CN114552603A - 具有暂态支撑和深度调频能力的电力系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电力技术领域，公开了一种具有暂态支撑和深度调频能力的电力系统及其控制方法，电力系统包括风电机组和变频器系统；变频器系统包括并网模块、电机驱动模块、飞轮储能装置、数据采集模块和总控制器，电机驱动模块的一端与风电机组连接；飞轮储能装置连接到直流母线；数据采集模块用于采集交流电网的电网数据；总控制器用于在当前电网频率偏离额定频率值时，获得当前电网频率偏离额定频率值的偏离方向和偏离幅值以及获得预设时长内的电网频率变化率，根据偏离方向控制飞轮储能装置对直流母线的充放电工作方向，以及根据电网频率变化率控制风电机组进入惯量支撑模式或者一次调频模式，以及根据偏离幅值计算变频器系统需要充放电的功率。

Description

具有暂态支撑和深度调频能力的电力系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及电力技术领域，尤其是涉及一种具有暂态支撑和深度调频能力的电力系统及其控制方法。
背景技术
当前新能源发电尤其是风力发电已成为风能资源开发利用的重要形式，其中大比例大型风力发电站的接入，将对电网的安全稳定运行产生深刻影响。现有的风力发电模式中，当电网频率发生剧烈波动时，通常采用改变风电机组电磁转矩的方式实现惯量和一次调频。
在相关技术中，风电机组和变频器系统不具有快速响应能力，且风电机组和变频器系统的惯量支撑能力和一次调频能力不足。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种具有暂态支撑和深度调频能力的电力系统，该电力系统具有快速响应能力，增加风力发电站参与快速惯量支撑和快速一次调频的能力。
本发明的另一个目的在于提出一种具有暂态支撑和深度调频能力的电力系统的控制方法。
为了达到上述目的，本发明提出了一种具有暂态支撑和深度调频能力的电力系统，所述电力系统包括风电机组和变频器系统；所述变频器系统包括：并网模块，所述并网模块与交流电网连接；电机驱动模块，所述电机驱动模块的一端与所述风电机组连接，所述电机驱动模块的另一端通过直流母线与所述并网模块连接；飞轮储能装置，所述飞轮储能装置连接到所述直流母线；数据采集模块，所述数据采集模块与所述交流电网连接，用于采集所述交流电网的电网数据；总控制器，所述总控制器与所述数据采集模块、所述飞轮储能装置和所述电机驱动模块分别连接，用于对所述电网数据进行电网额定频率周波分析以判断当前电网频率是否偏离额定频率值，并在所述当前电网频率偏离额定频率值时，获得当前电网频率偏离所述额定频率值的偏离方向和偏离幅值以及获得预设时长内的电网频率变化率，根据所述偏离方向控制所述飞轮储能装置对所述直流母线的充放电工作方向，并根据所述电网频率变化率控制所述风电机组进入惯量支撑模式或者一次调频模式，以及根据所述偏离幅值计算所述变频器系统需要充放电的功率。
根据本发明提出的具有暂态支撑和深度调频能力的电力系统，在风电机组与变频器系统连接的直流母线端增加飞轮储能装置，总控制器能根据偏离方向及时控制飞轮储能装置对直流母线进行充放电，以使得变频器系统具有快速响应能力，能够在交流电网故障时协助交流电网在发生频率波动更快恢复至额定频率值。在电网发生剧烈频率波动时，由飞轮储能装置进行直流母线深度的功率支撑，同时改变风电机组的工作方向角，调整电磁转矩，以此来完成对电网频率波动的快速响应，能够解决风电机组和变频器系统在发生电网短路故障时和电网频率剧烈波动时的暂态支撑能力不足的问题，保证交流电网的安全稳定运行。
可选地，所述总控制器在控制所述飞轮储能装置对所述直流母线的充放电工作方向时具体用于，在所述当前电网频率低于所述额定频率值时，控制所述飞轮储能装置向所述直流母线放电并通过所述并网模块对所述交流电网进行功率补偿，或者，在所述当前电网频率高于所述额定频率值时，控制所述飞轮储能装置从所述直流母线充电并通过所述并网模块对所述交流电网进行功率吸收。
可选地，所述总控制器在控制所述风电机组进入惯量支撑模式或者一次调频模式时具体用于，在所述电网频率变化率超过预设频率变化率时，控制所述风电机组进入所述惯量支撑模式，或者，在所述电网频率变化率低于所述预设频率变化率时，控制所述风电机组进入所述一次调频模式。
