CN117477605A - 与同步机一次调频响应协同的新能源滞后性惯量控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种与同步机一次调频响应协同的新能源滞后性惯量控制方法，属于电数字数据处理技术领域。包括以下过程：在发生有功扰动时，将系统频率偏差依次经过比例环节和高通滤波环节，得到新能源有功出力参考值调整量；将新能源有功出力参考值调整量与风电机组最大功率共同作用于转子侧变流器，其中，高通滤波环节的时间常数与发电机组的同步机一次调频的时间常数相匹配。在新能源对电网提供频率支撑期间，本发明提高了对新能源有限能量的利用效率，相比于现有控制，能够以同样的能量释放量得到更好的改善系统频率跌落效果。
Description
技术领域
本发明涉及电数字数据处理技术领域，特别涉及一种与同步机一次调频响应协同的新能源滞后性惯量控制方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
当前新能源机组主要经过电力电子接口以“跟网型”控制模式并网，不具备自发响应系统频率变化的能力。随着高比例新能源的接入，系统的惯量水平和调频能力不断下降，在直流闭锁、发电机切机等有功扰动下维持频率安全的能力持续降低，系统频率极易出现大幅跌落，电网的安全稳定运行面临严重威胁。
当前，不少研究提出为了使新能源机组具备对系统的频率支撑能力，可在原有新能源有功功率控制的有功参考值基础上附加一个调频控制环节，使新能源在检测到系统频率跌落后依据频率变化率或频率偏差来增发自身的有功出力，从而模拟传统同步机的惯量响应或一次调频，分别称为虚拟惯量控制或下垂控制，以改善有功扰动后系统频率跌落幅度。
近年来，虚拟惯量、下垂控制已经得到了广泛应用，但是，发明人发现，由于风电等新能源的能量储备是有限的，虚拟惯量、下垂控制在有限能量下的控制效果并不理想。一方面，虚拟惯量控制是依据系统频率变化率改变有功出力参考值的控制方式，其作用主要在于抑制扰动发生初期的频率跌落，应用虚拟惯量控制后，由于系统频率变化率得到一定程度的改善，反而减缓了同步机调速器在一次调频期间根据系统频率增加机械功率的速度，综合来看使得频率最低点的提升效果有限；另一方面，下垂控制是依据频率偏差来调节新能源有功出力参考值的控制方式，这意味着只要频率偏差存在，新能源的有功出力需要始终大于初始值，由于大扰动下的一次调频持续数分钟之久，下垂控制对新能源能量储备的需求较大，若新能源的能量储备不足，则只能被迫中途降低出力，退出调频，若退出时的功率变化方式设计不合理，会造成显著的系统频率二次跌落，对系统频率安全带来新的威胁。
综上，现有控制方式使新能源的频率响应特性与同步机趋同，但并未考虑新能源在能量储备水平上远不及同步机的特点，对新能源有限能量储备的利用效率不高。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种与同步机一次调频响应协同的新能源滞后性惯量控制方法，在新能源对电网提供频率支撑期间，提高了对新能源有限能量的利用效率，相比于现有控制，能够以同样的能量释放量得到更好的改善系统频率跌落效果。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种与同步机一次调频响应协同的新能源滞后性惯量控制方法。
一种与同步机一次调频响应协同的新能源滞后性惯量控制方法，包括以下过程：
在发生有功扰动时，将系统频率偏差依次经过比例环节和高通滤波环节，得到新能源有功出力参考值调整量；
将新能源有功出力参考值调整量与风电机组最大功率共同作用于转子侧变流器，其中，高通滤波环节的时间常数与发电机组的同步机一次调频的时间常数相匹配。
作为本发明第一方面进一步的限定，高通滤波环节的时间常数与发电机组的同步机一次调频的时间常数相同。
作为本发明第一方面进一步的限定，发电机组的同步机一次调频的时间常数的获取，包括：
通过最小二乘法计算历史扰动下同步机一次调频响应时间常数；
对新运行的机组，通过施加阶跃扰动的形式，确定新运行机组的一次调频响应时间常数；
根据新运行机组的一次调频响应时间常数，对最小二乘法计算得到的同步机一次调频响应时间常数进行修正，得到最终的同步机一次调频的时间常数。
作为本发明第一方面更进一步的限定，对最小二乘法计算得到的同步机一次调频响应时间常数进行修正，包括：
以历史运行中N台机组总的功率与通过最小二乘法计算得到的同步机一次调频响应时间常数的乘积为第一变量，以新运行机组的一次调频响应时间常数与新运行机组功率的乘积为第二变量，其中，N为大于1的正整数；
