CN113131495B - 一种风电机组虚拟惯量控制参数的整定方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风电机组虚拟惯量控制参数的整定方法及系统，本发明基于任意给定的虚拟惯量参数，计算风电机组有备用参与一次调频时的最大频率偏差，计算风电机组仅靠转子动能利用虚拟惯量控制参与一次调频时的系统实际最大频率偏差，根据最大频率偏差和系统实际最大频率偏差之间的关系，调整虚拟惯量参数，获得最优虚拟惯量参数，为新能源参与电网主动支撑提供技术支持。

Description

一种风电机组虚拟惯量控制参数的整定方法及系统
技术领域
本发明涉及一种风电机组虚拟惯量控制参数的整定方法及系统，属于电力系统及其自动化技术领域。
背景技术
随着风力发电的快速发展，电力系统的常规同步发电机组被风机大量替代。由于风机通过电力电子化的变流器并网，并且风电机组目前普遍都不具备调频能力，电力系统的有效转动惯量和一次调频能力不断降低。系统频率稳定水平持续下降，给电力系统的安全稳定运行带来了巨大挑战。
基于双馈感应电机的变速风电机组能够对其有功与无功分别进行解耦控制，与常规火电机组相比，具有控制灵活、响应速度快等优点。但目前的变速风电机组由于其转速与电网频率的完全解耦控制，致使在电网频率发生改变时无法对电网提供频率响应，因此在电网频率改变时基于双馈电机的变速风电机组固有的惯量对电网则表现成为一个“隐含惯量”，无法给系统频率提供主动支撑。
2007年虚拟同步的概念被首次提出，引入虚拟惯量是增强频率动态稳定的有效方法。通过在风机中增加一个附加的频率控制环节，在系统出现功率缺额后，控制双馈风电机组发出的功率，使其释放出风机叶轮、转子轴系中储存的动能，降低电网频率变化的速率，并帮助电网恢复频率。虽然，虚拟惯量控制虽然能够利用储存在风机中的动能在一定程度上改善系统的频率响应特性，但是风力机组可利用的转子动能有限，当风机转速降低到最低值，被迫退出调频控制后机组发出的有功会瞬时减小，再逐渐恢复到当前风速对应的有功功率。同时，释放动能过程中，由于风机捕获的风能降低，导致在风力机转速恢复到自由转速过程中，需要消耗系统的能量大约为机组释放能量的1.5-2倍。
因此，风机无备用参与调频可能带来的二次功率冲击扰动问题，甚至可能导致系统的频率发生二次跌落。因而对于风机无备用参与一次调频的场景，急需风电机组虚拟惯量控制参数整定技术。
发明内容
本发明提供了一种风电机组虚拟惯量控制参数的整定方法及系统，解决了背景技术中披露的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种风电机组虚拟惯量控制参数的整定方法，包括，
根据虚拟惯量参数，计算风电机组有备用参与一次调频时的最大频率偏差，计算风电机组仅靠转子动能利用虚拟惯量控制参与一次调频时的系统实际最大频率偏差；
若最大频率偏差和系统实际最大频率偏差不满足预设规则，调整虚拟惯量参数，重新计算最大频率偏差和系统实际最大频率偏差，直到最大频率偏差和系统实际最大频率偏差满足预设规则，获得最优虚拟惯量参数。
根据虚拟惯量参数，计算风电机组有备用参与一次调频时的最大频率偏差，计算风电机组仅靠转子动能利用虚拟惯量控制参与一次调频时的系统实际最大频率偏差，具体过程为，
根据虚拟惯量参数，计算风电机组有备用参与一次调频时的最大频率偏差；
根据风电机组参与一次调频的出力，计算风电机组退出一次调频的时间；
根据风电机组退出一次调频的时间，计算风电机组仅靠转子动能利用虚拟惯量控制参与一次调频时的系统最大频率偏差。
计算风电机组有备用参与一次调频时的最大频率偏差，具体公式为，
Figure BDA0003007265900000031
其中，Δfmax(1)为风电机组有备用参与一次调频时的最大频率偏差；P为系统可能发生的最大有功故障扰动量；K1为系统负荷的频率响应因子；KG为风电机组的一次调频容量；f0为系统频率初始值；TG为一次调频响应时间，sinh、cosh分别为双曲正弦函数和余弦函数；t为以故障发生点为起点之后的时刻；
