CN113904346A - 一种考虑水电调频资源的风电机组转速恢复方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑水电调频资源的风电机组转速恢复方法，包括以下步骤：S1.建立包含水电机组和风电机组的系统频率响应模型；S2.基于所述系统频率响应模型，通过数值仿真确定参与调频时水电机组出力超调阶段的峰值时刻；S3.确定风电机组退出虚拟惯量控制而进入转速恢复阶段的启动时刻；S4.转速恢复阶段，风电机组附加功率采用平滑的方式退出。本方法充分利用了水电调频资源，可协调水电机组和风电机组出力，从而减轻水电机组出力超调阶段和风电机组出力下降阶段对于电网频率的影响；在风电机组转子转速恢复阶段，合理构建虚拟惯量控制中附加功率的退出方式，不仅可以保证转速的尽快恢复，还可避免电网频率的二次跌落。

Description

一种考虑水电调频资源的风电机组转速恢复方法
技术领域
本发明属于风电机组调频技术领域，具体涉及一种考虑水电调频资源的风电机组转速恢复方法。
背景技术
风电机组因具备清洁高效、技术成熟等优势，已成为目前广受欢迎的新能源发电技术。而风电机组并网容量的提升也给电力系统频率稳定性带来了新的挑战。一方面，风电机组采用电力电子变流器实现并网，使得机组转速和电网频率失去耦合关系，从而无法对系统提供惯量支撑；另一方面，为了实现风能的有效利用，风电机组通常采用最大功率追踪控制，使得机组出力不能响应电网频率的变化。
因此，为了提升电力系统的频率稳定性，风电机组也应具备一定的调频能力，现有技术通过机组留备用和虚拟惯量控制等方式实现。其中，机组留备用的方式通过机组超速运行或改变桨距角来实现风电机组的减载运行，并利用备用容量参与系统的调频，但是这种控制方式一定程度上降低了风电机组的经济效益，局限性较为显著；而虚拟惯量控制通过引入电网频率偏差的比例和微分项，利用风电机组存储的转子动能参与系统的调频，这种控制方式不会影响到正常运行时对于风能的有效利用，因而具有良好的应用前景，然而风电机组退出虚拟惯量控制进行转速恢复时，机组出力的变化可能导致电网频率的二次跌落，为电网频率的稳定带来不利影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有风电机组转速恢复可能导致电网频率二次跌落的问题，提出了一种考虑水电调频资源的风电机组转速恢复方法。该方法建立了包含水电机组和风电机组的系统频率响应模型，并基于模型仿真确定水电机组出力超调阶段的峰值时刻，进而确定风电机组转速恢复的启动时刻，且在转速恢复时采用附加功率平滑退出的方式，以避免电网频率的二次跌落。
本发明采用的技术方案如下：
一种考虑水电调频资源的风电机组转速恢复方法，其关键在于，包括以下步骤：
S1.建立包含水电机组和风电机组的系统频率响应模型；
S2.基于所述系统频率响应模型，通过数值仿真确定参与调频时水电机组出力超调阶段的峰值时刻；
S3.确定风电机组退出虚拟惯量控制而进入转速恢复阶段的启动时刻；
S4.转速恢复阶段，风电机组附加功率采用平滑的方式退出。
作为优选方案，所述系统频率响应模型充分考虑风电机组并网对于系统惯性时间常数的影响，且需对风电机组进行聚合处理。
作为优选方案，步骤S1具体包括以下步骤：
S1.1.确定系统的惯性时间常数：水电机组的转速和系统频率直接耦合，而风电机组通过电力电子变流器并网，从电网的角度来看，其提供的转动惯量为零，因此随着风电机组装机容量的增加，系统的惯性时间常数下降，具体计算公式为：
Figure BDA0003287785370000021
式中，HH,i和SH,i分别为水电机组中第i台发电机的惯性时间常数和额定容量，H为系统的惯性时间常数；
S为系统总的额定容量且计算公式为：
S＝∑SH,i+SW，
式中，SW为风电机组总的额定容量；
S1.2.建立水电机组的等效模型：当电网频率变化时，水电出力变化量可表示为：
Figure BDA0003287785370000022
式中，Δf*为频率偏差标幺值，
Figure BDA0003287785370000023
