CN113937810A - 双馈异步风机惯量支撑后的转子转速控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了双馈异步风机惯量支撑后的转子转速控制方法及系统，该方法实时监测并网点频率，记录所在电力系统中其他机组的一次调频死区参数；在系统发生频率故障时，在风机进行惯量支撑后不立即恢复转速，通过频率偏差值和变化率所在范围来判断电网系统所处调频阶段；在风机外的调频机组进入死区前的临界点时开始恢复转速，在尽可能延后转速恢复的前提下，使系统内的各调频资源尽可能地响应风机快速转速恢复造成的频率二次跌落，同时也避免了其他机组在进入死区后的重复动作，在充分发挥双馈风机自身旋转惯量的基础上，降低转速恢复造成的影响，有效改善风机进行惯量支撑后立即恢复转速引起的系统频率二次跌落问题。

Description

双馈异步风机惯量支撑后的转子转速控制方法及系统

技术领域

本发明属于面向风力发电系统并网控制系统技术领域，具体涉及一种双馈异步风机惯量支撑后风机转子转速控制方法及系统。

背景技术

风电的大规模并网在减缓了能源危机的同时，也为电网系统电压和频率的稳定性带来了一定的负面影响。随着电力系统中风电装机容量的不断增加，由于电机组自身的解耦性，使其不对系统的频率波动做出响应，最终导致系统等效惯量随之减小，不利于系统频率保持稳定。

现有技术中，为了解决上述问题，通常采用的方法是通过虚拟惯量对风机提供像传统同步发电机一样的惯量支撑，具体的，通过在风机控制系统中附加虚拟惯量控制环节，在系统发生频率故障时释放或吸收风机转子的旋转动能以支撑电网频率，使这一部分能量参与到电力系统频率控制中来。

在上述虚拟惯量控制过程中，当系统频率跌落时，风机要释放其旋转动能，同时降低转子转速，由于此时转子转速低于最大功率跟踪曲线对应的最优转速，将导致风机输出的机械功率降低。为了使风机恢复转速，必须要使风机电磁功率小于机械功率来恢复，这会降低风机向电网输出的功率，在一些转速恢复控制方法中，所使用的比例积分(PI)参数设置不合理，甚至会导致风机在转速恢复初期电磁功率突降，造成系统频率的二次跌落。

发明内容

本申请提供了一种双馈异步风机惯量支撑后的转子转速控制方法及系统，以解决风机在进行惯量支撑后转速恢复过程中可能造成的系统频率二次跌落的问题。

本发明通过以下技术方案来实现：

第一方面，本申请提供了一种双馈异步风机惯量支撑后的转子转速控制方法，包括：

获取双馈异步风机的并网点频率；

根据所述并网点频率以及电网额定频率计算频率偏差值和频率变化率；

根据所述频率偏差值和频率变化率判断是否对参与调频的机组中死区范围最大值对应的机组提供惯量支撑；

若是，则将用于风机惯量控制中等效的虚拟惯量输入到风机变流器控制器，依据系统变化率提供相应的惯量支撑；

根据频率偏差值和频率变化率及系统内其它参与调频的机组的死区范围确定风机转速的恢复时机。

在一些实施例中，所述根据频率偏差值和频率变化率及系统内其它参与调频的机组的死区范围确定风机转速的恢复时机的步骤包括：

获取惯量支撑过程中频率扰动期间的频率最低点，并计算系统惯量响应阶段的频率偏差值的最大值；

当系统频率达到参与调频的机组中最大死区值前的临界区间时，对风机转速进行恢复。

在一些实施例中，根据所述频率偏差值和频率变化率判断是否对参与调频的机组中死区范围最大值对应的机组提供惯量支撑的步骤包括：

判断频率变化率是否超过风机调频的死区范围，若否，则保持当前风机转速；

若是，则计算用于提供惯量支撑的虚拟惯量。

在一些实施例中，所述死区范围设置为±0.1Hz/s。

在一些实施例中，所述虚拟惯量的计算方法包括：

根据机组转动惯量、风机初始转子转速、风机调速期间转速最低值、机组调速初始时刻、机组转速达到最低值的时刻、风机初始捕获风能及调速期间捕获风能计算机组转子旋转动能变化量及机组捕获风能变化量；

