CN111244974B - 一种适用于低频扰乱的风力发电机可控短期频率支撑方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及风力发电机频率控制技术领域，具体涉及一种适用于低频扰乱的风力发电机可控短期频率支撑方法。本发明通过附加下垂控制到风机转子侧控制，暂时性地释放风机中存储的旋转动能来补偿***的有功缺失；计及风机参与调频潜力计算自定义下垂参数，主动提供快速的***频率响应，在不同风机运行工况时实现可控风电机组的***频率支撑控制，即在高风机转子转速时，充分释放旋转动能来弥补有功缺失同时为常规发电机组参与调提供响应时间，在低转子转速时，释放适量的旋转动能来弥补***有功缺失，并不引起风机转速失稳问题和严重的二次频率跌落。本发明为高风电并网提供保障及减少调频用储能装置的使用；可以促进风机的商业化发展。

Description

一种适用于低频扰乱的风力发电机可控短期频率支撑方法
技术领域
本发明涉及风力发电机频率控制技术领域，具体涉及一种适用于低频扰乱的风力发电机可控短期频率支撑方法。
背景技术
由于双馈风力发电机组采用了先进的电力电子变流器器件，实现了最大功率追踪运行、有功功率与无功功率的解耦控制等高级控制功能，但是也导致了风力发电机组的机械部分与电网频率解耦；这意味着在扰乱发生后，风电机组无法像同步电机一样提供惯性响应及一次调频能力；特别是随着风电渗透率的日益增加，缺乏惯性响应和一次调频的问题日益凸显，从而导致严重的***频率偏差，甚至可能触发低频减载装置。
截止目前为止，比较成熟的短期频率支撑技术是通过释放风机转子中存储的旋转动能模拟惯性响应和一次调频响应(下垂控制)。李宇俊等学者提出由于电网频变化率存在大量的噪音，在模拟惯性响应时无法准确地计算有功增量；Jan Van De Vyver等研究学者提出下垂控制可以作为可选择的短期频率控制技术；但是，在模拟下垂控制时，由于受到常下垂控制系数的影响，风机不能充分利用转子中存储的旋转动能，导致风机的频率支撑能力受到限制；此外，在低风机转子转速场景下，过量的能量释放容易引起风机转速降低至最小转速，进而造成风机转速失稳问题和严重的二次频率跌落现象。因此，如何有效地利用风机的旋转动能来改善频率稳定性同时避免发生风机转速失稳问题是今后亟需解决的一项技术。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的不足，提出了一种适用于低频扰乱的风力发电机可控短期频率支撑方法。本发明通过有效地释放风机的旋转动能，使双馈风力发电机组主动参与***调频；根据风机的运行工况自定义下垂系数，实现可控的短期频率支撑响应及避免风机转速失稳问题发生，协助同步发电机遏制频率变化。
本发明为实现上述发明目的，采取的技术方案如下：
一种适用于低频扰乱的风力发电机可控短期频率支撑方法，包括以下步骤：
S1：根据公共耦合点的电压计算***电网瞬时频率,当电网频率下降并超出设定的死区范围时,启动下垂控制；
S2：根据下垂控制有功增量与最大功率运行比值计算基于旋转动能的下垂参数RDFIG，其计算公式为：
公式(3)中，RDFIG(ωr)为关于风机转子转速的下垂系数，kg为最大功率追踪系数；Δfband为电网频率的安全范围；ωr,ωmax,和ωmin分别为风机转子转速，最大转子转速和最小转子转速；fnom为***的额定频率；
S3：根据计算的电网频率，计算电网频率偏差Δf；
S4：根据计算的频率偏差Δf和计算的下垂参数RDFIG获得下垂控制的有功增量，将有功增量输入到转子侧变流器中计算风机的有功功率输出值Pref，其计算公式为：
公式(4)中，ΔP和PMPPT分别为下垂控制有功增量和最大功率追踪输出功率。
作为本发明的优选技术方案：所述步骤S2的具体步骤如下：
S2.1：采集风机的转子转速ωr，掌握风机的最大转子转速ωmax和最小转子转速ωmin；
S2.2：所述下垂控制有功增量与最大功率运行的比值定义为风机转子转速的一次函数，其定义的公式为：
公式(1)中，ΔP和PMPPT分别为下垂控制有功增量和最大功率追踪输出功率；kg为最大功率追踪系数；ωr,ωmax,和ωmin分别为风机转子转速，最大转子转速和最小转子转速；
