CN111725848B - 一种适用于多种风电渗透率的风机可控频率下垂控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明具体涉及一种适用于多种风电渗透率的风机可控频率下垂控制方法,属于可再生能源并网技术领域。本发明通过在风机转子侧控制回路中附加频率下垂控制,短暂地释放风机中存储的旋转动能补偿***的有功缺失。本发明的下垂控制系数随转子转速增加而攀升,即在高转子转速时,充分释放旋转动能来弥补***有功缺失,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;此外,下垂控制系数随风电渗透率增加而降低,避免在高风电渗透率时出现频率超调现象,不仅可以提高风机并网能力,改善***频率调频能力,还为高风电并网提供保障及减少调频用储能装置的使用,促进风力发电的商业化发展。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种适用于多种风电渗透率的风机可控频率下垂控制方法,属于可再生能源并网技术领域。
背景技术
随着风电并网容量日益增加,由于控制策略的原因,风机的转速与***频率不存在耦合关系,导致***旋转惯量及调频能力下降。***发生有功功率不平衡时,容易导致频率的偏移超出安全范围,甚至启动低频减载装置。在相同容量情况下,双馈风力发电机的惯性常数大于同步发电机的惯性常数,并且具有宽广的转速运行范围。因此,双馈风机可以视为有效的***调频手段。在风机转子侧变流器控制器中附加基于频率偏差的下垂控制策略,风机能够主动提供***调频能力,进而实现风机的转速与***频率的刚性耦合。然而,在不同风速时,风机的有效动能存在差异;因此,现有的方法受到的恒定系数影响,在不同风速下限制了风机提供频率支撑的能力,容易造成***调频能力不足或调频过度的问题。此外,在高风电渗透场景下,若采用同样的下垂控制系数,容易引起***频率调频过度以及造成严重的二次频率跌落问题。因此,如何整定适用于多种电渗透的频率下垂控制参数,实现可控的频率下垂控制是今后迫切解决的问题。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的不足,提出了一种适用于多种风电渗透率的风机可控频率下垂控制方法。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;自定义的频率下垂控制系数随风机转速及风电渗透率变化而改变,实现可控频率下垂控制,解决风机失稳、***调频能力不足及超调问题,为同步发电机组启动一次调频提响应供时间,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:
一种适用于多种风电渗透率的风机可控频率下垂控制方法,包括以下步骤:
S1:根据风电场与电网公共耦合点的电压计算***电网瞬时频率,判断电网瞬时频率是否超出设定的死区范围;若超出设定的死区范围时,启动频率下垂控制;若在设定的死区范围时,继续工作在最大功率追踪控制;
S2:根据采集风机的转子转速与风电渗透率计算出频率下垂控制系数RDFIG(ωr),其计算公式为:
公式(1)中,RDFIG(ωr)为频率下垂控制系数,K为频率下垂控制因子,ωr和ωmin分别为风机转子转速和风机最小转速,n为风电渗透率因子;
S3:根据电网瞬时频率,计算出***频率偏差Δf;
S4:根据***频率偏差Δf和频率下垂控制系数RDFIG(ωr),计算出频率下垂控制的有功变化量ΔP,其计算公式为:
ΔP=Δf×RDFIG(ωr) (2)
公式(2)中,ΔP为频率下垂控制的有功变化量;
S5:将频率下垂控制的有功变化量ΔP附加到转子侧控制中,计算风机的有功功率输出值Pref,其计算公式为:
公式(3)中,PMPPT为最大功率追踪输出有功功率。
作为本发明的优选技术方案:所述步骤S1中,计算出电网瞬时频率后还需要对电网瞬时频率进行滤波处理,根据处理后的电网瞬时频率判断是否超出设定的死区范围;若超出设定的死区范围时,启动频率下垂控制;若在设定的死区范围时,风机继续工作在最大功率追踪控制。