以历史运行中N台机组总的功率与新运行机组功率的加和为第三变量，最终的同步机一次调频的时间常数为：第一变量与第二变量的加和，再与第三变量的比值。
作为本发明第一方面更进一步的限定，通过最小二乘法计算历史扰动下同步机一次调频响应时间常数，包括：
使低阶系统频率频率响应模型的输入功率为阶跃输入，求得频率偏差和时间之间的函数关系，根据函数关系确定用于惯性时间常数计算的参数值；
在发生负荷扰动时，计算不同时间对应的系统频率偏差，采用最小二乘法进行拟合，得到通过最小二乘法计算的同步机一次调频响应时间常数。
第二方面，本发明提供了一种与同步机一次调频响应协同的新能源滞后性惯量控制系统。
一种与同步机一次调频响应协同的新能源滞后性惯量控制系统，包括：
参考值调整量生成模块，被配置为：在发生有功扰动时，将系统频率偏差依次经过比例环节和高通滤波环节，得到新能源有功出力参考值调整量；
滞后性惯量控制模块，被配置为：将新能源有功出力参考值调整量与风电机组最大功率共同作用于转子侧变流器，其中，高通滤波环节的时间常数与发电机组的同步机一次调频的时间常数相匹配。
作为本发明第二方面进一步的限定，滞后性惯量控制模块中，发电机组的同步机一次调频的时间常数的获取，包括：
通过最小二乘法计算历史扰动下同步机一次调频响应时间常数；
对新运行的机组，通过施加阶跃扰动的形式，确定新运行机组的一次调频响应时间常数；
根据新运行机组的一次调频响应时间常数，对最小二乘法计算得到的同步机一次调频响应时间常数进行修正，得到最终的同步机一次调频的时间常数。
作为本发明第二方面进一步的限定，滞后性惯量控制模块中，对最小二乘法计算得到的同步机一次调频响应时间常数进行修正，包括：
以历史运行中N台机组总的功率与通过最小二乘法计算得到的同步机一次调频响应时间常数的乘积为第一变量，以新运行机组的一次调频响应时间常数与新运行机组功率的乘积为第二变量，其中，N为大于1的正整数；
以历史运行中N台机组总的功率与新运行机组功率的加和为第三变量，最终的同步机一次调频的时间常数为：第一变量与第二变量的加和，再与第三变量的比值。
第三方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的与同步机一次调频响应协同的新能源滞后性惯量控制方法中的步骤。
第四方面，本发明提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明第一方面所述的与同步机一次调频响应协同的新能源滞后性惯量控制方法中的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明创新性的提出了一种与同步机一次调频响应协同的新能源滞后性惯量控制策略，新能源在系统发生频率变化后，以一种新的滞后性惯量控制环来计算自身有功出力参考值的调整量，并且该惯量控制环的时间常数与同步机一次调频响应的时间常数建立匹配关系，以使其在频率支撑过程中的功率-频率响应特性与同步机一次调频期间的功率-频率响应特性实现互补协同，在新能源对电网提供频率支撑期间，提高了对新能源有限能量的利用效率，相比于现有控制，能够以同样的能量释放量得到更好的改善系统频率跌落效果。
2、本发明创新性的提出了一种与同步机一次调频响应协同的新能源滞后性惯量控制策略，相比于虚拟惯量控制，新能源在扰动初期增发出力的速度更缓慢，以此使其对同步机的一次调频响应速度的影响程度更弱，新能源、同步机对系统频率跌落的共同抑制效果更好；相比于下垂控制，新能源在频率最低点发生后能够逐渐降低自身出力，直至系统频率达到准稳态值，新能源的出力水平过渡到扰动前状态，其对能量储备的调用更少且不会发生因能量不足而被迫降低出力的情况，避免系统频率二次跌落。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1提供的风电机组虚拟惯量和下垂控制原理框图；
图2为本发明实施例1提供的风电机组功率-转速曲线示意图；
图3为本发明实施例1提供的滞后性惯量响应框图；
图4为本发明实施例1提供的两种惯量响应控制方式增发功率对比示意图；
图5为本发明实施例1提供的低阶频率响应模型传递函数框图；
图6为本发明实施例1提供的参数整定流程图；
图7为本发明实施例1提供的风电渗透率为10%时不同调频控制的能量利用效果对比示意图；
图8为本发明实施例1提供的风电能量为0.14s时不同调频策略的频率特性对比示意图；
图9为本发明实施例1提供的风电能量为0.14s时不同调频策略的功率特性对比示意图；
