CN114430174A - 计及电网频率波动特性的风电改进逐步惯性控制调频方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供计及电网频率波动特性的风电改进逐步惯性控制调频方法,所述方法包括:获取系统频率变化率、频率偏差,当系统频率偏差大于风机预设调频死区阈值,风机参与电网调频;根据预设的风机调频策略以及模糊控制器得到的风电机组调频控制系数,指导风电机组参与电网调频。本申请提供的方法能够避免传统SIC调频策略在转速恢复阶段产生频率二次跌落的缺点,其调频效果优于传统SIC调频策略。
Description
技术领域
本申请涉及电力系统频率控制技术领域,特别涉及计及电网频率波动特性的风电改进逐步惯性控制调频方法。
背景技术
常规同步发电机转子转速和系统频率直接耦合,能够直接响应系统频率变化,具有阻尼系统频率突变的作用,对系统呈现一定的惯性。然而利用电力电子设备控制的风电机组通常与系统频率完全解耦,其转子动能被变频器控制“隐藏”。随着风电渗透率的增加,传统同步发电机在电力系统中所占的比例逐渐降低,系统的备用容量以及转动惯量相对减少,给电力系统的稳定运行带来严峻的挑战。为了电力系统能够安全稳定运行,需要让风电机组具有惯量响应能力,参与电网频率调节,国内外最新发布的一些电网导则也明确提出并网风电场需要提供和常规发电厂一样的惯量响应以及一次调频等附属功能。
风电机组的逐步惯性控制(Stepwise Inertial Control,SIC)调频策略属于惯性响应调频策略,其利用风轮所储存的动能参与电网调频,能够在短时间内快速释放转子动能支撑电网频率,但由于传统SIC策略需要优化的参数较多,并且在风电机组转速恢复阶段会造成较为严重的频率二次跌落,危害电网安全稳定运行。因此,研究设计能够改善系统频率二次跌落的调频方法具有重要意义。
发明内容
本申请提供了计及电网频率波动特性的风电改进逐步惯性控制调频方法,可用于解决系统频率二次跌落的技术问题。
本申请提供计及电网频率波动特性的风电改进逐步惯性控制调频方法,所述方法包括:
获取系统频率变化率、频率偏差,当系统频率偏差大于风机预设调频死区阈值,风机参与电网调频;
根据预设的风机调频策略以及模糊控制器得到的风电机组调频控制系数,指导风电机组参与电网调频。
可选的,所述风电机组调频控制系数通过以下方法确定:
预先设计模糊控制器
将系统频率偏差变化率、风机转速偏移量确定为模糊控制器的输入量,将风电机组调频控制系数确定为模糊控制器的输出量;
利用三角隶属度函数将所述模糊控制器的输入量、所述模糊控制器的输出量模糊化;其中,模糊集为7个子集;
采用传统模糊推理法则确定模糊规则;
利用重心算法对模糊控制器输出量进行去模糊运算,得到所述风电机组调频控制系数。
可选的,所述风机转速偏移量通过以下方法确定:
式中,Δω为所述风机转速偏移量,ωmin为风电机组临界转速;ω0为风电机组初始转速;ωr为风电机组当前转速。
可选的,根据预设的风机调频策略以及模糊控制器得到的风电机组调频控制系数,指导风电机组参与电网调频,包括以下四个阶段:
短时超发阶段、功率下调阶段、恒功率输出阶段以及功率恢复阶段。
可选的,所述短时超发阶段采用以下方法调频:
P=P0+ΔPup,ωmin<ω0&&t<t0+tup
式中,P为风机输出功率;P0为风电机组运行在ω0时的功率;ΔPup为短时超发功率,为恒定值;t为当前时间;t0为发生负荷扰动的时间;tup为短时超发阶段所持续的时间。
可选的,所述功率下调阶段采用以下方法调频:
Pt=Pt-1+KfΔPset,t0+tup≤t
式中,Kf为风电机组调频控制系数;ΔPset为单位调节功率,取值0.01p.u.,Pt为t时刻风电机组输出功率,Pt-1为风电机组t-1时刻输出功率;
可选的,所述恒功率输出阶段采用以下方法调频:
式中,Pconst为恒功率阶段风电机组输出功率,Kω为转速调节系数,ωr风机当前转速,ωD为风电机组气动功率Pm等于电磁功率Pe时的转速;
可选的,所述功率恢复阶段采用以下方法调频:
P=PMPPT(ωr),Pconst≈PMPPT(ωr)
式中,PMPPT(ωr)为MPPT曲线上的功率。
本申请通过采用模糊控制,建立电网频率状态,风机自身转速偏移量与风机调频功率之间的联系,使得风机在参与调频时能够兼顾自身转速稳定与电网频率变化,平滑调频过程,避免功率骤降引发频率二次跌落。
附图说明
图1为本申请实施例提供的计及电网频率波动特性的风电改进逐步惯性控制调频方法的调频控制流程图;
图2为本申请实施例提供的模糊推理的控制面图;
图3为本申请实施例提供的风电机组调频原理图;
图4为本申请实施例提供的系统频率响应模型框图;
