CN113944593A - 一种高海拔风场频率控制系统及方法 - Google Patents

一种高海拔风场频率控制系统及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113944593A
CN113944593A CN202111116421.7A CN202111116421A CN113944593A CN 113944593 A CN113944593 A CN 113944593A CN 202111116421 A CN202111116421 A CN 202111116421A CN 113944593 A CN113944593 A CN 113944593A
Authority
CN
China
Prior art keywords
module
power
frequency
wind
control
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202111116421.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113944593B (zh
Inventor
史晓鸣
柳黎明
宋晓阳
王建军
李芸
王红丹
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang Windey Co Ltd
Original Assignee
Zhejiang Windey Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhejiang Windey Co Ltd filed Critical Zhejiang Windey Co Ltd
Priority to CN202111116421.7A priority Critical patent/CN113944593B/zh
Publication of CN113944593A publication Critical patent/CN113944593A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113944593B publication Critical patent/CN113944593B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/022—Adjusting aerodynamic properties of the blades
    • F03D7/0236—Adjusting aerodynamic properties of the blades by changing the active surface of the wind engaging parts, e.g. reefing or furling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D17/00—Monitoring or testing of wind motors, e.g. diagnostics
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/0204—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor for orientation in relation to wind direction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/0276—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor controlling rotor speed, e.g. variable speed
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/04—Automatic control; Regulation
    • F03D7/042—Automatic control; Regulation by means of an electrical or electronic controller
    • F03D7/043—Automatic control; Regulation by means of an electrical or electronic controller characterised by the type of control logic
    • F03D7/044—Automatic control; Regulation by means of an electrical or electronic controller characterised by the type of control logic with PID control
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/04—Automatic control; Regulation
    • F03D7/042—Automatic control; Regulation by means of an electrical or electronic controller
    • F03D7/048—Automatic control; Regulation by means of an electrical or electronic controller controlling wind farms
