一种风电机组主动频率支撑控制方法

1.本发明属于风电机组控制技术领域，尤其涉及一种兼顾电力系统短期及长期频率调节能力的风电机组主动频率支撑控制方法。


背景技术：

2.为了实时平衡发电和负荷的需求，电力系统频率控制一直是系统运行中的一个重要问题，在过去的几十年里，风电机组已广泛地投入到电力系统中，与传统同步电机不同，风电机组的电力电子接口能够对风电机组的转子转速与主电网频率进行解耦，但也降低了电力系统的同步惯性，从而弱化了对电力系统频率调节能力。因此，在这种背景下，越发需要风电机组主动支撑电力系统频率调节。
3.目前，风电机组主动支撑电力系统频率调节的方法通常可分为两类：第一类为虚拟惯性法，通过释放风电机组转子中储存的动能来模拟同步发电机的惯性响应；第二类是减载法，通过使风电机组减载运行以提前预留用于频率调节的机械功率储备。
4.但第一类方法只能在很短的时间内暂时支撑系统频率，而第二类方法调节速度相对较慢，且功率储备更适合于二次频率调节，均无法兼顾电力系统短期及长期频率调节能力。


技术实现要素：

5.为了解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种风电机组主动频率支撑控制方法，拟解决现有技术中提到的无法兼顾电力系统短期及长期频率调节能力的技术问题。
6.本发明采用的技术方案如下：一种风电机组主动频率支撑控制方法，包括以下步骤：步骤1：基于超速控制器对风电机组的转子进行超速控制，预留用于电力系统频率调节的机械功率储备；步骤2：构建由短期频率支撑控制器和长期频率支撑控制器组成的风电机组主动频率支撑控制器；步骤3：建立含有风电机组主动频率支撑控制器的风机线性化模型，并通过奈奎斯特图和模态分析确定主动频率支撑控制器参数的稳定运行范围。
7.优选的，步骤1中所述的超速控制采用减载法中的一种，通过提高风电机组的转子速度，右移最大功率跟踪曲线，使风电机组处于减载功率点工作。
8.所述减载法包括变桨控制与超速控制；本发明采用任意一种控制方法，即可以采用变桨控制或超速控制。
9.优选的，所述短期频率支撑控制器的表达式如下所示：
；其中：为短期频率支撑控制器输出的功率指令，为复变量，为频率偏差，为时间常数，、为短期频率支撑控制器系数；所述短期频率支撑控制器在频率调节的初级阶段通过降低转子速度，迅速释放动能，支撑电力系统短期频率调节，改善频率变化率和频率最低点。
10.优选的，所述长期频率支撑控制器的表达式如下所示：；其中，为长期频率支撑控制器输出的功率指令，为复变量，为长期频率支撑控制器系数，为频率偏差；所述长期频率支撑控制器在系统频率恢复阶段，阻止风电机组的转子速度恢复，改善系统长期频率响应。系统长期频率响应指系统在频率恢复阶段的频率响应，即长期频率响应。
11.所述系统频率恢复阶段是指电力系统的频率恢复阶段（即系统频率恢复阶段），表示为系统频率恢复到额定频率的过程；若此时风电机组进行转子速度恢复，则会从电网吸收功率，增大频率最低点，恶化系统频率恢复。
12.所述转子速度恢复是指恢复到频率事件前的初始转速值，若比初始转速值小，则提速，若比初始转速值大，则减速。
13.优选的，所述风机线性化模型包括风机有功功率响应单元和风机转子速度响应单元；所述风机有功功率响应单元由风电机组主动频率支撑控制器的功率响应和超速控制器的功率响应组成，表达式如下所示：；；式中：、、分别表示为主动频率支撑控制器、短期频率支撑
控制器以及长期频率支撑控制器输出的功率指令变化量，为复变量，为时间常数，、为短期频率支撑控制器系数，为长期频率支撑控制器系数，为频率偏差，表示为超速控制器输出的减载功率变化量，为偏导符号，表示为风电机组转子速度的变化量，为减载系数，为最佳系数，为减载下的风能利用系数，为减载下的转子速度初始值；采用单质量转子模型来表示转子动力学特性：；式中，机械转矩，电磁转矩，、分别为风电机组的机械功率与电磁功率，为风电机组的转子速度，、分别为风电机组的惯性时间常数与阻尼系数；所述风机转子速度响应单元由传动链响应和机械功率响应两部分组成，表达式如下：；；式中：表示为风电机组转子速度的变化量，、分别表示为风电机组的机械功率变化量与电磁功率变化量，、分别为风电机组的惯性时间常数与阻尼系数，为复变量，为偏导符号，为风速初始值，为减载下的转子速度初始值，、分别是空气密度与叶片长度，、和是常数系数，是极对数，是齿轮箱比；
