CN111336063B - 一种基于风力发电机运行工况的有功出力波动平抑方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及风力发电机技术领域，具体涉及一种基于风力发电机运行工况的有功出力波动平抑方法。本发明提出了一种基于风力发电机运行工况的有功出力波动平抑方法，分别在高频偏差和低频偏差进行功率功率平抑；即在高频偏差时,通过风机旋转部分有效地存储能量，遏制有功出力波动；在低频偏差时，通过风机的旋转部分有效地释放能量到电网中，抑制有功出力波动；从而使实现双馈风力发电机组主动参与功率平抑，平滑系统频率波动，减少同步发电机一次调频的启动次数。

Description

一种基于风力发电机运行工况的有功出力波动平抑方法
技术领域
本发明涉及风力发电机技术领域，具体涉及一种基于风力发电机运行工况的有功出力波动平抑方法。
背景技术
随着风力发电技术的不断发展，风机的装机容量日益增加；由于双馈风力发电机组采用了先进的电力电子变流器器件，实现了最大功率追踪运行和有功与无功的解耦控制等优点，但也导致了风力发电机组的机械部分与电网频率解耦；致使风电机组无法像同步电机一样提供惯性响应；特别是在高风电的渗透率并网系统中，造成严重的系统频率偏差。此外，风电机组与常规火电机组相比，其承受高频与低频能力差，扰乱期间容易受频率异常的影响，导致电力系统出现大规模风力发电机组解列现象，进一步加重电力系统的不稳定性，引发严重的连锁问题。因此，风电场若不进行有功出力波动平抑控制的改造、升级，随着电力系统的系统结构的改变和风电的持续并网，电力系统势必将面临电网频率稳定性的巨大风险。国外的相关机构已经颁布了相关规范和要求，这使得风力发电机组有功出力波动平抑成为当今的热点问题。
目前，现有有功功率波动平抑的技术方法，由于受到常控制参数的影响，风机不能充分利用转子中存储的旋转动能，从而限制风机的有功出力波动平抑能力；此外，在低风机转子转速场景下，过量的能量释放容易引起风机转速失稳现象，进而造成严重的二次频率跌落；加大系统频率的波动，严重时会致使风机解列以及触发低频减载装置启动，因此，如何有效地利用风机的旋转动能来平抑有功出力波动是今后亟需解决的一项技术。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的不足，提出了一种基于风力发电机运行工况的有功出力波动平抑方法。本发明当基于锁相环计算的电网频率偏移超出死区时，启动风电机组的功率波动平抑控制；当计算的系统频率偏差大于零时，即在高频率偏差，通过将能量储存到风机中来实现功率平抑，使用的控制参数与风机转速的成反比例关系，实现在低转速时储存更多的能量，在高转速时适量的储存能量，进而减少桨距角控制器启动次数和时间；当计算的系统频率偏差小于零时，即在低频偏差时通过释放能量到电网中来实现功率平滑，使用的控制参数与风机转速成正比例关系，实现在高转速时释放更多的能量，在低转速时释放合适的能力，从而避免风机转速失稳问题发生。
本发明为实现上述发明目的，采取的技术方案如下：
一种基于风力发电机运行工况的有功出力波动平抑方法，包括以下步骤：
S1：根据公共耦合点的电压计算系统电网瞬时频率，当电网频率变化并超出设定的死区范围时，启动主动有功功率波动平抑控制；
S2：根据计算的电网频率，计算系统频率偏差Δf，并且判断系统频率偏差Δf的正负；
S3：根据采集风机的转子转速，分别计算高频偏差用控制参数AGOF(ωr)和低频偏差用控制参数AGUF(ωr)；
Figure GDA0003092750850000021
公式(1)中，AGOF(ωr)为高频偏差用控制参数，C为功率波动平抑因子，其用于调整功率平抑效果，ωr，ωmax和ωmin分别为风机转子转速，最大转子转速和最小转子转速；
Figure GDA0003092750850000022
公式(2)中，AGUF(ωr)为低频偏差用控制参数，C为功率波动平抑因子，其用于调整功率平抑效果，ωr，ωmax和ωmin分别为风机转子转速，最大转子转速和最小转子转速；
S4：根据计算的系统频率偏差Δf的正负，判断采用高频偏差用控制参数AGOF(ωr)或低频偏差用控制参数AGUF(ωr)获得功率波动平抑控制的有功变化量，将有功增量输入到转子侧控制器中计算风机的有功功率输出值Pref，具体公式如下所示：
