CN115207945A - 基于风机和储能剩余调节能量的变比例系数协调控制方法 - Google Patents

基于风机和储能剩余调节能量的变比例系数协调控制方法 Download PDF

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CN115207945A CN202210221183.4A CN202210221183A CN115207945A CN 115207945 A CN115207945 A CN 115207945A CN 202210221183 A CN202210221183 A CN 202210221183A CN 115207945 A CN115207945 A CN 115207945A
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Abstract

本发明公开了一种基于风机和储能剩余调节能量的变比例系数协调控制方法。本发明以双馈风电机组为研究对象，利用风机惯量动能储能，考虑储能装置的实时调节能力，提出一种可变系数的风储电压故障穿越比例协调控制方法。本发明的有益效果是：考虑储能与转子惯性剩余调节能力，引入可变比例系数，充分利用风机自身惯性调节动能，进一步减少了故障期间储能装置所需补偿功率与容量，同时保证了故障期间风机并网电压维持在正常水平，提高了风电机组电压故障穿越能力。

Description

基于风机和储能剩余调节能量的变比例系数协调控制方法
技术领域
本发明属于电力系统中风力发电并网技术领域，涉及一种基于风机和储能剩余调节能量的变比例系数协调控制方法。
背景技术
随着新能源的快速发展，接入电网的风电场规模不断增大、装机比例不断提高。一旦风电场因电网电压波动脱网，将对电网安全运行造成更大冲击。在电网故障时维持风机不脱网，是保障电网安全稳定运行的重要课题。
风机正常工作时，风能被风轮捕获转变为电能，并经由风电机的定子和转子馈入电网。当电网电压出现跌落时，将造成风机内部功率不平衡，导致发电机和变流器的电压、电流越限。双馈风机一般通过配置撬棒保护疏导故障时的不平衡功率。但撬棒保护存在一系列缺点，一是撬棒保护启动后，将失去对风机转子转速及无功的控制；二是连续多次故障时撬棒保护可能因散热电阻过热而失效；三是风机不平衡功率将被消耗为热能而不能得到利用。同时，传统的储能-风机比例协调控制采用固定比例系数，不能充分利用风机转子自身惯性调节，所需储能补偿容量较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术存在的缺陷，提供一种基于储能与转子惯性剩余调节能量的风机电压故障穿越可变比例系数协调控制方法，考虑储能实时功率平衡调节能力，引入可变比例系数，充分利用风机转子自身惯量动能，大幅减少了故障期间储能装置所需补偿功率与容量，保证了故障期间风机并网电压维持在正常水平，从而提高了风电机组连续故障穿越能力。
本发明采用的技术方案如下：一种基于风机和储能剩余调节能量的变比例系数协调控制方法，以下简称可变比例系数协调控制方法，电网电压正常情况下，风机机组的转子侧变换器用于实现风力机的最大功率跟踪功能和转子侧输出有功无功的解耦控制，网侧变换器用于实现对直流侧电压的稳定控制及网侧有功无功的解耦控制，储能装置不投入使用。电网故障导致电压突变，风电机组产生电压穿越故障时，应用所述可变比例系数协调控制方法，控制风机机端电压保持在正常水平并耗散电压故障穿越期间的不平衡有功功率。所述可变比例系数协调控制方法具体步骤为：
(1)通过储能装置补偿风机机端电压，保证风机机端电压维持在正常水平；
(2)通过储能装置中的储能单元充/放电操作，吸收/释放一部分电压故障穿越期间的不平衡有功功率，计为PES；具体为：当电网电压发生电压跌落，风机产生低电压穿越故障时，储能装置进行充电操作，吸收一部分不平衡有功功率；当电网电压发生电压抬升，风机产生高电压穿越故障时，储能装置进行放电操作，释放一部分不平衡有功功率。
(3)利用风机转子惯性调节能力，通过调节风机转子的转速，吸收/释放电压故障穿越期间的剩余部分不平衡有功功率，记为Pt；具体为：当电网电压发生电压跌落，风机产生低电压穿越故障时，风机转子进行加速操作，吸收一部分不平衡有功功率；当电网电压发生电压抬升，风机产生高电压穿越故障时，风机转子进行减速操作，释放一部分不平衡有功功率。
