CN112271738B - 考虑功率裕度的双馈风机动态短期稳频方法、系统及风机 - Google Patents

Abstract

本发明属于双馈风机控制领域，提供了一种考虑功率裕度的双馈风机动态短期稳频方法、系统及风机。其中，考虑功率裕度的双馈风机动态短期稳频方法包括基于最大功率跟踪下的动态下垂控制方法对双馈风机进行短期稳频控制；其中，动态下垂增益受限于功率裕度，由功率裕度对动态下垂增益进行加权，以限制双馈风机在功率极限点的总工作时间，从而避免双馈风机机械疲劳。

Description

考虑功率裕度的双馈风机动态短期稳频方法、系统及风机

技术领域

本发明属于双馈风机控制领域，尤其涉及一种考虑功率裕度的双馈风机动态短期稳频方法、系统及风机。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

电力系统的频率是评价其电能质量的最重要因素之一。它实际上是系统中发电量和负荷之间平衡的量度，因此是不断变化的。当功率不平衡发生时，系统操作员使用频率控制，包括发电机调速器的一次控制(使用压降控制稳定频率)和将频率调节至接近额定值的二次控制。频率稳定很重要，因为它决定了扰动事件期间的频率最低点和事件后的稳态频率。低频最低点可能会触发低频减载，甚至连锁故障，导致停电，而低稳态频率可能无法激活辅助控制，由于电力系统一直以低频运行，将会导致电能质量的降低。

最近，可再生能源发电机如风力涡轮发电机渗透率越来越高，其中的大部分都是双馈风机(doubly fed induction generator,DFIGs)。风力发电机组通常使用最大功率跟踪(maximum power point tracking,MPPT)控制模式运行，这种运行方式下对系统的频率稳定没有作用。随着负载和同步发电机(synchronous generators，SGs)之间的比率增加，降低了系统稳定频率的能力。将来的电力系统很可能由于可再生能源的高渗透率，要求风力发电机组参与频率稳定。为了解决上述问题，利用风力发电机组进行频率稳定的各种方法可以分为两类:短期频率稳定和长期频率稳定。短期方法为利用短时间内由风力发电机组的旋转质量释放的动能以维持频率稳定，并且在频率被提升到一定水平之后从电网中吸收回这部分能量。与之相反，长期方法可以持续提供有功功率储备以稳定频率，直到频率恢复，虽然能量的持续释放为电网提供了更好的频率稳定支持，但它可能会使风力发电机组过度减速，风力发电机组可能在大多数运行时间远离最大功率跟踪点工作，经济效益较差。因此，对短期稳频方法的研究越来越受到重视。

早期对短期频率稳定的研究提出，风力发电机组的动能释放方式与同步发电机组类似。例如，现有的将惯量控制和下垂控制相结合的方法，使任一方法在任何阶段的缺点都可以用另一种方法来补偿。然而，这并不能完全消除频率最低点惯量响应的负面影响。此外，目前对ROCOF(rate of change of frequency，ROCOF)的测量仍然不准确，较大的增益放大误差可能导致风力发电机组的过减速或额外功率输出不足。现有的动态下垂控制方法将下垂增益表示为ROCOF的函数，这使得下垂控制器在ROCOF为负时在初始阶段有较大的增益，而ROCOF为正时增益相对较小。然而，发明人发现，这些方法没有考虑风力发电机组的功率裕度或功率余量，随着风速的增加，风力发电机组的功率裕度减小，而现有的动态下垂增益方法由于动能的增加提高了增益，在高风速下过大的增益可能会使风力发电机组长时间接近或在其功率极限运行，这可能引起风力发电机组机械疲劳的问题。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明提供一种考虑功率裕度的双馈风机动态短期稳频方法、系统及风机，其在降低机械疲劳的同时，又在稳态频率和二次频率下降方面具有良好的稳频性能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供一种考虑功率裕度的双馈风机动态短期稳频方法，其包括：