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D80/00—Details, components or accessories not provided for in groups F03D1/00 - F03D17/00
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/76—Power conversion electric or electronic aspects

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Wind Motors (AREA)
  • Control Of Eletrric Generators (AREA)

Abstract

本发明公开了一种高海拔风场频率控制系统及方法，包括频率功率控制模块、简化电网模块、尾流模块、变桨控制模块、机械惯量模块、速度控制模块、发电机组模块、功率设定模块和粒子群算法模块，以及一种高海拔风场频率控制方法。本发明通过尾流模块优化风电机组偏航角度；通过变桨控制模块实时动态调节叶片角桨距，控制风力发电机组电机的转速变化范围；通过粒子群算法模块找到影响风电场的惯量、阻尼和辅助控制PID控制器的系数，获得最优功率储备值；结合机械惯量模块、速度控制模块和简化电网模型对发电机组进行联合控制，改善发电机组频率控制性能，进而提升高海拔地区风电机组调频期间频率响应效率。

Description

一种高海拔风场频率控制系统及方法
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域，具体涉及一种高海拔风场频率控制系统及方法。
背景技术
风电机组运行在限功率调频工况且有功出力大于20％Pn时，当测试点的频率偏差超过阈值(推荐±0.2Hz)，风电机组应能参与系统调频，支撑系统频率恢复。有多种方法可以控制系统频率，其中包含大量的风力发电场，其中一种是产生足够的功率储备。为了通过系统创建足够的功率储备，必须利用能够改变其输出功率的风电场。为实现风力发电场参与电网系统的频率控制，须在长时间内具备快速反应能力的动力储备。为了产生这种动力储备，风电场需要在降额状态下运行。降载运行超出发电机转速允许范围，即风力涡轮机的速度达到了超速区域。
通过对电网系统频率进行采样，使风力发电机组变流器对频率变化变得敏感，风电场变流器将可用的惯性量注入为5％至50％的条件下，通过最佳比例积分(PI)控制器可以实现频率响应的改善。通过对风力输出功率的下垂控制来实现功率储备，并将能量存储系统与其它电力系统中的风力发电机组进行协调控制，风电场参与将惯性维持在理想的速率，并且通过增加常规单位发电量。但是，风力发电机组仍以其最大输出速率运行，不参与对系统频率进行补充控制，仍然以最大输出功率值运行会阻碍风电场产生的额外惯性，并导致风电场发电场不会像补充频率控制那样参与稳态频率响应的控制。现有的风电场频率控制方法，没有考虑高海拔风电机组尾流相互作用对发电量的影响；调频期间，频率响应不及时，存在满负荷的不平衡问题。
如中国专利CN109327045A，公开日2019年2月12日，一种经柔性直流并网的大型风电场频率控制方法及装置，包括：在已有的逆变侧换流器控制方法上增设一个随交流电网频率变化的第一功率附加值，叠加到有功功率参考值上；在已有的整流侧换流器控制方法上增设一个随直流电压变化的频率附加值，叠加到输出交流频率上；在已有的风电机组控制方法上增设一个随交流电网频率变化的第二功率附加值，叠加到风电机组输出功率参考值上。该方案没有考虑高海拔风电机组尾流相互作用对发电量的影响；调频期间，频率响应不及时，存在满负荷的不平衡问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：目前的风电场频率控制方法由于高海拔地区空气密度较低导致调频期间频率响应不及时的技术问题。提出了一种能够提升高海拔地区风电机组调频期间频率响应效率的高海拔风场频率控制系统及方法。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：一种高海拔风场频率控制系统，包括频率功率控制模块、简化电网模块、尾流模块、变桨控制模块、机械惯量模块、速度控制模块、发电机组模块、功率设定模块和粒子群算法模块，所述功率设定模块分别与所述频率功率控制模块和所述粒子群算法模块连接，所述频率功率控制模块与所述简化电网模块连接，所述粒子群算法模块与所述发电机组模块连接，机械惯量模块分别与所述尾流模块、所述变桨控制模块和所述速度控制模块连接，所述速度控制模块与所述发电机组模块连接，所述发电机组模块分别与所述机械惯量模块和所述简化电网模块连接。一种高海拔风场频率控制系统，通过功率设定模块设定不同情况下的有功功率变化值；通过频率功率控制模块对发电机组的输出频率和输出功率进行控制；通过尾流模块优化风电机组偏航角度；通过变桨控制模块实时动态调节叶片角桨距，控制风力发电机组电机的转速变化范围；通过粒子群算法模块找到影响风电场的惯量、阻尼和辅助控制PID控制器的系数，获得最优功率储备值；结合机械惯量模块、速度控制模块和简化电网模型对发电机组进行联合控制，改善发电机组频率控制性能，进而提升高海拔地区风电机组调频期间频率响应效率。
一种高海拔风场频率控制方法，利用上述控制系统，包括：
通过功率设定模块设定不同情况下的有功功率变化值；通过频率功率控制模块对发电机组的输出频率和输出功率进行控制；通过尾流模块优化风电机组偏航角度；通过变桨控制模块实时动态调节叶片角桨距，控制风力发电机组电机的转速变化范围；通过粒子群算法模块找到影响风电场的惯量、阻尼和辅助控制PID控制器的系数，获得最优功率储备值；结合机械惯量模块、速度控制模块和简化电网模型对发电机组进行联合控制。
一种高海拔风场频率控制方法，利用上述控制系统，控制系统包括频率-功率控制模块、变桨控制模块、尾流模块、机械惯量模块、速度控制模块、简化电网模块、功率设定模块和粒子群算法模块，实施步骤包括：
