CN112103973A - 一种面向风电场频率支撑的最优下垂控制增益设计方法 - Google Patents

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CN112103973A CN202011304991.4A CN202011304991A CN112103973A CN 112103973 A CN112103973 A CN 112103973A CN 202011304991 A CN202011304991 A CN 202011304991A CN 112103973 A CN112103973 A CN 112103973A
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Abstract

本发明公开了一种面向风电场频率支撑的最优下垂控制增益设计方法，包括如下步骤：S1、建立双馈感应风机的有功功率输出模型，计算出风机的有功功率；S2、建立系统在频率波动情况下的风电场风机的最优转子电角速度模型；S3、基于步骤S2建立的最优转子电角速度模型，得出最优下垂控制增益与最优转子电角速度值之间的关系；S4、计算双馈感应风机的下垂控制回路的最优下垂控制增益。本发明建立了最优转子电角速度优化模型，通过最优转子电角速度设定提升其转子电角速度，制定最优下垂控制增益，可以在不启动桨叶角控制系统的情况下调节风电场有功输出水平，这样不但可以实现频率支撑的功能，而且可以实现风电场风能捕获的最大化。

Description

一种面向风电场频率支撑的最优下垂控制增益设计方法
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种面向风电场频率支撑的最优下垂控制增益设计方法。
背景技术
近年来，可再生能源发展迅速。风电场大规模高渗透率并网过程中应用了大量电力电子转换器，解耦了风机转速与系统频率之间的关系，造成了电网惯量水平的下降，由此带来了一系列系统频率稳定性问题。
下垂控制是双馈感应风机参与系统频率支撑的一种常用方法，为应对电力系统中过度发电事件，通常采用将系统功率差额通过下垂控制平均分配到每一台双馈感应风机，通过控制转子转速的提升以降低风机的功率输出水平，从而快速响应系统频率变化。这种控制方法中各风机采用相同的下垂增益，忽略了在风机尾流效应影响下，风机所处位置不同，其能够承担的功率下降差额能力并不均等，从而导致了风电场捕获风能的损失。
在风电场参与系统频率支撑方面，上述双馈感应风机下垂控制回路中，采用相同下垂控制增益的方法极大的降低了风电场捕获风能的能力。
公开号为CN109638860A的中国专利公开了“一种针对风电场过频干扰的双馈感应风机”，其采用的技术方案是：首先建立DFIG风电机模型；然后根据MPPT算法分析风机有功功率参考值和最佳转子转速；建立风机间尾流作用相互作用模型；最后由上述得到的下垂控制增益和风速差，得到每个风机的可变下垂控制增益控制计划。其针对外界环境（如较高风速场景）干扰，该方案划分每个DFIG单元进行系统频率支撑，同时减少风电场中总风力发电的能量损失，提出变下垂增益控制方法使每个风机的下垂增益根据其转子速度自适应地进行调整，进而使较高风速下的风机在提供频率支持的同时减少风能捕获损失。然而，根据该专利描述，在系统干扰后，根据风机间尾流作用得到的风机转子转速并非最优转速，因此根据该转速与最高转速之间的转速差所得到的下垂控制增益也并非最优，从而导致风电场在频率支撑过程中所捕获的风能总量也不是最大的，还存在一些风能浪费。
发明内容
本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种面向风电场频率支撑的最优下垂控制增益设计方法。为双馈感应电机的下垂控制回路设计最优增益，实现系统频率波动时不同位置的风机承担不同功率调节差额，减少风电场捕获风能的损失。
本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：
一种面向风电场频率支撑的最优下垂控制增益设计方法，包括如下步骤：
S1、建立双馈感应风机的有功功率输出模型，计算出风机的有功功率；
S2、建立系统在频率波动情况下的风电场风机的最优转子电角速度模型；
S3、基于步骤S2建立的最优转子电角速度模型，得出最优下垂控制增益与最优转子电角速度值之间的关系；
S4、计算双馈感应风机的下垂控制回路的最优下垂控制增益，从而发挥不同位置的风机承担不同功率输出水平的调节能力。
