CN113394796A - 一种风力发电系统一次调频的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电系统一次调频的控制方法。它包括如下步骤，步骤一：获得频率及电压偏差；获得风力发电机组交流侧频率与额定值的偏差、以及网侧变流器直流侧电压偏差；步骤二：设置导通信号；分别根据风力发电机组交流侧频率与额定值的偏差、以及网侧变流器直流侧电压偏差，设置导通信号；步骤三：调节风电机组网侧变流器交流侧输出有功功率；将导通信号做逻辑或运算后，生成综合导通信号，根据综合导通信号的值自动对卸荷电阻所在的卸荷支路的电力电子开关发出触发导通信号，从而导通卸荷电阻；跳转到步骤一。本发明具有提高风电机组快速降低输出功率的能力，改善风电机组的一次调频性能的优点。

Description

一种风力发电系统一次调频的控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统输电技术领域，更具体地说它是一种风力发电系统一次调频的控制方法，更具体地说它是一种利用卸荷电阻辅助风电机组一次调频的方案及其协调控制。

背景技术

随着在电力系统的渗透率逐渐升高，风力发电机组对电力系统的稳定性产生了越来越大的影响。由于风电机组发电具有弱支撑性和低抗扰性的缺点，随着风电机组的大规模接入，电力系统的转动惯量和调频调压能力持续降低，电网发生大范围故障的风险持续累积。特别是风电机组有功调节能力不足，导致电力系统的频率控制能力不断下降，故障冲击下，电网频率跌落速度更快、幅度更大。

为了加强电力系统的稳定性，国家相关能源结构发布了多项文件，要求风电机组具备一次调频能力。以华中区域为例，2020年国家能源局华中监管局发布的“两个细则”明确要求并网发电机组(含30MW及以上的风电场、30MW及以上集中式光伏电站)必须具备一次调频功能。新投产的新能源场站须具备一次调频功能方可并网运行。新投产的场站需报送一次调频技术方案、竣工报告等资料，经现场检查确定具备一次调频能力后方可并网，并网后进行一次调频入网试验，试验合格后继续运行，试验不合格则解网并进行整改。可见，如果新能源场站无法满足现行标准下的电网导则，新能源场站将受到严格的考核，甚至无法入网，极大的降低经济效益。

目前风电机组实现一次调频功能的常规技术方案是通过预留有功出力或者配置储能设备：预留有功出力的方式会严重削弱风电场的发电效益，浪费风电资源；配置储能则会额外增大风电场的投资建设成本。学术界提出了风机变桨控制、虚拟惯量控制和转子超速控制等策略，但是，风机变桨控制是通过机械装置的调节，响应速度无法满足一次调频的要求，且频繁的调节桨距角也会影响机组的寿命；转子超速控制可能会引发频率二次跌落，进一步恶化频率特性；虚拟惯量控制的响应时间很快，主要通过调节风机转子动能，但是调节幅度有限。

且风电机组的一次调频方案中，附加装置(如储能)的方案会增大投资成本，而从控制策略上改进(如虚拟惯量控制，超速控制)不会增加额外的硬件成本，但是由于缺乏对功率或者能量进行缓冲的物理硬件装置，因此仅靠控制策略对功率和能量的控制幅度有限。

目前风电机组为了实现交流故障期间的低电压穿越，一般均在风机网侧变流器的直流侧配置了卸荷电阻，以耗散低电压穿越过程中风电机组产生的盈余功率；但目前卸荷电阻的作用仅限于耗散风机故障穿越过程中的盈余功率，未能挖掘其他附加功能。

因此，基于风力发电机组现有构成装备，通过改进相关的控制逻辑，开发一种具有提高风电机组快速降低输出功率的能力的风力发电系统一次调频的控制方案及其协调控制方法很有必要。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种风力发电系统一次调频的控制方法，充分挖掘风电机组已有卸荷电阻的潜在功能，利用风力发电机组现有的卸荷电阻辅助风电机组一次调频，通过改进相关的控制策略实现软件和硬件上的有机结合，可以在不增加硬件成本的情况下有效提高风电机组快速且自发性地降低输出功率的能力，改善风电机组的一次调频性能。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种风力发电系统一次调频的控制方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：获得频率及电压偏差；

