CN117375021A - 基于虚拟同步机变参数算法的风储协同频率控制方法 - Google Patents

基于虚拟同步机变参数算法的风储协同频率控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于虚拟同步机变参数算法的风储协同频率控制方法，首先根据系统遭受负载扰动后的频率响应曲线，分阶段确定不同过程的调频需求；再针对风电系统调频需求，提出虚拟同步机变参数算法，建立基于VSG变参数算法的风电机组频率响应控制模型；接着加入储能模块，建立基于VSG变参数算法的风储系统模型；最后提出一种风储协同控制方法，根据系统调频需求分配风电机组和储能模块各自的有功出力，共同进行频率调节。本发明频率控制方法能够使系统具有较强的频率响应能力，在系统发生频率扰动时提高其暂态和稳态频率偏差，解决了风电系统虚拟惯量调频带来的频率二次跌落问题，且要求配置的储能容量较少，能够最大程度地利用风电进行调频。

Description

基于虚拟同步机变参数算法的风储协同频率控制方法
技术领域
本发明涉及基于虚拟同步机变参数算法的风储协同频率控制方法，属于风储协调控制技术领域。
背景技术
随着化石能源的枯竭和日益严格的碳排放要求，以传统同步能源为主导的能源体系正逐渐被风、光等非同步能源所取代。截止2023年2月底，中国风力发电总装机容量达到3.5亿千瓦。由于风电通过电力电子元件接入电网，传输功率与电网频率脱钩，无法主动提供惯性支撑，因此，新能源高占比电力系统在负荷扰动下的系统频率稳定性极易遭到威胁和破坏。为减小新能源机组接入对电网的影响，通过控制手段使新能源机组或储能参与调频成为了必然要求。
风电机组常用的调频手段包括转子超速控制、桨距角控制、虚拟惯量综合控制、虚拟同步机(virtual synchronous generator，VSG)等。转子超速控制也称超速减载，通过改变转速影响叶尖速比，使机组留有一部分有功备用，提高调频能力，但只能运行于中低风速(以减载20％考虑，风速临界值为8.2m/s)下。桨距角控制通过改变桨距角实现减载备用，但会导致桨距频繁变化，加剧机组机械磨损，缩短使用寿命。虚拟惯量综合控制包括惯量控制和下垂控制，此方法控制参数较多，控制复杂。VSG控制即通过模拟同步发电机的数学模型，使风电机组具备与同步发电机类似的惯量响应、阻尼特性以及一次调频特性，其不受物理特性约束，较为灵活简单。
当采取VSG控制时，风电退出调频会给系统带来较大的功率缺额，从而引起频率二次跌落。储能作为一种响应速度快、参数可调的高质量频率调节源，可以在短时间内向低惯量电力系统注入大量有功功率，支撑电网频率，补偿二次跌落。
现有的风储协调控制较多针对双馈风电系统，且现存的风储调频方法大多只从风储自身控制方法的角度出发，控制过程较为复杂，忽略了风储自身特性及控制方法之间的协调配合。因此，提出一种针对永磁同步发电机的基于VSG变参数算法的风储协同频率控制方法具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供基于虚拟同步机变参数算法的风储协同频率控制方法，通过变参数算法提高系统频率响应能力，同时通过风储协同策略解决频率二次跌落问题，减少系统对储能配置容量的需求。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
基于虚拟同步机变参数算法的风储协同频率控制方法，包括如下步骤：
步骤1，将风电系统遭受负载扰动后的频率响应变化划分为不同阶段，确定每个阶段下风电系统的调频需求；
步骤2，针对风电系统的调频需求，建立基于虚拟同步机变参数算法的风电系统频率响应控制模型；
步骤3，在步骤2的基础上加入储能系统，建立基于虚拟同步机变参数算法的风储系统模型，根据风储协同控制方法分配风电系统和储能系统各自的有功出力，实现频率共同调节。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、相比于固定参数算法，本发明通过变参数算法的优势，增强了系统的频率响应能力。
2、本发明能有效减小频率偏差极值，补偿因风电调频带来的二次跌落问题，且在相近结果下对比储能直接补偿二次跌落的方法所需配置的储能容量较小。
