CN113346520A - 基于风机和同步机协调配合的电网频率控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于风机和同步机协调配合的电网频率控制方法，针对新能源高占比电网频率稳定性较差的问题，提出了一种风力发电机组和同步发电机组协调配合的控制方法。风力发电机组的转子动能较大、电磁功率调节速率较快，因此利用转子动能调节控制要求更高的电网频率，不再关注风力机自身转速的变化情况；而同步发电机组的机械功率调节速率较慢，与风力机转速大范围、慢动态变化的特性更匹配，因此根据风力机转速偏差调节机械功率，使得风力机转速稳定在一定范围内。本发明通过对两种电源之间角色和功能的转换，实现了电源之间的协调配合，有效提升了新能源高占比电网的频率稳定性。

Description

基于风机和同步机协调配合的电网频率控制方法
技术领域
本发明属于电网频率控制领域，特别是一种基于风机和同步机协调配合的电网频率控制方法。
背景技术
频率是电力系统最为重要的电能质量指标之一，频率偏差的大小直接关系到电网的安全稳定运行。随着新能源在电网中的占比越来越高，电网呈现出功率扰动形式更复杂，功率扰动的幅值更大，系统的惯性水平更低等特点，没有了传统大电网的强有力频率支撑作用，频率稳定性面临诸多挑战，同时也是制约新能源消纳利用和电网安全稳定运行的瓶颈问题。
在无新能源接入的电网中，各同步发电机组分别通过下垂控制实现一次调频是有效的，这主要是因为不同机组在出力速率和功率可控性等方面差异不大，甚至可以将全网的同步发电机组等效为一台等值机，用等值机的调频能力反映全网的调频能力。然而大规模新能源接入电网后，不同类型的电源出力特性迥异，例如风力发电机组的调频出力可以毫秒级快速响应，但是持续时间却少则十几秒，而同步发电机组的出力受到爬坡率的限制响应较为缓慢，但是可以提供持续稳定的功率输出。
事实上，现有研究发现快速但短暂的风电调频出力制造了系统扰动初期的“虚假繁荣”，干扰了同步发电机组在这一重要阶段对系统频率偏差的敏感度。因此仅针对风力发电机组自身进行的诸如调频功率曲线优化、调频参数动态调整和转速恢复机制设定等手段，一定程度上可以加强风电参与调频的性能，但在更为复杂和激烈的扰动中往往是事倍功半。也有研究将电网的频率调节在能量管理系统中采用集中式管理，通过在能量管理系统中建立了基于集成学习的源-荷协同频率控制策略，通过最小化所有参与机组的最大爬升时间及考虑分布式发电机组和负荷的调节成本来达到快速、经济地进行频率控制目的。但是集中式控制严重依赖通信，随着受控单元数量的增加，能量管理系统中信息处理量和运算复杂度急剧上升。为了克服非集中式的单机优化和集中式的全局管理的不足，应当充分考虑电网中不同类型电源的协调配合。
目前主流的基于信息层的电网协调控制仅关注电源之间的状态差异，对于电源的出力特性和持续时间等物理特性考虑不足，依赖先进的智能算法动态修正系统参数只能一定程度上改善调频效果。因此亟待从电源的动态差异对系统频率的影响机理着手，提出一种从物理机理层面改进的电网频率协调控制方法。值得注意的是，风力发电机组参与调频和维持其自身稳定是一对难以调和的矛盾。以不留备用的惯性控制为例，转子动能释放越多对系统频率支撑能力越强，但转子转速跌落越多，越易造成转速失稳切机。当前研究成果大多根据运行工况修正风电调频参数，或者强迫越限机组退出调频，不仅难以充分挖掘风电的调频资源，甚至对系统频率造成更大冲击。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于风机和同步机协调配合的电网频率控制方法，通过考虑不同电源的机电动态特性，实现风力发电机组和同步发电机组协调配合的电网频率控制，从而应对风电高占比电网中频率大幅波动的问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于风机和同步机协调配合的电网频率控制方法，风力发电机组的电磁功率指令与自身转速完全解耦，只根据系统频率变化幅值调节出力，而不再关注自身转速的变化情况；同步发电机组的控制器不再将系统频率偏差作为输入，而是以一段时间平均风速对应的风力发电机组最优转速作为参考值，将实时采集到的风力发电机组转速偏差作为新的输入。
