CN117937593A - 一种es-dfig系统的高风速频率响应模型建立方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一次调频技术领域，特别涉及一种ES‑DFIG系统的高风速频率响应模型建立方法，包括步骤：建立高于额定风速运行情况下DFIG运动方程的小信号模型；根据DFIG运动方程的小信号模型建立高于额定风速运行情况下DFIG转子速度变化方程；根据DFIG运动方程的小信号模型和DFIG转子速度变化方程建立高风速下的ES‑DFIG系统的频率响应模型。本发明所提出的高风速下的ES‑DFIG系统的输出功率小信号模型对比常见的DFIG模型，首次考虑到了储能单元ES的调频作用，这避免了采用传统的等效模型来描述ES‑DFIG的频率特性时所导致的误差，能够更有效的分析高风速条件下的频率响应特性，从而提高ES‑DFIG系统的等值精度。
Description
技术领域
本发明涉及一次调频技术领域，特别涉及一种ES-DFIG系统的高风速频率响应模型建立方法。
背景技术
为了应对环境污染和能源危机，风能发电行业迅速壮大。到2022年，全球累计装机容量已达906GW。为了将高渗透率的风能纳入电力系统，需要增强系统的惯性和频率支持能力，以应对可再生能源波动、负载变化和设备故障，以确保电力平衡。因此，近年来，多个国家要求风电场具备一次频率调节的能力。这通常通过桨距角控制、惯性控制和下垂控制等方式来提高风电场的一次调频性能。
不同风速下，风电场中各台风机的频率响应动态特性各不相同。详细建模每台涡轮机可以准确反映风电场的动态频率响应特性，但这也使得整个风电场模型变得复杂，可能导致在大规模电力系统中的高维问题，带来沉重的计算负担。为解决这一挑战，现有研究采用了单机/多机等效模型，以减少模型复杂度，提高计算效率。
对于嵌入储能系统的风电场，要进行单机/多机等值建模，首先需要分析其一次调频响应特性。在高风速条件下，DFIG可以通过桨距角控制来调节频率，由于是ES-DFIG系统而不是单纯的DFIG，两者之间的一次调频响应特性不同；如果采用传统的DFIG等效模型来描述ES-DFIG的频率响应特性，可能会引入较大的误差。因此，为了有效地分析高风速条件下的频率响应特性，需要建立高风速下的ES-DFIG系统的频率响应模型。
发明内容
针对目前对储能嵌入式的风电场进行单机/多机等值建模时缺少高风速条件下的ES-DFIG频率响应模型的问题，本发明提供了一种ES-DFIG系统的高风速频率响应模型建立方法，考虑到了高于额定风速的ES-DFIG运行状态。具体技术方案如下：
一种ES-DFIG系统的高风速频率响应模型建立方法，包括以下步骤：步骤S1，建立高于额定风速运行情况下DFIG运动方程的小信号模型；
步骤S2，根据DFIG运动方程的小信号模型建立高于额定风速运行情况下DFIG转子速度变化方程；
步骤S3，根据DFIG运动方程的小信号模型和DFIG转子速度变化方程建立高风速下的ES-DFIG系统的频率响应模型。
优选地，所述步骤S1具体包括以下步骤：
当DFIG处于风速高于额定风速的运行状态时，启动桨距角控制，DFIG通过调节桨距角来调节频率；DFIG运动方程的小信号模型可以表示为：
JsΔωm(s)＝ΔTm(s)-ΔTe(s)； (1)
其中，J表示DFIG的转动惯量，Δωm表示机械角速度变化量；ΔTm、ΔTe分别表示机械转矩的变化量和电磁转矩的变化量；s表示微分算子；Δωm(s)表示机械角速度的变化量在复频域中的表达式；ΔTm(s)表示机械转矩的变化量在复频域中的表达式；ΔTe(s)表示电磁转矩的变化量在复频域中的表达式；
v表示风速；kλ表示风能利用系数Cp相对于叶尖速比λ的偏导数；f为系统频率，kβ是风能利用系数Cp相对于桨距角β的偏导数；Δf表示系统频率变化量；ρ表示空气密度，R表示叶片长度；v0表示风速的稳态值，ωm0表示机械角速度的稳态值；Pm0表示DFIG的机械功率的稳态值；Cp0表示风能利用系数Cp的稳态值；Tm表示机械转矩；ωm表示机械角速度；Kp表示引入的参数；Δv表示风速的变化量；
由机械角速度的变化量Δωm和频率变化量Δf表示的DFIG的电磁转矩的变化量ΔTe描述为：