根据机组转子旋转动能变化量及机组捕获风能变化量计算机组有效能量变化；

对机组有效能量变化求导得到当前时刻风机提供的瞬时功率变化量；

根据瞬时功率变化量得到风机惯量控制中等效的虚拟惯量。

第二方面，本申请还提供了一种应用第一方面所述方法的双馈异步风机惯量支撑后的转子转速控制系统。

本申请提供的方法及系统具有下列有益效果：

1、与风机惯量支撑后立即恢复转速相比，本发明在风机在惯量支撑后以当前转速继续运行，延后转速恢复的时间，等待系统内其他机组进行一次调频支撑后频率处于相对良好的状态进行转速恢复，避免风机转速恢复在系统频率状态还处于相对恶劣时对系统频率造成功率冲击，也使其他调频机组在支撑系统频率之余及时响应转速恢复的功率冲击。

2、与其他单纯的定延时转速恢复不同，本发明通过对系统频率实时监测，判断系统频率恢复所处阶段，在系统各机组进入一次调频阶段后，通过在本发明提出的控制方法中设置的风机所在系统各调频机组的一次调频死区参数，判断当前参与一次调频的机组，在频率偏差恢复到当前参与调频机组中最大范围的死区值前进行转速恢复，避免了延时恢复中频率二次跌落再次越过机组调频死区导致机组一次调频重复动作无法及时支撑系统频率二次跌落，在转速恢复的过程中最大化地利用了当前参与系统调频地调频资源。

3、本发明在不大范围改变风机现有控制策略的基础上，通过简单的死区配合，尽可能地减小风机惯量支撑后产生的副作用，在工程上容易实现。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的一种双馈异步风机惯量支撑后的转子转速控制方法的流程图；

图2为图1所示方法对应的数据流转图；

图3为本申请提供方法中风机虚拟惯量控制及后续转速恢复的控制逻辑图；

图4为本申请提供方法中转速限制与转速恢复控制逻辑图；

图5为本申请提供的方法仿真验证的多调频资源异步互联电网模型图；

图6为系统频率变化仿真结果图；

图7为直流传输功率仿真结果图；

图8为水电机组有功仿真结果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参考图1，为本申请提供的一种双馈异步风机惯量支撑后的转子转速控制方法的流程图，与图1所示流程图相对应的数据流转图可由附图2解释，由图1可知，本申请中的方法包括以下步骤：

S100：获取双馈异步风机的并网点频率；首先需要说明的是，在本实施例中，步骤S100并不限定获取频率的时刻，即应当认为可以实时获取相应参数来执行本申请中的方法，在整个电网运行过程中可以及时对转子转速实施有效控制。在后文中的并网点频率(也可称系统频率)可由fs表示。

S200：根据所述并网点频率以及电网额定频率f_nom计算频率偏差值Δf和频率变化率df/dt；其中，电网额定频率是预设的固定值，例如国家电网的额定频率是50HZ等，具体数值按需制定。

S300：根据所述频率偏差值和频率变化率判断是否对参与调频的机组中死区范围最大值Δf_dead对应的机组提供惯量支撑；

进一步的，步骤S300具体为：

判断频率变化率是否超过风机调频的死区范围，若否，则保持当前风机转速；

在本实施例中，判断是否需要提供惯量支撑的条件在于，当前时刻下系统频率与额定频率之间是否超出偏差范围，对应的，即判断频率变化率是否超出的风机调频的死区范围，系统中参与调频的不同机组的死区范围可能有不同，在本例中可以将死区范围设置为±0.1HZ/s，还可以设置为其它数值。当频率变化率在风机死区范围内时，说明不需要对系统进行惯量支撑，本文所述转速控制方法并不对风机转速进行额外控制。

