CN115513974A - 一种风机暂态调频控制方法 - Google Patents

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CN115513974A CN202211337421.4A CN202211337421A CN115513974A CN 115513974 A CN115513974 A CN 115513974A CN 202211337421 A CN202211337421 A CN 202211337421A CN 115513974 A CN115513974 A CN 115513974A
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Abstract

本发明公开了一种风机暂态调频控制方法，包括：获取风机并网系统的频率阈值与虚拟惯量控制参数之间的关系，得到确保风机并网系统频率安全的临界虚拟惯量控制参数；根据确保风机并网系统频率安全的临界虚拟惯量控制参数，得到满足风机并网系统频率要求且包含未知参数的临界频率轨迹曲线；并根据风机并网系统的频率阈值与满足电网导则要求的继电保护动作阈值的关系，得到参数已知的临界频率轨迹；将参数已知的临界频率轨迹作为风机并网系统的频率控制目标，以完成对风机并网系统的暂态调频控制；本发明充分利用了风机电力电子装置输出功率控制灵活和可塑性强的特点；既实现了风机的暂态频率支撑，又确保了风机发电的经济性。

Description

一种风机暂态调频控制方法
技术领域
本发明属于风电调频控制技术领域，特别涉及一种风机暂态调频控制方法。
背景技术
随着采用电力电子设备作为并网接口的风机大规模接入电网，传统电网逐渐转变为以新能源为主导的低惯量、弱阻尼的新型电力系统，彻底地改变了传统电网的动态特征与稳定特性。在传统电网中，以大惯量、强阻尼为典型特征的同步发电机具有天然的频率响应能力，可根据系统频率变化自主地调整输出功率；因此，频率偏移量(Δf)、频率变化率(the Rate of Change of Frequency，RoCoF)指标容易满足电网导则要求；然而，与传统电网不同，对于高风电渗透率的新型电力系统来说，风机通过电力电子设备与大电网进行能量转换与传递，由于电力电子设备的解耦作用，导致电网抑制随机扰动、保持频率稳定的能力被削弱；同时，风力发电具有空间尺度上的低密度分散性与时间尺度上的强随机波动性，风机大规模接入加剧了发电侧的随机性和波动性；在随机扰动增多、抗扰动能力下降的双重背景下，高风电渗透率电网面临着严峻的频率稳定性问题；为应对高风电渗透率带来的系统惯量降低和调频能力不足，风电机组主动参与电网调频已成为风电大规模并网后的必然选择。
现有的风机无备用功率调频策略主要包括虚拟惯量控制(Virtual InertiaControl,VIC)、虚拟同步机及广义下垂控制等；上述控制策略主要利用风机转子的旋转质量或超级电容器作为虚拟惯性源，其优势是风机无需提前预留调频备用功率；上述调频策略的基本原理是使风机额外提供与频率偏移量Δf或频率变化率RoCoF成比例的调频功率，本质上可以等效为经典的下垂控制方法、惯性控制方法和比例微分(PD)控制方法；理论上，增加风机并网逆变器的控制器增益可以提供更多的调频功率，并进一步抑制频率偏移量Δf或频率变化率RoCoF。然而，风机并网逆变器的大部分设计容量已用于承担电力传输这一核心功能，调频业务的可用资源非常有限；同时，采用固定控制器增益的风机无法根据风速变化和系统面临的随机扰动强度来自适应的输出最佳的调频功率，因而无法高效地利用有限的可用调频资源；此外，风电机组调频响应能力的强弱受风机运行状态、综合控制参数、系统受扰程度及系统参数等的影响，然而由于扰动的随机性及风速的波动性，难以确定合适的控制参数，进而无法保证可信度较高的风机调频响应。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种风机暂态调频控制方法，以解决现有的风机调频控制策略中，控制器的增益参数易受电网惯量、阻尼系数和扰动等未知电网参数的影响，不同的运行工况要求不同的控制参数；同时，由于扰动的随机性和风速的波动性，难以确定合适的控制器控制参数，进而无法保证可信度较高的风机调频响应，大大降低了风机并网经济性的技术问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
本发明提供了一种风机暂态调频控制方法，包括：
基于风机并网系统的频率动态响应模型，获取风机并网系统的频率阈值与虚拟惯量控制参数之间的关系；
根据所述风机并网系统的频率阈值与虚拟惯量控制参数之间的关系，得到确保风机并网系统频率安全的临界虚拟惯量控制参数；
根据所述确保风机并网系统频率安全的临界虚拟惯量控制参数，得到满足风机并网系统频率要求且包含未知参数的临界频率轨迹曲线；
基于所述满足风机并网系统频率要求且包含未知参数的临界频率轨迹曲线，并根据风机并网系统的频率阈值与满足电网导则要求的继电保护动作阈值的关系，得到参数已知的临界频率轨迹；
当风机并网系统的实际频率达到所述参数已知的临界频率轨迹的触发值时，将所述参数已知的临界频率轨迹作为风机并网系统的频率控制目标，以完成对风机并网系统的暂态调频控制。
