化量Δf。

本发明提供了基于变参数控制的风电场一次调频控制系统，包括：

超速减载控制的风电场功率分配模块：风电场接受系统调度指令后根据各风电机组反馈的风速信息计算需要减载的功率，将功率参考值及减载控制方式分配给各单机，最大限度的储存风电机组转子动能，提高系统的频率动态特性；

变参数控制模块，在调频控制中利用变参数控制模块，保证在调频过程中风机能够释放自身最大备用功率，同时加快频率跌落后的恢复速度。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

本公开针对风电场限功率运行的条件，提出了优先使用超速减载的有功功率分配策略以及变参数的调频控制策略，使风电场能够主动参与系统频率调整，得到了以下主要结论：

本公开分析了超速控制和变桨距角控制两种减载控制策略的特点，提出了优先采用超速控制的风电场有功分配策略，该策略能够保证风电场在调频过程中释放更多的转子动能，减少桨距角的频繁动作，能够优化系统频率动态响应和减小风电机组的机械磨损。

本公开提出了变参数控制的风电机组调频策略，下垂系数的整定能够保证每台风机在调频过程中充分释放备用功率，有效提高频率稳态值。惯性控制系数的改变能够有效提高频率的恢复速度。

本公开仿真结果验证了所提控制策略对于系统频率特性的优化作用，该控制策略在低风速风电场作用更明显。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例减载控制原理图；

图2为本发明实施例风电场控制原理图；

图3为本发明实施例最大减载功率与风速关系曲线图；

图4为本发明实施例功率分配流程图；

图5为本发明实施例系统惯量不同时的频率响应曲线图；

图6为本发明实施例超速减载风机调频控制策略图；

图7为本发明实施例变桨距角减载风机调频控制策略图；

图8为本发明实施例仿真系统模型图；

图9(a)为本发明实施例仿真系统系统频率响应曲线图；

图9(b)为本发明实施例风电场功率变化曲线图；

图9(c)为本发明实施例风机转速变化曲线图；

图10为本发明实施例不同惯性系数控制方式下的系统频率曲线图；

图11(a)为本发明实施例不同控制策略下的系统频率响应曲线图；

图11(b)为本发明实施例不同控制策略下的系统频率响应曲线图；

图12(a)为本发明实施例不同控制策略下的系统频率响应曲线图；

图12(b)为本发明实施例不同控制策略下的风电场功率曲线图；

图13为本发明实施例低阶系统频率响应模型图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本公开使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明提出的总体思路：

由于采用电力电子设备与电网相连，变速恒频风机无法响应系统频率的变化，因此需要研究合理的控制策略，使风机参与系统调频。针对该问题，本发明提出了优先使用超速减载控制的风电场功率分配策略，该策略能够最大限度的储存风电机组转子动能，提高系统的频率动态特性；在此基础上，进一步在调频控制中提出了变参数控制策略，该控制策略能够保证在调频过程中风机能够释放自身最大备用功率，同时也能加快频率跌落后的恢复速度。

实施例一

本实施例公开了一种风电场一次调频控制方法，在分析超速控制和变桨距角控制调频特性的基础上，提出了一种优先使用超速控制减载的风电场功率分配方式，即低风速风机优先减载。在调频控制参数的整定方面，本公开提出了变参数控制的调频控制策略，根据风机工况及电网扰动情况推导了下垂控制系数的表达式，保证在频率跌落时每台风机都能够充分释放自身的备用功率。仿真结果表明，文章所提控制策略能够有效优化系统频率响应动态特性，提高系统频率的稳态值。

具体实施例中，风力机模型：风力机将吸收的风能转换为机械能后通过齿轮箱将机械功率输入到异步发电机中。风能的本质是流动空气所携带的能量，根据空气动力学原理，桨叶半径为R的风力机输出的机械功率P_mw表达式为

C_p(λ,β)＝0.2(116z-0.4β-5)e^-12.5z (2)

