CN109449954B - 一种双馈风电机组基于两阶段功率跟踪优化的频率支撑控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双馈风电机组基于两阶段功率跟踪优化的频率支撑控制方法，本发明从优化风电机组频率支撑动态特性出发，提出了风电机组基于两阶段变比例系数优化功率跟踪的频率支撑控制方法。在此基础上，基于虚拟惯性时间常数和转子运动方程推导了惯性响应阶段的变比例系数控制策略，同时为快速恢复风电机组在惯性支撑后的最大功率跟踪运行方式、避免在恢复过程中对***调频产生二次扰动，采用模糊控制设计了最大功率跟踪运行方式恢复阶段的变比例系数控制策略。本发明具有控制鲁棒性，控制结构简单，易于工程实现，可实现双馈风电机组对电网频率的惯性响应和惯性支撑后的最大功率跟踪运行方式的快速恢复。

Description

一种双馈风电机组基于两阶段功率跟踪优化的频率支撑控制 方法

技术领域

本发明涉及一种风电机组的频率支撑控制方法，尤其是涉及一种风电机组基于转子动能调节提供频率惯性响应和风电机组在提供频率支撑后快速恢复初始最大功率跟踪运行方式的控制方法。

背景技术

风电机组利用电力电子装置并网运行时，其最大功率跟踪(MPPT)运行方式将使其转子动能与电网频率解耦，无法在电网发生频率扰动时，为频率变化提供旋转惯量支撑。因此，随着风电并网比例的增加，研究风电机组的友好型惯性控制对提高风电***的频率响应特性、阻尼特性和动态稳定性都具有重要意义。在此背景下，风电机组参与调频的控制方法受到了研究人员的关注。综合目前风电机组参加频率支撑控制的控制方法，主要存在三种方式：基于风电机组超速减载和变桨减载运行方式的调频控制策略，基于风电场配置储能提供频率支撑的控制策略，基于风电机组转子动能调节的频率惯性响应控制策略。虽然减载运行可使风电机组同时具备惯性和调频的响应能力，并在调频期间使输出功率不低于响应前的初始值，但该方法使风电机组在频率正常时放弃最大功率跟踪运行方式，不能充分利用风电资源。此外，利用储能实现风电场的频率支撑控制需要特定的风-储运行场景支持，因此该控制方法的实际应用将受到限制，并且运行的经济性也值得关注。通过附加频率微分和频率下垂控制实现基于风电机组转子动能调节到频率支撑控制想法，是从挖掘风电机组自身调频能力出发，实现风电机组对***频率扰动支撑作用。虽然不能为***提供调频支撑，但具有较好的运行经济性。

值得指出的是，利用风电机组转子动能实现频率支撑的过程中，由于风机捕获的风功率会随转速偏离最大功率跟踪的最优转速而下降，因此风电机组在恢复转速阶段，需要从电网吸收电磁功率，这不仅会给电网频率的恢复带来不利影响，而且可能导致频率恢复的二次扰动。由此，本发明立足使最大功率跟踪运行风电机组对电网频率扰动提供频率支撑，从优化风机惯性响应和提高电网频率动态特性出发，基于两阶段切换的变比例系数转速控制策略提出了风电机组的频率支撑控制方案。在此基础上，基于虚拟惯性时间常数和转子运行方程提出了风电机组在惯性响应阶段的变比例系数控制策略，同时为快速恢复风电机组在惯性支撑后的最大功率跟踪运行方式，同时避免转速恢复过程中对***调频的二次扰动，采用模糊控制设计了风电机组在最大功率跟踪运行方式恢复阶段的变比例系数控制策略。最后通过仿真论证了所研究频率支撑控制方法的有效性。

发明内容

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种双馈风电机组基于两阶段功率跟踪优化的频率支撑控制方法，其特征在于，采用两阶段变比例系数调速及其切换控制方法，具体为

惯性响应阶段的变比例系数调整步骤：采用式(一)进行双馈风电机组提供频率惯性响应阶段的变比例系数控制，即k＝k_vir,t；

式一中，H_vir表示双馈风电机组模拟同步发电机转子动能惯性响应的时间常数；H_w表示双馈风电机组转子轴系的惯性响应时间；ω_e表示电网同步电气角速度；△f_s,t表示电网频率在时刻t的偏差；

