CN114268136A - 考虑同步机频率响应特性的风机步进惯性控制改进方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑同步机频率响应特性的风机步进惯性控制改进方法，针对风机传统步进惯性控制在转速恢复阶段造成的频率二次跌落问题，本发明充分考虑同步机的频率响应特性，利用风机功率输出快速灵活和可塑性强的优点，改进其退出调频方式；当频率事件发生时，风机立即增加有功输出，并在一定时间内保持恒定功率；当频率达到最低点时，风机功率随着同步机功率的增加而减小，共同弥补负荷功率缺额。在克服二次跌落问题的同时，进一步提高初始功率支撑，从而达到减小最大频率偏差的目的。

Description

考虑同步机频率响应特性的风机步进惯性控制改进方法

技术领域

本发明属于风机一次调频控制策略技术领域，特别是一种考虑同步机频率响应特性的风机步进惯性控制改进方法。

背景技术

大规模风电并网使得电网的惯性水平下降，电网的频率稳定性面临巨大挑战。风电机组通常运行于最大功率跟踪模式下，其转子转速与电网频率解耦，不能通过调节出力来响应电网的频率变化。为了维持电力***的安全稳定运行，迫切需要风机具备一定的电网频率辅助调节功能。处于MPPT方式下的风机响应电网频率变化的调频方式为惯性控制，其本质是通过吸收或释放转子动能对电网频率进行短时支撑，减小风电并网给***带来的不利影响。

传统的步进式惯性控制(Stepwise Inertial Control,SIC)在发生扰动时，立即增加恒定的输出功率，并维持一段时间，直至转子转速达到其下限，迅速切换回MPPT模式下运行。相比于基于频率的惯性控制如虚拟惯性控制和下垂控制，步进式惯性控制在负荷事件发生的瞬间释放更多的转子动能，可以更好地改善频率最低点。

由于风机的转子动能有限，惯性控制下风机难以长时间维持高功率输出。若风机的转子转速降至其下限，转子的转差功率将会超过转子侧变频器的容量，此时风机与电力***断开，退出调频，以保护转子侧变频器。因此，惯性控制策略必须在转子达到最小允许转速之前终止，并会导致风机有功功率输出的突然下降，在转速恢复过程中造成***频率新一轮的下跌，即频率的二次跌落。

一些研究通过改变SIC的退出方式缓解频率二次跌落的问题，但目前有关SIC退出方式的研究往往聚焦于风机本身，而忽略了风机与参与调频的同步发电机组之间的相互影响。有文献指出充分利用风机调频的快速灵活和可塑性强的优点，通过风机与同步机的协调配合获得更好的调频效果。但直接通过优化算法获取最优输出功率曲线并对其进行拟合的做法，仅能得到针对给定***工况和扰动的较为理想化的控制策略，难以实际应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种考虑同步机频率响应特性的风机步进惯性控制改进方法。

实现本发明目的的技术方案如下：一种考虑同步机频率响应特性的风机步进惯性控制改进方法，包括以下步骤：

步骤1：假设风机在一次调频过程中以恒定初始功率P_e0输出，基于电网频率响应模型，推导出同步机输出功率的表达式P_m(t)；

步骤2：根据步骤1推导出的P_m(t)表达式，分析出达到频率最低点的时间t_n1与负荷突增量P_step、风机功率P_e0无关；

步骤3：根据步骤1推导出的P_m(t)表达式，计算风机的输出功率表达式ΔP_m(t)；

步骤4：根据步骤2的结论，利用步骤3推导的ΔP_m(t)表达式得到改进风机调频控制的功率输出表达式P_e(t)；

步骤5：遍历搜索获得风速v和负荷突增量P_step对应的最优风机初始功率P_{e0_opt}，其值使电网最大频率偏差量最小；

步骤6：利用电网的初始频率变化率估算负荷突增量P_step；

步骤7：将步骤5、步骤6得到的最优风机初始功率P_{e0_opt}和负荷突增量P_step代入到步骤4获得的风机功率表达式P_e(t)中，实现对风机步进惯性控制的改进。

进一步的，其步骤1中的简化***频率响应模型将风电机组看作是一个变化的负载，则该***的频率响应表达式：

式中，P_d为负荷功率输出，P_e为风电功率输出，F_H是再热汽轮机输出功率占比，H为***的等效惯性时间常数，D为阻尼系数，K_m为***单位调节功率，T_R为再热时间常数，R为调速器调节系数；

假设风机在频率调节过程中始终保持恒定的输出功率，将其在恢复阶段前的输出功率随时间的变化关系表示为P_e0(t)＝P_MPPT+P_upu(t)，其中，P_MPPT是风机运行在MPPT模式下的有功出力，负荷功率随时间的变化关系表示为P_d(t)＝P_stepu(t)，u(t)为单位阶跃函数。推导出在时域上的同步机的输出功率：