为系统总的额定容量下的水电出力变化量标幺值，RH为水电机组调差系数，TG为调速器时间常数，TH为暂态下垂时间常数，TW为水锤时间常数，TR为复位时间常数；
kH为水电容量占比且计算公式为：
Figure BDA0003287785370000024
式中，SH为水电总的额定容量；
S1.3.建立风电机组等效模型:为便于分析，设风电机组中各台风机具有相同的规格，即风轮机半径和转动惯量等参数相同，则可根据风速的差异对风电机组划分机群，并进行聚合处理；
风速vi下的单台风机模型为：
在研究频率稳定性问题时，可将风机变流器的控制过程用一阶惯性环节等效，计算公式为：
Figure BDA0003287785370000031
式中，PW,i和Pref,i分别为风速vi下单台风机的并网功率和功率参考值，TA为等效时间常数；
其中，Pref,i计算式为：
Figure BDA0003287785370000032
式中，PMPPT,i为风速vi下单台风机最大功率追踪控制对应的功率，kp,i和kd,i分别为虚拟惯量控制比例项和微分项系数，
Figure BDA0003287785370000033
为虚拟惯量控制中的附加功率，fR(t)为本发明所构建的转速恢复阶段附加功率衰减函数；
则通过聚合处理，风电机组等效模型为：
Figure BDA0003287785370000034
式中，PW、SW、kp和kd分别为风电机组总并网功率、总额定容量、等效虚拟惯量控制比例项和微分项系数，Ni为风速vi下的风电机组数量，n为根据风速差异划分的风电机组群数量，PW,i、SW,i、kp,i和kd,i分别为风速vi下单台风电机组的并网功率、额定容量、虚拟惯量控制比例项和微分项系数；
而风电机组容量占比用以衡量风电在系统中的渗透率，其计算式为：
Figure BDA0003287785370000041
考虑到水电机组模型为标幺制下的模型以及标幺制下分析计算的方便性，可将风电机组模型建立于标幺制下，可得：
Figure BDA0003287785370000042
式中，
Figure BDA0003287785370000043
为系统总额定容量下的风电机组总并网功率变化量标幺值，PW0为风电机组总并网功率的稳态值。
作为优选方案，步骤S2的具体操作为：基于所述系统频率响应模型，在不考虑风电机组转速恢复的情况下，设置多组系统有功不平衡量标幺值
Figure BDA0003287785370000044
(归算至系统总的额定容量下)，而
Figure BDA0003287785370000045
可通过风电机组检测到的电网频率和已知信息求得，具体计算式为：
Figure BDA0003287785370000046
式中，H为系统的惯性时间常数，f0为系统额定频率，kW为风电机组容量占比，
Figure BDA0003287785370000047
为风电机组启动虚拟惯量控制进而参与系统调频的时刻；
通过数值仿真，确定水电机组出力超调阶段的峰值时刻tS，进而可通过插值的方法形成
Figure BDA0003287785370000048
和tS之间的对应表。
作为优选方案，步骤S3的具体操作为：根据
Figure BDA0003287785370000049
和tS之间的对应表将风电机组转速恢复的启动时刻tR,on整定为水电机组出力超调阶段的峰值时刻tS。
作为优选方案，步骤S4的具体操作为：在风电机组退出虚拟惯量控制而进入转速恢复阶段时，虚拟惯量控制中附加功率配合相应的衰减函数实现平缓退出，而附加功率衰减函数具体为：
Figure BDA00032877853700000410
式中，tR,on为转速恢复启动时刻，tC为恢复过程中函数转换时刻，TR为衰减时间常数，tR,off为转速恢复结束时刻。
有益效果：本发明的一种考虑水电调频资源的风电机组转速恢复方法，在高比例水电系统中充分利用了水电调频资源，可协调水电机组和风电机组出力，从而减轻水电机组出力超调阶段和风电机组出力下降阶段对于电网频率的影响；同时，在风电机组转子转速恢复阶段，考虑到风电机组机械功率和最大功率追踪控制对应的参考功率之间的偏差情况以及水电机组出力的超调情况，合理构建了虚拟惯量控制中附加功率的退出方式，不仅可以保证转速的尽快恢复，还可避免电网频率的二次跌落。