表示风电机组转子在时刻t₀的转速；k_vir,t表示频率惯性响应阶段时刻t的变比例系数取值；

最大功率跟踪恢复阶段的变比例系数调整步骤：当双馈风电机组从频率惯性响应阶段切换至最大功率跟踪运行方式恢复阶段时，采用式二进行双馈风电机组在最大功率跟踪运行方式恢复阶段的变比例系数控制，即 k＝k_MPPT,t；

式二中，t₂表示双馈风电机组从频率惯性响应阶段切换至最大功率跟踪运行方式恢复阶段的时刻；△f_s,t表示电网频率在最大功率跟踪运行方式恢复阶段时刻t的偏差；sign(x)表示符号函数；k_f表示变比例系数在最大功率跟踪运行方式恢复阶段的模糊控制输出；

从频率惯性响应阶段切换至最大功率跟踪运行方式恢复阶段时刻的变比例系数；k_MPPT,t表示最大功率跟踪运行方式恢复阶段时刻t的变比例系数；

控制方法具体包括以下步骤：

步骤1、对电网频率扰动进行检测，进行双馈风电机组并网电力***的频率扰动检测；

步骤2、当电网发生频率扰动，基于两阶段功率跟踪优化的频率支撑控制将通过采样当前时刻的风电机组输出功率P_s0建立式三，用于频率惯性响应控制阶段和恢复最大功率跟踪运行方式控制阶段的两阶段切换判据，并通过设置控制启动标志等于1，即cy＝1，启动风电机组的一个两阶段频率支撑控制周期；

P_s,t-P_s0≤ε₃ 式三

式三中，P_s,t表示时刻t的风电机组输出功率；P_s0表示两阶段频率支撑控制启动初始时刻的风电机组输出功率；ε₃为用于切换两阶段控制的功率偏差比较阈值；考虑实际运行风电机组的输出功率会存在小幅范围波动，为避免该波动在频率惯性响应控制启动时对P_s0采样的影响，同时为提高风电机组在提供惯性支撑响应后的切换及时性，采用标幺值进行控制计算时，可设置P_s,t-P_s0≤ε₃＝0.01的比较滞环带；

步骤3、在开始的两阶段频率支撑控制周期内，利用式一所示的k_vir,t变比例系数控制策略实现风电机组对频率的惯性响应，并依据式三检测两阶段控制的切换条件是否满足；当切换条件不满足，即保持切换控制标志等于零，即qh＝0；直到通过调整k_vir,t等于1，使风电机组在提供惯性响应后恢复至初始最大功率跟踪运行方式；当切换条件满足，通过令qh＝1，使比例系数控制由式一所示k_vir,t切换为式二所示的k_MPPT,t，然后通过调整k_MPPT,t等于1，使风电机组逐步恢复至初始最大功率跟踪运行方式；当k_vir,t＝1或 k_MPPT,t＝1，并且步骤1中频率扰动检测的判断条件都不满足，结束当前两阶段频率支撑控制周期；并在初始化cy＝qh＝1、k＝1后，转入下一次两阶段频率支撑控制周期。

在上述的一种双馈风电机组基于两阶段功率跟踪优化的频率支撑控制方法，所述步骤1中，依据式四或式五所示不等式对电网频率扰动进行检测；

|f_s,t-f_e|≥ε₂ 式五

式三和式四种，f_s,t表示时刻t的电网频率；f_e表示电网额定频率；ε₁和ε₂为用于启动频率惯性响应阶段控制的电网频率偏差和频率偏差变化率的比较阈值。

在上述的一种双馈风电机组基于两阶段功率跟踪优化的频率支撑控制方法，所述最大功率跟踪运行方式恢复阶段变比例系数的模糊控制基于以下控制器：包括两个控制输入，即控制输入1，

控制输入2，

一个控制输出,即k_f；其中，|Δf_s|为电网频率偏差的绝对值；

为频率偏差绝对值的修正权重，用于在风电渗透率低时，增大模糊控制输入1的值，使风电机组充分利用其它同步发电机的爬坡能力加快恢复最大功率跟踪运行方式，在风电渗透率高时，减小模糊控制输入1的值，减小风电机组为恢复恢复最大功率跟踪运行方式给其它同步发电机调频带来额外的有功需求负担，以避免电网频率恢复过程的二次扰动。