图5为本申请实施例提供的相同短时超发功率ΔPup下,风机采用本发明方法与传统SIC策略调频效果对比图;
图6为本申请实施例提供的不同短时超发功率ΔPup下(传统SIC策略ΔPup取最优值),风机采用本发明方法与传统SIC策略调频效果对比图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。
下面首先结合图1对本申请实施例提供的方法进行介绍。
本申请提供的方法包括:
步骤S101,获取系统频率变化率、频率偏差,当系统频率偏差大于风机预设调频死区阈值,风机参与电网调频。
具体的,风电机组转速偏移量Δω的论域为[0,0.3],频率偏差变化率dΔf/dt的论域为[-0.5,0.5]。
步骤S102,根据预设的风机调频策略以及模糊控制器得到的风电机组调频控制系数,指导风电机组参与电网调频。
其中,风电机组调频控制系数通过以下方法确定:
步骤S201,预先设计模糊控制器。
步骤S202,将系统频率偏差变化率dΔf/dt、风机转速偏移量确定为模糊控制器的输入量,将风电机组调频控制系数确定为模糊控制器的输出量。
步骤S203,利用三角隶属度函数将模糊控制器的输入量、模糊控制器的输出量模糊化。其中,模糊集为7个子集。
具体的,模糊规则如下表所示:
表1:模糊规则表
具体的7个子集对应为(NL、NM、NZ、Z、PZ、PM、PL)
步骤S204,采用传统模糊推理法则(Mamdani)确定模糊规则。
步骤S205,利用重心算法对模糊控制器输出量进行去模糊运算,得到风电机组调频控制系数。
具体的,在步骤S102中,风机预设调频死区阈值为(±0.03Hz)。
频率偏差变化率dΔf/dt的论域为[-0.5,0.5]。
根据预设的风机调频策略以及模糊控制器得到的风电机组调频控制系数,指导风电机组参与电网调频,包括以下四个阶段:
短时超发阶段、功率下调阶段、恒功率输出阶段以及功率恢复阶段。
短时超发阶段采用以下方法调频:
P=P0+ΔPup,ωmin<ω0&&t<t0+tup
式中,P为风机输出功率。P0为风电机组运行在ω0时的功率。ΔPup为短时超发功率,为恒定值。t为当前时间。t0为发生负荷扰动的时间。tup为短时超发阶段所持续的时间。
在负荷扰动初始阶段风电机组能够快速注入有功功率支撑电网频率,与传统SIC不同的是,所提出的改进策略在频率到达最低点后便进入功率下调阶段,减小风电机组转子动能的消耗。在系统频率响应(System Frequency Response,SFR)模型中,阶跃负荷扰动下系统频率到达最低点的时间tmin与SFR模型参数有关,为已知量,为减小风电机组转子动能消耗,tup应取为tmin。tmin可由以下公式计算得出:
式中,HS、DS、R、Km、FH、TR均为SFR模型参数,分别是等值惯性时间常数、等值阻尼系数、调速器调节系数、机械功率增益系数、等值高压缸做工比例、等值再热时间常数。K1、K2、K3均为常数,与HS、DS、R、Km、FH、TR取值有关。
功率下调阶段采用以下方法调频:
当t≥t0+tup时,风电机组根据系统频率偏差变化率dΔf/dt及自身转速偏移量Δω调节风电机组输出功率,其过程由下式描述:
Pt=Pt-1+KfΔPset,t0+tup≤t
式中,Kf为风电机组调频控制系数。ΔPset为单位调节功率,取值0.01p.u.,Pt为t时刻风电机组输出功率,Pt-1为风电机组t-1时刻输出功率。
恒功率输出阶段采用以下方法调频:
由于风电机组持续下调功率,势必会延长系统频率恢复速度,为了加快频率恢复速度,风电机组在转速恢复到一定程度时停止功率下调,保持恒功率输出模式,以加快系统频率恢复,其过程如下式所示:
式中,Pconst为恒功率阶段风电机组输出功率,Kω为转速调节系数,ωr风机当前转速,ωD为风电机组气动功率Pm等于电磁功率Pe时的转速。
功率恢复阶段采用以下方法调频:
当风电机组输出功率接近转速ωr所对应的MPPT功率时,切换到MPPT曲线运行,其过程如下式所示:
P=PMPPT(ωr),Pconst≈PMPPT(ωr)
式中,PMPPT(ωr)为MPPT曲线上的功率。
图4为系统频率响应模型框图,其中HS取为8s、DS取为1、R取为0.05、Km取为0.95、FH取为0.3、TR取为8s。
系统其它参数设置为:初始负荷PL为1.0p.u.,在t=40s时,系统发生10%的负荷突增ΔPL,即负荷PL变为1.1p.u.;风速为恒风速,其值为10m/s,风电机组初始出力占比为18%,传统SIC调频策略ΔPup取为0.059p.u.,支撑时间tup取为8.4732s(均为最优参数),本发明方法ΔPup与传统SIC调频策略一致,支撑时间tup经计算取为3.8s,调频效果对比如图5所示,本发明方法所消耗的转子动能少与传统SIC调频策略所消耗的转子动能,且不会产生频率二次跌落,其一次频率跌落最低点与传统SIC调频策略一致(均为49.612Hz),而传统SIC策略由于策略自身的缺陷,导致其在风电机组转速恢复阶段出现较大的频率二次跌落(跌落幅度为-0.132Hz)。因此,在相同的ΔPup下,本发明方法调频效果优于传统SIC策略。