参数H2＝H1+KJ，H1为系统的惯量时间常数，KJ为虚拟惯量参数；
参数
Figure BDA0003007265900000032
参数
Figure BDA0003007265900000033
根据风电机组参与一次调频的出力，计算风电机组退出一次调频的时间，具体过程为，
若存在te使得
Figure BDA0003007265900000034
则te为风电机组退出一次调频的时间；其中，ΔPw(t)为t时刻风电机组参与一次调频的出力；J为风电机组转子的惯量；ωr、ωmin分别为风电机组的额定转速和最小转速。
若不存在te使得
Figure BDA0003007265900000035
则根据预设步长增加调整虚拟惯量参数，重新计算最大频率偏差和系统实际最大频率偏差。
计算风电机组仅靠转子动能利用虚拟惯量控制参与一次调频时的系统最大频率偏差，具体公式为，
Figure BDA0003007265900000041
其中，Δfmax(2)为风电机组仅靠转子动能利用虚拟惯量控制参与一次调频时的系统最大频率偏差；P为系统可能发生的最大有功故障扰动量；K1为系统负荷的频率响应因子；KG为风电机组的一次调频容量；f0为系统频率初始值；TG为一次调频响应时间，sinh、cosh分别为双曲正弦函数和余弦函数；t是以故障发生时刻为起点之后的时刻；ΔPw(te)是故障后te时，风电机组出力的变化量；β为风电机组退出一次调频后相对于额定功率的降载运行倍数；te为风电机组退出一次调频的时间；ε为阶跃函数，ε(t-te)表示在te时有一个单位值的突变；
参数H2＝H1+KJ，H1为系统的惯量时间常数，KJ为虚拟惯量参数；
参数
Figure BDA0003007265900000042
参数
Figure BDA0003007265900000051
参数
Figure BDA0003007265900000052
参数
Figure BDA0003007265900000053
预设规则为，
最大频率偏差和系统实际最大频率偏差不等，并且最大频率偏差和系统实际最大频率偏差的差值不大于阈值。
若最大频率偏差和系统实际最大频率偏差相等，则根据预设步长增加调整虚拟惯量参数，重新计算最大频率偏差和系统实际最大频率偏差；
若最大频率偏差和系统实际最大频率偏差的差值大于阈值，根据预设步长减小调整虚拟惯量参数，重新计算最大频率偏差和系统实际最大频率偏差。
一种风电机组虚拟惯量控制参数的整定系统，包括，
计算模块：根据虚拟惯量参数，计算风电机组有备用参与一次调频时的最大频率偏差，计算风电机组仅靠转子动能利用虚拟惯量控制参与一次调频时的系统实际最大频率偏差；
调整模块：若最大频率偏差和系统实际最大频率偏差不满足预设规则，调整虚拟惯量参数，重新计算最大频率偏差和系统实际最大频率偏差，直到最大频率偏差和系统实际最大频率偏差满足预设规则，获得最优虚拟惯量参数。
一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行风电机组虚拟惯量控制参数的整定方法。
本发明所达到的有益效果：本发明基于任意给定的虚拟惯量参数，计算风电机组有备用参与一次调频时的最大频率偏差，计算风电机组仅靠转子动能利用虚拟惯量控制参与一次调频时的系统实际最大频率偏差，根据最大频率偏差和系统实际最大频率偏差之间的关系，调整虚拟惯量参数，获得最优虚拟惯量参数，为新能源参与电网主动支撑提供技术支持。
附图说明
图1为本发明方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
一种风电机组虚拟惯量控制参数的整定方法，包括以下步骤：
步骤1，根据虚拟惯量参数，计算风电机组有备用参与一次调频时的最大频率偏差，计算风电机组仅靠转子动能利用虚拟惯量控制参与一次调频时的系统实际最大频率偏差；
