CN114256857B - 提高双馈式风电机组调频能力的控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
提高双馈式风电机组调频能力的控制方法及系统，以电网频率偏差为判据，根据电网频率、转子电流频率、转子转速之间的关系，精确计算风电机组机侧控制系统有功功率给定的调节量；本发明从数学模型角度提出提高双馈式风电机组调频能力的控制方法，结合双馈式风电机组在电网频率、转子电流频率、发电机转子转速方面的特性，依据电网频率偏差精确计算风电机组参与调频的功率支撑能力，进而提高双馈式风电机组的调频能力，为高比例新能源电网安全稳定运行提供技术支撑；不需要降低双馈式风电机组的有功功率参考值，可以最大化风电利用率；控制方法适用于所有类型双馈式风电机组。
Description
技术领域
本发明属于新能源的并网性能控制策略技术领域，具体涉及提高双馈式风电机组调频能力的控制方法及系统。
背景技术
近年来，我国风力发电机组装机容量增长迅速，在现有的风电机组中，双馈式风电机组占了很高的比重。风力发电机组大规模并网，导致其对电网的影响愈发显著，相关标准规范对风电机组的技术要求也在不断提高，其中一项重要指标就是风电机组的调频能力。在高比例新能源电网中，必须提高双馈式风电机组对电网频率的支撑能力，才能保证电网的安全稳定运行。
提高双馈式风电机组调频能力的核心问题，是平抑由于风速剧烈波动导致的功率波动。基于双馈式风电机组的数学模型，通过调整风电机组转子转速，依据电网频率偏差精确调整风电机组输出功率，提高风电机组的频率支撑能力，同时使因频率支撑引起的弃风电量最小化，对提高含大规模风电电网的安全稳定运行意义重大。
现有技术中，对于提高双馈式风电机组调频能力的研究包括：
(1)增加储能设备提高调频能力
颜湘武等在2021年在《电工技术学报》，发表过《基于转子动能与超级电容器储能的双馈风电机组惯量和一次调频改进控制策略》，提出了基于转子动能与超级电容器储能的协调频率控制策略。利用转子动能和超级电容器分别实现类似于同步发电机组的惯量特性和下垂特性，保证双馈风力发电机组在系统频率波动时能够提供快速且持久的功率支撑；颜湘武等在2021年在《电工技术学报》，发表过《考虑储能自适应调节的双馈感应发电机一次调频控制策略》，提出了计及超级电容储能荷电状态(SOC)控制的双馈感应发电机的惯量与一次调频自适应控制策略，实现两种调频模式的平滑切换；颜湘武等在2021年在《电力系统自动化》，发表过《基于超级电容储能控制的双馈风电机组惯量与一次调频策略》，提出了基于超级电容储能控制的双馈风电机组惯量与一次调频策略。
(2)采用下垂/阻尼控制
蔡葆锐等在2021年在《电力系统保护与控制》，发表过《基于惯性/下垂控制的变速型风电机组频率协调控制方法》，提出基于惯量控制和下垂控制的变速型风机频率协调控制策略，并分析在不同扰动条件下，不同惯性参数与下垂参数对孤立电力系统频率的影响，据此选择合适的控制参数；王同森等在2021年在《电力系统保护与控制》，发表过《计及转速限值的双馈风机变下垂系数控制策略》，建立了风电参与调频的电力系统频率响应模型，提出了计及转速限值的双馈风机下垂系数整定方法及控制策略；李军徽等在2021年在《电力系统保护与控制》，发表过《基于动态下垂系数与SOC基点的储能一次调频控制策略》，提出以电网调频死区为分割边界将储能调频过程划分为调频阶段与SOC恢复阶段。
(3)采用改进控制方法
崔森等在2021年在《中国电机工程学报》，发表过《考虑源-荷功率随机波动特性的双馈风力发电机一次频率平滑调节方法》，综合考虑源-荷功率随机波动对系统频率产生的影响，提出双馈感应风电机组一次频率平滑调节控制策略；李少林等在2020年在《太阳能学报》，发表过《一种双馈风电机组一次调频协调控制策略研究》，提出一种转子动能与桨距角协调控制的组合调频方法，优化限功率状态下风电机组一次调频性能；徐鹏超等在2020年在《科学技术与工程》，发表过《附加转速优化虚拟惯性控制的双馈风机一次调频研究》，提出双馈风电机组附加转速优化虚拟惯性控制策略，在传统虚拟惯性控制中添加转速优化模块，并与转子转速控制相结合，使风机转子释放或吸收能量更多且平缓。