在上述的一种双馈风电机组基于两阶段功率跟踪优化的频率支撑控制方法，两个模糊控制,输入的限幅值范围均为[0 1]，其对应的论域范围也均设为[0 1]；控制输出k_f的论域范围设为[-0.125 0.875]；其中，模糊控制输入α|Δf_s|的论域设计为{0,0.125,0.25,0.375,0.5,0.625,0.75, 0.875,1},对应的模糊子集为{NL,NM,NS,NZ,Z,PZ,PS,PM,PL}；模糊控制输入

的论域为{0,0.2,0.4,0.6,0.8,1},模糊子集为{NB, NM,NS,PS,PM,PL}；输出k_f的论域为{-0.125,0,0.125,0.25,0.375, 0.5,0.625,075,0.875},对应模糊子集为{NL,NM,NS,NZ,Z,PZ,PS, PM,PL}。

在上述的一种双馈风电机组基于两阶段功率跟踪优化的频率支撑控制方法，考虑最大功率跟踪运行方式恢复阶段仅发生在电网频率恢复的上升阶段，同时从提高风电机组频率支撑响应的动态特性出发，利用两个模糊控制输入和1个模糊控制输出的模糊子集，建立模糊控制规则：高风电渗透率且电网频率恢复慢，或低风电渗透率且电网频率恢复慢，通过减小k_f，以慢速恢复k_MPPT,t；高风电渗透率且频率恢复快时，通过适度增加k_f，以适度加快恢复k_MPPT,t；低风电渗透率且频率恢复快时，通过增加k_f，以加快恢复k_MPPT,t。

因此，本发明具有如下优点：所发明的基于变比例系数调速实现风电机组频率支撑的方法具有控制鲁棒性，控制结构简单，易于工程实现。该方法可实现双馈风电机组对电网频率的惯性响应和惯性支撑后的最大功率跟踪运行方式的快速恢复。最大功率跟踪恢复阶段变比例系数的模糊控制，能够有效避免风电机组在恢复阶段对电网频率造成的二次扰动，并使各风电机组在惯性支撑后，能够协同利用电网同步发电机的调频资源快速恢复各自的最大功率跟踪运行方式。风电机组在利用转速调节释放转子动能提供惯性支撑时，输出功率会因转速下降导致的捕获风功率减小而使输出功率降低到小于频率扰动初始时刻的输出功率，所发明两阶段切换控制能减小惯性响应过程中该功率下降对***调频动态造成的不利影响，提高了风电并网***的频率响应特性和同步发电机的调频动态特性。

附图说明

图1为风电机组基于最大功率跟踪的转速控制原理图。

图2为风电机组基于变比例系数调速的优化功率跟踪控制方案。

图3为风电机组基于两阶段变比例系数的优化功率跟踪控制原理图。

图4为变比例系数面向恢复最大功率跟踪运行的模糊控制策略。

图5a为模糊控制基于改进频率偏差绝对值的输入模糊隶属度函数。

图5b为模糊控制基于频率偏差绝对值变化率的输入模糊隶属度函数。

图5c为模糊控制输出的模糊隶属度函数。

图6为模糊控制输出的逻辑推理值。

图7为改进的IEEE-9节点风电***拓扑结构图。

图8为不同风电惯性控制下***频率对△L₃＝0.4p.u.的响应

图9为不同风电惯性控制下风电输出功率对△L₃＝0.4p.u.的响应

图10a为输入风速11m/s等值风电机组在不同惯性控制下的转速响应。

图10b为输入风速10m/s等值风电机组在不同惯性控制下的转速响应。

图10c为输入风速9m/s等值风电机组在不同惯性控制下的转速响应。。

图11为不同惯性控制和风速下风电机组的调速系数变化过程的对比。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：下面依次来介绍本发明涉及的理论基础和方法。

1、对电网频率扰动进行检测，进行双馈风电机组并网电力***的频率扰动检测。

依据下述所示不等式对电网频率扰动进行检测。

|f_s,t-f_e|≥ε₂

f_s,t表示时刻t的电网频率；f_e表示电网额定频率；ε₁和ε₂为用于启动频率惯性响应阶段控制的电网频率增量和频率变化速率的比较阈值。采用标幺值进行控制计算时，阈值ε₁＝ε₂＝0.01分别表示当电网频率的变化速率大于 0.5Hz/s或电网频率变化量大于0.5Hz时(默认电网额定频率为50Hz)，风电机组将启动频率惯性响应控制。考虑我国对容量在3000MW及以上的***，频率允许偏差为±0.2Hz，在3000MW以下***，频率允许偏差为±0.5Hz，为了避免频率波动误触发惯性控制，因此通常可设置ε₂＝0.01。此外，考虑***调频控制的时间尺度为秒级。

