CN113937786B - 一种基于等可调容量比例的风电场调频控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于等可调容量比例的风电场调频控制策略，基于风电机组减载备用控制，在单机调频控制策略研究基础上，提出基于风电场站等可调容量比例的模式调频控制策略；当系统频率变化超过调频控制死区时，风电场调频控制系统，根据频率并网点频率实际值与目标值之间的偏差风电场站功率调整量，并按照有功功率分配方式，给予风电场中，每台机组不同的功率增发指令，以支撑电网频率恢复，有效地减少了风电场减载预留功率参与系统调频时，因机组调频资源不能充分利用所带来的弃风、弃电等问题。

Description

一种基于等可调容量比例的风电场调频控制策略

技术领域

本发明涉及风电场并网调频技术领域，特别是涉及一种基于等可调容量比例的风电场调频控制策略。

背景技术

风力发电成为电源增长主力，但风力发电等新能源所呈现弱惯性或零惯性，普遍不参与电网调频，随着其渗透率的不断提高，将逐渐恶化电力系统的频率特性，对电网安全稳定运行带来威胁。现有技术中风电的高渗透率对电力系统稳定运行越来越为明显，同时，风电机组在控制灵活度、响应速度等方面都优于常规火电机组；因此，风电参与电网调频以确保电力系统安全稳定运行，已成为风电行业可持续发展的重要课题。目前，对于风电机组参与系统调频的控制策略方面研究，局限于单机调频策略；在实际风电场站中，风电机组参与系统调频的过程中，并未考虑到实际风电场中各台机组运行工况不同，以及出力限制不同等问题，在采用传统调频策略的风电场中，部分风力发电机组参与系统调频的有功出力已到达上、下限，而其余风力发电机组的有功出力，却仍然可以上、下调节的现象时有发生，不仅造成了弃风、弃电等损耗，同时也造成风力机组提供的调频资源也未能充分利用等问题。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，构思了一种基于等可调容量比例的风电场调频控制策略，提供一种科学合理、适用性好，不仅能够控制风电场根据并网准则要求参与电网频率调节，并且考虑各个机组运行工况的各异性，充分利用各个机组调频容量的调频策略，解决了风电场内各个机组调频参数整定困难，机组调频资源不能充分利用等问题，提高了系统频率稳定性。

实现本发明的技术方案是：一种基于等可调容量比例的风电场调频控制策略，其特征是，它包括以下步骤：

1)双馈风机场站建模：

双馈风电机组并入电网结构由风力机、双馈感应电机、四象限变流器及线路负荷参数构成；C_dc为双馈感应发电机逆变器直流侧电容；L_cg为网侧变流器滤波电感；L_c为机组线路电感；L_g为电网侧线路电感；U_t、U_g分别并网点电压、电网电压；

①风力机是双馈感应电机的原动机，当风速为V_w时，风力机捕获风功率P_m如下所示：

式中：ρ为空气密度；R为风力机叶片半径；Cp为风能利用系数，与叶尖速比λ和桨距角β有关；

②建立双馈感应电机数学模型，规定定子电压，电流方向为发电机惯例；转子电压、电流方向为电动机惯例，以定子合成磁场矢量方向为d轴，建立dq两相同步旋转坐标系：ψ_sd＝0,ψ_sq＝-ψ_s。U_sd＝U_s,U_sq＝0；该数学模型包含4个电压方程，即4阶数学模型；4个磁链方程，即4个代数方程；1个转子运动方程，即1阶数学模型，共计9个方程，为5阶数学模型；

dq坐标系下双馈感应电机定、转子电压方程为：

定、转子磁链方程：

式中：R_s与R_r分别为定、转子绕组电阻；U_sx、U_rx，i_sx、i_rx，ψ_sx、ψ_rx(x＝d,q)

分别为dq坐标系下定、转子绕组电压、电流和磁链；ω₁为同步角速度，ω_s为转差角速度.L_m为dq坐标系下的定、转子同轴等效绕组之间的互感，L_r为定子等效两相绕组之间的互感，L_s为定子等效两相绕组之间的互感；

转子运动方程为：

其中，u_sdq、u_rdq和T_m为已知量，ψ_sdq、ψ_rdq、i_sdq、i_rdq均为未知量；状态量为[ψ_sd,ψ_rd,ψ_rq,ψ_rq,ω_r]；控制量为[i_sd,i_sq,i_rd,i_rq]；当状态量初始值已知时，则给定一组控制量，即可求解出一组状态量；

③四象限变流器建模：转子侧、网侧变流器采用dq解耦控制，其基本控制框图如图2所示，转子侧变流器功能是实现定子有功、无功解耦控制；网侧变流器的功能是控制逆变器直流电压稳定并辅助转子变流器调节并网有功、无功功率。

