CN110350602A - 参与电网调频的风机控制*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种参与电网调频的风机控制***，包括：虚拟惯量控制单元，输入为电网频率和频率参考值，输出为有功功率指令增量；转矩控制单元，输入为风机输出功率和风机当前转速，输出为风机转矩参考值；有功功率控制单元，输入为所述有功功率指令增量、所述风机转矩参考值、所述风机当前转速和风机初始转速，输出为有功功率参考值；桨距角控制单元，输入为风轮转速偏差和/或风机有功功率偏差，输出为风机桨距角。本发明提供的参与电网调频的风机控制***，在保证风机稳定运行和不恶化电网频率的前提下，调节风机转速和桨距角，充分利用了风机旋转的动能，进而在虚拟惯量控制整个过程避免风机减出力运行，提高风机对电网频率支撑作用。

Description

参与电网调频的风机控制***

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，尤其是一种参与电网调频的风机控制***。

背景技术

随着风电在电力***中的渗透率越来越高，特别是大规模风电场直接接入高压输电网后，风电已经对电力***的调度运行和安全稳定等诸多方面带来了不可忽视的影响。这其中的关键问题之一是大规模风电接入后对电力***频率的影响以及如何进行含大规模风电电力***的频率控制从而维持电力***所要求的频率水平。

风电虚拟惯量控制是指在风机控制***中加入***频率响应环节，当***频率变化时，通过释放一定的旋转动能给电网或将一定的电能转化为旋转动能，从而在短时间内增加或减小风机的有功出力，模拟传统同步发电机组的惯性响应以及一次调频响应，参与电力***频率控制，参与电力***频率控制。

虚拟惯量控制下，若***发生频率跌落，风机为了增加出力会释放动能。虚拟惯量控制结束后，风机转速将低于最优转速。为了恢复到最优转速，风机的电磁功率在增发功率后需减小，且风机的电磁功率需减小到比当前机械功率更小的运行状态，使得风机转速上升。由于当前的转速脱离最优转速，风机的机械功率低于初始机械功率，也即，在转速恢复阶段，风机的输出有功功率需小于初始输出的有功功率。

总的来说，常规虚拟惯量控制在功率增发阶段提供了频率支撑，但在转速恢复阶段，则需要减出力运行，风机输出有功功率小于初始输出有功功率，在风电比例较高的情况下会恶化电网频率的恢复，甚至可能导致***频率的二次跌落，给电网运行带来了一定的风险。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种参与电网调频的风机控制***，避免风机减出力运行，使风机虚拟惯量控制整个过程不存在恶化电网频率现象，消除运行风险，同时又可提高对电网频率支撑能力。

本发明提供了一种参与电网调频的风机控制***，包括：

虚拟惯量控制单元，输入为电网频率f_grid和频率参考值f_ref，输出为有功功率指令增量ΔP；

转矩控制单元，输入为风机输出功率P_e和风机当前转速ω_gen，输出为风机转矩参考值T_ref；

有功功率控制单元，输入为所述有功功率指令增量ΔP、所述风机转矩参考值T_ref、所述风机当前转速ω_gen和风机初始转速ω_gen0，输出为有功功率参考值P_ref；

桨距角控制单元，输入为风轮转速偏差和/或风机有功功率偏差，输出为风机桨距角；

所述虚拟惯量控制单元、所述转矩控制单元和所述有功功率控制单元用于增发有功功率，所述桨距角控制单元，用于增发有功功率后恢复风机转速。

其中，所述虚拟惯量控制单元包括：

第一运算模块，用于计算所述电网频率f_grid和所述频率参考值f_ref的差值，得到电网频率偏差f_err；

死区模块，用于将所述电网频率偏差f_err与一特定值f_db比较，若所述电网频率偏差f_err小于所述特定值f_db，所述电网频率偏差f_err为0；若所述电网频率偏差f_err大于所述特定值f_db，所述电网频率偏差f_err数值不变；

滤波模块，用于将经过所述死区模块后的电网频率偏差f_err平滑处理；

增益模块，依据增益系数K_D对经过所述滤波模块后的所述电网频率偏差f_err增益处理；

隔直模块，用于对经过所述增益模块后的所述电网频率偏差f_err隔直处理；

限幅模块，用于对经过所述隔直模块后的所述电网频率偏差f_err限幅处理，并输出所述有功功率指令增量ΔP。

进一步地，所述增益模块中，所述增益系数K_D由所述电网频率f_grid依次经过量测环节、微分环节、查表环节得到。

进一步地，所述查表环节中，所述电网频率f_grid的变化率小于X1时，所述增益系数K_D＝Y1；所述电网频率f_grid的变化率大于等于0时，所述增益系数K_D＝Y0，其中，所述X1、Y1和Y0均为可修改参数。