2、基于转速调节实现风电机组频率支撑的可行性分析

双馈风电机组利用双馈感应发电机(DFIG)转子侧背靠背电压源型变流器，将捕获的风能输入电网。为了充分利用风能资源，其通常采用最大功率跟踪(MPPT)运行方式。其MPPT运行的调速控制器模型如附图1所示。

附图1中，ρ为空气密度；P_wm和T_m分别为风机输出的机械功率和机械转矩；P_s和T_e分别是发电机的输出有功和电磁转矩；D和H_w分别为风机轴系阻尼系数和惯性时间常数；C_p(λ,β)是风能利用系数，由风机转速ω_r、风速v、叶片桨距角β和叶轮半径R等参数确定；ω_min和ω_max为风电机组并网运行的最低转速和最大转速；ω_ref、T_ref和P_ref分别表示风电机组的转速、电磁转矩和定子功率的指令参考值；其中，ω_ref＝aP_s ²+bP_s+c，参数a、b和c 通常可利用不同风速下的最大P_s及其对应ω_r经拟合确定。

由MPPT的转速控制原理可知，MPPT就是在桨距角不变的情况下，利用P_s对P_ref的跟踪，使ω_r趋于让C_p(λ,β)达到最大所对应的转速。由于风机转速ω_r与电网同步电气角速度ω_e被风机并网变流器解耦，因此在忽略同步发电机转子阻尼作用的情况下，***负荷扰动引起的频率变化可表示为：

式中，△ω_e为ω_e的变化量；△f_s为电网频率的变化量；△p表示负荷扰动有功分量；n₁、n₂分别表示***中同步发电机和风电机组的并网数量；H_G,i表示同步发电机i的惯性时间常数；△p_s,j表示风电机组j参与调频的有功输出。当忽略风机轴系的阻尼作用，在△t时段对附图1所示的风电机组转矩方程积分，可得：

式中，t₀和t₁分别为转速控制的起始和结束时刻；△ω_r表示风电机组的转速调节量。

结合式(1)和式(2)可知：当△p>0时，将风机转速由初始时刻的MPPT 转速(ω_r,t0＝ω_ref)减小△ω_r，如果

则风电机组将会增加P_s，从而可协同同步发电机阻尼电网频率下降；当△p<0，由于通过增大风机转速使

风电机组将减小P_s，从而可协同同步发电机阻尼***频率上升。为简化下文叙述，没有特别指出，后文叙述都基于负荷增加的频率扰动开展讨论。

基于上述分析，可提出附图2所示的风电机组基于变比例系数k的转速控制方案。利用该方案可在高比例风电并网***发生频率扰动时，通过调节风电机组的转速指令值，实现利用风机转子动能对频率变化的阻尼作用。

3、两阶段变比例系数控制策略

3.1变比例系数的两阶段切换控制

由于风能利用系数C_p(λ,β)会随风机转速偏离MPPT最优转速而减小，因此，当***发生负荷扰动，采用k＝1+k_p△f_s(k_p为常数)设计附图2变比例系数，风电机组的输出功率和转子动能会对电网频率变化的响应将表现出 3个阶段的特点。第1阶段为惯性响应期间的输出功率增加、转子动能下降阶段。在此阶段，风电机组将随电网频率下降释放转子动能，虽然转速下降导致风电机组捕获的风能降低，但当释放的转子动能大于下降的捕获风能时，风电机组的输出功率将增加，从而为电网频率变化提供惯性支撑。第2阶段为惯性响应期间的输出功率下降、转子动能下降的阶段。在此阶段，由于风电机组捕获的风能随着电网频率的持续下降而减小，因此当输入风能的下降幅度大于转子释放的动能时，风电机组输出功率将减小。第 3阶段是恢复MPPT运行的输出功率和转子动能增加阶段。在此阶段，风电机组将随电网频率恢复逐渐增加转子的转速和捕获的风能，当电网频率恢复，风电机组也将恢复扰动前的MPPT运行方式。基于3个阶段的响应特性分析可知，由于电网频率在第2阶段还未开始恢复，风电功率的减小将迫使***内同步发电机进一步增加有功输出，从而给电网调频带来不利影响。因此，从快速恢复风电机组在惯性响应后的MPPT运行出发，本发明设计了附图3所示的变比例系数k的两阶段切换控制策略。附图3中， P_s,t表示t时刻风电功率；P_s0表示惯性响应初始时刻的风电机组输出功率；ε₁和ε₂为用于启动惯性控制的频率偏差和频率微分的比较阈值；ε₃为用于切换两阶段的功率偏差比较阈值；cy表示启动/停止惯性控制的标志，cy＝1 表示启动，cy＝0表示停止；qh表示启动/停止惯性控制到MPPT转速恢复控制的切换标志，qh＝1表示启动，qh＝0表示停止；k_vir,t和k_MPPT,t分别为惯性响应和恢复MPPT运行阶段的变比例系数。