可选地，所述总控制器还用于，在控制所述风电机组进入惯性支撑模式或者一次调频模式时，同时调整对所述风电机组的输出电压相序和频率，以调节所述风电机组的方向角，使得所述风电机组按照需求出力。
可选地，所述总控制器还用于，在控制所述风电机组进入惯性支撑模式或者一次调频模式时，启动时间记录，在记录时间达到预设时长之后，控制所述飞轮储能装置逐步减小运行功率，以及控制所述风电机组逐步增加运行功率。
根据本发明提出的电力系统，总控制器在控制风电机组进入惯性支撑模式或者一次调频模式时，利用飞轮储能装置的毫秒级的快速响应特性，弥补风电机组调角慢的问题，并控制二者配合出力，在开始阶段控制飞轮储能装置出力大而风电机组出力小，当风电机组调整到位后，控制增大风电机组出力并控制飞轮储能装置逐渐减小出力直至退出，从而实现对快速惯量支撑和快速一次调频，可以协助交流电网在发生频率波动时能更快恢复至额定频率值。
为了达到上述目的，本发明还提出一种具有暂态支撑和深度调频能力的电力系统的控制方法，用于所述电力系统，所述控制方法包括：获取交流电网的电网数据；对所述电网数据进行电网额定频率周波分析以判断当前电网频率是否偏离额定频率值；若所述当前电网频率偏离额定频率值，获得当前电网频率偏离所述额定频率值的偏离方向和偏离幅值以及获得预设时长内的电网频率变化率；根据所述偏离方向控制飞轮储能装置对所述直流母线的充放电工作方向，并根据所述电网频率变化率控制风电机组进入惯量支撑模式或者一次调频模式，以及根据所述偏离幅值计算变频器系统需要充放电的功率。
根据本发明提出的具有暂态支撑和深度调频能力的电力系统的控制方法，用于电力系统，在风电机组与变频器系统连接的直流母线端增加飞轮储能装置，使得变频器系统具有快速响应能力，在交流电网故障时，可以协助交流电网在发生频率波动更快恢复至额定频率值。以及，在控制风电机组进入惯量支撑模式或者一次调频模式的过程中，同时控制飞轮储能装置对直流母线进行充放电，使得变频器系统能保持并网运行，增加风力发电站参与快速惯量支撑和快速一次调频的能力，能够解决风电机组和变频器系统在发生电网短路故障时和电网频率剧烈波动时的暂态支撑能力不足的问题，以保证交流电网的安全稳定运行。
可选地，根据所述偏离方向控制飞轮储能装置对所述直流母线的充放电工作方向，包括：在所述当前电网频率低于所述额定频率值时，控制所述飞轮储能装置向所述直流母线放电并通过所述变频器系统的并网模块对所述交流电网进行功率补偿；或者，在所述当前电网频率高于所述额定频率值时，控制所述飞轮储能装置从所述直流母线充电并通过所述变频器系统的并网模块对所述交流电网进行功率吸收。
可选地，根据所述电网频率变化率控制风电机组进入惯量支撑模式或者一次调频模式，包括：在所述电网频率变化率超过预设频率变化率时，控制所述风电机组进入所述惯量支撑模式，或者，在所述电网频率变化率低于所述预设频率变化率时，控制所述风电机组进入所述一次调频模式。
可选地，所述控制方法还包括：在控制所述风电机组进入惯性支撑模式或者一次调频模式时，同时调整对所述风电机组的输出电压相序和频率，以调节所述风电机组的方向角，使得所述风电机组按照需求出力。
可选地，所述控制方法还包括：在控制所述风电机组进入惯性支撑模式或者一次调频模式时，启动时间记录；在记录时间达到预设时长之后，控制所述飞轮储能装置逐步减小运行功率，以及控制所述风电机组逐步增加运行功率。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的具有暂态支撑和深度调频能力的电力系统的框图；
图2为根据本发明一个实施例的电网频率随时间变化的示意图；
图3为根据本发明一个实施例的具有暂态支撑和深度调频能力的电力系统的控制方法的流程图；
图4为根据本发明另一个实施例的具有暂态支撑和深度调频能力的电力系统的控制方法的流程图；
图5为根据本发明又一个实施例的具有暂态支撑和深度调频能力的电力系统的控制方法的流程图。
附图标记：
电力系统100；
变频器系统10、风电机组20；
并网模块1、电机驱动模块2、飞轮储能装置3、数据采集模块4、总控制器5。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，参考附图描述的实施例是示例性的，下面详细描述本发明的实施例。
下面参考图1和图2描述根据本发明实施例的具有暂态支撑和深度调频能力的电力系统。