基于高海拔风场尾流模型，采用优化风电机组偏航角度方法，下风向机组的尾流和风轮的轴向诱导均引导开，减少尾流相互作用来增加风电场的发电量；
提出了一种新的风电场频率-功率控制模型，通过功率设定确定不同情况下的有功功率变化值，允许部分和瞬时释放风力发电机组降额预留的动能，以便提供更早的频率支持，从而解决满负荷的不平衡问题；
通过变桨控制模型实时动态调节叶片角桨距将风力发电机组电机转速限制在适当的值，解决调频期间风力发电机组的超速问题；
制定由频率响应特性组成的多目标函数，通过PSO算法即粒子群算法模块找到影响风电场的惯量，阻尼和辅助控制PID控制器的系数，以获得足够的可用最优功率储备值；
结合机械惯量模型、速度控制器、简化电网模型联合控制，改善了频率响应斜率和最小频率值和响应时间等频率控制性能，实现了风电场参与辅助频率控制，增强电网的惯性和阻尼，从而提高风电机组的渗透性。
作为优选，所述频率功率控制模块包括频率功率控制模型，所述频率功率控制模型中频率变化率R(％)计算表达式为：
Figure BDA0003275670960000031
其中：fNL为空载频率；fFL为满载频率；f0为正常频率。频率-功率控制模型中，旋转质量(风力发电机组)的惯性阻止了频率的快速变化。因此，为补偿发电机增加负载功率的辅助控制，提供了足够的时间。
频率-功率控制模型由下垂控制、调速器、风电机组、辅助控制四部分组成，为了在两台或更多并列运行机组间而稳定地分担负荷，选择具有负荷增加时速度下降的特性的调速器，传递函数表示为
Figure BDA0003275670960000032
其中
Figure BDA0003275670960000033
下垂控制和调速器共同组成带增益
Figure BDA0003275670960000034
的比例控制器，R(％)为频率变化率表示如下：
Figure BDA0003275670960000035
其中：fNL为空载频率；fFL为满载频率；f0为正常频率。
风力发电机组的转速和负载之间的关系可通过参考功率设定的方式改变，传递函数表示为
Figure BDA0003275670960000036
辅助控制通过添加一个复位或积分控制来实现的，该复位或积分控制作用于AGC单元调速器的负载参考设置，其目标是通过调整选定发电机的输出，将频率调节到指定的标称值，并使控制区域之间的交换功率保持在预定值。
作为优选，所述尾流模块包括尾流模型，所述尾流模型中功率系数Cp和轴向诱导系数ai关系式如下：
Figure BDA0003275670960000038
受尾流影响的有效风速，由重叠面积
Figure BDA0003275670960000037
尾流衰减系数ci，q(xj)、轴向诱导系数ai等决定；
Figure BDA0003275670960000041
u(j)表示在U集合中与机组j∈D有最大重叠面积，机组j∈D在最大重叠区u(j)的有效风速，假定u(j)乘以一个表示不同尾流区的系数，它通过与风轮的重叠程度衡量。
考虑到偏航对风误差对风轮功率影响，功率系数Cp和轴向诱导系数ai关系如下：
Figure BDA0003275670960000045
这里，Cp(ai，γi)是与轴向诱导系数ai，偏航角度γi相关的功率系数，最大Cp＝0.482、效率η＝0.768、参数pP＝2。
作为优选，所述机械惯量模块的控制过程为：获取风速v、桨距角β、叶尖速比λ、风轮转速ωr、气动转矩Ta、发电机电磁转矩Te和系统总惯量J，通过调节转矩，从发电机旋转动能中获取能量，实现频率控制；获取风力发电机组功率Pg，负载需求功率Pl，系统总惯量J和电网频率f，计算风力发电机组用于调频的储备动能；获取风机的转速范围ωmin～ω额定和对应的功率范围Pmin～Pmax，计算单台机组的惯性系数；计算风机旋转储备动能与其额定功率之比H总；得到单元k的仿真惯量。
机械惯量模块的控制过程包括：
步骤1，获取v风速、β桨距角、λ叶尖速比、ωr风轮转速、Ta气动转矩、Te发电机电磁转矩、系统总惯量J，则可通过调节转矩，从发电机旋转动能中获取能量，来实现频率控制；
Figure BDA0003275670960000042
步骤2，获取风力发电机组功率Pg，负载需求功率Pl，系统总惯量J，电网频率f，则风力发电机组可用于调频的储备动能为：
Figure BDA0003275670960000043
步骤3，获取风机的转速范围ωmin～ω额定和对应的功率范围Pmin～Pmax，则单台机组的惯性系数为：
Figure BDA0003275670960000044
步骤4，从整个电网角度考虑，整个风电场的电网总惯量常数表示为风机旋转储备动能与其额定功率之比H总：
Figure BDA0003275670960000051
步骤5，则单元k的仿真惯量表示为：
Figure BDA0003275670960000052
其中，
Figure BDA0003275670960000053
为机组风机旋转储备动能总和，∑iP额定，i为额定功率总和，机组动能和仿真惯量关系为
Figure BDA0003275670960000054
总存储动能为E存储，总＝∑kE存储，k。
作为优选，所述速度控制模块中参考功率的计算公式如下：
Figure BDA0003275670960000055
其中，kp为速度控制器比例常数，ki为速度控制器积分常数，
Figure BDA0003275670960000056
为发电机参考转速。
一旦频率瞬变结束，等效的频率-功率控制模型可恢复最佳发电机转速。为此，强制发电机参考转速
Figure BDA0003275670960000057
跟踪所需参考功率Pω如下：
Figure BDA0003275670960000058
其中，kp为速度控制器比例常数，ki为速度控制器积分常数。
因此，满足以下两个条件：
1)快速恢复；
2)瞬态速度变化时持续的时间相对较短，因此非常规发电机能够注入所需量的有功功率，以缓解瞬态频率偏差。
频率-功率控制模型的总有功功率参考值下：
pf＝pfw+pw