Figure GDA0003092750850000023
公式(3)中，PMPPT为最大功率追踪输出功率，AGOF(ωr)为高频偏差用控制参数，AGUF(ωr)为低频偏差用控制参数。
作为本发明的优选技术方案：所述步骤S3的具体步骤如下：
S3.1：采集风机的转子转速ωr，掌握风机的最大转子转速ωmax和最小转子转速ωmin；
S3.2：根据风机的运行特性，分析风机的存储能量和释放能量的潜力；
S3.3：当计算的系统频率偏差Δf大于零时，即在高频率偏差时考虑风机存储能量的潜力，使用高频偏差用控制参数与风机转子转速成反比例关系，其表达式如下：
Figure GDA0003092750850000024
公式(1)中，AGOF(ωr)为高频偏差用控制参数，C为功率波动平抑因子，其用于调整功率平抑效果，ωr，ωmax和ωmin分别为风机转子转速，最大转子转速和最小转子转速；
当计算的系统频率偏差Δf小于零时，即在低频偏差时考虑风机释放能量的潜力，使用低频偏差用控制参数与风机转子转速成正比例关系，其表达式如下：
Figure GDA0003092750850000031
公式(2)中，AGUF(ωr)为低频偏差用控制参数，C为功率波动平抑因子，其用于调整功率平抑效果，ωr，ωmax和ωmin分别为风机转子转速，最大转子转速和最小转子转速。
作为本发明的优选技术方案：所述步骤S2中，计算系统频率偏差Δf后还需要对系统频率偏差Δf进行滤波处理,根据处理后的系统频率偏差Δf判断是否超出设定的死区范围。
作为本发明的优选技术方案：所述步骤S4中，计算风力发电机的有功功率输出值Pref时，为防止风力发电机过负荷及减少机械疲劳，所计算的有功功率输出值Pref需要受到最大有功功率限幅和有功功率变化率的限制。
本发明所述的一种基于风力发电机运行工况的有功出力波动平抑方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)本发明的方法通过附加功率平抑控制到风机转子侧控制，分别在高频和低频偏差时通过存储能量到风机中或释放能量到电网中，来实现风机的有功出力波动平抑。
(2)本发明的方法在高频偏差时，考虑风机存储能量的潜力，高频偏差用控制参数与风机转速成反比例关系，即在低风机转子转速时，充分存储动能来平抑功率波动；在高转速时，存储适当的动能避免过多的启动桨距角控制。在低频偏差时，考虑风机释放能量的潜力，低频偏差用控制参数与风机转速成正比关系，即在高转速时充分释放能量来平抑功率波动；在低转速时释放适量的旋转动能来弥补系统有功缺失，并不引起风机转速失稳问题和严重的二次频率跌落。
(3)本发明提出的方法，相比于常功率波动参数，能够更有效地减少系统频率波动，降低同步发电机组的一次调频启动次数，改善风机并网能力，为高风电并网提供保障，可以促进风机的商业化发展及减少调频用储能装置的使用。
附图说明
图1是本发明提出的方法流程示意图；
图2是本发明提出的参数曲线当C＝300时示意图；
图3是本发明实施例IEEE14节点仿真系统示意图；
图4是本发明实施例双馈式风力发电机结构示意图；
图5是本发明实施例风机的输入风速示意图；
图6(a)是本发明实施例瞬时系统频率偏差曲线图；
图6(b)是本发明实施例风机有功出力曲线图；
图6(c)是本发明实施例有功变化量曲线图；
图6(d)是本发明实施例风机转子转速曲线图；
图6(e)是本发明实施例控制参数曲线图。
具体实施方式
下面结合附图详细的描述本发明的作进一步的解释说明,以使本领域的技术人员可以更深入地理解本发明并能够实施,但下面通过参考实例仅用于解释本发明,不作为本发明的限定。
如图1所示，一种基于风力发电机运行工况的有功出力波动平抑方法，包括以下步骤：
S1：根据公共耦合点的电压计算系统电网瞬时频率，当电网频率变化并超出设定的死区范围时，启动主动有功功率波动平抑控制；
S2：根据计算的电网频率，计算系统频率偏差Δf，并且判断系统频率偏差Δf的正负；
S3：根据采集风机的转子转速，分别计算高频偏差用控制参数AGOF(ωr)和低频偏差用控制参数AGUF(ωr)；
Figure GDA0003092750850000041
公式(1)中，AGOF(ωr)为高频偏差用控制参数，C为功率波动平抑因子，其用于调整功率平抑效果，ωr，ωmax和ωmin分别为风机转子转速，最大转子转速和最小转子转速；
Figure GDA0003092750850000042