作为本发明的优选技术方案:所述步骤S2中,所述频率下垂控制系数RDFIG(ωr)是随风机转速可变的,即随转子转速增加而增加;所述频率下垂控制系数RDFIG(ωr)在最低转子转速为0。
作为本发明的优选技术方案:所述步骤S2中,所述频率下垂控制系数RDFIG(ωr)是随风电渗透率可变的,即随风电渗透率增加而降低。
作为本发明的优选技术方案:所述步骤S5中,计算风机的有功功率输出值Pref时,为防止风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。
本发明所述的一种适用于多种风电渗透率的风机可控频率下垂控制方法,采用以上技术方案与现有技术相比,具有以下技术效果:
本发明通过在风机转子侧变流控制回路中附加频率下垂控制,短暂地释放风机中存储的旋转动能补偿***的有功缺失。本发明自定义的频率下垂控制系数随转子转速增加而攀升,即在高转子转速时,充分释放旋转动能来弥补***有功缺失,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;此外,频率下垂控制系数随风电渗透率增加而降低,避免在高风电渗透率时出现频率超调现象。本发明提出的频率下垂控制系数不仅可以提高风机并网能力,改善***频率调频能力,还为高风电并网提供保障及减少调频用储能装置的使用,促进风力发电的商业化发展。
附图说明
图1是本发明提出的方法流程示意图;
图2是本发明的频率下垂控制参数曲线图;
图3是本发明转子侧附加频率下垂控制示意图;
图4是本发明实施例仿真***示意图;
图5是本发明实施例双馈式风力发电机结构示意图;
图6(a)是本发明实施例风电渗透率为20%时瞬时***频率偏差曲线图;
图6(b)是本发明实施例风电渗透率为20%时风机有功出力曲线图;
图6(c)是本发明实施例风电渗透率为20%时风机转子转速曲线图;
图6(d)是本发明实施例风电渗透率为20%时频率下垂控制系数曲线图;
图7(a)是本发明实施例风电渗透率为40%时瞬时***频率偏差曲线图;
图7(b)是本发明实施例风电渗透率为40%时风机有功出力曲线图;
图7(c)是本发明实施例风电渗透率为40%时风机转子转速曲线图;
图7(d)是本发明实施例风电渗透率为40%时频率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,一种适用于多种风电渗透率的风机可控频率下垂控制方法,包括以下步骤:S1:根据风电场与电网公共耦合点的电压计算***电网瞬时频率,判断电网瞬时频率是否超出设定的死区范围;若超出设定的死区范围时,启动频率下垂控制;若在设定的死区范围时,继续工作在最大功率追踪控制;
S2:根据采集风机的转子转速与风电渗透率计算出频率下垂控制系数RDFIG(ωr),其计算公式为:
公式(1)中,RDFIG(ωr)为频率下垂控制系数,K为频率下垂控制因子,ωr和ωmin分别为风机转子转速和风机最小转速,n为风电渗透率因子;K和n的取值决定了频率下垂控制系数的大小,从而决定了风机提供调频的能力;如图2所示,是本发明的频率下垂控制参数与风机转速在n的多种取值时的曲线图;
S3:根据电网瞬时频率,计算出***频率偏差Δf;
S4:根据***频率偏差Δf和频率下垂控制系数RDFIG(ωr),计算出频率下垂控制的有功变化量ΔP,其计算公式为:
ΔP=Δf×RDFIG(ωr) (2)
公式(2)中,ΔP为频率下垂控制的有功变化量;ΔP意味着馈入电网中的有功功率,主要取决于频率下垂控制系数RDFIG(ωr)的大小;
S5:将频率下垂控制的有功变化量ΔP附加到转子侧控制中,计算风机的有功功率输出值Pref,其计算公式为:
公式(3)中,PMPPT为最大功率追踪输出有功功率。
步骤S1中,计算出电网瞬时频率后还需要对电网瞬时频率进行滤波处理,根据处理后的电网瞬时频率判断是否超出设定的死区范围;若超出设定的死区范围时,启动频率下垂控制;若在设定的死区范围时,风机继续工作在最大功率追踪控制。