在本发明的一些实施例中，如图1所示，为根据本发明一个实施例的具有暂态支撑和深度调频能力的电力系统的框图，其中，电力系统100包括风电机组20和变频器系统10。
风电机组20工作时可将风能转换成电能，以实现风力发电。当交流电网的电网频率发生波动时，通过改变风电机组20电磁转矩能够实现惯量支撑和一次调频。可以理解的是，由于风电机组20调整方向角的过程需要一定时间，且在调整风电机组20的方向角的过程中，风电机组20的输出功率不稳定。以及，当交流电网发生电压穿越时容易造成变频器系统10中电流过大而激发保护的情况，因此风电机组20的响应速度和响应能力会受到变频器系统10的输出能力限制。
在本发明的一些实施例中，变频器系统10包括并网模块1、电机驱动模块2、飞轮储能装置3、数据采集模块4和总控制器5。其中，并网模块1与交流电网连接，具体地，并网模块1可以包含由T型三电平构成的双向变流器组、交流预充回路、保护断路器、主回路接触器等，用于将交流电网输出的交流电转换成直流电。
电机驱动模块2的一端与风电机组20连接，电机驱动模块2的另一端通过直流母线与并网模块1连接，其中电机驱动模块2用于驱动风电机组20的运行，控制风电机组20电磁转矩以进行方向角调节。
飞轮储能装置3连接到直流母线。具体地，飞轮储能装置3中可以包括若干飞轮，飞轮储能装置3直接与直流母线连接，在飞轮储能装置3启动运行后，飞轮运转以向直流母线补充能量或者从直流母线吸收能量，从而能实现对电网频率的调节。其中，飞轮调节具有毫秒级的快速响应特性，因此将飞轮储能装置3直接与直流母线连接，能够在电网频率出现波动时，直接驱动飞轮储能装置3对直流母线进行调频，以使得交流电网中有快速的能量进行补偿，响应时间短，使得变频器系统10具有良好的暂态支撑能力。
数据采集模块4用于采集交流电网的电网数据，其中，可将数据采集模块4设置在并网模块1之前并与交流电网连接以实时采集电网数据，采集到的电网数据可以包括电网电压、电网频率和电网电流中的至少一种。
总控制器5与数据采集模块4、飞轮储能装置3和电机驱动模块2分别连接，用于对电网数据进行电网额定频率周波分析以判断当前电网频率是否偏离额定频率值，其中，该额定频率值即为交流电网的额定频率值。
具体地，按照实时采集原则，数据采集模块4实时采集交流电网的电网数据并传输到总控制器5中。其中，可将额定频率值等数据提前写入总控制器5的控制程序中，或者总控制器5还能从电网数据中获取额定频率值，总控制器5还能对电网数据的电网额定频率周波分析，例如可将获取的当前电网频率与额定频率值进行对比，以判断当前电网频率确定是否偏离额定频率值。
在一些实施例中，在当前电网频率偏离额定频率值时，获得当前电网频率偏离额定频率值的偏离方向和偏离幅值以及获得预设时长内的电网频率变化率。
当电网出现瞬时故障，例如短路故障或冲击性负荷接入导致新能源发电大面积减少出力时，会出现风力发电站低电压穿越问题或频率陡降的问题。总控制器5对获取的电网数据进行分析后，确定当前电网频率偏离额定频率值，并判断当前电网频率偏离额定频率值的偏离幅值和偏离方向。
进一步地，其中预设时长可以为单位时间。例如，当电网频率出现波动时，若当前电网频率急剧下降，则预设时长内的电网频率变化率比较大，则需要交流电网中有快速的能量进行补偿，以保证变频器系统10具有良好的暂态支撑能力。
在另一些实施例中，总控制器5还能根据偏离方向控制飞轮储能装置3对直流母线的充放电工作方向，并根据电网频率变化率控制风电机组20进入惯量支撑模式或者一次调频模式，以及根据偏离幅值计算变频器系统10需要充放电的功率。
在一些实施例中，总控制器5在控制飞轮储能装置3对直流母线的充放电工作方向时具体用于，在当前电网频率低于额定频率值时，控制飞轮储能装置3向直流母线放电并通过并网模块1对交流电网进行功率补偿，其中，可以控制飞轮储能装置3通过向直流母线补偿能量的方式以对直流母线充电。或者，在当前电网频率高于额定频率值时，控制飞轮储能装置3从直流母线充电并通过并网模块1对交流电网进行功率吸收，其中，可以控制飞轮储能装置3通过从直流母线吸收能量的方式以向直流母线放电，进而解决风力发电站低电压穿越问题或频率陡降的问题。
