一种高海拔风场频率控制系统及方法与流程

1.本发明涉及电力系统技术领域，具体涉及一种高海拔风场频率控制系统及方法。


背景技术：

2.风电机组运行在限功率调频工况且有功出力大于20％pn时，当测试点的频率偏差超过阈值(推荐
±
0.2hz)，风电机组应能参与系统调频，支撑系统频率恢复。有多种方法可以控制系统频率，其中包含大量的风力发电场，其中一种是产生足够的功率储备。为了通过系统创建足够的功率储备，必须利用能够改变其输出功率的风电场。为实现风力发电场参与电网系统的频率控制，须在长时间内具备快速反应能力的动力储备。为了产生这种动力储备，风电场需要在降额状态下运行。降载运行超出发电机转速允许范围，即风力涡轮机的速度达到了超速区域。
3.通过对电网系统频率进行采样，使风力发电机组变流器对频率变化变得敏感，风电场变流器将可用的惯性量注入为5％至50％的条件下，通过最佳比例积分(pi)控制器可以实现频率响应的改善。通过对风力输出功率的下垂控制来实现功率储备，并将能量存储系统与其它电力系统中的风力发电机组进行协调控制，风电场参与将惯性维持在理想的速率，并且通过增加常规单位发电量。但是，风力发电机组仍以其最大输出速率运行，不参与对系统频率进行补充控制，仍然以最大输出功率值运行会阻碍风电场产生的额外惯性，并导致风电场发电场不会像补充频率控制那样参与稳态频率响应的控制。现有的风电场频率控制方法，没有考虑高海拔风电机组尾流相互作用对发电量的影响；调频期间，频率响应不及时，存在满负荷的不平衡问题。
4.如中国专利cn109327045a，公开日2019年2月12日，一种经柔性直流并网的大型风电场频率控制方法及装置，包括：在已有的逆变侧换流器控制方法上增设一个随交流电网频率变化的第一功率附加值，叠加到有功功率参考值上；在已有的整流侧换流器控制方法上增设一个随直流电压变化的频率附加值，叠加到输出交流频率上；在已有的风电机组控制方法上增设一个随交流电网频率变化的第二功率附加值，叠加到风电机组输出功率参考值上。该方案没有考虑高海拔风电机组尾流相互作用对发电量的影响；调频期间，频率响应不及时，存在满负荷的不平衡问题。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是：目前的风电场频率控制方法由于高海拔地区空气密度较低导致调频期间频率响应不及时的技术问题。提出了一种能够提升高海拔地区风电机组调频期间频率响应效率的高海拔风场频率控制系统及方法。
6.为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：一种高海拔风场频率控制系统，包括频率功率控制模块、简化电网模块、尾流模块、变桨控制模块、机械惯量模块、速度控制模块、发电机组模块、功率设定模块和粒子群算法模块，所述功率设定模块分别与所述频率功率控制模块和所述粒子群算法模块连接，所述频率功率控制模块与所述简化电网模
块连接，所述粒子群算法模块与所述发电机组模块连接，机械惯量模块分别与所述尾流模块、所述变桨控制模块和所述速度控制模块连接，所述速度控制模块与所述发电机组模块连接，所述发电机组模块分别与所述机械惯量模块和所述简化电网模块连接。一种高海拔风场频率控制系统，通过功率设定模块设定不同情况下的有功功率变化值；通过频率功率控制模块对发电机组的输出频率和输出功率进行控制；通过尾流模块优化风电机组偏航角度；通过变桨控制模块实时动态调节叶片角桨距，控制风力发电机组电机的转速变化范围；通过粒子群算法模块找到影响风电场的惯量、阻尼和辅助控制pid控制器的系数，获得最优功率储备值；结合机械惯量模块、速度控制模块和简化电网模型对发电机组进行联合控制，改善发电机组频率控制性能，进而提升高海拔地区风电机组调频期间频率响应效率。