频率瞬变通常在短时间内发生，由于通过非常快的功率电子转换器来调节电功率，因此，假定在参考功率pf与总注入功率pNC之间没有动态。如相对较慢的PI控制器所提供的那样，可以假定它在几秒钟内不会发生变化，从而将pNc视为常量进行简化。
Figure BDA0003275670960000059
这里
Figure BDA00032756709600000510
为频率瞬变之前的注入功率。
总功率和频率变化之间的关系如下：
Figure BDA0003275670960000061
结合
Figure BDA0003275670960000062
可得到：
Figure BDA0003275670960000063
所考虑的惯性控制由给出的H*转化为系统惯性，该值可以通过改变Kdf而任意设置。因此，Kdf正值会增加系统惯量，在实际应用中，这仅在一些可行的余量之内是可能的。
作为优选，所述功率设定模块中功率设定参考值的计算公式为：
Figure BDA0003275670960000064
其中，Kdf为加权频率偏差导数常数，Kpf为加权频率偏差本身。
在整个风电场的频率控制中，积分控制器，Washout滤波器和PID控制器可以确定不同情况下的有功功率变化值。从电网频率变化中采样的动作是通过扩张元素来完成的。由于此时间延迟会影响频率控制器的功能，因此在建模阶段必须考虑上述延迟。在频率采样步骤之后，采用冲洗滤波器以防止低频振荡进入，最后PID控制器使风电场的功率变化清晰化。功率设定参考值如下式确定：
Figure BDA0003275670960000065
Kdf为加权频率偏差导数常数，Kpf为加权频率偏差本身；功率设定参考应用时，高通滤波器后面会出现频率偏差，因此永久性频率偏差不会对控制策略产生影响。
常规初级调节建议以过渡方式执行的，控制器的输出被视为由频率-功率控制模型跟踪的附加功率参考。可以将该参考功率定义为
Figure BDA0003275670960000066
其中，R是传统使用的下垂常数。
本发明的实质性效果是：本发明通过功率设定模块设定不同情况下的有功功率变化值；通过频率功率控制模块对发电机组的输出频率和输出功率进行控制；通过尾流模块优化风电机组偏航角度，减少尾流相互作用来增加风电场的发电量；通过变桨控制模块实时动态调节叶片角桨距，控制风力发电机组电机的转速变化范围，解决调频期间风力发电机组的超速问题；通过粒子群算法模块找到影响风电场的惯量、阻尼和辅助控制PID控制器的系数，获得最优功率储备值；结合机械惯量模块、速度控制模块和简化电网模型对发电机组进行联合控制，增强电网的惯性和阻尼，提高风电机组的渗透性，改善发电机组频率控制性能，进而提升高海拔地区风电机组调频期间频率响应效率。
附图说明
图1为本实施例的组成示意图。
其中：1、频率功率控制模块，2、简化电网模块，3、尾流模块，4、变桨控制模块，5、机械惯量模块，6、速度控制模块，7、发电机组模块，8、功率设定模块，9、粒子群算法模块。
具体实施方式
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步具体说明。
一种高海拔风场频率控制系统，如图1所示，包括频率功率控制模块1、简化电网模块2、尾流模块3、变桨控制模块4、机械惯量模块5、速度控制模块6、发电机组模块7、功率设定模块8和粒子群算法模块9，功率设定模块8分别与频率功率控制模块1和粒子群算法模块9连接，频率功率控制模块1与简化电网模块2连接，粒子群算法模块9与发电机组模块7连接，机械惯量模块5分别与尾流模块3、变桨控制模块4和速度控制模块6连接，速度控制模块6与发电机组模块7连接，发电机组模块7分别与机械惯量模块5和简化电网模块2连接。
一种高海拔风场频率控制方法，利用上述控制系统，包括：
通过功率设定模块8设定不同情况下的有功功率变化值；通过频率功率控制模块1对发电机组的输出频率和输出功率进行控制；通过尾流模块3优化风电机组偏航角度；通过变桨控制模块4实时动态调节叶片角桨距，控制风力发电机组电机的转速变化范围；通过粒子群算法模块9找到影响风电场的惯量、阻尼和辅助控制PID控制器的系数，获得最优功率储备值；结合机械惯量模块5、速度控制模块6和简化电网模型对发电机组进行联合控制。
一种高海拔风场频率控制方法，利用上述控制系统，控制系统包括频率-功率控制模块、变桨控制模块4、尾流模块3、机械惯量模块5、速度控制模块6、简化电网模块2、功率设定模块8和粒子群算法模块9，实施步骤包括：
基于高海拔风场尾流模型，采用优化风电机组偏航角度方法，下风向机组的尾流和风轮的轴向诱导均引导开，减少尾流相互作用来增加风电场的发电量；尾流模块3包括尾流模型，尾流模型中功率系数Cp和轴向诱导系数ai关系式如下：
Figure BDA0003275670960000072
受尾流影响的有效风速，由重叠面积
Figure BDA0003275670960000071
尾流衰减系数ci，q(xj)、轴向诱导系数ai等决定；
Figure BDA0003275670960000081
u(j)表示在U集合中与机组j∈D有最大重叠面积，机组j∈D在最大重叠区u(j)的有效风速，假定u(j)乘以一个表示不同尾流区的系数，它通过与风轮的重叠程度衡量。
考虑到偏航对风误差对风轮功率影响，功率系数Cp和轴向诱导系数ai关系如下：
Figure BDA0003275670960000085
这里，Cp(ai，γi)是与轴向诱导系数ai，偏航角度γi相关的功率系数，最大Cp＝0.482、效率η＝0.768、参数pP＝2。
提出了一种新的风电场频率-功率控制模型，通过功率设定确定不同情况下的有功功率变化值，允许部分和瞬时释放风力发电机组降额预留的动能，以便提供更早的频率支持，从而解决满负荷的不平衡问题；功率设定模块8中功率设定参考值的计算公式为：
Figure BDA0003275670960000082
其中，Kdf为加权频率偏差导数常数，Kdf为加权频率偏差本身。