进一步的，所述风机并网系统的频率动态响应模型为：
Figure BDA0003915730060000021
其中，Δf(s)为风机并网系统受扰后频率域的频率偏差；s为复频率；ΔPD为阶跃扰动功率； KL,f为电网等效阻尼系数；TJS为电网等效惯性常数；Kd为虚拟惯量控制中的惯量增益系数； Kp为虚拟惯量控制中的下垂阻尼系数。
进一步的，所述风机并网系统的频率阈值与虚拟惯量控制参数之间的关系为：
Figure BDA0003915730060000022
其中，Δf(t)为风机并网系统时间域的频率偏差；t为时间；RoCoF为风机并网系统的频率变化率。
进一步的，所述确保风机并网系统频率安全的临界虚拟惯量控制参数为：
Figure BDA0003915730060000031
其中，Kpcr为确保风机并网系统频率安全的虚拟惯量控制中的下垂阻尼系数最小值；Kdcr为确保风机并网系统频率安全的虚拟惯量控制中的惯量增益系数最小值；Fthr为电网导则要求的频率偏差继电保护动作阈值；Rthr为电网导则要求的频率变化率继电保护动作阈值。
进一步的，所述满足风机并网系统频率要求且包含未知参数的临界频率轨迹曲线为：
Figure BDA0003915730060000032
其中，fTP_unknown(s)为满足风机并网系统频率要求且包含未知参数的临界频率轨迹曲线；fN(s) 为风机并网系统的额定频率。
进一步的，所述参数已知的临界频率轨迹为：
Figure BDA0003915730060000033
其中，fTP_known(s)为参数已知的临界频率轨迹。
进一步的，当风机并网系统的实际频率达到所述参数已知的临界频率轨迹的触发值时，将所述参数已知的临界频率轨迹作为风机并网系统的频率控制目标，以完成对风机并网系统的暂态调频控制的过程，具体如下：
当风机并网系统的实际频率达到所述参数已知的临界频率轨迹的触发值时，根据所述参数已知的临界频率轨迹，获取临界频率轨迹的通用表达式；
根据所述临界频率轨迹的通用表达式，采用PD控制方法，以使风机并网系统的频率响应曲线保持在所述参数已知的临界频率轨迹的安全裕量范围内，至此完成对风机并网系统的暂态调频控制。
进一步的，所述临界频率轨迹的通用表达式为：
Figure BDA0003915730060000034
Figure BDA0003915730060000041
R＝df/dt
其中，fTP(s)为临界频率轨迹；f为风机并网系统的实际频率；R为风机并网系统的实际频率变化率；sign(*)为符号函数。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供了一种风机暂态调频控制方法，基于风机并网系统的频率动态响应模型，根据风机并网系统的频率阈值主动规划出具有安全裕量且参数已知的临界频率轨迹；以所述参数已知的临界频率轨迹调控风机的调频功率，实现对风机并网系统暂态频率的快速支撑；其中，将所述参数已知的临界频率轨迹作为调控目标，使风机严格按照预先规划的频率轨迹提供暂态频率支撑，相比于传统的虚拟惯量控制方法在实现风机暂态频率支撑时，具有更好的经济性；同时，能够有效避免风机转速的深度跌落；其次，能够有效避免复杂的控制参数设计，且不受系统惯性、阻尼和随机干扰的影响；本发明能够充分利用风机电力电子装置输出功率控制灵活和可塑性强的特点，在调频资源受限的背景下，既实现了风机的暂态频率支撑，又确保了风机发电的经济性。
附图说明
图1为实施例中的风机并网系统模型的原理框图；
图2为实施例中的频率轨迹规划原理示意图；
图3为实施例中的调频功率Pcut随扰动系数δ的变化示意图；
图4为实施例中的频率轨迹规划实施控制框图；
图5为实施例中的频率轨迹分区示意图；其中，图5(a)为频率偏差Δf触发后的频率轨迹分区示意图；图5(b)为频率变化率RoCoF触发后的频率轨迹分区示意图；图5(c)为频率偏差Δf变化曲线；图5(d)为频率变化率RoCoF变化曲线；
图6为实施例中的风机单机并网系统的控制模型图；
图7为实施例中不同虚拟惯量控制中的下垂阻尼系数的试验结果图；其中，图7(a)为频率曲线；图7(b)为调频功率曲线；图7(c)为TP和FTP的频率曲线；图7(d)为风机的转子速度曲线；
图8为实施例中不同虚拟惯量控制中的下垂阻尼系数条件下系统的调频电磁转矩Te和机械转矩Tw的试验结果图；其中，图8(a)为下垂阻尼系数为50e6条件下系统的调频电磁转矩Te和机械转矩Tw的试验结果图；图8(b)为下垂阻尼系数为80e6条件下系统的调频电磁转矩Te和机械转矩Tw的试验结果图；图8(c)为下垂阻尼系数为100e6条件下系统的调频电磁转矩Te和机械转矩Tw的试验结果图；图8(d)为频率轨迹规划控制下系统的调频电磁转矩 Te和机械转矩Tw的试验结果图；
图9为实施例中的低风速下的试验结果图；其中，图9(a)为频率曲线；图9(b)为调频功率曲线；图9(c)为TP和FTP的频率曲线；图9(d)为风机的转子速度曲线；图9(e) 为频率轨迹规划控制下系统的调频电磁转矩Te和机械转矩Tw的试验结果图；图9(f)为虚拟惯量控制下系统的调频电磁转矩Te和机械转矩Tw的试验结果图；
