CN108631333A - 一种基于限转矩控制的风储联合调频控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于限转矩控制的风储联合调频控制方法，该方法基于限转矩控制，通过将最大功率跟踪切换至定功率输出模式，利用DFIG将有功参考值由MPPT模式下的最优值进行增加到一个固定值，进行有功功率增加；并通过充分利用储能快速释放的有功功率加快转速恢复，在一段时间的频率支撑过后，通过缓慢降低储能的功率输出，使***频率恢复稳定，通过提出DFIG与储能之间的协调频率控制，DFIG继续将其转子速度恢复到扰动前的值。与现有技术相比，本发明能够减小频率偏差和频率变化率，对频率响应更加快速，并解决了机组在转速恢复期间发生的二次频率跌落问题。

Description

一种基于限转矩控制的风储联合调频控制方法

技术领域

本发明涉及风电机技术领域，尤其是涉及一种基于限转矩控制的风储联合调频控制方法。

背景技术

在由风/光/柴构成的微电网中，当微电网与大电网断开，孤岛运行时，若频率出现波动，风电机组通常有两种方式参与频率恢复：一种是利用风电机组自身的调节能力，即附加惯量控制，通过释放转子动能提供短暂的功率支撑，增强***惯量，并附加超速或桨距角控制留有备用，另一种是增加如飞轮、蓄电池、超级电容器等储能装置辅助风电机组参与微电网频率调节。储能***具有性能稳定、控制灵活、响应快速和不受风电机组运行状态约束的特点。在微电网中，利用储能辅助***频率调节不仅实现储能灵活的吸收和释放有功功率的能力，而且储能装置的利用不会改变风电机组原有的运行方式。

针对此，现有技术提出了两种控制方法，一种是基于频率偏差或频率变化率或两者组合的虚拟惯量控制，另一种是方波式惯量控制，第一种虚拟惯量控制由输入的频率偏差和频率变化率决定，因此惯量环节对频率的响应速度有一定的延迟。第二种方波式惯量控制可以瞬间增大预定义的有功功率，使有功输出比稳态功率值高某一定值，此方法比虚拟惯量控制响应更快，但频率的二次下跌程度更大。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于限转矩控制的风储联合调频控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于限转矩控制的风储联合调频控制方法，该方法包括以下步骤：

S1：惯量响应步骤：

锁相环对输入信号频率进行自动跟踪，判断***频率偏差是否小于死区频率，且转速是否大于最小转速，若是，根据限转矩惯量控制DFIG将有功功率的参考值由MPPT模式下的最优值增加至固定值，否则，不进行惯量支持；

增加后的有功功率的参考值P_ref1的表达式为：

式中，ω_min为转子的最小转速，ω为转子的当前转速，ω₀为转子的初始转速，P_Tlim(ω₀)为初始最优转速在最大转矩限制下对应的功率，P_MPPT(ω_min)为在MPPT模式下最小转速所对应的功率。

S2：减载控制步骤：

在惯量响应步骤使转子的转速逐渐减小的过程中，对转速偏差进行检测，当转速偏差小于阈值时，减小有功功率的参考值，输出减小后的有功功率的参考值，使转子恢复转速；

用于减载控制的有功功率的参考值P_ref2的表达式为：

P_ref2＝P_ref1-ΔP_de

式中，ΔP_de为DFIG有功功率的减载量。

S3：转速恢复步骤：

判断转速是否恢复至初始稳态值，若是，DFIG转速恢复完成，输出MPPT模式下的最优值的有功功率参考值，否则，输出减小后的有功功率。

当转子的转速恢复到初始稳态值时，MPPT模式下的最优值的有功功率参考值为：

P_ref3＝P_MPPT＝k_gω³

式中，P_MPPT为有功功率在MPPT模式下的最优值，k_g为功率跟踪系数。

在减载控制步骤中，对储能装置进行储能频率控制，对转速恢复步骤引起的功率不平衡进行补偿，并在储能逐渐退出调频期间，将出力自动传递给柴油机，由响应较慢的柴油机作为储能退出后的调频支撑，所述的储能装置为蓄电池储能。

