CN111864807B - 一种基于非线性下垂控制风电机组一次调频方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于非线性下垂控制风电机组一次调频方法，包括步骤：1)风电机组留有设定的备用负荷，即减载运行状态；2)通过模仿常规发电机组里同步发电机下垂外特性，实现风电机组并网逆变器下垂控制；3)在步骤2)风电机组并网逆变器下垂控制中，设置频率响应动作门槛值；4)在步骤3)风电机组并网逆变器一次调频下垂控制中引入自适应调节下垂系数。本发明采用有功功率动态下垂系数在风电机组一次调频控制中，可以实现下垂系数根据目标频率实时调节。本发明建立新型非线性下垂控制一次调频曲线，避免一次调频过程中功率震荡。
Description
技术领域
本发明涉及一种风电机组一次调频的方法，具体涉及一种基于非线性下垂控制风电机组一次调频方法。
背景技术
随着电网容量不断增加，区域电网结构变的复杂，为了提升电网频率的安全水平，发电机组需参与到电网系统频率调节工作中。传统火电、水电机组由具有旋转惯性的机械器件组成，并且将一次能源转换为电能需要经历一系列复杂过程，所以对频率响应速度较慢。相较于传统火电、水电机组，新能源发电机组因为可以快速调节有功出力进而改变上网频率，从而实现在并网点具备参与电网频率快速调整能力，近年来受到业内的广泛关注。
目前针对风电一次调频控制方法主要分为：减载控制、下垂控制和转子惯量控制。下垂控制是模拟同步发电机的频率下垂特性，实现频率有差调节，此一次调频是一个稳态过程，但是由于线路阻抗和电网频率波动的影响，传统下垂控制在运行过程中会存在较大的功率震荡问题。
发明内容
为了使采用双馈式异步电机的风力发电场站具备参与电网一次调频的能力，本发明提供了一种基于非线性下垂控制风电机组一次调频方法，该方法采用下垂控制方案在风电并网逆变器控制系统中，解耦有功功率和无功功率，控制有功功率输出来动态响应频率波动。针对传统下垂控制响应范围较大调频指令时，输出功率与参考功率偏差较大过度调整，本发明引入动态下垂系数作为原下垂控制系数负反馈相，使频率与下垂控制系数的乘积在可控范围内变换，实现下垂系数根据目标频率实实时调节。
本发明采取如下技术方案来实现的：
一种基于非线性下垂控制风电机组一次调频方法，包括以下步骤：
1)风电机组留有设定的备用负荷，即减载运行状态；
2)通过模仿常规发电机组里同步发电机下垂外特性，实现风电机组并网逆变器下垂控制；
3)在步骤2)风电机组并网逆变器下垂控制中，设置频率响应动作门槛值；
4)在步骤3)风电机组并网逆变器一次调频下垂控制中引入自适应调节下垂系数。
本发明进一步的改进在于，步骤1)的具体实现方法为：当风机转子转速大于最优转速，减少风能捕获，风机输出功率减少，留出裕度功率并减载运行，保持风机转子转速不变，调整浆距角，风机捕获功率减小。
本发明进一步的改进在于，步骤2)的具体实现方法为：模仿常规发电机组里同步发电机下垂外特性，实现风电机组并网逆变器下垂控制，下垂公式表示为：
其中：f是下垂控制输出频率；U下垂控制输出电压；fn是被控系统额定频率；Un是被控系统额定电压；m是有功功率对应下垂控制系数；n是无功功率对应下垂系数；P是被控系统输出有功功率；Q是被控系统输出无功功率；Pn是被控系统额定有功功率；Qn是被控系统额定无功功率。
本发明进一步的改进在于，步骤3)的具体实现方法为：因为逆变装置器死区的存在，设置频率响应动作门槛值fd，且fd＝(50±0.1)Hz，当下垂控制输出频率49.9Hz≤f≤50.1Hz时，下垂控制系统不动作根据逆变器的输出特性，在一次调频过程中风力发电系统输出有功功率调节范围为：(1±10％)P0，对应输出频率范围为49.8Hz-50.2Hz；死区的风电发电系统P-f下垂控制表达式为：其中：P0为风机一次调频输出功率初值。