图10为实施例中的中风速下的实验结果；其中，图10(a)为频率曲线；图10(b)为调频功率曲线；图10(c)为TP和FTP的频率曲线；图10(d)为风机的转子速度曲线；图10 (e)为频率轨迹规划控制下系统的调频电磁转矩Te和机械转矩Tw的试验结果图；图10(f) 为虚拟惯量控制下系统的调频电磁转矩Te和机械转矩Tw的试验结果图；
图11为实施例中的高风速下的实验结果；其中，图11(a)为频率曲线；图11(b)为调频功率曲线；图11(c)为TP和FTP的频率曲线；图11(d)为风机的转子速度曲线；图11 (e)为频率轨迹规划控制下系统的调频电磁转矩Te和机械转矩Tw的试验结果图；图11(f) 为虚拟惯量控制下系统的调频电磁转矩Te和机械转矩Tw的试验结果图；
图12为实施例中的含风电机组的IEEE标准四机两区域模型图；
图13为实施例中的四机两区系统的实验结果；其中，图13(a)频率曲线；图13(b)实际频率规划曲线；图13(c)调频辅助功率曲线。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题，技术方案及有益效果更加清楚明白，以下具体实施例，对本发明进行进一步的详细说明。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。
本发明提供了一种风机暂态调频控制方法，包括以下步骤：
步骤1、基于风机并网系统的频率动态响应模型，获取风机并网系统的频率阈值与虚拟惯量控制参数之间的关系；其中，所述风机并网系统的频率动态响应模型为：
Figure BDA0003915730060000051
其中，Δf(s)为风机并网系统受扰后频率域的频率偏差；s为复频率；ΔPD为阶跃扰动功率；KL,f为电网等效阻尼系数；TJS为电网等效惯性常数；Kd为虚拟惯量控制中的惯量增益系数； Kp为虚拟惯量控制中的下垂阻尼系数。
步骤1中，所述风机并网系统的频率阈值与虚拟惯量控制参数之间的关系为通过所述风机并网系统的频率动态响应模型，获取的包含虚拟惯量控制参数的频率阈值；其中，所述风机并网系统的频率阈值与虚拟惯量控制参数的关系为：
Figure BDA0003915730060000061
其中，Δf(t)为风机并网系统时间域的频率偏差；t为时间；RoCoF为电网并网系统的频率变化率。
步骤2、根据所述风机并网系统的频率阈值与虚拟惯量控制参数之间的关系，得到确保风机并网系统频率安全的临界虚拟惯量控制参数；其中，所述确保风机并网系统频率安全的临界虚拟惯量控制参数为：
Figure BDA0003915730060000062
其中，Kpcr为确保风机并网系统频率安全的虚拟惯量控制中的下垂阻尼系数最小值；Kdcr为确保风机并网系统频率安全的虚拟惯量控制中的惯量增益系数最小值；Fthr为电网导则要求的频率偏差继电保护动作阈值；Rthr为电网导则要求的频率变化率继电保护动作阈值。
步骤3、根据所述确保风机并网系统频率安全的临界虚拟惯量控制参数，得到满足风机并网系统频率要求且包含未知参数的临界频率轨迹曲线；其中，所述满足风机并网系统频率要求且包含未知参数的临界频率轨迹曲线为：
Figure BDA0003915730060000063
其中，fTP_unknown(s)为满足风机并网系统频率要求且包含未知参数的临界频率轨迹曲线；fN(s) 为额定频率。
本发明中，所述满足风机并网系统频率要求的临界频率轨迹曲线中存在诸多未知参数，例如；电网等效阻尼系数KL,f、电网等效惯性常数TJS、阶跃扰动功率ΔPD、确保风机并网系统频率安全的虚拟惯量控制中的下垂阻尼系数最小值Kpcr及确保风机并网系统频率安全的虚拟惯量控制中的惯量增益系数最小值Kdcr；因此，所述满足风机并网系统频率要求且包含未知参数的临界频率轨迹曲线无法直接用于实际的调频控制中。
步骤4、基于所述满足风机并网系统频率要求且包含未知参数的临界频率轨迹曲线，并根据风机并网系统的频率阈值与满足电网导则要求的继电保护动作阈值的关系，得到参数已知的临界频率轨迹；其中，所述参数已知的临界频率轨迹为：
Figure BDA0003915730060000071
其中，fTP_known(s)为参数已知的临界频率轨迹。
步骤5、当风机并网系统的实际频率达到所述参数已知的临界频率轨迹的触发值时，将所述参数已知的临界频率轨迹作为风机并网系统的频率控制目标，以完成对风机并网系统的暂态调频控制；其中，具体过程如下：
当风机并网系统的实际频率达到所述参数已知的临界频率轨迹的触发值时，根据所述参数已知的临界频率轨迹，获取临界频率轨迹的通用表达式；
其中，所述临界频率轨迹的通用表达式为：
Figure BDA0003915730060000072
Figure BDA0003915730060000073
R＝df/dt
其中，fTP(s)为临界频率轨迹；f为风机并网系统的实际频率；R为风机并网系统的实际频率变化率；sign(*)为符号函数；
根据所述临界频率轨迹的通用表达式，采用PD控制方法，以使风机并网系统的频率响应曲线保持在所述参数已知的临界频率轨迹的安全裕量范围内，至此完成对风机并网系统的暂态调频控制。
本发明中，所述临界频率轨迹的通用表达式中的参数都是电网导则规定的频率阈值，或可实时在线测量的系统运行参数，其与负荷扰动及系统参数无关；因此，所述临界频率轨迹的通用表达式能够直接用于实际的调频控制中。