其中，k_opt是最优转矩增益系数，ω_opt是风机最大输出功率对应的最优转矩，

进一步的，其步骤2中利用拉普拉斯变换将P_e(t)和P_d(t)转化为频域表达式后代入***的频率响应表达式中得到：

接着将其转化为时域表达式：

式中，

根据该频率时域表达式可以得到达到由负载扰动引起的频率最低点的时间t_n1与负荷突增量P_step、风机功率突增量P_up无关，因此发生扰动后，达到频率最低点的时间不变，只需要在该固定时间点t_n1后对风机的输出功率策略进行改进即可。

进一步的，其步骤3中计算同步机实时输出功率与第一次到达频率最低点时同步机有功输出之间的差值，即

进一步的，其步骤4中将ΔP_m(t)代入得到改进之后的风机输出功率的控制策略：

其中，t₀是负荷事件发生时间，t_n1是频率一次跌落达到最低点的时间，t_off是风机切换会MPPT模式的时间，由风机的运行状态决定；当递减的有功功率输出与转子转速满足

时，风机切换回MPPT运行模式，时间点为t_off，ω_W是风机的实时运行转速。

进一步的，其步骤5中改变支撑量P_up进行仿真遍历，支撑量的范围为0.04p.u.～0.1p.u.，步长为0.02p.u.，对其支撑时间、最大频率偏差以及最低转速进行比较。P_up越大，其支撑时间越长，最大频率偏差越小，最低转速越低。因此存在最优的P_up使得最低转速达到转速下限，支撑时间最长且最大频率偏差最小。设置风机转子转速下限为0.7p.u.，通过仿真计算和遍历搜索获得不同风速和负荷突增量的工况下对应的最优风机支撑量P_up。具体地，通过遍历恒定风速(风速范围为7～12m/s，步长为0.5m/s)和负荷突增量(0.06p.u.～0.2p.u.，步长为0.02p.u.)时测得的电网最大频率偏差，获得使其值最小的风机功率支撑量P_{up_opt}。

进一步的，其步骤6中针对负荷波动的幅度通常很难准确检测的问题，根据负荷事件发生时(t＝0)的频率变化率估算负荷变化量P_step：

其中频率作为电网重要的电能质量指标，可以实时准确监测，负荷事件发生的时刻可以配合调频死区进行估算。

进一步的，其步骤7中将有第五步和第六步获得的参数P_{up_opt}和P_step代入到风机输出功率的控制策略中，得到可以最优化频率响应的改进步进惯性控制。该改进方法可以使得风机与同步机较好地配合完成一次调频，不仅提高了***的最低频率，而且避免了频率二次跌落的现象。

一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述考虑同步机频率响应特性的风机步进惯性控制改进方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述考虑同步机频率响应特性的风机步进惯性控制改进方法的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)充分发挥风机在功率快速调节方面以及同步机在持续支撑能力方面所具有的优势，通过风机和同步机之间的协调配合，有效避免风机调频过程中的频率二次跌落问题；

(2)通过遍历计算和估算分析出的参数，可以使风机能够在负荷事件初期释放更多的转子动能，减少频率跌落。

附图说明

图1为本发明的频率响应模型，是该发明的模型基础。

图2为本发明提出的考虑同步机频率响应特性的风机SIC改进方法的控制框图。

图3为本发明中的同步机调频输出功率曲线。

图4为本发明中***频率偏差曲线。

图5为本发明中风机输出功率与转速曲线。

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明专利。

具体实施方式

为了解决现有改善频率二次跌落问题的方法中忽略了风机和同步机之间相互影响的问题，本发明提供了一种通过研究负荷事件发生后同步机响应频率变化的出力变化过程，并在此基础上考虑同步机频率响应特性的风机SIC改进方法。通过风机和同步机之间的协调配合，使整个调频过程由风机主导的功率支撑逐渐过渡为同步机主导的功率支撑，以此充分发挥风机在功率快速调节方面以及同步机在持续支撑能力方面所具有的优势，进而有效避免风机调频过程中的频率二次跌落问题，同时使风机能够在负荷事件初期释放更多的转子动能，减小最大频率偏差。

假设风机在频率调节过程中始终保持恒定的输出功率，利用简化的***频率响应模型，对调频过程中的同步机频率响应特性进行分析，进一步得到***的频率响应特性，从而得到同一***达到频率最低点的时间是恒定不变的结论；然后根据得到的同步机输出功率计算风机期望的有功输出跌落方式曲线表达式，将风机有功出力过程组合得到改进方式的控制策略；然后验证在该控制策略下，风机上下降的电功率速率始终不大于此时同步机上升的电功率速率；最后通过仿真遍历和估算分析得到控制策略中参数的最优值，并用仿真验证该策略的有效性。