附图说明
图1是本发明基于虚拟同步机变参数算法的风储协同频率控制方法示意图；
图2是转子角频率振荡曲线，其中，(a)为负荷突增，(b)为负荷突降；
图3是VSG转动惯量和阻尼系数可行域设计图；
图4是风储协同控制流程图；
图5是负载变化率为5％时系统频率响应曲线；
图6是负载变化率为15％时系统频率响应曲线；
图7是负载变化率为15％时风电机组出力曲线；
图8是负载变化率为15％时储能出力曲线。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
如图1所示，为本发明基于虚拟同步机变参数算法的风储协同频率控制方法示意图，包括以下步骤：
(1)划分风电系统遭受负载扰动后的频率响应阶段，确定不同阶段下系统的调频需求；
(2)针对风电系统调频需求，提出虚拟同步机变参数算法，建立基于VSG的风电机组频率响应控制模型；
(3)建立基于虚拟同步机变参数算法的风储系统模型，根据风储协同控制方法分配风电机组和储能模块各自的有功出力，共同进行频率调节。
实施例1
本实施例在MATLAB/Simulink中搭建风储系统，验证基于VSG变参数的风储协同策略对系统频率响应动态性能的改善作用。
该实施例的分析包括以下步骤：
(1)划分系统遭受负载扰动后的频率响应阶段，确定不同阶段下系统的调频需求。
其中，以负荷突然增长为例，转子角频率振荡曲线可以分为四个阶段，如图2的(a)所示。t1～t2阶段角频率减小且角频率变化率为负，此时需要调大转动惯量以减缓角频率的下降，预防转速超调过大。此时，阻尼系数应调小以优化系统有功-频率下垂特性；t2～t3阶段频率从最低点上升至初始值，角频率偏差仍为负，但变化率为正，此时应调小转动惯量以尽快稳定角频率到额定值，同时调大阻尼系数以增大频率恢复速率；t3～t4阶段频率从初始值至最高点阶段，J、D取值同t1～t2阶段；t4～t5阶段频率恢复阶段，J、D取值同t2～t3阶段。
以负荷突降时转子角频率的变化曲线作为参考，转子角频率振荡曲线可以分为四个阶段，如图2的(b)所示。t1～t2阶段，t1时刻遭遇扰动，角频率开始增大且变化率为正。此时需要调大转动惯量J以减缓ω的增大，预防转速超调过大。此时，D应调小以优化系统有功-频率下垂特性。t2～t3阶段角频率偏差仍为正，但变化率为负，此时应调小J以尽快稳定ω到额定值，同时调大D以增大衰减速率。t3～t4阶段角频率偏差和变化率均为负，J、D取值同t1～t2阶段。t4～t5阶段角频率偏差为负，变化率为正，J、D取值同t2～t3阶段。
(2)针对风电系统调频需求，提出虚拟同步机变参数算法，建立基于VSG的风电机组频率响应控制模型：
其中，J、D为虚拟同步机控制模型中的转动惯量和阻尼系数，J0、D0为转动惯量和阻尼系数的初始值，K为转动惯量调整系数，ω为系统角频率，Δω为角频率偏移量，ωset为设定的偏移量最小值，t为时间。防止小扰动时参数频繁变化导致输出波动，Kd1为一个小于1的值，一般取0.1～0.3，Kd2为一个大于1的值，一般取1.05～1.2。
同时，转动惯量和阻尼系数还有一定的取值边界。当有功回路处于截止频率时，环路增益幅值为1，此时转动惯量的表达式为：
其中，fcp为截止频率，ωn为额定角频率，Xs为VSG的输出阻抗和系统阻抗之和，Vg为系统电压，En为逆变器桥臂中点电压基波的有效值。
为保证上式根号内的数值大于零，需保证：
又因为转动惯量还受相角裕度所限，其关系式为：
其中，PM为相角裕度。设定VSG无功回路处于下垂控制时相角裕度在30～90°，则J的最大值受相角裕度所限，J越小，滤波环节的转折频率越大，相角裕度越大。为了满足系统的相角裕度要求，J的取值要限制在一定范围内。确定J的范围后，可通过探究D和J的关系确定D的范围。由于二阶系统的最佳阻尼比为一般为且为维持频率稳定需求系统特征根一般适当远离虚轴，取最大值-10，D与J相关的参数可行域示意图如图3所示。
(3)建立基于虚拟同步机变参数算法的风储系统模型，根据风储协同控制方法分配风电机组和储能模块各自的有功出力，共同进行频率调节，提高负载扰动后的暂态和稳态频率偏差极值。