本发明所述的风机暂态调频控制方法，其本质是电力系统受到扰动后，将风机的控制目标从额定频率切换为规划的频率轨迹；风机仅提供恰好保证频率偏差Δf和频率变化率RoCoF不越过其频率阈值所需的调频功率；若扰动后的频率自然频率响应在安全区域内时，则风机无需提供暂态频率支撑；由此，实现在保障系统频率安全稳定运行的同时，提升风机并网发电的经济效益；若风机严格按照规划的频率轨迹运行，既可以满足电网运行对频率指标的要求，又能够保证风机并网发电的经济效益；其中，将风机严格按照规划频率轨迹运行的控制方法称之为频率轨迹规划(Frequency Trajectory Planning，FTP)控制方法。
实施例
本实施例提供了一种风机暂态调频控制方法，包括以下步骤：
S1、风机并网系统的频率动态响应分析
建立风机并网系统的等效模型；如附图1所示，附图1中给出了风机并网系统模型的原理框图；根据所述风机并网系统的等效模型，确定风机并网系统的频率模型；其中，所述风机并网系统的频率模型通过电网的输出功率PG负荷功率PL以及风机的输出功率PW共同作用；
即：
Figure BDA0003915730060000081
其中，TJS为电网等效惯性常数，f为风机并网系统的电网频率。
根据所述风机并网系统的频率模型，构建风机并网系统的频率动态响应模型；其中，所述风机并网系统的频率动态响应模型为：
Figure BDA0003915730060000082
其中，Δf(s)为风机并网系统受扰后频率域的频率偏差；s为复频率；ΔPD为阶跃扰动功率，ΔPD>0；KL,f为电网等效阻尼系数；TJS为电网等效惯性常数；Kd为虚拟惯量控制中的惯量增益系数；Kp为虚拟惯量控制中的下垂阻尼系数。
基于所述风机并网系统的频率动态响应模型，获取风机并网系统的频率阈值与虚拟惯量控制参数之间的关系；具体的，通过对上式(2)的求解，即可得到所述风机并网系统的频率阈值；其中，所述风机并网系统的频率阈值包括风机并网系统的最大频率偏差及风机并网系统的最大频率变化率。
其中，所述风机并网系统的频率阈值，即所述风机并网系统的频率阈值与虚拟惯量控制参数之间的关系为：
Figure BDA0003915730060000091
其中，Δf(t)为风机并网系统时间域的频率偏差；t为时间；RoCoF为风机并网系统的频率变化率。
对公式(3)分析可知，扰动的出现必然会导致风机并网系统的电网频率发生变化，进而诱发频率偏差Δf及频率变化率RoCoF越限；若频率偏差Δf及频率变化率RoCoF越限，则频率相关的保护将会触发；同时，公式(3)还表明：在同等扰动下，虚拟惯量控制中的惯量增益系数Kd和虚拟惯量控制中的下垂阻尼系数Kp越小，则频率偏差Δf及频率变化率RoCoF越易越限；为了减小频率偏差Δf及频率变化率RoCoF的最大值，风机发电系统不能一直工作在 MPPT模式下，需要提供足够的调频功率来主动支撑低惯量电力系统的频率。
采用虚拟惯量控制(VIC)下，风机的辅助调频功率为：
Figure BDA0003915730060000092
其中，Pvic(s)为频率域下风机的辅助调频功率。
根据所述采用虚拟惯量控制(VIC)下风机的辅助调频功率，获得采用虚拟惯量控制策略提供的最大辅助调频功率为：
Figure BDA0003915730060000093
其中，Pvic|max为采用虚拟惯量控制策略提供的最大辅助调频功率；Pvic(t)为时间域下风机的辅助调频功率；Pvic(s)分别为频率域下风机的辅助调频功率。
本实施例中，所述采用虚拟惯量控制下风机的辅助调频功率随着虚拟惯量控制中的惯量增益系数Kd和虚拟惯量控制中的下垂阻尼系数Kp增大而变大；较大的虚拟惯量控制中的惯量增益系数Kd和虚拟惯量控制中的下垂阻尼系数Kp能够保证风机更多的调频出力，改善系统频率质量，但也必然要为此付出经济代价：极限偏离MPPT工作点、深度降低风机转子转速，由此导致风机无法应对持续的扰动；相比之下，较小的虚拟惯量控制中的惯量增益系数 Kd和虚拟惯量控制中的下垂阻尼系数Kp虽然可以降低风机转子转速的下降深度，但是可能无法有效地应对外界的扰动，在扰动较大时，会显著增大系统频率越限的风险；因此，在现实海量运行场景下，很难针对每个具体工况实现最佳的调频效果。
S2、频率轨迹规划控制
频率是表征风机并网系统电能质量的重要指标；风机并网系统中频率偏差Δf的最大值及频率变化率RoCoF的最大值不能超过电网导则规定的继电保护动作阈值；即：
Figure BDA0003915730060000101
其中，Fthr为电网导则要求的频率偏差继电保护动作阈值；Rthr为电网导则要求的频率变化率继电保护动作阈值。
根据风机并网系统的频率阈值与虚拟惯量控制参数之间的关系，得到确保风机并网系统频率安全的临界虚拟惯量控制参数；具体的，通过求解公式(6)，获得满足电网导则要求的虚拟惯量控制参数，即得到所述确保风机并网系统频率安全的临界虚拟惯量控制参数。
其中，所述确保风机并网系统频率安全的临界虚拟惯量控制参数为：
Figure BDA0003915730060000102
其中，Kpcr为确保风机并网系统频率安全的虚拟惯量控制中的下垂阻尼系数最小值；Kdcr为确保风机并网系统频率安全的虚拟惯量控制中的惯量增益系数最小值。