步骤2，若最大频率偏差和系统实际最大频率偏差不满足预设规则，调整虚拟惯量参数，重新计算最大频率偏差和系统实际最大频率偏差，直到最大频率偏差和系统实际最大频率偏差满足预设规则，获得最优虚拟惯量参数。
该方法基于任意给定的虚拟惯量参数，计算风电机组有备用参与一次调频时的最大频率偏差，计算风电机组仅靠转子动能利用虚拟惯量控制参与一次调频时的系统实际最大频率偏差，根据最大频率偏差和系统实际最大频率偏差之间的关系，调整虚拟惯量参数，获得最优虚拟惯量参数，为新能源参与电网主动支撑提供技术支持。
一种风电机组虚拟惯量控制参数的整定方法，具体流程如图1所示：
1)根据虚拟惯量参数，计算风电机组有备用参与一次调频时的最大频率偏差。
系统频率响应的时域表达式可表示如下：
Figure BDA0003007265900000071
其中，P为系统可能发生的最大有功故障扰动量；K1为系统负荷的频率响应因子；KG为风电机组的一次调频容量；TG为一次调频响应时间，sinh、cosh分别为双曲正弦函数和余弦函数；t为以故障发生点为起点之后的时刻；参数H2＝H1+KJ，H1为系统的惯量时间常数，KJ为虚拟惯量参数；参数
Figure BDA0003007265900000072
参数
Figure BDA0003007265900000073
根据时域响应表达式，即可得到频率随时间变化的轨迹，该轨迹的最低点偏移初始值的差值即为系统最大频率偏差，即Δfmax(1)＝Δf1-f0；其中，Δfmax(1)为风电机组有备用参与一次调频时的最大频率偏差，f0为系统频率初始值。
2)根据风电机组参与一次调频的出力，计算风电机组退出一次调频的时间。
具体如下：
若存在te使得
Figure BDA0003007265900000074
则te为风电机组退出一次调频的时间；其中，ΔPw(t)为t时刻风电机组参与一次调频的出力，
Figure BDA0003007265900000081
J为风电机组转子的惯量；ωr、ωmin分别为风电机组的额定转速和最小转速；
若不存在te使得
Figure BDA0003007265900000082
转至5)。
3)根据风电机组退出一次调频的时间，计算风电机组仅靠转子动能利用虚拟惯量控制参与一次调频时的系统最大频率偏差。
系统频率响应的时域表达式可表示如下：
Figure BDA0003007265900000083
其中，ΔPw(te)是故障后te时，风电机组出力的变化量；β为风电机组退出一次调频后相对于额定功率的降载运行倍数，即风电机组退出一次调频后按照额定功率的β倍降载运行；ε为阶跃函数，表示在时刻0有一个单位值突变，ε(t-te)表示在te时有一个单位值的突变；参数
Figure BDA0003007265900000084
参数
Figure BDA0003007265900000085
根据时域响应表达式，即可得到频率随时间变化的轨迹，该轨迹的最低点偏移初始值的差值即为系统最大频率偏差，即Δfmax(2)＝Δf2-f0；其中，Δfmax(2)为风电机组仅靠转子动能利用虚拟惯量控制参与一次调频时的系统最大频率偏差。
4)若最大频率偏差和系统实际最大频率偏差相等，转至5)；
若最大频率偏差和系统实际最大频率偏差的差值大于阈值ξ，即Δfmax(1)-Δfmax(2)＞ξ，根据预设步长ΔK减小虚拟惯量参数，即K′J＝KJ-ΔK，转至1)；其中，K′J为调整后的虚拟惯量参数；
否则转至6，即满足预设规则，最大频率偏差和系统实际最大频率偏差不等，并且最大频率偏差和系统实际最大频率偏差的差值不大于阈值。
5)根据预设步长增加虚拟惯量参数，即K′J＝KJ+ΔK，转至1)。
6)获得最优虚拟惯量参数。
针对仅利用风电机组转子动能参与一次调频的场景，通过优化风电机组虚拟惯量参数，最大程度利用风电机组储存在转子中的动能，提高系统的频率稳定性。
