CN112117768A - 基于功率跟踪曲线切换的风力发电机组分段调频控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于风力发电技术领域，公开了一种基于功率跟踪曲线切换的风力发电机组分段调频控制方法。针对虚拟惯性控制，在最大功率跟踪控制策略基础上对其进行了优化，通过改变功率跟踪比例系数，平稳切换功率跟踪曲线来模拟惯性响应过程；针对减载控制，根据所采用的控制策略不同将风速分为三个风速区域。本发明兼顾了虚拟惯量控制、超速控制和桨距角控制的优缺点，对风机功率控制模块和桨距角控制模块进行改进，对风速的变化具有良好的适应性，且充分发挥了使用虚拟惯量控制与超速法的快速性，不仅能够有效支持系统惯性，减小系统扰动初期频率的变化率，并解决了惯性和一次调频的结合问题。
Description
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，涉及一种基于功率跟踪曲线切换的风力发 电机组分段调频控制方法。
背景技术
目前风电市场主流产品主要包括双馈感应发电机组(doubly fed inductio ngenerator,DFIG)和基于全功率换流器并网的永磁同步发电机组(permanent magnetsynchronous generator,PMSG)。由于风力发电机组转子转速和电网频 率相互解耦，转子动能被“隐藏”起来，导致风力发电机组对系统功率振荡缺 乏抑制能力。当风电渗透率上升至一定比例时，风力发电机组取代常规发电机 组将会明显减小系统等效惯量。有关文献采用定量分析表明，风力发电机组接 入电网对系统等效惯量的影响随规模不断增大，而由于直驱风力发电机组是全 功率变换接入电网，其对系统等值惯量的削弱更加严重。因此，在等效惯量降 低的含风电电网中，功率的不平衡将引起系统频率大幅度波动，需妥善解决系统频率稳定性问题。我国发布的《风电场接入电力系统技术规定》中规定安全 频率范围内风电场连续运行；超出安全范围时应执行调度机构减少出力或者切 机的指令，因此未来高风电渗透率下风力发电机组参与调频将成为可能。
目前，针对大规模变速风力发电机组并网运行造成的系统转动惯量下降及 频率稳定性降低等问题，国内外学者进行了大量的研究，旨在提升含风电场电 力系统的稳定性。对于风力发电机组参与系统频率调节，目前所研究的控制策 略大体上包括以下三个类型，分别是转子动能控制、减载控制和协调控制。
对于虚拟惯量控制的可行性，文献Morren J,Haan S W H D,Kling W L,etal.Wind turbines emulating inertia and supporting primary fr equency control[J].IEEE Transactions on Power Systems,2006,21(1): 433-434.针对双馈风力发电机组逐渐取代常规电源导致系统等效惯量减少，提 出了一种利用转子旋转动能模拟惯量，支持风力发电机组参与一次调频的控制 方法。仿真得出，辅助频率控制环节能快速响应频率变化，减小故障后的系统 频率偏差和变化率，但是转子转速不能长时间保持降速状态，否则转速恢复时 会造成频率的二次跌落，然而文献中没有提出控制环节各项参数的整定方法。 同时由于该控制方案与最大功率控制存在相互矛盾，使得该控制器参数不易设 计，难以确保风力发电机组调节过程中的稳定运行。
为避免附加惯性控制环节与最大功率跟踪曲线的相互干扰，文献李和明, 张祥宇,王毅,et al.基于功率跟踪优化的双馈风力发电机组虚拟惯性控制 技术[J].中国电机工程学报,2012,32(7):32-39.在最大功率跟踪控制策略 的基础上对其进行优化，当电网出现频率偏差信号时，通过改变功率跟踪比例 系数，平稳切换功率跟踪曲线，快速调节风力发电机组有功输出，可适应不同 风速下风力发电机组转子动能不同的运行状态。本发明在此基础上进行了改进， 根据调度减载指令，求得减载稳定运行状态下的风功率追踪曲线系数，在频率 降低时，增加风力发电机组出力，减少频率稳态误差。
文献Zhang Z S,Sun Y Z,Lin J,et al.Coordinated frequency r egulationby doubly fed induction generator-based wind power plants [J].Iet RenewablePower Generation,2012,6(1):38-0.按风速将风力发 电机组运行区域分成三段，在低风速区采用超速控制法，中风速区采用超速和 桨距角协调的控制策略，而高风速区只能采用桨距角控制。文中详细介绍了风 力发电机组超速点和临界风速的求取，建立了一定的理论基础，但在桨距角分 析和减载运行这一块缺少详细的理论分析且针对虚拟惯性控制没有考虑到风速 和机组运行状态对惯量控制参数的影响。
