CN112271760A - 适用于直驱风电场交流并网的调频控制方法 - Google Patents

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CN112271760A CN202011216099.0A CN202011216099A CN112271760A CN 112271760 A CN112271760 A CN 112271760A CN 202011216099 A CN202011216099 A CN 202011216099A CN 112271760 A CN112271760 A CN 112271760A
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Abstract

适用于直驱风电场交流并网的调频控制方法，涉及电力***分析控制技术领域。解决了风电机组采用转子惯性控制方法参与调频时，采用固定系数时无法充分发挥风电机组的调频能力的问题。首先计算直驱型风电机组在不同运行状态下的虚拟惯性时间常数H；然后根据虚拟惯性时间常数H，计算直驱型风电机组的自适应下垂调频系数Kp和自适应虚拟惯性系数Kd；最后得到直驱型风电机组参与调频控制的附加有功功率参考值ΔP；将ΔP与直驱型风电机组的最大功率跟踪指令值PMPPT叠加，叠加后得到的有功功率参考值Pref送至直驱型风电机组变流器控制***，控制***对直驱型风电机组的输出功率进行控制，从而实现对电网频率的调整；本发明主要应用在风电并网调频控制领域。

Description

适用于直驱风电场交流并网的调频控制方法
技术领域
本发明涉及电力***分析控制技术领域。
背景技术
为使风电机组像常规机组一样具备频率调节能力，国内外提出的频率控制方法主要有转子惯性控制、功率备用控制和附加储能控制。
转子惯性控制主要包括虚拟惯性控制和下垂控制。
虚拟惯性控制的原理是在风电机组有功功率控制***中附加频率控制环节，产生与常规机组相同的等效惯量。在电力***频率发生改变时，通过附加频率控制环节来吸收或者释放转子上的动能，实现***的频率调节。该方法在转速的恢复过程中，会吸收或者释放能量，从而对电网造成冲击，容易引起电力***频率的二次下降。
下垂控制类比于传统的同步发电机中的调速装置，模拟同步发电机的功—频特性曲线，把***的频率偏差作为输入信号，经过比例放大环节，输出变化量附加到原有的有功功率参考值之上，调整风电机组的有功出力，传统的下垂控制在风电机组的全风速工作区间均采用固定的下垂控制系数，不能有效地发挥风电机组的调频能力。
综上所述，风电场交直流并网参与调频主要存在以下问题：风电机组采用转子惯性控制方法参与调频时，采用固定系数时无法充分发挥风电机组的调频能力，无法使控制系数根据风电机组的不同运行状态进行自适应变化，以上问题亟需解决。
发明内容
本发明目的是为了解决风电机组采用转子惯性控制方法参与调频时，采用固定系数时无法充分发挥风电机组的调频能力的问题，提供了一种适用于直驱风电场交流并网的调频控制方法。
适用于直驱风电场交流并网的调频控制方法，该方法包括如下步骤：
步骤一、计算直驱型风电机组在相应运行状态下的虚拟惯性时间常数H；其中，直驱型风电机组运行状态包括运行在启动区、运行在最大风能追踪区和运行在恒转速区；
步骤二、根据相应运行状态下的虚拟惯性时间常数H，计算直驱型风电机组的自适应下垂调频系数Kp和自适应虚拟惯性系数Kd：
步骤三、根据***频率变化率
Figure BDA0002760430940000021
***频率偏差Δf、自适应下垂调频系数Kp和自适应虚拟惯性系数Kd，计算得到直驱型风电机组参与调频控制的附加有功功率参考值ΔP；并将附加有功功率参考值ΔP与PMPPT进行叠加，将叠加后获得的Pref送至直驱型风电机组变流器控制***，直驱型风电机组变流器控制***根据接收的Pref对直驱型风电机组的输出功率进行控制，从而实现对电网频率的调整；
PMPPT为直驱型风电机组的最大功率跟踪指令值；