其中，当电网频率发生波动时，可将电网发生频率波动的整个过程分为了惯量支撑过程和一次调频过程。其中，具体可根据电网频率变化率区分惯量支撑过程和一次调频过程，例如单位时间内的电网频率变化率很大且超过一定范围时，可确定该过程为惯量支撑过程，再例如，电网频率发生了波动但是单位时间内的电网频率变化率未超过一定范围时，可确定该过程为一次调频过程。当总控制器5控制风电机组20进入惯量支撑模式或者一次调频模式时，可控制电机驱动模块2驱动风电机组20进行方向角调节。
进一步地，总控制器5还能根据偏离幅值计算变频器系统10需要充放电的功率，并根据变频器系统10需要的充放电的功率控制飞轮储能装置3的运行状态，以及按照需求出力需求调节风电机组20中转角电动机的转向至相应位置，进而实现在交流电网在发生频率波动时，风电机组20能协助飞轮储能装置3更快地将电网频率恢复至额定频率值。
更具体地，在惯量支撑模式下，可以根据公式（1-1）计算变频器系统10需要充放电的功率，其中，
Figure 817318DEST_PATH_IMAGE002
为风电场有功功率变化量，单位为w；
Figure 327934DEST_PATH_IMAGE004
为风电场的惯性时间常数，单位为s，其中，
Figure 310933DEST_PATH_IMAGE004
取值为4s-12s；
Figure 971722DEST_PATH_IMAGE006
为额定频率值，单位为Hz；
Figure 379569DEST_PATH_IMAGE008
为风电场的并网点频率也就是电网频率，单位为Hz；
Figure 405294DEST_PATH_IMAGE010
为风电场的热定容量，单位为w；
Figure 937907DEST_PATH_IMAGE012
为单位时间内的电网频率变化率。
Figure 464703DEST_PATH_IMAGE014
公式（1-1）
以及，在一次调频模式下，可以根据公式（1-2）计算变频器系统10需要充放电的功率，其中，
Figure 602423DEST_PATH_IMAGE016
为有功调频系数，单位为pu；
Figure 861366DEST_PATH_IMAGE018
为电网频率变化量，单位为Hz。
Figure 710636DEST_PATH_IMAGE020
公式（1-2）
由上述内容可知，由电机驱动模块2驱动风电机组20进行方向角调节的过程比较慢，因此在电网频率出现波动时，总控制器5能根据偏离方向及时控制飞轮储能装置3对直流母线进行充放电，以使得变频器系统10具有快速响应能力，同时控制风电机组20进入惯量支撑模式或者一次调频模式，飞轮储能装置3快速的启动调节能弥补风电机组20进行方向角调节比较慢的缺点，而风电机组20运行时能弥补长时间调频下，飞轮储能装置3出力不足的问题，提升电力系统100整体的响应速度和响应能力。在交流电网在发生频率波动时，采用风电机组20与飞轮储能装置3协同配合出力的方式，使得该电力系统100本身具有快速惯量支撑和快速一次调频能力，进而能够控制电网频率更快且更稳定地恢复至额定频率值，保证交流电网的安全稳定运行。
在本发明的一些实施例中，总控制器5在控制风电机组20进入惯量支撑模式或者一次调频模式时具体用于，在电网频率变化率超过预设频率变化率时，控制风电机组20进入惯量支撑模式，或者，在电网频率变化率低于预设频率变化率时，控制风电机组20进入一次调频模式。
具体地，可根据图2描述本发明实施例的电网频率变化率，图2为根据本发明一个实施例的电网频率随时间变化的示意图，其中，可根据需要设定预设频率变化率，并将计算出的电网频率变化率与预设频率变化率进行对比，以确定需要控制风电机组20运行的模式。
如图2所示，从扰动时刻开始，电网频率急剧下降并迅速跌至频率低点，在此过程中电网频率变化率超过预设频率变化率，基于此，从扰动时刻至电网频率将降低至频率低点之间的过程也就是时间段A所对应的电网频率变化过程即为惯量支撑过程，在惯量支撑过程中控制风电机组20进入惯量支撑模式。
从频率低点开始，电网频率有所上升并到达一定程度保持不变，在此过程中电网频率变化率没有超过预设频率变化率，基于此，从频率低点至电网频率达到一次调频稳态值的过程也就是时间段B所对应的电网频率变化过程即为一次调频过程，在一次调频过程中此时控制风电机组20进入一次调频模式。
在本发明的一些实施例中，总控制器5还用于，在控制风电机组20进入惯性支撑模式或者一次调频模式时，同时调整对风电机组20的输出电压相序和频率，以调节风电机组20的方向角，使得风电机组20能按照需求出力。
