基于频率安全约束-惯量削弱分摊的风电场惯量补偿控制方法

1.本发明涉及含多风电场的电力系统频率安全研究领域，尤其是涉及一种基于频率安全约束-惯量削弱分摊的风电场惯量补偿控制方法。


背景技术：

2.随着风电等新能源以更大规模、更高渗透率并入电网，新能源发电容量在电网中的占比将显著提高，这将严重削弱电网惯量、降低系统惯量支撑能力。大规模风电并网导致电网惯量不断削弱、系统频率特性恶化，风电场应依据惯量削弱责任承担保障电网频率安全稳定的义务。目前，针对大规模风电并网引起的电网惯量支撑能力不足的问题，主要采取虚拟惯性控制，使风机具有与同步发电机相似的虚拟惯量。然而，如何协调风机之间的虚拟惯量分配并进行惯量补偿控制是一个亟待解决的问题。
3.当前有关虚拟惯量分配的研究没有根据合理的分配依据对虚拟惯量进行公平分配，并且没有站在系统的角度研究虚拟惯量分配对电网总体惯量水平的影响以及该分配方法对于系统遭受大扰动后频率稳定性的影响。在有关虚拟惯量补偿控制的研究中，各风电场未根据分配后的虚拟惯量补偿目标制定有效的惯量补偿控制策略。所以基于频率安全约束-惯量削弱分摊的风电场惯量补偿控制方法的发明具有重要研究意义。


技术实现要素：

4.本发明提出一种基于频率安全约束-惯量削弱分摊的风电场惯量补偿控制方法，根据电网调度信息和系统频率安全约束指标求得临界惯量和电网惯量，然后根据风电场惯量削弱量比例分配各风电场的惯量补偿目标，进一步求得场站内风机的虚拟惯量补偿目标；最后各风机根据分配的虚拟惯量补偿目标执行惯量补偿控制策略，从而使电网惯量始终保持在临界惯量以上，消除系统频率安全隐患。
5.本发明采取的技术方案为：
6.基于频率安全约束-惯量削弱分摊的风电场惯量补偿控制方法，包括以下步骤：
7.步骤1、电网惯量计算：根据发电计划及风电预测信息计算一天中各时段电网惯量h
(1)
；
8.步骤2、基于系统频率安全约束求解电网临界惯量：根据最大频率偏差约束和最大频率变化率约束求解临界惯量h
min
；
9.步骤3、电网惯量补偿目标：根据各时段惯量h和临界惯量h
min
，筛查一天中不满足临界惯量的时段，并计算该时间段内的电网惯量补偿目标δh；
10.步骤4、风电场虚拟惯量分配策略：将各风电场并网导致的电网惯量削弱量作为风电场虚拟惯量的分配依据，根据电网惯量补偿目标δh和临界惯量h
min
，得到各风电场虚拟惯量补偿目标h
wf
和各风机虚拟惯量补偿目标值h
equ
；
11.步骤5、虚拟惯量补偿控制策略：根据求得的各风机虚拟惯量补偿目标值h
equ,kj
，通
过实时调整控制参数k
df,kj
，执行虚拟惯量补偿控制策略，即可响应虚拟惯量补偿目标h
equ,kj
，整个风电场也能够响应补偿目标h
wfk
，从而将电网惯量补偿到临界惯量。
12.所述步骤1中，计算电网各时段电网惯量h
(1)
：
[0013][0014]
式(1)中，风电场无虚拟惯性控制特性，h
(1)
为电网等效惯量；下标1表示风电场处于并网状态；h
gi
、s
gi
分别为第i台同步发电机组的惯量、额定容量；s
wfj
为第j个风电场的额定容量；m、n分别表示同步发电机组和风电场的个数。
[0015]
所述步骤2中，临界惯量h
min
求解如下：
[0016][0017]
式(9)中，h
δf
表示最大频率偏差约束下的系统临界惯量，δp
max
为功率缺额；fb为基准频率；t
max-c
为最大频率偏差安全值对应的时间；δf
max-c
为最大频率偏差安全值。
[0018][0019]
式(12)中，h
rocof
表示最大频率变化率约束下的系统临界惯量，sb为系统容量，f0为系统初始频率，rocof
max-c
为最大频率变化率安全值。
[0020]
综上可知，电网临界惯量取两者中的较大值，即：
[0021][0022]
所述步骤3中，在系统惯量不满足临界惯量的时段，电网惯量补偿目标δh为：
[0023][0024]
