CN114629172A - 一种基于自适应下垂控制的风电调频控制方法及系统 - Google Patents

一种基于自适应下垂控制的风电调频控制方法及系统 Download PDF

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CN114629172A CN202210408173.1A CN202210408173A CN114629172A CN 114629172 A CN114629172 A CN 114629172A CN 202210408173 A CN202210408173 A CN 202210408173A CN 114629172 A CN114629172 A CN 114629172A
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曾丕江
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Abstract

本发明实施例公开了一种基于自适应下垂控制的风电调频控制方法及系统，包括：获取当前风电机组的输入风速，以及，根据预先划分的风速区间，识别当前输入风速对应的风速区间；根据当前输入风速对应的风速区间自适应计算当前下垂控制系数；实时检测电网频率偏差信号，判断所述电网频率偏差信号是否超过预设死区频率范围，若是，则根据所述电网频率偏差信号与当前下垂控制系数进行自适应下垂控制；若否，则不进行所述自适应下垂控制。本发明实施例通过识别风速区间，根据风速区间自适应生成对应的的下垂控制系数，能够在系统发生频率偏差时，根据风机的不同风速运行工况释放合适的旋转动能为系统提供频率支撑。

Description

一种基于自适应下垂控制的风电调频控制方法及系统
技术领域
本发明涉及一种风电调频控制技术领域，尤其涉及一种基于自适应下垂控制的风电调频控制方法及系统。
背景技术
风力发电作为一种可再生能源发电技术，已经被广泛运用于电力系统中，然而风电大规模并网往往会对系统的稳定运行造成影响。目前所采用的大部分风机未配置调速器，且其转速与系统频率解耦，故当系统频率发生变化时，风机无法像常规机组那样改变原动机出力参与系统频率调节，也无法通过释放自身的旋转动能来短暂抑制系统频率变化，从而影响系统频率安全。随着风电渗透率的提高，这种影响更加严重。一方面，高风电渗透率下，风电的随机性和波动性使得整个电网的不确定性急剧增加，为了平复这种不确定性，保证系统在扰动后频率仍能稳定，在安全范围内，需要系统具有更多的备用容量；另一方面，一般由常规机组提供的备用容量却因常规机组的比重下降而降低，如果风电渗透率持续上升，系统甚至无法满足最低的备用容量要求，严重情况下甚至造成整个系统的瘫痪。上述问题使得风电预留备用容量、参与一次调频变得尤为关键，风电机组一次调频控制方式的研究将为高风电渗透率下系统的安全经济运行提供保障。
目前，风机参与系统调频策略多体现在其虚拟惯量控制、下垂控制及虚拟惯量和下垂控制相结合的控制方法，由于虚拟惯量控制采用频率变化率作为控制输入，测量频率变化率存在严重噪音。因此，以频率偏差作为直接控制输入的下垂控制法得到了广泛的研究。现有的风机下垂控制通常采用基于恒增益的下垂控制方法，受到恒定控制参数的限制，风机不能充分利用自身的旋转动能，从而制约了风机为电网提供频率支撑的能力。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于自适应下垂控制的风电调频控制方法及系统，用于解决现有基于恒增益的下垂控制方法受到恒定控制参数的限制、风机不能充分利用自身的旋转动能的问题。为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明提供一种基于自适应下垂控制的风电调频控制方法，包括：
获取当前风电机组的输入风速，以及，根据预先划分的风速区间，识别当前输入风速对应的风速区间；
根据当前输入风速对应的风速区间自适应计算当前下垂控制系数；