7.一种高海拔风场频率控制方法，利用上述控制系统，包括：通过功率设定模块设定不同情况下的有功功率变化值；通过频率功率控制模块对发电机组的输出频率和输出功率进行控制；通过尾流模块优化风电机组偏航角度；通过变桨控制模块实时动态调节叶片角桨距，控制风力发电机组电机的转速变化范围；通过粒子群算法模块找到影响风电场的惯量、阻尼和辅助控制pid控制器的系数，获得最优功率储备值；结合机械惯量模块、速度控制模块和简化电网模型对发电机组进行联合控制。
8.一种高海拔风场频率控制方法，利用上述控制系统，控制系统包括频率-功率控制模块、变桨控制模块、尾流模块、机械惯量模块、速度控制模块、简化电网模块、功率设定模块和粒子群算法模块，实施步骤包括：基于高海拔风场尾流模型，采用优化风电机组偏航角度方法，下风向机组的尾流和风轮的轴向诱导均引导开，减少尾流相互作用来增加风电场的发电量；提出了一种新的风电场频率-功率控制模型，通过功率设定确定不同情况下的有功功率变化值，允许部分和瞬时释放风力发电机组降额预留的动能，以便提供更早的频率支持，从而解决满负荷的不平衡问题；通过变桨控制模型实时动态调节叶片角桨距将风力发电机组电机转速限制在适当的值，解决调频期间风力发电机组的超速问题；制定由频率响应特性组成的多目标函数，通过pso算法即粒子群算法模块找到影响风电场的惯量，阻尼和辅助控制pid控制器的系数，以获得足够的可用最优功率储备值；结合机械惯量模型、速度控制器、简化电网模型联合控制，改善了频率响应斜率和最小频率值和响应时间等频率控制性能，实现了风电场参与辅助频率控制，增强电网的惯性和阻尼，从而提高风电机组的渗透性。
9.作为优选，所述频率功率控制模块包括频率功率控制模型，所述频率功率控制模型中频率变化率r(％)计算表达式为：其中：f
nl
为空载频率；f
fl
为满载频率；f0为正常频率。频率-功率控制模型中，旋转质量(风力发电机组)的惯性阻止了频率的快速变化。因此，为补偿发电机增加负载功率的辅助控制，提供了足够的时间。
10.频率-功率控制模型由下垂控制、调速器、风电机组、辅助控制四部分组成，为了在两台或更多并列运行机组间而稳定地分担负荷，选择具有负荷增加时速度下降的特性的调
速器，传递函数表示为其中下垂控制和调速器共同组成带增益的比例控制器，r(％)为频率变化率表示如下：其中：f
nl
为空载频率；f
fl
为满载频率；f0为正常频率。
11.风力发电机组的转速和负载之间的关系可通过参考功率设定的方式改变，传递函数表示为
12.辅助控制通过添加一个复位或积分控制来实现的，该复位或积分控制作用于agc单元调速器的负载参考设置，其目标是通过调整选定发电机的输出，将频率调节到指定的标称值，并使控制区域之间的交换功率保持在预定值。
13.作为优选，所述尾流模块包括尾流模型，所述尾流模型中功率系数c
p
和轴向诱导系数ai关系式如下：
14.受尾流影响的有效风速，由重叠面积尾流衰减系数c
i，q
(xj)、轴向诱导系数ai等决定；u(j)表示在u集合中与机组j∈d有最大重叠面积，机组j∈d在最大重叠区u(j)的有效风速，假定u(j)乘以一个表示不同尾流区的系数，它通过与风轮的重叠程度衡量。
15.考虑到偏航对风误差对风轮功率影响，功率系数c
p
和轴向诱导系数ai关系如下：这里，c
p
(ai，γi)是与轴向诱导系数ai，偏航角度γi相关的功率系数，最大c
p
＝0.482、效率η＝0.768、参数p
p
＝2。
16.作为优选，所述机械惯量模块的控制过程为：获取风速v、桨距角β、叶尖速比λ、风轮转速ωr、气动转矩ta、发电机电磁转矩te和系统总惯量j，通过调节转矩，从发电机旋转动能中获取能量，实现频率控制；获取风力发电机组功率pg，负载需求功率p