图10为本发明实施例1提供的风电能量为0.14s时不同调频策略的能量释放特性对比示意图；
图11为本发明实施例1提供的风电渗透率为40%时不同调频控制的能量利用效果对比示意图；
图12为本发明实施例1提供的风电能量为0.55s时不同调频策略的频率特性对比示意图；
图13为本发明实施例1提供的风电能量为0.55s时不同调频策略的功率特性对比示意图；
图14为本发明实施例1提供的风电能量为0.55s时不同调频策略的能量释放特性对比示意图；
图15为本发明实施例1提供的风电渗透率为60%时不同调频控制的能量利用效果对比示意图；
图16为本发明实施例1提供的风电能量为0.55s时不同调频策略的频率特性对比示意图；
图17为本发明实施例1提供的风电能量为0.55s时不同调频策略的功率特性对比示意图；
图18为本发明实施例1提供的风电能量为0.55s时不同调频策略的能量释放特性对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1：
风电机组通常工作在最大功率跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）控制模式。当投入虚拟惯量或下垂控制时，风电机组根据测量的系统频率，改变其功率参考值，释放出转子动能提供频率支撑。
具体控制框图如图1所示，其中f meas和f ref分别为系统实际频率和额定频率，ω r为转子转速，K d和K p分别为虚拟惯量和下垂控制系数。通过使风电机组在频率支撑阶段的功率变化量分别与系统频率变化率和频率偏差成比例，可以分别模拟出同步机惯量响应和一次调频特性，此时风电机组输出电磁功率P e为：（1）。
式中：（2）。
其中，为最大功率跟踪控制的控制系数，根据风电机组的风功率捕获特性确定；风机释放转子动能参与调频的过程中，P MPPT会随着转速的下降而降低，因此风机对调频贡献的出力会随着调频过程的持续而减少，该过程中风电机组的功率-转速曲线如图2所示。
为避免因转子动能过度释放而引起的频率二次跌落问题，目前学者主要提出两种解决思路：第一种是在参与调频期间，通过调节风机的控制参数，使其实际释放转子动能与自身存储的、可释放的转子动能相匹配；第二种是在退出调频过程中，控制风电机组功率缓慢下降，改善其在退出调频瞬间有功出力骤降造成的频率跌落。此外，退出调频的时刻对二次跌落程度也有较大影响，有学者研究并提出通过合理选取退出调频时刻来改善二次跌落的方法。
储能具有灵活的充放电能力，也可以参与电网调频。储能参与调频的形式可分为两大类，第一类是独立的储能装置，通过电力电子接口与交流电网相连，在系统频率变化时释放/吸收能量参与调频，以此改善系统频率特性。另一类是利用储能装置辅助同步机或新能源进行调频，例如在风电机组的直流侧加装电池或超级电容，改善其调频深度和持续时间。其中，储能独立参与一次调频的研究大都针对储能集中式、大规模接入系统的场景，采用虚拟惯量和下垂控制，使储能电池模拟传统发电机组在一次调频期间的出力响应特性。
由以上可知，以“模拟同步机”为主要思路的虚拟惯量和下垂控制仍是主流的控制方法。然而，当可释放能量有限时，新能源仅可实现短时功率支撑，在不同的频率支撑控制方式下新能源对系统频率最低点的提升效果存在明显差异。如何充分利用新能源的可释放能量，最大程度改善系统频率跌落幅度，是新能源频率支撑研究中的重要问题。
本发明聚焦于新能源大规模接入场景下的系统频率稳定问题，通过设计一种新的新能源频率支撑控制器，实现新能源在频率支撑期间的响应特性与同步机一次调频响应特性的配合，利用新能源响应特性与同步机一次调频滞后特性的互补协同，最大程度提升有限能量释放下对系统频率最低点的支撑效果。
本发明主要原理是：在有功扰动发生后，将系统频率偏差依次经过比例环节和高通滤波环节，计算得到新能源有功出力参考值调整量，并且高通滤波的时间常数与同步机一次调频的时间常数相匹配。应用本发明后，相比于虚拟惯量控制，新能源在扰动初期增发出力的速度更缓慢，以此使其对同步机的一次调频响应速度的影响程度更弱，新能源、同步机对系统频率跌落的共同抑制效果更好；相比于下垂控制，新能源在频率最低点发生后能够逐渐降低自身出力，直至系统频率达到准稳态值，新能源的出力水平过渡到扰动前状态，其对能量储备的调用更少且不会发生因能量不足而被迫降低出力的情况，避免系统频率二次跌落。
本发明可以广泛适用于风电机组、储能系统等采用跟网型变流器并网、且能量储备有限的新能源类型。
具体的，本发明包括以下内容：
（1）滞后性惯量控制的设计。