发明内容
本发明针对现有技术的以上至少一种缺陷进行改进，提供了一种基于功率 跟踪曲线切换的风力发电机组分段调频控制方法。其中，本发明兼顾了虚拟惯 量控制、超速控制和桨距角控制的优缺点，对风力发电机组功率控制模块和桨 距角控制模块进行改进，提出一种新型较完善的风力发电机组调频控制策略。 针对虚拟惯量控制，根据超速点转子转速的参考值和电网频率偏差信号，改变 功率跟踪曲线比例系数，平稳切换功率跟踪曲线来模拟惯性响应的方法，避免 了常规附加虚拟控制与最大功率控制之间的干扰；针对减载控制，将频率控制 策略分为三种风速控制模式，即第一风速区间(低风速)、第二风速区间(中风速)和第三风速区间(高风速)分别采用不同的控制方法，低风速采用超速 控制，通过牛顿法求得超速点；中风速优先使用超速法，仅在超速法无法满足 有功控制需求时，再使用变桨法，进而将二种减载技术结合起来，发挥各自优 势，采用了变临界风速和变参考功率的思想；在高风速区域，仅采用变桨法， 根据减载率计算得到一个特定的附加桨距角或设定减载后的参考功率，以此增 加桨距角。最后通过完整的仿真设计工作，验证所提控制策略的有效性。本发 明所述风力发电机组主动参与系统调频的控制策略具有较强的应用前景。
为实现上述目的，按照本发明，提供一种基于功率跟踪曲线切换的风力发 电机组分段调频控制方法，包括：
提供风力发电机组，所述风力发电机组包括虚拟惯性控制模块和转子侧变 流器；其中，所述虚拟惯性控制模块基于功率跟踪曲线创建，用于执行超速法 以使所述风力发电机组减载运行，所述超速法包括：
获取所述风力发电机组功率跟踪曲线的最大功率跟踪比例系数
其中，ρ为空气密度，CPmax为风能利用系数最大值，R为风 轮半径，λopt为最优风轮叶尖速比；
输入调度减载指令百分数d％，计算所述风力发电机组功率跟踪曲线的减载 功率跟踪比例系数
其中，d％为减载水平百分数，ωopt为稳定 运行最优转子转速，ωde为超速减载后的转子转速；
输入减载功率跟踪比例系数kde和系统频率偏差Δf，计算当前功率跟踪比例 系数
其中，Δf＝f-fref，Δf为系统频率偏差，f为系统测量 频率，fref为系统额定频率，ωr0为调频初始时刻的转子转速，α为转速调节系数；
当系统频率发生变化时，通过改变减载功率跟踪比例系数kde获得当前功率 跟踪比例系数kVIC，切换功率跟踪曲线模拟惯性控制，以使减载运行后的风力发 电机组运行点发生变化。
进一步地，所述虚拟惯性控制模块进一步地包括功率跟踪模块和第一PI控 制器；其中，所述超速法还包括：
所述系统频率偏差Δf＝0时，kVIC＝kde，所述功率跟踪模块根据
计 算获得转子转速的参考值ωref，其中，Pmes为风力发电机组输出的有功功率；
输入转子转速的参考值ωref，通过所述第一PI控制器获得有功参考功率Pref， 并发送至所述转子侧变流器，以使风力发电机组加速至超速点。
进一步地，所述方法还包括：
根据风速Vw定义风速区间，包括第一风速区间、第二风速区间以及第三风 速区间；其中，
计算第一、第二风速区间临界风速
计算第二、第三风速区间临界风速
其中，ωmax为最大允许转子转速，R为风轮半径，p为所述双馈发电机的 极对数，G为变速箱变比，
为超速减载后的次优叶尖速比，λopt为最优风轮 叶尖速比。
进一步地，所述方法还包括：
当Vcut_in≤Vw<Vw1时，所述风速Vw位于第一风速区间，输入调度减载指令百分 数d％至所述虚拟惯量控制模块，获得减载后的转子参考转速ωde执行超速法以 使所述风力发电机组加速至超速点，从而实现减载控制。
进一步地，所述风力发电机组包括桨距角控制模块，所述方法还包括：
当Vw1≤Vw<Vw2时，所述风速Vw位于第二风速区间，输入调度减载指令百分数 d％至所述虚拟惯量控制模块，获得减载后的转子参考转速ωde＝ωmax，以使所述 风力发电机组加速至超速点；
且输入调度减载指令百分数d％至所述桨距角控制模块，获得变桨控制的参 考功率
同时执行桨距角控制，从而实现减载控制；
其中，ωopt为稳定运行最优转子转速，ωr为测量的转子转速，ωmax为最大允 许转子转速，Popt为最大功率跟踪运行时的参考功率。
进一步地，所述方法还包括：
当Vw2≤Vw<Vwn时，所述风速Vw位于第三风速区间的恒转速区域，输入调度减 载指令百分数d％至所述桨距角控制模块，获得附加的桨距角Δβ，调节桨距角 以使所述风力发电机组预留备用功率用于调频，从而实现减载控制。
根据权利要求3所述的基于功率跟踪曲线切换的风力发电机组分段调频控 制方法，其特征在于，所述方法还包括：