公式(2)中，AGUF(ωr)为低频偏差用控制参数，C为功率波动平抑因子，其用于调整功率平抑效果，ωr，ωmax和ωmin分别为风机转子转速，最大转子转速和最小转子转速；
S4：根据计算的系统频率偏差Δf的正负，判断采用高频偏差用控制参数AGOF(ωr)或低频偏差用控制参数AGUF(ωr)获得功率波动平抑控制的有功变化量，将有功增量输入到转子侧控制器中计算风机的有功功率输出值Pref，具体公式如下所示：
Figure GDA0003092750850000043
公式(3)中，PMPPT为最大功率追踪输出功率，AGOF(ωr)为高频偏差用控制参数，AGUF(ωr)为低频偏差用控制参数。
其中，步骤S3的具体步骤如下：
S3.1：采集风机的转子转速ωr，掌握风机的最大转子转速ωmax和最小转子转速ωmin；
S3.2：根据风机的运行特性，分析风机的存储能量和释放能量的潜力；
S3.3：当计算的系统频率偏差Δf大于零时，即在高频率偏差时考虑风机存储能量的潜力，使用高频偏差用控制参数与风机转子转速成反比例关系，其表达式如下：
Figure GDA0003092750850000051
公式(1)中，AGOF(ωr)为高频偏差用控制参数，C为功率波动平抑因子，其用于调整功率平抑效果，ωr，ωmax和ωmin分别为风机转子转速，最大转子转速和最小转子转速；
当计算的系统频率偏差Δf小于零时，即在低频偏差时考虑风机释放能量的潜力，使用低频偏差用控制参数与风机转子转速成正比例关系，其表达式如下：
Figure GDA0003092750850000052
公式(2)中，AGUF(ωr)为低频偏差用控制参数，C为功率波动平抑因子，其用于调整功率平抑效果，ωr，ωmax和ωmin分别为风机转子转速，最大转子转速和最小转子转速。
步骤S2中，计算系统频率偏差Δf后还需要对系统频率偏差Δf进行滤波处理,根据处理后的系统频率偏差Δf判断是否超出设定的死区范围。
步骤S4中，计算风力发电机的有功功率输出值Pref时，为防止风力发电机过负荷及减少机械疲劳，所计算的有功功率输出值Pref需要受到最大有功功率限幅和有功功率变化率的限制。
如图2所示，本发明提出的参数曲线当C＝300时示意图；功率平抑参数是随风机转速可变的，在高频偏差时，高频偏差用控制参数随转子转速增加而减少；其目的是在风力发电机组层面出发，在不同转子转速情况下存储适当的旋转动能；减少系统冗余的有功；在低频偏差时，低频偏差用控制参数随风机转速而增加，其目的是在不同风机工况下释放合适的旋转动能，补偿系统有功缺失；实现可控的功率平抑技术。
本发明通过附加功率平抑(频率偏差)控制回路在转子侧控制器，使风机能够根据频率偏差存储和释放能量来提供功率平抑技术，减少系统频率波动，降低传统同步发电机组一次调频控制启动启动次数；如图3所示，在EMTP-RV仿真平台搭建了含有高比例风电穿透率系统模型并进行模拟仿真，对风机提供的功率平抑控制技术与现有的控制方法进行对比分析。
下面结合仿真结果对本发明的应用效果进行详细的描述；
为了验证本发明提出基于风力发电机运行工况的有功出力波动平抑方法的有效性，在EMTP-RV仿真平台搭建了一个含大规模风电渗透率的算例系统，双馈风力发电机结构示意图如图4所示；此外，双馈风力发电机的参数如表1所示；
表1.双馈风力发电机参数
Figure GDA0003092750850000061
为了验证本发明提出功率平抑控制方法的有效性，本发明的仿真在的风机的输入风速如图5所示，其平均风速为7.5m/s。
(1)风力发电机组工作在最大功率追踪运行状态(无功率平抑控制技术)；
(2)风力发电机组采用现有的功率平抑控制方法(常参数控制，参数为25)；
(3)风力发电机组采用本发明提出的控制方法；
由于受变动风速的影响，风机的有功出力也随之波动，进而导致系统频率波动；图6(a)至图6(e)所示呈现出以上三种情况下电力系统频率偏差、风力发电机组有功出力、有功变化量、风机转子转速、控制参数的变化情况。
通过仿真结果可以清晰地得出，与无功率平抑控制技术结果相比，虽然现有的功率平抑方法虽然一定程度场平滑了功率波动，但是由于受常参数的影响，在100秒附近引起了风机转速失稳现象，进而造成严重的频率偏差；相比于现有控制方法，本发明提出的有功功率波动平抑方法可以通过存储和释放能量有效地平滑输出功率，从而减少系统频率波动并不造成风机失稳现象，进而减少同步发电机一次调频的启动和调频用储能系统的容量。
