CN111835040B - 一种直驱风机新型调频策略 - Google Patents

Abstract

本发明对单台并网直驱风机，在全风速工况下，提出一种“直驱风机新型调频策略”，通过采用附加功率给定控制，利用风轮机机械动能实现虚拟惯量支撑，又在背靠背变流器直流母线侧配置储能，并结合变功率跟踪控制实现一次调频功能。该策略通过多种能量形式的互补配合，不仅能降低储能配置容量，还可解决频率的二次跌落问题，并避免常规减载预留备用带来的电能浪费，调节裕度不足等问题，从而整体提升风机控制性能和调频经济性。提出超级电容作为一次调频下单边能量来源，变速减载实现上单边变功率调节，并以行业标准为依据，设计了协调策略的逻辑控制原则，以实现电网频率发生波动后不同调频方式间的平滑切换。

Description

一种直驱风机新型调频策略

技术领域

本发明涉及规模化风电并网或分布式发电领域，特别是涉及一种直驱风机新型调频策略。

背景技术

长久以来，传统电网基于同步机建立起的同步机制与调节机制共同维持系统的安全稳定运行。随着近年来清洁能源的迅猛发展，风电、光伏等新能源装机容量和渗透率不断提高，在缓解能源危机的同时，也给电网的稳定运行带来诸多挑战：一方面，新能源大多通过电力电子设备并网，缺乏旋转电机具备的惯量支撑，削弱了电网的频率静态稳定性；另一方面，由于风电等具有随机性和波动性特点，且并网时多采用最大功率跟踪控制策略，而不参与系统的频率电压调节，因而具有弱抗扰性。为此国家能源局发布了《关于促进智能电网发展的指导意见》，要求并网设备应逐步摆脱“只管发电，不管电网”的思路。风电作为我国装机容量最大的新能源，使其具备同步机的惯性、一次调频等运行外特性，主动参与到电网调节中来很有必要。

在风电机组参与系统调频方面，根据控制目标可宏观上划分为惯量支撑与一次调频两类：其对应的控制原理和功能定位也各有不同，“惯量支撑”是对频率的微分响应，具有超前性、快速性，主要在频率变化初期发挥作用。可以有效平抑稳态频率变化的幅值和频次，并在大扰动发生至一次调频动作前的宝贵时间段，提供频率支撑，降低暂态下频率恶化速度和程度。因为只在频率变化时才发挥作用，所以适合冲击型功率波动；“一次调频”是对频率的比例响应，波动前期由于偏差量小，不动作，超过阈值(±0.033Hz)后起作用，可持续30s时间，以降低源-荷功率不平衡引起的频率偏差，并为系统提供多机并列运行的稳定调节机制和自主分配不平衡功率的协调机制。由此可见，“惯量支撑”和“一次调频”作用的时间尺度不同，目标和功能定位上也是区分并互补的。因此在风机传统发电功能的基础上，增加惯量支撑与一次调频功能有利于提高机组的自治稳定以及电网的频率品质。

根据调频能量供给来源可划分为三类：基于机械动能释放的旋转备用、基于超速变桨减载的预留备用、基于电化学能量转换的储能备用。机组惯性动能能为系统提供数秒的支持，但容易引发频率二次跌落，有文献通过改进控制方案优化转速恢复过程改善了二次跌落问题；预留备用降低了风能利用率，调节速度较慢，且增加了机械部件维修风险，有文献提出改进协调控制方案，但调节效果有限；储能装置具有出力稳定，响应快速的特点，但受制作工艺和原材料的影响，安装成本较高，有文献分析了风电场装配集中式储能参与调频的设计方案与应用前景。

对于风电机组的惯量控制方法，主要分两类：基于频率响应的附加功率给定控制和基于虚拟同步机(Virtual Synchronous Generator，VSG)的电压源型控制。基于频率响应的附加功率给定是指在原有变流器最大功率跟踪控制基础上，引入电网侧频率微分偏差，生成功率附加量，叠加后生成功率参考值，变流器本质上仍为电流源特性。基于VSG的电压源型控制，其基本思想是在变流器控制中引入同步机的机电暂态方程，从而模拟同步机的惯性、阻尼特性，属于典型的电压源型控制模式。实际工况中风机还是主要运行在基于MPPT的电流源模式，相比之下附加功率给定控制更易于实现。