l
，系统总惯量j和电网频率f，计算风力发电机组用于调频的储备动能；获取风机的转速范围ω
min
～ω
额定
和对应的功率范围p
min
～p
max
，计算单台机组的惯性系数；计算风机旋转储备动能与其额定功率之比h
总
；得到单元k的仿真惯量。
17.机械惯量模块的控制过程包括：步骤1，获取v风速、β桨距角、λ叶尖速比、ωr风轮转速、ta气动转矩、te发电机电磁转矩、系统总惯量j，则可通过调节转矩，从发电机旋转动能中获取能量，来实现频率控制；
步骤2，获取风力发电机组功率pg，负载需求功率p
l
，系统总惯量j，电网频率f，则风力发电机组可用于调频的储备动能为：步骤3，获取风机的转速范围ω
min
～ω
额定
和对应的功率范围p
min
～p
max
，则单台机组的惯性系数为：步骤4，从整个电网角度考虑，整个风电场的电网总惯量常数表示为风机旋转储备动能与其额定功率之比h
总
：步骤5，则单元k的仿真惯量表示为：其中，为机组风机旋转储备动能总和，∑ip
额定，i
为额定功率总和，机组动能和仿真惯量关系为总存储动能为e
存储，总
＝∑
ke存储，k
。
18.作为优选，所述速度控制模块中参考功率的计算公式如下：其中，k
p
为速度控制器比例常数，ki为速度控制器积分常数，为发电机参考转速。
19.一旦频率瞬变结束，等效的频率-功率控制模型可恢复最佳发电机转速。为此，强制发电机参考转速跟踪所需参考功率p
ω
如下：其中，k
p
为速度控制器比例常数，ki为速度控制器积分常数。
20.因此，满足以下两个条件：1)快速恢复；
2)瞬态速度变化时持续的时间相对较短，因此非常规发电机能够注入所需量的有功功率，以缓解瞬态频率偏差。
21.频率-功率控制模型的总有功功率参考值下：pf＝p
fw
pw频率瞬变通常在短时间内发生，由于通过非常快的功率电子转换器来调节电功率，因此，假定在参考功率pf与总注入功率p
nc
之间没有动态。如相对较慢的pi控制器所提供的那样，可以假定它在几秒钟内不会发生变化，从而将p
nc
视为常量进行简化。
22.这里为频率瞬变之前的注入功率。
23.总功率和频率变化之间的关系如下：结合可得到：所考虑的惯性控制由给出的h*转化为系统惯性，该值可以通过改变k
df
而任意设置。因此，k
df
正值会增加系统惯量，在实际应用中，这仅在一些可行的余量之内是可能的。
24.作为优选，所述功率设定模块中功率设定参考值的计算公式为：其中，k
df
为加权频率偏差导数常数，k
pf
为加权频率偏差本身。
25.在整个风电场的频率控制中，积分控制器，washout滤波器和pid控制器可以确定不同情况下的有功功率变化值。从电网频率变化中采样的动作是通过扩张元素来完成的。由于此时间延迟会影响频率控制器的功能，因此在建模阶段必须考虑上述延迟。在频率采样步骤之后，采用冲洗滤波器以防止低频振荡进入，最后pid控制器使风电场的功率变化清晰化。功率设定参考值如下式确定：k
df
为加权频率偏差导数常数，k
pf
为加权频率偏差本身；功率设定参考应用时，高通滤波器后面会出现频率偏差，因此永久性频率偏差不会对控制策略产生影响。
26.常规初级调节建议以过渡方式执行的，控制器的输出被视为由频率-功率控制模型跟踪的附加功率参考。可以将该参考功率定义为其中，r是传统使用的下垂常数。
27.本发明的实质性效果是：本发明通过功率设定模块设定不同情况下的有功功率变化值；通过频率功率控制模块对发电机组的输出频率和输出功率进行控制；通过尾流模块