所述的储能频率控制的具体内容为：

1)判断储能荷电状态是否大于最小荷电状态，若是，提供额外的有功功率参考值来进行储能频率支持，***频率上升，直到达到稳定状态，否则，不进行储能频率支持；

2)降低储能的功率输出，进行PI控制，恢复***频率，同时，由柴油机逐渐增大储能功率输出，待频率重新恢复至新的稳定状态，终止储能频率支持。

优选地，采用实时时间测量的下垂法来调整储能功率输出，储能功率输出参考值P_Eref的表达式为：

式中，P_Edroop为储能功率参考值，P_Eref1为t到t₂阶段储能功率输出参考值，P_Eref2为t₂到t₃阶段储能功率输出参考值，C为转速恢复稳定时，***机械功率等于电磁功率的功率稳定点，P_C为C点的功率值，ΔP_EPI为PI控制产生的功率参考值，t为***实时测量时间，t2为储能功率输出降低的起始时间，t3为储能功率输出降低的终止时间。

优选地，所述的储能功率参考值P_Edroop的表达式为：

式中，P_Et2为储能在t₂时刻输出的功率。

优选地，减载控制步骤中，阈值设定为4×10^-7。

优选地，惯量响应步骤中，调频死区频率为0.033Hz，最小转速为0.7pu。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)当频率检测装置检测到频率发生变化时，本发明方法基于限转矩控制，通过将最大功率跟踪切换至定功率输出模式，即利用DFIG将有功参考值由MPPT模式下的最优值进行增加到一个固定值，进行有功功率增加，增量可以精确控制，能够减小频率偏差和频率变化率，相比于虚拟惯量控制对频率响应更加快速；

(2)本发明通过充分利用储能快速释放的有功功率加快转速恢复，提高了暂态频率调节能力，储能在一段时间的频率支撑过后，通过缓慢降低储能的功率输出，使***频率恢复稳定，通过提出DFIG与储能之间的协调频率控制，DFIG可以继续将其转子速度恢复到扰动前的值，解决了机组在转速恢复期间发生的二次频率跌落问题。

附图说明

图1为限转矩控制曲线图；

图2为基于转矩限制的惯量响应框图；

图3为储能频率控制环节框图；

图4为本发明实施例中基于限转矩控制的风储联合调频控制方法的流程图；

图5为本发明实施例中的微电网结构图；

图6为本发明实施例中9m/s风速时不同有功功率参考值下的频率曲线；

图7为本发明实施例中11m/s风速时不同有功功率参考值下的频率曲线；

图8为本发明实施例中9m/s风速时DFIG机组无附加控制、DFIG机组附加限转矩控制、DFIG机组和储能联合调频三种控制策略下的***参数对比图，其中，图8(a)为三种控制策略下的微电网频率对比图，图8(b)为三种控制策略下的DFIG有功功率对比图，图8(c)为三种控制策略下的DFIG转子转速对比图，图8(d)为三种控制策略下的储能有功功率对比图，图8(e)为三种控制策略下的储能荷电状态对比图，图8(f)为三种控制策略下的柴油机有功功率对比图；

图9为本发明实施例中11m/s风速时DFIG机组无附加控制、DFIG机组附加限转矩控制、DFIG机组和储能联合调频三种控制策略下的***参数对比图，其中，图9(a)为三种控制策略下的微电网频率对比图，图9(b)为三种控制策略下的DFIG有功功率对比图，图9(c)为三种控制策略下的DFIG转子转速对比图，图9(d)为三种控制策略下的储能有功功率对比图，图9(e)为三种控制策略下的储能荷电状态对比图，图9(f)为三种控制策略下的柴油机有功功率对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本发明涉及一种基于限转矩控制的风储联合调频控制方法，该方法包括惯量响应步骤、减载控制步骤、转速恢复步骤和储能控制步骤。

惯量响应步骤：

由于负荷减小导致的频率升高可通过增大桨距角或者是转子加速进行调节，因此本发明只考虑负荷增大导致的频率下降情况。惯量响应曲线对应于图1中的曲线A-B-C，在某一恒定风速，DFIG机组运行在MPPT模式，***保持稳定对应于图1中的A点。锁相环对输入信号频率进行自动跟踪，判断***频率偏差是否小于死区频率，且转速是否大于最小转速，若是，根据限转矩惯量控制DFIG将有功功率的参考值由MPPT模式下的最优值增加至固定值，否则，不进行惯量支持。

增加后的参考功率为：

其中，ω_min为转子的最小转速，ω为转子的当前转速，ω₀为转子的初始转速，P_Tlim(ω₀)为初始最优转速在最大转矩限制下对应的功率，P_MPPT(ω_min)是在MPPT模式下最小转速所对应的功率。

瞬时功率增量取决于风速的大小，风速越高，DFIG机组捕获的机械功率越大，转子转速也越大，释放的转子动能就越多。在惯量响应开始后，由于机组的电磁转矩大大超过机械转矩，转子转速ω在此期间一直保持减速，能够快速释放存储在旋转体内的一定量的动能，随着转子速度的减慢，有功功率输出随着时间的推移沿着B-C线逐渐下降。同时为了防止由转速过低引起风电机组停机，将机组转速最小值设置为0.7。