进一步地，步骤S1中，建立双馈感应风机的有功功率输出模型具体包括如下：
对于双馈感应风机，当面临风速
Figure 719573DEST_PATH_IMAGE001
大于切入风速且低于切出风速时，风机从风中汲取的机械功率为：
Figure 241821DEST_PATH_IMAGE002
（1）
公式（1）中，
Figure 566754DEST_PATH_IMAGE003
为空气密度，
Figure 781835DEST_PATH_IMAGE004
为风机的叶片半径，
Figure 808697DEST_PATH_IMAGE005
为叶尖速比，
Figure 400215DEST_PATH_IMAGE006
为桨距角，
Figure 828922DEST_PATH_IMAGE007
为风能利用系数且与桨距角
Figure 949325DEST_PATH_IMAGE006
和叶尖速比
Figure 729062DEST_PATH_IMAGE005
有关；
叶尖速比
Figure 107960DEST_PATH_IMAGE008
具体如下：
Figure 391174DEST_PATH_IMAGE009
（2）
公式（2）中，
Figure 948057DEST_PATH_IMAGE010
为风机的转子电角速度，
Figure 949511DEST_PATH_IMAGE011
为风机的极对数；
根据风机的转子运动方程：
Figure 617253DEST_PATH_IMAGE012
（3）
公式（3）中，
Figure 20552DEST_PATH_IMAGE013
为风机的有功功率，
Figure 13916DEST_PATH_IMAGE014
为风机的转动惯量；根据公式（3）可知，在风机稳态运行的情况下，转子电角速度变化量为0，在不考虑系统损耗的情况下，风机输出的有功功率为：
Figure 984890DEST_PATH_IMAGE015
（4）
其中，
Figure 456322DEST_PATH_IMAGE016
（5）
在风速
Figure 917391DEST_PATH_IMAGE001
不变和桨距角
Figure 816077DEST_PATH_IMAGE006
恒定的情况下，
Figure 41390DEST_PATH_IMAGE007
是关于转子电角速度
Figure 316514DEST_PATH_IMAGE010
的曲线，通过将该曲线利用多项式函数进行拟合，可得风机输出的有功功率为：
Figure 428827DEST_PATH_IMAGE017
（6）
公式（6）中，
Figure 763993DEST_PATH_IMAGE018
为拟合的多项式最高次数，
Figure 961756DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 40570DEST_PATH_IMAGE020
为多项式拟合系数。
进一步地，步骤S2中，建立系统在频率波动情况下的风电场风机的最优转子电角速度模型具体包括如下：
当系统频率出现波动时，风机的转子电角速度发生变化，从而释放或吸收转子动能，提供虚拟惯量以支撑系统频率，对于某一风机
Figure 272969DEST_PATH_IMAGE021
，为提供虚拟惯量支撑，其在转子电角速度从
Figure 513457DEST_PATH_IMAGE022
变化为
Figure 214828DEST_PATH_IMAGE023
时，则转子动能的变化
Figure 831754DEST_PATH_IMAGE024
与风机为惯量支撑可提供的输出功率变化量
Figure 653080DEST_PATH_IMAGE025
之间的关系为：
Figure 64469DEST_PATH_IMAGE026
（7）
根据公式（7），风机
Figure 236825DEST_PATH_IMAGE021
输出功率变化量
Figure 657442DEST_PATH_IMAGE025
为：
Figure 598853DEST_PATH_IMAGE027
（8）
设在面临风速不变情况下，风能捕捉变化量可以忽略，因此有：
Figure 695991DEST_PATH_IMAGE028
（9）
在系统频率波动时，风电场内所有风机能够提供的功率输出变化的总量
Figure 355642DEST_PATH_IMAGE029
需要等于系统总体功率的不平衡量
Figure 314371DEST_PATH_IMAGE030
，即：
Figure 375868DEST_PATH_IMAGE031
（10）