本实施例中，在确保不触发频率相关继电保护动作的前提下，风机参与调频时采用避免偏离最大功率点运行，保证风机并网系统发电的经济性；同时，为应对后续干扰留存尽可能多的可用调频容量，最优的风机调频是在满足公式(6)、公式(7)所示约束条件下，使公式(5) 所示的虚拟惯量控制策略提供的最大辅助调频功率最小。
因此，当虚拟惯量控制参数为确保风机并网系统频率安全的虚拟惯量控制中的下垂阻尼系数最小值Kpcr、确保风机并网系统频率安全的虚拟惯量控制中的惯量增益系数最小值Kdcr时，即可实现虚拟惯量控制的最优辅助功率出力；但是，公式(7)给出的确保风机并网系统频率安全的虚拟惯量控制中的下垂阻尼系数最小值Kpcr、确保风机并网系统频率安全的虚拟惯量控制中的惯量增益系数最小值Kdcr表达式中含有系统自身惯量系数TJS、等效阻尼系数KL,f、外界随机扰动ΔPD，上述参数不仅难以提前获取，而且还会随着系统运行方式变化、负荷波动、线路故障等发生变化。
为了确保发生扰动后电网频率的稳定，虚拟惯量控制参数只能根据可能发生的最恶劣工况进行设计，即随机扰动最大和系统惯量阻尼最小；因此，在多数工况下，虚拟惯量控制难以提供恰到好处的最优的惯量阻尼支撑。
由公式(7)可知，当控制参数为确保风机并网系统频率安全的虚拟惯量控制中的下垂阻尼系数最小值Kpcr、确保风机并网系统频率安全的虚拟惯量控制中的惯量增益系数最小值Kdcr时，发生扰动后虚拟惯量控制提供的频率支撑刚好满足公式(7)中的频率要求；此时，风机并网系统频率曲线恰好为符合电网频率要求的临界频率轨迹；因此，确保风机并网系统频率安全的虚拟惯量控制中的下垂阻尼系数最小值Kpcr、确保风机并网系统频率安全的虚拟惯量控制中的惯量增益系数最小值Kdcr代入公式(2)中，即可获得满足风机并网系统频率要求且包含未知参数的临界频率轨迹曲线；其中，满足风机并网系统频率要求且包含未知参数的临界频率轨迹曲线为：
Figure BDA0003915730060000111
其中，fTP_unknown(s)为满足风机并网系统频率要求且包含未知参数的临界频率轨迹曲线；fN(s) 为风机并网系统的额定频率。
本实施例1中，所述满足风机并网系统频率要求且包含未知参数的临界频率轨迹曲线的表达式中，由于存在诸多位置参数，例如；电网等效阻尼系数KL,f、电网等效惯性常数TJS、阶跃扰动功率ΔPD、确保风机并网系统频率安全的虚拟惯量控制中的下垂阻尼系数最小值Kpcr及确保风机并网系统频率安全的虚拟惯量控制中的惯量增益系数最小值Kdcr；该临界频率轨迹表达式难以在实际中运用，因此需进一步改进该表达式。
基于所述满足风机并网系统频率要求且包含未知参数的临界频率轨迹曲线，并根据风机并网系统的频率阈值与满足电网导则要求的继电保护动作阈值的关系，得到参数已知的临界频率轨迹；具体过程如下：
采用已知的电网导则要求的频率偏差继电保护动作阈值Fthr及电网导则要求的频率变化率继电保护动作阈值Rthr对所述公式(6)进行改写，得到公式(9)；
Figure BDA0003915730060000121
将所述公式(9)代入公式(8)中，即得到所述参数已知的临界频率轨迹；如附图2所示，附图2中给出了实施例中的频率轨迹规划原理示意图；其中，附图2中右上角部位的曲线即为所述参数已知的临界频率轨迹。
其中，所述参数已知的临界频率轨迹为：
Figure BDA0003915730060000122
其中，fTP_known(s)为参数已知的临界频率轨迹。
当风机并网系统的实际频率达到所述参数已知的临界频率轨迹的触发值时，将所述参数已知的临界频率轨迹作为风机并网系统的频率控制目标，以完成对风机并网系统的暂态调频控制；其中，具体过程如下：
当风机并网系统的实际频率达到所述参数已知的临界频率轨迹的触发值时，即阶跃扰动功率ΔPD<0时，根据所述参数已知的临界频率轨迹，获取临界频率轨迹的通用表达式；
其中，所述临界频率轨迹的通用表达式为：
Figure BDA0003915730060000123
Figure BDA0003915730060000124
R＝df/dt (13)
其中，fTP(s)为临界频率轨迹；f为风机并网系统的实际频率；R为风机并网系统的实际频率变化率；sign(*)为符号函数；
根据所述临界频率轨迹的通用表达式，采用PD控制方法，以使风机并网系统的频率响应曲线保持在所述参数已知的临界频率轨迹的安全裕量范围内，至此完成对风机并网系统的暂态调频控制。
S3、本实施例中的频率轨迹规划FTP与现有的虚拟惯量控制VIC的经济性对比
本实施例中，当风机并网系统严格按照所述临界频率轨迹的通用表达式，即公式(11)所规划的频率轨迹运行，获得在扰动时风机的调频辅助功率为：
Figure BDA0003915730060000131
为了替换未知的确保风机并网系统频率安全的虚拟惯量控制中的下垂阻尼系数最小值 Kpcr、确保风机并网系统频率安全的虚拟惯量控制中的惯量增益系数最小值Kdcr，将公式(9) 代入公式(14)中，可得参数已知的调频辅助功率；
其中，所述参数已知的频率辅助功率为：
Figure BDA0003915730060000132