在整个风电场的频率控制中，积分控制器，Washout滤波器和PID控制器可以确定不同情况下的有功功率变化值。从电网频率变化中采样的动作是通过扩张元素来完成的。由于此时间延迟会影响频率控制器的功能，因此在建模阶段必须考虑上述延迟。在频率采样步骤之后，采用冲洗滤波器以防止低频振荡进入，最后PID控制器使风电场的功率变化清晰化。功率设定参考值如下式确定：
Figure BDA0003275670960000083
Kdf为加权频率偏差导数常数，Kpf为加权频率偏差本身；功率设定参考应用时，高通滤波器后面会出现频率偏差，因此永久性频率偏差不会对控制策略产生影响。
常规初级调节建议以过渡方式执行的，控制器的输出被视为由频率-功率控制模型跟踪的附加功率参考。可以将该参考功率定义为
Figure BDA0003275670960000084
其中，R是传统使用的下垂常数。
频率功率控制模块1包括频率功率控制模型，频率功率控制模型中频率变化率R(％)计算表达式为：
Figure BDA0003275670960000091
其中：fNL为空载频率；fFL为满载频率；f0为正常频率。频率-功率控制模型中，旋转质量(风力发电机组)的惯性阻止了频率的快速变化。因此，为补偿发电机增加负载功率的辅助控制，提供了足够的时间。
频率-功率控制模型由下垂控制、调速器、风电机组、辅助控制四部分组成，为了在两台或更多并列运行机组间而稳定地分担负荷，选择具有负荷增加时速度下降的特性的调速器，传递函数表示为
Figure BDA0003275670960000092
其中
Figure BDA0003275670960000093
下垂控制和调速器共同组成带增益
Figure BDA0003275670960000094
的比例控制器，R(％)为频率变化率表示如下：
Figure BDA0003275670960000095
其中：fNL为空载频率；fFL为满载频率；f0为正常频率。
风力发电机组的转速和负载之间的关系可通过参考功率设定的方式改变，传递函数表示为
Figure BDA0003275670960000096
辅助控制通过添加一个复位或积分控制来实现的，该复位或积分控制作用于AGC单元调速器的负载参考设置，其目标是通过调整选定发电机的输出，将频率调节到指定的标称值，并使控制区域之间的交换功率保持在预定值。
通过变桨控制模型即变桨控制模块4实时动态调节叶片角桨距将风力发电机组电机转速限制在适当的值，解决调频期间风力发电机组的超速问题；当发生电网频率偏移时，通过风力发电机的转子侧变流器的初始超前动作进行有功功率注入，然后进行变桨控制以调节机械功率。变桨控制模块4还负责在高风速期间限制风力涡轮机的机械功率。
根据风力发电机组的转速-功率特性，当风电场运行于P实际时，Pres+为存储于风电场中的功率值，特别地，通过变桨控制实现风电场运行于ωopt而不是在ω虚拟转速上。
ω实际为风力发电机组运行时转速，只要输出功率值P总小于风力发电机组的最佳功率Popt，就将风力发电机组转速ωref调节为ωopt速度。当风力发电机组的输出功率在P虚拟＜P总＜Popt之间时，可以根据功率和转矩方程式确定风力发电机组转速
Figure BDA0003275670960000097
Figure BDA0003275670960000098
因此，风电场的正负预留功率可通过预留功率系数x表示：
0≤x≤1
Pres+＝Popt(1-x)
Pres-＝xPopt
制定由频率响应特性组成的多目标函数，通过PSO算法即粒子群算法模块9找到影响风电场的惯量，阻尼和辅助控制PID控制器的系数，以获得足够的可用最优功率储备值；风力变化Δv引起的功率变化ΔPwind可以表述为：
Figure BDA0003275670960000101
其中dp/dβ是叶片角的特定变化的风输出变化，dp/dω是风功率变化与涡轮角速度小变化的比例，dp/dv表示一定风速下的风输出变化。
发电机转速的变化(Δω)使用桨距角控制回路指定叶片角度变化值(Δβ)。风能变化确定输入功率的可用量，值得一提的是，风力输出功率的变化取决于发电机转速的变化(Δω)，叶片的角度的变化(Δβ)以及风速的变化(Δv)。
结合机械惯量模型、速度控制器、简化电网模型联合控制，改善了频率响应斜率和最小频率值和响应时间等频率控制性能，实现了风电场参与辅助频率控制，增强电网的惯性和阻尼，从而提高风电机组的渗透性。
机械惯量模块5的控制过程为：获取风速v、桨距角β、叶尖速比λ、风轮转速ωr、气动转矩Ta、发电机电磁转矩Te和系统总惯量J，通过调节转矩，从发电机旋转动能中获取能量，实现频率控制；获取风力发电机组功率Pg，负载需求功率Pl，系统总惯量J和电网频率f，计算风力发电机组用于调频的储备动能；获取风机的转速范围ωmin～ω额定和对应的功率范围Pmin～Pmax，计算单台机组的惯性系数；计算风机旋转储备动能与其额定功率之比H总；得到单元k的仿真惯量。
机械惯量模块5的控制过程包括：
步骤1，获取v风速、β桨距角、λ叶尖速比、ωr风轮转速、Ta气动转矩、Te发电机电磁转矩、系统总惯量J，则可通过调节转矩，从发电机旋转动能中获取能量，来实现频率控制；
Figure BDA0003275670960000102
步骤2，获取风力发电机组功率Pg，负载需求功率Pl，系统总惯量J，电网频率f，则风力发电机组可用于调频的储备动能为：
Figure BDA0003275670960000111
步骤3，获取风机的转速范围ωmin～ω额定和对应的功率范围Pmin～Pmax，则单台机组的惯性系数为：
Figure BDA0003275670960000112
步骤4，从整个电网角度考虑，整个风电场的电网总惯量常数表示为风机旋转储备动能与其额定功率之比H总：
Figure BDA0003275670960000113
步骤5，则单元k的仿真惯量表示为：
Figure BDA0003275670960000114
其中，
Figure BDA0003275670960000115
