CN111864813B - 基于虚拟权重系数的风/火电联合频率控制方法 - Google Patents

基于虚拟权重系数的风/火电联合频率控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于大电网暂态频率控制策略领域，尤其涉及一种基于虚拟权重系数的风/火电联合频率控制方法。本发明包括：建立综合频率响应模型；构建含RES鲁棒综合频率响应模型；惯性控制分析；频率二次响应分析。本发明构建了含虚拟惯性支持及稳态频率二次支撑的鲁棒综合频率响应模型，通过检测系统频率变化率可实现风机在不同时间尺度下功率贡献量控制，附加频率二次支撑控制策略建立了风机虚拟惯性系数与系统频率灵敏性函数关系，动态响应系统全时间尺度频率需求，实现风电高渗透率下电网暂态和稳态综合频率期望控制性能，提高电网的安全稳定运行水平，为电网提供暂态/稳态全时间尺度下双重频率提供支撑，进一步保证电网和机组的安全稳定运行。

Description

基于虚拟权重系数的风/火电联合频率控制方法
技术领域
本发明属于大电网暂态频率控制策略领域，尤其涉及一种基于虚拟权重系数的风/火电联合频率控制方法。本发明为实现风电高渗透率下电网暂态和稳态综合频率期望控制性能，构建了含虚拟惯性支持及稳态频率二次支撑的鲁棒综合频率响应技术方法。
背景技术
风电等微能源的快速发展正在重塑电力系统的运行方式，大规模高渗透率的风电并网给电网安全运行带来更大挑战。为此，越来越多电力公司要求风机要像同步机组一样为系统提供辅助性服务。双馈风机作为我国大型风电场的主流机型，在电网频率发生变化时，其固有惯量对电网则表现成一个“隐形惯量”(Hidden Inertia)，无法帮助电网改善频率响应。目前，双馈风电机组参与系统一次调频的方法主要有虚拟惯性控制、转子转速控制和桨距角控制。主流的虚拟惯性控制在于调节作为电网频率导数函数的参考转矩，利用存储在风机旋转质量块中的动能来参与电网动态频率调整，为系统暂态功率调节提供虚拟惯量。但其对稳态频率并无支撑作用，且风机在放电后恢复动能过程中易引起系统负功率穿透，导致系统发生频率二次崩溃。
国内外作者针对风电场频率控制策略开展了大量研究。沈阳工业大学研究了风电机组虚拟惯性控制方法，但是尚未考虑频率恢复阶段风机有功备用问题，无法为系统提供持续有功功率支撑。张攀等研究了双馈风机超速减载与转子惯性的协调控制方法，提出了不同风速段下垂系数、惯量系数等变参数整定方法，解决了风机参与系统一次调频短时间尺度内控制精度问题，对稳态下频率恢复策略未进行深入研究；王旭斌推导了双馈风机转子超速最大输出功率表达式，得出了风机双向参与调频功率与功率预留系数和最大可调节功率的约束关系，并仿真分析了双馈风电机组在转子转速控制策略下系统长周期持续调频能力与效果，为风机参与长周期持续调频提供了理论依据。目前，我国尚无风电参与电网一次调频相关技术规定，在运风电场不具备一次调频能力。
现有研究大多针对系统发生频率波动时风机参与系统调频的动态特性开展的，验证了风机参与系统调频策略的有效性。然而，系统频率稳定性是从秒级贯穿至分钟级的长周期动态过程，需要在全时间尺度下考校控制系统的响应性能，以保证其稳定性、高效性及动态鲁棒性的平衡。
发明内容
针对上述现有技术中存在的不足之处，本发明提供了一种基于虚拟权重系数的风/火电联合频率控制方法。其目的是为电网提供暂态/稳态全时间尺度下双重频率支撑，进一步保证电网和机组的安全稳定运行。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
基于虚拟权重系数的风/火电联合频率控制方法，包括以下步骤：
步骤1.建立综合频率响应模型；
步骤2.构建含RES鲁棒综合频率响应模型；
步骤3.惯性控制分析；
步骤4.频率二次响应分析。
所述建立综合频率响应模型，包括：
假设所有发电机组均为非再热型机组，可得
Figure BDA0002553539650000021
Figure BDA0002553539650000022
Figure BDA0002553539650000023
式中，Mki(s)为发电机组等效机械转矩，M调为调速器机械转矩，M原为原动机机械转矩，Tg为调速器等效惯性时间常数，S为频域系数；
发电机与负荷功率差与系统频率波动，即Δf之间关系可由摇摆微分方程描述；
Figure BDA0002553539650000031
式中，Δf为系统频率偏差，j为纵向量，i为横向量，Tij为等效惯性时间常数，Dsys为系统等效阻尼系数，Vi为区域接口变量；
综合考虑电力系统一、二次调频作用，系统频率偏差可表示为
Figure BDA0002553539650000032
式(5)中，
Figure BDA0002553539650000033
且有：
Figure BDA0002553539650000034