优化风电机组偏航角度，减少尾流相互作用来增加风电场的发电量；通过变桨控制模块实时动态调节叶片角桨距，控制风力发电机组电机的转速变化范围，解决调频期间风力发电机组的超速问题；通过粒子群算法模块找到影响风电场的惯量、阻尼和辅助控制pid控制器的系数，获得最优功率储备值；结合机械惯量模块、速度控制模块和简化电网模型对发电机组进行联合控制，增强电网的惯性和阻尼，提高风电机组的渗透性，改善发电机组频率控制性能，进而提升高海拔地区风电机组调频期间频率响应效率。
附图说明
28.图1为本实施例的组成示意图。
29.其中：1、频率功率控制模块，2、简化电网模块，3、尾流模块，4、变桨控制模块，5、机械惯量模块，6、速度控制模块，7、发电机组模块，8、功率设定模块，9、粒子群算法模块。
具体实施方式
30.下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步具体说明。
31.一种高海拔风场频率控制系统，如图1所示，包括频率功率控制模块1、简化电网模块2、尾流模块3、变桨控制模块4、机械惯量模块5、速度控制模块6、发电机组模块7、功率设定模块8和粒子群算法模块9，功率设定模块8分别与频率功率控制模块1和粒子群算法模块9连接，频率功率控制模块1与简化电网模块2连接，粒子群算法模块9与发电机组模块7连接，机械惯量模块5分别与尾流模块3、变桨控制模块4和速度控制模块6连接，速度控制模块6与发电机组模块7连接，发电机组模块7分别与机械惯量模块5和简化电网模块2连接。
32.一种高海拔风场频率控制方法，利用上述控制系统，包括：通过功率设定模块8设定不同情况下的有功功率变化值；通过频率功率控制模块1对发电机组的输出频率和输出功率进行控制；通过尾流模块3优化风电机组偏航角度；通过变桨控制模块4实时动态调节叶片角桨距，控制风力发电机组电机的转速变化范围；通过粒子群算法模块9找到影响风电场的惯量、阻尼和辅助控制pid控制器的系数，获得最优功率储备值；结合机械惯量模块5、速度控制模块6和简化电网模型对发电机组进行联合控制。
33.一种高海拔风场频率控制方法，利用上述控制系统，控制系统包括频率-功率控制模块、变桨控制模块4、尾流模块3、机械惯量模块5、速度控制模块6、简化电网模块2、功率设定模块8和粒子群算法模块9，实施步骤包括：基于高海拔风场尾流模型，采用优化风电机组偏航角度方法，下风向机组的尾流和风轮的轴向诱导均引导开，减少尾流相互作用来增加风电场的发电量；尾流模块3包括尾流模型，尾流模型中功率系数c
p
和轴向诱导系数ai关系式如下：
34.受尾流影响的有效风速，由重叠面积尾流衰减系数c
i，q
(xj)、轴向诱导系数ai等决定；
u(j)表示在u集合中与机组j∈d有最大重叠面积，机组j∈d在最大重叠区u(j)的有效风速，假定u(j)乘以一个表示不同尾流区的系数，它通过与风轮的重叠程度衡量。
35.考虑到偏航对风误差对风轮功率影响，功率系数c
p
和轴向诱导系数ai关系如下：这里，c
p
(ai，γi)是与轴向诱导系数ai，偏航角度γi相关的功率系数，最大c
p
＝0.482、效率η＝0.768、参数p
p
＝2。
36.提出了一种新的风电场频率-功率控制模型，通过功率设定确定不同情况下的有功功率变化值，允许部分和瞬时释放风力发电机组降额预留的动能，以便提供更早的频率支持，从而解决满负荷的不平衡问题；功率设定模块8中功率设定参考值的计算公式为：其中，k
df
为加权频率偏差导数常数，k
df
为加权频率偏差本身。
37.在整个风电场的频率控制中，积分控制器，washout滤波器和pid控制器可以确定不同情况下的有功功率变化值。从电网频率变化中采样的动作是通过扩张元素来完成的。由于此时间延迟会影响频率控制器的功能，因此在建模阶段必须考虑上述延迟。在频率采样步骤之后，采用冲洗滤波器以防止低频振荡进入，最后pid控制器使风电场的功率变化清晰化。功率设定参考值如下式确定：k