当Vwn≤Vw<Vcut_out时，所述风速Vw位于第三风速区间的恒功率区域，输入调度 减载指令百分数d％至所述桨距角控制模块，获得参考功率Pref＝(1-d％)Popt，切换 参考功率以使所述风力发电机组预留备用功率用于调频，从而实现减载控制。
本发明第二方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序， 所述计算机主程序被执行时可实现如上述的基于功率跟踪曲线切换的风力发电 机组分段调频控制方法。
本发明第三方面提供一种基于功率跟踪曲线切换的风力发电机组分段调频 的控制装置，包括上述的计算机可读存储介质。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下 有益效果：
本发明兼顾了虚拟惯量控制、超速控制和桨距角控制的优缺点，对风力发 电机组功率控制模块和桨距角控制模块进行改进，提出一种新型较完善的风力 发电机组调频控制策略。针对虚拟惯量控制，根据超速点转子转速的参考值和 电网频率偏差信号，改变功率跟踪比例系数，平稳切换功率跟踪曲线来模拟惯 性响应的方法，避免了常规附加虚拟控制与最大功率控制之间的干扰；针对减 载控制，将频率控制策略分为三种风速控制模式，即第一风速区间(低风速)、 第二风速区间(中风速)和第三风速区间(高风速)分别采用不同的控制方法， 低风速采用超速控制，通过牛顿法求得超速点；中风速优先使用超速法，仅在 超速法无法满足有功控制需求时，再使用变桨法，进而将二种减载技术结合起 来，发挥各自优势，采用了变临界风速和变参考功率的思想；在高风速区域， 仅采用变桨法，根据减载率计算得到一个特定的附加桨距角或设定减载后的参 考功率，以此增加桨距角。最后通过完整的仿真设计工作，验证所提控制策略 的有效性。本发明所述风力发电机组主动参与系统调频的控制策略具有较强的 应用前景。
本发明首先针对虚拟惯性控制，根据超速点参考转速和电网频率偏差信号， 改变功率跟踪比例系数，提供了一种平稳切换功率跟踪曲线来模拟惯性响应的 方法。然后对于低风速区域，根据调度给定的减载率指令，通过牛顿法求得超 速点的方法。最后，根据减载率反向推导低、中风速的临界风速，使控制策略 灵活响应调度指令。中风速采用变参考功率的思想，使超速和变桨协调控制。
附图说明
图1为本发明实现的基于功率跟踪曲线切换的虚拟惯性控制的结构图；
图2为本发明实现的第一、第二、第三风速3种协调调频控制模式曲线；
图3为本发明实现的第一、第二、第三风速3种协调调频控制过程曲线；
图4为本发明实现的桨距角控制的结构图；
图5为本发明实现的仿真模型的风力发电机组微电网系统的结构图；
图6为本发明的实施例1和对比例1在第一风速区间的频率波形对比图；
图7为本发明的实施例1和对比例1在第一风速区间的有功功率波形对比图；
图8为本发明的实施例1和对比例1在第一风速区间的转速波形对比图；
图9为本发明的实施例1和对比例1在第一风速区间的桨距角波形对比图；
图10为本发明的实施例1和对比例1在第二风速区间的频率波形对比图；
图11为本发明的实施例1和对比例1在第二风速区间的有功功率波形对比图；
图12为本发明的实施例1和对比例1在第二风速区间的转速波形对比图；
图13为本发明的实施例1和对比例1在第二风速区间的桨距角波形对比图；
图14为本发明的实施例1和对比例1在第三风速区间的频率波形对比图；
图15为本发明的实施例1和对比例1在第三风速区间的有功功率波形对比图；
图16为本发明的实施例1和对比例1在第三风速区间的转速波形对比图；
图17为本发明的实施例1和对比例1在第三风速区间的桨距角波形对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实 施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅 仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实 施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
需要说明的是，本发明涉及的术语“第一\第二”仅仅是区别类似的对象， 不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二”在允许的情况下可以 互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二”区分的对象在适当情况下 可以互换，以使这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里描述或图示的那 些以外的顺序实施。