由于风电机组可利用的转子动能有限，当风电机组运行在无备用状态时，只能短时间支撑系统频率的恢复，利用上述方法，能够有效避免因不合理的频率附加控制带来的功率二次扰动，反而会恶化系统的频率稳定性的风险。
在确定的电网运行方式和新能源机组运行参数下，利用上述方法可以得到风电机组利用转子动能参与一次调频的最优虚拟惯量参数，为新能源主动支撑电力系统运行提供技术支持。
一种风电机组虚拟惯量控制参数的整定系统，包括，
计算模块：根据虚拟惯量参数，计算风电机组有备用参与一次调频时的最大频率偏差，计算风电机组仅靠转子动能利用虚拟惯量控制参与一次调频时的系统实际最大频率偏差；
调整模块：若最大频率偏差和系统实际最大频率偏差不满足预设规则，调整虚拟惯量参数，重新计算最大频率偏差和系统实际最大频率偏差，直到最大频率偏差和系统实际最大频率偏差满足预设规则，获得最优虚拟惯量参数。
一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行风电机组虚拟惯量控制参数的整定方法。
一种计算设备，包括一个或多个处理器、一个或多个存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述一个或多个存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行风电机组虚拟惯量控制参数的整定方法的指令。
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。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (5)

1.一种风电机组虚拟惯量控制参数的整定方法，其特征在于：包括，
根据虚拟惯量参数，计算风电机组有备用参与一次调频时的最大频率偏差，计算风电机组仅靠转子动能利用虚拟惯量控制参与一次调频时的系统实际最大频率偏差，具体过程为，
根据虚拟惯量参数，计算风电机组有备用参与一次调频时的最大频率偏差，计算风电机组有备用参与一次调频时的最大频率偏差，具体公式为，
Figure FDA0003631032610000011
其中，Δfmax(1)为风电机组有备用参与一次调频时的最大频率偏差，P为系统发生的最大有功故障扰动量，K1为系统负荷的频率响应因子，KG为风电机组的一次调频容量，f0为系统频率初始值，TG为一次调频响应时间，sinh、cosh分别为双曲正弦函数和余弦函数，t为以故障发生点为起点之后的时刻，参数H2＝H1+KJ，H1为系统的惯量时间常数，KJ为虚拟惯量参数，参数
Figure FDA0003631032610000012
参数
Figure FDA0003631032610000013
根据风电机组参与一次调频的出力，计算风电机组退出一次调频的时间，具体过程为，
若存在te使得
Figure FDA0003631032610000014
则te为风电机组退出一次调频的时间，其中，ΔPw(t)为t时刻风电机组参与一次调频的出力，J为风电机组转子的惯量，ωr、ωmin分别为风电机组的额定转速和最小转速；若不存在te使得
Figure FDA0003631032610000021
则根据预设步长增加调整虚拟惯量参数，重新计算最大频率偏差和系统实际最大频率偏差；
根据风电机组退出一次调频的时间，计算风电机组仅靠转子动能利用虚拟惯量控制参与一次调频时的系统最大频率偏差，具体公式为，
Figure FDA0003631032610000022
其中，Δfmax(2)为风电机组仅靠转子动能利用虚拟惯量控制参与一次调频时的系统最大频率偏差，ΔPw(te)是故障后te时，风电机组出力的变化量，β为风电机组退出一次调频后相对于额定功率的降载运行倍数，ε为阶跃函数，ε(t-te)表示在te时有一个单位值的突变，参数
Figure FDA0003631032610000023