式中，ΔPpki为系统一次调频功率动作量，ΔPCki为系统二次调频功率动作量，Rki为系统一次调频下垂系数，βi为频率偏移(系统频率响应系数)，Δfi(S)为系统频率偏差，His为电力系统惯性系数，Di为电力系统阻尼系数，Tij为等效惯性时间常数，ΔPmki为发电机有功出力变化量，ΔPtie,i为联络线有功出力变化量，ΔPLi为负荷有功出力变化量，S为频域系数，Tgk、Ttk为发电机时间常数；
将式(7)代入式(5)可得
Figure BDA0002553539650000035
式中，His为电力系统惯性系数，Di为电力系统阻尼系数，Mki(s)为发电机组等效机械转矩，ΔPCki为系统二次调频功率动作量，Δfi(S)为系统频率偏差，Rki为系统一次调频下垂系数，ΔPtie,i为联络线有功出力变化量，ΔPLi为负荷有功出力变化量，k为常数，S为频域系数；
为分析负荷扰动，将(9)设为阶跃函数
Figure BDA0002553539650000041
将式(9)代入式(8)可得
Figure BDA0002553539650000042
式中，gi(S)为系统等效转动惯量，Mki(s)为发电机组等效机械转矩，ΔPCki为系统二次调频功率动作量，ΔPtie,i(S)为联络线有功出力变化量，ΔPLi为负荷有功出力变化量，S为频域系数；
其中，
Figure BDA0002553539650000043
式中，His为电力系统惯性系数，Di为电力系统阻尼系数，Mki(s)为发电机组等效机械转矩，Rki为系统一次调频下垂系数；
根据终值定理，稳态时系统频率偏差为
Figure BDA0002553539650000044
式中，Δfss,i(S)为稳态时系统频率偏差，Δfi(S)为系统频率偏差，gi为系统等效转动惯量，Rki为系统一次调频下垂系数,ΔPCki为系统二次调频功率动作量，ΔPtie,i(S)为联络线有功出力变化量；
以上计算过程假设稳态时ΔPtie,i趋于0，且有
Figure BDA0002553539650000045
Figure BDA0002553539650000046
式中，ΔPCki为系统二次调频功率动作量，Mki(s)为发电机组等效机械转矩，RRi为系统一次调频下垂系数，Di为电力系统阻尼系数，Rsys,i为负荷一次调频下垂系数；
其中，ΔRsys,i为系统等效下垂系数，且有
Figure BDA0002553539650000051
定义βi为系统频率响应系数，则
Figure BDA0002553539650000052
将式(16)代入式(12)可得：
Figure BDA0002553539650000053
式中，Δfss,i(S)为稳态时系统频率偏差，ΔPCi为系统二次调频功率动作量；
可知，在不考虑联络线功率偏差的前提下，若二次调频有功备用量和系统功率扰动相等，则稳态时系统频率偏差将趋向于零；系统一次调频则通过系统频率响应系数影响频率偏差。
所述的基于虚拟权重系数的风/火电联合频率控制方法还包括：将联络线情况合理反映到式(10)中，则得到更加精确的结果。
所述构建含RES鲁棒综合频率响应模型是通过附加Δf、df/dt两个辅助控制回路，将风机功率控制视作系统频率的函数，同时考虑系统二次调频和联络线功率支撑，构建含RES鲁棒综合频率响应模型。
所述惯性控制分析包括：
为了获得频率响应，双馈发电机功率控制器分别增加Δf、df/dt两个辅助回路；第一回路通过使用Δf比例控制来实现惯性控制，额外增加的功率变换量Pref1通过测量频率与标称频率绝对偏差计算得出：
Pref1＝KPf(f0-f) (18)
式中，Pref1为额外增加的功率变换量，f0为基准频率，KPf为比例系数；
第二回路通过使用df/dt比例控制来改变电磁功率，从而改变转子转速，释放(吸收)部分旋转动能，即
Pref2＝-Kdfdf/dt (19)
Figure BDA0002553539650000061
式中，Pref2为有功功率参考值，Kdf为比例系数，df/dt为频率变化率；
在上述推导基础上可得系统频率调节等效模型；
在稳定状态下，系统功率平衡方程为
-PL+PG+PT+PW＝PA＝0 (21)
式中，PG为常规发电机功率输出，PW为风力发电机功率输出，PL为负载有功功率，PT为联络线交换功率，PA为系统总功率缺额；
当系统出现频率波动时，总功率缺额与系统频率偏差关系如下：
Figure BDA0002553539650000062
式中，H为惯性系数，D为阻尼系数，
Figure BDA0002553539650000063
为频率偏差变化率，Δf为频率变化量；
考虑风电系统附加虚拟惯性环节，则
PW＝P0+ΔP (23)
式中，PW为风力发电机功率输出，P0为风机未附加虚拟惯性控制前正常有功功率，ΔP为附加虚拟惯性控制后追加的有功功率变化量；
由于电力电子转换器对电功率快速控制，则风机有功功率参考值与风机实际输出功率之间没有动态，则有
Figure BDA0002553539650000064