2)调节建立协调控制层，通过综合分析，将多种输入信号计算出总有功功率调节量：定义风电场内各个机组可调容量比例为：

式中：P_imax为第i台风电机组最大出力；P_imin为第i台风电机组最小出力；P_i0为第i台机组扰动前输出功率。

3)在等可调容量比例模式下，各风电机组具有相同的可调容量比例，且其合理的范围是：

0≤k_i≤1 (6)

4)根据等可调容量比例模式，假设该风电场中共有n个独立的风电机组，则各机组之间的可调容量比例满足如下关系：

每台风电机组最小出力均为0，则式可以写为：

5)假设该风电场在扰动之前，总有功出力是风电机组的有功出力是P_i0，各风电机组最大有功出力之和是/>即计算出总有功功率可用调节量；

6)计算出总有功功率可用调节量后，令风电机组承担的功率变化量为ΔP_i0，即是协调控制层下发给风电机组的功率调节指令，则该风电场承担的总功率变化量为则可得到如下约束：

又因为式(9)可以表示为：

所以，由式(10)可求解出：

7)依次求出该风电场中的其他机组所承担的功率变化量与的关系：

同理，可以得到风电场内第i台机组接收到的功率调节指令为：

8)按照上述公式(5)-公式(13)及其描述的功率分配原则构建功率分配算法，建立了一种基于等可调容量比例的风电场调频控制策略。

本发明一种基于等可调容量比例的风电场调频控制策略的有益效果体现在：

1、一种基于等可调容量比例的风电场调频控制策略，基于单台风电机组的桨距角减载控制策略，提出的等可调容量比例的风电场调频控制策略，相较于传统风电机组参与系统调频时，本策略不仅能够控制风电场根据并网准则要求参与电网频率调节，并且在风电场参与调频时，能够考虑风电场内部不同机组运行工况的各异性，对风电场中每台机组下达不同程度的调频指令，能够更充分地利用风电场中风力机组所提供的预留调频资源，有利于提高系统频率稳定性；

2、一种基于等可调容量比例的风电场调频控制策略，解决了风电场内各个机组调频参数整定困难的问题，有效地减少了风电场减载预留功率参与系统调频时因机组调频资源不能充分利用所带来的弃风、弃电等问题。

附图说明

图1是实施例中，双馈风机并网结构图；

图2是实施例中，双馈风电机组四象限变流器控制系统；

图3是实施例中，风电机群接入交流系统的三机九节点仿真系统；

图4是实施例中，双馈风电机组变桨减载示意图；

图5是实施例中，双馈风电机组变桨减载下垂控制策略示意图；

图6是实施例中，风电场场站级调频控制原理框图；

图7是实施例中，有功功率-频率下垂曲线图；

图8是实施例中，系统频率响应图；

图9是实施例中，双馈风电机组输出功率响应图；

图10是实施例中，双馈风电机组风力机输出功率指令图；

图11是实施例中，双馈风电机组桨距角响应图；

图12是实施例中，双馈风电机组Cp值响应图。

具体实施方式

以下结合附图1至附图12和具体实施例对本发明作进一步详细说明，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种基于等可调容量比例的风电场调频控制策略，其包括以下步骤：

1)双馈风机场站建模：

双馈风电机组并入电网结构由风力机、双馈感应电机、四象限变流器及线路负荷参数构成；

①风力机是双馈感应电机的原动机，当风速为V_w时，风力机捕获风功率P_m如下所示：

式中：ρ为空气密度；R为风力机叶片半径；Cp为风能利用系数，与叶尖速比λ和桨距角β有关；

②建立双馈感应电机数学模型，规定定子电压，电流方向为发电机惯例；转子电压、电流方向为电动机惯例，以定子合成磁场矢量方向为d轴，建立dq两相同步旋转坐标系：ψ_sd＝0,ψ_sq＝-ψ_s。U_sd＝U_s,U_sq＝0；双馈感应电机数学模型包含4个电压方程，即4阶数学模型；4个磁链方程，即4个代数方程；1个转子运动方程，即1阶数学模型，共计9个方程，为5阶数学模型；

dq坐标系下双馈感应电机定、转子电压方程为：

定、转子磁链方程：

式中：R_s与R_r分别为定、转子绕组电阻；U_sx、U_rx，i_sx、i_rx，ψ_sx、ψ_rx(x＝d,q)分别为dq坐标系下定、转子绕组电压、电流和磁链；ω₁为同步角速度，ω_s为转差角速度.L_m为dq坐标系下的定、转子同轴等效绕组之间的互感，L_r为定子等效两相绕组之间的互感，L_s为定子等效两相绕组之间的互感；