其中V_w为风速；ρ为空气密度；C_p为风能利用系数，是风力机叶尖速比λ与桨距角β的函数；ω_t为风力机转速，发电机转子转速ω_r＝n*ω_t；n为齿轮箱变比。

关于超速控制与变桨控制，从风力机机械功率表达式可以看出，在一定风速情况下，风力输出机械功率只与转子转速与桨距角代销有关，可以通过变化转子转速或桨距角的值实现风机有功功率的控制，因此风机的减载控制一般分为超速控制和变桨距角控制。超速控制即控制风机转子超速运行，使其运行在非最大功率点，从而留出一定的备用功率，即图1中的点1到点2，通过增加风机的转速使其输出功率降低，在频率降低时可以通过降低转速来提高风机的输出功率。变桨距角控制通过增大桨距角减小风机功率(点1到点3)，并使桨距角与系统频率耦合，当频率跌落时，减小桨距角，风机输出功率增大，从而为系统提供额外的频率支撑。

在运行范围方面，由于转速限值的约束，超速减载控制通常只能在低风速下使用，变桨距角控制可以在全风速下使用。在调频过程中，超速控制响应速度较快，能够快速释放转子动能，变桨距角控制由于控制对象是桨距角，响应速度较慢，且桨距角的频繁变化容易加剧机械磨损降低风机的使用寿命。

从能量角度分析，当风机在同一风速下采用一定减载率时，两种减载控制方法损失同样的机械功率，但由于转子转速增加，超速控制能够储存一定的转子动能。因而在调频过程中，超速控制能够快速释放转子动能，在相同时间下释放更多的调频能量，对于系统频率的动态特性有明显提升。

因此，结合两种减载控制方式的特点，本公开提出了是优先使用超速减载控制的功率分配方案，这种分配方案能够保证风电场快速响应系统频率变化，并能够减少桨距角的频繁动作，延长风电机组使用寿命。

风电场功率分层控制：在风力发电渗透率较高的区域，由于可再生能源消纳等问题，通常会出现弃风现象，即风电场运行在限功率模式，减少的功率就可以作为风电场参与调频的备用功率。

系统调度向风电场发送调度功率指令P_d，设当前风电场各风机能发出的最大功率之和为P_wfm，则风电场应发出的功率参考值P_wf为

若风电场需要在限功率模式下运行，则风电场需要减载的功率为

ΔP_wfde＝P_wfm-P_d (6)

风电场控制策略包含两层控制：场站控制和单机控制。如图2所示，风电场接收系统调度指令后决定采用最大功率运行模式还是限功率运行模式。若采用限功率运行模式，风电场站的中央控制器收集各风机反馈回来的风速信息，并根据本公开提出的控制策略向各风机分配参考功率值、减载运行方式以及调频控制系数。各风机主要采用下垂控制与惯性控制结合的控制策略，在频率扰动发生时，各风机频率值超过控制死区自动响应频率变化，不同的调频系数使得不同风机的出力也不相同。

双馈风电场功率分配控制策略：一般而言，风电场中的风机在地理位置上分布广泛，且考虑尾流效应等因素，各风机所处的风速也不尽相同。由前面的分析可知，超速减载控制运行范围较窄，只适用于低风速的情况。在低风速情况下，若风机超速到自身的额定(最大)转速ω_max,则可以获得超速控制下的最大备用功率，本节中称此功率为风机的超速最大减载功率ΔP_dem。在本公开中所使用的1.5MW风机模型中，超速最大减载功率ΔP_dem与风速的关系如图3所示。

具体的，1.5MW风机模型中，额定功率1.5MW，风轮半径R＝34m,齿轮箱变比为100:1，桨距角控制器伺服时间常数，桨距角最大变化率，桨距角最大值β_max＝50°，桨距角最小值β_min＝0°，桨距角最大变化率＝±10°/s发电机极对数为2，最大风能利用系数C_pmax＝0.4382，最优叶尖速比λ_opt＝6.325。

将系统等值为一个发电机和一个负荷的简化模型，提出了电力系统的低阶频率响应模型，如图13所示。该模型忽略了同步发电机组调速器中小时间常数环节，对于调速器模型进行了简化，误差较小，方便分析。其中ΔP_d为系统功率扰动，ΔP_m为同步机机械功率增量，Δω为系统频率变化量，H 为同步机惯量，D为阻尼系数，F_H为高压涡轮机功率比例系数，T_R为再热时间常数，R为调差系数，K_m为机械功率增益，一般由系统调度给定。