获得风力发电机组交流侧频率与额定值的偏差、以及网侧变流器直流侧电压与额定值的偏差；

步骤二：设置导通信号；

分别根据步骤一中的风力发电机组交流侧频率与额定值的偏差、以及网侧变流器直流侧电压与额定值的偏差，设置导通信号；

步骤三：调节风电机组网侧变流器交流侧输出有功功率；

将步骤二中的导通信号做逻辑或运算后，生成综合导通信号S_K，根据综合导通信号S_K的值自动对卸荷电阻所在的卸荷支路的电力电子开关发出触发导通信号，从而导通卸荷电阻，主动降低风电机组的输出有功功率；

和/或为，根据综合导通信号S_K的值自动对卸荷电阻所在的卸荷支路的电力电子开关发出闭锁信号，从而闭锁卸荷电阻，保持或恢复风电机组网侧变流器交流侧输出有功功率；

完成风电机组网侧变流器交流侧输出有功功率调节后，跳转到步骤一，继续进行风力发电系统一次调频的控制。

本发明所述的风力发电系统一次调频的控制方法根据交流频率偏差设置耗能电阻(即卸荷电阻)导通逻辑，实现软件和硬件上的有机结合，有效提高风电机组快速且自发性地降低输出功率的能力。

在上述技术方案中，在步骤一中，实时采集风力发电机组交流侧频率f，将风力发电机组交流侧频率f与额定频率f_N做差后，得到风力发电机组交流侧频率与额定值的偏差f_error(其中，f_error＝f-f_N)。

在上述技术方案中，在步骤一中，实时采集风力发电机组网侧变流器直流侧电压u_dc，将风力发电机组网侧变流器直流侧电压u_dc与额定值u_dcN做差后，得到网侧变流器直流侧电压偏差u_error(其中，u_error＝u_dc-u_dcN)。

在上述技术方案中，在步骤二中，预置风力发电机组一次调频的频率控制死区为±Δf；

当风力发电机组交流侧频率与额定值的偏差f_error由小增大时，当风力发电机组交流侧频率与额定值的偏差f_error超过风力发电机组一次调频的频率控制死区Δf，设置导通信号S_K2＝1；

当风力发电机组交流侧频率与额定值的偏差f_error由大变小时，当风力发电机组交流侧频率与额定值的偏差f_error小于或等于0，设置导通信号S_K2＝0。

在上述技术方案中，在步骤二中，预置风力发电机组直流过电压的门槛值为Δu_dcth；

当网侧变流器直流侧电压偏差u_error由小增大时，当网侧变流器直流侧电压偏差u_error超过风力发电机组直流过电压的门槛值Δu_dcth，设置导通信号S_K1＝1；

当网侧变流器直流侧电压偏差u_error由大变小时，当网侧变流器直流侧电压偏差u_error小于或等于0，设置导通信号S_K1＝0。

在上述技术方案中，在步骤三中，将步骤二中的S_K1与S_K2做逻辑或运算后，生成综合导通信号S_K，且S_K＝S_K1||S_K2，其中||表示逻辑或运算，即为S_K1、S_K2同时等于0时，则S_K＝0；S_K1＝1和/或S_K2＝1时，则S_K＝1；

当S_K＝1时，对卸荷电阻所在的卸荷支路的电力电子开关发出触发导通信号，从而导通卸荷电阻；

当S_K＝0时，对卸荷电阻所在的卸荷支路的电力电子开关发出闭锁信号，不投入卸荷电阻。

本发明具有如下优点：

(1)本发明通过在卸荷电阻的原有导通控制策略中加入频率偏差的迟滞比较环节，使得卸荷电阻能够在电网频率偏高并超过一次调频死区时自动导通投入，从而主动降低风电机组的输出有功功率，改善风电机组的一次调频控制性能；

(2)本发明充分挖掘风电机组已有卸荷电阻的潜在功能，利用风电机组已有卸荷电阻辅助风电机组一次调频，无需增加额外的硬件装置，也不影响卸荷电阻原有的辅助风电机组低电压穿越功能，通过改进相关的控制策略实现软件和硬件上的有机结合(仅通过改进卸荷电阻的导通投入逻辑，即可在交流电网因一次调频需要降低电源出力的场景下，有效降低风电机组的有功出力)，可以在不增加硬件成本的情况下有效提高风电机组快速降低输出功率的能力，改善风电机组的一次调频性能，从而使得风电机组满足一次调频降低出力的要求；