S2.3：重新整理公式(1)，可以得到：
公式(2)中，RDFIG(ωr)为关于风机转子转速的下垂系数，Δf为频率偏差；
S2.4：重新整理公式(2)，可以得到下垂参数的计算公式：
公式(3)中，RDFIG(ωr)为关于风机转子转速的下垂系数，kg为最大功率追踪系数；Δfband为电网频率的安全范围；ωr,ωmax,和ωmin分别为风机转子转速，最大转子转速和最小转子转速；fnom为***的额定频率。
作为本发明的优选技术方案：所述步骤S3中，计算频率偏差Δf后还需要对频率偏差Δf进行滤波处理,根据处理后的频率偏差Δf判断是否超出设定的死区范围。
作为本发明的优选技术方案：所述步骤S4中，计算风力发电机的有功功率输出值Pref时，为防止风力发电机过负荷及减少机械疲劳，所计算的有功功率输出值Pref需要受到最大有功功率限幅和有功功率变化率的限制。
作为本发明的优选技术方案：所述下垂参数RDFIG是随风机转速可变的，即随转子转速增加而增加；所述下垂参数RDFIG在最低转子转速为0。
本发明所述的一种适用于低频扰乱的风力发电机可控短期频率支撑方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明通过附加下垂控制到风机转子侧控制，暂时性地释放风机中存储的旋转动能来补偿***的有功缺失；计及风机参与调频潜力计算自定义下垂参数，主动提供快速的***频率响应，在不同风机运行工况时实现可控风电机组的***频率支撑控制，即在高风机转子转速时，充分释放旋转动能来弥补有功缺失同时为常规发电机组参与调提供响应时间，在低转子转速时，释放适量的旋转动能来弥补***有功缺失，并不引起风机转速失稳问题和严重的二次频率跌落。本发明提出的方法不仅可以在技术层面上提高风机并网能力，为高风电并网提供保障及减少调频用储能装置的使用；可以促进风机的商业化发展。
附图说明
图1是本发明提出的方法流程示意图；
图2是本发明提出的下垂参数曲线示意图；
图3是本发明有功增量与最大功率运行时有功出力的比值示意图；
图4是本发明转子侧附加下垂控制示意图；
图5是本发明实施例IEEE14节点仿真***示意图；
图6是本发明实施例双馈式风力发电机结构示意图；
图7(a)是本发明实施例瞬时***频率偏差曲线图；
图7(b)是本发明实施例风机有功出力曲线图；
图7(c)是本发明实施例风机转子转速曲线图；
图7(d)是本发明实施例下垂控制系数曲线图。
具体实施方式
下面结合附图详细的描述本发明的作进一步的解释说明,以使本领域的技术人员可以更深入地理解本发明并能够实施,但下面通过参考实例仅用于解释本发明,不作为本发明的限定。
如图1所示，本发明提出的风力发电机可控短期频率支撑方法，包括以下步骤：
S1：根据公共耦合点的电压计算***电网瞬时频率,当电网频率下降并超出设定的死区范围时,启动下垂控制；
S2：根据下垂控制有功增量与最大功率运行比值计算基于旋转动能的下垂参数RDFIG，其计算公式为：
公式(3)中，RDFIG(ωr)为关于风机转子转速的下垂系数，kg为最大功率追踪系数；Δfband为电网频率的安全范围；ωr,ωmax,和ωmin分别为风机转子转速，最大转子转速和最小转子转速；fnom为***的额定频率；
如图2所示，下垂系数计算方式具体如下：
如Kim Yeonhee等学者研究所示通过下垂控制有功增量与最大功率追踪运行的比值大小可以显现下垂控制调频性能的好坏；因此，本发明利用下垂控制有功增量与最大功率追踪运行的比值反推适用于不同风机工况的下垂系数；
本发明将下垂控制有功增量与最大功率追踪运行的比值定义为风机转子转速的一次函数，如图3所示，步骤S2的具体步骤如下：
S2.1：采集风机的转子转速ωr，掌握风机的最大转子转速ωmax和最小转子转速ωmin；
S2.2：所述下垂控制有功增量与最大功率运行的比值定义为风机转子转速的一次函数，其定义的公式为：
公式(1)中，ΔP和PMPPT分别为下垂控制有功增量和最大功率追踪输出功率；kg为最大功率追踪系数；ωr,ωmax,和ωmin分别为风机转子转速，最大转子转速和最小转子转速；
S2.3：重新整理公式(1)，可以得到：
公式(2)中，RDFIG(ωr)为关于风机转子转速的下垂系数，Δf为频率偏差；