实时检测电网频率偏差信号，判断所述电网频率偏差信号是否超过预设死区频率范围值，若是，则根据所述电网频率偏差信号与当前下垂控制系数进行自适应下垂控制；若否，则不进行所述自适应下垂控制。
根据一种具体的实施方式，上述基于自适应下垂控制的风电调频控制方法中：采用风电机组获取备用功率的方法，根据风电机组运行的切入风速与切出风速预先划分所述风速区间；其中，预先划分的风速区间包括：第一风速区间、第二风速区间、以及第三风速区间；
在第一风速区间与所述第三风速区间以风电机组的最大允许转速为参考转速，在第二风速区间，采用超速与变桨距角协调控制法控制所述参考转速。
根据一种具体的实施方式，上述基于自适应下垂控制的风电调频控制方法中：所述采用超速与变桨距角协调控制法控制所述参考转速，包括：
Figure BDA0003602939160000021
其中，ωmax为最大允许转速，ωref为参考转速；ωopt为最优转速；PMPPT为最大功率模式下的捕获功率，d0为风电机组初始减载率，T为桨距角执行机构响应常数；Pg为风电机组实际捕获功率。
根据一种具体的实施方式，上述基于自适应下垂控制的风电调频控制方法中：所述根据当前输入风速对应的风速区间确定当前自适应下垂控制系数，包括：根据当前输入风速对应的风速区间，匹配对应的下垂控制系数自适应计算模型，基于所匹配的下垂控制系数自适应计算模型自适应计算当前下垂控制系数。
根据一种具体的实施方式，上述基于自适应下垂控制的风电调频控制方法中：所述第一风速区间对应的下垂控制系数整定计算模型，包括：
Figure BDA0003602939160000031
Figure BDA0003602939160000032
Figure BDA0003602939160000033
Figure BDA0003602939160000034
其中，ΔEk为频率响应周期内期望获得的理想频率响应，Pdel0为风电机组初始减载输出功率，Δf为实时电网频率偏移量，fn为电网额定频率，Ra为自适应下垂控制系数，Pm为风力机捕获的机械功率；H为风电机组惯性时间常数，ωdel0为初始减载转速，ωopt为最优转速；ρ为空气密度，R为风轮半径，vW为风速值，Cp为风能捕获系数，λ为叶尖速比，T为频率响应周期，t为时间；ω是频率响应周期内呈递减的ωr风轮角速度。
根据一种具体的实施方式，上述基于自适应下垂控制的风电调频控制方法中：所述第二风速区间对应的下垂控制系数整定计算模型，包括：
Figure BDA0003602939160000035
Figure BDA0003602939160000036
Figure BDA0003602939160000037
其中，Pm为风力机捕获的机械功率，Pdel0为风电机组初始减载输出功率为PMPPT为最大功率模式下的捕获功率，T为频率响应周期，t为时间；ΔEk为频率响应周期内期望获得的理想频率响应，Δfb为设定的允许频率偏移限值，fn为电网额定频率，Ra为自适应下垂控制系数；H为风电机组惯性时间常数，ωdel0为初始减载转速，ωopt为最优转速。
根据一种具体的实施方式，上述基于自适应下垂控制的风电调频控制方法中：所述第三风速区间对应的下垂控制系数整定计算模型，包括：
Figure BDA0003602939160000041
ΔPmargin＝d0PMPPT
其中，Ra为自适应下垂控制系数，Δfb为设定的允许频率偏移限值，fn为电网额定频率，ΔPmargin为实时可用容量，d0为风电机组初始减载率，PMPPT为最大功率模式下的捕获功率，PN为额定功率。
根据一种具体的实施方式，上述基于自适应下垂控制的风电调频控制方法中：所述自适应下垂控制，包括：
根据所述电网频率偏差信号与所述当前下垂控制系数，计算额外的有功功率增加量；
将所述额外的有功功率增加量与初始减载有功功率参考值相加得到有功功率参考值；
将所述有功功率参考值与实际值进行比较，利用PI控制器，根据比较结果获得转子q轴的参考电流值。
本发明的另一方面，提供一种基于自适应下垂控制的风电调频控制系统；其特征在于：包括：