式(16)中，h
wfj
表示第j个风电场的等效虚拟惯量。
[0025]
所述步骤4中，风电场k中各风机虚拟惯量补偿目标值h
equ
为：
[0026][0027]
式(25)中，δh
wfk
表示风电场k并网导致的电网惯量削弱量；h
equ,k1
、h
equ,k2
...h
equ,kl
为风电场k中机组1、机组2...机组l的虚拟惯量补偿目标；h
wfk
表示风电场k的虚拟惯量补偿目标。
[0028]
所述步骤5中，通过实时调整控制参数k
df,kj
，执行虚拟惯量补偿控制策略，即可响应虚拟惯量补偿目标h
equ,kj
：
[0029][0030]
式(32)中，k
df,kj
为风机惯性控制参数；ω
r0
表示为转子初始角速度；ω
s0
表示为系统初始角速度；ω
nom
为风机额定角频率；tf为虚拟惯性控制器的滤波时间常数；δ＝(k
pt
/2h
dfig
)
2-2k
it
/h
dfig
为方程s2 k
pt
/(2h
dfig
)s k
it
/(2h
dfig
)的判别式；
[0031]
α1，α2，α3为δ≥0时(s 1/tf)(s2 k
pt
/(2h
dfig
)s k
it
/(2h
dfig
))＝0时的三个单根；
[0032]
k1，k2，k3为对应部分分式的展开系数；
[0033]
α1'，α2'
±
jβ分别为δ≤0时(s 1/tf)(s2 k
pt
/(2h
dfig
)s k
it
/(2h
dfig
))＝0时的一个单根和一对共轭复根，θ＝∠k2'，k1'和k2'为对应部分分式的展开系数。
[0034]
综上，当系统发生大扰动时，在惯性响应阶段，各风机根据风电场实时风速和风机惯量补偿目标与虚拟惯性控制增益之间的关系，通过实时调整控制参数k
df,kj
，即可响应虚拟惯量补偿目标h
equ,kj
，使风电场虚拟惯量维持在恒定水平。
[0035]
本发明基于频率安全约束-惯量削弱分摊的风电场惯量补偿控制方法，技术效果如下：
[0036]
1)对于电网存在频率安全隐患的时段，应用本发明所提方法，使各风电场虚拟惯量补偿目标得到最公平的分配，通过执行风电场虚拟惯量补偿控制策略，可有效保证电网频率的安全稳定。
[0037]
2)本发明所提虚拟惯量协调补偿控制方法可推广至光伏等新能源并网的情况，在未来构建新型电力系统的进程中，我国新能源将会以更大规模接入电网，本发明所提方法是应对该形势下电网频率安全稳定的有效措施。
附图说明
[0038]
图1为本发明实施例的流程图。
[0039]
图2为本发明实施例的仿真系统图。
[0040]
图3为本发明实施例的仿真系统一天内各时段电网惯量和临界惯量曲线图。
[0041]
图4(a)为风电场1一天内某一时段各风电场实际虚拟惯量曲线图；
[0042]
图4(b)为风电场2一天内某一时段各风电场实际虚拟惯量曲线图；
[0043]
图4(c)为风电场3一天内某一时段各风电场实际虚拟惯量曲线图。
[0044]
图5为一天内某一时段电网惯量补偿情况曲线图。
[0045]
图6为不同风电渗透率下电网频率响应曲线图。
[0046]
图7为不同风电渗透率下电网rocof曲线图。
具体实施方式
[0047]
基于频率安全约束-惯量削弱分摊的多风电场惯量协调补偿控制方法。首先根据电网频率安全约束指标求解维持频率动态稳定的电网临界惯量h
min
，并结合电网实际惯量得到电网惯量补偿目标量δh。然后依据惯量削弱责任分担思想对风电场虚拟惯量进行协
调分配，得到各风电场/风机虚拟惯量目标值h
wf
、h
equ
；再根据风机虚拟惯量目标来动态设置控制参数k
df
，执行虚拟惯量补偿控制策略；最后通过ieee-39节点算例系统验证了所提方法的有效性和实用性。流程图如图1所示，包括以下步骤：
[0048]
步骤1：电网惯量计算：
[0049]
若电网包含m台同步机组、n个风电场，则电网等效惯量为：
[0050][0051]