本发明提供了一种基于功率跟踪曲线切换的风力发电机组分段调频控制方 法，本方法主要通过将风速分区段，根据不同区段进行相应的减载控制，减载 控制的策略包括基于功率跟踪曲线切换超速法控制、桨距角控制。
<基于功率跟踪曲线切换的虚拟惯性控制-超速法>
如图1所示，风力发电机组包括虚拟惯性控制模块和转子侧变流器；其中， 虚拟惯性控制模块基于功率跟踪曲线创建，用于执行虚拟惯性控制策略。
具体地，虚拟惯性控制模块进一步地包括功率跟踪模块和第一PI控制器。
具体地，由于变速风力发电机组的最大功率跟踪曲线取决于最大功率跟踪 比例系数kopt，在机组减载运行时减载功率跟踪比例系数为kde，频率变化过程中， 通过改变减载功率跟踪比例系数kde，平稳切换功率跟踪曲线，控制机组运行点 变化，进而获得风力发电机组的虚拟惯性响应，超速法包括：
步骤1：计算最大功率跟踪比例系数kopt
获取所述风力发电机组功率跟踪曲线的最大功率跟踪比例系数
其中，ρ为空气密度，CPmax为风能利用系数最大值，R为风 轮半径，λopt为最优风轮叶尖速比。
步骤2：计算减载功率跟踪比例系数kde
输入调度减载指令百分数d％，计算所述风力发电机组的减载功率跟踪曲线 比例系数
其中，d％为减载水平百分数，ωopt为稳定运行最优 转子转速，ωde为超速减载后的转子转速。
步骤3：计算频率响应时的功率跟踪比例系数kVIC
当电网频率偏差超过允许范围时，通过改变减载功率跟踪比例系数kde获得 当前功率跟踪比例系数kVIC，以使基于功率跟踪曲线控制风力发电机组运行点变 化；
输入减载功率跟踪比例系数kde和系统频率偏差Δf，计算当前功率跟踪比例 系数
其中，Δf＝f-fref，Δf为系统频率偏差，f为系统测量 频率，fref为系统额定频率，ωr0为调频初始时刻的转子转速，α为转速调节系数。
步骤4：获得有功参考功率Pref，使风力发电机组加速至超速点
所述系统频率偏差Δf＝0时，kVIC＝kde，所述功率跟踪模块根据
计 算获得转子转速的参考值ωref，其中，Pmes为风力发电机组输出的有功功率；
输入转子转速的参考值ωref，通过所述第一PI控制器获得有功参考功率Pref， 并发送至所述转子侧变流器，以使所述风力发电机组加速至超速点。
<划分风速区间>
本发明根据不同的风速区间进行相应的桨距角控制以及减载控制，临界风 速计算方法具体如下：
步骤1：计算减载后的次优叶尖速比λdel0
低、中风速区域均处于最大功率追踪区域，最大风能利用系数Cpmax已知且 桨距角β为0°，根据调度减载指令d％，可求得减载后的风能利用系数Cp，然 后根据牛顿法求得当前次优叶尖速比λdel0；
步骤2：计算低、中风速区间临界风速Vw1
由于此临界风速使风力发电机组转速刚好达到最大允许转速ωmax，进而根 据
可以求得低、中风速区间临界风速Vw1。
步骤3：计算中、高风速区间临界风速Vw2
根据
可以求得低、中风速区间临界风速Vw2。
具体地，ωmax为最大允许转子转速，R为风轮半径，p为所述双馈发电机 的极对数，G为变速箱变比，
为超速减载后的次优叶尖速比，λopt为最优风 轮叶尖速比。
<减载控制>
本发明是一种全风速分段调频的控制方法，首先根据减载控制采用方法的 不同将风速划分为低、中、高风速，高风速范围又包括恒转速运行区域和恒功 率运行区域。如表1所示，当电网频率偏差超过允许范围时，然后针对各风速段 所采用的方法进行调频，调频过程如图3所示。
表1低、中、高、超高风速区间划分
具体地，图2为本发明实现的第一、第二、第三风速3种协调调频控制模 式曲线。
更具体地，第一风速模式的风速范围为Vcut_in≤Vw<Vw1，Vcut_in为切入风速，Vw1为仅凭超速实现d％减载的风速上限。因为当风速在临界风速Vw1下，减载曲线 上的B'点功率是MPPT曲线(最大功率点跟踪曲线)上B点功率的1-d％，B'对 应转子转速上限ωmax。该模式的控制可行区域为ABB'A'所围成的区域。在该区 域内，由于风力发电机组转速较低，独立的超速控制即可满足d％减载。
更具体地，第二风速模式的风速范围为Vw1≤Vw<Vw2，Vw1为超速法可用范围的 风速上限。因为当风速在临界风速Vw2下，减载曲线的C'点功率是MPPT曲线C点 功率的1-d％，然而C'和C对应的转子转速相等，即如果风速大于Vw2，无法实现 风力发电机组超速减载。该模式的控制可行区域是BCB'所围成的区域，此时仅 依靠超速无法达到d％减载。这是因为风力发电机组的转速已经接近或达到最高 转速上限，超速控制无法满足减载要求，需要配合桨距角控制实现减载。
更具体地，第三风速模式的风速范围为Vw2≤Vw≤Vcut out，Vcut_out为切出风速。 该模式的控制可行区域为线段C'D。此时受到风速和最高转速上限的限制，只 能采用桨距角控制。