具体地，当总控制器5根据电网频率变化率确定需要长时间调频时，会在启动飞轮储能装置3调频的同时启动风电机组20进行调节，并进一步计算出需要调节的风电机组20的方向角。进一步地，总控制器5还能根据计算出的方向角需要改变对风电机组20的输出电压相序和输出频率，从而改变风电机组20的输出转矩，使得风电机组20按照需求出力调整其转角电动机的转向。以及在调节转角电动机的转向的过程中，可以一次性将风电机组20的角度调节到位，无需进行阶段性变桨，实现风电机组20的可连续变桨。
在本发明的一些实施例中，总控制器5还用于，在控制风电机组20进入惯性支撑模式或者一次调频模式时，启动时间记录。
可以理解的是，当进行短时调频时，可以不控制风电机组进行电网调频，即直接由控制飞轮运行以对直流母线进行调频。当需要进行长时间调频时，若仅启动飞轮储能装置3调频可能会出现飞轮调频能量不够的情况，则会启动飞轮储能装置3并同时控制风电机组20以对电网频率进行调节。由于控制风电机组20调整方向角的过程是需要一定时间的，因此在控制风电机组20进入惯性支撑模式或者一次调频模式时需要启动时间记录。
在记录时间达到预设时长之后，控制飞轮储能装置3逐步减小运行功率，以及控制风电机组20逐步增加运行功率。
具体地，可根据实际需要设定预设时长，例如控制风电机组20进入惯性支撑模式或者一次调频模式时，控制风电机组20电磁转矩进行方向角调节一般至少需要5s的时间，基于此可以设定预设时长为5s。由于控制风电机组20电磁转矩进行方向角调节过程中，风电机组20的输出功率是不稳定的，因此与直流母线端连接的飞轮至少需要持续运行5s，以为风电机组20调整方向角预留时间。
在记录时间达到预设时长之后，此时已完成控制风电机组20调整方向角的操作，风电机组20能正常运行并输出稳定功率，此时控制飞轮储能装置3逐步减小吸收/释放功率，并控制风电机组20逐步增加/减少发电功率。
根据本发明实施例的电力系统100，总控制器5在控制风电机组20进入惯性支撑模式或者一次调频模式时，利用飞轮储能装置3的毫秒级的快速响应特性，弥补了风电机组20调角慢的问题，并控制二者配合出力，在开始阶段控制飞轮储能装置3出力大而风电机组20出力小，当风电机组20调整到位后，控制增大风电机组20出力并控制飞轮储能装置3逐渐减小出力直至退出，从而实现对快速惯量支撑和快速一次调频，可以协助交流电网在发生频率波动时能更快恢复至额定频率值。
在本发明的一些实施例中，如图3所示，为根据本发明一个实施例的具有暂态支撑和深度调频能力的电力系统的控制方法的流程图，其中，该控制方法用于上面实施例中的电力系统100，其中，控制方法包括步骤S1-S4，具体如下。
S1，获取交流电网的电网数据。
在本发明的一些实施例中，由图1和上述相关内容可知，可在并网模块之前设置数据采集模块与交流电网连接以实时采集电网数据，采集到的电网数据可以包括电网电压、电网频率和电网电流中的至少一种。按照实时采集原则，数据采集模块能将采集到的交流电网的电网数据传输到系统的总控制器中。
S2，对电网数据进行电网额定频率周波分析以判断当前电网频率是否偏离额定频率值。
其中，可将额定频率值等数据提前写入控制程序中，或者还能从电网数据中获取额定频率值。通过对电网数据的电网额定频率周波进行分析以判断当前电网频率是否偏离额定频率值，例如可将获取的当前电网频率与额定频率值进行对比，确定当前电网频率确定偏离额定频率值或者未偏离额定频率值。
S3，若当前电网频率偏离额定频率值，获得当前电网频率偏离额定频率值的偏离方向和偏离幅值以及获得预设时长内的电网频率变化率。
当电网出现瞬时故障，例如短路故障或冲击性负荷接入导致新能源发电大面积减少出力时，电网电压或电网频率会急剧下降，进而导致电网频率会发生剧烈波动。根据对获取的电网数据确定当前电网频率偏离额定频率值后，还能进一步判断当前电网频率偏离额定频率值的偏离幅值和偏离方向。
进一步地，其中预设时长可以为单位时间。例如，当电网频率出现波动时，若当前电网频率急剧下降，则预设时长内的电网频率变化率比较大，则需要交流电网中有快速的能量进行补偿，以保证变频器系统具有良好的暂态支撑能力。
S4，根据偏离方向控制飞轮储能装置对直流母线的充放电工作方向，并根据电网频率变化率控制风电机组进入惯量支撑模式或者一次调频模式，以及根据偏离幅值计算变频器系统需要充放电的功率。