风速识别单元，用于获取当前风电机组的输入风速，以及，根据预先划分的风速区间，识别当前输入风速对应的风速区间；
下垂控制系数计算单元，用于根据识别得到的风速区间自适应计算当前下垂控制系数；
电网频率检测单元，用于实时检测电网频率偏差信号，并将所述电网频率偏差信号输出至控制单元；
控制单元，用于判断所述电网频率偏差信号是否超过预设死区频率范围值，若是，则根据所述电网频率偏差信号与当前下垂控制系数进行自适应下垂控制；若否，则不进行所述自适应下垂控制。
根据一种具体的实施方式，上述基于自适应下垂控制的风电调频控制系统中，所述预先划分的风速区间，包括：第一风速区间、第二风速区间、以及第三风速区间；
所述系统还包括：桨距角控制器；所述桨距角控制器用于将所述第一风速区间与第三风速区间的参考转速控制为风电机组的最大允许转速，以及，采用超速与变桨距角协调控制法控制所述第二风速区间的参考转速。
实施本发明实施例，将具有如下有益效果：
本发明实施例所提供的基于自适应下垂控制的风电调频控制方法，根据预先划分的风速区间，识别当前输入风速对应的风速区间，根据当前输入风速对应的风速区间自适应计算当前下垂控制系数，从而在电网频率偏差信号超过预设死区频率范围时，根据所述电网频率偏差信号与当前下垂控制系数进行自适应下垂控制，本发明实施例通过识别风速区间，根据风速区间自适应生成对应的的下垂控制系数，能够在系统发生频率偏差时，根据风机的不同风速运行工况释放合适的旋转动能为系统提供频率支撑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
其中：
图1为一个实施例中基于自适应下垂控制的风电调频控制方法流程示意图；
图2为一个实施例中的低、中、高风速划分曲线；
图3为一个实施例中自适应下垂控制原理框图；
图4为一个实施例中基于自适应下垂控制的风电调频控制系统架构示意图；
图5为一个实施例中桨距角控制器架构示意图。
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、完整地描述，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。
实施例1
图1示出了本发明示例性实施例的基于自适应下垂控制的永磁直驱风电场无功电压控制方法，包括：
获取当前风电机组的输入风速，以及，根据预先划分的风速区间，识别当前输入风速对应的风速区间；
根据当前输入风速对应的风速区间自适应计算当前下垂控制系数；
实时检测电网频率偏差信号，判断所述电网频率偏差信号是否超过预设死区频率范围，若是，则根据所述电网频率偏差信号与当前下垂控制系数进行自适应下垂控制；若否，则不进行所述自适应下垂控制。
本发明实施例所提供的基于自适应下垂控制的风电调频控制方法，在风机转子侧变流器控制回路中附加自适应下垂控制回路，在系统频率发生偏移时，利用风机转子的旋转动能实现风机主动参与系统调频，有效克服现有技术采用恒定下垂控制系数所存在的风机不能充分利用自身的旋转动能的问题；在调频过程中，能够根据风速自适应生成相应的下垂控制系数，从而在系统发生频率偏差时，根据风机的不同风速运行工况释放合适的旋转动能为系统提供频率支撑。
实施例1
在一种可能的实现方式中，根据风电机组的控制策略，基于风电机组的切入风速与切出风速，预先划分三个风速区间。具体的，如图2所示，依据风电机组的自身设定的切入风速Vcutin与切出风速Vcutout划分风速区间，出了本发明示例性实施例的低、中、高风速划分曲线。
低风速区域为ABB'A'所围成区域，通过超速控制以满足减载要求；中风速区域为BCB'所围成区域，由于最高转速限制，需要通过转速与桨距角协调控制进行减载，高风速区域为线段C'D，C'点由C点经过变桨距控制得到，D点对应风速为风力机切出风速vcutout，在高风速区间内由于转速已经达到最大，无法进行超速控制，只能通过变桨距控制实现减载。低风速区间(第一风速区间)为切入风速vcutin～vW1，中风速区间(第二风速区间)为vW1～vW2，高风速区间(第三风速区间)为vW2～vcutout。