滞后性惯量响应的控制结构如图3所示，其在传统的虚拟惯量控制输出的基础上增加了一个一阶惯性环节。其中，为系统频率偏差，/>为虚拟惯量控制系数，/>为一阶惯性环节的惯性时间常数，/>为新能源调频功率增量。
新能源支撑系统频率变化时，两种惯量响应控制方式下调频功率增量的对比如图4所示。
区别于传统的虚拟惯量控制，滞后性惯量控制响应速度慢。在扰动发生的初期，系统频率的变化主要由同步机的转子动能承担，在短时间内能够通过同步机的惯性来抵御外部扰动，而新能源由于惯性环节的影响对系统频率的响应量较小；当频率发生明显变化之后，频率下降到较低值，新能源开始发挥较强的支撑作用，防止频率越过安全下限，在频率安全的前提下充分发挥一次调频作用，提高系统频率最低点，有效的减小了对新能源能量的需求。随着火电机组一次调频的启动，滞后性惯量也能够随之退出调频，滞后性惯量响应控制适用于任何新能源并网参与一次调频。
（2）惯性时间常数和虚拟惯量控制系数/>的选择。
选择不同的惯性时间常数，同步机和新能源协同支撑系统频率时对系统频率最低点的改善情况以及整个系统所提供的能量是不同的。
采用电力系统经典的低阶频率响应模型，将多台机组等值聚合为单台机组，确定滞后性惯量控制的惯性时间常数，模型如图5所示。图中为等值发电机的惯性时间常数；为等值发电机的阻尼系数；/>和/>分别为等值发电机调速器的机械功率增益系数和调差系数，/>和/>分别为等值发电机的汽轮机高压缸做功比例和再热器时间常数，同步机一次调频响应时间常数为/>
为了补偿同步机的滞后特性，在完全补偿的情况下可实现将系统频率响应模型降为一阶。因此，滞后性惯量控制中惯性时间常数的取值应与同步机一次调频响应时间常数/>相同。
决定风电能量大小，其值越大对应的风电能量需求越大，其值越小对应风电能量需求越小，应具有一定的取值范围。因此基于风电机组的可释放能量评估结果进行参数的整定。
（3）同步机一次调频响应时间的获取。
在电力系统的实际运行中，涉及多台同步机并网，同步机的惯性时间常数是一个等值的参数，很难从系统中直接获取。在实际电网中，电力系统会使用广域测量系统（WideArea Measurement System，WAMS）、相量测量单元（Phasor Measurement Unit，PMU）等先进技术进行实时监测。
本发明在确定同步机一次调频响应时间常数时，采用了以历史数据为基础，通过实时数据进行修正的方法，确定最终/>的值，其具体流程如图5所示。
（3-1）通过最小二乘法计算历史扰动下同步机一次调频响应时间常数。
最小二乘法可用于估计具有已知函数关系模型的未知参数，对于给定的数据点（xi，yi），1≤i≤N，已知其输入和输出函数表达式y=f(x)，为了使拟合出的近似曲线能尽量反应所给数据的变化趋势，要求在所有数据点上的残差的平方和最小，即：（3）。
在系统发生扰动后时刻，由PMU测得系统偏差为/>为：/>（4）。
式中，为扰动发生后/>时刻由PMU测得系统频率，/>为该时刻对应的系统频率偏差，/>是系统额定频率，为50Hz。
在采用最小二乘法求解同步机的一次调频响应时间常数时，主要分为三步。
首先，通过采用经典的低阶系统频率频率响应模型，如图5所示，使该模型输入功率为阶跃输入，求得频率偏差和时间之间的函数关系，即：（5）。
式中，，/>为中间变量，不具有实际意义，为了便于计算，将上式进行化简处理后得到下式，式中/>、/>是需要通过最小二乘法求解得到的参数值：/>（6）。
关于惯性时间常数为的求解：在已知/>、/>的情况下，可通过下式求解出/>：/>（7）。
然后，在发生负荷扰动时，计算不同时间对应的系统频率偏差，获得所需要的数据（，/>），具体获得数据的方法如下：通过PMU装置对实际电力系统发生扰动后的数据进行采集，在扰动发生后以/>s的时间间隔进行采样，采样的总时间为40s，共计2000组数据。
最后，采用最小二乘法进行拟合，此时所要求解的函数为式（8）：（8）。
通过求解S的值，获取全网同步机一次调频响应时间常数。
（3-2）通过调度中心实时数据修正获取最终的/>。
调度中心是电力系统的核心控制中心，负责监视和控制整个电力系统的运行。它获取和处理大量的实时数据，并基于这些数据做出运行、调度和控制决策。历史数据和实时数据对应着电网中不同的同步机启停状态，通过历史数据获得的同步机一次调频响应时间常数在反应实际运行场景时存在一定的缺陷。因此，通过实时的数据采集对历史数据进行修正，获得最终的。