在一些实施例中，在当前电网频率低于额定频率值时，控制飞轮储能装置向直流母线放电并通过变频器系统的并网模块对交流电网进行功率补偿，其中，可以控制飞轮储能装置通过向直流母线补偿能量的方式以对直流母线充电。或者，在当前电网频率高于额定频率值时，控制飞轮储能装置从直流母线充电并通过变频器系统的并网模块对交流电网进行功率吸收，其中，可以控制飞轮储能装置通过从直流母线吸收能量的方式以向直流母线放电。
具体地，可根据图2描述本发明实施例的电网频率变化率，其中，当电网频率发生波动时，可将电网发生频率波动的整个过程分为了惯量支撑过程和一次调频过程。其中，具体可根据电网频率变化率区分惯量支撑过程和一次调频过程，例如单位时间内的电网频率变化率很大且超过一定范围时，可确定该过程为惯量支撑过程，再例如，电网频率发生了波动但是单位时间内的电网频率变化率未超过一定范围时，可确定该过程为一次调频过程。当风电机组进入惯量支撑模式或者一次调频模式时，可控制电机驱动模块驱动风电机组进行方向角调节。
进一步地，还能根据偏离幅值计算变频器系统需要充放电的功率，并根据变频器系统需要的充放电的功率控制飞轮储能装置的运行状态，以及按照需求出力需求调节风电机组中转角电动机的转向至相应位置，进而实现在交流电网在发生频率波动时，风电机组能协助飞轮储能装置更快地将电网频率恢复至额定频率值。
更具体地，在惯量支撑模式下，可以根据上面公式（1-1）计算变频器系统需要充放电的功率，以及，在一次调频模式下，可以根据上面公式（1-2）计算变频器系统需要充放电的功率。
根据本发明实施例提出的具有暂态支撑和深度调频能力的电力系统的控制方法，通过采用上面实施例的电力系统，在风电机组与变频器系统连接的直流母线端增加飞轮储能装置，使得变频器系统具有快速响应能力，在交流电网故障时，可以协助交流电网在发生频率波动更快恢复至额定频率值。以及，在控制风电机组进入惯量支撑模式或者一次调频模式的过程中，同时控制飞轮储能装置对直流母线进行充放电，使得变频器系统能保持并网运行，增加风力发电站参与快速惯量支撑和快速一次调频的能力，能够解决风电机组和变频器系统在发生电网短路故障时和电网频率剧烈波动时的暂态支撑能力不足的问题，以保证交流电网的安全稳定运行。
在本发明的一些实施例中，上面步骤S4中的根据电网频率变化率控制风电机组进入惯量支撑模式或者一次调频模式，可以包括在电网频率变化率超过预设频率变化率时，控制风电机组进入惯量支撑模式，或者，在电网频率变化率低于预设频率变化率时，控制风电机组进入一次调频模式。
具体地，可根据图2描述本发明实施例的电网频率变化率，其中，可根据需要设定预设频率变化率，并将计算出的电网频率变化率与预设频率变化率进行对比，以确定需要控制风电机组运行的模式。
如图2所示，从扰动时刻开始，电网频率急剧下降并迅速跌至频率低点，在此过程中电网频率变化率超过预设频率变化率，基于此，从扰动时刻至电网频率将降低至频率低点之间的过程也就是时间段A所对应的电网频率变化过程即为惯量支撑过程，在惯量支撑过程中控制风电机组进入惯量支撑模式。
从频率低点开始，电网频率有所上升并到达一定程度保持不变，在此过程中电网频率变化率没有超过预设频率变化率，基于此，从频率低点至电网频率达到一次调频稳态值的过程也就是时间段B所对应的电网频率变化过程即为一次调频过程，在一次调频过程中此时控制风电机组进入一次调频模式。
在本发明的一些实施例中，在控制风电机组进入惯性支撑模式或者一次调频模式时，同时调整对风电机组的输出电压相序和频率，以调节风电机组的方向角，使得风电机组按照需求出力。
具体地，当根据电网频率变化率确定需要长时间调频时，会在启动飞轮储能装置调频的同时启动风电机组进行调节，并进一步计算出需要调节的风电机组的方向角。进一步地，还能根据计算出的方向角需要改变对风电机组的输出电压相序和输出频率，从而改变风电机组的输出转矩，使得风电机组按照需求出力调整其转角电动机的转向。以及在调节转角电动机的转向的过程中，可以一次性将风电机组的角度调节到位，无需进行阶段性变桨，实现风电机组的可连续变桨。
在本发明的一些实施例中，如图4所示，为根据本发明另一个实施例的具有暂态支撑和深度调频能力的电力系统的控制方法的流程图，其中，基于上面步骤S1-S4，控制方法还包括步骤S5和步骤S6，具体如下。
S5，在控制风电机组进入惯性支撑模式或者一次调频模式时，启动时间记录。