(4)考虑储能装置的剩余能量与风机转子惯性调节的剩余能量，引入实时计算的可变比例系数kt，按照该比例系数协调分配步骤(2)与步骤(3)中所述储能装置有功功率PES与所述风机转子惯性调节有功功率Pt，更新风机输出有功功率参考值；根据实时计算的比例系数kt与最新的风机输出有功功率参考值，重新调节步骤(2)中PES与步骤(3)中Pt的大小。
进一步地，采用如下步骤计算风机输出有功功率参考值：
步骤一：故障过程中，风机输出功率平衡表达为：
Pm＝Pgen+Pt＝PES+Pgrid+Pt (1)
其中，Pm为风机输入机械功率，Pgrid为电网吸收的有功功率，PES为储能装置吸收/释放的有功功率，Pt为转子惯量调节吸收/释放的有功功率，Pgen为风机端输出功率。
根据储能型动态电压调节器特性，设故障后风机并网点电压正序分量标幺值为
Figure BDA0003536822320000021
则风机输出有功功率与储能装置吸收/释放功率有如下式关系：
Figure BDA0003536822320000022
同时，故障过程中，转子角速度变化与转子惯量调节吸收/释放的有功功率的关系表示为：
Figure BDA0003536822320000031
其中，J为转动惯量；ω为转子旋转角速度。
步骤二：风电机组发生电压穿越故障期间，考虑储能装置的剩余能量与风机转子惯性调节的剩余能量，引入可变比例系数kt，风机转子惯量调节吸收/释放的有功功率与储能装置吸收/释放的有功功率比例关系由公式(4)确定：
Pt＝ktPES (4)
联立式(1)-(4)，可得电压穿越故障期间，风机输出有功功率与储能装置吸收/释放功率分别为：
Figure BDA0003536822320000032
上述Pgenk、PESk分别为故障穿越期间，风机输出有功功率与储能装置吸收/释放功率的控制参考值。
由公式(5)得到的功率反馈至风电机组，取公式(2)中的Pgen与(5)中的Pgenk的较小值，便可以得到故障期间风电机组输出的有功功率参考值
Figure BDA0003536822320000033
为：
Figure BDA0003536822320000034
确定故障期间风电机组输出有功功率参考值后，忽略损耗，即得到故障期间风机定子侧输出有功功率参考值Ps ref为：
Figure BDA0003536822320000035
其中，s为风机转差。
进一步地，可变比例系数kt通过如下步骤确定：
首先，考虑电网电压发生最严重故障，即电网电压三相对称跌落为零时，电网可吸收的功率降为零。以风机转子转速不超过ωm，转子惯性储能不大于转子旋转动能为约束条件，则有：
Figure BDA0003536822320000041
Figure BDA0003536822320000042
其中，PESmax为电压故障穿越期间储能单元吸收/释放的最大有功功率；风机转子的极限转速ωm；风机转子运行初始转速ω0；惯性时间常数
Figure BDA0003536822320000043
ωn为风机额定转速；tm为零电压穿越时间。
风机转子惯性调节能量应小于其最大可存储的动能，对公式(8)有：
Figure BDA0003536822320000044
其中，Ptmax为风机转子惯性调节的最大有功功率。
最后，所述的可变比例系数kt由风机转子惯性剩余调节能量ΔEk与储能装置剩余调节能量ΔEes确定：
Figure BDA0003536822320000045
由公式(11)确定的可变比例系数kt反映了当前的储能装置调节能力大小：其值越大，当前储能调节功率平衡能力大，利用风机转子惯性能量多，后续所需储能容量小；其值越小，储能调节功率平衡能力小，利用风机转子惯性能量少，后续所需储能容量大。
本发明具有的有益效果如下：本发明能够制定满足风电机组电压故障穿越的可变比例系数的协调控制策略方法，利用风机惯量动能储能，考虑储能实时功率调节能力，引入可变比例系数，进一步减少了故障期间储能装置所需补偿功率与容量，保证了故障期间风机并网电压维持在正常水平，从而提高了风电机组电压故障穿越能力。
附图说明
图1是本发明应用例中基于储能的风电机组并网结构示意图；
图2(a)是本发明应用例中基于风机和储能剩余调节能量的变比例系数协调控制方法；图2(b)是本发明应用例中可变比例系数示意图；
图3是本发明应用例中风电并网电压连续穿越故障运行示意图；
图4是本发明应用例中连续故障穿越仿真对比结果；图4(a)是本发明应用例中风电并网连续穿越端口电压仿真结果；图4(b)是本发明应用例中连续穿越故障储能风机功率仿真对比结果；图4(c)是本发明应用例中转子转速与桨距角仿真对比结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。