由附图3可知，当频率扰动出现时，切换控制利用采样建立两阶段切换判据P_s,t-P_s0≤ε₃的参数P_s0，并通过设置cy＝1启动风电机组的一个惯性控制周期。在此周期内，先利用k_vir,t实现对频率的惯性支撑。当切换条件不满足，即qh＝0，通过调整k_vir,t到1，使风电机组在提供惯性支撑后恢复MPPT 运行；当切换条件满足，通过令qh＝1，使比例系数由k_vir,t切换为k_MPPT,t，然后通过调整k_MPPT,t到1使风电机组恢复MPPT运行。在k_vir,t＝1或k_MPPT,t＝1，且频率偏差和微分两个判断条件都不满足后，结束当前控制周期，并通过初始化cy、qh和k转入下一次惯性响应控制周期。

3.2惯性响应阶段的变比例系数调整策略

假设风电机组模拟同步发电机惯性响应的惯性时间常数为H_vir，依据式(2)可得风电机组转子动能对***频率变化的响应为：

考虑△ω_r和△ω_e分别远远小于

和2ω_e，因此，由式(3)可得^[14-15]：

同时，将叶尖速比

带入P_wm，经整理可得：

由附图2所示调速策略和式(5)可得：

式中，t₁属于惯性响应阶段，t₁>t₀。忽略P_wm因转速下降导致的变化，即

将

代入式(6)，得：

代入

则可得k_vir,t的调整策略：

3.3MPPT恢复阶段的变比例系数调整策略

当切换条件满足，分析附图1可知，当变比例系数k_MPPT在切换控制时设置不合理，导致k_MPPTω_ref-ω_r的控制偏差△ω_r过大，将不仅导致△P_s减小过大，并且当同步发电机因爬坡约束无法使式(9)的等式约束成立，将被迫释放其转子动能以满足该等式约束，从而产生***频率的二次扰动。

式中，t₂为MPPT恢复阶段的切换时刻；△P_G为同步发电机参与调频的有功增量。

由式(9)可知，通过充分利用同步发电机的爬坡能力调整k_MPPT，能够在避免频率二次扰动的同时，快速恢复风电机组的MPPT运行。考虑式(9) 等号两边难以根据***状态进行准确量化估计，因此无法利用等式约束确定风电输出功率的变化量，进而确定转速恢复的调节量。因为模糊控制不依赖被控对象准确数学模型，适用于动态特性不易掌握的非线性时变***，所以本文采用模糊控制，选择能反映式(9)等式约束是否满足的频率偏差及其变化率作为模糊控制输入，设计了附图4所示的k_MPPT,t的模糊控制策略。

附图4中，|Δf_s|为***频率偏差绝对值；限幅器1和2的限幅范围为[0 1]；

频率偏差绝对值的修正权重，在风电渗透率较低时，利用它增大模糊控制输入，使风电机组充分利用同步发电机的爬坡能力加快恢复MPPT运行方式，风电渗透率较高时，通过α减小模糊控制输入，减小风电机组为恢复MPPT运行给同步发电机调频带来的额外负担，以避免频率的二次扰动；k_f为模糊控制器输出；

