CN112332462B - 考虑源-荷功率随机波动特性的双馈风力发电机组一次频率平滑调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于新能源技术领域的一种考虑源‑荷功率随机波动特性的双馈风电机组一次频率平滑控制方法，根据数次统计的风电场一次大风气象周期(七天)内的风电功率波动历史数据，研究了单台风电机组在不同分钟级时间尺度下风电功率波动对系统频率产生的影响，通过实时采样不同时间尺度下系统频率，求取该时间尺度下的频率平均值作为一次调频时间内的频率平滑目标值，确定最佳时间尺度下频率平滑指标以及所需储能装置的额定功率和容量。当出现风速增大或负荷减小时，采用变功率点跟踪控制实现一次频率平滑调节；当风速减小或负荷增大时则由超级电容器参与系统一次调频，实现双馈风电机组不损失发电效益的基础上在全工况下具有一次频率平滑能力。

Description

考虑源-荷功率随机波动特性的双馈风力发电机组一次频率 平滑调节方法

技术领域

本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种适合双馈风电机组在全工况下考虑源-荷功率随机波动特性的一次频率平滑调节方法。

背景技术

根据国际能源机构公布的数据，自2009年以来风电在能源结构中的占比逐年增加，平均每年增长0.44％，2017年，风力发电占全球能源需求量的5.6％，风电渗透率具有持续增长趋势。目前双馈感应风力发电机(DFIG)装机容量约占90％的市场份额，是当今的主流机型。由于传统DFIG采用最大功率跟踪运行方式，其机组的转速与电网频率无关，即机组的出力不响应电网频率的波动。

国内外针对风电机组的频率响应开展了较多研究，提出了一些成熟控制方法以满足电网友好型风电场的建设需求。为提高风力发电系统的惯量支撑和频率响应能力，提出通过桨距角控制来预留适当的旋转备用容量，当系统频率变化时，通过桨距角调节来相应改变机组出力，参与系统调频，然而，桨距角调整速度比较慢，降低了正常工况下的风能利用率，风机机械部件的频繁动作增加了维修风险和维护成本。另外，有提出双馈发电机超速减载运行控制的方法，调整了最大功率跟踪曲线，使得风机运行在次优功率曲线上，以此来获得一定备用容量，通过有功/频率下垂控制特性，实时响应系统一次调频，但超速控制在频率升高扰动下，转速在超速点的基础上增大，易达到限值，降低风能利用率的同时也减小了功率的实际可调节深度，在必要时还需启用桨距角调节来进一步减小输出功率，不利于变桨控制系统安全、可靠的运行。针对上述问题，在此基础上又提出了超速与变桨结合的协调控制方案，虽然在一定程度上改善风电机组整体性能和一次调频特性，但以上方法均未考虑到DFIG自身发电效益，降低风能利用率。故如何配置风电机组的调节机制来缓解发电效益和系统稳定性之间的关系是目前亟待解决的问题。

目前风力发电集中并网点高压侧普遍出现频率、电压波动幅度增大现象，而风电场内部或并网点变压器中低压侧的频率波动幅度更大，超过一次调频动作阈值(0.033Hz)的情形频繁出现。以华北电网某35kV母线为例，一天内该地区电网正常运行工况下频率波动范围在±0.04Hz以内，频率日越过火电机组调频死区±0.033Hz的总次数为1670次，为保持系统频率在一个较小的波动范围内，区域电网内调频电源需要频繁地投入一次调频功能。故为提高系统频率品质，针对风电机组实际输出功率波动数据，从平滑系统频率角度出发提出相应风电功率波动平抑目标的研究甚少，有的研究在于兼顾国网规定的风电波动限值提出风电功率波动平抑指标，但是仅从源端风电功率波动入手，并无考虑风电功率波动对系统频率产生的影响而提出的平抑风功率波动指标对系统频率平滑无参考性依据；另外还有研究了风电功率波动对系统频率产生的影响，但并无针对风电实际输出功率波动数据，从风机平滑系统频率波动的角度出发，提出相应的风电功率波动产生系统频率波动问题并平滑频率的具体解决方法。