具体地，图3为为本发明实现的第一、第二、第三风速3种协调调频控制过 程曲线。
更具体地，在第一风速区间某风速下，风力发电机组初始减载运行于X'点， 通过转速调节增加有功出力，最后运行于L点，XX'曲线是该风速下P-ωr曲线 的一部分。
更具体地，在第二风速区间某风速下，风力发电机组初始减载运行于Y'点， 控制后运行于M点。由于超速和变桨同时作用，故YY'可简化为直线。
更具体地，在第三风速区间某风速下，风力发电机组初始减载运行于Z'点， 控制后运行于H点。由于转速不变，故ZZ'是一条与纵轴平行的直线。
本发明中，不同风速区间具体的控制方法如下：
(1)第一风速区间风速范围为Vcut_in≤Vw<Vw1，如图2所示，Vcut_in为切入风速， Vw1为仅凭超速实现d％减载的风速上限。因为当风速在临界风速Vw1下，减载曲 线上的B'点功率是MPPT曲线上B点功率的1-d％，B'对应转子转速上限ωmax。 该模式的控制可行区域为ABB'A'所围成的区域。在该区域内，由于发电机转速 较低，独立的超速控制即可满足d％减载。
具体地，在第一风速区域，风力发电机组处于最大功率跟踪运行区间，风 能利用系数CPmax恒定不变，桨距角β一般保持0°。在此风速区域，风力发电机 组仅靠转子超速控制就能实现设定的减载水平，桨距角不动作，当风力发电机 组需减载d％时，只需将CPmax值减小d％，得到减载后风能利用系数CP_de值，又风 能捕获系数CP是关于桨距角β和叶尖速比λ的高阶非线性函数，根据牛顿法可 反求得减载后叶尖速比λde，进而求得减载后的转子参考转速ωde，最后根据转速 指令使风力发电机组加速至超速点，从而实现减载控制，控制结构图见图1所示。
(2)第二风速区间的风速范围为Vw1≤Vw<Vw2，如图2所示，Vw1为超速法可用 范围的风速上限。因为当风速在临界风速Vw2下，减载曲线的C'点功率是MPPT曲 线C点功率的1-d％，然而C'和C对应的转子转速相等，即如果风速大于Vw2，无 法实现风力发电机组超速减载。该模式的控制可行区域是BCB'所围成的区域， 此时仅依靠超速无法达到d％减载。这是因为风力发电机组的转速已经接近或达 到最高转速上限，超速控制无法满足减载要求，需要配合浆距控制实现减载。 由于超速和变桨同时作用，故YY'可简化为直线。
具体地，在第二风速区域，在最大功率点跟踪控制模式下，桨距角β为0°， 转子转速为ωopt。当风力发电机组功率需要减载d％运行时，根据运行分析，在 虚拟惯量控制中，若减载后的转子转速ωde设定为ωmax，待转子转速运行到最大 运行转速ωmax时，由于仅靠超速控制无法达到d％的减载，需要配合桨距角实现 减载，故变桨控制的参考功率
可按此设定。
其中，ωopt为稳定运行最优转子转速，ωr为测量的转子转速，ωmax为最大允 许转子转速，Popt为最大功率跟踪运行时的参考功率。
(3)第三风速区间的风速范围为Vw2≤Vw≤Vcut out，Vcut_out为切出风速。该模 式的控制可行区域为线段C'D。此时受到风速和最高转速上限的限制，只能采 用变桨法。
具体地，在高风速恒转速区域，在最大功率点跟踪控制模式下，桨距角β为 0°，转子转速为最大允许转速ωmax。当风力发电机组功率需要减载d％运行时， 只要风能捕获系数CP下降d％即可以实现对风力发电机组的减载，且风能捕获 系数CP是关于桨距角β和叶尖速比λ的高阶非线性函数。在稳定风速下，此时 叶尖速比为
保持不变，只需通过牛顿法反求得到一个附加的桨距角 Δβ，可使风力发电机组按照指定的减载指令预留备用功率用于调频。
更具体地，当Vw2≤Vw<Vwn时，风速Vw位于低三风速区间的恒转速区域，基于 最大功率点跟踪控制，在一定风速下，最大功率跟踪运行和减载运行的功率参 考值可表示为
式中Pde为减载运行时的参考功率，Popt为最大功率跟踪运行时的参考功率， CP_de为减载运行时的风能捕获系数，CPmax为最大风能捕获系数。
由以上两式可得CP_de＝(1-d％)CPmax
由上式可知只要风能捕获系数下降d％即可以实现对风力发电机组的减载， 且风能捕获系数CP是关于桨距角β和叶尖速比λ的高阶非线性函数即
其中λt为中间变量。
当所述风速Vw保持不变时，在最大功率追踪模式和减载运行模式下叶尖速 比为
保持不变，在此高风速恒转速区域，在最大功率追踪模式时， 桨距角β＝0保持不变，可计算出CPmax，进而通过CP_de＝(1-d％)CPmax关系可计算 出CP_de(λde,Δβ)，通过牛顿法计算获得附加的桨距角Δβ，最后通过调节风机桨 距角即可达到减载水平。