为MPPT恢复阶段切换时刻的变比例系数和频率偏差，△f_s,t为切换后时刻t的电网频率偏差。sign(x) 表示符号函数。

模糊控制器两个输入的论域范围均为[0 1]，控制输出k_f的论域范围为[-0.1250.875]。其中，频率偏差输入的论域设计为{0,0.125,0.25,0.375,0.5, 0.625,0.75,0.875,1},对应的模糊子集为{NL,NM,NS,NZ,Z,PZ,PS,PM, PL}；频率偏差微分的论域为{0,0.2,0.4,0.6,0.8,1},模糊子集为{NB,NM, NS,PS,PM,PL}；输出k_f的论域为{-0.125,0,0.125,0.25,0.375,0.5,0.625, 075,0.875},对应模糊子集为{NL,NM,NS,NZ,Z,PZ,PS,PM,PL}。考虑 MPPT恢复阶段仅发生在***频率恢复上升阶段，同时从提高风电惯性响应动态出发，利用2个输入和1个输出的模糊子集，建立表1所示的模糊控制规则。该规则体现了下述控制特点，高风电渗透率且频率恢复较慢，或低风电渗透率且频率恢复较慢，通过减小k_f，以慢速恢复k_MPPT,t；高风电

表1 k_f的模糊逻辑推理表

渗透率且频率恢复较快时，通过适度增加k_f，以适度加快恢复k_MPPT,t；低风电渗透率且频率恢复较快时，通过增加k_f，以加快恢复k_MPPT,t。

基于表1所示控制逻辑，利用附图5所示三角隶属度函数描述控制输入输出的模糊语言变量，基于Mamdani推理算法，同时令andMethod＝ impMethod＝min，orMethod＝aggMethod＝max，使用Matlab/Fuzzy控制工具箱进行模糊控制程序设计，同时采用重心法对控制输出进行去模糊化。所得模糊控制输出的精确解如附图6所示。

4、基于IEEE-9节点风电***的仿真验证

采用Matlab/Simulink建立附图7所示的改进的IEEE-9节点风电并网仿真模型。***共设置65台双馈风电机组经节点3并网，节点5、6和8 分别接入0.5+j0.15p.u.、0.3+j0.1p.u.和0.4+j0.2p.u.的负荷L1、L2和L3(基准容量为100MVA)，线路和发电机相关参数请参见附录1。为简化仿真，设***中每台风电机组的并网运行参数相同，只是风电机组#1-#20的输入风速为11m/s，#21-#45的风速为10m/s，#46-#65的风速为9m/s。为了降低仿真模型的风电模型规模，提高仿真速度，对节点3相同风速的风电机组采用单机表征法进行等值风电机组建模。

基于所建立的仿真模型，利用节点8在3s时刻的△L3＝0.4p.u.的有功负荷扰动，对比研究了风电机组不采用惯性控制、采用基于k_vir,t的功率跟踪优化控制、采用k_MPPT＝1直接恢复的两阶段变比例系数调速、采用所提两阶段变比例系数调速的***动态响应。仿真中，令式(3)的各风电机组H_vir等于 H_w。为避免频率波动误启动惯性控制，设置附图3中ε₁＝ε₂＝0.01，表示当频率变化率大于0.01f_e/s或变化量大于0.01f_e时(f_e为电网额定频率)，风电机组将启动惯性控制。同时为避免风电机组输出功率波动对切换控制及时性的影响，设置ε₃＝0.01，表示当|P_s,t-P_s0|小于1％P_sn时(P_sn为风电机组的额定输出功率)，进行两阶段控制切换。

由附图8和附图9的风电机组无惯性控制仿真结果可知，风电功率对***频率变化无响应。而采用3种惯性控制后，由附图11所示的各惯性控制下的调速系数(各组调速系数从大到小依次对应11m/s、10m/s、9m/s风速) 可知，风机转速在频率扰动初期随着调速系数k_vir,t减小而下降，并通过逐步减小附图10所示的转速，以释放转子动能增加有功输出，进而为***频率提供转动惯量支撑。附图9的仿真结果表明，风电机组利用转子动能提供惯性支撑后，风电功率会随转速下降而低于初始值，这将给电网频率恢复带来额外的调频有功需求。同时，对比附图11直接恢复调速和两段变比例调速的调速系数可见，由于切换条件满足后(6s左右)，前者控制的调速系数 k_MPPT,t直接被设置为1，远远大于后者控制的