可以理解的是，当进行短时调频时，可以不控制风电机组进行电网调频，即直接由控制飞轮运行以对直流母线进行调频。当需要进行长时间调频时，若仅启动飞轮储能装置调频可能会出现飞轮调频能量不够的情况，则会启动飞轮储能装置并同时控制风电机组以对电网频率进行调节。由于控制风电机组调整方向角的过程是需要一定时间的，因此在控制风电机组进入惯性支撑模式或者一次调频模式时需要启动时间记录。
S6，在记录时间达到预设时长之后，控制飞轮储能装置逐步减小运行功率，以及控制风电机组逐步增加运行功率。
具体地，可根据实际需要设定预设时长，例如控制风电机组进入惯性支撑模式或者一次调频模式时，控制风电机组电磁转矩进行方向角调节一般至少需要5s的时间，基于此可以设定预设时长为5s。由于控制风电机组电磁转矩进行方向角调节过程中，风电机组的输出功率是不稳定的，因此与直流母线端连接的飞轮至少需要持续运行5s，以为风电机组调整方向角预留时间。
在记录时间达到预设时长之后，此时已完成控制风电机组调整方向角的操作，风电机组能正常运行并输出稳定功率，此时控制飞轮储能装置逐步减小吸收/释放功率，并控制风电机组逐步增加/减少发电功率。
根据本发明实施例的控制方法，在控制风电机组进入惯性支撑模式或者一次调频模式时，利用飞轮储能装置的毫秒级的快速响应特性，弥补风电机组调角慢的问题，并控制二者配合出力，在开始阶段控制飞轮储能装置出力大而风电机组出力小，当风电机组调整到位后，控制增大风电机组出力并控制飞轮储能装置逐渐减小出力直至退出，从而实现对快速惯量支撑和快速一次调频，可以协助交流电网在发生频率波动时能更快恢复至额定频率值。
进一步地，在本发明的另一些实施例中，在进行无功调节时，还能根据获取到的交流电网数据检测直流母线电压的波动范围，并根据直流母线电压的波动范围决定是否启动飞轮储能装置。具体地，可根据风电机机组的电机电压等级设定电压阈值，该电压阈值的数值范围与风电机组的电机电压范围相关。例如，当确定直流母线电压的波动范围未超过设定阈值时，则可以直仅控制风电机组电磁转矩进行调方向角调节，风电机组按照需求出力调整其转角电动机的转向即能实现调整直流母线电压值稳定状态。再例如，当确定直流母线电压的波动范围超过设定阈值时，此时再仅控制风电机组电磁转矩进行调方向角调节，不足以满足直流母线电压调节需求，此时需要启动飞轮储能装置，控制飞轮储能装置与风电机组配合出力以调整直流母线电压值稳定状态。
在本发明的一些实施例中，如图5所示，为根据本发明又一个实施例的具有暂态支撑和深度调频能力的电力系统的控制方法的流程图，其中，控制方法可以包括步骤S101-S110，具体如下。
S101，采集电网数据。
S102，总控制器分析电网数据。
S103，判断当前电网频率是否偏离额定频率值，若判断结构为“是”，则执行步骤S104，若判断结构为“否”则表明无需调节当前电网频率。
S104，获得当前电网频率偏离额定频率值的偏离方向和偏离幅值以及获得预设时长内的电网频率变化率。
S105，判断电网频率变化率是否大于预设频率变化率，若判断结构为“是”，则执行步骤S106，若判断结构为“否”，则执行步骤S108。
S106，控制风电机组进入惯量支撑模式。
S107，惯量支撑结束。
S108，判断电网频率是否大于一次调频动作频率，若判断结构为“是”，则执行步骤S109，若判断结构为“否”，则无需控制风电机组进入一次调频模式。
S109，控制风电机组进入一次调频模式，先控制飞轮储能装置启动并控制风电机组电磁转矩进行方向角调节，经延时后，控制飞轮储能装置逐步减小吸收/释放功率，并控制风电机组逐步增加/减少发电功率。
S110，调频结束。
根据本发明实施例的电力系统100等的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种具有暂态支撑和深度调频能力的电力系统，其特征在于，
所述电力系统包括风电机组和变频器系统；
所述变频器系统包括：
并网模块，所述并网模块与交流电网连接；
电机驱动模块，所述电机驱动模块的一端与所述风电机组连接，所述电机驱动模块的另一端通过直流母线与所述并网模块连接；
飞轮储能装置，所述飞轮储能装置连接到所述直流母线；
数据采集模块，所述数据采集模块与所述交流电网连接，用于采集所述交流电网的电网数据；