减载控制步骤：

该步骤对应于图1中的曲线C-D段。惯量支撑期间，转速持续减小，且由于电磁功率与机械功率之间的差值不断减小，转速变化率也持续减小，直至dω/dt＝0，此时机械功率等于电磁功率，***重新稳定于点C，此时减小功率参考值，使电磁功率小于机械功率，转速加速恢复至初始值。

对持续减小的转子的转速偏差进行检测，当转速偏差|Δω|小于阈值时，减小有功功率的参考值，输出减小后的有功功率的参考值，使转子恢复转速。本发明将阈值设定为4×10^-7，当转速偏差|Δω|小于4×10^-7时，对风机进行减载控制，加速转子转速恢复。用于减载控制的有功功率参考值P_ref2为：

P_ref2＝P_ref1-ΔP_de

式中，ΔP_de是DFIG有功功率的减载量，当风机从惯性响应切换到减载模式时，减载功率越大，机械功率P_mech与P_ref2之间的差值越大，转速恢复至MPPT点E的速度就越快。

转速恢复步骤：

该步骤对应于图1中的曲线D-E-A段。转子转速在功率不平衡作用下恢复至初始稳态值，在转子转速恢复阶段，转子速度沿MPPT曲线的D-E-A平稳地向初始稳态运行点A移动，并重新稳定在A点。

判断转速是否恢复至初始稳态值，若是，DFIG转速恢复完成，输出MPPT模式下的最优值的有功功率参考值，否则，输出减小后的有功功率。转子速度回到MPPT模式最优值的有功功率参考值P_ref3为：

P_ref3＝P_MPPT＝k_gω³

式中，P_MPPT为有功功率在MPPT模式下的最优值，k_g为功率跟踪系数。

限转矩控制环节如图2所示，由锁相环测量***频率，若频率偏差超过死区频率0.033Hz，立即触发惯性响应。DFIG转子转速通过释放转子动能降低至满足|Δω|小于4×10^-7，转子转速立即停止减小，表明DFIG的惯量支持结束。同时，DFIG机组由惯量支撑切换至减载控制，在减载控制期间，***检测到转速满足ω＝ω_E，功率参考值改变为相应的MPPT值，转速沿着MPPT曲线上的E点直至恢复至初始点A。

储能控制步骤：

在减载控制步骤中，由于功率参考值出现瞬间较大的缺额，将有可能导致严重的二次频率下跌。因此，将储能作用于在***出现较大减载功率阶段，用于阻止二次频率下跌并加快转子转速更快的恢复。即对储能装置进行储能频率控制，对转速恢复步骤引起的功率不平衡进行补偿。所述的储能装置为蓄电池储能。具体内容包括：

1)判断储能荷电状态SOC(State of Charge)是否大于最小荷电状态SOC_min，若是，提供额外的有功功率参考值来进行储能频率支持，***频率上升，直到达到稳定状态，否则，不进行储能频率支持；

2)降低储能的功率输出，进行PI控制，恢复***频率，同时，由柴油机逐渐增大储能功率输出，待频率重新恢复至新的稳定状态，终止储能频率支持。

储能频率控制环节如图3所示，储能装置在***稳态时输出功率为零，在负荷突然增加导致频率下降后，DFIG释放转子动能提供惯量支撑，若t₁时刻DFIG开始减载以恢复转子转速，则储能切换至功率输出模式，补偿由于DFIG转子速度恢复引起的功率不平衡，储能功率输出参考值P_Eref为：

P_Eref1＝P_C-P_ref2

式中，P_C是图1中C点的功率值。

不同风速下，转子释放的动能不同，恢复转速所需要的减载功率不同，因此需要的储能的有功功率大小不同。若储能用于调频的功率过大，可能会远大于***实际的功率缺额，导致频率超调，而使频率再次下降。为避免频率超调这种负面影响，当频率开始恢复时，储能功率输出在一段时间后应该在一定程度上逐渐降低，即在储能功率输出降低的起始时间t₂，频率恢复至稳态，则基于实时时间测量的下垂法来调整储能功率输出，相应的储能功率参考值P_Edroop为：

其中，t为***实时测量时间，P_Et2为储能在t2时刻输出的功率，t3为储能功率输出降低的终止时间。

为减轻由储能功率减小造成的影响，采用PI控制回路作为辅助控制，减缓储能功率减小幅度，以确保频率平稳恢复。因此，储能功率输出参考值为：

其中，ΔP_EPI指的是PI控制产生的功率参考值。

在储能逐渐退出调频期间，其会将出力自动传递给柴油机，由响应较慢的柴油机作为储能退出后的调频支撑。在调频过程中，DFIG机组在储能装置辅助下，不需要留有备用容量，使机组能够最大限度释放动能增强***惯量，提高频率稳定性和风能利用率。