在一种可能的实现方式中，在低风速区中风电机组仅采用超速法进行减载，中风速区中风电机组通过超速法与变桨距角协调控制减载，高风速区中风电机组仅采用变桨距法减载。据此，本发明实施例在第一风速区间与所述第三风速区间以风电机组的最大允许转速为参考转速，在第二风速区间，采用超速与变桨距角协调控制法控制所述参考转速。
可以理解的的是，在中风速区间风电机组同样处于最大功率跟踪运行状态，转子处于最优转速ωopt，当需要减载d％时，若在超速减载过程中转子转速达到最大允许转速ωmax，则需要配合桨距角控制实现减载，因此本实施例中所提供的参考转速控制策略与自适应算法相适配，能够实现对中风速区间区间的有效控制。
进一步的，所述采用超速与变桨距角协调控制法控制所述参考转速，包括：
Figure BDA0003602939160000071
其中，ωmax为最大允许转速，ωref为参考转速；ωopt为最优转速；PMPPT为最大功率模式下的捕获功率，d0为风电机组初始减载率，T为桨距角执行机构响应常数；Pg为风电机组实际捕获功率。
在一种可能的实现方式中，根据风电机组划分的低、中、高风速区间，选择不同区间对应的下垂控制系数整定方法，得出自适应下垂控制系数设定值。
其中，风力机捕获的机械功率Pm及可利用的转子动能纯在如下关系：
Figure BDA0003602939160000081
式中：ρ为空气密度，R为风轮半径，vW为风速值，Cp为风能捕获系数，可表示为：
Figure BDA0003602939160000082
式中，λ为叶尖速比，ΩN为转子额定机械转速，c1～c6为拟合系数，ωt为转子转速，β为桨距角；拟合系数取不同值时，Cp函数具有不同的最优叶尖速比λopt和最大风能捕获系数Cpmax；风电机组的风力转子通过风机叶片获得的机械功率只与桨距角有关，通常情况下风电机组运行在最大功率(MPPT)模式，风机有能力在不同风速区间内在最佳桨距角与转子转速ωopt下捕获最大功率。
为使风电机组减载运行在非最大功率追踪点，需要通过改变风电机组的转子转速或者桨距角以保留功率备用，使得机组具备功率支撑能力，在减载模式下de1捕获的功率为：
Figure BDA0003602939160000083
风电机组初始减载输出功率为Pdel0、初始减载转速为ωdel0、自适应下垂控制系数为Ra。当风机组参与自适应下垂频率控制时，存在如下关系：
Figure BDA0003602939160000091
式中：Δf为实时电网频率偏移量；fn为电网额定频率。
期望获得的理想频率响应效果为：当电网频率偏移刚好达到所设定的允许频率偏移限值Δfb时，风电机组可用容量刚好在一次频率响应时间内得到完全利用：
Figure BDA0003602939160000092
整个响应过程中的ΔEk为：
Figure BDA0003602939160000093
式中：H为风电机组惯性时间常数；初始减载转速ωdel0与最优转速ωopt为标幺值。一次频率响应时间内，ωr可近似看作线性递减：
在低风速区间的自适
Figure BDA0003602939160000094
应下垂控制系数Ra由上式联立得到。
进一步的，风机组在中风速区间由于受到最大允许转速限制，采取超速法与变桨距协调控制完成下垂控制。中风速区间的理想动态频率响应过程的Pm为：
Figure BDA0003602939160000095
在中风速区间将纯机械减载容量与可利用转子动能的总和作为风电机组总可用容量进行自适应下垂控制系数整定。可通过与可利用转子动能的计算公式联立得到中风速区间下的自适应下垂控制系数Ra
Figure BDA0003602939160000096
Figure BDA0003602939160000097
进一步的，风电机组在高风速区间转速被限制在最大允许转速，没有能够利用的转子动能，将纯机械减载容量作为机组实时可用容量。实时可用容量为：
ΔPmargin＝d0PMPPT
式中：d0为风电机组初始减载率，自适应下垂控制系数整定公式为：
Figure BDA0003602939160000101