从图3可以看出，风机的超速最大减载功率随着风速的升高而减小，因此可以将风速作为风电场风机分组控制的依据。将风电场中处于低风速的风机按照风速均匀地分为若干组，分类依据如表1所示，若风速处于两组风速之间，则将该风机归入较高的风速组别。

表1低风速风机分组表

设ΔP_demi为第i组风机的超速减载最大功率，则当前风电场利用超速控制所能减载的最大功率为

本公开提出的功率分配策略满足以下原则：

若ΔP_Σ≥ΔP_wfde，则只使用超速控制即可完成风电场的减载目标，每台风机的减载量为

其中R_i为第i组中风机的个数，ΔP_dei为第i组中每台风机的减载功率值。从式(8)可以看出，超速控制时优先减载较低风速等级的风机，使其转速达到最大值，原因在于风机的超速最大减载功率与风速成反比，减载同样数量的风机较低风速组别的风机可以减载更多的功率。如果减载量已经达到要求，较高风速的风机就不再动作。当减载量较小时，这种控制方式可以使风电场中采取超速动作的风机数量尽可能少，使更多的风机运行在MPPT状态。

若ΔP_Σ<ΔP_de，则只使用超速控制无法满足减载需求，在使低速风机全部超速到额定转速之后，需要额外采用变桨距角控制减载高风速风机。高风速风机的功率分配引入权重系数，以风速为依据进行分配，如表2所示。采用变桨距角控制的各风速风机减载量为

其中ΔP_dej为采用变桨距角控制的每台风机的减载量；n_j为第j组风机的数量；WF_j为第j组风机的权重系数。根据式(9)可知，采用变桨控制的风机功率分配策略与超速控制的风机功率分配策略恰好相反，风速越高的风机分配得到的减载功率越多，这是因为在变桨控制下高风速风机能够提供的备用容量较多，且在桨距角变化同样角度的条件下，高风速风机的功率变化量也越多，因此在减载的时候分配给较高风速的风机更多的备用功率，也有利于优化频率动态响应特性。

表2各风速风机权重系数分配表

若风电场中不存在表2中所示风速的风机，则将变桨减载功率平均分配到各低风速风机中，极端情况下可将部分风机的桨距角调到最大值以实现风电场的减载控制。

根据上述控制策略，风电场接受系统调度指令后根据各风电机组反馈的风速信息计算需要减载的功率，并按照图4所示的流程图将功率参考值及减载控制方式分配给各单机。

风机调频控制策略：对于采用减载控制的风机，风机功率参考值为

其中P_de0为风机减载后的初始功率,K_p、K_d分别为采用超速控制的下垂系数和惯性控制系数。本节所提出的调频控制策略的主要目的就是通过调节各风电机组K_p和K_d，使得风机能够充分发挥自身调频能力并且改善系统频率的动态响应特性。

下垂系数整定方法：若要充分发挥风机自身的调频能力，则需要风机在调频完成后从开始时的减载运行点到结束后的最大功率点，这样才相当于释放了所有风机的备用功率，能够优化频率稳态值。系统在一次调频结束后频率会进入一个新的稳态，频率变化率为零但频率偏差依然存在，风机调频功率中只有下垂控制在起作用。因此对各风电机组下垂系数K_p的整定涉及到风机最终的调频出力。

计及风电场的出力，电力系统频率状态方程为

其中ΔP_m为同步机机械功率的变化量；ΔP_L为负荷功率变化量，即系统功率扰动值；ΔP_wf为风电场功率变化量；H和D分别为电力系统的惯量和阻尼系数；以上变量均取标幺值。假设风电场在调频过程中将所有的备用功率释放，则在一次调频完成后风电场增发的功率就是其减载功率ΔP_wfde；一次调频进入稳态后，频率变化率为0，同步机机械功率变化量与频率变化量成正比，根据文献“Anderson P M,Mirheydar M.A low-order systemfrequency response model[J].IEEE Transactions on Power Systems, 2002,5(3):720-729.”提出的频率响应模型可知机械功率变化量为-K_mΔω_s/R, 其中R为调差系数，K_m为机械功率增益，由调度给定。将各变量的值带入式(12)中可得

由此可以推得一次调频结束进入稳态后系统频率变化量Δf_end(Δω_s)的表达式为：

将风电场中的所有参与调频的风机按照风速分组，组间风速差为 1m/s，第n组风机的单机减载量为ΔP_den，设第n组风机的下垂控制系数为 K_pn，则根据上述分析，若要充分利用风机减载功率，一次调频结束后满足