因此利用直接恢复调速在切换时刻确定的转速控制参考值ω_ref-ω_r也将大于后者。根据附图1 所示的风机调速控制原理可知，风电机组为使ω_r趋近ω_ref，将如附图9所示迅速降低输出功率，试图通过减小ω_ref和恢复转子动能，以消除ω_ref-ω_r的偏差。当减小的风电功率使式(9)的等式约束不成立时，直接恢复调速将导致附图8所示的频率二次跌落。对比两段变比例调速可知，由于该调速策略同时考虑频率变化的大小和速度，因此可在兼顾式(9)等式约束的同时，通过尽力减小风电功率以促进转速恢复，并避免切换控制对频率的二次扰动。虽然附图11中基于功率跟踪优化确定的调速系数在切换后比两段变比例调速确定的系数更小，能更有效避免切换控制对频率的扰动，但由于模糊控制能在兼顾式(9)等式约束条件下，充分挖掘G1、G2的调频能力，使风电机组在MPPT恢复初期通过尽量减小输出功率而快速恢复转速。对比附图10所示的风机转速仿真结果可知，由于采用所提调速策略能使风机转速和风能利用系数在切换初期上升的更快，风能捕获的增加将有助于风机快速恢复转速和输出功率，也使挖掘出的G1、G2调频有功能更快帮助恢复***频率。

附图5a至图5c给出了所提惯性控制的模糊控制器输出。如图所示，由于风电机组因风速不同而存在切换先后，因此各模糊控制器将根据切换时刻的电网频率调节k_f输出，并且因为模糊控制的输入仅与***频率相关，因此各控制器的k_f输出在切换后趋于一致。由仿真结果可见，为了缓解切换控制对频率的影响，所设计模糊推理规则将使模糊控制器减小k_f输出，并通过k_f的正负值调整避免频率的二次扰动。此外，结合附图8和附图11 的仿真结果可见，因为风机转速在切换后增加，频率在同步发电机的调频作用下加快恢复，模糊控制器也通过增加k_f以利用同步发电机调频能力快速恢复风电机组的MPPT运行。随着风电机组恢复MPPT运行，***频率接近额定值，模糊控制器也将减小k_f，直至频率恢复。

附图10a至图10c对比了不同惯性控制下，G1和G2输出功率和功角在的动态响应。结果表明，风电机组的惯性控制虽然能有效减小发电机功率在频率扰动初期的调节幅度，但惯性支撑过程中的风电功率下降也增加了G1和G2调频有功输出。由于变比例调速较功率跟踪优化能更迅速恢复风电机组的MPPT运行，因此随着风机的风能利用系数上升，G1和G2输出的额外调频有功在逐步减小过程中，也有助于加快发电机功率和功角趋稳的动态过程。

本申请中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种双馈风电机组基于两阶段功率跟踪优化的频率支撑控制方法，其特征在于，采用两阶段变比例系数调速及其切换控制方法，具体为

惯性响应阶段的变比例系数调整步骤：采用式(一)进行双馈风电机组提供频率惯性响应阶段的变比例系数控制，即k＝k_vir,t；

式一中，H_vir表示双馈风电机组模拟同步发电机转子动能惯性响应的时间常数；H_w表示双馈风电机组转子轴系的惯性响应时间；ω_e表示电网同步电气角速度；△f_s,t表示电网频率在最大功率跟踪运行方式恢复阶段时刻t的偏差；

表示风电机组转子在时刻t₀的转速；k_vir,t表示频率惯性响应阶段时刻t的变比例系数取值；

最大功率跟踪恢复阶段的变比例系数调整步骤：当双馈风电机组从频率惯性响应阶段切换至最大功率跟踪运行方式恢复阶段时，采用式二进行双馈风电机组在最大功率跟踪运行方式恢复阶段的变比例系数控制，即k＝k_MPPT,t；

式二中，t₂表示双馈风电机组从频率惯性响应阶段切换至最大功率跟踪运行方式恢复阶段的时刻；sign(x)表示符号函数；k_f表示变比例系数在最大功率跟踪运行方式恢复阶段的模糊控制输出；

从频率惯性响应阶段切换至最大功率跟踪运行方式恢复阶段时刻的变比例系数；k_MPPT,t表示最大功率跟踪运行方式恢复阶段时刻t的变比例系数；

频率支撑控制方法具体包括以下步骤：

步骤1、对电网频率扰动进行检测，进行双馈风电机组并网电力***的频率扰动检测；

步骤2、当电网发生频率扰动，基于两阶段功率跟踪优化的频率支撑控制将通过采样当前时刻的风电机组输出功率P_s0建立式三，用于频率惯性响应控制阶段和恢复最大功率跟踪运行方式控制阶段的两阶段切换判据，并通过设置控制启动标志等于1，即cy＝1，启动风电机组的一个两阶段频率支撑控制周期；