当频率变化率超过风机调频的死区范围时，说明系统需要进行调频，此时，先要计算用于提供惯量支撑的虚拟惯量。

其中，虚拟惯量的计算过程为：

首先，考虑到影响风机惯量支撑期间支撑功率的因素主要包括：

1)风机风轮旋转中储存的动能变化；

2)受风机转速影响的风机捕获功率变化；

可概括为：

ΔE_K＝ΔE_ωr+ΔE_W

其中ΔE_K为机组有效能量变化；ΔE_ωr为机组转子旋转动能变化量；ΔE_W为机组捕获风能变化量。

风机改变转速后有：

其中J_r为机组转动惯量；ω₀为风机初始转子转速；ω_rmin为风机调速期间转速最低值，t_on为机组调速初始时刻；t_off为机组转速达到最低值的时刻；P₀为风机初始捕获风能；P_C(t)为调速期间捕获风能。

通过对ΔE_k求导得到t时刻风机提供瞬时功率变化量：

ω_r(t)为风机调速期间转速。

一般来说风机惯量支撑中相比于风机旋转动能变化，风机捕获功率的变化相对较小，因此在本发明中可将风机惯量支撑功率简化为：

转速变化量参考值根据频率变化可得：

其中，K_D为微分系数。

整理后可得：

其中，J_W为风机惯量控制中等效的虚拟惯量。

设置好K_D后，惯量控制通过系统频率变化率df/dt来给定风机转速的变化参考量，以控制风机旋转动能的释放程度。

图3为风机虚拟惯量控制及后续转速恢复的控制逻辑图，采用上述虚拟惯量执行的有功控制策略，将有功参考值输入到风机变流器控制器，依据系统频率变化率提供相应的惯量支撑，其中，p_ref代表输出的一个功率参考值、Tref代表输出的一个转矩参考值、ωref为输出的转速参考值。

当步骤S300中判断结果为是，并且计算得到了虚拟惯量，则执行步骤S400：将用于风机惯量控制中等效的虚拟惯量输入到风机变流器控制器，依据系统变化率提供相应的惯量支撑，之后，系统进入惯性支撑过程。

需要说明的是，所述惯量支撑在不同情况下将表现为“正支撑”和“负支撑”两种，通过监测风机输出功率P_DFIG来判定风机对系统的支撑程度，以系统频率跌落为例，风机惯量支撑过程中风机输出功率高于支撑前的功率则被称为“正支撑”，低于则被称为“负支撑”，系统频率升高时同理可以推得相应表现形式。图4所示出的即为本申请中转速限制与转速恢复控制逻辑图；其中，比较器需要完成的功能是对于输入的频率偏差值Δf和死区范围Δf_dead来比较判断是否需要调频，以及对于惯量支撑控制过程前后获取到的初始输出功率P_S0和实施输出功率P_S进行比较，还有用来判断转速恢复时机，最终将比较结果作为输出的转速参考值ωref。

S500：分别获取提供惯量支撑过程前的初始风机输出功率以及惯量支撑过程中任一时刻的实时输出功率，若满足预设条件，则停止惯量支撑过程，保持当前风机转速；所述预设条件包括：当系统频率跌落、风机功率增加时，所述实时输出功率小于或等于初始风机输出功率，或者，当系统频率升高、风机功率降低时，所述实时输出功率大于或等于初始风机输出功率；当频率跌落的情况下且风机不提供“正支撑”时，说明不需要继续进行当前的惯性支撑过程，此时需要停止对于风机的惯量支撑控制，退出调频，并通过转速控制使风机转子转速不立即恢复，保持当前转速继续运行；当频率上升的情况下则相反，在此不予赘述。