Pref为直驱型风电机组的功率参考值。
优选的是，步骤一中：
(1)当直驱型风电机组运行在启动区时，H＝0，此时，w≤wMPPT_1；
(2)当直驱型风电机组运行在最大风能追踪区时，
Figure BDA0002760430940000022
此时，wMPPT_1≤w＜1p.u.；
(3)当直驱型风电机组运行在恒转速区时，
Figure BDA0002760430940000023
此时，w＝1p.u.；
其中，w为转子转速；
wMPPT_1为直驱型风电机组最大风能追踪区的起始转速；
J为直驱型风电机组转动惯量；
w0为转子转速的初始值；
wmin为转子转速的最小值；
PN为直驱型风电机组的额定功率；
ρ为空气密度；
R为风机半径；
v为风速；
t1和t2分别为转子转速变化初始时刻和结束时刻；
t为当前运行时刻；
Cp max为最大风能利用系数；
p为极对数；
f为***实际频率。
优选的是，步骤二中，
Figure BDA0002760430940000031
其中，K1为参考微分系数；
K2为参考比例系数。
优选的是，步骤三中，
Figure BDA0002760430940000032
本发明带来的有益效果是：本发明针对固定系数的转子惯性控制策略不能充分发挥不同风速下直驱风电机组的调频能力，提出了适用于风电场交流并网的自适应系数改进调频控制策略，其中，自适应系数改进主要体现在直驱型风电机组在不同的运行状态下，虚拟惯性时间常数H取值不同，根据直驱型风电机组在不同的运行状态下，实时调整调频控制系数(即：自适应下垂调频系数Kp和自适应虚拟惯性系数Kd)，最大限度调用风电机组调频能力的目的，仿真结果表明基于虚拟惯性时间常数H的自适应调频控制方法可有效提高风电机组调频能力，增强***稳定性，同时也避免了风电机组运行在较低风速时控制系数不能选择过大，***将会失稳的问题。
附图说明
图1为本发明所述的适用于直驱风电场交流并网的调频控制方法的流程图；
图2为直驱型风电机组的功率特性曲线；其中，pu为p.u.的缩写，p.u.表示标幺值；
图3为直驱型风电机组的虚拟惯性时间常数H与转子转速w和输出功率P′的关系；
图4为对自适应下垂调频系数Kp和自适应虚拟惯性系数Kd进行控制的原理框图；其中，fnom为额定频率，f为***实际频率，w为转子转速，ΔP1为下垂调频的功率参考值，ΔP2为虚拟控制的功率参考值；ΔP1＝-KpΔf；
Figure BDA0002760430940000041
图5为仿真验证***结构图；其中，T1为升压变压器，T2为降压变压器，L1为风电场内部输电线路、L2为风电场外部输电线路，PL1为固定负荷的有功功率，PL2为可变负荷有功功率，QL1为固定负荷的无功功率，QL2为可变负荷无功功率；
图6为风速6.3m/s时，***频率响应特性图；其中，
图6a为风速6.3m/s时，负荷增加时，不同频率控制策略下***的频率响应对比图；
图6b为风速6.3m/s时，负荷增加时，不同频率控制策略下***的有功功率响应对比图；
图6c为风速6.3m/s时，负荷增加时，不同频率控制策略下***的转子转速响应对比图；
图6d为风速6.3m/s时，负荷增加时，不同频率控制策略下下垂系数对比图；
图7为风速7.5m/s时，***频率响应特性图；其中，
图7a为风速7.5m/s时，负荷增加时，不同频率控制策略下***的频率响应对比图；
图7b为风速7.5m/s时，负荷增加时，不同频率控制策略下***的有功功率响应对比图；
图7c为风速7.5m/s时，负荷增加时，不同频率控制策略下***的转子转速响应对比图；
图7d为风速7.5m/s时，负荷增加时，不同频率控制策略下下垂系数对比图；
图8为风速12m/s时，***频率响应特性图；其中，
图8a为风速12m/s时，负荷增加时，不同频率控制策略下***的频率响应对比图；
图8b为风速12m/s时，负荷增加时，不同频率控制策略下***的有功功率响应对比图；
图8c为风速12m/s时，负荷增加时，不同频率控制策略下***的桨距角响应对比图；