假设在历史数据下电网中有N台机组运行，通过最小二乘法求得的一次调频响应时间常数，在实际运行系统下有N+1台机组在运行，此时实际系统一次调频响应时间常数与/>不同。但是我们可以通过调度中心的实时数据，对新运行的这台机组，通过给其施加阶跃扰动的形式，确定其一次调频响应时间常数/>。通过新旧数据加权平均的方式获得最终的同步机一次调频响应时间常数/>，具体计算方式参考公式（9），式中/>为历史数据通过最小二乘法获得的同步机一次调频响应时间常数，/>为历史运行中N台机组总的功率；/>为实际运行相比于历史运行时新运行的机组一次调频响应时间常数，/>为新运行的这台机组功率：/>（9）。
最终，同步机一次调频响应时间常数由式（9）得到。
本发明考虑到现有的新能源参与一次调频的可释放能量难以长时间参与频率支撑，提出了一种基于新能源与同步机互补的新能源滞后性惯量控制器的设计及参数整定方法，优化了现有的新能源利用有限能量支撑系统频率的功率响应曲线。相比于虚拟惯量控制，该控制对同步机的一次调频响应速度的影响程度更弱；相比于下垂控制，新能源在频率最低点发生后能够逐渐降低自身出力，直至系统频率达到准稳态值，实现新能源与同步机协同抑制系统频率跌落。该控制有利于提升新能源大规模接入场景下系统频率响应特性，有利于保障机组及电网安全稳定运行。
为验证所提控制方法的有效性，分析对比系统火电机组占比发生变化时电网发生直流闭锁事故时的系统频率最低点。以某地区电网为例，该电网电源以风电机组和火电机组为主,系统总容量30000MW，其中，600MW的火电机组18台，300MW的火电机组44台；该电网接入一条直流输电线路，传输功率为3000MW，直流闭锁事故下给电网造成的功率缺额为系统总容量的10%；风电机组发电功率为3000MW，风电渗透率为10%。在该场景下风电采用不同控制方式时对系统频率的提升效果如图7所示。
风电释放相同能量时，三种控制方式中，滞后性惯量控制对频率提升效果最好，虚拟惯量控制次之，下垂控制对频率最低点的提升效果最差。
图8、图9和图10展示了风电可释放能量为0.14s时三种控制方式在频率、风电功率和风电释放能量的时域特性。在释放能量相同的情况下，由图7可以看出，滞后性惯量控制对频率最低点的提升效果为0.1658，效果最优；虚拟惯量控制对频率最低点的提升效果为0.1401，是滞后性惯量控制的84.5%；下垂控制对频率最低点的提升效果为0.0251，仅为滞后性惯量控制的15.1%。
随着风电风电发电功率上升至12000MW，火电机组开机容量下降至15000MW，风电渗透率为40%，不同控制方式的频率提升效果如图11所示。
风电释放相同能量时，三种控制方式中，滞后性惯量控制对频率提升效果最好。
图12、图13和图14展示了风电释放能量为0.55s时三种控制方式在频率、风电功率和风电释放能量的时域特性。在释放能量相同的情况下，由图12可以看出，滞后性惯量控制对频率最低点的提升效果为0.6347，效果最优；虚拟惯量控制对频率最低点的提升效果为0.4865，是滞后性惯量控制的76.7%；下垂控制对频率最低点的提升效果为0.1754，仅为滞后性惯量控制的27.6%。
随着风电发电功率继续上升至18000MW，火电机组开机容量下降至9000MW，风电渗透率为60%，该场景下不同控制方式的频率提升效果如图15。
风电释放相同能量时，三种控制方式中，滞后性惯量控制对频率提升效果最好。
图16、图17和图18展示了风电释放能量为0.55s时三种控制方式在频率、风电功率和风电释放能量的时域特性。在释放能量相同的情况下，由图16可以看出，滞后性惯量控制对频率最低点的提升效果为1.0562，效果最优；虚拟惯量控制对频率最低点的提升效果为0.8101，是滞后性惯量控制的76.7%；下垂控制对频率最低点的提升效果为0.2897，仅为滞后性惯量控制的27.4%。
综上可以看到，相比于虚拟惯量控制及下垂控制，在有限调频能量下滞后性惯量控制可以有效提升有功扰动下的系统频率最低点。
实施例2：
本发明实施例2提供了一种与同步机一次调频响应协同的新能源滞后性惯量控制系统，包括：
参考值调整量生成模块，被配置为：在发生有功扰动时，将系统频率偏差依次经过比例环节和高通滤波环节，得到新能源有功出力参考值调整量；
滞后性惯量控制模块，被配置为：将新能源有功出力参考值调整量与风电机组最大功率共同作用于转子侧变流器，其中，高通滤波环节的时间常数与发电机组的同步机一次调频的时间常数相匹配。
所述系统的各个模块的工作方法与实施例1中提供的与同步机一次调频响应协同的新能源滞后性惯量控制方法相同，这里不再赘述。
实施例3：