ΔP_den＝K_pnΔf_end (15)

式(14)中的单机减载量ΔP_den同样为标幺值，不过与其他式中的变量不同，其功率基值为单台风电机组的额定功率，其他功率变量的基值均为同步发电机组的额定功率。联立式(14)、(15)，则可以得到每组风机调频控制中下垂系数的整定值

从上式可以看出，每台风机下垂系数的整定需要系统扰动功率值，一般而言无法直接测得，本公开采用测量频率变化率的方法估计负荷功率变化量。根据得到的系统低阶频率响应模型，文献“Anderson P M,Mirheydar M.Alow-order system frequencyresponse model[J].IEEE Transactions on Power Systems,2002,5(3):720-729.”中提到负荷的功率突增量ΔP_L可以通过系统频率的初始变化率得到,即利用拉氏变换的初值定理，ΔP_L＝2H*df/dt|_t＝0。因此可以通过测量系统的平均频率初始变化率的方式来估计系统功率扰动值。

惯性控制系数变参数控制：惯性控制环节与系统频率变化率相关，加入后能够阻止系统频率的快速变化，在频率跌落的情况下提高频率最低点。本节主要是对惯性控制系数K_d进行优化整定，以优化系统频率的动态响应特性。采用超速控制的风机在调频过程中的功率变化量是

其中下垂系数K_p与惯性控制系数K_d均大于0。联立式(12)、(17) 可得

从上式可以看出，风机惯性控制环节使得系统的等效惯量增大，有利于优化系统频率的动态响应特性。

文献“Anderson P M,Mirheydar M.A low-order system frequency responsemodel[J].IEEE Transactions on Power Systems,2002,5(3):720-729.”中提出了系统频率响应简化模型，可以用来分析系统惯量的取值对于系统频率动态响应特性的影响，在MATLAB中搭建了低阶系统频率响应模型，令系统惯量H分别取值4和5，得到的频率曲线如图5所示。从图中可以看出，系统惯量大的能够有效阻止频率的快速变化，在系统频率跌落的情况下能够提高频率最低点，不过由于惯量具有阻止频率变化趋势的作用，惯量大的系统在频率恢复时所用的时间也更长。为了更好的优化系统频率的动态响应特性，本节策略使得风机惯性控制环节在频率跌落的初始阶段主要发挥作用，在频率变化率由负变为正值后，将风机惯性控制环节的参数K_d置零，使得系统的等效惯量降低，进而加快系统频率的恢复速度，具体控制方案如图6、图7所示。图7中P_weref为电磁功率参考值，T_servo为桨距角控制器伺服时间常数。

对于采用超速控制的风机，不同风速的风机储存的转子动能不同，因此在K_d0的取值上也有所差异，本公开中超速控制的风机K_d0取值与当前风速成反比关系。桨距角控制器响应速度较慢，虽然加入惯性控制环节，但变桨控制在扰动发生后短时间内对频率跌落的阻止作用有限，且高风速风机的减载点相对于最优功率点并没有储存转子动能，因此K_d0取值不随风速变化。

仿真验证：为了验证本公开所提控制策略的有效性，本公开在 DigSilent/PowerFactory软件中搭建了如图8所示的仿真模型。其中G₁为一个500MW的火电厂，风电场装机容量为270MW，含有100台1.5MW的 DFIG机组，负荷L₁为250MW，L₂为150MW。仿真系统的初始频率为50HZ，在仿真进行到20s时，负荷L₂突然增加30MW。

风电场单机聚合模型验证：为了验证风机调频控制策略的有效性，首先采用风电场的单机聚合模型，即默认风电场中所有风机的型号、所处风况相同。

风电场中的100台1.5MW风机所处风速均为7m/s，风机处于最大功率状态时的功率为0.329MW，最大功率点转速为0.829p.u.，风机超速到最大转速1.2p.u.时的功率为0.236MW，即超速最大减载功率为0.093MW。

将风电场所有风机采用超速控制，风电场留有9.3MW的备用功率。根据式(16)计算得到当前风机的K_p取值应为20.5。为了验证所提控制策略的有效性，本节分别在风机不参与调频、K_p采用不同取值的场景下进行了仿真，图9(a)-图9(c)为在不同仿真场景下系统频率、风机出力及风机转速的对比曲线。