图8d为风速12m/s时，负荷增加时，不同频率控制策略下下垂系数对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的适用于直驱风电场交流并网的调频控制方法，该方法包括如下步骤：
步骤一、计算直驱型风电机组在相应运行状态下的虚拟惯性时间常数H；其中，直驱型风电机组运行状态包括运行在启动区、运行在最大风能追踪区和运行在恒转速区；
步骤二、根据相应运行状态下的虚拟惯性时间常数H，计算直驱型风电机组的自适应下垂调频系数Kp和自适应虚拟惯性系数Kd：
步骤三、根据***频率变化率
Figure BDA0002760430940000051
***频率偏差Δf、自适应下垂调频系数Kp和自适应虚拟惯性系数Kd，计算得到直驱型风电机组参与调频控制的附加有功功率参考值ΔP；并将附加有功功率参考值ΔP与PMPPT进行叠加，将叠加后获得的Pref送至直驱型风电机组变流器控制***，直驱型风电机组变流器控制***根据接收的Pref对直驱型风电机组的输出功率进行控制，从而实现对电网频率的调整；
PMPPT为直驱型风电机组的最大功率跟踪指令值；
Pref为直驱型风电机组的功率参考值。
本实施方式中，首先计算直驱型风电机组在不同运行状态下的虚拟惯性时间常数H；然后根据虚拟惯性时间常数H，计算直驱型风电机组的自适应下垂调频系数Kp和自适应虚拟惯性系数Kd；最后得到直驱型风电机组调频控制的有功功率参考值ΔP；将ΔP与直驱型风电机组的最大功率跟踪指令值PMPPT叠加，叠加后的有功功率参考值Pref送至直驱型风电机组变换器控制***，控制***对直驱型风电机组的输出功率进行控制，从而实现对电网频率的调整。
本发明提出了一种适用于直驱风电场交流并网的调频控制方法，本发明方法适用于风电场交流并网的自适应系数改进调频控制策略，其中，自适应系数改进主要体现在直驱型风电机组在不同的运行状态下，虚拟惯性时间常数H取值不同，根据直驱型风电机组的运行状态调整调频控制系数(即：自适应下垂调频系数Kp和自适应虚拟惯性系数Kd)，进而达到最大限度调用风电机组调频能力的目的，仿真结果表明基于虚拟惯性时间常数H的自适应调频控制方法可有效提高风电机组调频能力，增强***稳定性，同时也避免了风电机组运行在较低风速时控制系数不能选择过大，***将会失稳的问题。
可以根据风电机组不同的运行工况控制自适应下垂调频系数Kp改变，结合减载控制和可变自适应下垂调频系数Kp控制，协调不同风速下的风电机组调频能力的差异性。
进一步的，本优选实施方式中，步骤一中：
(1)当直驱型风电机组运行在启动区时，H＝0，此时，w≤wMPPT_1；
(2)当直驱型风电机组运行在最大风能追踪区时，
Figure BDA0002760430940000061
此时，wMPPT_1≤w＜1p.u.；
(3)当直驱型风电机组运行在恒转速区时，
Figure BDA0002760430940000062
此时，w＝1p.u.；
其中，w为转子转速；
wMPPT_1为直驱型风电机组最大风能追踪区的起始转速；
J为直驱型风电机组转动惯量；
w0为转子转速的初始值；
wmin为转子转速的最小值；
PN为直驱型风电机组的额定功率；
ρ为空气密度；
R为风机半径；
v为风速；
t1和t2分别为转子转速变化初始时刻和结束时刻；
t为当前运行时刻；
Cp max为最大风能利用系数；
p为极对数；
f为***实际频率。
更进一步的，本优选实施方式中，步骤二中，
Figure BDA0002760430940000063
其中，K1为参考微分系数；
K2为参考比例系数。
更进一步的，具体参见图4，步骤三中，
Figure BDA0002760430940000071
具体应用时，一、针对某实际直驱型风电场，风电场内直驱型风电机组的参数如表1所示，功率特性曲线如图2所示，可以看出其转子转速变化范围是0.55p.u.≤wr≤1p.u.，在图2中
(1)启动区：曲线AB，风电机组转速为转子转速最小值0.55p.u.；
(2)最大风能追踪区：曲线BC，在这个区域，最大风能追踪系数CP为固定值；