据此，本实施例所提供的基于风速区间建立的自适应下垂控制系数求解算法，能够根据风速工况进行自适应调整，从而在需要进行下垂控制时，根据相应的自适应下垂控制系数提高风电机组的旋转动能。
在一种可能的实现方式中，通过设置电网检测单元，对电网频率偏差信号Δf进行实时检测，当偏差信号Δf超过设定的死区频率范围，进行自适应下垂控制。如图2所示，上述自适应下垂控制包括：控制环节根据电网频率偏差信号与自适应下垂控制系数设定值，给出额外的有功功率增加量，与初始减载有功功率参考值相加得到有功功率参考值。有功功率参考值与实际值比较，并经过PI控制器，获得转子q轴的参考电流值。
本发明的另一方面，如图3所示，还提供一种基于自适应下垂控制的风电调频控制系统，其特征在于：包括：
风速识别单元，用于获取当前风电机组的输入风速，以及，根据预先划分的风速区间，识别当前输入风速对应的风速区间；
下垂控制系数计算单元，用于根据识别得到的风速区间自适应计算当前下垂控制系数；
电网频率检测单元，用于实时检测电网频率偏差信号，并将所述电网频率偏差信号输出至控制单元；
控制单元，用于判断所述电网频率偏差信号是否超过预设死区频率范围值，若是，则根据所述电网频率偏差信号与当前下垂控制系数进行自适应下垂控制；若否，则不进行所述自适应下垂控制。
本发明实施例所提供的基于自适应下垂控制的风电调频控制系统，在风机转子侧变流器控制回路中附加自适应下垂控制回路，在系统频率发生偏移时，利用风机转子的旋转动能实现风机主动参与系统调频，有效克服现有技术采用恒定下垂控制系数所存在的风机不能充分利用自身的旋转动能的问题；在调频过程中，能够根据风速自适应生成相应的下垂控制系数，从而在系统发生频率偏差时，根据风机的不同风速运行工况释放合适的旋转动能为系统提供频率支撑。
在一种可能的实现方式中，所述预先划分的风速区间，包括：第一风速区间、第二风速区间、以及第三风速区间；
所述系统还包括：桨距角控制器；所述桨距角控制器用于将所述第一风速区间与第三风速区间的参考转速控制为风电机组的最大允许转速，以及，采用超速与变桨距角协调控制法控制所述第二风速区间的参考转速。
其中，图4示出了本发明示例性实施例的桨距角控制器。ωref为参考转速；T为桨距角执行机构响应常数；dβ/dt|max为桨距角最大变化率；βmax和βmin分别为桨距角的变化范围上限和下限。在低、高风速区间，ωref＝ωmax，在中风速区间ωref根据超速法与变桨距角共同控制，按照线性路径进行控制。
Figure BDA0003602939160000111
式中：ωmax为最大允许转速，ωmax为最大允许转速，ωref为参考转速；ωopt为最优转速；PMPPT为最大功率模式下的捕获功率，d0为风电机组初始减载率，T为桨距角执行机构响应常数；Pg为...功率。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种基于自适应下垂控制的风电调频控制方法，其特征在于：包括：
获取当前风电机组的输入风速，以及，根据预先划分的风速区间，识别当前输入风速对应的风速区间；
根据当前输入风速对应的风速区间自适应计算当前下垂控制系数；
实时检测电网频率偏差信号，判断所述电网频率偏差信号是否超过预设死区频率范围，若是，则根据所述电网频率偏差信号与当前下垂控制系数进行自适应下垂控制；若否，则不进行所述自适应下垂控制。
2.如权利要求1所述的基于自适应下垂控制的风电调频控制方法，其特征在于：采用风电机组获取备用功率的方法，根据风电机组运行的切入风速与切出风速预先划分所述风速区间；其中，预先划分的风速区间包括：第一风速区间、第二风速区间、以及第三风速区间；
在第一风速区间与所述第三风速区间以风电机组的最大允许转速为参考转速，在第二风速区间，采用超速与变桨距角协调控制法控制所述参考转速。
3.如权利要求2所述的基于自适应下垂控制的风电调频控制方法，其特征在于：所述采用超速与变桨距角协调控制法控制所述参考转速，包括：
Figure FDA0003602939150000011
其中，ωmax为最大允许转速，ωref为参考转速；ωopt为最优转速；PMPPT为最大功率模式下的捕获功率，d0为风电机组初始减载率，T为桨距角执行机构响应常数；Pg为风电机组实际捕获功率。