综上分析，研究现状表明：风机调频领域，惯量支撑与一次调频两种调频方式有其各自特点，不同供能方式也各有利弊。目前研究往往只针对惯量支撑或是一次调频其中的一种展开讨论，而供能方式上往往采用旋转备用、预留备用、储能备用其中一种单一来源，或是选择其中两种。兼顾惯量支撑与一次调频需求，协调好调频需求与供能方式，对他们进行合理匹配，可以有效提高控制性能，具有重要意义。本专利同时考虑惯量支撑和一次调频，融合旋转备用、预留备用、储能备用三种供能方式，并制定相应的模式转换原则以及定量设计控制参数，通过统一协调控制策略，来提升整体控制性能和经济性。

发明内容

本专利提出一种直驱风机新型调频策略，既能基于附加功率给定控制，利用风轮机动能实现惯量支撑，又在直流母线侧配置储能，并结合变功率跟踪控制实现一次调频。该新型策略可有效降低储能装置容量，克服常规调频方式的不足，提升控制性能，在保证经济性的同时实现风机友好并网。具体技术方案如下。

一种直驱风机新型调频策略，其特征在于，所述策略在风力发电机传统最大功率跟踪控制的基础上，通过采用附加功率给定控制，利用风轮机机械动能实现虚拟惯量支撑，又在背靠背变流器直流母线侧配置储能，并结合变功率跟踪控制实现一次调频功能，最终使风机表现出并网友好型特点；新型调频策略包括步骤：

1)实时测量风电机组参数，包括系统频率偏差量Δf，系统频率微分量df/dt；

2)对频率偏差量Δf进行判断：当频率变动值Δf小于0.033Hz时，只进行惯量支撑，惯量支撑功率为P_J(t)：

P_N为风机的额定功率，T_J为风轮机转子惯性时间常数；当频率变动值大于0.033Hz时，时间T开始计时，前3秒内，惯量支撑发挥作用，3秒后惯量支撑结束，一次调频启动；

3)一次调频判断：若系统频率突增，采取直驱风机变功率点跟踪控制，减少机械功率出力以参加上单边调节，变功率点跟踪功率为P_VPPT：

K_U ^*为上单边调频系数，f_N为电网额定频率，当满足变功率点跟踪功率P_VPPT小于最大功率跟踪功率P_MPPT时，风轮机捕获功率P_WT由P_MPPT切换为P_VPPT；

若频率突减，通过风机直流侧储能增加电磁功率输出以实现下单边调节，储能输出功率为ΔP_SC：

K_D ^*为下单边调频系数，

为超级电容额定输出功率；

4)一次调频持续时间判断：

|Δf|≤0.033Hz∪T＞30s

如果条件不满足，继续执行一次调频策略；如果条件满足退出一次调频：对于上单边调节，风轮机捕获功率P_WT由P_VPPT切换回P_MPPT；对于下单边调节，储能输出置零，且当频率大于额定值时，储能装置充电。

所述虚拟惯量支撑的能量来源于由风轮机、轮毂、转轴以及发电机转子所具有的旋转动能，通过将惯量支撑功率P_J(t)叠加到风轮机捕获功率P_WT上，以此改变电磁功率和转子转速，释放旋转动能，为了建立起机侧转子机械频率F(t)与网侧电角频率f(t)的定量耦合联系，将额定转速作为参考基准，利用频率变化标幺值相等的原则，得到如下公式：

所述下单边调节由超级电容供能，且超级电容安装在风电机组背靠背变流器直流母线侧，网侧逆变器控制维持直流母线电压的稳定，保证逆变器向电网输出的功率等于直流侧输入，这样当储能向母线注入功率时，可以实时响应到电网侧。

所述上单边调节所以采用基于变功率跟踪的调节方式，即正常状态下始终运行在最大功率点，频率升高触发一次调频后，电磁功率目标值由最大功率跟踪P_MPPT切换为变功率跟踪功率P_VPPT，不平衡功率引发转速变化，机械功率按风功率特性曲线降低，直到与电磁功率相等，转速固定，提供稳定的调节出力。

附图说明

图1为新型调频策略总图；

图2为逻辑控制流程图；

图3为超级电容控制及结构；

图4为风轮机典型功率特性曲线；

图5为四机两区域系统结构；

图6为惯量支撑响应效果；

图7为不同装机容量下储能调频效果对比；

图8为超级电容功率输出与频率响应；

图9为变功率跟踪调频效果。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

“惯量支撑”和“一次调频”作用的时间尺度不同，目标和功能定位上也是区分并互补的。因此在风机传统发电功能的基础上，增加惯量支撑与一次调频功能有利于提高机组的自治稳定以及电网的频率品质。基于以上分析，本发明设计了如图1所示的直驱风机新型调频策略。