进一步地，所述转矩控制单元包括：

转速参数值计算模块，用于依据所述风机输出功率P_e计算得到风机转速参考值ω_ref；

第二运算模块，用于计算所述风机当前转速ω_gen和所述风机转速参考值ω_ref的差值，得到第一转速偏差ω′_{err_trq}；

转速偏差信号处理模块，用于对所述第一转速偏差ω′_{err_trq}处理，得到第二转速偏差ω_{err_trq}；

PI控制模块，用于对所述第二转速偏差ω_{err_trq}处理，得到所述风机转矩参考值T_ref。

进一步地，所述转速参数值计算模块中的计算方法为：

其中，计算方法中K1、K2、K3、K4和K5均为可修改参数。

进一步地，所述第二运算模块中，所述风机转速参考值ω_ref经过一个长时间惯性环节与所述风机当前转速ω_gen做差，得到所述第一转速偏差ω＇_{err_trq}。

进一步地，所述长时间惯性环节中，惯性环节时间常数典型值为60s。

进一步地，所述转速偏差信号处理模块，对所述第一转速偏差ω＇_{err_trq}处理方法如下：

当所述电网频率偏差f_err小于所述特定值f_db时，所述第二转速偏差ω_{err_trq}等于所述第一转速偏差ω′_{err_trq}；

当所述电网频率偏差f_err大于等于所述特定值f_db时，所述第一转速偏差ω′_{err_trq}需经过死区环节得到所述第二转速偏差ω_{err_trq}，死区系数为ω_db，即：

进一步地，所述有功功率控制单元包括：

风机有功功率参考值信号处理模块，依据所述风机转矩参考值T_ref、所述风机当前转速ω_gen和风机初始转速ω_gen0，得到当前有功功率P_{fre_trq}；

第三计算模块，对所述当前有功功率P_{fre_trq}和所述有功功率指令增量ΔP求和，得到所述有功功率参考值P_ref。

进一步地，所述风机有功功率参考值信号处理模块中，当所述电网频率偏差f_err大于所述特定值f_db时，且所述第二转速偏差ω_{err_trq}小于等于0时，P_{fre_trq}＝T_ref*ω_gen0；其他情况下，P_{fre_trq}＝T_ref*ω_gen。

本发明提供的参与电网调频的风机控制***，当***频率降低时，风机在***频率下降初始阶段释放风机转动惯量，提供更多有功功率输出，减少***频率下降速率和提高频率下降最小值，有力支撑***频率恢复，在风机转速恢复阶段，通过减小风机桨距角，释放风机备用功率，增大的风机机械功率，恢复风机转速，同时避免风机减出力运行。在保证风机稳定运行和不恶化电网频率的前提下，调节风机转速，充分利用了风机旋转的动能，进而在虚拟惯量控制整个过程不存在恶化电网频率现象，消除了运行风险，同时提高对电网频率支撑能力，具有一定的经济效益。此外，本发明对风机控制***的改动较小，不影响风机正常运行控制，无需修改原有风机控制参数，易于工程实现。

附图说明

图1是本发明参与电网调频的风机控制***的整体控制框图；

图2是本发明中虚拟惯量控制单元的示意图；

图3是本发明中增益模块中依据增益系数K_D查表示意图；

图4是本发明中有功功率控制单元示意图；

图5是本发明中转矩控制单元示意图；

图6是本发明中桨距角控制单元示意图；

图7是本发明中仿真算例结构图；

图8是本发明中***频率响应对比图；

图9是本发明中风机输出功率对比图；

图10是本发明中风机转速对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

一种参与电网调频的风机控制***，如图1所示，在原风机控制***基础上，新增了虚拟惯量控制单元，并对变速风机控制***的有功功率控制单元、转矩控制单元、桨距角控制单元进行了改造，但改动不影响风机原有控制功能，易于工程实现和推广。

虚拟惯量控制单元，输入为电网频率f_grid和频率参考值f_ref，输出为有功功率指令增量ΔP；转矩控制单元，输入为风机输出功率P_e和风机当前转速ω_gen，输出为风机转矩参考值T_ref；有功功率控制单元，输入为所述有功功率指令增量ΔP、所述风机转矩参考值T_ref、所述风机当前转速ω_gen和风机初始转速ω_gen0，输出为有功功率参考值P_ref；桨距角控制单元，输入为风轮转速偏差和/或风机有功功率偏差，输出为风机桨距角；所述虚拟惯量控制单元、所述转矩控制单元和所述有功功率控制单元用于增发有功功率，所述桨距角控制单元，用于增发有功功率后恢复风机转速。