从仿真结果可以看出，风机主动参与调频对于优化系统频率的动态过程，系统频率最低点以及稳态值有明显提升。对于K_p的取值，当K_p取20.5 时，系统频率达到稳态后风电场基本释放出了所有备用功率，出力达到 32.87MW，与风电场的最大出力32.9MW差距很小，在一次调频结束后，风电场电磁功率维持在最大功率点，风机转速还在恢复过程中，转子动能仍在释放，当电磁功率等于机械功率时，风机转速停留在最大功率转速。当K_p取值较小(K_p＝10)时，风机转速能够较快的稳定下来，但风电场的出力远小于最大功率，未能充分释放风电场的备用功率，系统频率的稳态值较小。当K_p取值较大(K_p＝30)时，虽然系统频率动态特性以及频率稳态值都优于其他场景，但由于风电场电磁功率较大，在58s时触发调频过程中的风机转速下限，风电场出力突然下降，进而引起系统频率的二次跌落。

因此，对于风电场调频下垂系数的整定有利于优化系统频率动态特性及稳态值，下垂系数过大或者过小容易引起系统频率二次跌落、风电场备用功率无法充分释放的问题。

为了验证惯性系数变参数控制的有效性，本节对比了采用变参数控制和定参数控制下的系统频率特性曲线，如图10所示。仿真情景与前述情景相同，只是在调频过程中改变了K_d的取值。在系统频率变化率由负变为正之后，采用变参数控制的风机只有下垂控制，没有了惯性控制，K_d＝0。图中t₁与t₂的差值为0.5s，因此变参数控制可以缩短系统频率的恢复时间，这种情况在惯性系数K_d的取值较大时尤为明显。

含有多风速风机的风电场模型验证：本节中风电场各机组所处的风速不再相同，因此不能再用单一的聚合模型来验证控制策略的有效性，需要采用多风机模型验证。本节按照风场平均风速的不同设定了两个场景，分别在风速较低和风速较高的情况下验证控制策略的有效性。

(1)风电场风速较低

本部分采用表3所示的风速分布来模拟风电场风速较低的情况。仿真场景为风电场接受调度指令减载5MW，即风电场留出约10％的调频备用。

表3场景1风电场风速分布

根据提出的功率分配策略，各组风机减载量及减载后的功率如表4所示。当前风速各风机仅通过超速控制最大可以减载6.05MW，不需要采用变桨距角控制减载，采用超速减载控制的风机优先减载低风速风机，因此所处风速为6m/s、7m/s的风机直接超速到最大转速1.2p.u.，剩余1.03MW减载功率平均分配到30台所处风速为8m/s的风机中，每台风机需减载 0.034MW，即将风机转速超速到1.14p.u.。

表4场景1风电场功率分配

在确定每台风机的减载功率后，就可以得到式(16)中除负荷扰动量之外的其他参数值。负荷扰动发生后，控制系统根据测得的频率变化率初始值估计负荷扰动量，进而自动生成了每组风机在调频过程中下垂系数。

除了本公开提出的控制策略外，本节采用另外两种控制策略进行对比分析，方案1中的风电场平均分配减载功率并采用定下垂系数控制策略调频，方案2中的风电场按本公开方案分配减载功率，不过调频控制策略为定下垂系数控制。

若将风电场看为一个整体，将相关参数代入到式(16)中得到的下垂系数为9.8。方案1利用变桨距角控制进行减载，平均每台风机分配到了 0.05MW的减载功率并统一使用相同的下垂系数，下垂系数值为9.8。方案 2的减载功率的分配及控制方法与本公开相同，但是调频过程中采用定下垂系数控制，统一取9.8。以上几种控制策略下的系统频率动态曲线及风电场的有功出力变化情况如图10所示。