公式（10）中，
Figure 394640DEST_PATH_IMAGE032
为风场中的风机总数；考虑到风电场内所有风机的电角速度在允许的范围内变化，即有如下约束条件：
Figure 276008DEST_PATH_IMAGE033
（11）
公式（11）中，
Figure 38428DEST_PATH_IMAGE023
为风机
Figure 954431DEST_PATH_IMAGE021
的最优转子电角速度，
Figure 891907DEST_PATH_IMAGE034
为风机
Figure 260571DEST_PATH_IMAGE021
的转子电角速度运行的下限值，而
Figure 561102DEST_PATH_IMAGE035
为风机
Figure 331612DEST_PATH_IMAGE021
的转子电角速度运行的上限值；
根据公式（9）可知，由于风机所处位置不同，其初始的电角速度是不同的，故其能够承担的功率变化量的能力并不均等，在提供系统频率支撑的同时，为了最大化减小风电场捕获风能的损失，设定系统在惯量支撑过程中的总体优化目标为转子动能的总量最大化，即：
Figure 692186DEST_PATH_IMAGE036
（12）
根据公式（9）-（12），建立风电场在系统频率支撑过程中风机的最优转子电角速度模型如下：
Figure 548147DEST_PATH_IMAGE037
Figure 652369DEST_PATH_IMAGE038
(13）。
进一步地，步骤S3中，最优下垂控制增益与最优转子电角速度值之间的关系的计算具体包括如下：
根据公式（13）中获得的最优转子电角速度
Figure 792232DEST_PATH_IMAGE023
，针对风机
Figure 323708DEST_PATH_IMAGE021
可得其惯量控制中最优下垂控制增益
Figure 666965DEST_PATH_IMAGE039
为：
Figure 309299DEST_PATH_IMAGE040
（14）
公式（14）中，
Figure 54401DEST_PATH_IMAGE041
是所有风机的基准增益参数，考虑到风电场中风机所能提供的功率变化总量应平衡系统总体功率的不平衡量
Figure 756777DEST_PATH_IMAGE030
，因此有：
Figure 587330DEST_PATH_IMAGE042
（15）
公式（15）中，
Figure 33355DEST_PATH_IMAGE043
为系统频率的偏差量，将公式（14）代入公式（15）中得到所有风机的基准增益参数如下：
Figure 649275DEST_PATH_IMAGE044
（16）。
进一步地，步骤S4中，步骤S4中，联立步骤S3中的公式（14）和（16），得到风机的最优下垂控制增益：
Figure 522553DEST_PATH_IMAGE045
（17）。
本发明的有益效果是：
本发明相比公开号为CN109638860A的专利，当系统干扰发生后，不但提出了最优转子电角速度模型，而且根据最优转子电角速度值建立最优下垂控制增益的设计方法，同时该方法考虑了系统频率偏差量在最优下垂控制增益设计中的影响，两者的下垂控制增益方法具有显著不同，本发明所获得的风机转子转速和下垂控制增益更优，所捕获的风能总量也更大。
本发明的方法使得功率差额并不是平均分担到风电场中的每一台风机上，而是根据最优转子电角速度值和最大允许值的差距，设计最优下垂控制增益，通过最优转子电角速度设定提升其转速，可以在不启动桨叶角控制系统的情况下调节风电场有功输出水平，这样不但可以达到不同的功率消减量以实现频率支撑，而且可以将更多的风能转化为转子动能储存在其叶片中。相比传统方案，本发明在频率支撑响应速度和风能有效利用方面具有明显的优越性。
附图说明
图1为本发明实施例所述的五节点微网仿真系统示意图。
图2为采用传统方法的各风机转子电角速度随时间变化的实验结果图。
图3为采用本发明方法的各风机转子电角速度随时间变化的实验结果图。
图4为通过采用传统方法与本发明方法下的风电场的转子动能分析的实验结果对比图。
具体实施方式
为了便于本领域人员更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，下述仅是示例性的不限定本发明的保护范围。
本发明实施例提供了一种面向风电场频率支撑的最优下垂控制增益设计方法，包括如下步骤：
步骤S1、建立双馈感应风机的有功功率输出模型，计算出风机的有功功率。
本实施例中，建立双馈感应风机的有功功率输出模型具体包括如下：