虚拟惯量控制VIC下风机的调频辅助功率受虚拟惯量控制中的下垂阻尼系数Kp、虚拟惯量控制中的惯量增益系数Kd的影响，并且受公式(7)的约束；根据虚拟惯量控制VIC参数在最恶劣工况下进行设计，假设风机并网系统可能受到的最大扰动为最大阶跃扰动功率ΔPD_max，则虚拟惯量控制中的下垂阻尼系数Kp、虚拟惯量控制中的惯量增益系数Kd可写为：
Figure BDA0003915730060000133
定义实际阶跃扰动功率ΔPD与最大阶跃扰动功率ΔPD_max之比为扰动强度系数δ，即：
Figure BDA0003915730060000134
当风机并网系统受到的实际阶跃扰动功率超过最大阶跃扰动功率，即δ>1时，意味着风机的调频辅助功率输出已达到极限，系统频率相关的保护将会动作；此时，风机并网系统频率安全已无法得到有效保障，讨论风机调频的经济性也没有意义了；因此，在后续分析的扰动默认在最大扰动范围之内，即：0<δ<1。
将公式(17)代入公式(16)，得到最大扰动下的虚拟惯量控制中的下垂阻尼系数Kp、虚拟惯量控制中的惯量增益系数Kd为：
Figure BDA0003915730060000135
将公式(18)代入公式(4)，得到风机采用虚拟惯量控制VIC时提供的调频辅助功率Pvic为：
Figure BDA0003915730060000141
对比公式(15)与公式(19)，得到风机采用频率轨迹规划控制FTP比采用虚拟惯量控制 VIC节省的调频功率Pcut为：
Figure BDA0003915730060000142
如附图3所示，附图3中给出了实施例中的调频功率Pcut随扰动系数δ的变化示意图；从附图3中可以看出，频率轨迹规划控制FTP的经济性优势随着暂态频率支撑时间的增长、扰动强度δ的降低而逐步增大；特别是，风机并网系统面临的大部分扰动都是随机的小扰动，即δ较小；因此，本实施例中所述的频率轨迹规划控制FTP在大部分扰动工况下均具有明显的经济优势；其中，所述调频功率Pcut的最大值与电网等效阻尼系数KL,f、电网等效惯性常数TJS以及扰动强度δ之间的关系为：
Figure BDA0003915730060000143
从上述公式(21)可以看出，能够再次证明本实施例所述的频率轨迹规划控制FTP的经济性优势会随着扰动强度δ的降低而增强，还说明了经济优势也会随着电网等效阻尼系数KL,f、电网等效惯性常数TJS的增大而增强；其中，电网等效阻尼系数KL,f、电网等效惯性常数TJS越大，表明风机并网系统本身的抗扰动能力越强，需要风机提供的调频辅助功率越少。然而，按照最大扰动设计的虚拟惯量控制，即使风机并网系统发生随机小扰动，也始终按照最大扰动参数进行出力，降低了风机发电的经济性；而本实施例中的频率轨迹规划控制FTP按照临界频率轨迹调控系统频率，仅提供系统缺额的惯量阻尼，不提供过度的频率支撑，既保证了系统频率不越限，也减少了风机偏离最大功率点的程度，保证了风机发电的经济性。
S4、暂态调频控制实施
如附图4所示，附图4中给出了实施例中的频率轨迹规划实施控制框图，从附图4中可以看出，采用本实施例所述的频率轨迹规划FTP控制后，风机转子测变流器的暂态调频控制系统，包括锁相环模块、触发模块、转速保护模块、频率轨迹规划模块、功率控制模块及电流控制模块；其中，所述锁相环模块，用于实现频率的实时检测；所述触发模块及频率轨迹规划模块，用于执行所述S2中的频率轨迹规划控制操作；所述功率控制模块和所述电流控制模块，用于在原有风机变流器模块基础上叠加所述频率轨迹规划模块输出的调频结果指令，从而实现控制风机参与调频；所述转速保护模块，用于保护风机自身的安全运行，避免深度调频造成风机脱网。
如附图5所述，附图5中给出了频率轨迹分区示意图；其中，fNO是风机不参与调频的系统频率自然响应曲线；fTP是按照系统频率阈值规划的频率轨迹曲线，它是系统安全运行的频率底线；其中，图5(a)为频率偏差Δf触发后的频率轨迹分区示意图；图5(b) 为频率变化率RoCoF触发后的频率轨迹分区示意图；图5(c)为频率偏差Δf变化曲线；图5 (d)为频率变化率RoCoF变化曲线；由于风机响应速度及控制会不可避免地存在误差；因此，在实际控制时，需要考虑一定的安全裕量，即在电网导则规定的频率阈值基础上设定安全裕量，进而规划出更为安全的频率轨迹fRe；从附图5中可以看出，含安全裕量的频率轨迹曲线fRe与按照频率阈值规划的频率轨迹曲线fTP之间将会形成一个缓冲区域，风机以 fRe为控制目标进行快速频率响应，可以更有效地保证系统的频率安全。频率轨迹曲线实际启动值与理论频率阈值的约束条件为：
Figure BDA0003915730060000151
其中，Fact为频率偏差实际启动值；Ract为频率变化率RoCoF实际启动值；Fal、Ral分别为电网导则规定的频率阈值和频率轨迹规划实际启动值之间的裕量。
本实施例中，所述锁相环模块对系统频率进行实时检测，当扰动引起系统频率发生变化时，所述触发模块将根据公式(23)对频率偏差和频率变化率RoCoF进行判断：
(|fN-f|≥Fset)∪(|df/dt|≥Rset) (23)
其中，Fset为设定的频率偏差触发值，Rset为设定的频率变化率RoCoF触发值。
如附图4所示，当检测到的频率偏差或者频率变化率RoCoF超过设定的触发值后，频率轨迹规划控制启动标志位Trig1置为1，接着进入风机转速保护模块。