(4)在第三风速恒功率区域，在最大功率跟踪控制模式下，风力发电机组 输出功率达到额定功率，当风力发电机组需减载d％，即风力发电机组输出Popt降 低d％，此时桨距角会增加，使风力发电机组预留了一部分备用功率，当频率降 低时，通过减小桨距角，可使风力发电机组输出功率增加到最大值。
具体地，在高风速恒功率区域，在最大功率点跟踪控制模式下，风力发电 机组输出的功率为额定功率Pn，风力发电机组转子转速为最大允许转速ωmax。 当风力发电机组功率需要减载d％运行时，只需将参考功率Pref切换到(1-d％)Popt即可使风力发电机组按照指定的减载指令预留备用功率用于调频。
更具体地，当Vwn≤Vw<Vcut_out时，所述风速Vw位于第三风速区间的恒功率区域， 所述风力发电机组输出的功率为额定功率Pn；
当所述风力发电机组按照调度减载指令百分数d％运行时，所述桨距角控制 模块设定参考功率Pref＝(1-d％)Popt，所述风力发电机组依照所述参考功率Pref运 行，从而实现减载控制。
具体地，风力发电机组还包括风力机，图4为本发明的桨距角控制结构图， 以高风速恒功率区域为例对桨距角控制流程进行说明，在风力发电机组处于减 载运行的情况下，附加的桨距角Δβ切换到0°上，参考功率Pref切换到(1-d％)Popt。 当负荷发生扰动时，系统频率发生变化，频率偏差通过比例系数Kf得到一个附 加功率ΔP用于模拟一次调频环节，将此附加功率叠加到参考功率Pref上，与测 量的电磁功率Pmes进行比较得到功率偏差，输入到第二PI控制器得到参考桨距角 βref，参考桨距角βref与实际反馈的桨距角β进行比较得到桨距角偏差，输入到 桨距角机构中，桨距角机构由一阶惯性环节表示，其中Tserveo为伺服机构的时间 常数，
为积分环节。最后将输出的桨距角信息输入至风力机，从而进行减载 控制。
本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有运算程序，该运算程 序可被处理执行，以使实现上述的基于功率跟踪曲线切换的风力发电机组分段 调频控制方法。
本发明提供了一种基于功率跟踪曲线切换的风力发电机组分段调频的控制 装置，包括上述的计算机可读存储介质。
下面结合本发明具体地实施方式，对本发明进行进一步详细说明。根据上 述技术方案实施步骤，提出两种仿真对比方案：
仿真模型
基于Matlab/simulink搭建仿真模型，为验证本发明提出的双馈风力发电机 参与系统一次频率调节控制方法的有效性,采用美国西部电网的标准9节点模 型，系统结构图如图5所示。仿真系统额定频率为50Hz，总装机容量635 MW，其 中风电场由45台1.5 MW的双馈风力发电机构成，系统风电渗透率达到10.6％。水 电机组G1容量247.5 MVA，火电机组G2和G3容量分别为192 MVA和128 MVA；负 荷PL1，PL2，PL3容量分别为125+j50，90+j30，100+j35 MVA。图中，T1，T 2，T3分别表示对应的变压器，B1，B2，B3，B4，B5，B6，B7，B8，B9，B10分别表示对应各自的母线，DFIG表示双馈风力发电机组。
其中，为了清晰展现风力发电机组的频率响应过程，各同步发电机组均包 含原动机模型及调速器模型，不包含频率二次调整系统。
同步发电机参数如表2所示，表中参数采用标幺值，基准值取SB＝100MVA， UB＝230kV。
表2仿真模型发电机参数
双馈发电机参数如表3所示，表中参数采用标幺值，基准值取SB＝1.5MVA， U'B＝575V。
表3仿真模型双馈风电机参数
| 发电机 | V<sub>n</sub> | P<sub>n</sub> | R<sub>s</sub> | L<sub>s</sub> | R<sub>r</sub> | L<sub>r</sub> | L<sub>m</sub> | H |
| DFIG | 575V | 1.5MW | 0.023pu | 0.18pu | 0.016pu | 0.016pu | 2.9pu | 4.0s |
为了验证本发明提出的控制方法的正确性和有效性，在系统频率发生突降 时，对以下2种控制模式下进行波形对比。
实施例1
基于功率跟踪曲线切换的风力发电机组分段调频控制方法；
对比例1
现有技术MPPT控制。
仿真场景设置：初始频率为50Hz,减载指令d％为10％，运行时间设置为100 s,在35s加入30MW的冲击负荷。对不同风速下对系统进行仿真，当减载指令为1 0％时,求得低、中风速的临界风速为8.82m/s,中、高风速的临界风速为11m/s。 选取其中3个具有代表性的风速，即8m/s，10m/s，15m/s。仿真结果如图6～8 所示。图6为低风速(8m/s)频率波形对比图，图7为低风速(8m/s)有功功率 波形对比图，图8为低风速(8m/s)转速波形对比图，图9为低风速(8m/s)桨 距角波形对比图，图10为中风速(10m/s)频率波形对比图，图11为中风速(1 0m/s)有功功率波形对比图，图12为中风速(10m/s)转速波形对比图，图13 为中风速(10m/s)桨距角波形对比图，图14为高风速(15m/s)频率波形对比 图，图15为高风速(15m/s)有功功率波形对比图，图16为高风速(15m/s)转 速波形对比图，图17为高风速(15m/s)桨距角波形对比图。