df
为加权频率偏差导数常数，k
pf
为加权频率偏差本身；功率设定参考应用时，高通滤波器后面会出现频率偏差，因此永久性频率偏差不会对控制策略产生影响。
38.常规初级调节建议以过渡方式执行的，控制器的输出被视为由频率-功率控制模型跟踪的附加功率参考。可以将该参考功率定义为其中，r是传统使用的下垂常数。
39.频率功率控制模块1包括频率功率控制模型，频率功率控制模型中频率变化率r(％)计算表达式为：其中：f
nl
为空载频率；f
fl
为满载频率；f0为正常频率。频率-功率控制模型中，旋转质量(风力发电机组)的惯性阻止了频率的快速变化。因此，为补偿发电机增加负载功率的辅助控制，提供了足够的时间。
40.频率-功率控制模型由下垂控制、调速器、风电机组、辅助控制四部分组成，为了在
两台或更多并列运行机组间而稳定地分担负荷，选择具有负荷增加时速度下降的特性的调速器，传递函数表示为其中下垂控制和调速器共同组成带增益的比例控制器，r(％)为频率变化率表示如下：其中：f
nl
为空载频率；f
fl
为满载频率；f0为正常频率。
41.风力发电机组的转速和负载之间的关系可通过参考功率设定的方式改变，传递函数表示为
42.辅助控制通过添加一个复位或积分控制来实现的，该复位或积分控制作用于agc单元调速器的负载参考设置，其目标是通过调整选定发电机的输出，将频率调节到指定的标称值，并使控制区域之间的交换功率保持在预定值。
43.通过变桨控制模型即变桨控制模块4实时动态调节叶片角桨距将风力发电机组电机转速限制在适当的值，解决调频期间风力发电机组的超速问题；当发生电网频率偏移时，通过风力发电机的转子侧变流器的初始超前动作进行有功功率注入，然后进行变桨控制以调节机械功率。变桨控制模块4还负责在高风速期间限制风力涡轮机的机械功率。
44.根据风力发电机组的转速-功率特性，当风电场运行于p
实际
时，p
res
为存储于风电场中的功率值，特别地，通过变桨控制实现风电场运行于ω
opt
而不是在ω
虚拟
转速上。
45.ω
实际
为风力发电机组运行时转速，只要输出功率值p
总
小于风力发电机组的最佳功率p
opt
，就将风力发电机组转速ω
ref
调节为ω
opt
速度。当风力发电机组的输出功率在p
虚拟
＜p
总
＜p
opt
之间时，可以根据功率和转矩方程式确定风力发电机组转速
46.因此，风电场的正负预留功率可通过预留功率系数x表示：0≤x≤1p
res
＝p
opt
(1-x)p
res-＝xp
opt
制定由频率响应特性组成的多目标函数，通过pso算法即粒子群算法模块9找到影响风电场的惯量，阻尼和辅助控制pid控制器的系数，以获得足够的可用最优功率储备值；风力变化δv引起的功率变化δp
wind
可以表述为：其中dp/dβ是叶片角的特定变化的风输出变化，dp/dω是风功率变化与涡轮角速度小变化的比例，dp/dv表示一定风速下的风输出变化。
47.发电机转速的变化(δω)使用桨距角控制回路指定叶片角度变化值(δβ)。风能变化确定输入功率的可用量，值得一提的是，风力输出功率的变化取决于发电机转速的变化(δω)，叶片的角度的变化(δβ)以及风速的变化(δv)。
48.结合机械惯量模型、速度控制器、简化电网模型联合控制，改善了频率响应斜率和最小频率值和响应时间等频率控制性能，实现了风电场参与辅助频率控制，增强电网的惯性和阻尼，从而提高风电机组的渗透性。
49.机械惯量模块5的控制过程为：获取风速v、桨距角β、叶尖速比λ、风轮转速ωr、气动转矩ta、发电机电磁转矩te和系统总惯量j，通过调节转矩，从发电机旋转动能中获取能量，实现频率控制；获取风力发电机组功率pg，负载需求功率p