在本发明的一个较佳实施例中，提供了基于风机和储能剩余调节能量的变比例系数协调控制方法，以下简称可变比例系数协调控制方法，其特征在于：电网电压正常情况下，风机机组的转子侧变换器用于实现风力机的最大功率跟踪功能和转子侧输出有功无功的解耦控制，网侧变换器用于实现对直流侧电压的稳定控制及网侧有功无功的解耦控制，储能装置不投入使用。电网故障导致电压突变时，启动所述可变比例系数协调控制方法。所述可变比例系数协调控制方法具体流程为：
(1)通过储能装置补偿风机机端电压，保证风机机端电压维持在正常水平；
(2)通过储能装置中的储能单元充/放电操作，吸收/释放一部分电压故障穿越期间的不平衡有功功率，计为PES；具体为：当电网电压发生电压跌落，风机产生低电压穿越故障时，储能装置进行充电操作，吸收一部分不平衡有功功率；当电网电压发生电压抬升，风机产生高电压穿越故障时，储能装置进行放电操作，释放一部分不平衡有功功率。
(3)利用风机转子惯性调节能力，通过调节风机转子的转速，吸收/释放电压故障穿越期间的剩余部分不平衡有功功率，记为Pt；具体为：当电网电压发生电压跌落，风机产生低电压穿越故障时，风机转子进行加速操作，吸收一部分不平衡有功功率；当电网电压发生电压抬升，风机产生高电压穿越故障时，风机转子进行减速操作，释放一部分不平衡有功功率。
(4)考虑储能装置的剩余能量与风机转子惯性调节的剩余能量，引入实时计算的可变比例系数kt，按照该比例系数协调分配步骤(2)与步骤(3)中所述储能装置有功功率PES与所述风机转子惯性调节有功功率Pt，更新风机输出有功功率参考值；根据实时计算的比例系数kt与最新的风机输出有功功率参考值，重新调节步骤(2)中PES与步骤(3)中Pt的大小。
如图2中的(a)所示，所述的可变比例系数协调控制方法采用如下步骤计算所述控制方法中的各个参考值：
步骤一：电网故障发生后，由于机械惯量较大，风机输入机械功率不变，记为Pm。Pgrid为电网吸收的有功功率，PES为储能装置吸收/释放的有功功率，Pt为转子惯量调节吸收/释放的有功功率，Pgen为风机机端输出功率。则故障过程中，风机输出功率平衡表达为：
Pm＝Pgen+Pt＝PES+Pgrid+Pt (1)
根据储能型动态电压调节器特性，设故障后风机并网点电压正序分量标幺值为
Figure BDA0003536822320000061
则风机输出有功功率与储能装置吸收/释放功率有如下式关系：
Figure BDA0003536822320000062
同时，故障过程中，转子角速度变化与转子惯量调节吸收/释放的有功功率的关系表示为：
Figure BDA0003536822320000063
其中，J为转动惯量；ω为转子旋转角速度。
步骤二：风电机组发生电压穿越故障期间，考虑储能装置的剩余能量与风机转子惯性调节的剩余能量，引入可变比例系数kt，风机转子调节功率与储能吸收/释放功率关系由公式(4)确定：
Pt＝ktPES (4)
联立式(1)-(4)，可得故障穿越期间，风机输出有功功率与储能装置吸收/释放功率分别为：
Figure BDA0003536822320000064
上述Pgenk、PESk分别为故障穿越期间，风机输出有功功率与储能吸收/释放功率的控制参考值。
由公式(5)得到的功率反馈至风电机组，取公式(2)中的Pgen与(5)中的Pgenk的较小值，便可以得到故障期间风电机组输出的有功功率参考值
Figure BDA0003536822320000065
为：
Figure BDA0003536822320000066
通过所述可变比例系数协调控制方法确定故障期间风电机组输出有功功率后，忽略损耗，即可以得到故障期间风机定子侧输出有功功率参考值Ps ref为：
Figure BDA0003536822320000071
其中，s为风机转差。
如图2中的(b)所示，所述的可变比例系数kt通过如下步骤确定：
首先，考虑电网电压发生最严重故障，即电网电压三相对称跌落为零时，电网可吸收的功率降为零。以风机转子转速不超过ωm，转子惯性储能不大于转子旋转动能为约束条件，有：
Figure BDA0003536822320000072
Figure BDA0003536822320000073
其中，PESmax为电压故障穿越期间储能单元吸收/释放的最大有功功率；风机转子的极限转速ωm；风机转子运行初始转速ω0；惯性时间常数
Figure BDA0003536822320000074
ωn为风机额定转速；tm为零电压穿越时间。