式中，P*ref为功率参考值的标幺值，kdf为同步力矩系数，kpf为阻尼力矩系数，
Figure BDA0002553539650000065
为频率偏差变化率，Δf为频率变化量；
将式(21)、(23)、(24)代入式(22)可得
Figure BDA0002553539650000071
式中，H为惯性系数，PL为负载有功功率，PG为常规发电机功率输出，PT为联络线交换功率，P0为有功功率初始值，
Figure BDA0002553539650000072
为频率偏差变化率，Δf为频率变化量；
令
2H+Kdf＝2H* (26)
Kpf+D＝D* (27)
式中，H*为惯性系数标幺值，D*为阻尼系数标幺值；
则式(5)可变为
Figure BDA0002553539650000073
惯性控制将系统等效惯性变为H*，大于原系统的等效惯性，增加的部分由Kdf决定，且存在风力发电机虚拟惯量大于物理惯量的可能性；新阻尼系数D*也大于原阻尼系数，增加部分由Kdf决定。
所述频率二次响应分析包括：
当df/dt＝0时，启动附加频率二次支撑模块；
当触发频率检测器阈值时，虚拟惯性控制模块介入到双馈风机控制中，变换器从正常工作模式切换到机械能释放模式，在频率下降的过程中，所有参与一次调频的风电机组同步、集中释放转子旋转动能，向电网注入额外有功功率；
当频率检测器检测到系统频率变化率为0时，即df/dt＝0，此时认为系统中火电机组一次调频已经介入，风电机组参与一次调频的任务已经完成；
当控制系统在检测到df/dt＝0时，启动附加频率二次支撑模块，即风机虚拟权重系数判别模块。
所述附加频率二次支撑模块，包括风速排序模块、失速保护模块和风机虚拟权重系数判别模块。
所述步骤3中，惯性控制分析，还包括：在风机虚拟惯性控制模块中，将各风电场α进行排序，优先安排α较小的风机恢复正常控制，同样给出控制模式切换延迟时间Tnj；
定义α为风电场虚拟权重系数，表达式为
Figure BDA0002553539650000081
式中，Sa为风电场并网点的短路容量，SN为系统短路容量；
风电场虚拟权重系数α表征风电场所处位置网架结构的坚强程度；α越小，表征该风电场所处位置网架结构越坚强，即风机出力波动对系统频率、电压影响越小；在一定的网架结构下，各风电场虚拟权重系数是一定的；预先计算出所有参与一次调频风电场的虚拟权重系数，在分布式风机恢复策略中，优先恢复虚拟权重系数较大的风机；
定义β为风电场虚拟、惯性调节程度，表达式为
Figure BDA0002553539650000082
式中，df/dt为频率变化率，f为风电场频率，Kg为风电场惯性调节系数，Kx为风电场虚拟调节系数；
风电场虚拟、惯性调节程度β表征风电场参与调频的程度；β越小，表征该风电场对系统总出力贡献的少，即风机增加出力幅度小，调节能力较弱；在一定的网架结构下，各风电场虚拟、惯性调节程度β计算中，风电场惯性调节系数Kg，风电场虚拟调节系数Kx是一定的；预先计算出所有参与一次调频风电场的调节系数；
风机虚拟权重系数判别模块分别从有功功率缺额和无功电压两个角度出发，按两者综合控制模式切换延时时间发送至各风电场的控制系统中；
风电场虚拟、惯性调节程度β则取决于频率的变化率及与工频的偏差值。
基于虚拟权重系数的风/火电联合频率控制装置，包括：
存储器，存储有计算机程序；
处理器，执行所述计算机程序；
其中，所述处理器在执行所述计算机程序时，实现所述的基于虚拟权重系数的风/火电联合频率控制方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，包括：
所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时，实现所述的基于虚拟权重系数的风/火电联合频率控制方法的步骤。
本发明具有以下有益效果及优点：
本发明以虚拟惯性控制的频率二次响应为切入点，附加频率二次支撑模块，通过检测系统频率变化率来控制风机参与一次调频的功率、时间和工作模式，动态响应系统不同时间尺度下的功率需求，为电网提供暂态/稳态全时间尺度下双重频率支撑。风机虚拟权重系数判别模块分别从有功功率缺额和无功电压两个角度出发，考虑其对系统稳态频率的支撑作用。按两者综合控制模式切换延时时间发送至各风电场的控制系统中。
本发明构建了含虚拟惯性支持及稳态频率二次支撑的鲁棒综合频率响应模型，以系统频率变化率为阀值控制风机在不同时间尺度下功率贡献量，附加频率二次支撑模块综合风机虚拟惯性系数与系统频率灵敏性关系，智能响应系统稳态频率需求，使风机在同步机组一次调频介入后分层、分步恢复正常运行模式，为电网提供暂态/稳态全时间尺度下双重频率支撑。为电网提供暂态/稳态全时间尺度下双重频率提供支撑，进一步保证电网和机组的安全稳定运行。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明系统综合频率响应模型；
