CN115102193B - 一种考虑风电参与调频的系统频率二次跌落事件预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑风电参与调频的系统频率二次跌落事件预测方法，包括步骤1：采集风电机组运行风速和并网点系统频率，读取控制周期内风电机组采取的调频方式；步骤2：实时判断步骤1采集的系统频率是否处于预设范围内，若否，则进行风电调频控制策略状态切换；步骤3：根据当前风电机组运行风速和所采取的调频方式，构建系统频率二次跌落事件预测模型，预测风电机组受扰动功率随时间变化和系统频率二次跌落起始阶段的冲击功率。本发明兼顾风电机组对一次和二次频率跌落的作用特性，实现对系统频率二次跌落事件的准确感知，有利于提高新能源电力系统运行安全可靠性。

Description

一种考虑风电参与调频的系统频率二次跌落事件预测方法
技术领域
本发明涉及电网频率稳定分析领域，尤其涉及一种考虑风电参与调频的系统频率二次跌落事件预测方法。
背景技术
风电是极具有参与电力系统调频潜力的新能源形式。风电在电力系统中的渗透率不断提高，弱化了系统惯性和一次调频能力，给新能源电力系统频率稳定带来恶劣影响，大电网安全稳定防御体系面临挑战。
风电机组主动功率控制可有效提升弱惯性电网频率稳定性，利用风电机组转子动能和功率备用支撑频率变化，典型控制方式包括：虚拟惯性控制、超速控制和变桨距控制。然而，风电机组减载运行降低综合效益，势必导致风电机组调频能力受限。在大功率扰动发生期间，风电机组持续释放转子动能，触发转速保护下限并退出调频，反而需要从电网吸收功率以提高转速，这可能导致频率二次跌落，不利于系统频率稳定。
以往研究侧重于风电机组调频控制策略提升，对系统频率二次跌落过程研究相关较少，各种风电调频控制策略下，系统频率二次跌落触发时刻和影响尚不明晰。风电机组引发的频率二次跌落事件限制了其辅助系统调频的参与程度，不利于高比例新能源消纳和建模。考虑到风电机组频率响应模块中，有功和系统频率耦合特性复杂，最大功率跟踪模块和风力机机械功率变化造成控制系统为非线性，增加了等效建模的难度，因此如何构建可行的风电频率响应模型，并以此为基础进行系统频率二次跌落事件预测是有待解决的难题。
发明内容
为了提升含高比例风电的电力系统频率稳定，本发明提出一种考虑风电参与调频的系统频率二次跌落事件预测方法，能够实时感知风电参与系统调频后发生频率二次跌落事件的可能与风险，为合理制定综合调频计划提供参考。
本发明的一种考虑风电参与调频的系统频率二次跌落事件预测方法，包括以下步骤：
步骤1：采集风电机组运行风速和并网点系统频率，读取控制周期内风电机组采取的调频方式；
步骤2：实时判断步骤1采集的并网点系统频率是否处于预设范围内，若是，则继续监测风电机组运行风速和并网点系统频率；若否，则进行风电调频控制策略状态切换；
步骤3：根据当前风电机组运行风速和所采取的调频方式，构建系统频率二次跌落事件预测模型，预测风电机组受扰动功率随时间变化和系统频率二次跌落起始阶段的冲击功率。
步骤1中，所述风电机组采取的调频方式包括虚拟惯性控制、超速备用控制和变桨距控制；
所述虚拟惯性控制通过在风电机组机侧变流器最大功率跟踪模块附加参考功率，表示为：
Figure BDA0003782170010000021
式中：Kp和Kd分别为虚拟惯性控制的比例和微分系数；Popt为风电机组最大功率跟踪值；f为系统频率；
所述超速备用控制和变桨距控制下的参考功率可表示为：
Figure BDA0003782170010000022
式中：d％为风电机组减载比例。
步骤2中，进行风电调频控制策略状态切换，具体为，将风电机组机侧变流器中，最大功率跟踪参考值替换为风电机组的风力机机械功率；风力机机械功率PWT，m变化通过风力机模型表示：
Figure BDA0003782170010000023
式中：ρ为空气密度；Cp为风能捕获效率系数；λ为叶尖速比；λi为中间变量；β为桨距角；A为桨叶风能捕获面积；v为风速；ωr为风电机组转子转速；R为调差系数；
风电调频控制策略状态切换后，机侧变流器参考功率ΔPWT，e为
Figure BDA0003782170010000024
式中：ΔPWT,m为扰动期间机械功率变化量。
步骤3中，构建系统频率二次跌落事件预测模型，具体为：
风电调频控制策略状态切换后，通过单质块模型给出转子转速变化过程：
Figure BDA0003782170010000031
式中：ωr,0为扰动前稳定运行时风电转子转速；HWT为风电固有惯性时间常数；ωr为风电调频控制策略状态切换后风电转子转速；
可得系统频率变化到风电机组转子转速变化间的复频域传递函数如下：
Figure BDA0003782170010000032