为机组风机旋转储备动能总和，∑iP额定，i为额定功率总和，机组动能和仿真惯量关系为
Figure BDA0003275670960000116
总存储动能为E存储，总＝∑kE存储，k。
速度控制模块6中参考功率的计算公式如下：
Figure BDA0003275670960000117
其中，kp为速度控制器比例常数，ki为速度控制器积分常数，
Figure BDA0003275670960000118
为发电机参考转速。
一旦频率瞬变结束，等效的频率-功率控制模型可恢复最佳发电机转速。为此，强制发电机参考转速
Figure BDA0003275670960000119
跟踪所需参考功率Pω如下：
Figure BDA00032756709600001110
其中，kp为速度控制器比例常数，ki为速度控制器积分常数。
因此，满足以下两个条件：
1)快速恢复；
2)瞬态速度变化时持续的时间相对较短，因此非常规发电机能够注入所需量的有功功率，以缓解瞬态频率偏差。
频率-功率控制模型的总有功功率参考值下：
pf＝pfw+pw
频率瞬变通常在短时间内发生，由于通过非常快的功率电子转换器来调节电功率，因此，假定在参考功率pf与总注入功率pNC之间没有动态。如相对较慢的PI控制器所提供的那样，可以假定它在几秒钟内不会发生变化，从而将pNC视为常量进行简化。
Figure BDA0003275670960000121
这里
Figure BDA0003275670960000122
为频率瞬变之前的注入功率。
总功率和频率变化之间的关系如下：
Figure BDA0003275670960000123
结合
Figure BDA0003275670960000124
可得到：
Figure BDA0003275670960000125
所考虑的惯性控制由给出的H*转化为系统惯性，该值可以通过改变Kdf而任意设置。因此，Kdf正值会增加系统惯量，在实际应用中，这仅在一些可行的余量之内是可能的。
在简化电网模型即简化电网模块2中，其旋转惯量及载荷通过速度-功率传递函数
Figure BDA0003275670960000126
表达，其中，D为负荷阻尼常数，M＝2H，H为惯量常数。
风力发电机组的电功率由于频率波动导致发电机转速的变化而改变，整复合负荷对频率的依赖关系可由此得到：
ΔPe＝ΔPL+DΔωr
其中，ΔPL为对频率不敏感的负荷变化；DΔωr为对频率敏惑的负荷变化；D为负荷阻尼常数，可表示为频率变化1％所引起的负荷变化百分率。
本实施例通过功率设定模块8设定不同情况下的有功功率变化值；通过频率功率控制模块1对发电机组的输出频率和输出功率进行控制；通过尾流模块3优化风电机组偏航角度，减少尾流相互作用来增加风电场的发电量；通过变桨控制模块4实时动态调节叶片角桨距，控制风力发电机组电机的转速变化范围，解决调频期间风力发电机组的超速问题；通过粒子群算法模块9找到影响风电场的惯量、阻尼和辅助控制PID控制器的系数，获得最优功率储备值；结合机械惯量模块5、速度控制模块6和简化电网模型对发电机组进行联合控制，增强电网的惯性和阻尼，提高风电机组的渗透性，改善发电机组频率控制性能，进而提升高海拔地区风电机组调频期间频率响应效率。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高海拔风场频率控制系统，其特征在于，包括频率功率控制模块(1)、简化电网模块(2)、尾流模块(3)、变桨控制模块(4)、机械惯量模块(5)、速度控制模块(6)、发电机组模块(7)、功率设定模块(8)和粒子群算法模块(9)，所述功率设定模块(8)分别与所述频率功率控制模块(1)和所述粒子群算法模块(9)连接，所述频率功率控制模块(1)与所述简化电网模块(2)连接，所述粒子群算法模块(9)与所述发电机组模块(7)连接，机械惯量模块(5)分别与所述尾流模块(3)、所述变桨控制模块(4)和所述速度控制模块(6)连接，所述速度控制模块(6)与所述发电机组模块(7)连接，所述发电机组模块(7)分别与所述机械惯量模块(5)和所述简化电网模块(2)连接。
2.一种高海拔风场频率控制方法，利用如权利要求1所述的一种高海拔风场频率控制系统，其特征在于，包括：
通过功率设定模块(8)设定不同情况下的有功功率变化值；通过频率功率控制模块(1)对发电机组的输出频率和输出功率进行控制；通过尾流模块(3)优化风电机组偏航角度；通过变桨控制模块(4)实时动态调节叶片角桨距，控制风力发电机组电机的转速变化范围；通过粒子群算法模块(9)找到影响风电场的惯量、阻尼和辅助控制PID控制器的系数，获得最优功率储备值；结合机械惯量模块(5)、速度控制模块(6)和简化电网模型对发电机组进行联合控制。
3.根据权利要求2所述的一种高海拔风场频率控制方法，其特征在于，所述频率功率控制模块(1)包括频率功率控制模型，所述频率功率控制模型中频率变化率R(％)计算表达式为：
Figure FDA0003275670950000011
其中：fNL为空载频率；fFL为满载频率；f0为正常频率。
4.根据权利要求2或3所述的一种高海拔风场频率控制方法，其特征在于，所述尾流模块(3)包括尾流模型，所述尾流模型中功率系数Cp和轴向诱导系数ai关系式如下：
Figure FDA0003275670950000012
5.根据权利要求2所述的一种高海拔风场频率控制方法，其特征在于，所述机械惯量模块(5)的控制过程为：获取风速v、桨距角β、叶尖速比λ、风轮转速ωr、气动转矩Ta、发电机电磁转矩Te和系统总惯量J，通过调节转矩，从发电机旋转动能中获取能量，实现频率控制；获取风力发电机组功率Pg，负载需求功率Pl，系统总惯量J和电网频率f，计算风力发电机组用于调频的储备动能；获取风机的转速范围ωmin～ω额定和对应的功率范围Pmin～Pmax，计算单台机组的惯性系数；计算风机旋转储备动能与其额定功率之比H总；得到单元k的仿真惯量。
6.根据权利要求2或5所述的一种高海拔风场频率控制方法，其特征在于，所述速度控制模块(6)中参考功率的计算公式如下：