步骤S2中,频率下垂控制系数RDFIG(ωr)是随风机转速可变的,即随转子转速增加而增加;频率下垂控制系数RDFIG(ωr)在最低转子转速为0。
步骤S2中,频率下垂控制系数RDFIG(ωr)是随风电渗透率可变的,即随风电渗透率增加而降低。
步骤S5中,计算风机的有功功率输出值Pref时,为防止风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。
参考电力***中惯性常数的定义,含有风机的***等效惯性常数可表示为:
公式(4)中,Hsys为***等效惯性常数,n为***中传统同步发电机台数,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。
***发生有功功率不平衡后,由于风机不能提供惯性响应。因此,风电场等效惯性常数为零,式(4)中分子减小,然而分母不变,造成***等效惯性常数降低;进而导致***频率偏移增加,甚至触发低频减负载装置。
如图3所示,本发明通过在风机转子侧控制附加下垂控制回路,使风机能够充分地释放旋转动能提供调频能力,防止造成风机失稳问题同时避免二次频率跌落,为传统同步发电机组启动一次调频控制提供响应时间;在EMTP-RV仿真平台搭建了含有高比例风电穿透率的算例***并进行模拟仿真,对本发明风机提供的频率下垂控制方法与现有的频率控制方法进行对比分析。
本发明提出的频率下垂控制参数具备以下特征:第一、自定义的频率下垂控制系数是随风机转速变化而改变,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当的旋转动能,实现可控的短期频率控制技术;自定义的频率下垂参数在最低转子转速为0;其目的在于防止双馈风机产生失稳现象,进而避免造成严重的二次频率跌落。第二、自定义的频率下垂控制系数是随风风电渗透率变化而改变,即随风电渗透率增加而降低;其目的是避免风机调频超调现象。
为了验证本发明提出的一种适用于多种风电渗透率的可控频率下垂控制方法的有效性,在EMTP-RV仿真平台搭建了含有高比例风电穿透率的算例***,如图4所示。表1和图5分别展示了双馈风力发电机组参数和双馈式风力发电机结构示。
双馈风力发电机参数
表1
为了验证本发明提出频率下垂控制方法的有效性,本发明的仿真在风速为9.0m/s的恒定风速及风电渗透率为20%和40%下进行,并对以下三种控制策略结果进行分析比较:
(1)风力发电机组工作在最大功率追踪运行状态;
(2)风力发电机组采用现有的频率下垂控制方法(恒定下垂系数,系数为20);
(3)风力发电机组采用本发明提出的控制频率下垂控制方法;
在50.0s时,提供60MW的第1台同步发电机突然脱机。因此,***中发生有功功率不平衡,从而致使***频率下降;在风电渗透率为20%和40%场景下通过***频率偏差、风力发电机组有功出力、风机转子转速、下垂控制系数评估本发明提出的优化控制方法,如图6(a)至6(d)和图7(a)至7(d)所示。
算例1:风电渗透为20%时,当风力发电机组运行在最大功率追踪运行时,双馈风力发电机组的有功功率输出曲线和转子转速无变化。因此,双馈风力发电机不具备调频能力。此时,电网频率变化曲线的谷值为-0.554Hz。当风机的频率下垂控制采用常系数并采用恒定系数时,电网频率变化曲线的谷值为-0.426Hz,有功功率曲线的峰值为67.7MW。当采用本发明提出的频率下垂控制系数时(式2中风电渗透率因子n设定为3),电网频率变化曲线的谷值为-0.330Hz,有功功率曲线的峰值为78.9MW,如图6(a)和(b)所示。这主要是因为本发明提出了基于风机转子转速的自定义可控频率下垂控制系数。