GWTt为复频域的传递函数表达式，代表转子转速变化和系统频率变化的比值；对于虚拟惯性控制，针对当前运行点的一阶泰勒展开，将非线性模型线性化，最大功率跟踪模式下，风电机组运行转速表示为ωopt＝λoptv/R，λopt为最大功率跟踪模式下的叶尖速比，v和R为风速和调差系数；在该运行点处风电机械功率ΔPWTm，VI变化为：
Figure BDA0003782170010000033
式中：KVI为虚拟惯性控制风电转子转速的参数灵敏度；GWTt为统频率变化到风电机组转子转速变化间的复频域传递函数；PWT,m为风力机机械功率；
风电虚拟惯性响应有功输出GWT，VI为：
Figure BDA0003782170010000034
对于超速控制，机械功率ΔPWTm，OS的变化为：
Figure BDA0003782170010000035
式中：KOS为超速控制风电转子转速的参数灵敏度；
风电超速控制有功输出GWT，OS为：
Figure BDA0003782170010000036
对于桨距角控制，延时环节模拟桨距角调整变化的滞后特性：
Figure BDA0003782170010000037
式中：TWT,b为桨距调节器的时间常数；Δβ为桨距角变化量；KVB,b为桨距角控制系数；
机械功率ΔPWTm，VB的变化为：
Figure BDA0003782170010000041
式中：KVB,1和KVB,2分别为风电转子转速和桨距角的参数灵敏度；
风电桨距角控制有功输出传递函数为：
Figure BDA0003782170010000042
等值发电机的传递函数为：
Figure BDA0003782170010000043
式中：TJ为发电机的惯性时间常数；D表示发电机阻尼系数；
发电机一次调频部分传递函数描述为：
Figure BDA0003782170010000044
式中：FHP为高压缸稳态输出功率占汽轮机总输出功率的百分比；TRH为中间再热蒸汽容积效应时间常数；
系统频率扰动变化可描述为：
Figure BDA0003782170010000045
式中：α1和α2分别为火电机组和风电机组发电占比；ΔPL为功率缺额；GWT为不同风电机组调频方式对应的传递函数；
△ωr(t)＝L-1(GWTt△f)
式中：L-1为反拉式变换；
求解以下代数方程：
△ωr(ts)＝△ωmin
式中：Δωmin将发电机调频后抵达转速下限时间ts，记为系统频率二次跌落起始点；
风电机组受扰动功率随时间变化可表示为：
Figure BDA0003782170010000046
系统频率二次跌落起始阶段的冲击功率ΔPs可记为：
Figure BDA0003782170010000051
式中：k为最大功率跟踪系数。
本发明能够实时感知风电参与系统调频后发生频率二次跌落事件的可能与风险，风电调频功率将原有的最大功率跟踪环节替换为机械功率量测模块后，增加了风电一次调频功率输出。设置风电机组转速下限为0.7p.u.，可以看出风电调频后，第19.3s发生了系统频率二次跌落事件，依据所提方法可以很好地对二次跌落的时间和功率缺额进行预测。本发明可为合理制定综合调频计划提供参考。
附图说明
图1为本发明所提方法实现的流程图；
图2为本发明所提方法实现的风电机组调频出力预测结果；
图3为本发明所提方法实现的系统频率预测结果；
图4为本发明所提方法实现的频率二次跌落事件预测结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
一种考虑风电参与调频的系统频率二次跌落事件预测方法；包括以下步骤：
步骤1：采集风电机组运行风速和并网点系统频率，读取控制周期内风电机组采取的调频方式；
步骤2：实时判断步骤1采集并网点系统频率是否处于预设范围内，若否，进行风电调频控制策略状态切换；
步骤3：根据当前风电机组运行风速和所采取的调频方式，构建系统频率二次跌落事件预测模型，预测风电机组进入转速恢复阶段的时间和冲击功率。
步骤1中，风电机组采取的调频方式包括虚拟惯性控制、超速备用控制和变桨距控制。
虚拟惯性控制通过在风电机组机侧变流器最大功率跟踪模块附加参考功率，可表示为：
Figure BDA0003782170010000052
式中：Kp和Kd分别为虚拟惯性控制的比例和微分系数；Popt为风电机组最大功率跟踪值；f为系统频率。
超速备用控制和变桨距控制下的参考功率可表示为：
Figure BDA0003782170010000061
式中：d％为风电机组减载比例。
步骤2中，进行风电调频控制策略状态切换，具体为，将风电机组机侧变流器中，最大功率跟踪参考值替换为风电机组风力机机械功率。
风力机机械功率变化主要通过风力机模型表示：
Figure BDA0003782170010000062