在本实施例中，当风机输出功率P_DFIG回归支撑前的水平则判断风机已完成惯量支撑过程，可退出调频并保持当前转速以略低于最大功率跟踪水平的状态运行。

S600：根据频率偏差值和频率变化率及系统内其它参与调频的机组的死区范围确定风机转速的恢复时机。

进一步的，步骤S600具体包括：

S601：获取惯量支撑过程中频率扰动期间的频率最低点，并计算系统惯量响应阶段的频率偏差值的最大值；

S602：当系统频率达到参与调频的机组中最大死区值前的临界区间时，对风机转速进行恢复。

继续对系统频率偏差及变化率进行观测，以频率突降为例，当频率经过最低点，偏差值开始减少，变化率为正时，说明此时开始进入一次调频阶段，系统频率处于参与调频的机组调速器或调频控制死区外，各机组都已开始增大出力。

系统频率在各机组一次调频的作用下继续恢复，在系统频率恢复到机组调频死区内前，机组仍保持一次调频动作，而且随着系统频率恢复，机组的一次调频动作量也随之减少，相比风机在惯量支撑阶段结束后直接恢复转速时有更多的一次调频余量，更好地应对风机转速恢复造成的功率冲击，以参与调频的机组中最大死区值为基准，使风机完成惯量支撑后在系统频率恢复到该死区前进行转速恢复，可以使一些一次调频死区较大的机组在结束动作前对风机的转速冲击进行支撑，避免了过于延后恢复转速导致这些机组无法对其支撑导致转速恢复造成的二次跌落深度相对较大，为了减少对最大死区值的识别难度，在死区Δf_dead外设置一个裕度范围(即临界区间)f_裕度，频率恢复进入该范围即可进行风机转速恢复。

为了验证本申请提供方法的有效性，执行了在图5所示仿真系统中的仿真验证过程：

仿真模型：多调频资源异步互联电网模型，其中G1为容量300MW的火电机组，G2为容量900MW的水电机组，WF为有300台风电机组的风电场，水火机组均装有励磁、调速和PSS装置，孤网系统经一回直流与主网相连，传输容量为1000MW，并装有FLC功能，系统总负荷为840MW，其中包括直流外送460MW。

故障设置：100s时，系统负荷突增25MW。

步骤1：模型中风机分别采用转速直接恢复、转速定延时恢复、以及本例所述优化控制恢复在上述工况设置中进行仿真验证。

步骤2：风机采用本实施例所述控制方法，故障发生期间，系统频率对比，与系统其他机组出力对比如图6-图8所示。

该模型中可以参与调频的机组包括火电机组(调频死区为±0.033Hz)、水电机组(调频死区±0.05Hz)、双馈风电机组(调频死区±0.033Hz)直流FLC频率限制控制(本例为±0.1Hz)。其中以直流FLC的死区范围最大，因此以FLC的死区频率为风机惯量支撑后转速恢复的启动起点。

由图6-图8示出的仿真结果可以看出，采用直接恢复的方法，风机转速恢复的功率冲击直接作用在频率低谷期间，增大了系统频率最大偏差值。采用转速定延时恢复的方法，风机转速恢复时系统频率处于直流FLC的动作死区内，直流FLC无法对转速恢复产生的功率冲击进行支撑，而是由系统中的水电机组进行大部分支撑，相比转速直接恢复和本例优化恢复，其二次跌落产生的跌落深度相对较深。本例转速优化恢复与转速直接恢复相比，转速恢复在频率状态相对较好的阶段，不会增加系统频率的最大偏差。由于本实施例控制方法恢复转速时系统频率偏差仍处于直流FLC死区范围外，所以FLC能够对其起到支撑作用，相比定延时恢复拥有更多的调频资源去承担风机惯量支撑后的功率冲击。

由上述技术方案可知，本申请提供了一种双馈异步风机惯量支撑后的转子转速控制方法，该方法实时监测并网点频率，记录所在电力系统中其他机组的一次调频死区参数；在系统发生频率故障时，在风机进行惯量支撑后不立即恢复转速，通过频率偏差值和变化率所在范围来判断电网系统所处调频阶段；在风机外的调频机组进入死区前的临界点时开始恢复转速，在尽可能延后转速恢复的前提下，使系统内的各调频资源尽可能地响应风机快速转速恢复造成的频率二次跌落，同时也避免了其他机组在进入死区后的重复动作，在充分发挥双馈风机自身旋转惯量的基础上，降低转速恢复造成的影响，有效改善风机进行惯量支撑后立即恢复转速引起的系统频率二次跌落问题。