已知储能装置已广泛应用于风电场，目前有研究提出了一种在储能技术的依托下对风电场的虚拟惯量进行补偿的策略，还有采用限转矩策略控制双馈风电机组参与调频，同时利用安装在风机母线出口处的蓄电池装置，弥补限转矩控制产生的频率二次跌落。也有分析了风电机组基于转子惯量、预留备用和配置储能3种调频方案的技术经济性，充分利用风机转子惯量以减少配置储能容量，提出一种风储协调的调频控制策略。还有提出在风电场并网侧采用飞轮储能装置联合调频控制策略，结合同步发电机调频特性，对电网进行联合调频控制。但针对储能装置参与风电场一次调频策略研究中，大多采用风电场集中式储能方案，其安全可靠性风险往往大于分布式模式，故提高单台风电机组的致稳性和抗扰性，使其具备一次调频能力显得尤为重要。故有研究提出在双馈风电机组直流母线上并联电池储能装置参与系统调频，但该储能装置充放电循环次数较低，功率密度较小并不完全适用于投入频繁的一次调频。另外还有研究则结合超级电容器可循环次数多，寿命周期长，短时间内功率密度大等优势，在双馈风电机组直流母线上并联配置储能装置为机组提供惯量支撑，但所需容量较大，充放电所需频率调节次数较多，影响储能系统寿命，经济成本较高。

发明内容

结合上述存在的问题，有必要将双馈风电机组的一次频率调节策略进行改进，本发明综合考虑源-荷功率随机波动提出双馈风电机组一次频率平滑调节方法。根据数次统计的风电场一次大风气象周期内的风电功率波动历史数据，选取一组典型大风气象周期的风电功率波动数据为例，实时采样不同时间尺度下的频率平均值作为一次调频时间内的频率平滑目标值，采用实时采样n点滚动平均算法制定能够平滑频率变化的平抑目标曲线，确定最佳时间尺度下的频率平滑指标，采用概率统计法对实际风电输出功率与采用此平滑频率控制策略后的输出功率做差，以累计概率密度达到0.9以上为实现平滑频率为目标，得到最优时间尺度下超级电容器的额定功率，以风电机组实际输出功率与不同时间尺度下平滑目标后风机输出功率所围成的各面积的概率密度进行统计计算，得到最优时间尺度下的超级电容器额定容量。

本发明所提出的控制策略是在最大功率跟踪模式的基础上进行改进，若风速减小或负荷增大时，可通过并联在直流母线上的超级电容器提供备用容量参与系统一次调频，实现双馈风电机组在不损失发电效益的基础上提高一次频率平滑调节效果；若风速增大或负荷减小时，分别根据虚拟惯性控制和虚拟下垂控制得到的附加功率叠加在最大功率跟踪模式上以双馈风电机组变功率点跟踪实现一次调频技术，实现双馈发电机在全工况下具有一次频率调节平滑能力。

附图说明

图1为考虑源-荷功率波动特性的双馈风力发电机组一次频率平滑调节原理框图

图2为DFIG储能配置原理图。

图3为不同时间尺度选取下储能额定功率概率统计图

图4为不同时间尺度选取下储能容量累计概率统计图

图5为不同时间尺度下频率平滑效果对比图

具体实施方式

下面结合附图对发明进一步详细说明。附图1为考虑源-荷功率波动特性的双馈风力发电机组一次频率平滑调节原理框图。针对负荷波动方面，在无扰动和系统负荷增加扰动下，风机运行在最大功率点跟踪状态，实现发电效益最大化。若负荷减小，一次频率调节控制启动，根据系统频率偏差Δf得到虚拟惯性控制附加功率ΔP₁如下式：