对于双馈感应风机，当面临风速
Figure 574823DEST_PATH_IMAGE001
大于切入风速且低于切出风速时，风机从风中汲取的机械功率为：
Figure 558959DEST_PATH_IMAGE002
（1）
公式（1）中，
Figure 278654DEST_PATH_IMAGE003
为空气密度，
Figure 322833DEST_PATH_IMAGE004
为风机的叶片半径，
Figure 862399DEST_PATH_IMAGE005
为叶尖速比，
Figure 899494DEST_PATH_IMAGE006
为桨距角，
Figure 473695DEST_PATH_IMAGE007
为风能利用系数且与桨距角
Figure 688775DEST_PATH_IMAGE006
和叶尖速比
Figure 715637DEST_PATH_IMAGE005
有关；
叶尖速比
Figure 41576DEST_PATH_IMAGE008
具体如下：
Figure 735863DEST_PATH_IMAGE009
（2）
公式（2）中，
Figure 121845DEST_PATH_IMAGE010
为风机的转子电角速度，
Figure 383806DEST_PATH_IMAGE011
为风机的极对数；
根据风机的转子运动方程：
Figure 513436DEST_PATH_IMAGE012
（3）
公式（3）中，
Figure 62229DEST_PATH_IMAGE013
为风机的有功功率，
Figure 619112DEST_PATH_IMAGE014
为风机的转动惯量；根据公式（3）可知，在风机稳态运行的情况下，转子电角速度变化量为0，在不考虑系统损耗的情况下，风机输出的有功功率为：
Figure 620566DEST_PATH_IMAGE015
（4）
其中，
Figure 553887DEST_PATH_IMAGE016
（5）
在风速
Figure 957186DEST_PATH_IMAGE001
不变和桨距角
Figure 668659DEST_PATH_IMAGE006
恒定的情况下，
Figure 157409DEST_PATH_IMAGE007
是关于转子电角速度
Figure 894421DEST_PATH_IMAGE010
的曲线，通过将该曲线利用多项式函数进行拟合，可得风机输出的有功功率为：
Figure 152227DEST_PATH_IMAGE017
（6）
公式（6）中，
Figure 50913DEST_PATH_IMAGE018
为拟合的多项式最高次数，
Figure 26959DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 302083DEST_PATH_IMAGE020
为多项式拟合系数。
本发明实施例中建立的双馈感应风机的有功功率输出模型，在MPPT模式与非MPPT模式两种模式下，都将风机输出的有功功率拟合成与转子电角速度有关的多项式，用于计算下面步骤S2中的最优转子电角速度模型。
步骤S2、建立系统在频率波动情况下的风电场风机的最优转子电角速度模型。
本实施例中，建立系统在频率波动情况下的风电场风机的最优转子电角速度模型具体包括如下：
当系统频率出现波动时，风机的转子电角速度发生变化，从而释放或吸收转子动能，提供虚拟惯量以支撑系统频率，对于某一风机
Figure 414396DEST_PATH_IMAGE021
，为提供虚拟惯量支撑，其在转子电角速度从
Figure 500294DEST_PATH_IMAGE022
变化为
Figure 166899DEST_PATH_IMAGE023
时，则转子动能的变化
Figure 245713DEST_PATH_IMAGE024
与风机为惯量支撑可提供的输出功率变化量
Figure 212532DEST_PATH_IMAGE025
之间的关系为：
Figure 718600DEST_PATH_IMAGE026
（7）
根据公式（7），风机
Figure 387348DEST_PATH_IMAGE021
输出功率变化量
Figure 4274DEST_PATH_IMAGE025
为：
Figure 91179DEST_PATH_IMAGE027
（8）
设在面临风速不变情况下，风能捕捉变化量可以忽略，因此有：
Figure 768148DEST_PATH_IMAGE028
（9）
在系统频率波动时，风电场内所有风机能够提供的功率输出变化的总量
Figure 940503DEST_PATH_IMAGE029