在上述结论基础上,将ΔPup增加到原来的两倍,本发明方法与传统SIC策略调频效果如图6所示,由于传统SIC存在最优退出调频时间,而在该时间下,也存在最优短时超发功率ΔPup(本具体实施例中为0.059p.u.)。因此,当ΔPup增加到原来的两倍时,其调频能力反而下降,恶化了系统频率,系统频率跌至49.5Hz以下,最低点为49.47Hz,而本发明方法能够最大限度的利用风电机组转子动能,根据系统频率状态及风电机组自身转速变化动态改变调频功率,即使在ΔPup增大的情况下,仍保持较好的调频性能,不会产生频率二次跌落,调频过程中频率最低点为49.69Hz,明显优于传统SIC调频策略。
本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请实施例中的技术可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解,本申请实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品可以存储在存储介质中,如ROM/RAM、磁碟、光盘等,包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机,服务器,或者网络设备等)执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
本说明书中各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。尤其,对于服务构建装置和服务加载装置实施例而言,由于其基本相似于方法实施例,所以描述的比较简单,相关之处参见方法实施例中的说明即可。
以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。
Claims (8)
1.计及电网频率波动特性的风电改进逐步惯性控制调频方法,其特征在于,所述方法包括:
获取系统频率变化率、频率偏差,当系统频率偏差大于风机预设调频死区阈值,风机参与电网调频;
根据预设的风机调频策略以及模糊控制器得到的风电机组调频控制系数,指导风电机组参与电网调频。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述风电机组调频控制系数通过以下方法确定:
预先设计模糊控制器;
将系统频率偏差变化率、风机转速偏移量确定为模糊控制器的输入量,将风电机组调频控制系数确定为模糊控制器的输出量;
利用三角隶属度函数将所述模糊控制器的输入量、所述模糊控制器的输出量模糊化;其中,模糊集为7个子集;
采用传统模糊推理法则确定模糊规则;
利用重心算法对模糊控制器输出量进行去模糊运算,得到所述风电机组调频控制系数。
4.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,根据预设的风机调频策略以及模糊控制器得到的风电机组调频控制系数,指导风电机组参与电网调频,包括以下四个阶段:
短时超发阶段、功率下调阶段、恒功率输出阶段以及功率恢复阶段。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,所述短时超发阶段采用以下方法调频:
P=P0+ΔPup,ωmin<ω0&&t<t0+tup
式中,P为风机输出功率;P0为风电机组运行在ω0时的功率;ΔPup为短时超发功率,为恒定值;t为当前时间;t0为发生负荷扰动的时间;tup为短时超发阶段所持续的时间。
6.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,所述功率下调阶段采用以下方法调频:
Pt=Pt-1+KfΔPset,t0+tup≤t
式中,Kf为风电机组调频控制系数;ΔPset为单位调节功率,取值0.01p.u.,Pt为t时刻风电机组输出功率,Pt-1为风电机组t-1时刻输出功率;
8.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,所述功率恢复阶段采用以下方法调频:
P=PMPPT(ωr),Pconst≈PMPPT(ωr)
式中,PMPPT(ωr)为MPPT曲线上的功率。
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