根据标准要求，制定新型调频策略，逻辑控制流程图如图2所示：当频率变动值小于0.033Hz时，只进行惯量支撑；当频率变动值大于0.033Hz时，时间开始计时，前3秒内，惯量支撑发挥作用，3秒后惯量支撑结束，一次调频启动，最长持续30秒；一次调频时，若系统频率突增，采取直驱风机变功率点跟踪控制，减少机械功率出力以参加上单边调节；若频率突减，通过风机直流侧储能增加电磁功率输出以实现下单边调节。

惯量支撑方案原理如下：

风机运行中由风轮机、轮毂、转轴以及发电机转子构成的旋转部分具有巨大的惯性动能，可在频率波动时提供短暂但巨大的能量，但早期设计者只考虑了最大功率点跟踪目标，弱化了惯性能量对电网动态支撑的作用，当同步机转子转速由Ω_N经时间t变为Ω(t)后其动能发生变化，变化量ΔW为：

这部分变化的能量会转化为输出电磁功率P_J(t)的增减，通过对ΔW求导，得到t时刻惯量支撑引发的瞬时电磁功率变化：

F(t)为转子机械频率，而转子惯量往往由惯性时间常数T_J表示：

P_N为同步机的额定功率，F_N为同步机的额定机械频率。将式(4)带入到式(3)并简化得到(由于风机更多时候工作在额定状态，可近似认为F(t)＝F_N)：

对于直驱风机，由于背靠背变流器的作用，机侧转子机械频率F与网侧电角频率f解耦，如果希望F能够响应f，需要建立F(t)与f(t)的定量联系。考虑到电网的额定转速为3000r/min，额定频率是50Hz，而大型直驱风机的转子额定转速n_N往往在十几转每分钟(n_N＝60F_N)，将额定转速作为F(t)与f(t)之间的耦合参考关系，利用频率变化标幺值相等的原则，得到如下公式：

依据此关系，得到惯量支撑功率对电网频率波动的响应关系：

一次调频方案原理如下：依据一次调频曲线，将功能分为两部分：应对频率突增的上单边调节与应对频率下降的下单边调节，考虑风机特性与调频要求后，确立如下策略。

基于储能装置的下单边调节：本专利确立了将超级电容器通过DC-DC变流器并到直流母线供能的结构。如图3所示。

根据以下公式量化调节系数：

ΔP_SC＝-K_DΔf

K_D为下单边调频系数，用标幺值表示为：

为超级电容额定输出功率，f_N是电网频率额定值。传统汽轮或水轮发电机组的K^*取值介于15-50之间，由于本专利设计的储能装置专门用于调频，供能速度快且不需要考虑容量备用问题，所以本专利取K_D ^*＝50，表示的物理意义是：当电网频率发生0.1Hz偏差时，超级电容提供其额定容量10％的功率支撑。

基于变功率跟踪的上单边调节：表达式如下。

P_VPPT是变功率跟踪输出功率，K_U ^*为上单边调频系数，P_N为风机额定输出功率。

常规控制模式下，全风速风机的典型功率跟踪曲线如图4中折线所示。不同曲线代表不同的风速，根据转速的不同分为三个区域：最大功率跟踪区、恒转速区、恒功率区。

传统超速减载策略在正常运行时工作在减载状态，以此作为一次调频预留备用，但是却降低了风能利用率。而在本专利提出的新型调频策略下，只需考虑上单边一次调节，所以采用基于变功率跟踪的调节方式，即正常状态下始终运行在最大功率点，频率升高触发一次调频后，电磁功率目标值由最大功率跟踪P_MPPT切换为变功率跟踪功率P_VPPT，不平衡功率引发转速变化，机械功率按风功率特性曲线降低，直到与电磁功率相等，转速固定，提供稳定的调节出力。相比于常规超速减载，既避免了稳态下的风功率浪费，又增大了暂态时的调频裕度。

鉴于转子最大转速的限制，变功率减载存在调节边界：当转速达到最大值时，触发转速保护，此时电磁功率参考值发生调整，维持转速稳定在最大值。所以上单边调节主要作用于中低风速区，高风速区调节范围有限，整体调节范围为最大功率跟踪曲线到最大转速之间的区间。值得注意的是，只有当P_VPPT小于风机最大功率输出P_MPPT时，才会触发上单边调节，完整调节过程如图中轨迹所示：当前风速为V1，系统运行在最大功率点A，此时频率波动触发上单边调节，电磁功率参考值瞬间切换到B点P_VPPT；随着转速增加，不平衡转矩逐渐减少，最终稳定在C点；当频率恢复调节结束时，电磁功率切换到D点，经由MPPT曲线恢复到初始点A，形成控制闭环。