然后，考虑在所述可变比例系数的比例协调控制方法下，风电机组能够平稳实现低电压穿越时，风机转子惯性调节能量应小于其最大可存储的动能，对公式(8)有：
Figure BDA0003536822320000075
其中，Ptmax为风机转子惯性调节的最大有功功率。
最后，所述的可变比例系数kt由风机转子惯性剩余调节能量ΔEk与储能装置剩余调节能量ΔEes确定：
Figure BDA0003536822320000076
可以看出，由公式(11)确定的可变比例系数kt反映了当前的储能装置调节能力大小：其值越大，意味当前储能调节功率平衡能力大，利用风机转子惯性能量多，后续所需储能容量小；其值越小，意味储能调节功率平衡能力小，利用风机转子惯性能量少，后续所需储能容量大。
本发明具有的有益效果如下：本发明能够制定满足风电机组电压故障穿越的可变比例系数的协调控制策略方法，利用风机惯量动能储能，考虑储能实时功率调节能力，引入可变比例系数，大幅减少了故障期间储能装置所需补偿功率与容量，保证了故障期间风机并网电压维持在正常水平，从而提高了风电机组电压故障穿越能力。
为验证本发明的有效性，后续应用例中采用双馈风机相关数据实现了上述方法，具体步骤不再赘述，主要给出其技术效果和实现细节。
应用例
如图1所示，是本发明基于储能的风电机组并网结构示意图；本应用例中使用MATLAB/Simulink软件平台搭建了本发明风电机组并网结构，并针对案例数据展示实施效果。
运行环境：
Intel Core i3-10105CPU 3.70GHz，16GB内存，Microsoft Windows 10X64
MATLAB 2020b
实施结果：
本发明按照附图3所述的风电并网电压连续穿越故障示意图进行仿真。图4(a)反映了风电并网电压连续穿越仿真结果。在1s时故障开始，电网电压跌落至0.5(p.u.)，持续625ms，然后开始恢复，在4s时电网电压发生连续穿越，抬升至1.2(p.u.)，持续2s；风机在间隔3s后再次承受所述电压连续穿越故障。图4(a)反映故障期间储能装置对并网点电压进行完全补偿，使风机机端电压始终维持在正常水平，图4(b)反映故障期间风电机组输出有功功率和电网吸收的有功功率之间的不平衡功率由储能装置吸收。图4(b)与图4(c)反映电网电压发生连续穿越故障期间，考虑储能与转子惯性剩余调节能量，采用可变比例系数的协调控制方法的储能所需容量最大为0.15(p.u.)，而固定比例系数的控制策略则需要0.3(p.u.)。风机转子在采用可变比例系数的情况下更能及时调速，并且不超过所设定的极限转速1.3(p.u.)。当电网电压恢复正常情况时，转速、桨距角等也开始恢复。
因此，可以从仿真结果看出，采用本发明所述基于储能与转子惯性剩余调节能量的风机电压故障穿越可变比例系数协调控制策略，不仅能使双馈风机机组几乎不受故障的影响，顺利完成电压故障穿越，并且相较于传统固定比例系数的储能-风机协调控制方法，采用可变比例系数，考虑储能与转子惯性剩余调节能量能够更加充分利用转子旋转惯性能量，最大程度利用风机转子惯性剩余能量，进一步减少故障期间储能所需容量。
根据本案例结果可以看出，电网电压故障期间，风电机组和电网之间的不平衡功率由储能装置吸收。同时考虑到风电机组本身控制和储能装置之间的协调控制策略，一方面减少了所需储能装置的功率和容量；另一方面在储能装置对机端电压进行完全补偿的情况下，最大限度的减少了电网故障对风电机组的影响。
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。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的范围上做的替代、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文详尽描述了本发明一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

Claims (3)

1.一种基于风机和储能剩余调节能量的变比例系数协调控制方法，其特征在于，该方法用于电网故障导致电压突变，风电机组产生电压穿越故障时，控制风机机端电压保持在正常水平并耗散电压故障穿越期间的不平衡有功功率；具体步骤为：
(1)通过储能装置补偿风机机端电压，保证风机机端电压维持在正常水平；
(2)通过储能装置中的储能单元充/放电操作，吸收/释放一部分电压故障穿越期间的不平衡有功功率，计为PES；具体为：当电网电压发生电压跌落，风机产生低电压穿越故障时，储能装置进行充电操作，吸收一部分不平衡有功功率；当电网电压发生电压抬升，风机产生高电压穿越故障时，储能装置进行放电操作，释放一部分不平衡有功功率。