对应于上述方法，本申请还提供了一种应用上述方法并与上述方法完全对应的系统，包括：

频率监测模块，被配置为获取双馈异步风机的并网点频率；

计算模块，被配置为根据所述并网点频率以及电网额定频率计算频率偏差值和频率变化率；

频率偏差死区控制模块，被配置为根据所述频率偏差值和频率变化率判断是否对参与调频的机组中死区范围最大值对应的机组提供惯量支撑；

功率监测模块，被配置为获取提供惯量支撑过程中相邻两个时刻的风机输出功率，直至后一时刻的风机输出功率小于或等于前一时刻的风机输出功率时，停止惯量支撑过程，保持当前风机转速；

转速控制模块，被配置为根据所述频率偏差死区控制模块的判断结果，将用于风机惯量控制中等效的虚拟惯量输入到风机变流器控制器，依据系统变化率提供相应的惯量支撑；以及根据频率偏差值和频率变化率及系统内其它参与调频的机组的死区范围确定风机转速的恢复时机。

在可行性实施例中，所述频率偏差死区控制模块还被配置为：

获取惯量支撑过程中频率扰动期间的频率最低点，并计算系统惯量响应阶段的频率偏差值的最大值；

当系统频率达到参与调频的机组中最大死区值前的临界区间时，对风机转速进行恢复。

在可行性实施例中，所述计算模块还被配置为：若频率变化率超过风机调频的死区范围，则计算用于提供惯量支撑的虚拟惯量。

在可行性实施例中，所述计算模块包括：

第一计算子模块，被配置为根据机组转动惯量、风机初始转子转速、风机调速期间转速最低值、机组调速初始时刻、机组转速达到最低值的时刻、风机初始捕获风能及调速期间捕获风能计算机组转子旋转动能变化量及机组捕获风能变化量；

第二计算子模块，被配置为根据机组转子旋转动能变化量及机组捕获风能变化量计算机组有效能量变化；

第三计算子模块，被配置为对机组有效能量变化求导得到当前时刻风机提供的瞬时功率变化量；

第四计算子模块，被配置为根据瞬时功率变化量得到风机惯量控制中等效的虚拟惯量。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

Claims (9)

1.一种双馈异步风机惯量支撑后的转子转速控制方法，其特征在于，所述方法包括：

获取双馈异步风机的并网点频率；

根据所述并网点频率以及电网额定频率计算频率偏差值和频率变化率；

根据所述频率偏差值和频率变化率判断是否对参与调频的机组中死区范围最大值对应的机组提供惯量支撑；

若是，则将用于风机惯量控制中等效的虚拟惯量输入到风机变流器控制器，依据系统变化率提供相应的惯量支撑；

分别获取提供惯量支撑过程前的初始风机输出功率以及惯量支撑过程中任一时刻的实时输出功率，若满足预设条件，则停止惯量支撑过程，保持当前风机转速；所述预设条件包括：当系统频率跌落、风机功率增加时，所述实时输出功率小于或等于初始风机输出功率，或者，当系统频率升高、风机功率降低时，所述实时输出功率大于或等于初始风机输出功率；

根据频率偏差值和频率变化率及系统内其它参与调频的机组的死区范围确定风机转速的恢复时机。

2.根据权利要求1所述一种双馈异步风机惯量支撑后的转子转速控制方法，其特征在于，所述根据频率偏差值和频率变化率及系统内其它参与调频的机组的死区范围确定风机转速的恢复时机的步骤包括：