参数
Figure FDA0003631032610000024
若最大频率偏差和系统实际最大频率偏差不满足预设规则，调整虚拟惯量参数，重新计算最大频率偏差和系统实际最大频率偏差，直到最大频率偏差和系统实际最大频率偏差满足预设规则，获得最优虚拟惯量参数。
2.根据权利要求1所述的一种风电机组虚拟惯量控制参数的整定方法，其特征在于：预设规则为，
最大频率偏差和系统实际最大频率偏差不等，并且最大频率偏差和系统实际最大频率偏差的差值不大于阈值。
3.根据权利要求1所述的一种风电机组虚拟惯量控制参数的整定方法，其特征在于：若最大频率偏差和系统实际最大频率偏差相等，则根据预设步长增加调整虚拟惯量参数，重新计算最大频率偏差和系统实际最大频率偏差；
若最大频率偏差和系统实际最大频率偏差的差值大于阈值，根据预设步长减小调整虚拟惯量参数，重新计算最大频率偏差和系统实际最大频率偏差。
4.一种风电机组虚拟惯量控制参数的整定系统，其特征在于：包括，
计算模块：根据虚拟惯量参数，计算风电机组有备用参与一次调频时的最大频率偏差，计算风电机组仅靠转子动能利用虚拟惯量控制参与一次调频时的系统实际最大频率偏差，具体过程为，
根据虚拟惯量参数，计算风电机组有备用参与一次调频时的最大频率偏差，计算风电机组有备用参与一次调频时的最大频率偏差，具体公式为，
Figure FDA0003631032610000031
其中，Δfmax(1)为风电机组有备用参与一次调频时的最大频率偏差，P为系统发生的最大有功故障扰动量，K1为系统负荷的频率响应因子，KG为风电机组的一次调频容量，f0为系统频率初始值，TG为一次调频响应时间，sinh、cosh分别为双曲正弦函数和余弦函数，t为以故障发生点为起点之后的时刻，参数H2＝H1+KJ，H1为系统的惯量时间常数，KJ为虚拟惯量参数，参数
Figure FDA0003631032610000041
参数
Figure FDA0003631032610000042
根据风电机组参与一次调频的出力，计算风电机组退出一次调频的时间，具体过程为，
若存在te使得
Figure FDA0003631032610000043
则te为风电机组退出一次调频的时间，其中，ΔPw(t)为t时刻风电机组参与一次调频的出力，J为风电机组转子的惯量，ωr、ωmin分别为风电机组的额定转速和最小转速；若不存在te使得
Figure FDA0003631032610000044
则根据预设步长增加调整虚拟惯量参数，重新计算最大频率偏差和系统实际最大频率偏差；
根据风电机组退出一次调频的时间，计算风电机组仅靠转子动能利用虚拟惯量控制参与一次调频时的系统最大频率偏差，具体公式为，
Figure FDA0003631032610000045
其中，Δfmax(2)为风电机组仅靠转子动能利用虚拟惯量控制参与一次调频时的系统最大频率偏差，ΔPw(te)是故障后te时，风电机组出力的变化量，β为风电机组退出一次调频后相对于额定功率的降载运行倍数，ε为阶跃函数，ε(t-te)表示在te时有一个单位值的突变，参数
Figure FDA0003631032610000051
参数
Figure FDA0003631032610000052
调整模块：若最大频率偏差和系统实际最大频率偏差不满足预设规则，调整虚拟惯量参数，重新计算最大频率偏差和系统实际最大频率偏差，直到最大频率偏差和系统实际最大频率偏差满足预设规则，获得最优虚拟惯量参数。
5.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于：所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据权利要求1至3所述的方法中的任一方法。
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