现有技术1(CN106712058B，公开日2017-05-24)“一种双馈风机风电场参与电力系统一次调频的协调控制方法”包括：建立风机的能量状态评价指标和发电水平评价指标；设定风机间的通信系数矩阵；风电场协调层测量频率并产生风电场输出功率参考值；相邻风机交换发电水平评价指标，通过外环迭代方法进行牛顿迭代，追踪协调层产生的参考值；每步迭代中，各风机通过内环递推计算该步近似的牛顿方向，为外环迭代提供必要信息。现有技术2(CN107732943B，公开日2018-02-23)“一种基于双馈异步风力发电机的风电并网调频方法及系统”包括：判断风力发电机的转子是否已经达到额定转速；若否，则采用惯量响应调频方法；若是，则采用一次调频方法；采用改变风力发电机的有功功率输出，而改变风力发电机的转速，从而实现电网调频。
综上所述，目前针对提高双馈式风电机组一次调频能力的研究，主要集中在两个方面。第一个方面增加硬件设备，利用储能设备的充放电功能，平滑新能源出力的同时实现一次调频功能，但增加硬件设备会增加风电机组投资成本。第二方面是采用改进控制策略，通过使风电机组偏离最大功率追踪曲线，留有一定备用的前提下，提供调频服务。但偏离最大功率追踪曲线，等效于发生弃风，且控制策略中的相关参数只能采用经验试探，无法求出最优值。
提升双馈式风电机组调频能力的重点在于，最大化风电机组发电能力的前提下，提高风电机组风电机组对电网的功率支撑能力，因此精确实时计算频率波动条件下的功率支撑能力，对提高高比例新能源电网的频率稳定性具有重要意义。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提出一种提高双馈式风电机组调频能力的控制方法及系统，以电网频率偏差为判据，根据电网频率、转子电流频率、转子转速之间的关系，精确计算转子转速调节量，进而得到风电机组的有功功率调节量，提高双馈式风电机组一次调频能力，为高比例新能源电网的运行提供技术支撑。
本发明采用如下的技术方案。
提高双馈式风电机组调频能力的控制方法，包括：
步骤1，采集双馈式风电机组所接入电网的频率，并计算电网频率偏差；对风电机组额定频率、调频死区、调频功率上下限进行设置；
步骤2，当电网频率偏差超过调频死区时，风电机组进入调频控制模式；反之，风电机组保持当前控制模式不变；
步骤3，风电机组进入调频控制模式后，基于双馈式风电机组调频模型，依据电网频率偏差计算机侧变流器控制系统的有功功率给定的修正值；
步骤4，将机侧变流器控制系统的有功功率给定的修正值，与风电机组最大功率追踪策略的有功功率给定进行叠加，得到风电机组的有功功率给定的调整值；
步骤5，根据有功功率给定的调整值，控制风电机组输出功率。
优选地，步骤1中，电网频率偏差Δfe，满足如下关系式：
Δfe＝fe-feN
式中，fe表示电网频率，feN表示电网额定频率。
优选地，步骤1中，风电机组额定频率为50Hz，调频死区为±0.05Hz，调频功率上限依据风电机组转子转速对应旋转能量与转速上限对应旋转能量之差确定，调频功率下限依据风电机组转子转速对应旋转能量与转速下限对应旋转能量之差确定。
优选地，步骤3包括：
步骤3.1，风电机组进入调频控制模式后，采集转子电流频率、发电机转子转速；
步骤3.2，利用电网频率、转子电流频率、发电机转子转速，建立双馈式风电机组调频模型，满足如下关系式：
式中，
fe*表示电网频率的标幺值，
Pref表示机侧变流器控制系统的有功功率给定，
fir*表示转子电流频率的标幺值，
a、b、c分别表示发电机转子转速与有功功率给定Pref之间的关系系数；
步骤3.3，利用双馈式风电机组调频模型，依据电网频率偏差Δfe，计算风电机组机侧变流器控制系统的有功功率给定的修正值。
优选地，步骤3.3包括：在发电机超同步运行状态下，依据电网频率偏差Δfe，以如下关系式计算风电机组机侧变流器控制系统的有功功率给定的实际值：
式中，
fir*表示转子电流频率的标幺值，
Δfe*表示电网频率偏差的标幺值，
表示发电机超同步运行状态下机侧变流器控制系统的有功功率实际值，
a、b、c分别表示发电机转子转速与有功功率实际值之间的关系系数；
利用实际值和控制系统的有功功率给定之间的差值作为机侧变流器控制系统的有功功率给定的修正值。