本发明进一步的改进在于，步骤4)的具体实现方法为：当需要响应较大范围波动的频率时，先增大下垂系数，在逼近目标频率的过程中，逐渐减小下垂系数；动态下垂系数m′表示为：
其中：m为有功下垂常系数；f0为风机一次调频输频率初值；f为一次调频目标频率；
将动态下垂系数与输出功率相乘作为下垂系数的负反馈相，加入到风机一次调频控制中，实现下垂系数根据功率实时变换，做到自适应调节，则新型风机下垂控制表达式为：
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：
1.本发明采用有功功率动态下垂系数在风电机组一次调频控制中，可以实现下垂系数根据目标频率实时调节。
2.本发明建立新型非线性下垂控制一次调频曲线，避免一次调频过程中功率震荡。
附图说明
图1为双馈式风机MPPT运行曲线与减载运行原理图；
图2为有功功率-频率下垂特性示意图；
图3为风力发电系统一次调频下垂控制曲线；
图4为本发明提出的风力发电系统一次调频非线性下垂控制曲线；
图5为风机控制系统仿真模型图；
图6为采用传统下垂控制和发明提出的非线性下垂控制风电机组一次调频仿真波形图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做出进一步的详细描述。
如图1所示，1点是最优功率点，此时风速为V，风机输出功率最大；2点是超速运行点，风机转子转速大于最优转速，减少风能捕获，风机输出功率减少，留出裕度功率并减载运行，保持风机转子转速不变，调整浆距角从β1增加至β2，风机运行到3点，风机捕获功率减小。风机减载运行可以表示为：
Pdel＝Kdelωr 3 (1)
式中:Pdel为风机减载运行后输出功率；Kdel为减载运行比例系数；ωr为转子转速。
如图2所示，在风力电系统中，通过模仿常规发电机组里同步发电机下垂外特性来对逆变器进行控制的方式就是下垂控制。它的下垂公式为：
式中：f是下垂控制输出频率；U下垂控制输出电压；fn是被控系统额定频率；Un是被控系统额定电压；m是有功功率对应下垂控制系数；n是无功功率对应下垂系数；P是被控系统输出有功功率；Q是被控系统输出无功功率；Pn是被控系统额定有功功率；Qn是被控系统额定无功功率。
风力发电系统输出有功功率与系统输出频率成反比，随着有功功率不断增大以至于高出额定有功功率时，输出频率将不断下降直至低于额定频率，因此当系统重新进入平稳状态时，系统的频率将比正常值低；相反，风力发电系统输出有功功率下降时，系统的频率将比额定值高。这种通过增加或减少有功输出达到控制输出频率的过程就是常规意义上的“一次调频”。
如图3所示，在风力发电系统频率响应过程中因为逆变装置器死区的存在，需要设置频率响应动作门槛值fd，通常fd＝(50±0.1)Hz，当下垂控制输出频率49.9Hz≤f≤50.1Hz时，下垂控制系统不动作。根据逆变器的输出特性，在一次调频过程中风力发电系统输出有功功率调节范围为：(1±10％)P0，对应输出频率范围为49.8Hz-50.2Hz。死区的风电发电系统P-f下垂控制表达式为：
式中：P0为风机一次调频输出功率初值，其他与式(2)定义一致。
在风力发电一次调频过程中，有功下垂系数m为常数，为了响应突变的频率，风机有功功率需要大幅度变动，这就会引起系统功率震荡，严重时会造成脱网。因此恒定下垂系数，不适用于风机一次调频控制中。
如图4所示，本发明提出一种新型非线性下垂控制方案，通过实时调节下垂系数来响应输出频率，当需要响应较大范围波动的频率时，先增大下垂系数，在逼近目标频率的过程中，逐渐减小下垂系数。既能及时调整风电出力，又能有效减少频率波动。动态下垂系数m′可以表示为：
式中：m为有功下垂常系数；f0为风机一次调频输频率初值；f为一次调频目标频率。