图2是本发明含RES鲁棒综合频率响应模型；
图3是本发明附加频率敏感控制环节风机调频模型；
图4是本发明系统频率调节等效模型；
图5是本发明系统频率调节等效模型；
图6是本发明附加频率二次支撑模块。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面将结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
下面参照附图1-图6描述本发明一些实施例的技术方案。
实施例1
本发明是一种基于虚拟权重系数的风/火电联合频率控制方法，如图1所示，图1是本发明系统综合频率响应模型。该模式赋予不同的火电机组不同的调差系数Ri,火电机组一次调频和二次调频变化量通过传递函数送至发电机调速器系统，调速器综合考虑各发电机动作情况，以系统等效惯性和阻尼系数为修正条件，平抑系统频率波动。
一种以系统频率变化率为阀值控制风机在不同时间尺度下功率贡献量，附加频率二次支撑控制策略建立了风速、风机虚拟惯性系数与系统频率灵敏性函数关系，动态响应系统稳态频率需求，使风机在同步机组一次调频介入后引入风电场虚拟权重系数，分层、分步恢复正常运行模式，为电网提供暂态/稳态全时间尺度下双重频率支撑，本发明方法包括以下步骤：
步骤1.建立综合频率响应模型，包括：
假设所有发电机组均为非再热型机组，可得
Figure BDA0002553539650000101
Figure BDA0002553539650000102
Figure BDA0002553539650000103
式中，Mki(s)为发电机组等效机械转矩，M调为调速器机械转矩，M原为原动机机械转矩，Tg为调速器等效惯性时间常数，S为频域系数；
发电机与负荷功率差与系统频率波动，即Δf之间关系可由摇摆微分方程描述。
Figure BDA0002553539650000111
式中，Δf为系统频率偏差，j为纵向量，i为横向量，Tij为等效惯性时间常数，Dsys为系统等效阻尼系数，Vi为区域接口变量；
综合考虑电力系统一、二次调频作用，系统频率偏差可表示为
Figure BDA0002553539650000112
式(5)中，
Figure BDA0002553539650000113
且有：
Figure BDA0002553539650000114
式中，ΔPpki为系统一次调频功率动作量，ΔPCki为系统二次调频功率动作量，Rki为系统一次调频下垂系数，βi为频率偏移(系统频率响应系数)，Δfi(S)为系统频率偏差，His为电力系统惯性系数，Di为电力系统阻尼系数，Tij为等效惯性时间常数，ΔPmki为发电机有功出力变化量，ΔPtie,i为联络线有功出力变化量，ΔPLi为负荷有功出力变化量，S为频域系数，Tgk、Ttk为发电机时间常数。
将式(7)代入式(5)可得
Figure BDA0002553539650000115
式中，His为电力系统惯性系数，Di为电力系统阻尼系数，Mki(s)为发电机组等效机械转矩，ΔPCki为系统二次调频功率动作量，Δfi(S)为系统频率偏差，Rki为系统一次调频下垂系数，ΔPtie,i为联络线有功出力变化量，ΔPLi为负荷有功出力变化量，k为常数，S为频域系数。
为分析负荷扰动，将(9)设为阶跃函数
Figure BDA0002553539650000121
将式(9)代入式(8)可得
Figure BDA0002553539650000122
式中，gi(S)为系统等效转动惯量，Mki(s)为发电机组等效机械转矩，ΔPCki为系统二次调频功率动作量，ΔPtie,i(S)为联络线有功出力变化量，ΔPLi为负荷有功出力变化量，S为频域系数；
其中，
Figure BDA0002553539650000123
式中，His为电力系统惯性系数，Di为电力系统阻尼系数，Mki(s)为发电机组等效机械转矩，Rki为系统一次调频下垂系数。
根据终值定理，稳态时系统频率偏差为
Figure BDA0002553539650000124
式中，Δfss,i(S)为稳态时系统频率偏差，Δfi(S)为系统频率偏差，gi为系统等效转动惯量，Rki为系统一次调频下垂系数,ΔPCki为系统二次调频功率动作量，ΔPtie,i(S)为联络线有功出力变化量；
以上计算过程假设稳态时ΔPtie,i趋于0，且有
Figure BDA0002553539650000125
Figure BDA0002553539650000126
式中，ΔPCki为系统二次调频功率动作量，Mki(s)为发电机组等效机械转矩，RRi为系统一次调频下垂系数，Di为电力系统阻尼系数，Rsys,i为负荷一次调频下垂系数。
其中，ΔRsys,i为系统等效下垂系数，且有
Figure BDA0002553539650000131
定义βi为系统频率响应系数，则
Figure BDA0002553539650000132