附图说明
图1为本发明风电机组转速恢复方法的流程图；
图2为本发明系统频率响应模型框图；
图3为本发明水电机组等效模型框图；
图4为本发明风电机组等效模型框图；
图5为本发明实施例仿真实例中电网频率对比图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步的详细说明：
实施例：如附图1所示，一种考虑水电调频资源的风电机组转速恢复方法，包括以下步骤(这里均以电网频率下降时机组参与调频为例进行说明，电网频率上升时可作类似分析)：
S1.建立包含水电机组和风电机组的系统频率响应模型(如附图2、附图3和附图4所示)；
S2.基于所述系统频率响应模型，通过数值仿真确定参与调频时水电机组出力超调阶段的峰值时刻；
S3.确定风电机组退出虚拟惯量控制而进入转速恢复阶段的启动时刻；
S4.转速恢复阶段，风电机组附加功率采用平滑的方式退出。
在建立系统频率响应模型时，需要充分考虑风电机组并网对于系统惯性时间常数的影响，且需对风电机组进行聚合处理，其具体操作包括以下步骤：
S1.1.确定系统的惯性时间常数：水电机组的转速和系统频率直接耦合，而风电机组通过电力电子变流器并网，从电网的角度来看，其提供的转动惯量为零，因此随着风电机组装机容量的增加，系统的惯性时间常数下降，具体计算公式为：
Figure BDA0003287785370000051
式中，HH,i和SH,i分别为水电机组中第i台发电机的惯性时间常数和额定容量，H为系统的惯性时间常数；
S为系统总的额定容量且计算公式为：
S＝∑SH,i+SW，
式中，SW为风电机组总的额定容量；
S1.2.建立水电机组的等效模型：当电网频率变化时，水电出力变化量可表示为：
Figure BDA0003287785370000061
式中，Δf*为频率偏差标幺值，
Figure BDA0003287785370000062
为系统总的额定容量下的水电出力变化量标幺值，RH为水电机组调差系数，TG为调速器时间常数，TH为暂态下垂时间常数，TW为水锤时间常数，TR为复位时间常数；
kH为水电容量占比且计算公式为：
Figure BDA0003287785370000063
式中，SH为水电总的额定容量；
S1.3.建立风电机组等效模型:为便于分析，设风电机组中各台风机具有相同的规格，即风轮机半径和转动惯量等参数相同，则可根据风速的差异对风电机组划分机群，并进行聚合处理；
风速vi下的单台风机模型为：
在研究频率稳定性问题时，可将风机变流器的控制过程用一阶惯性环节等效，计算公式为：
Figure BDA0003287785370000064
式中，PW,i和Pref,i分别为风速vi下单台风机的并网功率和功率参考值，TA为等效时间常数；
其中，Pref,i计算式为：
Figure BDA0003287785370000065
式中，PMPPT,i为风速vi下单台风机最大功率追踪控制对应的功率，kp,i和kd,i分别为虚拟惯量控制比例项和微分项系数，
Figure BDA0003287785370000071
为虚拟惯量控制中的附加功率，fR(t)为本发明所构建的转速恢复阶段附加功率衰减函数；
则通过聚合处理，风电机组等效模型为：
Figure BDA0003287785370000072
式中，PW、SW、kp和kd分别为风电机组总并网功率、总额定容量、等效虚拟惯量控制比例项和微分项系数，Ni为风速vi下的风电机组数量，n为根据风速差异划分的风电机组群数量，PW,i、SW,i、kp,i和kd,i分别为风速vi下单台风电机组的并网功率、额定容量、虚拟惯量控制比例项和微分项系数；
而风电机组容量占比计算式为：
Figure BDA0003287785370000073
则在标幺制下，可得：
Figure BDA0003287785370000074
式中，