由于风电机组的旋转动能有限，转子转速不能长时间、持续地下降，若在调频期间，转速超出了安全范围，则会威胁到风机自身的稳定性，导致风机脱网；因此，一般情况下，风机调频都需要配置转速保护模块，防止风机转速快速下降而导致机组停机。
当风机转速满足要求时，将风机转速标志位Trig2置1；Trig1和Trig2都为1时，表明风机具备主动支撑电网频率的能力；随后频率轨迹规划模块进行频率轨迹规划；具体的，首先根据RoCoF判定规划曲线的走势，并根据此时的频率偏差进行频率轨迹规划；根据公式(11)确定的实际频率规划曲线为：
Figure BDA0003915730060000161
将频率规划曲线fRe作为控制目标，采用PD控制方法控制风机调频辅助功率Pvic，并叠加在原先MPPT工作点最大功率跟踪PMPPT上，从而实现暂态频率的支撑。
S5、实验仿真验证
为了证明本实施例所述的风机暂态调频控制方法的有效性和经济效益，进行了基于风机单机并网的半实物实验和基于多机电力系统的仿真；在MATLAB/Simulink中分别搭建了如附图6所示的风机单机并网系统的控制模型及如附图13所示的含风电机组的IEEE标准四机两区域模型。
单机系统的硬件电路由RT-LAB仿真，控制由DSP控制板实现；上位机实现仿真模型的编译和下载，下位机实现仿真模型的实时操作。控制参数在DSP控制器中修改，结果由示波器采集。实验验证了不同风速下，系统经历连续暂态过程后，系统频率、调频功率、风机转速的动态特性。
S5.1、不同VIC参数下对频率响应的影响
首先，验证不同VIC参数下系统的频率响应；当风速为7.2m/s时，对比分析连续突增小扰动和大扰动时所提控制策略与VIC的动态响应过程。
小扰动工况：在35s时，系统突然增加0.1MW的有功负荷；大扰动工况：在40s时，系统再次突然增加0.3MW的有功负荷。
当风机采用VIC控制时，由于系统本身参数、随机扰动等很难提前获知的参数，传统VIC 参数难以设计。因此，仿真时采用固定参数，Kd＝20e6，分别验证了Kp为50e6、80e6、100e6 时，风机单机并网系统的频率动态响应。
如附图7所示，随着Kp参数的增大，系统的频率最低点和频率偏差得到提升；然而，如附图8所示，当Kp为80e6、100e6时，可以发现系统的调频电磁转矩Te和机械转矩Tw发生明显振荡，同时造成风机辅助调频功率的振荡，进而引发频率的波动；同时，随着Kp的增加，转子转速显著降低；Te和Tw达到新稳态的时间变长，转子转速恢复时间变长，因此风机并网的经济效益显著降低。
风机采用VIC参与调频时，不合理的控制参数可能会引发系统频率的振荡；同时，随着Kp的增大，风机输出的调频辅助功率增大，风机转子转速下跌深度增加，电磁转矩和机械转矩达到新稳态的时间更久，风机转子转速恢复时间更久，使风机的并网经济性明显下降。
当风机采用本实施例中所述的控制方法时，无需进行复杂的控制参数设计，风机按照规划的频率轨迹提供起到好处的调频辅助功率，在保证系统频率稳定的同时，避免了风机转子转速的深度下跌，风机的电磁转矩和机械转矩也可以在短时间内达到新的平衡；相对VIC，本实施例中的FTP控制具有明显的经济性。
S5.2、不同风速下对频率响应的影响
实验还分别在低风速(7.2m/s)、中风速(9.6m/s)和高风速(13.2m/s)等不同条件下，验证了连续突增小扰动和大扰动时所提控制策略与VIC的动态响应；本实施例仿真的VIC参数都是经过反复试验得到的最优参数，而在实际工况中，由于系统参数、扰动大小等未知量，很难得到最优的VIC参数。
小扰动工况：在35s时，系统突然增加0.1MW的有功负荷；大扰动工况：在40s时，系统再次突然增加0.3MW的有功负荷。
关于硬件在环实验结果的详细分析如下：在大干扰情况下，风机单机并网系统的频率自然响应(Natural response，NR)的最低频率为49.34Hz，超过了49.5Hz的限值；采用本实施例所述的控制方法可以避免复杂的控制参数设计；风机根据规划的频率轨迹参与调频，可以保证系统频率稳定，避免转子转速大幅下降；Te和Tw也可以在短时间内达到新的平衡。与VIC相比，本实施例所述的控制方法具有明显的经济效益。在不同风速条件和不同干扰强度下，验证了具有最优参数的VIC的动态响应和所提策略的调频性能；值得注意的是，最佳VIC参数是通过反复试验获得的。
如图9-11所示，不同风速条件下，风机可用的调频能量不同；随着风速的增加，风机可用调频能量也随之增加；采用VIC调频策略，在面对相同的频率事件时，随着调频能量的增加，系统在频率事件后的频率偏差将减小；但是过度的频率支撑严重牺牲了风机并网发电的经济性。
采用本实施例所述的FTP控制时，面对相同的频率事件，即使风机具备不同的调频能量，风机也始终以规划的频率轨迹为控制目标，仅提供保证系统频率指标不越限的调频功率，以避免过度消耗有限的调频资源。实验结果表明，所提策略可以保证系统在频率事件发生后，频率指标不越限，并且在相同扰动下，所提策略的经济优势随着风机可用调频能量的增大而更加明显。
S5.3、IEEE标准4M2A模型验证
在4M2A标准模型的基础上，用风电机组代替同步发电机G4，建立如图12所示的含风机的多机系统仿真模型。