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

参见图1所示，将风电机组看作是一个变化的负载，建立***的简化频率响应模型。该***包括一个等效同步机P_m、一个等效风力机P_e和一个等效负载P_d。针对该频率响应模型，分析同步机的调频出力特性，按照同步机的有功出力改进风机的有功出力，使整个***的输出功率不会因为风机退出调频而减少。最后对比本方法与传统SIC方法和风机不参与调频的情况(即采用MPPT控制)，验证了本发明所提方法的可行性和优越性。

具体而言，本方法包括如下步骤：

在改进策略中假设风机在频率调节过程中始终保持恒定的输出功率，将其在恢复阶段前的输出功率随时间的变化关系表示为P_e0(t)＝P_MPPT+P_upu(t)，负荷功率随时间的变化关系表示为P_d(t)＝P_stepu(t)，u(t)为单位阶跃函数。推导出在时域上的同步机的输出功率：

其中，

频率响应表达式：

利用拉普拉斯变换将P_e(t)和P_d(t)转化为频域表达式后代入***的频率响应表达式中得到：

接着将其转化为时域表达式：

式中，

根据该频率时域表达式可以得到达到由负载扰动引起的频率最低点的时间t_n1与负荷突增量P_step、风机功率突增量P_step无关，因此发生扰动后，达到频率最低点的时间不变，只需要在该固定时间点t_n1后对风机的输出功率策略进行改进即可。

利用P_m(t)计算同步机实时功率和达到第一次频率最低点时同步机输出之间的差值，即

将ΔP_m(t)代入得到改进之后的风机输出功率的控制策略，以此达到共同弥补负荷功率缺额的目的：

其中，t_off由风机的运行状态决定。当递减的有功功率输出与转子转速满足

时，风机切换回MPPT运行模式，时间点为t_off。其控制框图参见图2。

在该策略下，整个***的输出功率始终保持只升不降的趋势。由于整个策略的提出是基于假定风机在一次调频过程中始终维持恒功率输出，但实际控制策略中的风机的功率输出随同步机功率的上升而不断变化。对比风电功率按式(5)减小和恒定不变两种情况下的同步机输出功率，如图3所示，反向叠加到风机上的电功率的降低速率小于等于此时同步机的上升速率。因此，***频率的最低点始终在时刻t_n1达到，且不会造成频率的二次跌落现象。

由式(1)和式(5)可知，同步机和风机的出力曲线受很多参数影响。改变支撑量P_up进行仿真遍历，支撑量的范围为0.04p.u.～0.1p.u.，步长为0.02p.u.，对其支撑时间、最大频率偏差以及最低转速进行比较。结果如表1所示，P_up越大，其支撑时间越长，最大频率偏差越小，最低转速越低。因此存在最优的P_up使得最低转速达到转速下限，支撑时间最长且最大频率偏差最小。设置风机转子转速下限为0.7p.u.，通过仿真计算和遍历搜索获得不同风速和负荷突增量的工况下对应的最优风机支撑量P_up。具体地，通过遍历恒定风速(风速范围为7～12m/s，步长为0.5m/s)和负荷突增量(0.06p.u.～0.2p.u.，步长为0.02p.u.)时测得的电网最大频率偏差，获得使其值最小的风机功率支撑量P_{up_opt}。

表1风机功率支撑对仿真结果的影响

针对负荷波动的幅度通常很难准确检测的问题，根据负荷事件发生时(t＝0)的频率变化率估算负荷变化量P_step：

其中频率作为电网重要的电能质量指标，可以实时准确监测，负荷事件发生的时刻可以配合调频死区进行估算。

将获得的参数P_{up_opt}和P_step代入到风机输出功率的控制策略中，在MATLAB/Simulink环境下搭建仿真模型进行仿真，常规机组采用1台4.8MW的汽轮机，风电部分采用2台0.6MW的双馈风机，风电渗透率约为20％。

将本发明提出的改进方法与传统SIC方法和风机不参与调频的情况(即采用MPPT控制)进行比较。在11m/s的恒风速下，采用80s的仿真验证。为考察风机的响应能力，在30s时，增加0.12p.u.的负荷，从***频率偏差、风机输出用功功率、风机转子转速3个方面进行分析。为保证公平性，通过遍历的方式分别得到两种SIC方法的最优参数，即能够使最大频率偏差最小的参数值。

仿真结果如图4和5所示，当负荷突变时，相较于传统的SIC方法，本发明设计的考虑同步机频率响应特性的风机SIC改进方法在调频的初始时刻，风机输出较多的有功功率，之后缓慢地减少有功输出，恢复到调频之前的运行状态。改进方法将尽可能多的风机转子动能利用到了抬升***频率上，而非恢复转子转速上。验证了该方法可以使得风机与同步机较好地配合完成一次调频，不仅能够有效提高负荷事件发生后的***最低频率，同时还有效避免了频率的二次跌落，保持稳态频率不变。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种考虑同步机频率响应特性的风机步进惯性控制改进方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：假设风机在一次调频过程中以恒定初始功率P_e0输出，基于电网频率响应模型，推导出同步机输出功率的表达式P_m(t)；