本发明实施例3提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本发明实施例1所述的与同步机一次调频响应协同的新能源滞后性惯量控制方法中的步骤。
实施例4：
本发明实施例4提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明实施例1所述的与同步机一次调频响应协同的新能源滞后性惯量控制方法中的步骤。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种与同步机一次调频响应协同的新能源滞后性惯量控制方法，其特征在于，包括以下过程：
在发生有功扰动时，将系统频率偏差依次经过比例环节和高通滤波环节，得到新能源有功出力参考值调整量；
将新能源有功出力参考值调整量与风电机组最大功率共同作用于转子侧变流器，其中，高通滤波环节的时间常数与发电机组的同步机一次调频的时间常数相匹配。
2.如权利要求1所述的与同步机一次调频响应协同的新能源滞后性惯量控制方法，其特征在于，
高通滤波环节的时间常数与发电机组的同步机一次调频的时间常数相同。
3.如权利要求1所述的与同步机一次调频响应协同的新能源滞后性惯量控制方法，其特征在于，
发电机组的同步机一次调频的时间常数的获取，包括：
通过最小二乘法计算历史扰动下同步机一次调频响应时间常数；
对新运行的机组，通过施加阶跃扰动的形式，确定新运行机组的一次调频响应时间常数；
根据新运行机组的一次调频响应时间常数，对最小二乘法计算得到的同步机一次调频响应时间常数进行修正，得到最终的同步机一次调频的时间常数。
4.如权利要求3所述的与同步机一次调频响应协同的新能源滞后性惯量控制方法，其特征在于，
对最小二乘法计算得到的同步机一次调频响应时间常数进行修正，包括：
以历史运行中N台机组总的功率与通过最小二乘法计算得到的同步机一次调频响应时间常数的乘积为第一变量，以新运行机组的一次调频响应时间常数与新运行机组功率的乘积为第二变量，其中，N为大于1的正整数；
以历史运行中N台机组总的功率与新运行机组功率的加和为第三变量，最终的同步机一次调频的时间常数为：第一变量与第二变量的加和，再与第三变量的比值。
5.如权利要求3所述的与同步机一次调频响应协同的新能源滞后性惯量控制方法，其特征在于，
通过最小二乘法计算历史扰动下同步机一次调频响应时间常数，包括：
使低阶系统频率频率响应模型的输入功率为阶跃输入，求得频率偏差和时间之间的函数关系，根据函数关系确定用于惯性时间常数计算的参数值；
在发生负荷扰动时，计算不同时间对应的系统频率偏差，采用最小二乘法进行拟合，得到通过最小二乘法计算的同步机一次调频响应时间常数。
6.一种与同步机一次调频响应协同的新能源滞后性惯量控制系统，其特征在于，包括：
参考值调整量生成模块，被配置为：在发生有功扰动时，将系统频率偏差依次经过比例环节和高通滤波环节，得到新能源有功出力参考值调整量；
滞后性惯量控制模块，被配置为：将新能源有功出力参考值调整量与风电机组最大功率共同作用于转子侧变流器，其中，高通滤波环节的时间常数与发电机组的同步机一次调频的时间常数相匹配。
7.如权利要求6所述的与同步机一次调频响应协同的新能源滞后性惯量控制系统，其特征在于，
滞后性惯量控制模块中，发电机组的同步机一次调频的时间常数的获取，包括：
通过最小二乘法计算历史扰动下同步机一次调频响应时间常数；
对新运行的机组，通过施加阶跃扰动的形式，确定新运行机组的一次调频响应时间常数；
根据新运行机组的一次调频响应时间常数，对最小二乘法计算得到的同步机一次调频响应时间常数进行修正，得到最终的同步机一次调频的时间常数。
8.如权利要求7所述的与同步机一次调频响应协同的新能源滞后性惯量控制系统，其特征在于，
滞后性惯量控制模块中，对最小二乘法计算得到的同步机一次调频响应时间常数进行修正，包括：
以历史运行中N台机组总的功率与通过最小二乘法计算得到的同步机一次调频响应时间常数的乘积为第一变量，以新运行机组的一次调频响应时间常数与新运行机组功率的乘积为第二变量，其中，N为大于1的正整数；
以历史运行中N台机组总的功率与新运行机组功率的加和为第三变量，最终的同步机一次调频的时间常数为：第一变量与第二变量的加和，再与第三变量的比值。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-5任一项所述的与同步机一次调频响应协同的新能源滞后性惯量控制方法中的步骤。