式中：ρ为空气密度；Cp为风能捕获效率系数；λ为叶尖速比；λi为中间变量；β为桨距角；A为桨叶风能捕获面积；v为风速；ωr为风电机组转子转速；R为调差系数。
风电调频控制策略状态切换后，机侧变流器参考功率ΔPWT，e为
Figure BDA0003782170010000063
式中：ΔPWT,m为扰动期间机械功率变化量。
步骤3中，构建系统频率二次跌落事件预测模型，具体为：
风电调频控制策略状态切换后，通过单质块模型给出转子转速变化过程：
Figure BDA0003782170010000064
式中：ωr,0为扰动前稳定运行时风电转子转速；HWT为风电固有惯性时间常数；ωr为风电调频控制策略状态切换后风电转子转速。
可得系统频率变化到风电机组转子转速变化间的复频域传递函数如下：
Figure BDA0003782170010000065
对于虚拟惯性控制，针对当前运行点的一阶泰勒展开，将非线性模型线性化，最大功率跟踪模式下，风电机组运行转速可表示为ωopt＝λoptv/R，λopt为最大功率跟踪模式下的叶尖速比，v和R为风速和调差系数。在该运行点处风电机械功率变化为：
Figure BDA0003782170010000071
式中：KVI为虚拟惯性控制风电转子转速的参数灵敏度；GWTt为统频率变化到风电机组转子转速变化间的复频域传递函数；PWT,m为风力机机械功率。
风电虚拟惯性响应有功输出为：
Figure BDA0003782170010000072
对于超速控制，机械功率的变化为：
Figure BDA0003782170010000073
式中：KOS为超速控制风电转子转速的参数灵敏度。
风电超速控制有功输出为：
Figure BDA0003782170010000074
对于桨距角控制，延时环节模拟桨距角调整变化的滞后特性：
Figure BDA0003782170010000075
式中：TWT,b为桨距调节器的时间常数；Δβ为桨距角变化量；KVB,b为桨距角控制系数。
机械功率的变化为：
Figure BDA0003782170010000076
式中：KVB,1和KVB,2分别为风电转子转速和桨距角的参数灵敏度。
风电桨距角控制有功输出传递函数为：
Figure BDA0003782170010000077
等值发电机的传递函数为：
Figure BDA0003782170010000081
式中：TJ为发电机的惯性时间常数；D表示发电机阻尼系数。
发电机一次调频部分传递函数描述为：
Figure BDA0003782170010000082
式中：FHP为高压缸稳态输出功率占汽轮机总输出功率的百分比；TRH为中间再热蒸汽容积效应时间常数。
系统频率扰动变化可描述为：
Figure BDA0003782170010000083
式中：α1和α2分别为火电机组和风电机组发电占比；ΔPL为功率缺额；GWT为不同风电机组调频方式对应的传递函数。
△ωr(t)＝L-1(GWTt△f)
式中：L-1为反拉式变换。
求解以下代数方程：
△ωr(ts)＝△ωmin
式中：Δωmin将发电机调频后抵达转速下限时间ts，记为系统频率二次跌落起始点。
风电机组受扰动功率随时间变化可表示为：
Figure BDA0003782170010000084
系统频率二次跌落起始阶段的冲击功率可记为：
Figure BDA0003782170010000085
式中：k为最大功率跟踪系数。
设置风电发电占比为30％，风电采用虚拟惯性控制，风电调频功率如图2所示，将原有的最大功率跟踪环节替换为机械功率量测模块后，增加了风电一次调频功率输出。
系统频率预测结果如图3所示。系统频率在4s左右时跌落0.0078Hz，随后频率有所回升，最终跌落到0.0068Hz左右。
设置风电机组转速下限为0.7p.u.，可以看出风电调频后，第19.3s发生了系统频率二次跌落事件，依据所提方法可以很好地对二次跌落的时间和功率缺额进行预测，如图4所示。
以上所述的具体实施方式,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施方式而已,并不用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种考虑风电参与调频的系统频率二次跌落事件预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：采集风电机组运行风速和并网点系统频率，读取控制周期内风电机组采取的调频方式；
步骤2：实时判断步骤1采集的并网点系统频率是否处于预设范围内，若是，则继续监测风电机组运行风速和并网点系统频率；若否，则进行风电调频控制策略状态切换；
步骤3：根据当前风电机组运行风速和所采取的调频方式，构建系统频率二次跌落事件预测模型，预测风电机组受扰动功率随时间变化和系统频率二次跌落起始阶段的冲击功率；