优选地，步骤3.3包括：在发电机次同步运行状态下，依据电网频率偏差Δfe，以如下关系式计算风电机组机侧变流器控制系统的有功功率给定的实际值：
式中，
fir*表示转子电流频率的标幺值，
Δfe*表示电网频率偏差的标幺值，
表示发电机次同步运行状态下机侧变流器控制系统的有功功率给定的实际值，
a、b、c分别表示发电机转子转速与有功功率实际值之间的关系系数；
利用实际值和机侧控制系统基于最大功率追踪的有功功率给定之间的差值作为机侧变流器控制系统的有功功率给定的修正值。
优选地，步骤5中，风电机组的有功功率给定的调整值，就是风电机组转子侧变流器输出的有功功率。
提高双馈式风电机组调频能力的控制系统，包括：电网频率采集模块、调频控制模块、有功功率给定调控模块；
电网频率采集模块，用于采集双馈式风电机组所接入电网的频率，并计算电网频率偏差；
调频控制模块，用于将电网频率偏差与调频死区进行比较，当电网频率偏差超过调频死区时，风电机组进入调频控制模式；反之，风电机组保持当前控制模式不变；
有功功率给定调控模块，内置双馈式风电机组调频模型单元和有功功率给定调整单元；其中，双馈式风电机组调频模型单元，用于基于双馈式风电机组调频模型，依据电网频率偏差计算机侧变流器控制系统的有功功率给定的修正值；有功功率给定调整单元，根据双馈式风电机组调频模型单元输出的有功功率给定的修正值，对风电机组最大功率追踪策略的有功功率给定进行调整，得到风电机组的有功功率给定的调整值。
优选地，双馈式风电机组调频模型单元，基于双馈式风电机组调频模型，依据电网频率偏差，分别计算发电机超同步运行状态和次同步运行状态下的机侧变流器控制系统的有功功率给定的修正值。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比：
1、依据双馈式风电机组“变速恒频”的特性，结合双馈式风电机组自身特性，从数学模型角度提出提高双馈式风电机组调频能力的控制方法；
2、结合双馈式风电机组在电网频率、转子电流频率、发电机转子转速方面的特性，依据电网频率偏差精确计算风电机组的调频功率支撑能力，进而提高双馈式风电机组的调频能力，为高比例新能源电网运行提供技术支撑；
3、基于电网频率、转子电流频率、发电机转子转速之间的数学关系，可以精确计算电网频率波动条件下的有功功率调节量；而现有技术是基于经验或者频率与有功调节量设置一个固定比例，因此，基于数学模型的调频控制的精度更高；
4、不需要降低双馈式风电机组的有功功率参考值，可以最大化风电利用率；
5、提高双馈式风电机组调频能力的控制方法，适用于所有类型双馈式风电机组。
附图说明
图1是本发明提高双馈式风电机组调频能力的控制方法的步骤框图；
图2是本发明一实施例中调频控制策略下有功功率给定与转子转速、频率偏差的关系示意图；
图3本发明提高双馈式风电机组调频能力的控制系统的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
如图1，提高双馈式风电机组调频能力的控制方法，包括步骤1至5，具体如下：
步骤1，采集双馈式风电机组所接入电网的频率，并计算电网频率偏差；对风电机组额定频率、调频死区、调频功率上下限进行设置。
具体地，步骤1中，电网频率偏差Δfe，满足如下关系式：
Δfe＝fe-feN
式中，fe表示电网频率，feN表示电网额定频率，即50Hz。
具体地，步骤1中，风电机组额定频率为50Hz，调频死区优选为±0.05Hz，如图2，调频功率上限依据风电机组转子转速对应旋转能量与转速上限对应旋转能量之差确定，调频功率下限依据风电机组转子转速对应旋转能量与转速下限对应旋转能量之差确定。
步骤2，当电网频率偏差超过调频死区时，风电机组进入调频控制模式；反之，风电机组保持当前控制模式不变。
步骤3，风电机组进入调频控制模式后，基于双馈式风电机组调频模型，依据电网频率偏差计算机侧变流器控制系统的有功功率给定的修正值。
具体地，步骤3包括：
步骤3.1，风电机组进入调频控制模式后，采集转子电流频率、发电机转子转速；
步骤3.2，利用电网频率、转子电流频率、发电机转子转速，建立双馈式风电机组调频模型，满足如下关系式：
式中，