需要等于系统总体功率的不平衡量
Figure 361120DEST_PATH_IMAGE030
，即：
Figure 302531DEST_PATH_IMAGE031
（10）
公式（10）中，
Figure 150401DEST_PATH_IMAGE032
为风场中的风机总数；考虑到风电场内所有风机的电角速度在允许的范围内变化，即有如下约束条件：
Figure 557856DEST_PATH_IMAGE033
（11）
公式（11）中，
Figure 516584DEST_PATH_IMAGE023
为风机
Figure 578081DEST_PATH_IMAGE021
的最优转子电角速度，
Figure 331274DEST_PATH_IMAGE034
为风机
Figure 478221DEST_PATH_IMAGE021
的转子电角速度运行的下限值，而
Figure 240641DEST_PATH_IMAGE035
为风机
Figure 156644DEST_PATH_IMAGE021
的转子电角速度运行的上限值；
根据公式（9）可知，由于风机所处位置不同，其初始的电角速度是不同的，故其能够承担的功率变化量的能力并不均等，在提供系统频率支撑的同时，为了最大化减小风电场捕获风能的损失，设定系统在惯量支撑过程中的总体优化目标为转子动能的总量最大化，即：
Figure 346317DEST_PATH_IMAGE036
（12）
根据公式（9）-（12），建立风电场在系统频率支撑过程中风机的最优转子电角速度模型如下：
Figure 964249DEST_PATH_IMAGE037
Figure 264781DEST_PATH_IMAGE038
(13）。
因此，本发明中风机最优转子电角速度的设计问题本质上是一个带约束的转子电角速度优化问题。本发明所提出的最优转子电角速度模型在各风机均取得最优转子电角速度时，能够为风电场提供频率支撑，且尽可能降低风能损失。
步骤S3、基于步骤S2建立的最优转子电角速度模型，得出最优下垂控制增益与最优转子电角速度值之间的关系。
本实施例中，最优下垂控制增益与最优转子电角速度值之间的关系的计算具体包括如下：
根据公式（13）中获得的最优转子电角速度
Figure 300870DEST_PATH_IMAGE023
，针对风机
Figure 395865DEST_PATH_IMAGE021
可得其惯量控制中最优下垂控制增益
Figure 251825DEST_PATH_IMAGE039
为：
Figure 356047DEST_PATH_IMAGE040
（14）
公式（14）中，
Figure 246643DEST_PATH_IMAGE041
是所有风机的基准增益参数，考虑到风电场中风机所能提供的功率变化总量应平衡系统总体功率的不平衡量
Figure 528851DEST_PATH_IMAGE030
，因此有：
Figure 872108DEST_PATH_IMAGE042
（15）
公式（15）中，
Figure 514441DEST_PATH_IMAGE043
为系统频率的偏差量，将公式（14）代入公式（15）中得到所有风机的基准增益参数如下：
Figure 259544DEST_PATH_IMAGE044
（16）。
步骤S4、计算双馈感应风机的下垂控制回路的最优下垂控制增益。
本实施例中，联立步骤S3中的公式（14）和（16），得到风机
Figure 961920DEST_PATH_IMAGE021
的最优下垂控制增益：
联立步骤S3中的公式（14）和（16），得到风机的最优下垂控制增益：
Figure 792473DEST_PATH_IMAGE045
（17）。
通过计算出最优下垂控制增益，使得不同位置的风机承担不同的功率输出调节能力。本发明实施例计算的是DFIG频率回路设计的最优下垂控制，可以使得风机转子电角速度在频率波动下调整为最优，风电场中所有风机叶片存储的动能最大，尽量减少风机偏离最优运行点所带来的风能捕获的损失。
对本发明实施例所述的面向风电场频率支撑的最优下垂控制增益设计方法进行实验验证。
利用Matlab通过如图1所示的仿真系统，对本发明提出的面向风电场频率支撑的最优下垂控制策略进行了实验验证。以图1所示的包括DFIG、负荷和传统同步机组组成的五节点系统为例进行仿真，其中风电场中WT1、WT2、WT3和WT4分别为四台容量为2MW的变速风机DFIG，利用一个七阶20MW的同步发电机模型SG代表主网，其参与一次调频的有功输出变化范围为容量的4%，四台DFIG通过馈线连接到第一级升压变压器，并通过PCC点（电力系统中的公共连接点）升压后与同步发电机SG相联，