Figure BDA0003287785370000075
为系统总额定容量下的风电机组总并网功率变化量标幺值，PW0为风电机组总并网功率的稳态值。
步骤S2的具体操作为：基于所述系统频率响应模型，在不考虑风电机组转速恢复的情况下，设置多组系统有功不平衡量标幺值
Figure BDA0003287785370000076
(归算至系统总的额定容量下)，而
Figure BDA0003287785370000077
可通过风电机组检测到的电网频率和已知信息求得，具体计算式为：
Figure BDA0003287785370000078
式中，H为系统的惯性时间常数，f0为系统额定频率，kW为风电机组容量占比，
Figure BDA0003287785370000079
为风电机组启动虚拟惯量控制进而参与系统调频的时刻；
通过数值仿真，确定水电机组出力超调阶段的峰值时刻tS，进而可通过插值的方法形成
Figure BDA0003287785370000081
和tS之间的对应表。
步骤S3的具体操作为：根据
Figure BDA0003287785370000082
和tS之间的对应表将风电机组转速恢复的启动时刻tR,on整定为水电机组出力超调阶段的峰值时刻tS。
步骤S4的具体操作为：在风电机组退出虚拟惯量控制而进入转速恢复阶段时，虚拟惯量控制中附加功率配合相应的衰减函数实现平缓退出，而附加功率衰减函数具体为：
Figure BDA0003287785370000083
式中，tR,on为转速恢复启动时刻，tC为恢复过程中函数转换时刻，TR为衰减时间常数，tR,off为转速恢复结束时刻，本实施例采用常规数据进行真实模拟对比，采用系统的一次调频时间为10～30s，则在fR(t)中，取tC-tR,on＝20s，TR同样取为20s，考虑到函数的连续性，此时可计算出tR,off-tC＝TR，仿真中设置水电占比kH＝0.65，风电占比kW＝0.35，系统有功不平衡量
Figure BDA0003287785370000084
仿真结果如附图5所示，风机采用常规的转速恢复方法，即虚拟惯量控制中的附加功率瞬间退出时，电网频率会出现明显的二次跌落现象。采用本发明提供的转速恢复方法时，电网频率没有出现二次跌落现象，由此验证了该方法的有效性。
最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种考虑水电调频资源的风电机组转速恢复方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.建立包含水电机组和风电机组的系统频率响应模型；
S2.基于所述系统频率响应模型，通过数值仿真确定参与调频时水电机组出力超调阶段的峰值时刻；
S3.确定风电机组退出虚拟惯量控制而进入转速恢复阶段的启动时刻；
S4.转速恢复阶段，风电机组附加功率采用平滑的方式退出。
2.根据权利要求1所述的一种考虑水电调频资源的风电机组转速恢复方法，其特征在于：所述系统频率响应模型充分考虑风电机组并网对于系统惯性时间常数的影响，且需对风电机组进行聚合处理。
3.根据权利要求2所述的一种考虑水电调频资源的风电机组转速恢复方法，其特征在于，步骤S1具体包括以下步骤：
S1.1.确定系统的惯性时间常数：水电机组的转速和系统频率直接耦合，而风电机组通过电力电子变流器并网，从电网的角度来看，其提供的转动惯量为零，因此随着风电机组装机容量的增加，系统的惯性时间常数下降，具体计算公式为：
Figure FDA0003287785360000011
式中，HH,i和SH,i分别为水电机组中第i台发电机的惯性时间常数和额定容量，H为系统的惯性时间常数；
S为系统总的额定容量且计算公式为：
S＝∑SH,i+SW，
式中，SW为风电机组总的额定容量；
S1.2.建立水电机组的等效模型：当电网频率变化时，水电出力变化量可表示为：
Figure FDA0003287785360000012
式中，Δf*为频率偏差标幺值，
Figure FDA0003287785360000013