将动态下垂系数与输出功率相乘作为下垂系数的负反馈相，加入到风机一次调频控制中，实现下垂系数根据功率实时变换，做到自适应调节。则新型风机下垂控制表达式为：
下垂系数可以根据当前频率与目标频率的差值实时调整，随着越来越逼近目标频率，下垂系数越来越小，即功率变化量减小，避免引起功率震荡。与图3传统下垂曲线相比非线性下垂控制曲线具有光滑连续特征，尤其是在调频区间与死区区间相交处切换更为平滑，不存在间断点和导数不连续点。
如图5所示，控制系统采用电压、电流双闭环控制。仿真系统主要参数为：额定功率为20kW、直流母线电压为380V、开关频率等于采样频率为10kHz、电网额定电压为150V、逆变器侧电感为1.5mH、网侧电感为1mH、直流母线侧电容为4700μF、滤波电容为10μF、逆变器侧电阻为5Ω、网侧电阻为1.5Ω。非线性下垂控制参数为：m为1.5×10-5。
如图6所示，5s时刻，网侧发生0.3Hz频率下阶跃，风电机组进行一次调频，并网逆变器输出有功功率上升，采用常规PI控制得到的响应功率出现大范围向上波动，且峰值较高，功率震荡严重，而采用本发明所提出的非线性下垂控制得到的响应功率波形波动减少很多，峰值相应减少，可更快稳定至功率目标值，解决了功率震荡问题。23s时刻，当发生0.15Hz频率上阶跃，采用常规PI控制得到的响应功率出现大范围向下波动，功率震荡严重，极易造成风机脱网，而采用本发明所提出的非线性下垂控制得到的响应输出功率波形更为平滑，输出功率波形几乎无超调，很快稳定至目标功率，功率震荡趋近于0，调节时间进一步缩短，更适用于风力发电机组一次调频控制中。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (2)
1.一种基于非线性下垂控制风电机组一次调频方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)风电机组留有设定的备用负荷，即减载运行状态；
2)通过模仿常规发电机组里同步发电机下垂外特性，实现风电机组并网逆变器下垂控制；具体实现方法为：模仿常规发电机组里同步发电机下垂外特性，实现风电机组并网逆变器下垂控制，下垂公式表示为：
其中：f是下垂控制输出频率；U下垂控制输出电压；f0是风电机组一次调频输出频率初值；Un是被控系统额定电压；m是有功功率对应下垂系数；n是无功功率对应下垂系数；P是被控系统输出有功功率；Q是被控系统输出无功功率；P0是风电机组一次调频输出功率初值；Qn是被控系统额定无功功率；
3)在步骤2)风电机组并网逆变器下垂控制中，设置频率响应动作门槛值；具体实现方法为：因为逆变器死区的存在，设置频率响应动作门槛值fd，且fd＝(50±0.1)Hz，当下垂控制输出频率49.9Hz≤f≤50.1Hz时，下垂控制系统不动作，根据逆变器的输出特性，在一次调频过程中风力发电系统输出有功功率调节范围为：(1±10％)P0，对应输出频率范围为49.8Hz-50.2Hz；非死区的风力发电系统P-f下垂控制表达式为：
4)在步骤3)风电机组并网逆变器一次调频下垂控制中引入自适应调节下垂系数；具体实现方法为：当需要响应较大范围波动的频率时，先增大下垂系数，在逼近目标频率的过程中，逐渐减小下垂系数；动态下垂系数m′表示为：
其中：m为有功下垂常系数；f为一次调频目标频率；
将动态下垂系数与输出功率相乘作为下垂系数的负反馈项，加入到风电机组一次调频控制中，实现下垂系数根据功率实时变换，做到自适应调节，则新型风电机组下垂控制表达式为：
2.根据权利要求1所述的一种基于非线性下垂控制风电机组一次调频方法，其特征在于，步骤1)的具体实现方法为：风机转子转速大于最优转速，减少风能捕获，风机输出功率减少，留出裕度功率并减载运行，保持风机转子转速不变，调整浆距角，风机捕获功率减小。
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