将式(16)代入式(12)可得：
Figure BDA0002553539650000133
式中，Δfss,i(S)为稳态时系统频率偏差，ΔPCi为系统二次调频功率动作量。
由上式可知，系统稳态时频率偏差与系统二次调频有功备用量和系统的扰动大小有关。若二次调频有功备用量和系统功率扰动相等，则稳态时系统频率偏差将趋向于零。系统一次调频则通过系统频率响应系数影响频率偏差。值得一提的是，以上结果是在不考虑联络线功率偏差的前提下得到的，由于实际联络线功率偏差不为零，若想得到更加精确的结果，应将联络线情况合理反映到式(10)中。
步骤2.构建含RES鲁棒综合频率响应模型。
可再生能源(RES)对电力系统动态行为的影响可能导致系统发生扰动时频率响应发生变化，因此可再生能源尤其是风力发电控制系统在频率调控中扮演者重要的角色。本发明通过附加Δf、df/dt两个辅助控制回路，将风机功率控制视作系统频率的函数，同时考虑系统二次调频和联络线功率支撑，构建了含RES鲁棒综合频率响应模型，如图2所示，图2是本发明含RES鲁棒综合频率响应模型。
其中，Δf辅助控制回路是以系统频率变化量为控制阈值，df/dt辅助控制回路是以系统频率变化率为控制阈值，二者相辅相成，共同作用，确保频率变化量和频率变化率均不超出限值。
步骤3.惯性控制分析。本发明基于双馈感应电机的变速风电机组能够对有功、无功进行解耦控制。为了使双馈风机在系统频率变化时表现出类似于同步发电机的惯量响应特性，需要对变速风电机组控制器的功率参考值附加频率敏感控制环节，调节电网频率导数函数的参考功率，通过惯性控制降低双馈电机转子转速，释放转子存储的动能以参与系统一次调频。如图3所示，图3是本发明附加频率敏感控制环节风机调频模型。本发明附加频率敏感控制环节，以系统频率变化量和频率变化率为输入值，与风机风速及转速共同作用修正风机输出的有功功率参考值，为电网提供暂态与稳态频率支撑。
为了获得频率响应，双馈发电机功率控制器分别增加Δf、df/dt两个辅助回路。第一回路通过使用Δf比例控制来实现惯性控制，额外增加的功率变换量Pref1通过测量频率与标称频率绝对偏差计算得出。
Pref1＝KPf(f0-f) (18)
式中，Pref1为额外增加的功率变换量，f0为基准频率，KPf为比例系数。
第二回路通过使用df/dt比例控制来改变电磁功率，从而改变转子转速，释放(吸收)部分旋转动能，即
Pref2＝-Kdfdf/dt (19)
Figure BDA0002553539650000141
式中，Pref2为有功功率参考值，Kdf为比例系数，df/dt为频率变化率。
在上述推导基础上可得系统频率调节等效模型，如图4所示，图4是本发明系统频率调节等效模型。该模型以负荷有功功率、发电机组有功功率、风机有功功率、系统机械功率为输入，通过阻尼与惯性环节，得到系统频率的变化量。
在稳定状态下，系统功率平衡方程为
-PL+PG+PT+PW＝PA＝0 (21)
式中，PG为常规发电机功率输出，PW为风力发电机功率输出，PL为负载有功功率，PT为联络线交换功率，PA为系统总功率缺额。
当系统出现频率波动时，总功率缺额与系统频率偏差关系如下：
Figure BDA0002553539650000151
式中，H为惯性系数，D为阻尼系数，
Figure BDA0002553539650000152
为频率偏差变化率，Δf为频率变化量；
考虑风电系统附加虚拟惯性环节，则
PW＝P0+ΔP (23)
式中，PW为风力发电机功率输出，P0为风机未附加虚拟惯性控制前正常有功功率，ΔP为附加虚拟惯性控制后追加的有功功率变化量。
由于电力电子转换器对电功率快速控制，可认为风机有功功率参考值与风机实际输出功率之间没有动态，则有
Figure BDA0002553539650000153
式中，P*ref为功率参考值的标幺值，kdf为同步力矩系数，kpf为阻尼力矩系数，
Figure BDA0002553539650000154
为频率偏差变化率，Δf为频率变化量；
将式(21)、(23)、(24)代入式(22)可得
Figure BDA0002553539650000155
式中，H为惯性系数，PL为负载有功功率，PG为常规发电机功率输出，PT为联络线交换功率，P0为有功功率初始值，
Figure BDA0002553539650000156
为频率偏差变化率，Δf为频率变化量；
令
2H+Kdf＝2H* (26)
Kpf+D＝D* (27)
式中，H*为惯性系数标幺值，D*为阻尼系数标幺值；
则式(5)可变为
Figure BDA0002553539650000161
根据上述分析可知，惯性控制将系统等效惯性变为H*，大于原系统的等效惯性，增加的部分由Kdf决定，且存在风力发电机虚拟惯量大于物理惯量的可能性。新阻尼系数D*也大于原阻尼系数，增加部分由Kdf决定。