算例2:风电渗透为40%,当风力发电机组运行在最大功率追踪运行时,电网频率变化曲线的谷值为-0.637Hz;此时,频率谷值低于算例1,主要因为***中更多风电取代同步机并网造成***旋转惯性及调频能力下降。当风机的频率下垂控制采用常系数并采用恒定系数时,电网频率变化曲线的谷值为-0.359Hz,有功功率曲线的峰值为130.9MW。当采用本发明提出的频率下垂控制系数时(式2中风电渗透率因子n设定为2),电网频率变化曲线的谷值为-0.309Hz,有功功率曲线的峰值为141.2MW,如图7(a)和(b)所示。这主要是因为本发明提出了基于风机转子转速和风电渗透率的可控频率下垂控制系数。与算例1相比风电并网容量增加,风机能够提供更多的有功功率,因此有效地改善频率稳定性。
通过算例1与算例2分析,在电网频率发生下降时,采用本发明提出的自定义可控频率下垂控制系数能够使风机根据其运行工况及风电渗透率有效地释放旋转动能,提供可控的频率下垂控制技术,在有效改善频率稳定性的同时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,协助同步发电机遏制频率变化,提高风电并网能力,促进风能源消纳。
本发明自定义的频率下垂控制系数与风机的运行状态相关,实现可控频率下垂控制,避免过多的旋转动能释放造成的风机失稳现象;频率下垂控制系数与风电渗透率相关,实现可控频率下垂控制,避免高风电渗透下造成频率超调问题;为模拟出接近现实的场景,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。
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 (5)
1.一种适用于多种风电渗透率的风机可控频率下垂控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:根据风电场与电网公共耦合点的电压计算***电网瞬时频率,判断电网瞬时频率是否超出设定的死区范围;若超出设定的死区范围时,启动频率下垂控制;若在设定的死区范围时,继续工作在最大功率追踪控制;
S2:根据采集风机的转子转速与风电渗透率计算出频率下垂控制系数RDFIG(ωr),其计算公式为:
公式(1)中,RDFIG(ωr)为频率下垂控制系数,K为频率下垂控制因子,ωr和ωmin分别为风机转子转速和风机最小转速,n为风电渗透率因子;
S3:根据电网瞬时频率,计算出***频率偏差Δf;
S4:根据***频率偏差Δf和频率下垂控制系数RDFIG(ωr),计算出频率下垂控制的有功变化量ΔP,其计算公式为:
ΔP=Δf×RDFIG(ωr) (2)
公式(2)中,ΔP为频率下垂控制的有功变化量;
S5:将频率下垂控制的有功变化量ΔP附加到转子侧控制中,计算风机的有功功率输出值Pref,其计算公式为:
公式(3)中,PMPPT为最大功率追踪输出有功功率。
2.根据权利要求1所述的一种适用于多种风电渗透率的风机可控频率下垂控制方法,其特征在于,所述步骤S1中,计算出电网瞬时频率后还需要对电网瞬时频率进行滤波处理,根据处理后的电网瞬时频率判断是否超出设定的死区范围;若超出设定的死区范围时,启动频率下垂控制;若在设定的死区范围时,继续工作在最大功率追踪控制。
3.根据权利要求1所述的一种适用于多种风电渗透率的风机可控频率下垂控制方法,其特征在于,所述步骤S2中,所述频率下垂控制系数RDFIG(ωr)是随风机转速可变的,即随转子转速增加而增加;所述频率下垂控制系数RDFIG(ωr)在最低转子转速为0。
4.根据权利要求1所述的一种适用于多种风电渗透率的风机可控频率下垂控制方法,其特征在于,所述步骤S2中,所述频率下垂控制系数RDFIG(ωr)是随风电渗透率可变的,即随风电渗透率增加而降低。
5.根据权利要求1所述的一种适用于多种风电渗透率的风机可控频率下垂控制方法,其特征在于,所述步骤S5中,计算风机的有功功率输出值Pref时,为防止风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。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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