式(1)中，风电场无虚拟惯性控制特性，h
(1)
为电网等效惯量，下标1表示风电场处于并网状态；h
gi
、s
gi
分别为第i台同步发电机组的惯量和额定容量；s
wfj
为第j个风电场的额定容量。
[0052]
步骤2：基于系统频率安全约束求解电网临界惯量计算：
[0053]
含多台同步机组的电力系统频率响应特性可通过平均系统频率响应模型来表示，并采用一阶惯性环节来近似描述各同步机组调速系统模型的响应过程。
[0054]
同步机组的一次调频机械功率增量可表示为：
[0055][0056]
式(2)中，δp
mi
为第i台同步机组的一次调频机械功率增量；ki为发电机功频特性系数；ti为调速器响应时间常数；δω为系统角频率偏差；s为频域算子。
[0057]
在系统扰动发生后的短暂时间内，频率变化较小，等值机组阻尼d可忽略；同时考虑到一次调频响应在调速系统机械装置动作时尚未发生，故δp
mi
＝0，可得系统频率响应表达式：
[0058][0059]
式(3)中，h表示系统等效惯量；δp
l
为总负荷功率增量。
[0060]
系统最大频率偏差通常出现在扰动发生后3～5秒，此时一次调频响应才开始动作。因此，为简化求解，可将最大频率偏差出现之前、由式(3)计算得到的频率偏差δω作为计算δpm的输入。
[0061]
将式(3)代入式(2)，并进行拉式反变换，则同步机组机械功率增量可表示为：
[0062][0063]
式(4)中，通过常系数一次函数来近似表示同步机组的机械功率增量，可简化求解。
[0064]
由上述分析可得扰动发生后整个系统动态频率方程为：
[0065][0066]
式(5)中：m为同步机组台数。
[0067]
对式(5)积分并整理后可得：
[0068][0069]
对式(6)进行求导，令可得系统最大频率偏差对应的时间：
[0070][0071]
将式(7)带入式(6)得到系统最大频率偏差，并转换为系统频率的有名值：
[0072][0073]
式(8)中：fb为基准频率。
[0074]
上述推导过程中功率缺额和最大频率偏差为已知量，分别取δp
l
＝δp
max
，δf
max
＝δf
max-c
，δf
max-c
为最大频率偏差安全值；另外系统最大频率偏差对应的时间可利用matlab求解器计算得到，取t
max
＝t
max-c
，t
max-c
为最大频率偏差安全值对应的时间。联立式(7)、式(8)可得最大频率偏差约束下的临界惯量表达式：
[0075][0076]
根据电力系统等值转子运动方程可得系统频率变化率表达式为：
[0077][0078]
式(10)中，0时刻为频率扰动发生时刻。
[0079]
系统rocof
max
出现在扰动发生后瞬间(t0)，此时等值阻尼系数和机械功率增量可忽略，由式(10)可将rocof
max
等效为：
[0080][0081]
式(11)中，sb为系统容量，f0为系统初始频率。
[0082]
为求解临界惯量，取rocof
max
＝rocof
max-c
，δp
l
＝δp
max
，rocof
max-c
为最大频率变化率安全值，根据式(11)求得最大频率变化率约束下的临界惯量表达式：
[0083][0084]
综上可知，电网临界惯量应取式(9)和式(12)中较大值，即：
[0085][0086]
步骤3：电网惯量补偿目标计算：
[0087]
若电网包含m台同步机组、n个具备虚拟惯性控制的风电场，则电网等效惯量h'
(1)
为：
[0088][0089]
式(14)中，h
wfj
为第j个风电场的等效虚拟惯量。
[0090]
为保证系统频率稳定，电网实际惯量应不小于临界惯量：
[0091][0092]
根据式(15)，考虑电网惯量刚好补偿到临界惯量的情况，则电网需进行补偿的惯量为：
[0093][0094]
根据式(16)可知，为将电网惯量补偿到临界惯量，所有风电场需对电网补偿的总惯量为目标量δh。
[0095]
步骤4：风电场虚拟惯量分配策略：