由风速变化引起的功率变化，通过将线性化的风速扰动量添加到捕获的机械功率中来得到：；式中：为偏导符号，为减载下的转子速度初始值，为风速初始值，、分别是空气密度与叶片长度，、和是常数系数，是极对数，是齿轮箱比。
14.优选的，步骤3中所述的奈奎斯特图以含风电的多区域电力系统频率响应模型为基础，并由多区域电力系统频率响应模型开环传递函数的环路增益所作出。
15.优选的，步骤3中所述的模态分析是以奈奎斯特图为基础，确定主动频率支撑控制器参数对系统频率整体稳定性的影响，并通过奈奎斯特图确定主动频率支撑控制器参数的稳定运行范围。
16.有益效果：本发明的主动频率支撑控制方法能充分利用风电机组的转子动能以及机械功率储备，使风电机组更有效的兼顾电力系统短期及长期频率调节能力，改善系统频率变化率与系统频率最低点，提高系统频率的动态性能，并且作为一种附带生产的结果，输送到电力系统的风能可以平滑地输出，实现系统频率波动的进一步减轻，保证电力系统频率的安全稳定。
附图说明
17.图1为本发明的整体流程示意图。
18.图2为本发明的风电机组减载功率点跟踪曲线。
19.图3为本发明的风电机组主动频率支撑控制方法原理图。
20.图4为本发明的风机线性化模型。
21.图5为本发明的多区域电力系统频率响应模型。
22.图6为本发明的关于的奈奎斯特图。
23.图7为本发明的关于的奈奎斯特图。
24.图8为本发明的关于的奈奎斯特图。
25.图9为本发明的线性化的两区域电力系统根轨迹图，其中图9 (a)是关于的根轨迹图；图9 (b)是关于的根轨迹图；图9 (c)是关于的根轨迹图。
26.图10为本发明的仿真系统图。
27.图11为本发明的切除电源后的系统动态响应图，其中图11 (a)是电力系统频率波动图；图11 (b)是风电机组输出风能图；图11 (c)是风电机组捕获风能图；图11 (d)是风电机组转子速度图。
28.图12为本发明的失载后的系统动态响应图，其中图12 (a)是电力系统频率波动图；图12 (b)是风电机组转子速度图。
29.图13为本发明的时变风速下的系统动态响应图，其中图13 (a)是时变风速曲线图；图11 (b)是电力系统频率波动图；图11 (c)是风电机组捕获风能图。
具体实施方式
30.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
31.下面结合说明书附图对本发明作进一步的详细说明：如图1所示，一种风电机组主动频率支撑控制方法，包括以下步骤：步骤1：基于超速控制器对风电机组的转子进行超速控制，预留用于电力系统频率调节的机械功率储备；风电机组的转子速度控制下的风电机组减载功率点跟踪曲线如图2所以，其中风电机组从风中获取的机械功率表示为：；
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（1）式（1）中：、和分别是空气密度、风速和叶片长度，是气动功率系数，、和是常数系数，是叶尖速比，是风电机组的转子速度，是极对数，是齿轮箱比。
32.当λ=-k1/2k2时，能从风中获取最大功率，则最大功率点的表示如下：，； （2）其中：是风电机组的最佳转子速度，是最佳系数，、分别是空气密度与叶片长度，、和是常数系数，是极对数，是齿轮箱比。
33.为预留用于电力系统频率调节的机械功率储备，右移最大功率跟踪曲线，使风电
机组处于减载功率点工作，则减载功率可表示为：其中，是减载系数，是减载下的风能利用系数，是减载下的转子速度，是最佳系数，、和是常数系数。
34.步骤2：设计风电机组主动频率支撑控制方法，充分发挥风电机组的转子动能与提前预留的功率储备。
35.参见图3所示，关键的主动频率支撑控制器由用于短期频率调节和长期频率调节的两个频率支撑控制器组成，共同协调管理风电机组转子的动能与功率储备的能量以兼顾电力系统短期及长期频率调节能力，具体表达式如下：；