fe*表示电网频率的标幺值，
Pref表示机侧变流器控制系统的有功功率给定，
fir*表示转子电流频率的标幺值，
a、b、c分别表示发电机转子转速与有功功率给定Pref之间的关系系数；
步骤3.3，利用双馈式风电机组调频模型，依据电网频率偏差Δfe，计算风电机组机侧变流器控制系统的有功功率给定的修正值。
具体地，步骤3.3包括：在发电机超同步运行状态下，依据电网频率偏差Δfe，以如下关系式计算风电机组机侧变流器控制系统的有功功率给定的实际值：
式中，
fir*表示转子电流频率的标幺值，
Δfe*表示电网频率偏差的标幺值，
表示发电机超同步运行状态下机侧变流器控制系统的有功功率实际值，
a、b、c分别表示发电机转子转速与有功功率实际值之间的关系系数；
利用实际值和控制系统的有功功率给定之间的差值作为机侧变流器控制系统的有功功率给定的修正值。
具体地，步骤3.3包括：在发电机次同步运行状态下，依据电网频率偏差Δfe，以如下关系式计算风电机组机侧变流器控制系统的有功功率给定的实际值：
式中，
fir*表示转子电流频率的标幺值，
Δfe*表示电网频率偏差的标幺值，
表示发电机次同步运行状态下机侧变流器控制系统的有功功率给定的实际值，
a、b、c分别表示发电机转子转速与有功功率实际值之间的关系系数；
利用实际值和机侧控制系统基于最大功率追踪的有功功率给定之间的差值作为机侧变流器控制系统的有功功率给定的修正值。
步骤4，将机侧变流器控制系统的有功功率给定的修正值，与风电机组最大功率追踪策略的有功功率给定进行叠加，得到风电机组的有功功率给定的调整值；
步骤5，根据有功功率给定的调整值，控制风电机组输出功率。
具体地，步骤5中，风电机组的有功功率给定的调整值，就是风电机组转子侧变流器输出的有功功率。
提高双馈式风电机组调频能力的控制系统，包括：电网频率采集模块、调频控制模块、有功功率给定调控模块；
电网频率采集模块，用于采集双馈式风电机组所接入电网的频率，并计算电网频率偏差；
调频控制模块，用于将电网频率偏差与调频死区进行比较，当电网频率偏差超过调频死区时，风电机组进入调频控制模式；反之，风电机组保持当前控制模式不变；
有功功率给定调控模块，内置双馈式风电机组调频模型单元和有功功率给定调整单元；其中，双馈式风电机组调频模型单元，用于基于双馈式风电机组调频模型，依据电网频率偏差计算机侧变流器控制系统的有功功率给定的修正值；有功功率给定调整单元，根据双馈式风电机组调频模型单元输出的有功功率给定的修正值，对风电机组最大功率追踪策略的有功功率给定进行调整，得到风电机组的有功功率给定的调整值。
优选地，双馈式风电机组调频模型单元，基于双馈式风电机组调频模型，依据电网频率偏差，分别计算发电机超同步运行状态和次同步运行状态下的机侧变流器控制系统的有功功率给定的修正值。
本发明的提高双馈式风电机组调频能力的控制系统的工作流程如图3所示。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比：
1、依据双馈式风电机组“变速恒频”的特性，结合双馈式风电机组自身特性，从数学模型角度提出提高双馈式风电机组调频能力的控制方法；
2、结合双馈式风电机组在电网频率、转子电流频率、发电机转子转速方面的特性，依据电网频率偏差精确计算风电机组的调频功率支撑能力，进而提高双馈式风电机组的调频能力，为高比例新能源电网运行提供技术支撑；
3、基于电网频率、转子电流频率、发电机转子转速之间的数学关系，可以精确计算电网频率波动条件下的有功功率调节量；而现有技术是基于经验或者频率与有功调节量设置一个固定比例，因此，基于数学模型的调频控制的精度更高；
4、不需要降低双馈式风电机组的有功功率参考值，可以最大化风电利用率；
5、提高双馈式风电机组调频能力的控制方法，适用于所有类型双馈式风电机组。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.提高双馈式风电机组调频能力的控制方法，其特征在于，
所述方法包括：
步骤1，采集双馈式风电机组所接入电网的频率，并计算电网频率偏差；对风电机组额定频率、调频死区、调频功率上下限进行设置；
步骤2，当电网频率偏差超过调频死区时，风电机组进入调频控制模式；反之，风电机组保持当前控制模式不变；