(3)利用风机转子惯性调节能力，通过调节风机转子的转速，吸收/释放电压故障穿越期间的剩余部分不平衡有功功率，记为Pt；具体为：当电网电压发生电压跌落，风机产生低电压穿越故障时，风机转子进行加速操作，吸收一部分不平衡有功功率；当电网电压发生电压抬升，风机产生高电压穿越故障时，风机转子进行减速操作，释放一部分不平衡有功功率。
(4)考虑储能装置的剩余能量与风机转子惯性调节的剩余能量，引入实时计算的可变比例系数kt，按照该比例系数协调分配步骤(2)与步骤(3)中所述储能装置有功功率PES与所述风机转子惯性调节有功功率Pt，更新风机输出有功功率参考值；根据实时计算的比例系数kt与最新的风机输出有功功率参考值，重新调节步骤(2)中PES与步骤(3)中Pt的大小。
2.根据权利要求书1所述的可变比例系数协调控制方法，其特征在于：采用如下步骤计算风机输出有功功率参考值：
步骤一：故障过程中，风机输出功率平衡表达为：
Pm＝Pgen+Pt＝PES+Pgrid+Pt (1)
其中，Pm为风机输入机械功率，Pgrid为电网吸收的有功功率，PES为储能装置吸收/释放的有功功率，Pt为转子惯量调节吸收/释放的有功功率，Pgen为风机端输出功率。
根据储能型动态电压调节器特性，设故障后风机并网点电压正序分量标幺值为
Figure FDA0003536822310000011
则风机输出有功功率与储能装置吸收/释放功率有如下式关系：
Figure FDA0003536822310000021
同时，故障过程中，转子角速度变化与转子惯量调节吸收/释放的有功功率的关系表示为：
Figure FDA0003536822310000022
其中，J为转动惯量；ω为转子旋转角速度。
步骤二：风电机组发生电压穿越故障期间，考虑储能装置的剩余能量与风机转子惯性调节的剩余能量，引入可变比例系数kt，风机转子惯量调节吸收/释放的有功功率与储能装置吸收/释放的有功功率比例关系由公式(4)确定：
Pt＝ktPES (4)
联立式(1)-(4)，可得电压穿越故障期间，风机输出有功功率与储能装置吸收/释放功率分别为：
Figure FDA0003536822310000023
上述Pgenk、PESk分别为故障穿越期间，风机输出有功功率与储能装置吸收/释放功率的控制参考值。
由公式(5)得到的功率反馈至风电机组，取公式(2)中的Pgen与(5)中的Pgenk的较小值，便可以得到故障期间风电机组输出的有功功率参考值
Figure FDA0003536822310000024
为：
Figure FDA0003536822310000025
确定故障期间风电机组输出有功功率参考值后，忽略损耗，即得到故障期间风机定子侧输出有功功率参考值
Figure FDA0003536822310000026
为：
Figure FDA0003536822310000027
其中，s为风机转差。
3.根据权利要求2所述的可变比例系数协调控制方法，其特征在于：可变比例系数kt通过如下步骤确定：
首先，考虑电网电压发生最严重故障，即电网电压三相对称跌落为零时，电网可吸收的功率降为零。以风机转子转速不超过ωm，转子惯性储能不大于转子旋转动能为约束条件，则有：
Figure FDA0003536822310000031
Figure FDA0003536822310000032
其中，PESmax为电压故障穿越期间储能单元吸收/释放的最大有功功率；风机转子的极限转速ωm；风机转子运行初始转速ω0；惯性时间常数
Figure FDA0003536822310000033
ωn为风机额定转速；tm为零电压穿越时间。
风机转子惯性调节能量应小于其最大可存储的动能，对公式(8)有：
Figure FDA0003536822310000034
其中，Ptmax为风机转子惯性调节的最大有功功率。
最后，所述的可变比例系数kt由风机转子惯性剩余调节能量ΔEk与储能装置剩余调节能量ΔEes确定：
Figure FDA0003536822310000035
由公式(11)确定的可变比例系数kt反映了当前的储能装置调节能力大小：其值越大，当前储能调节功率平衡能力大，利用风机转子惯性能量多，后续所需储能容量小；其值越小，储能调节功率平衡能力小，利用风机转子惯性能量少，后续所需储能容量大。
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