10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-5任一项所述的与同步机一次调频响应协同的新能源滞后性惯量控制方法中的步骤。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117748544A (zh) * | 2024-02-20 | 2024-03-22 | 华北电力大学 | 压缩空气储能系统控制系统及电力系统频率调节方法 |
| CN117748544B (zh) * | 2024-02-20 | 2024-05-24 | 华北电力大学 | 压缩空气储能系统控制系统及电力系统频率调节方法 |
Citations (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106910142A (zh) * | 2017-02-17 | 2017-06-30 | 三峡大学 | 一种含风电有功‑频率耦合作用的电力系统频率特性计算方法 |
| CN108964032A (zh) * | 2018-07-13 | 2018-12-07 | 华北电力大学（保定） | 一种建立含风电的系统频率响应模型的方法 |
| CN111245014A (zh) * | 2020-02-27 | 2020-06-05 | 上海电力大学 | 一种基于虚拟惯量的电力系统控制方法 |
| CN111900742A (zh) * | 2020-07-02 | 2020-11-06 | 武汉大学 | 一种风储系统基于双层协同控制的调频方法 |
| WO2020252813A1 (zh) * | 2019-06-20 | 2020-12-24 | 上海交通大学 | 逆变型分布式电源双层自适应惯量控制方法及装置 |
| CN112994042A (zh) * | 2021-03-15 | 2021-06-18 | 南京理工大学 | 考虑风电机组参与电网一次调频的机组组合建模及优化方法 |
| WO2021164112A1 (zh) * | 2020-02-18 | 2021-08-26 | 山东大学 | 风电场优化配置储能作为黑启动电源的频率控制方法及系统 |
| CN113746134A (zh) * | 2021-08-20 | 2021-12-03 | 华北电力大学（保定） | 一种光伏机组惯量和一次调频控制参数的可行域计算方法 |
| CN113991647A (zh) * | 2021-10-25 | 2022-01-28 | 国网辽宁省电力有限公司经济技术研究院 | 一种面向频率响应容量规划的电力系统随机生产模拟方法 |
| WO2022036787A1 (zh) * | 2020-08-21 | 2022-02-24 | 西安热工研究院有限公司 | 一种利用自适应虚拟参数提高风电并网一次调频性能的方法 |
| CN114629133A (zh) * | 2021-12-31 | 2022-06-14 | 云南电网有限责任公司 | 一种计及频率两次跌落的风电机组调频参数优化方法 |
| CN115313443A (zh) * | 2022-08-25 | 2022-11-08 | 华北电力大学（保定） | 一种基于储能虚拟惯量需求的调频状态转移控制方法 |
| CN116154804A (zh) * | 2022-12-30 | 2023-05-23 | 国网安徽省电力有限公司安庆供电公司 | 考虑备用灵活性的风机-水轮机一次调频控制方法 |
| CN116345486A (zh) * | 2023-03-10 | 2023-06-27 | 武汉大学 | 基于模型预测控制的风场内一次调频协调控制方法及装置 |
| WO2023185661A1 (zh) * | 2022-03-29 | 2023-10-05 | 上海交通大学 | 自同步电压源全功率变换风电机组控制系统 |
-
2023
- 2023-12-27 CN CN202311810063.9A patent/CN117477605B/zh active Active
Patent Citations (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106910142A (zh) * | 2017-02-17 | 2017-06-30 | 三峡大学 | 一种含风电有功‑频率耦合作用的电力系统频率特性计算方法 |
| CN108964032A (zh) * | 2018-07-13 | 2018-12-07 | 华北电力大学（保定） | 一种建立含风电的系统频率响应模型的方法 |