其中，Cpmax表示最大风能利用系数，kdf、ki分别表示DFIG的下垂控制系数以及虚拟惯性系数。
优选地，所述步骤S2中具体包括以下步骤：
将公式(2)-(4)代入公式(1)，由频率变化量Δf和风速变化量Δv表示的机械角速度变化量方程表示为：
优选地，所述步骤S3中具体包括以下步骤：
当风电机组处于恒转速和恒功率区时，储能单元不再提供转子速度恢复控制，而是通过下垂控制直接响应系统频率的变化，储能单元的输出功率可以表示为：
PES-f＝kESf(fref-f)； (6)
其中，kESf表示储能单元下垂控制系数，fref表示系统额定频率；
电功率的变化ΔPw可以通过以下公式获得：
ΔPw＝ωm0ΔTe+Te0Δωm； (7)
Te0表示电磁转矩的稳态值；
将方程(4)和(5)代入方程(8)，并结合方程(6)，得到高风速下的ES-DFIG系统的频率响应模型为：
其中，Gv(s)表示ES-DFIG输出功率变化量ΔPw相对于Δv的传递函数，Gf(s)表示ΔPw相对于Δf的传递函数，a、b、c、x、y、z表示引进的系数；usd0表示定子d轴的初始电压值；K表示PWM的控制增益；Lm表示定子和转子之间的互感；kp1表示换流器电压外环的比例控制参数；ki1表示换流器电压外环的积分控制参数；Ls表示定子绕组的电感。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明所提出的高风速下的ES-DFIG系统的输出功率小信号模型对比常见的DFIG模型，首次考虑到了储能单元ES的调频作用，这避免了采用传统的等效模型来描述ES-DFIG的频率特性时所导致的误差，能够更有效的分析高风速条件下的频率响应特性，从而提高ES-DFIG系统的等值精度。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
本发明实施例提供了一种ES-DFIG系统的高风速频率响应模型建立方法，包括以下步骤：
步骤S1，建立高于额定风速运行情况下DFIG运动方程的小信号模型；具体包括以下步骤：
当DFIG处于风速高于额定风速的运行状态时，启动桨距角控制，DFIG通过调节桨距角来调节频率；DFIG运动方程的小信号模型可以表示为：
JsΔωm(s)＝ΔTm(s)-ΔTe(s)； (1)
其中，J表示DFIG的转动惯量，Δωm表示机械角速度变化量；ΔTm、ΔTe分别表示机械转矩的变化量和电磁转矩的变化量；s表示微分算子；Δωm(s)表示机械角速度的变化量在复频域中的表达式；ΔTm(s)表示机械转矩的变化量在复频域中的表达式；ΔTe(s)表示电磁转矩的变化量在复频域中的表达式；
v表示风速；kλ表示风能利用系数Cp相对于叶尖速比λ的偏导数；f为系统频率，kβ是风能利用系数Cp相对于桨距角β的偏导数；Δf表示系统频率变化量；ρ表示空气密度，R表示叶片长度；v0表示风速的稳态值，ωm0表示机械角速度的稳态值；Pm0表示DFIG的机械功率的稳态值；Cp0表示风能利用系数Cp的稳态值；Tm表示机械转矩；ωm表示机械角速度；Kp表示引入的参数；Δv表示风速的变化量；
由机械角速度的变化量Δωm和频率变化量Δf表示的DFIG的电磁转矩的变化量ΔTe描述为：
其中，Cpmax表示最大风能利用系数，kdf、ki分别表示DFIG的下垂控制系数以及虚拟惯性系数。
步骤S2，根据DFIG运动方程的小信号模型建立高于额定风速运行情况下DFIG转子速度变化方程；具体包括以下步骤：
将公式(2)-(4)代入公式(1)，由频率变化量Δf和风速变化量Δv表示的机械角速度变化量方程表示为：
步骤S3，根据DFIG运动方程的小信号模型和DFIG转子速度变化方程建立高风速下的ES-DFIG系统的频率响应模型。具体包括以下步骤：
当风电机组处于恒转速和恒功率区时，储能单元不再提供转子速度恢复控制，而是通过下垂控制直接响应系统频率的变化，储能单元的输出功率可以表示为：
PES-f＝kESf(fref-f)； (6)
其中，kESf表示储能单元下垂控制系数，fref表示系统额定频率；
电功率的变化ΔPw可以通过以下公式获得：
ΔPw＝ωm0ΔTe+Te0Δωm； (7)