系统惯量的增加可以使电力系统在负荷波动引起频率变化时，频率的变化速度变慢，有利于电力系统频率稳定。但变速风电机组在参与调频时牺牲了自身转速，在放电后恢复动能的过程相对缓慢，易引起系统的负功率穿透。因此，频率的二次响应分析显得尤为重要。
步骤4.频率二次响应分析。
现有的惯性控制可以在系统损失电源后关键的初始几秒钟时间内发挥作用，而此时蒸汽或水轮调速器由于响应速度较慢(5-10s)，尚不能增加输出功率，因此惯性控制有利于缓和系统频率下降速度，为电网提供暂态频率支撑。如图5所示，图5是本发明系统频率调节等效模型。
但传统惯性控制并未充分利用双馈风机的特点，如快速有功功率响应和在一定范围内任意输出有功功率的能力，导致传统惯性控制对稳态频率并无支撑作用。
其基本原理如下：
当df/dt＝0时，启动附加频率二次支撑模块，包括风速排序模块、失速保护模块和风机虚拟权重系数判别模块。当触发频率检测器阈值时，虚拟惯性控制模块介入到双馈风机控制中，变换器从正常工作模式切换到机械能释放模式，在频率下降的过程中，所有参与一次调频的风电机组同步、集中释放转子旋转动能，向电网注入额外有功功率。当频率检测器检测到系统频率变化率为0时，即df/dt＝0，此时认为系统中火电机组一次调频已经介入，风电机组参与一次调频的任务已经完成。若此时所有风力机组同时退出，使得所有风力涡轮机同时加速，风机的功率输出急剧下降，可能导致电力系统发生负功率穿透。因此，当控制系统在检测到df/dt＝0时，启动附加频率二次支撑模块，即风机虚拟权重系数判别模块。如图6所示，图6是本发明附加频率二次支撑模块。
实施例2
本发明所述步骤3中，惯性控制分析，还包括：
1.在风机虚拟惯性控制模块中，将各风电场α进行排序，优先安排α较小的风机恢复正常控制，同样给出控制模式切换延迟时间Tnj。
定义α为风电场虚拟权重系数，表达式为
Figure BDA0002553539650000171
式中，Sa为风电场并网点的短路容量，SN为系统短路容量。
风电场虚拟权重系数α表征风电场所处位置网架结构的坚强程度。α越小，表征该风电场所处位置网架结构越坚强，即风机出力波动对系统频率、电压影响越小。在一定的网架结构下，各风电场虚拟权重系数是一定的。因此可预先计算出所有参与一次调频风电场的虚拟权重系数。在分布式风机恢复策略中，应优先恢复虚拟权重系数较大的风机。
2.定义β为风电场虚拟、惯性调节程度，表达式为
Figure BDA0002553539650000172
式中，df/dt为频率变化率，f为风电场频率，Kg为风电场惯性调节系数，Kx为风电场虚拟调节系数；
风电场虚拟、惯性调节程度β表征风电场参与调频的程度。β越小，表征该风电场对系统总出力贡献的少，即风机增加出力幅度小，调节能力较弱。在一定的网架结构下，各风电场虚拟、惯性调节程度β计算中，风电场惯性调节系数Kg，风电场虚拟调节系数Kx是一定的。因此可预先计算出所有参与一次调频风电场的调节系数。
3.风机虚拟权重系数判别模块分别从有功功率缺额和无功电压两个角度出发，考虑其对系统稳态频率的支撑作用。按两者综合控制模式切换延时时间发送至各风电场的控制系统中。
4.风电场虚拟、惯性调节程度β则相对比较固定，只取决于频率的变化率及与工频的偏差值。
实施例3
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种基于虚拟权重系数的风/火电联合频率控制装置，包括：
存储器，存储有计算机程序；
处理器，执行所述计算机程序；
其中，所述处理器在执行所述计算机程序时，实现如实施例1或2所述的基于虚拟权重系数的风/火电联合频率控制方法的步骤。
实施例4
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时，实现如实施例1或2所述的基于虚拟权重系数的风/火电联合频率控制方法的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求中。

Claims (5)

1.基于虚拟权重系数的风/火电联合频率控制方法，其特征是：包括以下步骤：
步骤1.建立综合频率响应模型；
所述建立综合频率响应模型，包括：
假设所有发电机组均为非再热型机组，可得
Figure FDA0003783278460000011
Figure FDA0003783278460000012
Figure FDA0003783278460000013
式中，Mki(s)为发电机组等效机械转矩，M调为调速器机械转矩，M原为原动机机械转矩，Tg为调速器等效惯性时间常数，S为频域系数；Tgk、Ttk为发电机时间常数；
发电机与负荷功率差与系统频率波动，即Δf之间关系可由摇摆微分方程描述；
Figure FDA0003783278460000014
式中，Δf为系统频率偏差，j为纵向量，i为横向量，Tij为等效惯性时间常数，Dsys为系统等效阻尼系数，Vi为区域接口变量；
综合考虑电力系统一、二次调频作用，系统频率偏差可表示为