P_s,t-P_s0≤ε₃ 式三

式三中，P_s,t表示时刻t的风电机组输出功率；P_s0表示两阶段频率支撑控制启动初始时刻的风电机组输出功率；ε₃为用于切换两阶段控制的功率偏差比较阈值；考虑实际运行风电机组的输出功率会存在小幅范围波动，为避免该波动在频率惯性响应控制启动时对P_s0采样的影响，同时为提高风电机组在提供惯性支撑响应后的切换及时性，采用标幺值进行控制计算时，可设置P_s,t-P_s0≤ε₃＝0.01的比较滞环带；

步骤3、在开始的两阶段频率支撑控制周期内，利用式一所示的k_vir,t变比例系数控制策略实现风电机组对频率的惯性响应，并依据式三检测两阶段控制的切换条件是否满足；当切换条件不满足，即保持切换控制标志等于零，即qh＝0；直到通过调整k_vir,t等于1，使风电机组在提供惯性响应后恢复至初始最大功率跟踪运行方式；当切换条件满足，通过令qh＝1，使比例系数控制由式一所示k_vir,t切换为式二所示的k_MPPT,t，然后通过调整k_MPPT,t等于1，使风电机组逐步恢复至初始最大功率跟踪运行方式；当k_vir,t＝1或k_MPPT,t＝1，并且步骤1中频率扰动检测的判断条件都不满足，结束当前两阶段频率支撑控制周期；并在初始化cy＝qh＝1、k＝1后，转入下一次两阶段频率支撑控制周期。

2.根据权利要求1所述的一种双馈风电机组基于两阶段功率跟踪优化的频率支撑控制方法，其特征在于，所述步骤1中，依据式四或式五所示不等式对电网频率扰动进行检测；

|f_s,t-f_e|≥ε₂ 式五

式三和式四种，f_s,t表示时刻t的电网频率；f_e表示电网额定频率；ε₁和ε₂为用于启动频率惯性响应阶段控制的电网频率偏差和频率偏差变化率的比较阈值。

3.根据权利要求1所述的一种双馈风电机组基于两阶段功率跟踪优化的频率支撑控制方法，其特征在于，所述最大功率跟踪运行方式恢复阶段变比例系数的模糊控制基于以下控制器：包括两个控制输入，即控制输入1，

控制输入2，

一个控制输出,即k_f；其中，|Δf_s|为电网频率偏差的绝对值；

为频率偏差绝对值的修正权重，用于在风电渗透率低时，增大模糊控制输入1的值，使风电机组充分利用其它同步发电机的爬坡能力加快恢复最大功率跟踪运行方式，在风电渗透率高时，减小模糊控制输入1的值，减小风电机组为恢复最大功率跟踪运行方式给其它同步发电机调频带来额外的有功需求负担，以避免电网频率恢复过程的二次扰动。

4.根据权利要求3所述的一种双馈风电机组基于两阶段功率跟踪优化的频率支撑控制方法，其特征在于，两个模糊控制,输入的限幅值范围均为[0 1]，其对应的论域范围也均设为[0 1]；控制输出k_f的论域范围设为[-0.125 0.875]；其中，模糊控制输入α|Δf_s|的论域设计为{0,0.125,0.25,0.375,0.5,0.625,0.75,0.875,1},对应的模糊子集为{NL,NM,NS,NZ,Z,PZ,PS,PM,PL}；模糊控制输入

的论域为{0,0.2,0.4,0.6,0.8,1},模糊子集为{NB,NM,NS,PS,PM,PL}；输出k_f的论域为{-0.125,0,0.125,0.25,0.375,0.5,0.625,075,0.875},对应模糊子集为{NL,NM,NS,NZ,Z,PZ,PS,PM,PL}。

5.根据权利要求3所述的一种双馈风电机组基于两阶段功率跟踪优化的频率支撑控制方法，其特征在于，考虑最大功率跟踪运行方式恢复阶段仅发生在电网频率恢复的上升阶段，同时从提高风电机组频率支撑响应的动态特性出发，利用两个模糊控制输入和1个模糊控制输出的模糊子集，建立模糊控制规则：高风电渗透率且电网频率恢复慢，或低风电渗透率且电网频率恢复慢，通过减小k_f，以慢速恢复k_MPPT,t；高风电渗透率且频率恢复快时，通过适度增加k_f，以适度加快恢复k_MPPT,t；低风电渗透率且频率恢复快时，通过增加k_f，以加快恢复k_MPPT,t。

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