并得到下垂控制附加调节功率ΔP₂：ΔP₂＝K_p(f_N-f_s)，将以上附加功率叠加到最大功率跟踪运行方式下的输出功率P_ω中，得到最终参考功率P_ref，若系统负荷增大时，可采用超级电容储能系统辅助双馈风电机组参与调频，其储能系统在下垂控制下开始放电，输出功率参考值如下式：P_{ref_scss}＝K_scssΔf，其中K_scss为超级电容储能系统的下垂系数。在风速波动方面，通过实时采样n点滚动平均算法求取频率平滑目标值f_ave(t)为f_ave(t)＝1/n[f_wind(t-1)+f_wind(t-2)+f_wind(t-3)...+f_wind(t-(n-1))+f_wind(t-n)]t≥n+1，其中f_wind(t-1)、f_wind(t-2)...分别为不同采样点的频率值，最佳时间尺度下的平均频率波动值Δf为下式：Δf(t)＝f_wind(t)-f_ave(t)，根据系统风电功率变化ΔP_W与频率偏差关联的传递函数的表示式：

其中时间常数T_t＝0.5，系统惯性常数H＝5s，系统阻尼D＝1，转速调节率R＝0.05，根据平均频率波动值得到对应的风电机组输出功率波动量ΔP(t)，通过实际风电机组输出功率P(t)与功率波动量ΔP(t)做差或求和得到风力发电机组输出参考功率P_ref(t)。并采用上述变功率点跟踪与超级电容器协调控制参与系统频率平滑调节。考虑源-荷功率波动特性的双馈风力发电机组一次频率平滑调节原理框图如附图1所示，其中包括双馈风力发电机组最大功率跟踪控制、风电机组变功率点跟踪控制和超级电容器控制。f_s为负荷变化后的系统频率，f_N为系统额定频率，f_w为风电功率波动对应的频率，f_ave为相应时间尺度下的平均平滑频率。K_p和K_scss分别为风电机组变功率点跟踪控制与超级电容器储能装置的下垂控制系数。其一次频率平滑控制方法具体调节如下：(1)首先根据风机VSG技术标准《风电机组虚拟同步机技术要求和试验方法》，将调频死区设定为|Δf|≤0.03Hz，此时可近似判定为系统无扰动，风电机组不参与一次频率调节；当|Δf|＞0.03Hz时，系统启动一次调频功能。(2)负荷预测与风速检测同时进行，当负荷减小ΔP₁，风速增大ΔP₂时(第1种情况)，此时风力发电机组需要减小出力功率为(ΔP₁+ΔP₂)，通过结合超速减载控制和MPPT模式的优点，将以上附加功率叠加到最大功率跟踪运行方式下的输出功率P_ω中，得到最终参考功率P_ref，通过增大转子转速，减小风电机组有功输出功率，在最大功率输出点处利用变功率点跟踪控制方式实现一次调频，相比传统超速减载模式可增加转速调节范围并增大发电效益。(3)当负荷增加ΔP₃，风速减小ΔP₄时(第6种情况)，此时风力发电机组需要增加输出功率(ΔP₃+ΔP₄)，无需改变风电机组控制方式，在风机处于最大功率跟踪控制的基础上利用超级电容器通过网侧变流器向电网输出功率，其下垂控制系数为K_scss。(4)当负荷和风速同时减小或增大时，基于该策略控制下的双馈风电机组出力控制方式分为以下四种情况：在负荷减小ΔP₁，风速减小ΔP₄的情况同时发生时，此时需要通过负荷减小时该风力发电机需要减小的功率ΔP₁和风速减小该风力发电机需要增加的功率ΔP₄做差。当总功率ΔP小于0时(第2种情况)，该机组通过采用变功率点跟踪控制实现一次调频与频率平滑控制技术；当功率ΔP大于0时(第4种情况)，风电机组需要采用超级电容器控制。当负荷增加ΔP₃，风速增加ΔP₂时，此时通过负荷增加时风电机组需要增加的输出功率ΔP₃和风速增加时风机需要减小的输出功率ΔP₂做差。当总功率ΔP小于0时(第3种情况)，采用变功率点跟踪控制；当功率ΔP大于0时(第5种情况)，采用超级电容储能控制技术实现本文所提一次频率调节平滑控制。(5)综上所述，针对负荷与风速同时波动的不确定性，本文通过上述6种情况进行控制分析，在情况1、2和3下双馈风电机组采用变功率点跟踪控制，在情况4、5和6下采用超级电容器控制，最后根据实际功率输出通过选择上述两种方式(7和8)实现风电机组在全工况下的一次频率调节平滑控制，提高风电机组发电效益的同时大大提升系统一次频率平滑调节效果。