(3)本发明适用性强；本发明所提出的方法亦可配合其他一次调频的方案(其他一次调频方案包括增加额外硬件装置的方案，以及仅靠改进控制策略的方案，等)，从而帮助分担其他一次调频方案的控制负担，共同改善风电机组的一次调频性能。

附图说明

图1是本发明所述风力发电系统一次调频的控制方法的流程示意图。

图2是本发明所涉及到的风电机组网侧变流器及卸荷支路的示意图。

图3是本发明中卸荷支路电力电子开关的导通控制策略的示意图。

图4是本发明实施例的控制效果示意图。

图4中的图(a)表示风电机组网侧变流器的交流侧频率与时间的关系图；其中，横坐标表示时间；纵坐标表示风电机组网侧变流器的交流侧频率；

图4中的图(b)表示频率信号迟滞比较器的输出S_K2与时间的关系图；其中，横坐标表示时间；纵坐标表示频率信号迟滞比较器的输出S_K2的值；

图4中的图(c)表示风电机组网侧变流器的直流侧电压与时间的关系图；其中，横坐标表示时间；纵坐标表示风电机组网侧变流器的直流侧电压；

图4中的图(d)表示直流侧电压信号迟滞比较器的输出S_K1与时间的关系图；其中，横坐标表示时间；纵坐标表示直流侧电压信号迟滞比较器的输出S_K1的值；

图4中的图(e)表示综合导通信号S_K与时间的关系图；其中，横坐标表示时间；纵坐标表示综合导通信号S_K的值；

图4中的图(f)表示风电机组网侧变流器交流侧输出有功功率与时间的关系图；其中，横坐标表示时间；纵坐标表示风电机组网侧变流器交流侧输出有功功率。

图2中，A表示风电机组网侧变流器；B表示卸荷支路；C表示接入交流电网；D表示卸荷电阻；E表示可关断电力电子开关。

图3中，f为风力发电机组交流侧频率；f_N为额定频率；f_error为风力发电机组交流侧频率与额定值的偏差；u_dc为风力发电机组网侧变流器直流侧电压；u_dcN为直流电压额定值；u_error为网侧变流器直流侧电压偏差；±Δf为风力发电机组一次调频的频率控制死区；S_K2为导通信号；Δu_dcth为风力发电机组直流过电压的门槛值；S_K1为导通信号；S_K为综合导通信号。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。

本发明主要针对采用交流输电形式并网的风电机组。风电机组的卸荷支路由可关断性质的电力电子开关K以及卸荷电阻R串联构成。卸荷电阻的常规投入控制策略是将直流电压的实际值与额定值做差，差值经过迟滞比较环节后，生成K的导通信号S_K1。本发明专对该控制策略进行改进，实现当交流电网的频率抬升超过一次调频的控制死区时，自动投入卸荷电阻进行主动功率耗散，从而积极响应电网在频率偏高情况下降低有功功率的需求。

本发明所涉及到的卸荷支路及风电机组网侧变流器的示意图如图2所示。风电机组网侧变流器接入交流电网；卸荷支路与风电机组网侧变流器在直流侧并联连接；卸荷支路包括卸荷电阻和可关断电力电子开关(卸荷支路配置风机网侧变流器的直流侧，为现有技术)；

可关断电力电子开关根据综合导通信号S_K发出的触发导通信号导通卸荷电阻；可关断电力电子开关根据综合导通信号S_K发出的闭锁信号闭锁卸荷电阻(即不投入卸荷电阻)。

参见图1，本发明所述的风力发电系统一次调频的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：实时采集风力发电机组交流侧频率f，将其与额定频率f_N做差后，得到风力发电机组交流侧频率与额定值的偏差f_error＝f-f_N；

实时采集风力发电机组网侧变流器直流侧电压u_dc，将其与额定值u_dcN做差后，得到网侧变流器直流侧电压偏差u_error＝u_dc-u_dcN；频率和直流电压的采集位置如图3所示；