基于最大功率跟踪下的动态下垂控制方法对双馈风机进行短期稳频控制；

其中，动态下垂增益受限于功率裕度，由功率裕度对动态下垂增益进行加权，以限制双馈风机在功率极限点的总工作时间，从而避免双馈风机机械疲劳。

本发明的第二个方面提供一种考虑功率裕度的双馈风机动态短期稳频系统，其包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如下步骤：

基于最大功率跟踪下的动态下垂控制方法对双馈风机进行短期稳频控制；

其中，动态下垂增益受限于功率裕度，由功率裕度对动态下垂增益进行加权，以限制双馈风机在功率极限点的总工作时间，从而避免双馈风机机械疲劳。

本发明的第三个方面提供一种双馈风机，其包括如上述所述的考虑功率裕度的双馈风机动态短期稳频系统。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的双馈风机动态下垂增益的短期稳频方法考虑了高风速条件下的功率裕度，提出的动态压降增益通过功率裕度加权，其中功率裕度是扰动前功率限值和功率基准值之间的差值，与现有的动态下垂控制方法相比，所提出的方法具有相同的频率最低点，并具有以下优点：双馈风机在功率极限下工作的时间大约为使用现有动态下垂控制方法的一半，这大大降低了双馈风机出现机械疲劳问题的风险；稳态频率和转子速度更高，双馈风机运行更接近MPPT运行点；没有频率过冲和二次频率下降。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是传统的基于MPPT下的双馈风机的控制原理图；

图2是传统的基于固定增益下垂控制和惯量控制的频率稳定控制原理图；

图3是传统的基于动态下垂控制的频率稳定控制原理图；

图4是本发明实施例的考虑功率裕度的双馈风机动态短期稳频原理图；

图5是本发明实施例的三总线模型系统；

图6是本发明实施例的IEEEG1蒸汽调节器模型；

图7是本发明实施例的使用的双馈风机的功率曲线；

图8是本发明实施例的使用的DFIG的工作区域

图9是采用不同短期稳频方法的扰动后的系统频率；

图10是采用不同短期频率稳定方法的双馈风机扰动后的输出；

图11是采用不同短期稳频方法的双馈风机扰动后的转子转速；

图12是两种短期稳频方法的控制增益。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

在最大功率模式下，双馈风机的有功功率参考值可表示为:

式中k_p为最大功率跟踪曲线的斜率，ω_r为双馈风机的角速度。

基于最大功率跟踪下的控制设计如图1所示，其中ω_r为双馈风机的角速度，RSC代表转子侧变流器(rotor-side converter)，V_{r_ref}为转子侧参考电压。

由公式(1)可以很容易地看出，P_ref在MPPT模式下不响应频率，因为参考功率是角速度的函数，而不是系统频率的函数。为此，提出了采用下垂控制和惯量控制的双馈风机短期稳频方法。频率控制方案如图2所示。

其中P_MPPT为最大功率跟踪模式下的参考有功功率，f_nom为额定频率，f_sys为被测系统频率，Δf＝f_sys-f_nom，R为下垂增益，K为惯量增益，ΔP_dr和ΔP_in为下垂控制和惯量控制输出的有功功率，可分别用公式(2)和公式(3)表示。

由于惯量控制在频率最低点的负面影响和ROCOF的不精确特性，故采用动态下垂控制对频率稳定方法进行改进。频率控制方案如图3所示。动态下垂增益G为:

其中ω_{r_min}为双馈风机的最小转子角速度，E_r为双馈风机旋转质量的动能，C为常数。

根据公式(4)，下垂增益与双馈风机旋转质量中存储的动能成正比。因此，当双馈风机中存储的动能较大时，初始阶段的增益较大；随着动能的释放，增益会随之变小。初始阶段的大增益有助于改善频率最低点，而后期的小增益防止了过度减速，因为在控制方案中没有使用ROCOF，惯量控制的缺点也得以避免。然而，在高风速条件下，增益将会非常大，以至于双馈风机需要在P_lim下工作很长时间，这很可能导致双馈风机的机械疲劳问题。