[0096]
对任意风电场k，在并网/离网两种状态下，电网惯量可分别表示为：
[0097][0098][0099]
式中，h
(1)k
、h
(0)k
分别为风电场k并网、离网时的电网惯量，下标1、0分别表示风电场并网、离网状态。
[0100]
风电场k并网导致的电网惯量削弱量可由h
(0)k
与h
(1)k
之差确定：
[0101][0102]
式(19)中，δh
wfk
为风电场k并网导致的电网惯量削弱量。
[0103]
基于电网惯量削弱责任分担思想，本文将各风电场并网导致的电网惯量削弱量作为风电场虚拟惯量的分配依据。根据该分配思想，可得到各风电场虚拟惯量补偿目标和对应惯量削弱量的关系式如下：
[0104]
[0105]
式(20)中，h
wf1
,h
wf2
,...,h
wfn
为风电场1、风电场2...风电场n的虚拟惯量补偿目标，表明了各风电场虚拟惯量的分配情况。
[0106]
联立式(16)、式(20)有：
[0107][0108]
由方程组(21)可解得系统中第k个风电场的虚拟惯量补偿目标为：
[0109][0110]
对于系统中任一风电场k，假设场内包含l台风电机组。由式(19)可知，系统中任一风电场并网导致的惯量削弱量只与该风电场的额定容量有关，由此类推到风电机组情况可知风电场k内各风机应分配相同的虚拟惯量补偿目标：
[0111]hequ,k1
＝h
equ,k2
＝
…
＝h
equ,kl
ꢀꢀꢀ
(23)
[0112]
式(23)中，h
equ,k1
、h
equ,k2
...h
equ,kl
为风电场k中机组1、机组2...机组l的虚拟惯量补偿目标。
[0113]
若将风电场k等值为一台机组，风电场虚拟惯量等于风电场储存总动能与总容量的比：
[0114][0115]
式(24)中，p，sn，j
equ
，ω
s0
为风机极对数、额定容量、虚拟转动惯量、系统初始同步角速度。
[0116]
根据式(23)、(24)可得：风电场k内各风机虚拟惯量补偿目标与该风电场补偿目标相等：
[0117][0118]
步骤5：风电场虚拟惯量补偿控制策略：
[0119]
由公开的专利文件“一种双馈风机等效虚拟惯性时间常数计算方法”(申请号：201510201589.6申请日：2015-04-24)可知风机虚拟惯量为：
[0120][0121]
式(26)中，j
dfig
，ω
r0
，δωr分别表示为双馈风机固有转动惯量、转子初始角速度和转子角速度增量；δωs表示系统同步角频率增量；ω
nom
为风机额定角频率；h
dfig
＝ω
2nomjdfig
/(2p2sn)为风机固有惯性时间常数。
[0122]
结合式(26)和参考文献可得h
equ
的传递函数为：
[0123][0124]
式(27)中，k
df
，tf，k
pt
，k
it
分别为虚拟惯性控制器的滤波时间常数、惯性控制增益、速度控制器的比例系数和积分系数。
[0125]
对式(27)进行拉普拉斯反变换，可得h
equ
时域表达式为：
[0126][0127]
由式(28)可知，决定h
equ
(t)的参数是控制增益k
df
和风机转子初始角频率ω
r0
。因此，在惯性响应阶段，各风机可根据实时风速及对应角频率ω
r0
，通过设置k
df
的大小使风机的虚拟惯量控制为h
equ
。
[0128]
若要模拟出式(25)对应的虚拟惯量h
equ,kj
，在执行风机虚拟惯量控制时，则应根据分配到各个风机的补偿目标h
equ,kj
反过来确定对应的控制参数k
df,kj
。那么，通过对式(28)进行变换，可得到任一风电场k中第j台风机的控制增益k
df,kj
表达式：
[0129][0130]
由式(29)知方程s2 k
pt
/(2h
dfig
)s k
it
/(2h
dfig
)的判别式δ＝(k
pt
/2h
dfig
)
2-2k
it
/h
dfig
，以下根据δ的正负分两种情况讨论。