Figure FDA0003275670950000021
其中，kp为速度控制器比例常数，ki为速度控制器积分常数，
Figure FDA0003275670950000022
为发电机参考转速。
7.根据权利要求2所述的一种高海拔风场频率控制方法，其特征在于，所述功率设定模块(8)中功率设定参考值的计算公式为：
Figure FDA0003275670950000023
其中，Kdf为加权频率偏差导数常数，Kpf为加权频率偏差本身。
CN202111116421.7A 2021-09-23 2021-09-23 一种高海拔风场频率控制系统及方法 Active CN113944593B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111116421.7A CN113944593B (zh) 2021-09-23 2021-09-23 一种高海拔风场频率控制系统及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111116421.7A CN113944593B (zh) 2021-09-23 2021-09-23 一种高海拔风场频率控制系统及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113944593A true CN113944593A (zh) 2022-01-18
CN113944593B CN113944593B (zh) 2023-03-31

Family

ID=79328500

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111116421.7A Active CN113944593B (zh) 2021-09-23 2021-09-23 一种高海拔风场频率控制系统及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113944593B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115912484A (zh) * 2022-12-08 2023-04-04 南方电网数字电网研究院有限公司 一种提供电网主动支撑能力的风电场功率快速控制系统

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2679809A1 (en) * 2012-06-28 2014-01-01 Siemens Aktiengesellschaft Method and arrangement for responding to a grid event, such as fast frequency drop, by combining demand response, inertial response and spinning reserve
US20140003939A1 (en) * 2011-03-15 2014-01-02 Purdue Research Foundation Load shape control of wind turbines
US20150260159A1 (en) * 2014-03-11 2015-09-17 Gamesa Innovation & Technology, S.L. Wind turbine inertia control system
CN106602606A (zh) * 2017-01-06 2017-04-26 云南电网有限责任公司电力科学研究院 考虑风电功率注入的电网综合调频控制方法
CN108368827A (zh) * 2015-05-18 2018-08-03 Abb瑞士股份有限公司 风电场惯性响应
CN108708825A (zh) * 2018-05-15 2018-10-26 浙江运达风电股份有限公司 一种考虑机组尾流的风电场偏航控制方法
CN109861251A (zh) * 2019-03-26 2019-06-07 上海电力学院 一种用于微网暂稳态频率优化的双馈风机综合控制方法
US20210164442A1 (en) * 2018-08-07 2021-06-03 Università Degli Studi Di Genova Method and system for controlling non-inertial generators, in particular wind generators, by inertia emulation

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140003939A1 (en) * 2011-03-15 2014-01-02 Purdue Research Foundation Load shape control of wind turbines
EP2679809A1 (en) * 2012-06-28 2014-01-01 Siemens Aktiengesellschaft Method and arrangement for responding to a grid event, such as fast frequency drop, by combining demand response, inertial response and spinning reserve
US20150260159A1 (en) * 2014-03-11 2015-09-17 Gamesa Innovation & Technology, S.L. Wind turbine inertia control system
CN108368827A (zh) * 2015-05-18 2018-08-03 Abb瑞士股份有限公司 风电场惯性响应