虚拟惯量控制单元如图2所示，包括：第一运算模块，用于计算所述电网频率f_grid和所述频率参考值f_ref的差值，得到电网频率偏差f_err；死区模块，用于将所述电网频率偏差f_err与一特定值f_db比较，若所述电网频率偏差f_err小于所述特定值f_db，所述电网频率偏差f_err为0；若所述电网频率偏差f_err大于所述特定值f_db，所述电网频率偏差f_err数值不变；死区模块，使得虚拟惯量控制响应较大的频率偏差，避免控制器频繁动作；滤波模块，用于将经过所述死区模块后的电网频率偏差f_err平滑处理；增益模块，依据增益系数K_D对经过所述滤波模块后的所述电网频率偏差f_err增益处理；隔直模块，用于对经过所述增益模块后的所述电网频率偏差f_err隔直处理；隔直模块，可使得风机虚拟惯量控制不响应稳态频率，只响应频率动态变化过程，不响应稳态频率；限幅模块，用于对经过所述隔直模块后的所述电网频率偏差f_err限幅处理，并输出所述有功功率指令增量ΔP。限幅模块可限制有功功率指令增量ΔP的大小，避免风机增发太多导致风机转速下降过快。

本实施例的一可选实施方式中，如图2所示，虚拟惯量控制单元中的增益模块中，所述增益系数K_D由所述电网频率f_grid依次经过量测环节、微分环节、查表环节得到。

本实施例的一可选实施方式中，如图3所示，所述查表环节中，所述电网频率f_grid的变化率小于X1时，所述增益系数K_D＝Y1；所述电网频率f_grid的变化率大于等于0时，所述增益系数K_D＝Y0，其中，所述X1、Y1和Y0均为可修改参数。增益系数K_D为与电网频率变化率相关的可变系数，作用是在电网频率下降速率较大时，设置为较大的增益系数，达到减轻电网频率下降速率的目的。

本实施例的一可选实施方式中，如图5所示，所述转矩控制单元包括：

转速参数值计算模块，用于依据所述风机输出功率P_e计算得到风机转速参考值ω_ref；

第二运算模块，用于计算所述风机当前转速ω_gen和所述风机转速参考值ω_ref的差值，得到第一转速偏差ω＇_{err_trq}；

转速偏差信号处理模块，用于对所述第一转速偏差ω′_{err_trq}处理，得到第二转速偏差ω_{err_trq}；

PI控制模块，用于对所述第二转速偏差ω_{err_trq}处理，得到所述风机转矩参考值T_ref。

其中，转速参数值计算模块的一可选实施方式中，其计算方法为：

其中，计算方法中K1、K2、K3、K4和K5均为可修改参数。

一可选实施方式中，K1＝1.2，K2＝0.46，K3＝-0.75，K4＝1.59，K5＝0.63，即计算方法为：

第二运算模块的一可选实施方式中，所述风机转速参考值ω_ref经过一个长时间惯性环节与所述风机当前转速ω_gen做差，得到所述第一转速偏差ω′_{err_trq}。所述长时间惯性环节中，惯性环节时间常数一般较大，优选地，惯性环节时间常数为60s。

所述转速偏差信号处理模块的一可选实施方式中，对所述第一转速偏差ω′_{err_trq}处理方法如下：

当所述电网频率偏差f_err小于所述特定值f_db时，所述第二转速偏差ω_{err_trq}等于所述第一转速偏差ω＇_{err_trq}；

当所述电网频率偏差f_err大于等于所述特定值f_db时，所述第一转速偏差ω＇_{err_trq}需经过死区环节得到所述第二转速偏差ω_{err_trq}，死区系数为ω_db，即：

死区系数ω_db的作用是避免风机转速下降太多，导致无法恢复，第二转速偏差ω_{err_trq}经过PI控制模块得到风机转矩参考值T_ref，目的是既保证功率增发期间，不减少风机转矩参考值T_ref，输出尽量多的有功功率，也能在转速偏差过大时，通过PI控制模块减少风机转矩参考值T_ref，减小功率输出，防止风机转速持续下降，无法恢复。

本实施例的一可选实施方式中，如图4所示，有功功率控制单元包括：

风机有功功率参考值信号处理模块，依据所述风机转矩参考值T_ref、所述风机当前转速ω_gen和风机初始转速ω_gen0，得到当前有功功率P_{fre_trq}；

第三计算模块，对所述当前有功功率P_{fre_trq}和所述有功功率指令增量ΔP求和，得到所述有功功率参考值P_ref，有功功率参考值P_ref进一步处理后，可得到有功电流控制指令

其中，所述风机有功功率参考值信号处理模块的一可选实施方式中，如图4所示，当所述电网频率偏差f_err大于所述特定值f_db时，且所述第二转速偏差ω_{err_trq}小于等于0时，P_{fre_trq}＝T_ref*ω_gen0；其他情况下，P_{fre_trq}＝T_ref*ω_gen。这样的处理，可使得在虚拟惯量控制起作用期间当前有功功率P_{fre_trq}维持不变，同时由于有功功率指令增量ΔP的存在，***频率下降期间可短时增发功率，提高风机有功功率输出。

本实施例的一可选实施方式中，如图6所示，桨距角控制单元中，风机初始桨距角为θ₀，控制环节包含转速偏差桨距角控制和功率偏差桨距角控制两个支路。其中，转速偏差桨距角控制的输入为风轮转速ω_t、风轮转速参考值ω_ref；功率偏差桨距角控制的输入为桨距角控制当前有功功率P_{fre_trq}、厂站级有功功率指令P_ord。功率偏差桨距角控制的输入设为有功功率控制环节的当前有功功率P_{fre_trq}，可避免虚拟惯量起作用时，功率偏差桨距角控制不正确动作。

当虚拟惯量控制起作用后，风机电磁功率大于风机机械功率，风机转速下降，此时转速偏差为负，桨距角控制驱动风机收桨(减小桨距角)，从而提高风机机械功率，减缓风机转速下降，达到恢复风机转速目的，另外对转矩控制环节和有功功率环节的改造处理，使得在一定风机转速下降范围内，风机输出有功功率始终不低于初始输出有功功率，避免频率二次跌落。

有益效果验证：

为说明本发明所提出参与电网调频的风机控制***的可行性和有效性，基于图7所示算例开展仿真验证，其中LOAD为电网等效负荷，SYSTEM为电网等效发电机，genA为风电场。风电场经过变压器、传输线接入电网。同时仿真对比风电场不启用提虚拟惯量控制和启用虚拟惯量控制对***频率等状态的影响。

仿真初始状态如下：等效负荷有功功率为10p.u.，无功功率为1.5p.u.(基准容量为100MW)，等效发电机有功功率输出为9p.u.,无功功率为1.52p.u.，风电场有功功率为1p.u.,初始桨距角为1.1139°。

设置电网损失15％电源，***频率动态响应对比如图7所示，启用虚拟惯量控制可有效减少电网频率下降速率，同时电网频率下降最低值为48.76Hz，相对于未启用虚拟惯量控制的48.5Hz，提升了0.26Hz。风电场输出功率如图8所示，启用虚拟惯量控制的风机在电网频率下降的初期提供了峰值为1.175p.u.的有功功率，功率增量为0.175p.u.,而未启用虚拟惯量控制的风机在电网频率下降的初期提供了峰值为1.05p.u.的有功功率，功率增量仅为0.05p.u.。

风机转速如图9所示，启用虚拟惯量控制的风机在虚拟惯量动作期间风机转速先减小，释放旋转动能，提高了风机有功功率输出，对比图8，在转速恢复过程中，风机的有功功率输出依然大于初始有功功率，避免了***频率二次跌落。启用虚拟惯量控制的风机的机械功率和电磁功率对比图如图10所示，风机功率增发期间，通过减小风机桨距角，提高风机机械功率，避免风机转速持续下降。

通过实验证实，本发明所提出参与电网调频的风机控制***，当***频率降低时，提供更多有功功率输出，减少***频率下降速率和提高频率下降最小值，有力支撑***频率恢复，在风机转速恢复阶段，避免风机减出力运行。

本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种参与电网调频的风机控制***，其特征在于，包括：

虚拟惯量控制单元，输入为电网频率f_grid和频率参考值f_ref，输出为有功功率指令增量ΔP；

转矩控制单元，输入为风机输出功率P_e和风机当前转速ω_gen，输出为风机转矩参考值T_ref；

有功功率控制单元，输入为所述有功功率指令增量ΔP、所述风机转矩参考值T_ref、所述风机当前转速ω_gen和风机初始转速ω_gen0，输出为有功功率参考值P_ref；

桨距角控制单元，输入为风轮转速偏差和/或风机有功功率偏差，输出为风机桨距角；

所述虚拟惯量控制单元、所述转矩控制单元和所述有功功率控制单元用于增发有功功率，所述桨距角控制单元，用于增发有功功率后恢复风机转速。

其中，所述虚拟惯量控制单元包括：

第一运算模块，用于计算所述电网频率f_grid和所述频率参考值f_ref的差值，得到电网频率偏差f_err；

死区模块，用于将所述电网频率偏差f_err与一特定值f_db比较，若所述电网频率偏差f_err小于所述特定值f_db，所述电网频率偏差f_err为0；若所述电网频率偏差f_err大于所述特定值f_db，所述电网频率偏差f_err数值不变；

滤波模块，用于将经过所述死区模块后的电网频率偏差f_err平滑处理；

增益模块，依据增益系数K_D对经过所述滤波模块后的所述电网频率偏差f_err增益处理；

隔直模块，用于对经过所述增益模块后的所述电网频率偏差f_err隔直处理；

限幅模块，用于对经过所述隔直模块后的所述电网频率偏差f_err限幅处理，并输出所述有功功率指令增量ΔP。

2.如权利要求1所述的参与电网调频的风机控制***，其特征在于，所述增益模块中，所述增益系数K_D由所述电网频率f_grid依次经过量测环节、微分环节、查表环节得到。

3.如权利要求2所述的参与电网调频的风机控制***，其特征在于，所述查表环节中，所述电网频率f_grid的变化率小于X1时，所述增益系数K_D＝Y1；所述电网频率f_grid的变化率大于等于0时，所述增益系数K_D＝Y0，其中，所述X1、Y1和Y0均为可修改参数。

4.如权利要求1所述的参与电网调频的风机控制***，其特征在于，所述转矩控制单元包括：

转速参数值计算模块，用于依据所述风机输出功率P_e计算得到风机转速参考值ω_ref；

第二运算模块，用于计算所述风机当前转速ω_gen和所述风机转速参考值ω_ref的差值，得到第一转速偏差ω′_{err_trq}；

转速偏差信号处理模块，用于对所述第一转速偏差ω′_{err_trq}处理，得到第二转速偏差ω_{err_trq}；

PI控制模块，用于对所述第二转速偏差ω_{err_trq}处理，得到所述风机转矩参考值T_ref。

5.如权利要求4所述的参与电网调频的风机控制***，其特征在于，所述转速参数值计算模块中的计算方法为：

其中，计算方法中K1、K2、K3、K4和K5均为可修改参数。

6.如权利要求4所述的参与电网调频的风机控制***，其特征在于，所述第二运算模块中，所述风机转速参考值ω_ref经过一个长时间惯性环节与所述风机当前转速ω_gen做差，得到所述第一转速偏差ω＇_{err_trq}。

7.如权利要求6所述的参与电网调频的风机控制***，其特征在于，所述长时间惯性环节中，惯性环节时间常数典型值为60s。

8.如权利要求4所述的参与电网调频的风机控制***，其特征在于，所述转速偏差信号处理模块，对所述第一转速偏差ω＇_{err_trq}处理方法如下：

当所述电网频率偏差f_err小于所述特定值f_db时，所述第二转速偏差ω_{err_tr}等于所述第一转速偏差ω＇_{err_trq}；

当所述电网频率偏差f_err大于等于所述特定值f_db时，所述第一转速偏差ω＇_{err_trq}需经过死区环节得到所述第二转速偏差ω_{err_trq}，死区系数为ω_db，即：

9.如权利要求4所述的参与电网调频的风机控制***，其特征在于，所述有功功率控制单元包括：

风机有功功率参考值信号处理模块，依据所述风机转矩参考值T_ref、所述风机当前转速ω_gen和风机初始转速ω_gen0，得到当前有功功率P_{fre_trq}；

第三计算模块，对所述当前有功功率P_{fre_trq}和所述有功功率指令增量ΔP求和，得到所述有功功率参考值P_ref。

10.如权利要求9所述的参与电网调频的风机控制***，其特征在于，所述风机有功功率参考值信号处理模块中，当所述电网频率偏差f_err大于所述特定值f_db时，且所述第二转速偏差ω_{err_trq}小于等于0时，P_{fre_trq}＝T_ref*ω_gen0；其他情况下，P_{fre_trq}＝T_ref*ω_gen。