(3)恒转速区：曲线CD，风电机组转速为转子转速最大值1p.u.。当直驱风电机组运行在不同的状态时，虚拟惯性时间常数不同。
表1 直驱风电机组主要参数
Figure BDA0002760430940000072
(A)直驱风电机组运行在启动区，转速小于0.55p.u.，风电机组不具备调频能力，所以直驱风电机组的虚拟惯性时间常数为0，即：
H＝0；
(B)直驱风电机组运行在最大风能追踪区，转速范围为0.55p.u.～1.0p.u.，最大风能追踪系数CP保持为0.478。在调频过程中，转子转速降低，CP随着转子转速的降低而减小，机组捕获的风能减小。最大风能追踪区中，桨距角控制不发生动作，所以直驱风电机组的虚拟惯性时间常数可以表示为：
Figure BDA0002760430940000081
式中，d为微分算子。
(C)直驱风电机组运行在恒转速区，转子转速为额定转速1.0p.u.，风电机组参与调频过程中，CP不断变化，风电机组的调频能力将随着输出功率的增大而减小，直驱风电机组的虚拟惯性时间常数为：
Figure BDA0002760430940000082
根据上述三个公式可知，直驱风电机组的虚拟惯性时间常数与转子转速初始值、转子转速变化时间、风速和机组自身参数有关。假设转子转速的变化时间为4s，根据直驱型风电机组在三种不同的运行状态下，虚拟惯性时间常数所对应的值，可以计算直驱风电机组的虚拟惯性时间常数H与转子转速w和输出功率P′的关系如图3所示。图3中，当风电机组运行在恒转速区之前时，虚拟惯性时间常数随着转子转速的增大而增大，***的惯性增强；风电机组运行在恒转速区之后时，虚拟惯性时间常数随着转子转速的增大而减小，***的惯性减弱。
二、计算风电机组的自适应下垂调频系数Kp和自适应虚拟惯性系数Kd：
Figure BDA0002760430940000083
式中，K1为参考微分系数，K2为参考比例系数，实施例中，K1和K2分别等于12和80。
三、实现自适应系数的转子惯性调频控制方法，通过计算风机在不同运行状态下的虚拟惯性时间常数得到自适应下垂调频系数Kp和自适应虚拟惯性系数Kd，进而计算出附加的有功功率参考值ΔP，将ΔP与PMPPT进行叠加，将叠加后获得的Pref送至变频器控制***，达到根据风电机组的不同运行状态，实时调整自适应调频控制系数(即为：Kp和Kd)，最大限度调用风电机组调频能力的目的，自适应调频系数Kp和Kd进行控制的框图如图4所示，从图中可以看出，附加的有功功率参考值ΔP可以表示为：
Figure BDA0002760430940000091
验证试验：为了验证所提出的适用于直驱风电场交流并网的调频控制方法的正确性，在电力***仿真软件PSCAD/EMDTC中搭建如图5所示的验证***。风电场由33台单机容量为1.5MW的直驱型风电机组组成，将整个风电场等值为单台风电机组，容量为50MVA。除参数如表1所示的直驱型风电机组，***还包括一台同步发电机和相应的负荷，直驱风电机组和同步发电机共同为负荷供电。同步发电机的参数如表2所示。1s时***负荷突然增加，***频率下降。在研究过程中，直驱风电机组分别采用定系数下垂控制方法和本发明控制方法(即：具备自适应性的调频控制方法)，采用定系数下垂控制方法时，下垂系数为12和30；采用本发明方法时，风电机组的调频能力由存储在其中的有效动能决定，因此，分别在低风速(6.3m/s)、中风速(7.5m/s)、高风速(12m/s)三种工况下进行仿真验证。
表2 同步发电机主要参数
Figure BDA0002760430940000092
(1)风速为6.3m/s
风速为6.3m/s时，***频率响应特性如图6所示。从图6中a至d图可以看出，相比于无附加调频控制，采用下垂控制时***频率最低点升高。当下垂系数为12时，转子转速下降，风电机组输出有功功率增加；当下垂系数为30时，转子转速不断下降，达到最小值0.55p.u.时，风电机组自动切除频率控制环节，导致***频率快速跌落，调频能力减弱；当采用自适应调频控制方法时，***频率最低点升高，风电机组出力增加，风电机组调频能力增强，验证了本发明调频控制方法的有效性。