转子运动方程为：

其中，u_sdq、u_rdq和T_m为已知量，ψ_sdq、ψ_rdq、i_sdq、i_rdq均为未知量；状态量为[ψ_sd,ψ_rd,ψ_rq,ψ_rq,ω_r]；控制量为[i_sd,i_sq,i_rd,i_rq]；当状态量初始值已知时，则给定一组控制量，即求解出一组状态量；

③四象限变流器建模：

转子侧、网侧变流器采用dq解耦控制；

2)调节建立协调控制层，定义风电场内各个机组可调容量比例为：

式中：P_imax为第i台风电机组最大出力；P_imin为第i台风电机组最小出力；P_i0为第i台机组扰动前输出功率。

3)在等可调容量比例模式下，各风电机组具有相同的可调容量比例，且其合理的范围是：

0≤k_i≤1 (19)

4)根据等可调容量比例模式，在风电场中，设定共有n个独立的风电机组，则各机组之间可调容量比例满足如下关系：

每台风电机组最小出力均为0，则式可以写为：

5)在风电场在扰动之前，总有功出力是风电机组的有功出力是P_i0，各风电机组最大有功出力之和是/>即计算出总有功功率可用调节量；

6)计算出总有功功率可用调节量后，令风电机组承担的功率变化量为ΔP_i0，即是协调控制层下发给风电机组的功率调节指令，则风电场承担的总功率变化量为则可得到如下约束：

式(22)可以表示为：

由式(23)可求解出：

7)依次求出该风电场中的其他机组所承担的功率变化量与的关系：

同理，得到风电场内第i台机组接收到的功率调节指令为：

8)按照上述公式(18)-公式(26)及其描述的功率分配原则构建功率分配算法，即建立了一种基于等可调容量比例的风电场调频控制策略。

实施例：

1)参照附图1和附图2，构建双馈风电机组模型，C_dc为双馈感应发电机逆变器直流侧电容；L_cg为网侧变流器滤波电感；L_c为机组线路电感；L_g为电网侧线路电感；U_t、U_g分别并网点电压、电网电压；同时风电机群的运行状态，包括风电场站、运行工况、并网台数以及控制参数；参照附图3所示，构建风电场与同步机组接入交流系统的三机九节点仿真模型，仿真模型由双馈风电DFIG机群、同步发电机组、负荷三部分构成；设置风电机群的运行工况，风速为7m/s、10m/s、13m/s，每个工况下的双馈风电机组各200台，所有风电场内机组均按减载5％运行，均采用附图4与附图5所示的桨距角减载调频控制策略，系统负荷为2140MW，风电场实际出力为786MW；

2)在风电机群的类型、运行工况、并网台数以及控制参数运行状态确定后，参照附图6设置的风电场场站级调频控制策略框图，通过风电机组风速，输出功率，以及减载率综合分析计算出总有功功率调节量；

3)就风电场接入交流系统结构而言，分别采用风电场未采用调频策略和采用本申请所提出的调频策略两种情况相比较，如附图7所示，在系统频率调频死区范围49.967-50.033内，风电机组不参与调频；上述条件设置完毕后，设置系统58s时，发生100MW冲击负荷扰动，按照附图6中有功功率分配算法，使得总有功功率调节量合理地分配到每一个独立的风力发电单元中，本地控制层负责按照上一层指令控制风电机组增发或降低有功出力；系统频率响应情况对比如附图8所示，当风电场未采用等可调容量比例的风电场调频控制策略时，系统发生冲击负荷扰动后频率跌落明显，最大频率跌落值达到0.23Hz，并且系统频率稳定后系统频率静态偏差为0.102Hz；而采用等可调容量比例的风电场调频控制策略时，各工况不同的风电机组按照给定指令值增发功率，各个机组之间进行了合理的调频资源分配，附图9表示三种工况下的风力机组所接收到的上层分配的调频指令；附图10表示接收到上层调频指令后各个风力机组的出力情况；如附图11所示，浆距角按有功调频指令发生变化；如附图12所示，不同风况下机组的风能利用系数Cp也因桨距角的变化而增加。

4)当风电场采用本专利提出的等可调容量比例的风电场调频控制策略后，最大频率跌落值达到0.17Hz，并且系统频率稳定后系统频率静态偏差为0.069Hz，在本算例中采用本专利提出的等可调容量比例的风电场调频控制策略相较于未采用本策略时，频率最大跌落值上升了0.06Hz，静态频率偏差提高了0.033Hz，系统频率特性得到了改善，该调频策略有效。