不同于下单边调频系数K_D ^*的整定，K_U ^*的整定比较复杂，需要综合考虑风轮机的惯量，风功率特性，变流器控制参数等因素，才能使调节达到理想效果。鉴于一次调节的一致性和协调性，可以简单的设置K_U ^*＝50，但实际应用中一定要根据具体情况做修正。

为验证本发明协调控制策略的调频效果，搭建了图5所示的四机-两区域仿真系统，SG为同步发电机，仿真参数详见表1、表2，四台同步发电机参数一致。

表1风力发电机仿真参数

表2四机两区域系统参数

仿真实验1：惯量支撑验证。

实验控制：在2s时增加负荷L1，使系统产生25％的功率缺额，通过系统瞬时功率不平衡引起频率暂态波动。

结果如图6所示，对比惯量支撑和没有惯量支撑的系统频率变化曲线：跌落深度方面，惯量支撑将频率下降最低点由49.4Hz提升到49.5Hz；跌落深度得到减缓后，也加快了频率恢复速度，约提前0.1s达到稳定状态；值得注意的是，风轮机旋转动能为频率特性改善提供功率支撑，但并没有引发频率的二次跌落问题，这得益于本策略惯量功率幅值小、作用时间短暂，且由于直驱风轮机惯量大，转速只是小幅降低，便释放了足够动能，且因为变化幅度小，并没有偏离最佳叶尖速比，机械功率始终输出最大功率。

仿真实验2：下单边一次调频。

为直观准确的观测一次调频作用，实验中取消了惯量支撑功能，并分别在风机装机容量占比为40％和60％的情况下验证加装储能的调频效果。实验设置：系统发生10％功率缺额，结果如图7。

首先横向对比风机40％装容量时有无储能调节的实验效果。在超级电容优良调频性能的作用下，有效改善了频率暂态特性：延缓了频率跌落速度；降低了频率跌落深度(频率最低值提升了约0.13Hz)；加快了频率恢复速度；减少了静态误差(不调频大概稳定在49.9Hz，调频后稳定在49.95Hz附近)

纵向对比储能对风机装机容量变化后的调频影响。同样发生10％功率缺额，风电机组不参与一次调频时，随着风机渗透率的提高，频率暂态特性恶化明显，跌落深度由49.55Hz变为49.45Hz。而在加装储能装置后，频率特性几乎不随渗透率的提高而明显恶化。由此可见，风机装机比例越高，储能的调节效果越明显，在单机上配备超级电容可有效应对分布式能源渗透率增加引起的系统稳定问题

图8详细展示了风机容量占比40％且实验时间为5s到6s的频率变化和超级电容输出功率曲线。当系统发生功率缺额后，频率发生了较大幅度的波动，且波动速率快，大约经过0.3秒时间，频率偏差达到了近0.35Hz，与此同时，下单边调节响应，超级电容功率实际输出值依据下单边调频公式实时保持与频率偏差的比例关系，最大峰值达到额定功率的三分之一近170kW，需要注意的是，储能装置最大响应1Hz的频率偏差，超过该值后，功率输出维持额定值不变。

超级电容实际输出值功率准确跟踪目标值，体现了超级电容的优良控制特性。功率曲线显示，一次调频的特点不是恒功率输出，而是成比例的随着频率波动，输出变化快，功率峰值高，峰值存在时间短，而超级电容短时间、大功率的快速放电特性相比于电池更适用于一次调频需求。

仿真实验3：上单边一次调频。

实验设置：调频系数设置为K_U ^*＝15，风速为10.2m/s，6S时：负荷发生系统额定功率10％的掉载故障，结果如图9。

故障发生前，系统运行在最大功率跟踪模式，风能利用系数接近最大值0.5，电磁输出功率稳定在0.97；掉载后功率盈余，频率突增，触发上单边变速减载调节。根据调频公式得到电磁功率参考值，电磁功率减少，电磁转矩降低，机械转矩不变，在转矩作用下，转子转速缓慢上升，在风速不变的条件下，偏离风轮机最佳叶尖速比，引发风能利用系数下降，电磁功率实际输出值追随目标值而下降。大约经过2s的调节后，系统恢复稳定。

频率变化曲线展示了有无VPPT调节的差异，相比于不参与调频的MPPT，VPPT有效降低频率近一半的波动幅值，延缓了恶化趋势，抑制了频率震荡，加快了频率恢复速度，减少了静态误差。由于变速减载的控制特点，上单边调节能力受调频系数的限制，还存在较大的稳态误差，需要二次调频参与进一步减少误差。