Te0表示电磁转矩的稳态值；
将方程(4)和(5)代入方程(8)，并结合方程(6)，得到高风速下的ES-DFIG系统的频率响应模型为：
其中，Gv(s)表示ES-DFIG输出功率变化量ΔPw相对于Δv的传递函数，Gf(s)表示ΔPw相对于Δf的传递函数，a、b、c、x、y、z表示引进的系数；usd0表示定子d轴的初始电压值；K表示PWM的控制增益；Lm表示定子和转子之间的互感；kp1表示换流器电压外环的比例控制参数；ki1表示换流器电压外环的积分控制参数；Ls表示定子绕组的电感。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (4)
1.一种ES-DFIG系统的高风速频率响应模型建立方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，建立高于额定风速运行情况下DFIG运动方程的小信号模型；
步骤S2，根据DFIG运动方程的小信号模型建立高于额定风速运行情况下DFIG转子速度变化方程；
步骤S3，根据DFIG运动方程的小信号模型和DFIG转子速度变化方程建立高风速下的ES-DFIG系统的频率响应模型。
2.根据权利要求1所述的一种ES-DFIG系统的高风速频率响应模型建立方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下步骤：
当DFIG处于风速高于额定风速的运行状态时，启动桨距角控制，DFIG通过调节桨距角来调节频率；DFIG运动方程的小信号模型可以表示为：
JsΔωm(s)＝ΔTm(s)-ΔTe(s)； (1)
其中，J表示DFIG的转动惯量，Δωm表示机械角速度变化量；ΔTm、ΔTe分别表示机械转矩的变化量和电磁转矩的变化量；s表示微分算子；Δωm(s)表示机械角速度的变化量在复频域中的表达式；ΔTm(s)表示机械转矩的变化量在复频域中的表达式；ΔTe(s)表示电磁转矩的变化量在复频域中的表达式；
v表示风速；kλ表示风能利用系数Cp相对于叶尖速比λ的偏导数；f为系统频率，kβ是风能利用系数Cp相对于桨距角β的偏导数；Δf表示系统频率变化量；ρ表示空气密度，R表示叶片长度；v0表示风速的稳态值，ωm0表示机械角速度的稳态值；Pm0表示DFIG的机械功率的稳态值；Cp0表示风能利用系数Cp的稳态值；Tm表示机械转矩；ωm表示机械角速度；Kp表示引入的参数；Δv表示风速的变化量；
由机械角速度的变化量Δωm和频率变化量Δf表示的DFIG的电磁转矩的变化量ΔTe描述为：
其中，Cpmax表示最大风能利用系数，kdf、ki分别表示DFIG的下垂控制系数以及虚拟惯性系数。
3.根据权利要求2所述的一种ES-DFIG系统的高风速频率响应模型建立方法，其特征在于，所述步骤S2中具体包括以下步骤：
将公式(2)-(4)代入公式(1)，由频率变化量Δf和风速变化量Δv表示的机械角速度变化量方程表示为：
4.根据权利要求3所述的一种ES-DFIG系统的高风速频率响应模型建立方法，其特征在于，所述步骤S3中具体包括以下步骤：
当风电机组处于恒转速和恒功率区时，储能单元不再提供转子速度恢复控制，而是通过下垂控制直接响应系统频率的变化，储能单元的输出功率可以表示为：
PES-f＝kESf(fref-f)； (6)
其中，kESf表示储能单元下垂控制系数，fref表示系统额定频率；
功率的变化量ΔPw可以通过以下公式获得：
ΔPw＝ωm0ΔTe+Te0Δωm； (7)
Te0表示电磁转矩的稳态值；
将方程(4)和(5)代入方程(8)，并结合方程(6)，得到高风速下的ES-DFIG系统的频率响应模型为：
其中，Gv(s)表示ES-DFIG输出功率变化量ΔPw相对于Δv的传递函数，Gf(s)表示ΔPw相对于Δf的传递函数，a、b、c、x、y、z表示引进的系数；usd0表示定子d轴的初始电压值；K表示PWM的控制增益；Lm表示定子和转子之间的互感；kp1表示换流器电压外环的比例控制参数；ki1表示换流器电压外环的积分控制参数；Ls表示定子绕组的电感。
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