步骤2：根据步骤1推导出的P_m(t)表达式，分析出达到频率最低点的时间t_n1与负荷突增量P_step、风机功率P_e0无关；

步骤3：根据步骤1推导出的P_m(t)表达式，计算风机的输出功率表达式ΔP_m(t)；

步骤4：根据步骤2的结论，利用步骤3推导的ΔP_m(t)表达式得到改进风机调频控制的功率输出表达式P_e(t)；

步骤5：遍历搜索获得风速v和负荷突增量P_step对应的最优风机初始功率P_{e0_opt}，其值使电网最大频率偏差量最小；

步骤6：利用电网的初始频率变化率估算负荷突增量P_step；

步骤7：将步骤5、步骤6得到的最优风机初始功率P_{e0_opt}和负荷突增量P_step代入到步骤4获得的风机功率表达式P_e(t)中，实现对风机步进惯性控制的改进。

2.根据权利要求1所述的考虑同步机频率响应特性的风机步进惯性控制改进方法，其特征在于，其步骤1中的简化***频率响应模型将风电机组看作是一个变化的负载，则该***的频率响应表达式：

式中，P_d为负荷功率输出，P_e为风电功率输出，F_H是再热汽轮机输出功率占比，H为***的等效惯性时间常数，D为阻尼系数，K_m为***单位调节功率，T_R为再热时间常数，R为调速器调节系数；

假设风机在频率调节过程中始终保持恒定的输出功率，将其在恢复阶段前的输出功率随时间的变化关系表示为P_e0(t)＝P_MPPT+P_upu(t)，其中，P_MPPT是风机运行在MPPT模式下的有功出力，负荷功率随时间的变化关系表示为P_d(t)＝P_stepu(t)，u(t)为单位阶跃函数；推导出在时域上的同步机的输出功率：

其中，k_opt是最优转矩增益系数，ω_opt是风机最大输出功率对应的最优转矩，

3.根据权利要求1所述的考虑同步机频率响应特性的风机步进惯性控制改进方法，其特征在于，其步骤2利用拉普拉斯变换将P_e(t)和P_d(t)转化为频域表达式后代入***的频率响应表达式中得到：

接着将其转化为时域表达式：

式中，

根据该频率时域表达式可得到达到由负载扰动引起的频率最低点的时间t_n1与负荷突增量P_step、风机功率突增量P_up无关，因此发生扰动后，达到频率最低点的时间不变，仅需要在该固定时间点t_n1后对风机的输出功率策略进行改进即可。

4.根据权利要求1所述的考虑同步机频率响应特性的风机步进惯性控制改进方法，其特征在于，步骤3计算同步机实时输出功率与第一次到达频率最低点时同步机有功输出之间的差值，即

5.根据权利要求1所述的考虑同步机频率响应特性的风机步进惯性控制改进方法，其特征在于，步骤4将ΔP_m(t)代入得到改进之后的风机输出功率的控制策略：

其中，t₀是负荷事件发生时间，t_n1是频率一次跌落达到最低点的时间，t_off是风机切换会MPPT模式的时间，由风机的运行状态决定；当递减的有功功率输出与转子转速满足

时，风机切换回MPPT运行模式，时间点为t_off，ω_W是风机的实时运行转速。

6.根据权利要求1所述的考虑同步机频率响应特性的风机步进惯性控制改进方法，其特征在于，步骤5改变支撑量P_up进行仿真遍历，支撑量的范围为0.04p.u.～0.1p.u.，步长为0.02p.u.，对其支撑时间、最大频率偏差以及最低转速进行比较；P_up越大，其支撑时间越长，最大频率偏差越小，最低转速越低；因此存在最优的P_up使得最低转速达到转速下限，支撑时间最长且最大频率偏差最小；设置风机转子转速下限为0.7p.u.，通过仿真计算和遍历搜索获得不同风速和负荷突增量的工况下对应的最优风机支撑量P_up；通过遍历恒定风速和负荷突增量时测得的电网最大频率偏差，获得使其值最小的风机功率支撑量P_{up_opt}。

7.根据权利要求1所述的考虑同步机频率响应特性的风机步进惯性控制改进方法，其特征在于，其步骤6针根据负荷事件发生时的频率变化率估算负荷变化量P_step：

。

8.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1～7中任一项所述考虑同步机频率响应特性的风机步进惯性控制改进方法的步骤。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1～7中任一项所述考虑同步机频率响应特性的风机步进惯性控制改进方法的步骤。

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