为证明本发明方法的有效性，本实施例在DIgSILENT/PowerFactory中搭建了如图5所示的微电网模型，其中柴油机由同步发电机代替，在孤岛运行下作为***的平衡节点，由调速器、自动电压调节器和电力***稳定器组成，参与***一次调频。DFIG风电机组由转子侧换流器和网侧换流器组成，稳态时运行在MPPT模式，在转子侧换流器附加限转矩惯量响应环节，参与频率调节。储能模型由充放电装置和PWM换流器两部分组成，光伏电池由恒定电压源和PWM换流器替代，光伏电池容量较小，不参与频率调节，稳态时同样运行在MPPT模式。***各电源容量配置如表1所示。

表1微电网配置

表1中，P_N为额定功率，U_N为额定电压，E_N为额定电容量，f_N为额定频率。

本实施例的所有仿真事件均设置为负荷在时间30s突增1MW。

本实施例根据经验值设置t到t₂阶段储能功率输出参考值P_Eref1的时间为11s，之后储能减小输出同时由柴油机逐渐增大功率输出，在35s后待频率重新恢复至新的稳定状态，频率支持终止。

本实施例首先分析了9m/s的风速下，DFIG有功功率增加后的值P_ref1和减载量ΔP_de不同时对频率的影响，仿真结果如图6所示。9m/s风速下DFIG的稳态功率为0.235pu，从图6可以看出，频率降低瞬间，DFIG有功响应参考值依次增加至0.3pu、0.35pu、0.4pu时，初始频率最低值逐渐提高，增加较明显，但有功继续增加至0.4pu以上后，在相同有功增量条件下，频率最低值提升不明显，同时二次频率下跌也越严重，甚至有功增加至0.55后，频率在二次下跌过后出现超调。因此在9m/s的风速下，兼顾两次频率下跌特点，选取有功参考值为0.4pu，减载功率为0.1pu能较好改善频率动态偏差。

本实施例还对11m/s的风速下DFIG有功功率增加后的值P_ref1和减载量ΔP_de不同时对频率的影响，如图7所示的不同参考功率下的频率特点，选取有功增量为0.7pu能较好改善频率动态偏差。

为验证储能装置的加入对改善***频率响应的有效性，本实施例的仿真实验分别在9m/s和11m/s两种定风速条件下进行，对比分析DFIG机组无附加控制、DFIG机组附加限转矩控制、DFIG机组和储能联合调频三种控制策略下的仿真效果图，如图8、图9所示。

图8是在9m/s的定风速下的仿真效果，从仿真结果图看出，风机不附加任何控制下，***频率仅由柴油机自动调节，频率在32.095s时降至最低值49.292Hz，频率迅速降低，变化率较大，在43.56s时频率恢复至稳态值49.752Hz。当风机附加限转矩控制后，能主动响应频率波动，机组具有短时过载能力，风机的有功功率值由扰动前的0.235pu增加至0.4pu，有功增量为0.165pu，***惯量增加，能够更大限度的阻尼频率变化，因此暂态频率最低值比无控制下提升了0.162Hz，但由于风机在34.294s后转子转速开始恢复，吸收***中的有功功率，有功参考值的再次降低导致频率出现二次下跌。

当增加储能装置后，即在转速开始恢复时投入储能装置，储能装置输出的有功功率能够弥补风机从***吸收的电磁功率。从图8(b)可以看出相比仅由风机参与的调频模式下，加入储能装置后，减载功率相比只有风电时增大了0.01pu，因此转速恢复至初始值的速度加快，***二次频率下跌得到有效解决，而且频率稳态值有所提升，稳定于49.769Hz。从图8(e)看出电池的荷电状态变化非常小，这是因为负荷扰动较小且一次调频的时间短，储能一般不会出现深度放电的情况。储能装置采用逐渐退出调频的控制策略，其有功功率值缓慢减小，柴油机有功功率参考值缓慢增加，能够使频率稳定恢复。