Figure 238498DEST_PATH_IMAGE046
是微网内总负荷。其中，风电场发出的总有功功率为5.68MW（0.71pu）。当系统运行到第8s时，由于部分负荷切除，系统过频事件发生。为应对系统频率波动，PCC点与主网断开连接，由风电场中风机承担有功调节，因此风电场需要将输出的有功功率降低为5.2MW（0.65pu），以保证系统的功率平衡，实现系统频率支撑。
其中风电场内风机的初始实验参数如下表1所示。
表1
Figure 838107DEST_PATH_IMAGE047
图2和3为利用本发明的面向风电场频率支撑的最优下垂控制增益设计方法对系统的进风机转子电角速度分析的实验结果。
本实施例中，采用传统方案下，即每台风机分担功率差额相同时，各风机转子电角速度如图2所示，而采用本发明所述面向风电场频率支撑的最优下垂控制增益设计方法，各风机转子电角速度如图3所示。
通过对比分析图2和图3中各风机稳定运行下的转子电角速度变化情况可知：采用传统方案时，需将降低的有功量平均分配给各个风机，而WT1为前排风机，由于面临高风速，其转子电角速度为1.25p.u.，已经运行于额定值，为了实现降低其有功输出，只能启动桨距角控制；而风机WT2、WT3和WT4处于中低风速，其转子电角速度将分别为1.1112p.u.、1.022p.u.和0.9369p.u.，通过等额功率差额分担，分别将其转子电角速度提升到1.25p.u.、1.197p.u.和1.0963p.u.，可以看到后排风机WT3和WT4转子电角速度提升不明显，而功率的差额还需要开启桨叶角控制才能实现风电场功率输出水平的降低。这种方案会带来一系列问题，比如桨叶角控制响应慢，频繁激活桨距角会增加风机的机械应力和疲劳损伤；另外，桨叶角启动后，风电场对风能捕获将会降低，从而造成一定的风能损失，传统方案显然不是最优方案，存在很多缺陷。
本发明所述的方案使越往下游的风机下垂控制增益越大，输出的有功功率降低的越多。结合前述分析并结合图3可知，风机WT4转子电角速度提升最大，而随着所面临风速的升高，风机WT3和WT2转子电角速度提升幅度依次减少，风机WT1未承担降低功率输出的任务，转子电角速度仍保持在额定值，但是未激活桨叶角控制。通过采用本发明所述的方法，随着风机风速的降低，逐渐提升风机转子电角速度的提升幅度，从而合理设计分配最优下垂控制增益，可以在不启动桨叶角控制系统的情况下实现风电场有功水平的降低，相比传统方案，在频率支撑响应速度和风能有效利用方面具有明显的优越性。
图4为利用本发明所述的面向风电场频率支撑的最优下垂控制增益设计方法，对实施例系统的进行风电场转子动能分析的实验结果。
对比分析图4中本发明方案与传统方案下风电场储存在叶片中的动能，传统方案下前排风机WT1需要与其他风机共同平均分担功率差额，然而风机WT1已经达到最高转子电角速度，因此必须启动桨叶角控制来消减其出力；而在本发明所述方法下，功率差额并不是平均分担到每一台风机上，而是根据最优转子电角速度设定和初始转子电角速度值，制定最优下垂控制增益，通过最优转子电角速度设定提升其转子电角速度，这样不但可以达到不同的功率消减量以实现频率支撑，而且可以将更多的风能转化为转子动能储存在其叶片中。因此，在本发明下风电场风机叶片中储存的动能与传统方案相比有较大提升。
以上仅描述了本发明的基本原理和优选实施方式，本领域人员可以根据上述描述做出许多变化和改进，这些变化和改进应该属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种面向风电场频率支撑的最优下垂控制增益设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、建立双馈感应风机的有功功率输出模型，计算出风机的有功功率；
S2、建立系统在频率波动情况下的风电场风机的最优转子电角速度模型；
S3、基于步骤S2建立的最优转子电角速度优化模型，得出最优下垂控制增益与最优转子电角速度值之间的关系；
S4、计算双馈感应风机的下垂控制回路的最优下垂控制增益。
2.根据权利要求1所述的面向风电场频率支撑的最优下垂控制增益设计方法，其特征在于，步骤S1中，建立双馈感应风机的有功功率输出模型具体包括如下：
对于双馈感应风机，当面临风速
Figure 196743DEST_PATH_IMAGE001
大于切入风速且低于切出风速时，风机从风中汲取的机械功率为：
Figure 848304DEST_PATH_IMAGE002