总控制器，所述总控制器与所述数据采集模块、所述飞轮储能装置和所述电机驱动模块分别连接，用于对所述电网数据进行电网额定频率周波分析以判断当前电网频率是否偏离额定频率值，并在所述当前电网频率偏离额定频率值时，获得当前电网频率偏离所述额定频率值的偏离方向和偏离幅值以及获得预设时长内的电网频率变化率，根据所述偏离方向控制所述飞轮储能装置对所述直流母线的充放电工作方向，并根据所述电网频率变化率控制所述风电机组进入惯量支撑模式或者一次调频模式，以及根据所述偏离幅值计算所述变频器系统需要充放电的功率。
2.根据权利要求1所述的具有暂态支撑和深度调频能力的电力系统，其特征在于，所述总控制器在控制所述飞轮储能装置对所述直流母线的充放电工作方向时具体用于，在所述当前电网频率低于所述额定频率值时，控制所述飞轮储能装置向所述直流母线放电并通过所述并网模块对所述交流电网进行功率补偿，或者，在所述当前电网频率高于所述额定频率值时，控制所述飞轮储能装置从所述直流母线充电并通过所述并网模块对所述交流电网进行功率吸收。
3.根据权利要求1或2所述的具有暂态支撑和深度调频能力的电力系统，其特征在于，所述总控制器在控制所述风电机组进入惯量支撑模式或者一次调频模式时具体用于，在所述电网频率变化率超过预设频率变化率时，控制所述风电机组进入所述惯量支撑模式，或者，在所述电网频率变化率低于所述预设频率变化率时，控制所述风电机组进入所述一次调频模式。
4.根据权利要求1所述的具有暂态支撑和深度调频能力的电力系统，其特征在于，所述总控制器还用于，在控制所述风电机组进入惯性支撑模式或者一次调频模式时，同时调整对所述风电机组的输出电压相序和频率，以调节所述风电机组的方向角，使得所述风电机组按照需求出力。
5.根据权利要求4所述的具有暂态支撑和深度调频能力的电力系统，其特征在于，所述总控制器还用于，在控制所述风电机组进入惯性支撑模式或者一次调频模式时，启动时间记录，在记录时间达到预设时长之后，控制所述飞轮储能装置逐步减小运行功率，以及控制所述风电机组逐步增加运行功率。
6.一种具有暂态支撑和深度调频能力的电力系统的控制方法，其特征在于，用于权利要求1所述的电力系统，所述控制方法包括：
获取交流电网的电网数据；
对所述电网数据进行电网额定频率周波分析以判断当前电网频率是否偏离额定频率值；
若所述当前电网频率偏离额定频率值，获得当前电网频率偏离所述额定频率值的偏离方向和偏离幅值以及获得预设时长内的电网频率变化率；
根据所述偏离方向控制飞轮储能装置对所述直流母线的充放电工作方向，并根据所述电网频率变化率控制风电机组进入惯量支撑模式或者一次调频模式，以及根据所述偏离幅值计算变频器系统需要充放电的功率。
7.根据权利要求6所述的具有暂态支撑和深度调频能力的电力系统的控制方法，其特征在于，根据所述偏离方向控制飞轮储能装置对所述直流母线的充放电工作方向，包括：
在所述当前电网频率低于所述额定频率值时，控制所述飞轮储能装置向所述直流母线放电并通过所述变频器系统的并网模块对所述交流电网进行功率补偿；
或者，在所述当前电网频率高于所述额定频率值时，控制所述飞轮储能装置从所述直流母线充电并通过所述变频器系统的并网模块对所述交流电网进行功率吸收。
8.根据权利要求6或7所述的具有暂态支撑和深度调频能力的电力系统的控制方法，其特征在于，根据所述电网频率变化率控制风电机组进入惯量支撑模式或者一次调频模式，包括：
在所述电网频率变化率超过预设频率变化率时，控制所述风电机组进入所述惯量支撑模式，或者，在所述电网频率变化率低于所述预设频率变化率时，控制所述风电机组进入所述一次调频模式。
9.根据权利要求6所述的具有暂态支撑和深度调频能力的电力系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：
在控制所述风电机组进入惯性支撑模式或者一次调频模式时，同时调整对所述风电机组的输出电压相序和频率，以调节所述风电机组的方向角，使得所述风电机组按照需求出力。
10.根据权利要求9所述的具有暂态支撑和深度调频能力的电力系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：
在控制所述风电机组进入惯性支撑模式或者一次调频模式时，启动时间记录；
在记录时间达到预设时长之后，控制所述飞轮储能装置逐步减小运行功率，以及控制所述风电机组逐步增加运行功率。
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