本发明根据锁相环计算的系统频率,不需要从上层控制器中得到系统频率；分别在高频与低频偏差时，使用不同的自定义参数进行有功功率波动平抑；防止风力发电机过负荷及减少机械疲劳，获得的风机有功功率输出值Pref需要受到最大有功功率限幅器和有功功率变化率器的限制。
本发明提出了一种基于风力发电机运行工况的有功出力波动平抑方法，分别在高频偏差和低频偏差进行功率功率平抑；即在高频偏差时,通过风机旋转部分有效地存储能量，遏制有功出力波动；在低频偏差时，通过风机的旋转部分有效地释放能量到电网中，抑制有功出力波动；从而使实现双馈风力发电机组主动参与功率平抑，平抑系统频波动，减少同步发电机一次调频的启动。
以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种基于风力发电机运行工况的有功出力波动平抑方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据公共耦合点的电压计算系统电网瞬时频率，当电网频率变化并超出设定的死区范围时，启动主动有功功率波动平抑控制；
S2：根据计算的电网频率，计算系统频率偏差Δf，并且判断系统频率偏差Δf的正负；
S3：根据采集风机的转子转速，分别计算高频偏差用控制参数AGOF(ωr)和低频偏差用控制参数AGUF(ωr)；
Figure FDA0003092750840000011
公式(1)中，AGOF(ωr)为高频偏差用控制参数，C为功率波动平抑因子，其用于调整功率平抑效果，ωr，ωmax和ωmin分别为风机转子转速，最大转子转速和最小转子转速；
Figure FDA0003092750840000012
公式(2)中，AGUF(ωr)为低频偏差用控制参数，C为功率波动平抑因子，其用于调整功率平抑效果，ωr，ωmax和ωmin分别为风机转子转速，最大转子转速和最小转子转速；
S4：根据计算的系统频率偏差Δf的正负，判断采用高频偏差用控制参数AGOF(ωr)或低频偏差用控制参数AGUF(ωr)获得功率波动平抑控制的有功变化量，将有功增量输入到转子侧控制器中计算风机的有功功率输出值Pref，具体公式如下所示：
Figure FDA0003092750840000013
公式(3)中，PMPPT为最大功率追踪输出功率，AGOF(ωr)为高频偏差用控制参数，AGUF(ωr)为低频偏差用控制参数。
2.根据权利要求1所述的一种基于风力发电机运行工况的有功出力波动平抑方法，其特征在于，所述步骤S3的具体步骤如下：
S3.1：采集风机的转子转速ωr，掌握风机的最大转子转速ωmax和最小转子转速ωmin；
S3.2：根据风机的运行特性，分析风机的存储能量和释放能量的潜力；
S3.3：当计算的系统频率偏差Δf大于零时，即在高频率偏差时考虑风机存储能量的潜力，使用高频偏差用控制参数与风机转子转速成反比例关系，其表达式如下：
Figure FDA0003092750840000014
公式(1)中，AGOF(ωr)为高频偏差用控制参数，C为功率波动平抑因子，其用于调整功率平抑效果，ωr，ωmax和ωmin分别为风机转子转速，最大转子转速和最小转子转速；
当计算的系统频率偏差Δf小于零时，即在低频偏差时考虑风机释放能量的潜力，使用低频偏差用控制参数与风机转子转速成正比例关系，其表达式如下：
Figure FDA0003092750840000021
公式(2)中，AGUF(ωr)为低频偏差用控制参数，C为功率波动平抑因子，其用于调整功率平抑效果，ωr，ωmax和ωmin分别为风机转子转速，最大转子转速和最小转子转速。
3.根据权利要求1所述的一种基于风力发电机运行工况的有功出力波动平抑方法，其特征在于，所述步骤S2中，计算系统频率偏差Δf后还需要对系统频率偏差Δf进行滤波处理,根据处理后的系统频率偏差Δf判断是否超出设定的死区范围。
4.根据权利要求1所述的一种基于风力发电机运行工况的有功出力波动平抑方法，其特征在于，所述步骤S4中，计算风力发电机的有功功率输出值Pref时，为防止风力发电机过负荷及减少机械疲劳，所计算的有功功率输出值Pref需要受到最大有功功率限幅和有功功率变化率的限制。
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