（1）
公式（1）中，
Figure 782369DEST_PATH_IMAGE003
为空气密度，
Figure 974316DEST_PATH_IMAGE005
为风机的叶片半径，
Figure 523109DEST_PATH_IMAGE007
为叶尖速比，
Figure 17675DEST_PATH_IMAGE008
为桨距角，
Figure 19129DEST_PATH_IMAGE009
为风能利用系数且与桨距角
Figure 14767DEST_PATH_IMAGE008
和叶尖速比
Figure 418067DEST_PATH_IMAGE007
有关；
叶尖速比
Figure 332802DEST_PATH_IMAGE010
具体如下：
Figure 821552DEST_PATH_IMAGE011
（2）
公式（2）中，
Figure 355302DEST_PATH_IMAGE013
为风机的转子电角速度，
Figure 613108DEST_PATH_IMAGE015
为风机的极对数；
根据风机的转子运动方程：
Figure 715056DEST_PATH_IMAGE016
（3）
公式（3）中，
Figure 691102DEST_PATH_IMAGE017
为风机的有功功率，
Figure 762963DEST_PATH_IMAGE018
为风机的转动惯量；根据公式（3）可知，在风机稳态运行的情况下，转子电角速度变化量为0，在不考虑系统损耗的情况下，风机输出的有功功率为：
Figure 140855DEST_PATH_IMAGE019
（4）
其中，
Figure 898858DEST_PATH_IMAGE020
（5）
在风速
Figure 362200DEST_PATH_IMAGE001
不变和桨距角
Figure 237752DEST_PATH_IMAGE008
恒定的情况下，
Figure 470150DEST_PATH_IMAGE009
是关于转子电角速度
Figure 913901DEST_PATH_IMAGE021
的曲线，通过将该曲线利用多项式函数进行拟合，可得风机输出的有功功率为：
Figure 598960DEST_PATH_IMAGE022
（6）
公式（6）中，
Figure 278203DEST_PATH_IMAGE023
为拟合的多项式最高次数，
Figure 365108DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure 229028DEST_PATH_IMAGE025
为多项式拟合系数。
3.根据权利要求2所述的面向风电场频率支撑的最优下垂控制增益设计方法，其特征在于，步骤S2中，建立系统在频率波动情况下的风电场风机的最优转子电角速度模型具体包括如下：
当系统频率出现波动时，风机的转子电角速度发生变化，从而释放或吸收转子动能，提供虚拟惯量以支撑系统频率，对于某一风机
Figure 401383DEST_PATH_IMAGE026
，为提供虚拟惯量支撑，其在转子电角速度从
Figure 618738DEST_PATH_IMAGE027
变化为
Figure 825728DEST_PATH_IMAGE028
时，则转子动能的变化
Figure 611282DEST_PATH_IMAGE029
与风机为惯量支撑可提供的输出功率变化量
Figure 270933DEST_PATH_IMAGE030
之间的关系为：
Figure 291979DEST_PATH_IMAGE031
（7）
根据公式（7），风机
Figure 87897DEST_PATH_IMAGE026
输出功率变化量
Figure 526575DEST_PATH_IMAGE030
为：
Figure 735839DEST_PATH_IMAGE032
（8）
设在面临风速不变情况下，风能捕捉变化量可以忽略，因此有：
Figure 498259DEST_PATH_IMAGE033
（9）
在系统频率波动时，风电场内所有风机能够提供的功率输出变化的总量
Figure 351945DEST_PATH_IMAGE034
需要等于系统总体功率的不平衡量
Figure 276039DEST_PATH_IMAGE035
，即：
Figure 972600DEST_PATH_IMAGE036
（10）
公式（10）中，
Figure 273131DEST_PATH_IMAGE037
为风场中的风机总数；考虑到风电场内所有风机的电角速度在允许的范围内变化，即有如下约束条件：