(2)风速为7.5m/s
风速为7.5m/s时，***频率响应特性如图7所示。从图7中a至d图中可以看出，直驱风电机组采用定系数下垂控制时，随着下垂系数的增大，发电机转子转速变化范围增大，风电机组输出有功功率增加，***频率最低点升高。直驱风电机组采用本发明调频控制方法时，下垂系数随着转子转速的变化而变化，调频效果最好。因此，采用本发明调频控制方法的自适应性增强了风电机组的调频能力。
(3)风速为12m/s
风速为12m/s时，***频率响应特性如图8所示。从图8中a至d图中可以看出，转子转速达到最大值，在调频过程中，转子转速保持不变，桨距角发生动作。当风电机组采用本发明调频控制方法时，桨距角变化范围增大，***频率最低点升高，验证了本发明调频控制方法的自适应性的有效性。
综上，本发明根据直驱风电机组中存储的有效动能计算虚拟惯性时间常数，基于虚拟惯性时间常数提出了本发明所述的适用于直驱风电场交流并网的调频控制方法。在仿真软件上搭建相应的控制策略模型，在低、中、高三种风速下对改进调频控制策略进行了验证，结果表明基于虚拟惯性时间常数的自适应调频控制方法可以改善风电机组调频能力，增强***稳定性。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (4)

1.适用于直驱风电场交流并网的调频控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一、计算直驱型风电机组在相应运行状态下的虚拟惯性时间常数H；其中，直驱型风电机组运行状态包括运行在启动区、运行在最大风能追踪区和运行在恒转速区；
步骤二、根据相应运行状态下的虚拟惯性时间常数H，计算直驱型风电机组的自适应下垂调频系数Kp和自适应虚拟惯性系数Kd：
步骤三、根据***频率变化率
Figure FDA0002760430930000011
***频率偏差Δf、自适应下垂调频系数Kp和自适应虚拟惯性系数Kd，计算得到直驱型风电机组参与调频控制的附加有功功率参考值ΔP；并将附加有功功率参考值ΔP与PMPPT进行叠加，将叠加后获得的Pref送至直驱型风电机组变流器控制***，直驱型风电机组变流器控制***根据接收的Pref对直驱型风电机组的输出功率进行控制，从而实现对电网频率的调整；
PMPPT为直驱型风电机组的最大功率跟踪指令值；
Pref为直驱型风电机组的功率参考值。
2.根据权利要求1所述的适用于直驱风电场交流并网的调频控制方法，其特征在于，步骤一中：
(1)当直驱型风电机组运行在启动区时，H＝0，此时，w≤wMPPT_1；
(2)当直驱型风电机组运行在最大风能追踪区时，
Figure FDA0002760430930000012
此时，wMPPT_1≤w＜1p.u.；
(3)当直驱型风电机组运行在恒转速区时，
Figure FDA0002760430930000013
此时，w＝1p.u.；
其中，w为转子转速；
wMPPT_1为直驱型风电机组最大风能追踪区的起始转速；
J为直驱型风电机组转动惯量；
w0为转子转速的初始值；
wmin为转子转速的最小值；
PN为直驱型风电机组的额定功率；
ρ为空气密度；
R为风机半径；
v为风速；
t1和t2分别为转子转速变化初始时刻和结束时刻；
t为当前运行时刻；
Cpmax为最大风能利用系数；
p为极对数；
f为***实际频率。
3.根据权利要求1所述的适用于直驱风电场交流并网的调频控制方法，其特征在于，步骤二中，
Figure FDA0002760430930000021
其中，K1为参考微分系数；
K2为参考比例系数。
4.根据权利要求1所述的适用于直驱风电场交流并网的调频控制方法，其特征在于，步骤三中，
Figure FDA0002760430930000022
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