| WO2020252813A1 (zh) * | 2019-06-20 | 2020-12-24 | 上海交通大学 | 逆变型分布式电源双层自适应惯量控制方法及装置 |
| WO2021164112A1 (zh) * | 2020-02-18 | 2021-08-26 | 山东大学 | 风电场优化配置储能作为黑启动电源的频率控制方法及系统 |
| CN111245014A (zh) * | 2020-02-27 | 2020-06-05 | 上海电力大学 | 一种基于虚拟惯量的电力系统控制方法 |
| CN111900742A (zh) * | 2020-07-02 | 2020-11-06 | 武汉大学 | 一种风储系统基于双层协同控制的调频方法 |
| WO2022036787A1 (zh) * | 2020-08-21 | 2022-02-24 | 西安热工研究院有限公司 | 一种利用自适应虚拟参数提高风电并网一次调频性能的方法 |
| CN112994042A (zh) * | 2021-03-15 | 2021-06-18 | 南京理工大学 | 考虑风电机组参与电网一次调频的机组组合建模及优化方法 |
| CN113746134A (zh) * | 2021-08-20 | 2021-12-03 | 华北电力大学（保定） | 一种光伏机组惯量和一次调频控制参数的可行域计算方法 |
| CN113991647A (zh) * | 2021-10-25 | 2022-01-28 | 国网辽宁省电力有限公司经济技术研究院 | 一种面向频率响应容量规划的电力系统随机生产模拟方法 |
| CN114629133A (zh) * | 2021-12-31 | 2022-06-14 | 云南电网有限责任公司 | 一种计及频率两次跌落的风电机组调频参数优化方法 |
| WO2023185661A1 (zh) * | 2022-03-29 | 2023-10-05 | 上海交通大学 | 自同步电压源全功率变换风电机组控制系统 |
| CN115313443A (zh) * | 2022-08-25 | 2022-11-08 | 华北电力大学（保定） | 一种基于储能虚拟惯量需求的调频状态转移控制方法 |
| CN116154804A (zh) * | 2022-12-30 | 2023-05-23 | 国网安徽省电力有限公司安庆供电公司 | 考虑备用灵活性的风机-水轮机一次调频控制方法 |
| CN116345486A (zh) * | 2023-03-10 | 2023-06-27 | 武汉大学 | 基于模型预测控制的风场内一次调频协调控制方法及装置 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| WEIYU BAO等: "Closed-Loop Synthetic Inertia Control for Wind Turbine Generators in Association With Slightly Over-Speeded Deloading Operation", 《IEEE TRANSACTIONS ON POWER SYSTEMS》, 30 November 2023 (2023-11-30) * |
| 李东东等: "考虑频率分布特性的新能源电力系统等效惯量评估", 《电网技术》, 31 August 2020 (2020-08-31) * |
| 秦晓辉;苏丽宁;迟永宁;郭强;徐希望;: "大电网中虚拟同步发电机惯量支撑与一次调频功能定位辨析", 电力系统自动化, no. 09, 10 May 2018 (2018-05-10) * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117748544A (zh) * | 2024-02-20 | 2024-03-22 | 华北电力大学 | 压缩空气储能系统控制系统及电力系统频率调节方法 |
| CN117748544B (zh) * | 2024-02-20 | 2024-05-24 | 华北电力大学 | 压缩空气储能系统控制系统及电力系统频率调节方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117477605B (zh) | 2024-04-02 |
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