其中，风储协同控制流程图如图4所示。首先搭建含VSG的风储系统模型，确定风储系统调频裕度；接着检测风电系统频率是否在正常范围内，若频率偏差值Δf超出0.03Hz，则计算风电系统所需调频功率，再将调频功率下发给储能系统和风电系统；按照储能优先补偿的原则，判断储能功率Ps是否大于此刻系统所需的调频功率，只有当最大储能功率Ps_max不小于系统所需的调频功率且储能完全参与调频下其SOC在1min内变化量小于0.1％时，调频功率P全部由储能系统承担；当最大储能功率Ps_max大于系统所需的调频功率，调频功率由两者共同承担，储能系统承担系统一次调频所需的稳态功率，风电机组承担暂态过程的功率需求。
风电系统所需调频功率计算的公式为：
其中，fN为系统额定频率，f为系统实时频率，Kf为虚拟同步机的有功调频系数，Tj为风机的虚拟惯性常数，PN为系统额定容量。
本实施例中设置系统风速为10m/s，风电渗透率20％，风机运行在MPPT模式，3s时系统发生5％的负荷增长。为验证本发明所提策略的有效性，本实例将设置三种方案进行算例分析，并对比其实施效果：
方案1：风电和储能均不参与系统调频；
方案2：采用风储协同调频策略，但VSG参数采用固定参数；
方案3：采用风储协同调频策略，但VSG参数采用变参数算法。
分别采用上述三种方案进行仿真，得到频率响应曲线如图5所示，根据图像得到系统频率响应动态性能如表1所示。
表1频率响应动态性能
由表1可以看出，基于虚拟同步机变参数算法的风储协同频率控制方法可以有效提高系统调频能力，暂态频率偏差极值相比不调频和固定参数调频分别减少了18.5％和2.3％，稳态频率偏差极值相比不调频减少了12.2％。
实施例2
本实施例在MATLAB/Simulink中搭建风储系统，验证基于VSG变参数的风储协同策略对系统频率二次跌落的改善作用和对储能调节容量的需求优化。设置系统风速为10m/s，风电渗透率20％，风机运行在MPPT模式，3s时系统发生15％的负载增长。
为验证本发明所提策略的有效性，本实施例采用和实施例1相同的方法，并设置三种方案进行算例分析，对比其实施效果：
方案1：仅风电参与系统调频；
方案2：采用基于VSG变参数的储能直接补偿频率二次跌落控制策略，即检测到风机输出功率低于额定功率时储能装置开始向系统提供补偿功率；
方案3：采用基于VSG变参数的风储协同调频策略。
分别采用上述三种方案进行仿真，得到频率响应曲线如图6所示，风电机组出力曲线如图7所示，储能出力曲线如图8所示。根据图像分析可知，风电系统出现二次跌落时，风电场有功功率跌落5.2％，在储能直接补偿二次跌落和风储协同控制下，风电场功率分别跌落1.5％和0.9％，且在调频结果相近的条件下，储能直接补偿二次跌落的方法需要配置储能容量9.3％，而风储协同控制仅需配置6.9％，节约了25.8％。因此，采用风储协同控制能够在改善系统频率二次跌落的同时更高效地利用风电和储能进行频率调节。
综上，在风储系统发生负荷扰动时，本发明提出的基于虚拟同步机变参数的风储协同调频策略可以提高系统频率响应能力，减小系统的暂态和稳态频率偏差极值，解决因风电退出调频时导致的频率二次跌落问题。此方法响应速度快，所需配置的储能容量少，经济高效。
基于同一发明构思，本申请实施例提供一种计算机设备，包括存储器、处理器，以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现前述的基于虚拟同步机变参数算法的风储协同频率控制方法的步骤。
基于同一发明构思，本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现前述的基于虚拟同步机变参数算法的风储协同频率控制方法的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.基于虚拟同步机变参数算法的风储协同频率控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，将风电系统遭受负载扰动后的频率响应变化划分为不同阶段，确定每个阶段下风电系统的调频需求；
步骤2，针对风电系统的调频需求，建立基于虚拟同步机变参数算法的风电系统频率响应控制模型；