步骤2：预置风力发电机组一次调频的频率控制死区为±Δf，预置风力发电机组直流过电压的门槛值为Δu_dcth；频率和直流电压偏差信号均采用迟滞比较器，控制原理如图3所示；

当u_error由小增大时，一旦u_error超过Δu_dcth，设置导通信号S_K1＝1；

当u_error由大变小时，一旦u_error小于等于0，设置导通信号S_K1＝0；

当f_error由小增大时，一旦f_error超过Δf，设置导通信号S_K2＝1；

当f_error由大变小时，一旦f_error小于等于0，设置导通信号S_K2＝0；

步骤3：将S_K1与S_K2做逻辑或运算后，生成综合导通信号S_K，且S_K＝S_K1||S_K2，其中||表示逻辑或运算；

当S_K＝1时，对卸荷电阻所在的卸荷支路的电力电子开关发出触发导通信号，从而导通卸荷电阻；

当S_K＝0时，对卸荷电阻所在的卸荷支路的电力电子开关发出闭锁信号，不投入卸荷电阻。跳转到步骤1。

为了能够更加清楚的说明本发明所述的风力发电系统一次调频的控制方法与现有技术相比所具有的优点，工作人员将这两种技术方案进行了对比，其对比结果如下表：

由上表可知，本发明所述的风力发电系统一次调频的控制方法与现有技术相比，不会增加额外的硬件成本，响应速度快，一次调频降低有功功率的幅度大，使得风电机组满足一次调频降低出力的要求。

实施例

现以本发明应用于某EMTP-RV平台的风力发电机组经交流并网项目为实施例对本发明进行详细说明。其中，EMTP-RV是用于开发电力系统电磁暂态全功能和技术先进的仿真和分析的专业软件，为现有技术。

本实施例所涉及到的卸荷支路及风电机组网侧变流器的示意图如图2所示。本实施例中的风电机组网侧变流器接入交流电网；卸荷支路与风电机组网侧变流器在直流侧并联连接；卸荷支路包括卸荷电阻和可关断电力电子开关。

参见图1，本实施例风力发电系统一次调频的控制方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：实时采集风力发电机组交流侧频率f，将其与额定频率f_N做差后，得到风力发电机组交流侧频率与额定值的偏差f_error＝f-f_N；

实时采集风力发电机组网侧变流器直流侧电压u_dc，将其与额定值u_dcN做差后，得到网侧变流器直流侧电压偏差u_error＝u_dc-u_dcN；

频率和直流电压的采集位置如图3所示；

步骤2：预置风力发电机组一次调频的频率控制死区为±Δf，预置风力发电机组直流过电压的门槛值为Δu_dcth；

频率和直流电压偏差信号均采用迟滞比较器，控制原理如图3所示；

当u_error由小增大时，一旦u_error超过Δu_dcth，设置导通信号S_K1＝1；

当u_error由大变小时，一旦u_error小于等于0，设置导通信号S_K1＝0；

当f_error由小增大时，一旦f_error超过Δf，设置导通信号S_K2＝1；

当f_error由大变小时，一旦f_error小于等于0，设置导通信号S_K2＝0；

步骤3：将S_K1与S_K2做逻辑或运算后，生成综合导通信号S_K；

当S_K＝1时，对卸荷电阻所在的卸荷支路的可关断电力电子开关发出触发导通信号，从而导通卸荷电阻；

当S_K＝0时，对卸荷电阻所在的卸荷支路的可关断电力电子开关发出闭锁信号，不投入卸荷电阻。跳转到步骤1。

本实施例利用卸荷电阻辅助风电机组一次调频的协调控制效果较好，如图4所示。

参见图4(a)，本实施例中的风电机组网侧变流器的交流侧频率在t₁时刻超出一次调频控制死区的上限值f_N+Δf；如图4(b)所示，此时频率信号迟滞比较器的输出S_K2由0跳变至1；如图4(c)所示，风电机组网侧变流器的直流侧电压一直未超过直流过电压上限值u_dcN+Δu_dcth，因此直流电压信号迟滞比较器的输出S_K1保持为0，如图4(d)所示；经过逻辑或运算后，综合导通信号S_K在t₁时刻由0跳变至1，如图4(e)所示；此时卸荷支路的电力电子开关导通，卸荷电阻投入，风电机组网侧变流器交流侧输出有功功率随即下降，如图4(f)所示。