获取惯量支撑过程中频率扰动期间的频率最低点，并计算系统惯量响应阶段的频率偏差值的最大值；

当系统频率达到参与调频的机组中最大死区值前的临界区间时，对风机转速进行恢复。

3.根据权利要求1所述一种双馈异步风机惯量支撑后的转子转速控制方法，其特征在于，根据所述频率偏差值和频率变化率判断是否对参与调频的机组中死区范围最大值对应的机组提供惯量支撑的步骤包括：

判断频率变化率是否超过风机调频的死区范围，若否，则保持当前风机转速；

若是，则计算用于提供惯量支撑的虚拟惯量。

4.根据权利要求3所述一种双馈异步风机惯量支撑后的转子转速控制方法，其特征在于，所述死区范围设置为±0.1Hz/s。

5.根据权利要求3所述一种双馈异步风机惯量支撑后的转子转速控制方法，其特征在于，所述虚拟惯量的计算方法包括：

根据机组转动惯量、风机初始转子转速、风机调速期间转速最低值、机组调速初始时刻、机组转速达到最低值的时刻、风机初始捕获风能及调速期间捕获风能计算机组转子旋转动能变化量及机组捕获风能变化量；

根据机组转子旋转动能变化量及机组捕获风能变化量计算机组有效能量变化；

对机组有效能量变化求导得到当前时刻风机提供的瞬时功率变化量；

根据瞬时功率变化量得到风机惯量控制中等效的虚拟惯量。

6.一种双馈异步风机惯量支撑后的转子转速控制系统，其特征在于，所述系统包括：

频率监测模块，被配置为获取双馈异步风机的并网点频率；

计算模块，被配置为根据所述并网点频率以及电网额定频率计算频率偏差值和频率变化率；

频率偏差死区控制模块，被配置为根据所述频率偏差值和频率变化率判断是否对参与调频的机组中死区范围最大值对应的机组提供惯量支撑；

功率监测模块，被配置为分别获取提供惯量支撑过程前的初始风机输出功率以及惯量支撑过程中任一时刻的实时输出功率，若满足预设条件，则停止惯量支撑过程，保持当前风机转速；所述预设条件包括：当系统频率跌落、风机功率增加时，所述实时输出功率小于或等于初始风机输出功率，或者，当系统频率升高、风机功率降低时，所述实时输出功率大于或等于初始风机输出功率；

转速控制模块，被配置为根据所述频率偏差死区控制模块的判断结果，将用于风机惯量控制中等效的虚拟惯量输入到风机变流器控制器，依据系统变化率提供相应的惯量支撑；以及根据频率偏差值和频率变化率及系统内其它参与调频的机组的死区范围确定风机转速的恢复时机。

7.根据权利要求6所述的一种双馈异步风机惯量支撑后的转子转速控制系统，其特征在于，所述频率偏差死区控制模块还被配置为：

获取惯量支撑过程中频率扰动期间的频率最低点，并计算系统惯量响应阶段的频率偏差值的最大值；

当系统频率达到参与调频的机组中最大死区值前的临界区间时，对风机转速进行恢复。

8.根据权利要求6所述的一种双馈异步风机惯量支撑后的转子转速控制系统，其特征在于，所述计算模块还被配置为：若频率变化率超过风机调频的死区范围，则计算用于提供惯量支撑的虚拟惯量。

9.根据权利要求8所述的一种双馈异步风机惯量支撑后的转子转速控制系统，其特征在于，所述计算模块包括：

第一计算子模块，被配置为根据机组转动惯量、风机初始转子转速、风机调速期间转速最低值、机组调速初始时刻、机组转速达到最低值的时刻、风机初始捕获风能及调速期间捕获风能计算机组转子旋转动能变化量及机组捕获风能变化量；

第二计算子模块，被配置为根据机组转子旋转动能变化量及机组捕获风能变化量计算机组有效能量变化；

第三计算子模块，被配置为对机组有效能量变化求导得到当前时刻风机提供的瞬时功率变化量；

第四计算子模块，被配置为根据瞬时功率变化量得到风机惯量控制中等效的虚拟惯量。

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