进一步的，风力发电机组的控制回路中具有电网频率测量模块，用于采样电网的频率fmeas，进而得到控制器的输入量Δf如下所示：
Δf＝fN-fmeas
其中，fN为电网的额定频率，fN为50Hz或60Hz。
进一步的，风力发电机组的电磁功率指令计算方法如下所示：
Figure BDA0003083228720000021
其中，K2是控制器参数；
Figure BDA0003083228720000022
是风力发电机组由MPPT控制切换为协调控制时的初始功率；kopt是MPPT控制的最优电磁功率增益系数；ωr0是切换时的初始风力机转速。
进一步的，同步发电机组的控制回路中具有风力机转速测量模块，用于采样风力发电机组的转速ωr，进而得到控制器的输入量Δωr如下所示：
Figure BDA0003083228720000031
其中，
Figure BDA0003083228720000032
是风力机在当前一段时间内平均风速
Figure BDA0003083228720000036
下的最优转速。
Figure BDA0003083228720000033
计算方法为
Figure BDA0003083228720000034
式中，λopt为最优叶尖速比，R为风轮半径。
进一步的，同步发电机组的机械功率指令计算方法如下所示：
Figure BDA0003083228720000035
其中，K1是控制器参数，Ptur0是原动机的初始机械功率。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)充分发挥高渗透率风电对频率的主导作用，不再与同步发电机组混合调节同一目标，既充分利用了风电的调频能力，也降低了风电出力的快速调节对同步发机组出力的影响；2)充分挖掘风力发电机组功率的快调节资源，风力发电机组只需要关心系统频率的变化，原本用来维持自身转速稳定的功率也可以注入到电网中参与调频，加快了系统整体的有功功率调节速率，提升了系统应对功率扰动的能力；3)协调适应同步发电机组出力的慢动态特性，风力发电机组转动惯量大，所允许的转速运行范围也大，即使同步发电机组出力速率慢，也可以通过持续调节将风力机转速稳定在一定范围内。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明基于风机和同步机协调配合的电网频率控制方法原理图。
图2为实施例中仿真用到的湍流风速示意图。
图3(a)～图3(d)为实施例中对本发明有效性验证的仿真结果示意图，其中图3(a)为电网频率；图3(b)为风力机转速；图3(c)为风电有功功率；图3(d)为同步机机械功率。
具体实施方式
结合图1，本发明提供一种基于风机和同步机协调配合的电网频率控制方法，其工作原理为：
(1)将电网频率信号作为风力发电机组的反馈控制信号，并以额定频率为参考值，输出的电磁功率仅与频率偏差呈比例控制关系。风力发电机组的大转动惯量蕴含着丰富的旋转动能，并且可以通过快速调节的电磁功率瞬间注入到电网中。无需兼顾风力发电机组自身的转速运行状态，更多的快速调频资源得到利用。高占比的风电调频能力强于小容量的同步发电机组，调频能力较强的电源发挥了对电网频率的主导作用。
(2)将风力机转速信号作为同步发电机组的反馈控制信号，并以平均风速对应的风力机最优转速为参考值。小惯量的同步发电机组惯性响应较差，且受风电功率的影响频率波动剧烈，因此调速器、原动机实际的调节能力不能满足电网频率较高的控制要求。而风力机转速运行范围大，具有慢动态特性，与系统频率强耦合(风力机转速和频率同升同降)，因此同步发电机组的慢出力特性更适合维持风力机转速的稳定性。
本方法具体包括以下两个控制器设计：
风力发电机组的控制器采用经典的比例控制，控制器参数为比例系数K2。比例控制器的参考输入为电网的额定频率fN，取值为50Hz或60Hz，实时采集并网点的频率信号fmeas，与参考输入fN做差后将频率偏差量Δf输入到比例控制器中，实现对电网频率的快速调节。与传统的风电转子惯性调频方法不同，风力机转速完全由同步发电机组调节，风力发电机组的电磁功率指令
Figure BDA0003083228720000041
仅响应电网频率的变化，其计算方法为
Figure BDA0003083228720000042
其中，
Figure BDA0003083228720000043