Figure 496171DEST_PATH_IMAGE038
（11）
公式（11）中，
Figure 856745DEST_PATH_IMAGE028
为风机
Figure 978285DEST_PATH_IMAGE026
的最优转子电角速度，
Figure 144824DEST_PATH_IMAGE039
为风机
Figure 441944DEST_PATH_IMAGE026
的转子电角速度运行的下限值，而
Figure 973420DEST_PATH_IMAGE040
为风机
Figure 378993DEST_PATH_IMAGE026
的转子电角速度运行的上限值；
根据公式（9）可知，由于风机所处位置不同，其初始的电角速度是不同的，故其能够承担的功率变化量的能力并不均等，在提供系统频率支撑的同时，为了最大化减小风电场捕获风能的损失，设定系统在惯量支撑过程中的总体优化目标为转子动能的总量最大化，即：
Figure 286906DEST_PATH_IMAGE041
（12）
根据公式（9）-（12），建立风电场在系统频率支撑过程中风机的最优转子电角速度模型如下：
Figure 720424DEST_PATH_IMAGE042
Figure 422801DEST_PATH_IMAGE043
(13）。
4.根据权利要求3所述的面向风电场频率支撑的最优下垂控制增益设计方法，其特征在于，步骤S3中，最优下垂控制增益与最优转子电角速度值之间的关系的计算具体包括如下：
根据公式（13）中获得的最优转子电角速度
Figure 315670DEST_PATH_IMAGE028
，针对风机
Figure 761695DEST_PATH_IMAGE026
可得其惯量控制中最优下垂控制增益
Figure 298987DEST_PATH_IMAGE044
为：
Figure 437844DEST_PATH_IMAGE045
（14）
公式（14）中，
Figure 552431DEST_PATH_IMAGE046
是所有风机的基准增益参数，考虑到风电场中风机所能提供的功率变化总量应平衡系统总体功率的不平衡量
Figure 536567DEST_PATH_IMAGE035
，因此有：
Figure 443212DEST_PATH_IMAGE047
（15）
公式（15）中，
Figure 487392DEST_PATH_IMAGE048
为系统频率的偏差量，将公式（14）代入公式（15）中得到所有风机的基准增益参数如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE049
（16）。
5.根据权利要求4所述的面向风电场频率支撑的最优下垂控制增益设计方法，其特征在于，步骤S4中，联立步骤S3中的公式（14）和（16），得到风机
Figure 89274DEST_PATH_IMAGE026
的最优下垂控制增益：
Figure DEST_PATH_IMAGE050
（17）。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104234933A (zh) * 2013-06-24 2014-12-24 全北大学校产学协力团 风力发电厂的惯性控制方法
CN109193730A (zh) * 2018-04-02 2019-01-11 四川大学 一种根据vsc-mtdc实际运行点动态修正的下垂控制方法
CN109638860A (zh) * 2018-12-24 2019-04-16 浙江大学 一种针对风电场过频干扰的双馈感应风机变增益控制方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104234933A (zh) * 2013-06-24 2014-12-24 全北大学校产学协力团 风力发电厂的惯性控制方法
CN109193730A (zh) * 2018-04-02 2019-01-11 四川大学 一种根据vsc-mtdc实际运行点动态修正的下垂控制方法
CN109638860A (zh) * 2018-12-24 2019-04-16 浙江大学 一种针对风电场过频干扰的双馈感应风机变增益控制方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
张建良等: "双馈感应风机虚拟惯量控制器的设计及仿真实验研究", 《实验技术与管理》 *

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