其中ΔP为动态压降控制的有功功率输出，G为动态压降增益，0.45p.u./s为P_ref增加速率的最大极限，P_lim为P_ref的最大极限值，T_lim为施加在转子轴上的最大扭矩的极限。

为解决高风速条件下双馈风力发电机组的机械疲劳问题，该方法对现有的基于动态下垂控制的频率控制方案进行了改进，增加了一个由功率裕度决定的加权因子。

本实施例的考虑功率裕度的双馈风机动态短期稳频方法，其包括：

基于最大功率跟踪下的动态下垂控制方法对双馈风机进行短期稳频控制；

其中，动态下垂增益受限于功率裕度，由功率裕度对动态下垂增益进行加权，以限制双馈风机在功率极限点的总工作时间，从而避免双馈风机机械疲劳。

所提出方法的频率控制方案如图4所示，所提出方法的动态下降增益由下式给出。

其中P_mar代表功率裕度，P₀是扰动前的功率基准值，c为某个确定的常数。

其中，扰动前功率基准值为最大功率跟踪模式下的参考有功功率与动态压降控制的有功功率输出之和。最大功率跟踪模式下的参考有功功率为最大功率跟踪曲线的斜率与双馈风机的角速度三次方的乘积。扰动前功率基准值的增加速率的最大极限为0.45p.u./s。

如公式(5)所示，与公式(4)不同的是，所提出方法的动态下垂增益受到功率裕度的限制:随着风速的增加，转子速度增加，但功率裕度下降。与公式(4)相比，转子速度和功率裕度之间的权衡给出了更合理的压降增益。这将确保双馈风机快速离开功率限制条件，并使双馈风机免于机械疲劳。

下面使用图5所示的模型系统来研究所提出的频率稳定方法的性能。模型系统由6个总容量为900MVA的风力发电机组、一个100MW的双馈风力发电机组、一个功率因数为0.906的310MW的电机负载以及一个290MW和100MVA的静态负载组成。

为了减少由通信延迟引起的误差，图4所示的系统频率f_sys由双馈风机中的锁相环以3840Hz的采样率对终端电压进行采样来计算。

其中WPP和PCC分别是风力发电站(wind power plant)和公共连接点(point ofcommon coupling)的简称。

在三母线模型系统中，三组中的六个同步发电机放置在同一母线上，包括两个150MVA同步发电机、两个200MVA同步发电机和两个100MVA同步发电机。SG₁和SG₂的惯量常数为4.3s，SG₃和SG₄为5s，SG₅和SG₆为4s。IEEEG1模型用于同步发电机的调速器。调速器模型和参数分别在图6和表1中给出。

表1 IEEEG1模型系数

如图7所示，本实施例所用双馈风机的切入风速、额定风速和截止风速分别为4m/s、11m/s和25m/s。在接入风速和额定风速之间，有功功率呈三次方增加；在额定风速和截止风速之间，双馈风机输出有功功率恒定，为额定功率。

由于现实中达到临界风速的机会很小，双馈风机的运行区域通常在有功功率与转子速度的关系图中给出，如图8所示。工作区域意味着，如果转子角速度低于0.7p.u.，任何频率控制方案都将被禁用；频率控制方案将有功功率限制在1.1p.u.,将转矩限制在0.88p.u.。

图7中Cut-in speed为切入风速，Rated speed为额定风速，Rated power为额定功率，Cut-out speed为截止风速，Wind speed为风速，Active power为有功功率。图8中Torque limited refered to power为基于功率的转矩限制，Operating region为工作区域，Speed limit为速度限制，Power limit为功率限制，Rotor speed为风机转速，Activepower为有功功率。