如图13所示，系统连续经历两次向下的扰动；20s时，系统突增20MW的扰动，系统频率自然响应的最低点是49.83Hz，低于FTP的启动阈值，频率轨迹规划模块不启动。当采用VIC时，为实现频率的无差控制，风机需深度调频，在小扰动工况下仍输出调频辅助功率。30s 时，系统再次突增80MW扰动，频率下跌至49.7Hz时，达到FTP启动阈值，频率轨迹规划模块随即启动，风机以规划的频率轨迹作为控制目标输出调频功率，即实际频率动态曲线低于规划的频率轨迹时，风机响应输出调频功率；其中，如附图13(b)所示，实验结果表明在4M2A 多机系统中，采用所提策略可以保证受扰后的频率动态响应在理论频率轨迹规划曲线的缓冲区内，不会触发系统频率保护阈值。
上述实施例仅仅是能够实现本发明技术方案的实施方式之一，本发明所要求保护的范围并不仅仅受本实施例的限制，还包括在本发明所公开的技术范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员所容易想到的变化、替换及其他实施方式。

Claims (8)

1.一种风机暂态调频控制方法，其特征在于，包括：
基于风机并网系统的频率动态响应模型，获取风机并网系统的频率阈值与虚拟惯量控制参数之间的关系；
根据所述风机并网系统的频率阈值与虚拟惯量控制参数之间的关系，得到确保风机并网系统频率安全的临界虚拟惯量控制参数；
根据所述确保风机并网系统频率安全的临界虚拟惯量控制参数，得到满足风机并网系统频率要求且包含未知参数的临界频率轨迹曲线；
基于所述满足风机并网系统频率要求且包含未知参数的临界频率轨迹曲线，并根据风机并网系统的频率阈值与满足电网导则要求的继电保护动作阈值的关系，得到参数已知的临界频率轨迹；
当风机并网系统的实际频率达到所述参数已知的临界频率轨迹的触发值时，将所述参数已知的临界频率轨迹作为风机并网系统的频率控制目标，以完成对风机并网系统的暂态调频控制。
2.根据权利要求1所述的一种风机暂态调频控制方法，其特征在于，所述风机并网系统的频率动态响应模型为：
Figure FDA0003915730050000011
其中，Δf(s)为风机并网系统受扰后频率域的频率偏差；s为复频率；ΔPD为阶跃扰动功率；KL,f为电网等效阻尼系数；TJS为电网等效惯性常数；Kd为虚拟惯量控制中的惯量增益系数；Kp为虚拟惯量控制中的下垂阻尼系数。
3.根据权利要求1所述的一种风机暂态调频控制方法，其特征在于，所述风机并网系统的频率阈值与虚拟惯量控制参数之间的关系为：
Figure FDA0003915730050000021
其中，Δf(t)为风机并网系统时间域的频率偏差；t为时间；RoCoF为风机并网系统的频率变化率。
4.根据权利要求1所述的一种风机暂态调频控制方法，其特征在于，所述确保风机并网系统频率安全的临界虚拟惯量控制参数为：
Figure FDA0003915730050000022
其中，Kpcr为确保风机并网系统频率安全的虚拟惯量控制中的下垂阻尼系数最小值；Kdcr为确保风机并网系统频率安全的虚拟惯量控制中的惯量增益系数最小值；Fthr为电网导则要求的频率偏差继电保护动作阈值；Rthr为电网导则要求的频率变化率继电保护动作阈值。
5.根据权利要求1所述的一种风机暂态调频控制方法，其特征在于，所述满足风机并网系统频率要求且包含未知参数的临界频率轨迹曲线为：
Figure FDA0003915730050000023
其中，fTP_unknown(s)为满足风机并网系统频率要求且包含未知参数的临界频率轨迹曲线；fN(s)为风机并网系统的额定频率。
6.根据权利要求1所述的一种风机暂态调频控制方法，其特征在于，所述参数已知的临界频率轨迹为：
Figure FDA0003915730050000024
其中，fTP_known(s)为参数已知的临界频率轨迹。
7.根据权利要求1所述的一种风机暂态调频控制方法，其特征在于，当风机并网系统的实际频率达到所述参数已知的临界频率轨迹的触发值时，将所述参数已知的临界频率轨迹作为风机并网系统的频率控制目标，以完成对风机并网系统的暂态调频控制的过程，具体如下：
当风机并网系统的实际频率达到所述参数已知的临界频率轨迹的触发值时，根据所述参数已知的临界频率轨迹，获取临界频率轨迹的通用表达式；
根据所述临界频率轨迹的通用表达式，采用PD控制方法，以使风机并网系统的频率响应曲线保持在所述参数已知的临界频率轨迹的安全裕量范围内，至此完成对风机并网系统的暂态调频控制。
8.根据权利要求7所述的一种风机暂态调频控制方法，其特征在于，所述临界频率轨迹的通用表达式为：
Figure FDA0003915730050000031
Figure FDA0003915730050000032
R＝df/dt
其中，fTP(s)为临界频率轨迹；f为风机并网系统的实际频率；R为风机并网系统的实际频率变化率；sign(*)为符号函数。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116047918A (zh) * 2023-04-03 2023-05-02 山东理工大学 基于Hamilton系统理论的镇定控制器的设计方法

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