本实施案例验证了等可调容量比例的风电场调频控制策略的有效性与可行性。

本发明的构思基础是，基于风电机组减载备用控制，提出基于桨距角减载的风电机组下垂控制策略，在单机调频控制策略研究基础上提出基于风电场站的等可调容量比例的模式调频控制策略。在系统发生功率扰动时，对风电场中第i台机组下达功率调节指令ΔP_i，本地控制层按照附图5中的桨距角控制控制框图，按照上述指令ΔP_i控制风电机组改变桨距角以增发或降低有功出力，在附图5中，f为系统频率，K为频率调整系数，ω_r为发电机实际转速标幺值，ω_ref为发电机转速参考值的标幺值，β_ref为运行时桨距角参考值，P_m为风力机捕获功率标幺值，P_mref为风力机捕获功率参考值的标幺值，其一般设置为1，在需要通过变桨距限功率运行时，可按预留功率比例减小P_mref以留出有功功率输出裕度，功率发生扰动时与功率调节指令ΔP_i与减载后的P_mref共同构成新的捕获风功率参考值，经PI控制后改变桨距角大小，以达到增发功率的目的。

本发明所涉及的计算机程序依据自动控制技术、网络技术、计算机处理技术编制，是本领域技术人员所熟悉的现有技术。

以上所述仅是本发明的优选方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于等可调容量比例的风电场调频控制策略，其特征是，它包括以下步骤：

1)双馈风机场站建模：

双馈风电机组并入电网结构由：风力机、双馈感应电机、四象限变流器及线路负荷参数构成；

①风力机是双馈感应电机的原动机，当风速为V_w时，风力机捕获风功率P_m如下所示：

式中：ρ为空气密度；R为风力机叶片半径；Cp为风能利用系数，与叶尖速比λ和桨距角β有关；

②建立双馈感应电机数学模型：

规定定子电压，电流方向为发电机惯例；转子电压、电流方向为电动机惯例，以定子合成磁场矢量方向为d轴，建立dq两相同步旋转坐标系：ψ_sd＝0,ψ_sq＝-ψ_s，U_sd＝U_s,U_sq＝0；双馈感应电机数学模型包含4个电压方程，即4阶数学模型；4个磁链方程，即4个代数方程；1个转子运动方程，即1阶数学模型，共计9个方程，为5阶数学模型；

在dq坐标系下，双馈感应电机定、转子电压方程为：

定、转子磁链方程：

式中：R_s与R_r分别为定、转子绕组电阻；U_sx、U_rx，i_sx、i_rx，ψ_sx、ψ_rx(x＝d,q)分别为dq坐标系下定、转子绕组电压、电流和磁链；ω₁为同步角速度，ω_s为转差角速度.L_m为dq坐标系下的定、转子同轴等效绕组之间的互感，L_r为定子等效两相绕组之间的互感，L_s为定子等效两相绕组之间的互感；

转子运动方程为：

其中，u_sdq、u_rdq和T_m为已知量，ψ_sdq、ψ_rdq、i_sdq、i_rdq均为未知量；状态量为[ψ_sd,ψ_rd,ψ_rq,ψ_rq,ω_r]；控制量为[i_sd,i_sq,i_rd,i_rq]；当状态量初始值已知时，则给定一组控制量，即求解出一组状态量；

③四象限变流器建模：

转子侧、网侧变流器采用dq解耦控制；

2)调节建立协调控制层，定义风电场内各个机组可调容量比例为：

式中：P_imax为第i台风电机组最大出力；P_imin为第i台风电机组最小出力；P_i0为第i台机组扰动前输出功率；

3)在等可调容量比例模式下，各风电机组具有相同的可调容量比例，且其合理的范围是：

0≤k_i≤1 (6)

4)根据等可调容量比例模式，在风电场中，设定共有n个独立的风电机组，则各机组之间可调容量比例满足如下关系：

每台风电机组最小出力均为0，则式可以写为：

5)风电场在扰动之前，总有功出力是风电机组的有功出力是P_i0，各风电机组最大有功出力之和是/>即计算出总有功功率可用调节量；

6)计算出总有功功率可用调节量后，令风电机组承担的功率变化量为ΔP_i0，即是协调控制层下发给风电机组的功率调节指令，则风电场承担的总功率变化量为则可得到如下约束：

式(9)可以表示为：

由式(10)可求解出：

7)依次求出该风电场中的其他机组所承担的功率变化量与的关系：

同理，得到风电场内第i台机组接收到的功率调节指令为：

8)按照上述公式(5)-公式(13)及其描述的功率分配原则构建功率分配算法，即建立了一种基于等可调容量比例的风电场调频控制策略。