图9是在11m/s的定风速条件下的仿真效果，风机在不附加任何控制的情况下，仍仅由柴油机进行频率调节，频率最低值跌落至49.353Hz，当风机采用限转矩控制时，相比9m/s的风速下，风机捕获的功率较大，频率变化瞬间能够增加的有功功率增大，增加量为0.221pu，风机功率的增加使频率的最低值提升了0.226Hz，同时减小了频率变化率，由于在扰动瞬间有功功率的增加量增大，风机对应的减载功率也较大，对应的图9(a)中DFIG机组退出频率调节后，二次频率下跌的最低值甚至超过初始频率下降的最低值。在投入储能装置时，所需要的最大储能功率值也增加至最大值为0.7pu，由图9(c)可看出，在增加储能装置作用下，转子转速恢复至初始值的速度加快，储能功率能够在调频退出控制策略作用下缓慢减小功率，逐渐退出频率调节。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于限转矩控制的风储联合调频控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

惯量响应步骤：

锁相环对输入信号频率进行自动跟踪，判断***频率偏差是否小于死区频率，且转速是否大于最小转速，若是，根据限转矩惯量控制DFIG将有功功率的参考值由MPPT模式下的最优值增加至固定值，否则，不进行惯量支持；

减载控制步骤：

在惯量响应步骤使转子的转速逐渐减小的过程中，对转速偏差进行检测，当转速偏差小于阈值时，减小有功功率的参考值，输出减小后的有功功率的参考值，使转子恢复转速；

转速恢复步骤：

判断转速是否恢复至初始稳态值，若是，DFIG转速恢复完成，输出MPPT模式下的最优值的有功功率参考值，否则，输出减小后的有功功率。

2.根据权利要求1所述的一种基于限转矩控制的风储联合调频控制方法，其特征在于，在减载控制步骤中，对储能装置进行储能频率控制，对转速恢复步骤引起的功率不平衡进行补偿，并在储能逐渐退出调频期间，将出力自动传递给柴油机，由柴油机作为储能退出后的调频支撑，所述的储能装置为蓄电池储能。

3.根据权利要求1所述的一种基于限转矩控制的风储联合调频控制方法，其特征在于，增加后的有功功率的参考值P_ref1的表达式为：

式中，ω_min为转子的最小转速，ω为转子的当前转速，ω₀为转子的初始转速，P_Tlim(ω₀)为初始最优转速在最大转矩限制下对应的功率，P_MPPT(ω_min)为在MPPT模式下最小转速所对应的功率。

4.根据权利要求3所述的一种基于限转矩控制的风储联合调频控制方法，其特征在于，用于减载控制的有功功率的参考值P_ref2的表达式为：

P_ref2＝P_ref1-ΔP_de

式中，ΔP_de为DFIG有功功率的减载量。

5.根据权利要求4所述的一种基于限转矩控制的风储联合调频控制方法，其特征在于，当转子的转速恢复到初始稳态值时，MPPT模式下的最优值的有功功率参考值为：

P_ref3＝P_MPPT＝k_gω³

式中，P_MPPT为有功功率在MPPT模式下的最优值，k_g为功率跟踪系数。

6.根据权利要求4所述的一种基于限转矩控制的风储联合调频控制方法，其特征在于，所述的储能频率控制的具体内容为：

1)判断储能荷电状态是否大于最小荷电状态，若是，提供额外的有功功率参考值来进行储能频率支持，***频率上升，直到达到稳定状态，否则，不进行储能频率支持；

2)降低储能的功率输出，进行PI控制，恢复***频率，同时，由柴油机逐渐增大储能功率输出，待频率重新恢复至新的稳定状态，终止储能频率支持。

7.根据权利要求6所述的一种基于限转矩控制的风储联合调频控制方法，其特征在于，采用实时时间测量的下垂法来调整储能功率输出，储能功率输出参考值P_Eref的表达式为：

式中，P_Edroop为储能功率参考值，P_Eref1为t到t₂阶段储能功率输出参考值，P_Eref2为t₂到t₃阶段储能功率输出参考值，C为转速恢复稳定时，***机械功率等于电磁功率的功率稳定点，P_C为C点的功率值，ΔP_EPI为PI控制产生的功率参考值，t为***实时测量时间，t2为储能功率输出降低的起始时间，t3为储能功率输出降低的终止时间。

8.根据权利要求7所述的一种基于限转矩控制的风储联合调频控制方法，其特征在于，所述的储能功率参考值P_Edroop的表达式为：

式中，P_Et2为储能在t₂时刻输出的功率。

9.根据权利要求1所述的一种基于限转矩控制的风储联合调频控制方法，其特征在于，所述的减载控制步骤中，阈值设定为4×10^-7。

10.根据权利要求1所述的一种基于限转矩控制的风储联合调频控制方法，其特征在于，所述的惯量响应步骤中，调频死区频率为0.033Hz，最小转速为0.7pu。