l
，系统总惯量j和电网频率f，计算风力发电机组用于调频的储备动能；获取风机的转速范围ω
min
～ω
额定
和对应的功率范围p
min
～p
max
，计算单台机组的惯性系数；计算风机旋转储备动能与其额定功率之比h
总
；得到单元k的仿真惯量。
50.机械惯量模块5的控制过程包括：步骤1，获取v风速、β桨距角、λ叶尖速比、ωr风轮转速、ta气动转矩、te发电机电磁转矩、系统总惯量j，则可通过调节转矩，从发电机旋转动能中获取能量，来实现频率控制；步骤2，获取风力发电机组功率pg，负载需求功率p
l
，系统总惯量j，电网频率f，则风力发电机组可用于调频的储备动能为：步骤3，获取风机的转速范围ω
min
～ω
额定
和对应的功率范围p
min
～p
max
，则单台机组的惯性系数为：步骤4，从整个电网角度考虑，整个风电场的电网总惯量常数表示为风机旋转储备动能与其额定功率之比h
总
：步骤5，则单元k的仿真惯量表示为：其中，为机组风机旋转储备动能总和，∑ip
额定，i
为额定功率总和，机组动
能和仿真惯量关系为总存储动能为e
存储，总
＝∑
ke存储，k
。
51.速度控制模块6中参考功率的计算公式如下：其中，k
p
为速度控制器比例常数，ki为速度控制器积分常数，为发电机参考转速。
52.一旦频率瞬变结束，等效的频率-功率控制模型可恢复最佳发电机转速。为此，强制发电机参考转速跟踪所需参考功率p
ω
如下：其中，k
p
为速度控制器比例常数，ki为速度控制器积分常数。
53.因此，满足以下两个条件：1)快速恢复；2)瞬态速度变化时持续的时间相对较短，因此非常规发电机能够注入所需量的有功功率，以缓解瞬态频率偏差。
54.频率-功率控制模型的总有功功率参考值下：pf＝p
fw
pw频率瞬变通常在短时间内发生，由于通过非常快的功率电子转换器来调节电功率，因此，假定在参考功率pf与总注入功率p
nc
之间没有动态。如相对较慢的pi控制器所提供的那样，可以假定它在几秒钟内不会发生变化，从而将p
nc
视为常量进行简化。
55.这里为频率瞬变之前的注入功率。
56.总功率和频率变化之间的关系如下：结合可得到：所考虑的惯性控制由给出的h*转化为系统惯性，该值可以通过改变k
df
而任意设置。因此，k
df
正值会增加系统惯量，在实际应用中，这仅在一些可行的余量之内是可能的。
57.在简化电网模型即简化电网模块2中，其旋转惯量及载荷通过速度-功率传递函数表达，其中，d为负荷阻尼常数，m＝2h，h为惯量常数。
58.风力发电机组的电功率由于频率波动导致发电机转速的变化而改变，整复合负荷对频率的依赖关系可由此得到：
δpe＝δp
l
dδωr其中，δp
l
为对频率不敏感的负荷变化；dδωr为对频率敏惑的负荷变化；d为负荷阻尼常数，可表示为频率变化1％所引起的负荷变化百分率。
59.本实施例通过功率设定模块8设定不同情况下的有功功率变化值；通过频率功率控制模块1对发电机组的输出频率和输出功率进行控制；通过尾流模块3优化风电机组偏航角度，减少尾流相互作用来增加风电场的发电量；通过变桨控制模块4实时动态调节叶片角桨距，控制风力发电机组电机的转速变化范围，解决调频期间风力发电机组的超速问题；通过粒子群算法模块9找到影响风电场的惯量、阻尼和辅助控制pid控制器的系数，获得最优功率储备值；结合机械惯量模块5、速度控制模块6和简化电网模型对发电机组进行联合控制，增强电网的惯性和阻尼，提高风电机组的渗透性，改善发电机组频率控制性能，进而提升高海拔地区风电机组调频期间频率响应效率。
60.以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。