参见图4(a)，风电机组网侧变流器的交流侧频率在t₂时刻回落至额定频率f_N；如图4(b)所示，此时频率信号迟滞比较器的输出S_K2由1跳变至0；如图4(c)所示，风电机组网侧变流器的直流侧电压一直未超过直流过电压上限值u_dcN+Δu_dcth，因此直流电压信号迟滞比较器的输出S_K1保持为0，如图4(d)所示；经过逻辑或运算后，综合导通信号S_K在t₂时刻由1跳变至0，如图4(e)所示；此时卸荷支路的电力电子开关关断，卸荷电阻退出运行，风电机组网侧变流器交流侧输出有功功率随即恢复，如图4(f)所示。

结论：本实施例利用风电机组已有卸荷电阻辅助风电机组一次调频，不增加硬件成本，通过改进控制策略实现软件和硬件上的有机结合，可在交流电网因一次调频需要降低电源出力的场景下，有效降低风电机组的有功出力，从而使得风电机组满足一次调频降低出力的要求。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

其它未说明的部分均属于现有技术。

Claims (6)

1.一种风力发电系统一次调频的控制方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：获得频率及电压偏差；

获得风力发电机组交流侧频率与额定值的偏差、以及网侧变流器直流侧电压与额定值的偏差；

步骤二：设置导通信号；

分别根据步骤一中的风力发电机组交流侧频率与额定值的偏差、以及网侧变流器直流侧电压与额定值的偏差，设置导通信号；

步骤三：调节风电机组网侧变流器交流侧输出有功功率；

将步骤二中的导通信号做逻辑或运算后，生成综合导通信号S_K，根据综合导通信号S_K的值自动对卸荷电阻所在的卸荷支路的电力电子开关发出触发导通信号，从而导通卸荷电阻，主动降低风电机组的输出有功功率；

和/或为，根据综合导通信号S_K的值自动对卸荷电阻所在的卸荷支路的电力电子开关发出闭锁信号，从而闭锁卸荷电阻，保持或恢复风电机组网侧变流器交流侧输出有功功率；

完成风电机组网侧变流器交流侧输出有功功率调节后，跳转到步骤一，继续进行风力发电系统一次调频的控制。

2.根据权利要求1所述的风力发电系统一次调频的控制方法，其特征在于：在步骤一中，实时采集风力发电机组交流侧频率f，将f与额定频率f_N做差后，得到风力发电机组交流侧频率与额定值的偏差f_error。

3.根据权利要求2所述的风力发电系统一次调频的控制方法，其特征在于：在步骤一中，实时采集风力发电机组网侧变流器直流侧电压u_dc，将u_dc与额定值u_dcN做差后，得到网侧变流器直流侧电压偏差u_error。

4.根据权利要求3所述的风力发电系统一次调频的控制方法，其特征在于：在步骤二中，预置风力发电机组一次调频的频率控制死区为±Δf；

当f_error由小增大时，当f_error超过Δf，设置导通信号S_K2＝1；

当f_error由大变小时，当f_error小于或等于0，设置导通信号S_K2＝0。

5.根据权利要求4所述的风力发电系统一次调频的控制方法，其特征在于：在步骤二中，预置风力发电机组直流过电压的门槛值为Δu_dcth；

当u_error由小增大时，当u_error超过Δu_dcth，设置导通信号S_K1＝1；

当u_error由大变小时，当u_error小于或等于0，设置导通信号S_K1＝0。

6.根据权利要求5所述的风力发电系统一次调频的控制方法，其特征在于：在步骤三中，将步骤二中的S_K1与S_K2做逻辑或运算后，生成综合导通信号S_K，且S_K＝S_K1||S_K2，其中||表示逻辑或运算；

当S_K＝1时，对卸荷电阻所在的卸荷支路的电力电子开关发出触发导通信号，从而导通卸荷电阻；

当S_K＝0时，对卸荷电阻所在的卸荷支路的电力电子开关发出闭锁信号，不投入卸荷电阻。

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