步骤3，风电机组进入调频控制模式后，基于双馈式风电机组调频模型，依据电网频率偏差计算机侧变流器控制系统的有功功率给定的修正值；
步骤3包括：
步骤3.1，风电机组进入调频控制模式后，采集转子电流频率、发电机转子转速；
步骤3.2，利用电网频率、转子电流频率、发电机转子转速，建立双馈式风电机组调频模型，满足如下关系式：
式中，fe*表示电网频率的标幺值，Pref表示机侧变流器控制系统的有功功率给定，fir*表示转子电流频率的标幺值，a、b、c分别表示发电机转子转速与有功功率给定Pref之间的关系系数；
步骤3.3，利用双馈式风电机组调频模型，依据电网频率偏差Δfe，计算风电机组机侧变流器控制系统的有功功率给定的修正值；
步骤3.3包括：在发电机超同步运行状态下，依据电网频率偏差Δfe，以如下关系式计算风电机组机侧变流器控制系统的有功功率给定的实际值：
式中，fir*表示转子电流频率的标幺值，Δfe*表示电网频率偏差的标幺值，表示发电机超同步运行状态下机侧变流器控制系统的有功功率实际值，a、b、c分别表示发电机转子转速与有功功率实际值/>之间的关系系数；
利用实际值和控制系统的有功功率给定之间的差值作为机侧变流器控制系统的有功功率给定的修正值；
步骤3.3包括：在发电机次同步运行状态下，依据电网频率偏差Δfe，以如下关系式计算风电机组机侧变流器控制系统的有功功率给定的实际值：
式中，fir*表示转子电流频率的标幺值，Δfe*表示电网频率偏差的标幺值，表示发电机次同步运行状态下机侧变流器控制系统的有功功率给定的实际值，a、b、c分别表示发电机转子转速与有功功率实际值/>之间的关系系数；
利用实际值和机侧控制系统基于最大功率追踪的有功功率给定之间的差值作为机侧变流器控制系统的有功功率给定的修正值；
步骤4，将机侧变流器控制系统的有功功率给定的修正值，与风电机组最大功率追踪策略的有功功率给定进行叠加，得到风电机组的有功功率给定的调整值；
步骤5，根据有功功率给定的调整值，控制风电机组输出功率。
2.根据权利要求1所述的提高双馈式风电机组调频能力的控制方法，其特征在于，
步骤1中，所述电网频率偏差Δfe，满足如下关系式：
Δfe＝fe-feN
式中，fe表示电网频率，feN表示电网额定频率。
3.根据权利要求1所述的提高双馈式风电机组调频能力的控制方法，其特征在于，
步骤1中，风电机组额定频率为50Hz，调频死区为±0.05Hz，调频功率上限依据风电机组转子转速对应旋转能量与转速上限对应旋转能量之差确定，调频功率下限依据风电机组转子转速对应旋转能量与转速下限对应旋转能量之差确定。
4.根据权利要求1所述的提高双馈式风电机组调频能力的控制方法，其特征在于，
步骤5中，风电机组的有功功率给定的调整值，就是风电机组转子侧变流器输出的有功功率。
5.利用权利要求1至4中任一项所述的提高双馈式风电机组调频能力的控制方法而实现的提高双馈式风电机组调频能力的控制系统，其特征在于，
所述系统包括：电网频率采集模块、调频控制模块、有功功率给定调控模块；
所述电网频率采集模块，用于采集双馈式风电机组所接入电网的频率，并计算电网频率偏差；
所述调频控制模块，用于将电网频率偏差与调频死区进行比较，当电网频率偏差超过调频死区时，风电机组进入调频控制模式；反之，风电机组保持当前控制模式不变；
所述有功功率给定调控模块，内置双馈式风电机组调频模型单元和有功功率给定调整单元；其中，双馈式风电机组调频模型单元，用于基于双馈式风电机组调频模型，依据电网频率偏差计算机侧变流器控制系统的有功功率给定的修正值；有功功率给定调整单元，根据双馈式风电机组调频模型单元输出的有功功率给定的修正值，对风电机组最大功率追踪策略的有功功率给定进行调整，得到风电机组的有功功率给定的调整值。
6.根据权利要求5所述的提高双馈式风电机组调频能力的控制系统，其特征在于，
双馈式风电机组调频模型单元，基于双馈式风电机组调频模型，依据电网频率偏差，分别计算发电机超同步运行状态和次同步运行状态下的机侧变流器控制系统的有功功率给定的修正值。
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