风力发电机组处于对比例1控制时，当外界负荷发生扰动时，风力发电机组 转速与电网频率发生解耦，从有功功率的波形看，功率基本没有发生变化，风 力发电机组对电网频率的变化无功率支撑。
风力发电机组处于实施例1控制时，当风力发电机组处于低风速(8m/s)运行 时，执行超速控制，在频率发生突降时，转速降低，释放动能，使风力发电机 组运行点朝着最大功率点运行，风力发电机组出力增大，桨距角不参与调节， 始终为0°；当风力发电机组处于中风速(10m/s)运行时，超速和变桨协调动作， 在频率发生突降时，风功率跟踪曲线系数朝着最大功率点瞬时移动，但是不会 越过最大功率点，此时电磁功率大于机械功率，转速会下降，转速下降的同时， 参考功率会缓缓上升，但初始电磁功率瞬时抬升超过变化的参考功率，所以桨 距角先上升后下降最后趋于稳定；当风力发电机组处于高风速(15m/s)运行时， 此时风力发电机组处于恒转速或恒功率运行状态，在频率发生突降时，桨距角 减小，有功增大，减小了频率的稳态偏差，同时转速不参与调节，基本保持在 最大转速。
综上所述，在系统频率发生波动时，采用本发明提出的基于功率跟踪曲线 切换的风力发电机组分段调频控制方法能够使双馈风力发电机组有效参与电力 系统的的一次调频，电力系统的频率稳定性得到明显改善。
应当理解，本发明的方法、流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或 方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程 的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式 的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及 的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施 例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。 在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执 行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方 式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有 用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合 逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA) 等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部 分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计 算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中， 也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块 中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的 形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品 销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例 是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本 发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修 改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。
Claims (9)
1.一种基于功率跟踪曲线切换的风力发电机组分段调频控制方法，其特征在于，所述方法包括：