[0131]
1)当δ≥0时，
[0132][0133]
式(30)中，α1，α2，α3为三个单根，k1，k2，k3为式(29)部分分式的展开系数。
[0134]
2)当δ≤0时，
[0135][0136]
式(31)中，α1～，α2′±
jβ分别为一个单根和一对共轭复根；θ＝∠k2′
；k1′
和k2′
为式(29)部分分式的展开系数。
[0137]
根据式(30)、(31)可得控制参数k
df，kj
表达式为：
[0138][0139]
综上，当系统发生大扰动时，在惯性响应阶段，各风机根据风电场实时风速和风机惯量补偿目标与虚拟惯性控制增益之间的关系，通过实时调整控制参数k
df，kj
，即可响应虚拟惯量补偿目标h
equ，kj
，使风电场虚拟惯量维持在恒定水平。
[0140]
步骤6：上述建立的一种基于频率安全约束-惯量削弱分摊的风电场惯量补偿控制方法，通过仿真算例验证其正确性。
[0141]
在matlab/simulink环境下，建立了图2的仿真系统，系统中在新英格兰10机39节点中加入新能源发电即风电场。整个仿真系统中包含10台同步发电机组和3个风电场。
[0142]
其中仿真参数如下：双馈风机参数：额定电压vn＝575v，额定功率pn＝1.5mw，定子电阻rs＝0.023pu，定子电感ls＝0.18pu，转子电阻rr＝0.016pu，转子电感lr＝0.16pu，励磁电感lm＝2.9pu，固有惯性时间常数h
dfig
＝5.29s，速度控制器积分系数ki＝0.6。额定角速度ω
nom
＝157.08rad/s，额定风速v
wn
＝11.7m/s，变流器时间常数τ＝0.02s。发电机参数如表1所示。
[0143]
表1发电机参数表
[0144]
发电机h/skt/sg16.716.678g25.214.286g34.816.677g45.216.676g54.514.286g65.416.678g75.416.677g84.216.677g95.416.676g104.214.286
[0145]
仿真项目包括：
[0146]
1)：根据发电计划和风电场发电预测信息，计算出一天内各时段电网惯量值，并在最大功率缺额下和最大rocof下求取电网惯量临界值。该项目通过图3验证。
[0147]
2)：比较各时段电网惯量和电网惯量临界值，筛选不满足临界电网惯量的时段，并计算电网惯量补偿目标，根据该补偿目标进行各风电场虚拟惯量协调分配，得到各风电场实际虚拟惯量和补偿后电网实际惯量。该项目通过图4(a)、图4(b)、图4(c)、图5验证。
[0148]
3)：比较不同风电渗透率下补偿控制的效果，得到风电场含虚拟惯量补偿(风电渗透率20％)、含虚拟惯量补偿(风电渗透率30％)、无虚拟惯量补偿三种情况下的系统频率响应曲线和rocof曲线。该项目通过图6、图7验证。
[0149]
由图4(a)～图4(c)可看到，应用风电场发电功率预测值和各时段机组变化情况计
算出分时段电网惯量和临界惯量。0:00-3:00，6:00-8:00，18:00-23:00等时段电网惯量小于临界惯量，电网的惯量支撑能力较差。
[0150]
由图4(a)～图4(c)、图5可以看到，各风电场实际虚拟惯量与其目标量基本吻合，最大偏差控制在2％以内，风电场虚拟惯量稳定在目标范围内。补偿后，电网惯量由扰动前的3.89s快速提高到4.81s，最后稳定在临界惯量(4.95s)附近，最大偏差控制在1％以内，系统在频率事故下具有足够的惯量支撑能力。
[0151]
从图6、图7可以看出，通过公平分配各风电场的惯量支撑能力并执行虚拟惯量补偿控制策略，将电网惯量补偿到临界惯量，使频率跌落最低点(49.06hz)限制在49hz安全阈值以内，rocof
max
刚好限制在-0.5hz/s安全阈值。并且在两种风电渗透率水平下对应的频率响应曲线、rocof曲线较接近，均能准确补偿电网惯量，控制效果良好，从而保证电网安全稳定运行。