步骤1中，所述风电机组采取的调频方式包括虚拟惯性控制、超速备用控制和变桨距控制；
所述虚拟惯性控制通过在风电机组机侧变流器最大功率跟踪模块附加参考功率，表示为：
Figure FDA0004066186060000011
式中：Kp和Kd分别为虚拟惯性控制的比例和微分系数；Popt为风电机组最大功率跟踪值；f为系统频率；
所述超速备用控制和变桨距控制下的参考功率可表示为：
Figure FDA0004066186060000012
式中：d％为风电机组减载比例；
步骤2中，进行风电调频控制策略状态切换，具体为，将风电机组机侧变流器中，最大功率跟踪参考值替换为风电机组的风力机机械功率；
风力机机械功率PWT，m变化通过风力机模型表示：
Figure FDA0004066186060000013
式中：ρ为空气密度；Cp为风能捕获效率系数；λ为叶尖速比；λi为中间变量；β为桨距角；A为桨叶风能捕获面积；v为风速；ωr为风电机组转子转速；R为调差系数；
风电调频控制策略状态切换后，机侧变流器参考功率ΔPWT，e为
Figure FDA0004066186060000021
式中：ΔPWT,m为扰动期间机械功率变化量；
步骤3中，构建系统频率二次跌落事件预测模型，具体为：
风电调频控制策略状态切换后，通过单质块模型给出转子转速变化过程：
Figure FDA0004066186060000022
式中：ωr,0为扰动前稳定运行时风电转子转速；HWT为风电固有惯性时间常数；ωr为风电调频控制策略状态切换后风电转子转速；
可得系统频率变化到风电机组转子转速变化间的复频域传递函数如下：
Figure FDA0004066186060000023
GWTt为复频域的传递函数表达式，代表转子转速变化和系统频率变化的比值。
2.根据权利要求1所述的一种考虑风电参与调频的系统频率二次跌落事件预测方法，其特征在于，所述风电机组受扰动功率随时间变化和系统频率二次跌落起始阶段的冲击功率的预测方法如下：
对于虚拟惯性控制，针对当前运行点的一阶泰勒展开，将非线性模型线性化，最大功率跟踪模式下，风电机组运行转速表示为ωopt＝λoptv/R，λopt为最大功率跟踪模式下的叶尖速比，v和R为风速和调差系数；在运行点处风电机械功率ΔPWTm，VI变化为：
Figure FDA0004066186060000024
式中：KVI为虚拟惯性控制风电转子转速的参数灵敏度；GWTt为统频率变化到风电机组转子转速变化间的复频域传递函数；PWT,m为风力机机械功率；
风电虚拟惯性响应有功输出GWT，VI为：
Figure FDA0004066186060000031
对于超速控制，机械功率ΔPWTm，OS的变化为：
Figure FDA0004066186060000032
式中：KOS为超速控制风电转子转速的参数灵敏度；
风电超速控制有功输出GWT，OS为：
Figure FDA0004066186060000033
对于桨距角控制，延时环节模拟桨距角调整变化的滞后特性：
Figure FDA0004066186060000034
式中：TWT,b为桨距调节器的时间常数；Δβ为桨距角变化量；KVB,b为桨距角控制系数；
机械功率ΔPWTm，VB的变化为：
Figure FDA0004066186060000035
式中：KVB,1和KVB,2分别为风电转子转速和桨距角的参数灵敏度；
风电桨距角控制有功输出传递函数为：
Figure FDA0004066186060000036
等值发电机的传递函数为：
Figure FDA0004066186060000037
式中：TJ为发电机的惯性时间常数；D表示发电机阻尼系数；
发电机一次调频部分传递函数描述为：
Figure FDA0004066186060000038
式中：FHP为高压缸稳态输出功率占汽轮机总输出功率的百分比；TRH为中间再热蒸汽容积效应时间常数；
系统频率扰动变化可描述为：
Figure FDA0004066186060000041
式中：α1和α2分别为火电机组和风电机组发电占比；ΔPL为功率缺额；
GWT为不同风电机组调频方式对应的传递函数；
△ωr(t)＝L-1(GWTt△f)
式中：L-1为反拉式变换；
求解以下代数方程：
△ωr(ts)＝△ωmin
式中：Δωmin将发电机调频后抵达转速下限时间ts，记为系统频率二次跌落起始点；
风电机组受扰动功率随时间变化表示为：
Figure FDA0004066186060000042
系统频率二次跌落起始阶段的冲击功率ΔPs可记为：
Figure FDA0004066186060000043
式中：k为最大功率跟踪系数。
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