S2.4：重新整理公式(2)，可以得到下垂参数的计算公式：
公式(3)中，RDFIG(ωr)为关于风机转子转速的下垂系数，kg为最大功率追踪系数；Δfband为电网频率的安全范围；ωr,ωmax,和ωmin分别为风机转子转速，最大转子转速和最小转子转速；fnom为***的额定频率。根据GB/T14549-2008电能质量标准规定，我国允许的电网频率偏差为±0.2Hz。
S3：根据计算的电网频率，计算电网频率偏差Δf；
S4：根据计算的频率偏差Δf和计算的下垂参数RDFIG获得下垂控制的有功增量，将有功增量输入到转子侧变流器中计算风机的有功功率输出值Pref，其计算公式为：
公式(4)中，ΔP和PMPPT分别为下垂控制有功增量和最大功率追踪输出功率。
步骤S3中，计算频率偏差Δf后还需要对频率偏差Δf进行滤波处理,根据处理后的频率偏差Δf判断是否超出设定的死区范围。
步骤S4中，计算风力发电机的有功功率输出值Pref时，为防止风力发电机过负荷及减少机械疲劳，所计算的有功功率输出值Pref需要受到最大有功功率限幅和有功功率变化率的限制。
如图4所示，是本发明转子侧附加下垂控制方法流程示意图；下垂参数RDFIG是随风机转速可变的，即随转子转速增加而增加；其目的是在风力发电机组层面出发，在不同转子转速情况下释放适应的旋转动能，实现可控的短期频率控制。下垂参数RDFIG在最低转子转速为0；其目的在于防止风机产生失稳现象,进而遏制造成严重的二次频率跌落。
下面结合仿真结果对本发明的应用效果进行详细的描述；
参考***惯性常数的定义，含有风机的***等效惯性常数可表示为：
公式(5)中，Hsys为***等效惯性常数，n为***中同步发电机台数，Si为i台同步发电机容量，HDFIG为风电场等效惯性常数，SDFIG为风电场容量。
由于风电机组的机械部分与***频率不存在耦合关系，导致风机不能响应***频率变化；因此，风电场等效惯性常数为零，式(5)中分子减小，但由于分母不变，导致***等效惯性常数变低；随着风电渗透率不断增加，Hsys减小更为明显，进而，恶化***频率稳定性，甚至触发低频减负载装置。
为了验证本发明提出的适用于低频扰动的可控风机主动频率控制方法的有效性，在EMTP-RV仿真平台基于IEEE14节点***中搭建了一个含大规模风电渗透率的算例***，如图5所示；此外，双馈风力发电机的参数如表1所示；
双馈风力发电机参数
表1
为了验证本发明提出控制方法的有效性，如图6所示，为双馈式风力发电机结构示意图。
本发明的仿真在风速为8.5m/s的恒定风速下进行(低于额定风速)，在第二台同步发电机发生脱机扰乱下，对以下三种情况结果进行分析比较：
(1)风力发电机组工作在最大功率追踪运行状态(风机不提供频率响应)；
(2)风力发电机组采用现有的下垂控制方法参与***调频(常下垂系数，系数为25)；
(3)风力发电机组采用本发明提出的控制方法参与***调频；
在60.0s时，第二台同步发电机突然脱机，由于电力***的同步发电机组损失80MW有功出力,造成有功功率出现不平衡，从而导致电网频率下降；电力***频率偏差、风力发电机组有功出力、风机转子转速、下垂控制系数在上文所述3种情况下的变化如图7(a)至7(d)所示。
通过仿真结果可以得出，如图7(a)所示，当风力发电机组运行在最大功率追踪运行时(不提供***频率支撑能力),风力发电机组的有功出力曲线和风机转子转速近似为一条直线；此时，电网频率变化曲线的谷值为48.719Hz，所有的有功支撑来自于同步发电机组。当风机的下垂控制采用常系数时，风电机组向***注入一定的有功功率，为电力***提供一定的频率响应；如图7(b)所示，风机的有功出力随的电网频率偏差变大而增加，在扰乱后2.6s时增加到最大102.9MW；假定在扰乱期间内风机的风速不变，风机的有功出力大于风机的机械输入功率，从而致使风机转子转速下降；在风机参与下垂控制期间，风机转子转速由0.96p.u.下降至0.7p.u.(风机的最低转速)，这主要是因为随转速降低，风机储存的旋转动能不能满足下垂控制的要求，引起风机转速失稳问题，从而造成严重的二次频率跌落，如图7(c)所示；进而致使电网频率的最低值为48.943Hz；虽然风机注入了一定量的有功功率到电网中，但其频率最低点仅仅高于无下垂控制策略0.225Hz。