仿真结果显示，方案1所提控制策略基本能够释放所有的备用功率，由于每台风机的下垂系数相同，因此在调频过程中释放的备用也相同，且采用了式(16)整定的下垂系数，能够最大限度发挥风电场的备用功率；不过因为方案1采用传统的变桨控制来调整风机的功率，因此响应速度较慢，对于系统频率响应的动态特性优化十分有限。方案2中的风电场没能完全释放自身的备用功率，造成系统频率的稳态值较低，方案2中风机的惯性控制系数也都相同，因此频率的动态特性也略逊于本公开提出的控制策略。方案2的控制策略中不同风机的减载功率也不同，因此如果采用相同的下垂系数，就会导致部分风机无法释放全部的备用功率，或者发出的功率超出风机自身的最大功率值，进而风机脱网造成频率的震荡。

(2)风电场风速较高

表5场景2风电场风速分布

本部分采用表5所示的风速分布来模拟风电场风速较高的情况。假设风电场接受调度指令减载15MW，即减载率约为15.3％。经计算低风速风机(风速为8m/s、9m/s)能够提供的最大减载功率为1.05MW，远小于15MW，因此需要通过变桨距角控制减载。采用变桨距角控制的风机需要利用式(9) 分配减载功率，按照权重因数的分配法则，风速越高需要减载的功率越多。经过计算后的减载功率分配如表6所示。高风速风电场同样利用方案1和方案2与本公开控制策略进行对比分析。扰动发生后系统频率的响应特性及风电场出力的变化曲线如图11(a)-图11(b)所示。

表6场景2风电场功率分配

图12(a)-图12(b)所示，从仿真结果来看，方案1的效果和场景1 类似，由于只采用变桨距角控制，风电场的功率变化速度较慢，无法提供快速的有功支撑，系统频率的动态特性较差。方案2在负荷扰动发生后的几秒内系统频率特性较好，但由于各风机的下垂系数相同，8m/s和9m/s的风机无法长时间负担较大的调频功率，因此在较短时间内退出调频引起系统频率的二次跌落和振荡，且无法释放所有风机的备用功率。本公开所提控制策略在高风速下能够有效释放备用功率，对提升系统频率的动态特性有一定效果。

由于在高风速下能够采用超速控制的风机数量有限，因此在高低风速两种场景下，本公开所提的控制对于系统频率动态响应特性的提升在低风速的情况下更为明显。在高风速下，由于多数风机采用变桨距角控制，风电场有功功率增发速度较慢，对系统频率的惯量支撑有限。因此本公开所提控制策略在低风速下对于频率动态特性的提升更有效，但在任何情况下都能够充分释放风电场的备用功率，有效提升系统频率的稳态值。

实施例二

本实施例的目的是提供一种计算装置,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤，包括：

使用超速减载控制的风电场功率分配策略：风电场接受系统调度指令后根据各风电机组反馈的风速信息计算需要减载的功率，将功率参考值及减载控制方式分配给各单机，最大限度的储存风电机组转子动能，提高系统的频率动态特性；

在调频控制中利用变参数控制策略，该控制策略能够保证在调频过程中风机能够释放自身最大备用功率，同时加快频率跌落后的恢复速度。

实施例三

本实施例的目的是提供一种计算机可读存储介质。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时执行以下步骤：

使用超速减载控制的风电场功率分配策略：风电场接受系统调度指令后根据各风电机组反馈的风速信息计算需要减载的功率，将功率参考值及减载控制方式分配给各单机，最大限度的储存风电机组转子动能，提高系统的频率动态特性；

在调频控制中利用变参数控制策略，该控制策略能够保证在调频过程中风机能够释放自身最大备用功率，同时加快频率跌落后的恢复速度。

实施例四

本发明提供了基于变参数控制的风电场一次调频控制系统，包括：

超速减载控制的风电场功率分配模块：风电场接受系统调度指令后根据各风电机组反馈的风速信息计算需要减载的功率，将功率参考值及减载控制方式分配给各单机，最大限度的储存风电机组转子动能，提高系统的频率动态特性；

变参数控制模块，在调频控制中利用变参数控制模块，保证在调频过程中风机能够释放自身最大备用功率，同时加快频率跌落后的恢复速度。

以上实施例二、三和四的装置中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本发明中的任一方法。

本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种风电场一次调频控制方法，其特征是，包括：

使用超速减载控制的风电场功率分配策略：风电场接受系统调度指令后根据各风电机组反馈的风速信息计算需要减载的功率，将功率参考值及减载控制方式分配给各单机，最大限度的储存风电机组转子动能，提高系统的频率动态特性；