CN106602606A (zh) * 2017-01-06 2017-04-26 云南电网有限责任公司电力科学研究院 考虑风电功率注入的电网综合调频控制方法
CN108708825A (zh) * 2018-05-15 2018-10-26 浙江运达风电股份有限公司 一种考虑机组尾流的风电场偏航控制方法
US20210164442A1 (en) * 2018-08-07 2021-06-03 Università Degli Studi Di Genova Method and system for controlling non-inertial generators, in particular wind generators, by inertia emulation
CN109861251A (zh) * 2019-03-26 2019-06-07 上海电力学院 一种用于微网暂稳态频率优化的双馈风机综合控制方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
张露江等: "大型风机风向补偿算法研究", 《电力系统保护与控制》 *
栗然等: "基于自适应变异粒子群算法的双馈风电机组等值建模", 《电力系统自动化》 *
栾祥霖等: "考虑尾流效应的双馈风力发电机组并网频率控制策略", 《沈阳工程学院学报(自然科学版)》 *
韩帅等: "基于混合Copula函数的风电场可用惯量评估方法", 《电力自动化设备》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115912484A (zh) * 2022-12-08 2023-04-04 南方电网数字电网研究院有限公司 一种提供电网主动支撑能力的风电场功率快速控制系统
CN115912484B (zh) * 2022-12-08 2024-02-20 南方电网数字电网研究院有限公司 一种提供电网主动支撑能力的风电场功率快速控制系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN113944593B (zh) 2023-03-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109449954B (zh) 一种双馈风电机组基于两阶段功率跟踪优化的频率支撑控制方法
Zhang et al. Pitch angle control for variable speed wind turbines
Ramtharan et al. Frequency support from doubly fed induction generator wind turbines
CN107453410B (zh) 负荷扰动的双馈风机参与风柴微网调频控制方法
US8237301B2 (en) Power generation stabilization control systems and methods
CN109861251B (zh) 一种用于微网暂稳态频率优化的双馈风机综合控制方法
CN104917201A (zh) 模拟惯性与超速相结合的双馈风机有功频率控制器及方法
CN110120677B (zh) 双馈可变速抽水蓄能机组的自适应动态虚拟惯量调频方法
CN111900742A (zh) 一种风储系统基于双层协同控制的调频方法
CN107895955B (zh) 一种风电补偿水轮机水锤效应的协同控制方法
CN109659961B (zh) 一种基于分频控制的动态电力系统负荷频率协调方法
CN110880795B (zh) 基于超速风机释放功率提升的风电调频控制方法及系统
CN107394817B (zh) 一种风电参与电力系统调频的方法及系统
CN109630354B (zh) 惯性控制下基于转换器控制的风机和同步机协同调频方法及系统
CN109361233A (zh) 双馈式可变速抽水蓄能电站输出功率动态过程建模方法
Yoo et al. Frequency stability support of a DFIG to improve the settling frequency
CN113944593B (zh) 一种高海拔风场频率控制系统及方法
Naik et al. Fuzzy logic based pitch angle controller/or SCIG based wind energy system
CN109617094A (zh) 一种双馈风力发电机组参与电网一次调频的优化控制方法
Hilal et al. FUZZY POWER CONTROL FOR DOUBLY FED INDUCTION GENERATOR BASED WIND FARM.
Boyle et al. Frequency regulation and operating reserve techniques for variable speed wind turbines
Rosyadi et al. Stabilization of fixed speed wind generator by using variable speed PM wind generator in multi-machine power system
CN111725848A (zh) 一种适用于多种风电渗透率的风机可控频率下垂控制方法
Lou et al. Analysis of primary frequency response based on overspeed and pitch control reserve and coordinated control strategy
CN115882524A (zh) 一种提升频率响应能力的风电机组控制参数整定方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant