CN110350602A - 参与电网调频的风机控制*** - Google Patents
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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
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fgrid和频率参考值fref,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Pe和风机当前转速ωgen,输出为风机转矩参考值Tref;
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Tref、所述风机当前转速ωgen和风机初始转速ωgen0,输出为有功功率参考值Pref;
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fgrid和所述频率参考值fref的差值,得到电网频率偏差ferr;
死区模块,用于将所述电网频率偏差ferr与一特定值fdb比较,若所述电网频率偏差ferr小于所述特定值fdb,所述电网频率偏差ferr为0;若所述电网频率偏差ferr大于所述特定值fdb,所述电网频率偏差ferr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ferr平滑处理;
增益模块,依据增益系数KD对经过所述滤波模块后的所述电网频率偏差ferr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ferr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ferr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KD由所述电网频率fgrid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fgrid的变化率小于X1时,所述增益系数KD=Y1;所述电网频率fgrid的变化率大于等于0时,所述增益系数KD=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Pe计算得到风机转速参考值ωref;
第二运算模块,用于计算所述风机当前转速ωgen和所述风机转速参考值ωref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ωerr_trq;
PI控制模块,用于对所述第二转速偏差ωerr_trq处理,得到所述风机转矩参考值Tref。
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ωref经过一个长时间惯性环节与所述风机当前转速ωgen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ferr小于所述特定值fdb时,所述第二转速偏差ωerr_trq等于所述第一转速偏差ω′err_trq;
当所述电网频率偏差ferr大于等于所述特定值fdb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ωerr_trq,死区系数为ωdb,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Tref、所述风机当前转速ωgen和风机初始转速ωgen0,得到当前有功功率Pfre_trq;
第三计算模块,对所述当前有功功率Pfre_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Pref。
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ferr大于所述特定值fdb时,且所述第二转速偏差ωerr_trq小于等于0时,Pfre_trq=Tref*ωgen0;其他情况下,Pfre_trq=Tref*ωgen。
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KD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fgrid和频率参考值fref,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Pe和风机当前转速ωgen,输出为风机转矩参考值Tref;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Tref、所述风机当前转速ωgen和风机初始转速ωgen0,输出为有功功率参考值Pref;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fgrid和所述频率参考值fref的差值,得到电网频率偏差ferr;死区模块,用于将所述电网频率偏差ferr与一特定值fdb比较,若所述电网频率偏差ferr小于所述特定值fdb,所述电网频率偏差ferr为0;若所述电网频率偏差ferr大于所述特定值fdb,所述电网频率偏差ferr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ferr平滑处理;增益模块,依据增益系数KD对经过所述滤波模块后的所述电网频率偏差ferr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ferr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ferr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KD由所述电网频率fgrid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fgrid的变化率小于X1时,所述增益系数KD=Y1;所述电网频率fgrid的变化率大于等于0时,所述增益系数KD=Y0,其中,所述X1、Y1和Y0均为可修改参数。增益系数KD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Pe计算得到风机转速参考值ωref;
第二运算模块,用于计算所述风机当前转速ωgen和所述风机转速参考值ωref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ωerr_trq;
PI控制模块,用于对所述第二转速偏差ωerr_trq处理,得到所述风机转矩参考值Tref。
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ωref经过一个长时间惯性环节与所述风机当前转速ωgen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ferr小于所述特定值fdb时,所述第二转速偏差ωerr_trq等于所述第一转速偏差ω'err_trq;
当所述电网频率偏差ferr大于等于所述特定值fdb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ωerr_trq,死区系数为ωdb,即:
死区系数ωdb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ωerr_trq经过PI控制模块得到风机转矩参考值Tref,目的是既保证功率增发期间,不减少风机转矩参考值Tref,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Tref,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Tref、所述风机当前转速ωgen和风机初始转速ωgen0,得到当前有功功率Pfre_trq;
第三计算模块,对所述当前有功功率Pfre_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Pref,有功功率参考值Pref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ferr大于所述特定值fdb时,且所述第二转速偏差ωerr_trq小于等于0时,Pfre_trq=Tref*ωgen0;其他情况下,Pfre_trq=Tref*ωgen。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Pfre_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ωt、风轮转速参考值ωref;功率偏差桨距角控制的输入为桨距角控制当前有功功率Pfre_trq、厂站级有功功率指令Pord。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Pfre_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fgrid和频率参考值fref,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Pe和风机当前转速ωgen,输出为风机转矩参考值Tref;
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Tref、所述风机当前转速ωgen和风机初始转速ωgen0,输出为有功功率参考值Pref;
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fgrid和所述频率参考值fref的差值,得到电网频率偏差ferr;
死区模块,用于将所述电网频率偏差ferr与一特定值fdb比较,若所述电网频率偏差ferr小于所述特定值fdb,所述电网频率偏差ferr为0;若所述电网频率偏差ferr大于所述特定值fdb,所述电网频率偏差ferr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ferr平滑处理;
增益模块,依据增益系数KD对经过所述滤波模块后的所述电网频率偏差ferr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ferr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ferr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KD由所述电网频率fgrid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fgrid的变化率小于X1时,所述增益系数KD=Y1;所述电网频率fgrid的变化率大于等于0时,所述增益系数KD=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Pe计算得到风机转速参考值ωref;
第二运算模块,用于计算所述风机当前转速ωgen和所述风机转速参考值ωref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ωerr_trq;
PI控制模块,用于对所述第二转速偏差ωerr_trq处理,得到所述风机转矩参考值Tref。
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ωref经过一个长时间惯性环节与所述风机当前转速ωgen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ferr小于所述特定值fdb时,所述第二转速偏差ωerr_tr等于所述第一转速偏差ω'err_trq;
当所述电网频率偏差ferr大于等于所述特定值fdb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ωerr_trq,死区系数为ωdb,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Tref、所述风机当前转速ωgen和风机初始转速ωgen0,得到当前有功功率Pfre_trq;
第三计算模块,对所述当前有功功率Pfre_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Pref。
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ferr大于所述特定值fdb时,且所述第二转速偏差ωerr_trq小于等于0时,Pfre_trq=Tref*ωgen0;其他情况下,Pfre_trq=Tref*ωgen。
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