本专利针对单台直驱风机参与电网调频问题，提出一种“直驱风机新型控制策略”，并根据惯量支撑与一次调频两者作用时间尺度、目标功能的不同，量化设计了对应的控制逻辑和参数，选取了相应的供能方式，通过协调和优化提升了风机调频的实用性、经济性、稳定性以及电网的频率品质。

本专利设计的调频策略相比于传统方案具有以下优势：虚拟惯量支撑采用风轮机旋转动能供能并与一次调频分开设计，实现对频率微分量的实时响应，具有能量消耗少、作用时间短的特点，因此不会引发明显的频率二次跌落问题；一次调频采用储能与变功率跟踪结合的方式可有效改善传统超速减载风能利用率和调节裕度，并减少储能配置容量；由实验可知，惯量支撑只能改善暂态过渡过程，对于新的平衡点状态没有影响。

仿真结果表明，本专利设计的控制策略在系统发生功率波动时，可有效延缓频率恶化速度，降低频率波动幅度，加快故障恢复进度，增大静差调节精度。

如上所述，对本发明进行了详细的说明，显然，只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果、对本领域的技术人员来说是显而易见的变形，也均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种直驱风机新型调频策略，其特征在于，所述策略在风力发电机传统最大功率跟踪控制的基础上，通过采用附加功率给定控制，利用风轮机机械动能实现虚拟惯量支撑，又在背靠背变流器直流母线侧配置储能，并结合变功率跟踪控制实现一次调频功能，最终使风机表现出并网友好型特点；新型调频策略包括步骤：

1)实时测量风电机组参数，包括系统频率偏差量Δf，系统频率微分量df/dt；

2)对频率偏差量Δf进行判断：当频率变动值Δf小于0.033Hz时，只进行惯量支撑，惯量支撑功率为P_J(t)：

P_N为风机的额定功率，T_J为风轮机转子惯性时间常数；当频率变动值大于0.033Hz时，时间T开始计时，前3秒内，惯量支撑发挥作用，3秒后惯量支撑结束，一次调频启动；

3)一次调频判断：若系统频率突增，采取直驱风机变功率点跟踪控制，减少机械功率出力以参加上单边调节，变功率点跟踪功率为P_VPPT：

K_U ^*为上单边调频系数，f_N为电网额定频率，当满足变功率点跟踪功率P_VPPT小于最大功率跟踪功率P_MPPT时，风轮机捕获功率P_WT由P_MPPT切换为P_VPPT；

若频率突减，通过风机直流侧储能增加电磁功率输出以实现下单边调节，储能输出功率为ΔP_SC：

K_D ^*为下单边调频系数，

为超级电容额定输出功率；

4)一次调频持续时间判断：

|Δf|≤0.033Hz∪T＞30s

如果条件不满足，继续执行一次调频策略；如果条件满足退出一次调频：对于上单边调节，风轮机捕获功率P_WT由P_VPPT切换回P_MPPT；对于下单边调节，储能输出置零，且当频率大于额定值时，储能装置充电。

2.根据权利要求1所述一种直驱风机新型调频策略，其特征在于，所述虚拟惯量支撑的能量来源于由风轮机、轮毂、转轴以及发电机转子所具有的旋转动能，通过将惯量支撑功率P_J(t)叠加到风轮机捕获功率P_WT上，以此改变电磁功率和转子转速，释放旋转动能，为了建立起机侧转子机械频率F(t)与网侧电角频率f(t)的定量耦合联系，将额定转速作为参考基准，利用频率变化标幺值相等的原则，得到如下公式：

F_N为同步机的额定机械频率，n_N为风轮机转子额定转速。

3.根据权利要求1所述一种直驱风机新型调频策略，其特征在于，所述下单边调节由超级电容供能，且超级电容安装在风电机组背靠背变流器直流母线侧，网侧逆变器控制维持直流母线电压的稳定，保证逆变器向电网输出的功率等于直流侧输入，这样当储能向母线注入功率时，可以实时响应到电网侧。

4.根据权利要求1所述一种直驱风机新型调频策略，其特征在于，所述上单边调节所以采用基于变功率跟踪的调节方式，即正常状态下始终运行在最大功率点，频率升高触发一次调频后，电磁功率目标值由最大功率跟踪P_MPPT切换为变功率跟踪功率P_VPPT，不平衡功率引发转速变化，机械功率按风功率特性曲线降低，直到与电磁功率相等，转速固定，提供稳定的调节出力。

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