将本实施例所提出的双馈风机的短期频率稳定方法与现有的动态下垂控制方法在EMTP-RV仿真软件中进行性能比较。在模拟过程中，风速设置为10m/s，并假设风速保持恒定，系统额定频率为60Hz。现有动态下垂控制方法的常数C被设为200，设置常数c＝200。

系统在稳定状态下运行时SG₄发出的有功功率为80MW，在40s时SG₄跳闸，如图9所示，本实施例所提出方法和现有的动态下垂控制的频率最低点都是出现在43.23s，数值为59.274Hz。这是因为在频率最低点之前，所提出方法和现有动态下垂控制方法的有功功率输出都受到如图10所示的功率/转矩限制。两种方法的双馈风机输出几乎呈线性下降，这是由于转子速度在初始部分呈线性下降，如图11所示，相应的功率限制为转矩限制和转子速度的乘积。在46.8s时，即扰动后的6.8s，采用所提出方法的双馈风机的输出功率低于功率极限，因为其控制增益远小于现有的动态下垂控制方法，如图12所示。相比之下，现有动态下垂控制方法的双馈风机输出直到扰动后12.9s(52.9s)才离开功率限制，这几乎是所提出方法的两倍。结果表明，该方法能有效减少双馈风机机械疲劳问题的发生。

除了减轻双馈风机的机械疲劳外，所提出的方法还提高了稳态频率，防止了二次频率下降，如图9所示。这是因为所提出的方法允许双馈风机以更大的转子速度运行，由于在46.8s后释放的动能更少，使之更接近MPPT运行点。这些结果可以在图10和图11中观察到：采用所提出方法的双馈风机的稳态转子速度为0.95p.u.，而采用现有方法的稳态转子速度仅为0.82p.u.。采用该方法设计的双馈风机的稳态输出为70.5MW，仅略低于扰动前的输出(78MW)，相比之下，在稳态下，采用现有动态下垂控制方法的双馈风机的输出功率降至61.4MW，明显低于采用所提出的方法的输出功率。所提出的方法之所以能够防止二次频率下降，是因为当频率处于频率最低点和稳态频率之间时，采用所提出的方法的双馈风机释放较少的功率。频率最低点后较小的双馈风机输出使同步发电机在早期分担更多负载并更快地增加其有功功率输出，这可以防止二次频率下降。因为当双馈风机的输出降低时，同步发电机可以在后期具有更高的输出。

值得注意的是，所提出的方法和现有的动态下垂控制方法在稳态下的控制增益几乎相同。这是因为所提出的方法具有较大的转子速度，这恰好抵消了功率裕度的加权值。

本实施例的双馈风机动态下垂增益的短期稳频方法考虑了高风速条件下的功率裕度，提出的动态压降增益通过功率裕度加权，其中功率裕度是扰动前功率限值和功率基准值之间的差值。与现有的动态下垂控制方法相比，所提出的方法具有相同的频率最低点，并具有以下优点：双馈风机在功率极限下工作的时间大约为使用现有动态下垂控制方法的一半，这大大降低了双馈风机出现机械疲劳问题的风险；稳态频率和转子速度更高，双馈风机运行更接近MPPT运行点；没有频率过冲和二次频率下降。

实施例二

本实施例提供了考虑功率裕度的双馈风机动态短期稳频系统，其包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如下步骤：

基于最大功率跟踪下的动态下垂控制方法对双馈风机进行短期稳频控制；

其中，动态下垂增益受限于功率裕度，由功率裕度对动态下垂增益进行加权，以限制双馈风机在功率极限点的总工作时间，从而避免双馈风机机械疲劳。

功率裕度是扰动前功率限值和扰动前功率基准值之间的差值。

此处需要说明的是，处理器执行所述程序时实现的步骤与实施例一相同，此处不再累述。

本实施例的双馈风机动态下垂增益的短期稳频系统考虑了高风速条件下的功率裕度，提出的动态压降增益通过功率裕度加权，其中功率裕度是扰动前功率限值和功率基准值之间的差值。与现有的动态下垂控制方法相比，所提出的方法具有相同的频率最低点，并具有以下优点：双馈风机在功率极限下工作的时间大约为使用现有动态下垂控制方法的一半，这大大降低了双馈风机出现机械疲劳问题的风险；稳态频率和转子速度更高，双馈风机运行更接近MPPT运行点；没有频率过冲和二次频率下降。