是风力发电机组由最大功率点跟踪(Maximum Power PointTracking，MPPT)控制切换为协调控制时的初始功率，ωr0是切换时的初始风力机转速。
同步发电机组的控制器采用经典的比例控制，控制器参数为比例系数K1。同步发电机组的机械功率指令计算方法如下所示
Figure BDA0003083228720000044
其中，Ptur0是原动机的初始机械功率。比例控制器的参考输入为风力机在当前一段时间内平均风速
Figure BDA0003083228720000056
下的最优转速
Figure BDA0003083228720000051
其计算方法为
Figure BDA0003083228720000052
其中，平均风速
Figure BDA0003083228720000057
在数十分钟的时间范围内基本保持不变，现有的气象观测方法容易获取且精度较高。最优叶尖速比λopt和风轮半径R均为风力发电机组已知的结构参数，因此控制器的参考输入
Figure BDA0003083228720000053
在较长一段时间内是一个固定值。实时采集到的风力机转速信号ωr通过通信手段传输到同步发电机组端，与参考输入
Figure BDA0003083228720000054
做差后，将偏差量Δωr输入到比例控制器中，实现对风力机转速当前偏差量的快速校正。具体地，还要根据实际转速信号的获取类型和来源(例如标幺值系统中的转速标幺值或高速侧的发电机转速)进行数值变换。
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
实施例
本实施例对本发明提出的基于风机和同步机协调配合的电网频率控制方法进行验证，具体内容如下。
在DIgSILENT软件中构建电网模型，其中包含一台额定功率为600千瓦的小型同步发电机组和一台600千瓦的风力发电机组，风电的装机容量占系统总容量的50％，是典型的风电高占比电网。
风力发电机组的仿真模型选用由美国国家可再生能源实验室(NationalRenewable Energy Laboratory，NREL)建造的CART(Controls Advanced ResearchTurbine)3叶片风力机，该机型的主要参数如表1所示。小型同步发电机组的主要参数如表2所示。
表1 CART3风力发电机组的主要参数
Figure BDA0003083228720000055
Figure BDA0003083228720000061
表2同步发电机组的主要参数
Figure BDA0003083228720000062
设定电网中的负荷恒为500kW，风力发电机组运行在平均风速为8m/s的C级湍流风速下，如图2所示。对比本发明提出的协调控制方法(改进方法)和传统的风电下垂控制参与调频方法(传统方法)，改进方法的控制器参数K1＝0.05，K2＝200，转速参考值
Figure BDA0003083228720000063
(标幺值系统)；传统方法的控制器参数Kpf＝0.8。
为了量化评价本发明的应用效果，定义如下评价指标：
a)电网的最大频率偏差|Δfmax|：单位为Hz，用于衡量频率波动的剧烈程度；
b)风力发电机的转速标准差std(ωg)：单位为rpm，用于衡量风力发电机的转速波动程度；
c)风力发电机的电磁转矩最大值
Figure BDA0003083228720000064
单位为N·m，用于衡量是否超过发电机电磁转矩执行限制；
d)风力发电机的电磁转矩标准差std(Tg)：单位为N·m，用于衡量发电机电磁转矩的波动程度，频繁且剧烈的电磁转矩调节会增大传动链载荷，可能会影响风力发电机组的寿命。
e)风力发电机组的发电效率η％：用于比较风电参与电网调频期间的发电效率，η％定义为：
Figure BDA0003083228720000071
其中Pg为风力发电机组实际并网的有功功率；Popt为风轮所能捕获的最大气动功率。
f)同步发电机组机械功率的最大爬坡率θmax：单位为％/s，用于比较原动机出力速率的快慢程度。
本实施例的结果如图3(a)、图3(b)、图3(c)和图3(d)所示，电网的各项运行指标如表3所示。
表3电网运行指标对比表
Figure BDA0003083228720000072