如图7(d)所示，当风机的下垂控制采用本发明提出的自定义下垂控制系数时，在扰乱前期自定义的下垂控制系数大于常系数并且随转子转速下降而减小；因此，风机的有功出力峰值增加至114MW，随后逐渐减小；风机转子转速下降至0.789p.u.，虽然风机扰乱前期向电网注入大量有功功率，由于自定义的下垂系数随转速降低而减小，可以有效地避免了风机失速现象。由图7(a)可知，电网频率变化曲线的谷值为49.178Hz，其分别高于采用常下垂系数时0.235Hz和无频率控制时0.460Hz。
综上所述，在电网频率发生下降时，采用本发明提出的自定义下垂控制系数能够使风机根据其运行工况有效地释放旋转动能，提供可控的短期频率支撑技术，在不同转速时优化了电网频率稳定性，防止风机转速失稳现象发生，为同步发电机组启动一次调频提响应供时间。
本发明根据锁相环计算的***频率,不需要从上层控制中得到***频率；计及风机的运行工况，下垂系数实现可控的短期频率控制；防止风力发电机过负荷及减少机械疲劳以及模拟出跟接近现实的场景，获得的风机发电机的有功功率输出值Pref需要受到最大有功功率限幅和有功功率变化率的限制。
以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种适用于低频扰乱的风力发电机可控短期频率支撑方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据公共耦合点的电压计算***电网瞬时频率,当电网频率下降并超出设定的死区范围时,启动下垂控制；
S2：根据下垂控制有功增量与最大功率运行比值计算基于旋转动能的下垂系数RDFIG，其计算公式为：
公式(3)中，RDFIG(ωr)为关于风机转子转速的下垂系数，kg为最大功率追踪系数；Δfband为电网频率的安全范围；ωr,ωmax,和ωmin分别为风机转子转速，最大转子转速和最小转子转速；fnom为***的额定频率；
S3：根据计算的电网频率，计算电网频率偏差Δf；
S4：根据计算的频率偏差Δf和计算的下垂系数RDFIG获得下垂控制的有功增量，将有功增量输入到转子侧变流器中计算风机的有功功率输出值Pref，其计算公式为：
公式(4)中，ΔP和PMPPT分别为下垂控制有功增量和最大功率追踪输出功率；
所述步骤S2的具体步骤如下：
S2.1：采集风机的转子转速ωr，掌握风机的最大转子转速ωmax和最小转子转速ωmin；
S2.2：所述下垂控制有功增量与最大功率运行的比值定义为风机转子转速的一次函数，其定义的公式为：
公式(1)中，ΔP和PMPPT分别为下垂控制有功增量和最大功率追踪输出功率；kg为最大功率追踪系数；ωr,ωmax,和ωmin分别为风机转子转速，最大转子转速和最小转子转速；
S2.3：重新整理公式(1)，可以得到：
公式(2)中，RDFIG(ωr)为关于风机转子转速的下垂系数，Δf为频率偏差；
S2.4：重新整理公式(2)，可以得到下垂系数的计算公式：
公式(3)中，RDFIG(ωr)为关于风机转子转速的下垂系数，kg为最大功率追踪系数；Δfband为电网频率的安全范围；ωr,ωmax,和ωmin分别为风机转子转速，最大转子转速和最小转子转速；fnom为***的额定频率。
2.根据权利要求1所述的一种适用于低频扰乱的风力发电机可控短期频率支撑方法，其特征在于，所述步骤S3中，计算频率偏差Δf后还需要对频率偏差Δf进行滤波处理,根据处理后的频率偏差Δf判断是否超出设定的死区范围。
3.根据权利要求1所述的一种适用于低频扰乱的风力发电机可控短期频率支撑方法，其特征在于，所述步骤S4中，计算风力发电机的有功功率输出值Pref时，为防止风力发电机过负荷及减少机械疲劳，所计算的有功功率输出值Pref需要受到最大有功功率限幅和有功功率变化率的限制。
4.根据权利要求1所述的一种适用于低频扰乱的风力发电机可控短期频率支撑方法，其特征在于，所述下垂系数RDFIG是随风机转速可变的，即随转子转速增加而增加；所述下垂系数RDFIG在最低转子转速为0。
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