提供风力发电机组，所述风力发电机组包括虚拟惯性控制模块和转子侧变流器；其中，所述虚拟惯性控制模块基于功率跟踪曲线创建，用于执行超速法以使所述风力发电机组减载运行，所述超速法包括：
获取所述风力发电机组功率跟踪曲线的最大功率跟踪比例系数
其中，ρ为空气密度，CPmax为风能利用系数最大值，R为风轮半径，λopt为最优风轮叶尖速比；
输入调度减载指令百分数d％，计算所述风力发电机组功率跟踪曲线的减载功率跟踪比例系数
其中，d％为减载水平百分数，ωopt为稳定运行最优转子转速，ωde为超速减载后的转子转速；
输入减载功率跟踪比例系数kde和系统频率偏差Δf，计算当前功率跟踪比例系数
其中，Δf＝f-fref，Δf为系统频率偏差，f为系统测量频率，fref为系统额定频率，ωr0为调频初始时刻的转子转速，α为转速调节系数；
当系统频率发生变化时，通过改变减载功率跟踪比例系数kde获得当前功率跟踪比例系数kVIC，切换功率跟踪曲线模拟惯性控制，以使减载运行后的风力发电机组运行点发生变化。
2.根据权利要求1所述的基于功率跟踪曲线切换的风力发电机组分段调频控制方法，其特征在于，所述虚拟惯性控制模块进一步地包括功率跟踪模块和第一PI控制器；其中，所述超速法还包括：
所述系统频率偏差Δf＝0时，kVIC＝kde，所述功率跟踪模块根据
计算获得转子转速的参考值ωref，其中，Pmes为风力发电机组输出的有功功率；
输入转子转速的参考值ωref，通过所述第一PI控制器获得有功参考功率Pref，并发送至所述转子侧变流器，以使风力发电机组加速至超速点。
3.根据权利要求1所述的基于功率跟踪曲线切换的风力发电机组分段调频控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据风速Vw定义风速区间，包括第一风速区间、第二风速区间以及第三风速区间；其中，
计算第一、第二风速区间临界风速
计算第二、第三风速区间临界风速
其中，ωmax为最大允许转子转速，R为风轮半径，p为所述双馈发电机的极对数，G为变速箱变比，
为超速减载后的次优叶尖速比，λopt为最优风轮叶尖速比。
4.根据权利要求2所述的基于功率跟踪曲线切换的风力发电机组分段调频控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
当Vcut_in≤Vw<Vw1时，所述风速Vw位于第一风速区间，输入调度减载指令百分数d％至所述虚拟惯量控制模块，获得减载后的转子参考转速ωde执行超速法以使所述风力发电机组加速至超速点，从而实现减载控制。
5.根据权利要求3所述的基于功率跟踪曲线切换的风力发电机组分段调频控制方法，其特征在于，所述风力发电机组包括桨距角控制模块，所述方法还包括：
当Vw1≤Vw<Vw2时，所述风速Vw位于第二风速区间，输入调度减载指令百分数d％至所述虚拟惯量控制模块，获得减载后的转子参考转速ωde＝ωmax，以使所述风力发电机组加速至超速点；
且输入调度减载指令百分数d％至所述桨距角控制模块，获得变桨控制的参考功率
同时执行桨距角控制，从而实现减载控制；
其中，ωopt为稳定运行最优转子转速，ωr为测量的转子转速，ωmax为最大允许转子转速，Popt为最大功率跟踪运行时的参考功率。
6.根据权利要求3所述的基于功率跟踪曲线切换的风力发电机组分段调频控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
当Vw2≤Vw<Vwn时，所述风速Vw位于第三风速区间的恒转速区域，输入调度减载指令百分数d％至所述桨距角控制模块，获得附加的桨距角Δβ，调节桨距角以使所述风力发电机组预留备用功率用于调频，从而实现减载控制。
7.根据权利要求3所述的基于功率跟踪曲线切换的风力发电机组分段调频控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
当Vwn≤Vw<Vcut_out时，所述风速Vw位于第三风速区间的恒功率区域，输入调度减载指令百分数d％至所述桨距角控制模块，获得参考功率Pref＝(1-d％)Popt，切换参考功率以使所述风力发电机组预留备用功率用于调频，从而实现减载控制。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机主程序被执行时可实现如权利要求1至7中任一项所述的基于功率跟踪曲线切换的风力发电机组分段调频控制方法。
9.一种基于功率跟踪曲线切换的风力发电机组分段调频的控制装置，其特征在于，包括权利要求8所述的计算机可读存储介质。
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