实施例三

本实施例提供了一种双馈风机，其包括如上述实施例二所述的考虑功率裕度的双馈风机动态短期稳频系统。

本实施例的双馈风机，在动态短期稳频控制方面，考虑了高风速条件下的功率裕度，提出的动态压降增益通过功率裕度加权，其中功率裕度是扰动前功率限值和功率基准值之间的差值。与现有的动态下垂控制方法相比，所提出的方法具有相同的频率最低点，并具有以下优点：双馈风机在功率极限下工作的时间大约为使用现有动态下垂控制方法的一半，这大大降低了双馈风机出现机械疲劳问题的风险；稳态频率和转子速度更高，双馈风机运行更接近MPPT运行点；没有频率过冲和二次频率下降。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明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和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、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。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种考虑功率裕度的双馈风机动态短期稳频方法，其特征在于，包括：

基于最大功率跟踪下的动态下垂控制方法对双馈风机进行短期稳频控制；

其中，动态下垂增益受限于功率裕度，由功率裕度对动态下垂增益进行加权，以限制双馈风机在功率极限点的总工作时间，从而避免双馈风机机械疲劳；

所述动态下垂增益公式为：

其中G是动态下垂增益，P_mar代表功率裕度，P₀是扰动前的功率基准值，P_lim为双馈风机有功功率的最大极限值，c为某个确定的常数，ω_r为双馈风机的角速度，ω_{r_min}为双馈风机的最小转子角速度；

功率裕度是扰动前功率限值和扰动前功率基准值之间的差值。

2.如权利要求1所述的考虑功率裕度的双馈风机动态短期稳频方法，其特征在于，扰动前功率基准值为最大功率跟踪模式下的参考有功功率与动态压降控制的有功功率输出之和。

3.如权利要求2所述的考虑功率裕度的双馈风机动态短期稳频方法，其特征在于，最大功率跟踪模式下的参考有功功率为最大功率跟踪曲线的斜率与双馈风机的角速度三次方的乘积。

4.如权利要求1所述的考虑功率裕度的双馈风机动态短期稳频方法，其特征在于，扰动前功率基准值的增加速率的最大极限为0.45p.u./s。

5.如权利要求1所述的考虑功率裕度的双馈风机动态短期稳频方法，其特征在于，动态下垂增益与双馈风机旋转质量中存储的动能成正比。

6.如权利要求1所述的考虑功率裕度的双馈风机动态短期稳频方法，其特征在于，动态下垂增益与角速度平方差成正比；其中，角速度平方差为双馈风机的角速度与双馈风机的最小转子角速度两者的平方差。

7.一种考虑功率裕度的双馈风机动态短期稳频系统，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如下步骤：

基于最大功率跟踪下的动态下垂控制方法对双馈风机进行短期稳频控制；

其中，动态下垂增益受限于功率裕度，由功率裕度对动态下垂增益进行加权，以限制双馈风机在功率极限点的总工作时间，从而避免双馈风机机械疲劳；

所述动态下垂增益公式为：

其中G是动态下垂增益，P_mar代表功率裕度，P₀是扰动前的功率基准值，P_lim为双馈风机有功功率的最大极限值，c为某个确定的常数，ω_r为双馈风机的角速度，ω_{r_min}为双馈风机的最小转子角速度；

功率裕度是扰动前功率限值和扰动前功率基准值之间的差值。

8.一种双馈风机，其特征在于，包括如权利要求7所述的考虑功率裕度的双馈风机动态短期稳频系统。

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