Figure FDA0003783278460000015
式(5)中，
Figure FDA0003783278460000016
且有：
Figure FDA0003783278460000017
式中，ΔPpki为系统一次调频功率动作量，ΔPCki为系统二次调频功率动作量，Rki为系统一次调频下垂系数，βi为频率偏移，即系统频率响应系数；Δfi(S)为系统频率偏差，His为电力系统惯性系数，Di为电力系统阻尼系数，Tij为等效惯性时间常数，ΔPmki为发电机有功出力变化量，ΔPtie,i为联络线有功出力变化量，ΔPLi为负荷有功出力变化量，S为频域系数，Tgk、Ttk为发电机时间常数；
将式(7)代入式(5)可得
Figure FDA0003783278460000021
式中，His为电力系统惯性系数，Di为电力系统阻尼系数，Mki(s)为发电机组等效机械转矩，ΔPCki为系统二次调频功率动作量，Δfi(S)为系统频率偏差，Rki为系统一次调频下垂系数，ΔPtie,i为联络线有功出力变化量，ΔPLi为负荷有功出力变化量，k为常数，S为频域系数；
为分析负荷扰动，将(9)设为阶跃函数
Figure FDA0003783278460000022
将式(9)代入式(8)可得
Figure FDA0003783278460000023
式中，gi(S)为系统等效转动惯量，Mki(s)为发电机组等效机械转矩，ΔPCki为系统二次调频功率动作量，ΔPtie,i(S)为联络线有功出力变化量，ΔPLi为负荷有功出力变化量，S为频域系数；
其中，
Figure FDA0003783278460000024
式中，His为电力系统惯性系数，Di为电力系统阻尼系数，Mki(s)为发电机组等效机械转矩，Rki为系统一次调频下垂系数；
根据终值定理，稳态时系统频率偏差为
Figure FDA0003783278460000031
式中，Δfi(S)为系统频率偏差，gi为系统等效转动惯量，Rki为系统一次调频下垂系数,ΔPCki为系统二次调频功率动作量，ΔPtie,i(S)为联络线有功出力变化量；
以上计算过程假设稳态时ΔPtie,i趋于0，且有
Figure FDA0003783278460000032
Figure FDA0003783278460000033
式中，ΔPCki为系统二次调频功率动作量，Mki(s)为发电机组等效机械转矩，RRi为系统一次调频下垂系数，Di为电力系统阻尼系数，Rsys,i为负荷一次调频下垂系数；
其中，ΔRsys,i为系统等效下垂系数，且有
Figure FDA0003783278460000034
定义βi为系统频率响应系数，则
Figure FDA0003783278460000035
将式(16)代入式(12)可得：
Figure FDA0003783278460000036
式中，Δfss,i为稳态时系统频率偏差，ΔPCi为系统二次调频功率动作量；
可知，在不考虑联络线功率偏差的前提下，若二次调频有功备用量和系统功率扰动相等，则稳态时系统频率偏差将趋向于零；系统一次调频则通过系统频率响应系数影响频率偏差；
步骤2.构建含RES鲁棒综合频率响应模型；
所述构建含RES鲁棒综合频率响应模型是通过附加Δf、df/dt两个辅助控制回路，将风机功率控制视作系统频率的函数，同时考虑系统二次调频和联络线功率支撑，构建含RES鲁棒综合频率响应模型；
步骤3.惯性控制分析；
所述惯性控制分析包括：
为了获得频率响应，双馈发电机功率控制器分别增加Δf、df/dt两个辅助回路；
第一回路通过使用Δf比例控制来实现惯性控制，额外增加的功率变换量Pref1通过测量频率与标称频率绝对偏差计算得出：
Pref1＝KPf(f0-f) (18)
式中，Pref1为额外增加的功率变换量，f0为基准频率，KPf为比例系数；
第二回路通过使用df/dt比例控制来改变电磁功率，从而改变转子转速，释放或吸收部分旋转动能，即
Pref2＝-Kdfdf/dt (19)
Figure FDA0003783278460000041
式中，Pref2为有功功率参考值，Kdf为比例系数，df/dt为频率变化率；
在上述推导基础上可得系统频率调节等效模型；
在稳定状态下，系统功率平衡方程为-PL+PG+PT+PW＝PA＝0 (21)式中，PG为常规发电机功率输出，PW为风力发电机功率输出，PL为负载有功功率，PT为联络线交换功率，PA为系统总功率缺额；
当系统出现频率波动时，总功率缺额与系统频率偏差关系如下：
Figure FDA0003783278460000042
式中，H为惯性系数，D为阻尼系数，
Figure FDA0003783278460000043
为频率偏差变化率，Δf为频率变化量；
考虑风电系统附加虚拟惯性环节，则
PW＝P0+ΔP (23)
式中，PW为风力发电机功率输出，P0为风机未附加虚拟惯性控制前正常有功功率，ΔP为附加虚拟惯性控制后追加的有功功率变化量；