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（4）式中，和分别是由短期和长期频率支撑控制器产生的功率指令。
36.在频率偏差和它的一阶导数都很大的初始控制阶段，主动频率支撑控制器控制风电机组转子的动能迅速释放以改善频率最低点和频率变化率。因此，短期频率支撑控制器可表示如下：；
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（5）其中：为短期频率支撑控制器输出的功率指令，为复变量，为频率偏差，为时间常数，、为短期频率支撑控制器系数；短期频率支撑控制器的频率响应是暂时的，不会影响稳态频率。此外，随着系统频率开始恢复，频率的偏差开始减小，同时，电磁功率减小，风电机组的转子速度开始恢复，会从电网吸收能量，而电网能量减少将减缓电力系统频率的恢复，甚至可能导致额外的频率降低。因此，为了克服这些缺点并支撑可持续的长期频率调节，设计了长期频率支撑控制器，具体如下：；
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（6）其中，为长期频率支撑控制器输出的功率指令，为复变量，为长期频
率支撑控制器系数，为频率偏差；所述长期频率支撑控制器在系统频率恢复阶段，阻止风电机组的转子速度恢复，改善系统长期频率响应。
37.步骤3：建立含主动频率支撑控制器的风机线性化模型，并通过奈奎斯特图和模态分析确定风电机组主动频率支撑控制器参数的稳定运行范围以稳定运行主动频率支撑控制器，兼顾电力系统短期及长期频率调节能力。
38.其中含风电机组主动频率支撑控制器的风机线性化模型如图4所示，该风机线性化模型主要由有功功率响应单元和转子速度响应单元组成，输入是系统频率偏差，输出是注入电网的风电机组有功功率的变化。
39.有功功率响应单元由主动频率支撑控制器的功率响应和超速控制器的功率响应两部分组成，结合（4）和式（3），可表示为：；
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（7）；
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（8）式中：、、分别表示为主动频率支撑控制器、短期频率支撑控制器以及长期频率支撑控制器输出的功率指令变化量，为复变量，为时间常数，、为短期频率支撑控制器系数，为长期频率支撑控制器系数，为频率偏差，表示为超速控制器输出的减载功率变化量，为偏导符号，表示为风电机组转子速度的变化量，为减载系数，为最佳系数，为减载下的风能利用系数，为减载下的转子速度初始值。
40.本发明采用单质量转子模型来表示风电机组的转子动力学特性，具体如下：；
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（9）其中，式中，机械转矩，电磁转矩，、分别为风电机组的机械功率与电磁功率，为风电机组的转子速度，、分别为
风电机组的惯性时间常数与阻尼系数。因此，结合式（9）和式（1），由传动链响应和机械功率响应两部分组成的转子速度响应单元可表示为：；
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（10） ； （11）式中：表示为风电机组转子速度的变化量，、分别表示为风电机组的机械功率变化量与电磁功率变化量，、分别为风电机组的惯性时间常数与阻尼系数，为复变量，为偏导符号，为风速初始值，为减载下的转子速度初始值，、分别是空气密度与叶片长度，、和是常数系数，是极对数，是齿轮箱比；此外，由风速变化引起的功率变化，通过将线性化的风速扰动量添加到捕获的机械功率中来得到，表示如下：；（12）式中：为偏导符号，为减载下的转子速度初始值，为风速初始值，、分别是空气密度与叶片长度，、和是常数系数，是极对数，是齿轮箱比。