为系统总的额定容量下的水电出力变化量标幺值，RH为水电机组调差系数，TG为调速器时间常数，TH为暂态下垂时间常数，TW为水锤时间常数，TR为复位时间常数；
kH为水电容量占比且计算公式为：
Figure FDA0003287785360000021
式中，SH为水电总的额定容量；
S1.3.建立风电机组等效模型:为便于分析，设风电机组中各台风机具有相同的规格，即风轮机半径和转动惯量等参数相同，则可根据风速的差异对风电机组划分机群，并进行聚合处理；
风速vi下的单台风机模型为：
在研究频率稳定性问题时，可将风机变流器的控制过程用一阶惯性环节等效，计算公式为：
Figure FDA0003287785360000022
式中，PW,i和Pref,i分别为风速vi下单台风机的并网功率和功率参考值，TA为等效时间常数；
其中，Pref,i计算式为：
Figure FDA0003287785360000023
式中，PMPPT,i为风速vi下单台风机最大功率追踪控制对应的功率，kp,i和kd,i分别为虚拟惯量控制比例项和微分项系数，
Figure FDA0003287785360000024
为虚拟惯量控制中的附加功率，fR(t)为本发明所构建的转速恢复阶段附加功率衰减函数；
则通过聚合处理，风电机组等效模型为：
Figure FDA0003287785360000025
式中，PW、SW、kp和kd分别为风电机组总并网功率、总额定容量、等效虚拟惯量控制比例项和微分项系数，Ni为风速vi下的风电机组数量，n为根据风速差异划分的风电机组群数量，PW,i、SW,i、kp,i和kd,i分别为风速vi下单台风电机组的并网功率、额定容量、虚拟惯量控制比例项和微分项系数；
而风电机组容量占比用以衡量风电在系统中的渗透率，其计算式为：
Figure FDA0003287785360000031
考虑到水电机组模型为标幺制下的模型以及标幺制下分析计算的方便性，可将风电机组模型建立于标幺制下，可得：
Figure FDA0003287785360000032
式中，
Figure FDA0003287785360000033
为系统总额定容量下的风电机组总并网功率变化量标幺值，PW0为风电机组总并网功率的稳态值。
4.根据权利要求1所述的一种考虑水电调频资源的风电机组转速恢复方法，其特征在于，步骤S2的具体操作为：基于所述系统频率响应模型，在不考虑风电机组转速恢复的情况下，设置多组系统有功不平衡量标幺值
Figure FDA0003287785360000034
(归算至系统总的额定容量下)，而
Figure FDA0003287785360000035
可通过风电机组检测到的电网频率和已知信息求得，具体计算式为：
Figure FDA0003287785360000036
式中，H为系统的惯性时间常数，f0为系统额定频率，kW为风电机组容量占比，
Figure FDA0003287785360000037
为风电机组启动虚拟惯量控制进而参与系统调频的时刻；
通过数值仿真，确定水电机组出力超调阶段的峰值时刻tS，进而可通过插值的方法形成
Figure FDA0003287785360000038
和tS之间的对应表。
5.根据权利要求4所述的一种考虑水电调频资源的风电机组转速恢复方法，其特征在于，步骤S3的具体操作为：根据
Figure FDA0003287785360000039
和tS之间的对应表将风电机组转速恢复的启动时刻tR,on整定为水电机组出力超调阶段的峰值时刻tS。
6.根据权利要求5所述的一种考虑水电调频资源的风电机组转速恢复方法，其特征在于，步骤S4的具体操作为：在风电机组退出虚拟惯量控制而进入转速恢复阶段时，虚拟惯量控制中附加功率配合相应的衰减函数实现平缓退出，而附加功率衰减函数具体为：
Figure FDA0003287785360000041
式中，tR,on为转速恢复启动时刻，tC为恢复过程中函数转换时刻，TR为衰减时间常数，tR,off为转速恢复结束时刻。
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