由于电力电子转换器对电功率快速控制，则风机有功功率参考值与风机实际输出功率之间没有动态，则有
Figure FDA0003783278460000051
式中，P*ref为功率参考值的标幺值，kdf为同步力矩系数，kpf为阻尼力矩系数，
Figure FDA0003783278460000052
为频率偏差变化率，Δf为频率变化量；
将式(21)、(23)、(24)代入式(22)可得
Figure FDA0003783278460000053
式中，H为惯性系数，PL为负载有功功率，PG为常规发电机功率输出，PT为联络线交换功率，P0为有功功率初始值，
Figure FDA0003783278460000054
为频率偏差变化率，Δf为频率变化量；
令
2H+Kdf＝2H* (26)
Kpf+D＝D* (27)
式中，H*为惯性系数标幺值，D*为阻尼系数标幺值；
则式(5)可变为
Figure FDA0003783278460000055
惯性控制将系统等效惯性变为H*，大于原系统的等效惯性，增加的部分由Kdf决定，且存在风力发电机虚拟惯量大于物理惯量的可能性；新阻尼系数D*也大于原阻尼系数，增加部分由Kdf决定；
步骤4.频率二次响应分析；
所述频率二次响应分析包括：
当df/dt＝0时，启动附加频率二次支撑模块；
当触发频率检测器阈值时，虚拟惯性控制模块介入到双馈风机控制中，变换器从正常工作模式切换到机械能释放模式，在频率下降的过程中，所有参与一次调频的风电机组同步、集中释放转子旋转动能，向电网注入额外有功功率；
当频率检测器检测到系统频率变化率为0时，即df/dt＝0，此时认为系统中火电机组一次调频已经介入，风电机组参与一次调频的任务已经完成；
当控制系统在检测到df/dt＝0时，启动附加频率二次支撑模块，即风机虚拟权重系数判别模块。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟权重系数的风/火电联合频率控制方法，其特征是：所述附加频率二次支撑模块，包括风速排序模块、失速保护模块和风机虚拟权重系数判别模块。
3.根据权利要求1所述的基于虚拟权重系数的风/火电联合频率控制方法，其特征是：所述步骤3中，惯性控制分析，还包括：在风机虚拟惯性控制模块中，将各风电场α进行排序，优先安排α较小的风机恢复正常控制，同样给出控制模式切换延迟时间Tnj；
定义α为风电场虚拟权重系数，表达式为
Figure FDA0003783278460000061
式中，Sa为风电场并网点的短路容量，SN为系统短路容量；
风电场虚拟权重系数α表征风电场所处位置网架结构的坚强程度；α越小，表征该风电场所处位置网架结构越坚强，即风机出力波动对系统频率、电压影响越小；在一定的网架结构下，各风电场虚拟权重系数是一定的；预先计算出所有参与一次调频风电场的虚拟权重系数，在分布式风机恢复策略中，优先恢复虚拟权重系数较大的风机；
定义β为风电场虚拟、惯性调节程度，表达式为
Figure FDA0003783278460000071
式中，df/dt为频率变化率，f为风电场频率，Kg为风电场惯性调节系数，Kx为风电场虚拟调节系数；
风电场虚拟、惯性调节程度β表征风电场参与调频的程度；β越小，表征该风电场对系统总出力贡献的少，即风机增加出力幅度小，调节能力较弱；在一定的网架结构下，各风电场虚拟、惯性调节程度β计算中，风电场惯性调节系数Kg，风电场虚拟调节系数Kx是一定的；预先计算出所有参与一次调频风电场的调节系数；
风机虚拟权重系数判别模块分别从有功功率缺额和无功电压两个角度出发，按两者综合控制模式切换延时时间发送至各风电场的控制系统中；
风电场虚拟、惯性调节程度β则取决于频率的变化率及与工频的偏差值。
4.基于虚拟权重系数的风/火电联合频率控制装置，其特征在于，包括：
存储器，存储有计算机程序；
处理器，执行所述计算机程序；
其中，所述处理器在执行所述计算机程序时，实现如权利要求1-3任一所述的基于虚拟权重系数的风/火电联合频率控制方法的步骤。
5.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括：
所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时，实现如权利要求1-3任一所述的基于虚拟权重系数的风/火电联合频率控制方法的步骤。
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含虚拟惯性与阻尼控制的变速风电机组综合PSS控制器;张祥宇 等;《电工技术学报》;20150131;第30卷(第1期);全文 *
适用于高风电渗透率电力系统的火电机组一次调频策略;王琦 等;《中国电机工程学报》;20180220;第38卷(第4期);全文 *

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