4.如权利要求2所述的基于自适应下垂控制的风电调频控制方法，其特征在于：所述根据当前输入风速对应的风速区间确定当前自适应下垂控制系数，包括：
根据当前输入风速对应的风速区间，匹配对应的下垂控制系数自适应计算模型，基于所匹配的下垂控制系数自适应计算模型自适应计算当前下垂控制系数。
5.如权利要求4所述的基于自适应下垂控制的风电调频控制方法，其特征在于：所述第一风速区间对应的下垂控制系数整定计算模型，包括：
Figure FDA0003602939150000021
Figure FDA0003602939150000022
Figure FDA0003602939150000023
Figure FDA0003602939150000024
其中，ΔEk为频率响应周期内期望获得的理想频率响应，Pdel0为风电机组初始减载输出功率，Δf为实时电网频率偏移量，fn为电网额定频率，Ra为自适应下垂控制系数，Pm为风力机捕获的机械功率；H为风电机组惯性时间常数，ωdel0为初始减载转速，ωopt为最优转速；ρ为空气密度，R为风轮半径，vW为风速值，Cp为风能捕获系数，λ为叶尖速比，T为频率响应周期，t为时间。
6.如权利要求4所述的基于自适应下垂控制的风电调频控制方法，其特征在于：所述第二风速区间对应的下垂控制系数整定计算模型，包括：
Figure FDA0003602939150000025
Figure FDA0003602939150000026
Figure FDA0003602939150000027
其中，Pm为风力机捕获的机械功率，Pdel0为风电机组初始减载输出功率为PMPPT为最大功率模式下的捕获功率，T为频率响应周期，t为时间；ΔEk为频率响应周期内期望获得的理想频率响应，Δfb为设定的允许频率偏移限值，fn为电网额定频率，Ra为自适应下垂控制系数；H为风电机组惯性时间常数，ωdel0为初始减载转速，ωopt为最优转速。
7.如权利要求4所述的基于自适应下垂控制的风电调频控制方法，其特征在于：所述第三风速区间对应的下垂控制系数整定计算模型，包括：
Figure FDA0003602939150000031
ΔPmargin＝d0PMPPT
其中，Ra为自适应下垂控制系数，Δfb为设定的允许频率偏移限值，fn为电网额定频率，ΔPmargin为实时可用容量，d0为风电机组初始减载率，PMPPT为最大功率模式下的捕获功率，PN为额定功率。
8.如权利要求1-7任一所述的基于自适应下垂控制的风电调频控制方法；其特征在于：所述自适应下垂控制，包括：
根据所述电网频率偏差信号与所述当前下垂控制系数，计算额外的有功功率增加量；
将所述额外的有功功率增加量与初始减载有功功率参考值相加得到有功功率参考值；
将所述有功功率参考值与实际值进行比较，利用PI控制器，根据比较结果获得转子q轴的参考电流值。
9.一种基于自适应下垂控制的风电调频控制系统，其特征在于：包括：
风速识别单元，用于获取当前风电机组的输入风速，以及，根据预先划分的风速区间，识别当前输入风速对应的风速区间；
下垂控制系数计算单元，用于根据识别得到的风速区间自适应计算当前下垂控制系数；
电网频率检测单元，用于实时检测电网频率偏差信号，并将所述电网频率偏差信号输出至控制单元；
控制单元，用于判断所述电网频率偏差信号是否超过预设死区频率范围值，若是，则根据所述电网频率偏差信号与当前下垂控制系数进行自适应下垂控制；若否，则不进行所述自适应下垂控制。
10.如权利要求9所述的基于自适应下垂控制的风电调频控制系统，其特征在于：所述预先划分的风速区间，包括：第一风速区间、第二风速区间、以及第三风速区间；
所述系统还包括：桨距角控制器；所述桨距角控制器用于将所述第一风速区间与第三风速区间的参考转速控制为风电机组的最大允许转速，以及，采用超速与变桨距角协调控制法控制所述第二风速区间的参考转速。
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