在本实施例的湍流风速下，最大的风电渗透率(风电功率和负荷功率的比值)超过了70％，剧烈的风电功率波动导致传统方法的电网最大频率偏差高达0.76Hz，在实际情况下电网已经无法运行。而改进方法的最大频率偏差仅为0.082Hz，对抑制电网频率大幅波动具有显著优势。从表3的统计指标中还可以看出，改进方法的风力机转速标准差std(ωg)更大，说明改进方法的风力机转速波动更剧烈，相应的转子动能利用更充分。对于风力发电机的电磁转矩最大值
Figure BDA0003083228720000073
和标准差std(Tg)，改进方法都要小于传统方法，这也说明传统方法频繁大幅调节电磁转矩却用来控制风力机转速。而改进方法的电磁转矩放弃了对风力机转速的调节，允许转速更大范围波动，将作用在传动链上的不平衡转矩全部用转子动能自由吸收或释放。因此，改进方法对风力发电机组传动链的疲劳载荷也有一定程度的改善。
改进方法下的风力机转速波动范围取决于原动机的调节能力，对于调节能力较差的同步发电机组，协调控制方法是以风力机转速更大范围波动为代价的。通常偏离最优转速ωout越远，发电效率也相对越低。在本实施例中，相比于传统方法，改进方法的发电效率η％仅损失了约1％。但是在面临电网的运行稳定性问题时，发电效率也不应该再是风电的首要评价指标。
综上，本发明基于风机和同步机协调配合的电网频率控制方法，风力发电机组更多的转子动能可以被用来快速抑制系统频率波动，而同步发电机组通过调节原动机的机械功率，将大范围、大惯量、具有慢动态特性的风力发电机组转速维持在一定范围内。这种从系统整体控制方法上的改变，利用了不同电源的转速运行特性和出力特性，将传统方法下的系统频率大范围波动，转化为允许的风力发电机组转速的大范围波动，实现了机组之间的充分协调，电网频率稳定性得到有效改善。

Claims (7)

1.一种基于风机和同步机协调配合的电网频率控制方法，其特征在于：风力发电机组的电磁功率指令与自身转速完全解耦，根据系统频率变化幅值调节出力；同步发电机组的控制器以一段时间平均风速对应的风力发电机组最优转速作为参考值，将实时采集到的风力发电机组转速偏差作为新的输入。
2.根据权利要求1所述的基于风机和同步机协调配合的电网频率控制方法，其特征在于：风力发电机组的控制回路中具有电网频率测量模块，用于采样电网的频率fmeas，进而得到控制器的输入量Δf如下所示：
Δf＝fN-fmeas
其中，fN为电网的额定频率。
3.根据权利要求2所述的基于风机和同步机协调配合的电网频率控制方法，其特征在于：fN为50Hz或60Hz。
4.根据权利要求2所述的基于风机和同步机协调配合的电网频率控制方法，其特征在于：风力发电机组的电磁功率指令计算方法如下所示：
Figure FDA0003083228710000011
其中，K2是控制器参数；
Figure FDA0003083228710000012
是风力发电机组由MPPT控制切换为协调控制时的初始功率；kopt是MPPT控制的最优电磁功率增益系数；ωr0是切换时的初始风力机转速。
5.根据权利要求1所述的基于风机和同步机协调配合的电网频率控制方法，其特征在于：同步发电机组的控制回路中具有风力机转速测量模块，用于采样风力发电机组的转速ωr，进而得到控制器的输入量Δωr如下所示：
Figure FDA0003083228710000013
其中，
Figure FDA0003083228710000014
是风力机在当前一段时间内平均风速
Figure FDA0003083228710000015
下的最优转速。
6.根据权利要求5所述的基于风机和同步机协调配合的电网频率控制方法，其特征在于：
Figure FDA0003083228710000016
计算方法为
Figure FDA0003083228710000021
式中，λopt为最优叶尖速比，R为风轮半径。
7.根据权利要求5所述的基于风机和同步机协调配合的电网频率控制方法，其特征在于：同步发电机组的机械功率指令计算方法如下所示：
Figure FDA0003083228710000022
其中，K1是控制器参数，Ptur0是原动机的初始机械功率。
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