在调频控制中利用变参数控制策略，该控制策略能够保证在调频过程中风机能够释放自身最大备用功率，同时加快频率跌落后的恢复速度。

2.如权利要求1所述的一种风电场一次调频控制方法，其特征是，系统调度向风电场发送调度功率指令P_d，设当前风电场各风机能发出的最大功率之和为P_wfm，，若风电场需要在限功率模式下运行，则风电场需要减载的功率为

ΔP_wfde＝P_wfm-P_d。

3.如权利要求1所述的一种风电场一次调频控制方法，其特征是，风电场控制策略包含两层控制：场站控制和单机控制，风电场接收系统调度指令后决定采用最大功率运行模式还是限功率运行模式；

若采用限功率运行模式，风电场站的中央控制器收集各风机反馈回来的风速信息，向各风机分配参考功率值、减载运行方式以及调频控制系数；各风机主要采用下垂控制与惯性控制结合的控制策略，在频率扰动发生时，各风机频率值超过控制死区自动响应频率变化，不同的调频系数使得不同风机的出力也不相同。

4.如权利要求2所述的一种风电场一次调频控制方法，其特征是，根据当前风电场利用超速控制所能减载的最大功率与风电场需要减载的功率进行比较，若当前风电场利用超速控制所能减载的最大功率大于等于风电场需要减载的功率，则只使用超速控制即可完成风电场的减载目标。

5.如权利要求4所述的一种风电场一次调频控制方法，其特征是，超速控制时，根据每台风机的减载量，优先减载较低风速等级的风机，使其转速达到最大值，如果减载量已经达到要求，较高风速的风机就不再动作。

6.如权利要求2所述的一种风电场一次调频控制方法，其特征是，若当前风电场利用超速控制所能减载的最大功率小于风电场需要减载的功率时，在使低速风机全部超速到额定转速之后，需要额外采用变桨距角控制减载高风速风机。

进一步的技术方案，高风速风机的功率分配引入权重系数，以风速为依据进行分配，计算采用变桨距角控制的各风速风机减载量。

7.如权利要求1所述的一种风电场一次调频控制方法，其特征是，在调频控制中利用变参数控制策略：对于采用减载控制的风机，根据风机功率参考值表达式中，K_p、K_d分别为采用超速控制的下垂系数和惯性控制系数，通过调节各风电机组K_p和K_d，使得风机能够充分发挥自身调频能力并且改善系统频率的动态响应特性。

进一步的技术方案，下垂系数整定方法：每组风机调频控制中下垂系数的整定值：

其中，R为调差系数，K_m为机械功率增益，由调度给定，第n组风机的单机减载量为ΔP_den，设第n组风机的下垂控制系数为K_pn，ΔP_L为负荷功率变化量，即系统功率扰动值，D为电力系统的阻尼系数，ΔP_wfde为风电场需要减载的功率；通过测量系统的平均频率初始变化率的方式来估计系统功率扰动值。

8.如权利要求7所述的一种风电场一次调频控制方法，其特征是，对惯性控制系数K_d进行优化整定，以优化系统频率的动态响应特性：

其中，ΔP_m为同步机机械功率的变化量；ΔP_L为负荷功率变化量，即系统功率扰动值；H和D分别为电力系统的惯量和阻尼系数；以上变量均取标幺值；一次调频结束进入稳态后系统频率变化量Δf。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征是，该程序被处理器执行时执行以下步骤：

使用超速减载控制的风电场功率分配策略：风电场接受系统调度指令后根据各风电机组反馈的风速信息计算需要减载的功率，将功率参考值及减载控制方式分配给各单机，最大限度的储存风电机组转子动能，提高系统的频率动态特性；

在调频控制中利用变参数控制策略，该控制策略能够保证在调频过程中风机能够释放自身最大备用功率，同时加快频率跌落后的恢复速度。

10.基于变参数控制的风电场一次调频控制系统，其特征是，包括：

超速减载控制的风电场功率分配模块：风电场接受系统调度指令后根据各风电机组反馈的风速信息计算需要减载的功率，将功率参考值及减载控制方式分配给各单机，最大限度的储存风电机组转子动能，提高系统的频率动态特性；

变参数控制模块，在调频控制中利用变参数控制模块，保证在调频过程中风机能够释放自身最大备用功率，同时加快频率跌落后的恢复速度。

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