附图2即为DFIG一次调频配置方案图，超级电容器经过双向DC/DC变换器与双馈风电机组的直流侧母线电容相连接。双馈风电机组的转子侧与网侧变流器可维持原有的控制方式，网侧变流器的作用是维持直流母线电容电压的稳定，故超级电容储能装置的放电功率通过网侧变流器直接流向负荷侧。

附图3为不同时间尺度选取下储能额定功率概率统计图。本发明采用上述实时采样平均频率制定平滑频率波动的目标曲线，在考虑配置最优储能容量的情况下，为达到最好的频率平滑效果，分别以不同分钟级为时间尺度求取该时间尺度下的频率平均值，将其作为一次调频时间内的平滑频率波动的目标。并采用概率统计法对实际风电输出功率与采用本文所提平滑频率控制策略后的风机输出功率做差，即为储能装置的额定功率。由图可得以不同分钟级为时间尺度计算平均频率作为一次调频时间内平滑频率的目标值，其实际风电功率与目标频率所对应的风电功率差值作为储能装置额定功率，已知累计概率达到0.9以上时，即可认为实现平滑频率目标，为满足各分钟级时间尺度的需求，则储能配置所需功率为P_N。

附图4为不同时间尺度选取下储能容量累计概率统计图。若累计概率要求达到0.9以上，当分钟级时间尺度选择较小时，如所需储能容量为W₁MJ，而当时间尺度选择较大时，所需储能容量为W₂MJ；由数据可知在分钟级时间尺度上选取的储能容量相较于双馈风力发电机组额定容量来说相差不大。

附图5为不同分钟级时间尺度下频率平滑效果对比图。由图可得较大时间尺度下频率平滑(黑色实线)效果明显优于较小时间尺度下的频率平滑(灰色虚线)结果。故选择相应配置的储能容量为W₂MJ。

Claims (3)

1.一种全工况下考虑源-荷功率随机波动特性的双馈风电机组一次频率平滑调节方法，其特征在于，根据数次统计的风电场一次大风气象周期内的风电功率波动历史数据，选取一组典型风电场大风气象周期的风电功率波动数据为例，实时采样不同分钟级时间尺度下风电功率波动的系统频率，求得对应时间尺度下的频率平均值作为一次调频时间内的频率平滑目标值，采用实时采样n点滚动平均算法制定能够平滑频率变化的平抑目标曲线，确定最佳时间尺度下的频率平滑指标。

2.一种全工况下考虑源-荷功率随机波动特性的双馈风电机组一次频率平滑调节方法，其特征在于，通过探索数次统计的风电场一次大风气象周期中的典型风电功率而引起系统并网点频率波动数据规律，在达到较好频率平滑效果的同时优化储能配置；根据不同时间尺度下的频率平均值作为该时间尺度下的一次调频平滑目标，采用概率统计法对实际风电输出功率与采用此平滑频率控制策略后的风机输出功率做差，以累计概率密度达到0.9以上时，即可认为实现平滑频率为目标，从而得到最优时间尺度下超级电容器的最小额定功率；风电机组实际输出功率与不同时间尺度下平滑目标后风机输出功率所围成的各面积的概率密度进行统计计算，得到最优时间尺度下超级电容器最小额定容量。

3.一种全工况下考虑源-荷功率随机波动特性的双馈风电机组一次频率平滑调节方法，其特征在于，一次频率平滑调节方法是在最大功率跟踪模式的基础上进行改进；其负荷预测与风速检测同时进行，若风速对系统频率平滑对应的功率变化量与负荷对系统频率对应的功率变化量的差值ΔP大于0时，可通过并联在直流母线上的超级电容器提供备用容量参与系统一次调频，实现双馈风电机组在不损失发电效益的基础上提高一次频率平滑调节效果；若风速对系统频率平滑对应的功率变化量与负荷对系统频率对应的功率变化量的差值ΔP小于0时，分别根据虚拟惯性控制和虚拟下垂控制得到的附加功率叠加在最大功率跟踪模式上以双馈风电机组变功率点跟踪实现一次调频技术，实现双馈发电机在全工况下具有一次频率调节平滑能力。

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