步骤3，在步骤2的基础上加入储能系统，建立基于虚拟同步机变参数算法的风储系统模型，根据风储协同控制方法分配风电系统和储能系统各自的有功出力，实现频率共同调节。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟同步机变参数算法的风储协同频率控制方法，其特征在于，所述步骤1中，风电系统遭受负载扰动后的频率响应变化包括如下两种情形：
1)负荷突增，频率响应变化分为四个阶段
阶段1：频率从初始频率下降至最低点，角频率减小且角频率变化率为负，需调大转动惯量，同时调小阻尼系数以优化系统有功-频率下垂特性；
阶段2：频率从最低点上升至初始频率，角频率偏差为负且角频率变化率为正，需调小转动惯量以稳定角频率到额定值，同时调大阻尼系数；
阶段3：频率从初始频率继续上升至最高点，角频率偏差和角频率变化率均为正，转动惯量和阻尼系数的变化需求同阶段1；
阶段4：频率从最高点恢复至初始频率，角频率偏差为正且角频率变化率为负，转动惯量和阻尼系数的变化需求同阶段2；
2)负荷突降，频率响应变化分为四个阶段
阶段I：频率从初始频率上升至最高点，角频率增大且角频率变化率为正，需调大转动惯量，同时调小阻尼系数以优化系统有功-频率下垂特性；
阶段II：频率从最高点下降至初始频率，角频率偏差为正且角频率变化率为负，需调小转动惯量以稳定角频率到额定值，同时调大阻尼系数；
阶段III：频率从初始频率继续下降至最低点，角频率偏差和角频率变化率均为负，转动惯量和阻尼系数的变化需求同阶段I；
阶段IV：频率从最低点恢复至初始频率，角频率偏差为负且角频率变化率为正，转动惯量和阻尼系数的变化需求同阶段II。
3.根据权利要求1所述的基于虚拟同步机变参数算法的风储协同频率控制方法，其特征在于，所述步骤2中，基于虚拟同步机变参数算法的风电系统频率响应控制模型的具体公式如下：
其中，J、D分别为虚拟同步机控制模型中的转动惯量和阻尼系数，J0、D0分别为转动惯量和阻尼系数的初始值，K为转动惯量调整系数，ω为系统角频率，Δω为角频率偏移量，ωset为设定的偏移量最小值，t为时间，Kd1为一个小于1的值，Kd2为一个大于1的值；
同时，转动惯量J满足如下条件：
其中，fcp为截止频率，Vg为系统电压，En为逆变器桥臂中点电压基波的有效值，Xs为虚拟同步机的输出阻抗和系统阻抗之和，ωn为额定角频率，PM为相角裕度。
4.根据权利要求1所述的基于虚拟同步机变参数算法的风储协同频率控制方法，其特征在于，所述步骤3的具体过程如下：
步骤31，在步骤2的基础上加入储能系统，建立基于虚拟同步机变参数算法的风储系统模型，确定风储系统调频裕度；
步骤32，检测风电系统频率是否在正常范围内，即频率偏差值Δf是否小于等于0.03Hz，当Δf超出0.03Hz时，计算风电系统所需调频功率P；
步骤33，按照储能优先补偿的原则，根据储能功率Ps和当前SOC的状态，确定风储协同调频原则，将调频功率下发给储能系统和风电系统；
步骤34，当最大储能功率Ps_max不小于系统所需的调频功率P且储能系统完全参与调频下其SOC在1min内变化量小于0.1％时，调频功率P全部由储能系统承担；
步骤35，当最大储能功率Ps_max小于系统所需的调频功率P时，调频功率由储能系统和风电系统共同承担，分配储能系统调频功率Ps为系统一次调频所需的稳态功率，风电系统调频功率Pw为暂态过程的所需功率。
5.根据权利要求4所述的基于虚拟同步机变参数算法的风储协同频率控制方法，其特征在于，所述风电系统所需调频功率P的计算公式如下：
其中，fN为系统额定频率，f为系统实时频率，Kf为虚拟同步机的有功调频系数，Tj为风机的虚拟惯性常数，PN为系统额定容量，t为时间。
6.一种计算机设备，包括存储器、处理器，以及存储在所述存储器中并能够在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至5任一项所述的基于虚拟同步机变参数算法的风储协同频率控制方法的步骤。
7.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5任一项所述的基于虚拟同步机变参数算法的风储协同频率控制方法的步骤。
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