41.为确定主动频率支撑控制器参数对系统频率整体稳定性的影响，以及通过奈奎斯特稳定判据获得主动频率支撑控制器参数的稳定运行范围，基于含主动频率支撑控制器的风机线性化模型，构建如图5所示的含风电的多区域电力系统频率响应模型，并结合表1和表2的两区域电力系统和风电机组的参数，作出如图6、7、8所示的奈奎斯特图以及如图9所示的根轨迹图。
42.表1.两区电力系统参数
表2.风电机组参数图6为比例参数为不同值(1000、800、600、500、400、300和200)的奈奎斯特图。当值降至500以下时，奈奎斯特曲线沿顺时针方向环绕在[-1，0]区域，这意味着系统在这些情况下是不稳定的。如图7和图8所示，当值降低到-1300以下，值增加到800时，也可以发现类似的现象。
[0043]
图9为线性化两区域电力系统的主极点和零点根轨迹图。其中，图9(a)为比例参数的根轨迹，该比例参数以50的步长从1000变化到100。图9(b)为以步长为50从-500到-1500变化的微分参数的根轨迹。图9(c)为值为1、5、10、20、50和以步长为100从100变化到1500的积分参数的根轨迹。从图中可以看出，为保证稳定的运行区域，其运行控制的关键参数应大于550，应大于-1250，应小于900。
[0044]
为验证本发明所提的控制方法的有效性与优越性，首先搭建如图10所示的含风电的两区域电力系统仿真系统，其中，两区域电力系统通过一条250km长的双馈交流输电线路相连，，，，同步发电机g1、g2、g3、g4和g5的额定功率分别为600mw、650mw、600mw、500mw和20mw，两区域之间的额定传输功率约为400mw，风电机组的总额定功率为260mw；然后根据之前获得的稳定运行范围，确定主动频率支撑控制器的控制参数为：，，；最后，
设置如下3个仿真算例进行仿真：算例1：切除电源。即在时切除g5。其中，切除电源后的系统动态响应图如图11所示。其系统动态响应在以下三种情况下进行比较：在风电机组中无附加控制方法，在风电机组中有惯性和下垂控制方法，以及在风电机组中采用本发明所提的控制方法。
[0045]
如图11所示，切除g5导致在t=50s处的频率下降。在没有附加控制的情况下，风电机组不响应系统频率偏差。因此，在这种情况下，当降频事件发生时，风电机组的功率输出和转子速度不会改变。频率变化率和频率最低点(分别为-0.0133hz/s和0.098hz)比后面两种情况大得多。
[0046]
当惯性和下垂控制方法应用于风电机组时，转子动能的释放对频率响应起作用，这将使频率变化率和频率最低点分别改善到-0.0018hz/s和0.04hz。然而，这种控制方法不能支撑长期频率调节，并且转子在t=77.5s秒时开始吸收电网能量进行速度恢复，阻碍了长期频率恢复。
[0047]
在本发明所提的控制方法情况下，风电机组的有功功率在初级阶段迅速增加，转子速度降低，释放转子动能支撑短期频率调节。同时，主动频率支撑控制器中的附加积分单元将转子速度保持在较低的值以捕获更多的机械功率，支撑起长期频率调节使系统频率在t=182s时恢复至额定值。因此，与惯性和下垂控制方法下频率偏差不能完全恢复到零的情况相比，本发明所提的控制方法可以有效兼顾电力系统短期及长期频率调节能力，将频率变化率和频率最低点性能分别改善到-0.0014hz/s和0.031hz。
[0048]
算例2：失载事件。通过在t=250s时的突然失载来模拟升频事件。其中，失载后的系统动态响应图如图12所示，类似于算例1，其仿真结果验证了本发明所提的控制方法能够更快地恢复系统频率，并且在升频事件下也改善了频率变化率和频率最低点。
[0049]
算例3：变风速。其中，时变风速下的系统动态响应图如图13所示，通过采用本发明所提的控制方法，在风速变化的情况下，系统的频率动态响应可以得到显著改善，本发明所提的控制方法比惯性和下垂控制方法平均降低了30%的频率变化率。此外，如图13(c)所示，仿真结果还表明，本发明所提的控制方法的应用也可以平滑风能输出，进一步减轻了频率波动。
[0050]
以上所述实施例仅表达了本技术的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。