CN114285049A - 一种功率型电容协同pmsg风机参与一次调频的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种功率型电容协同PMSG风机参与一次调频的控制方法，该发明采用超级电容对PMSG风机并网变流器进行升级，并提出一种储能与PMSG风机协同参与电网一次调频的控制策略，解决目前PMSG风机一次调频能力弱的问题，本发明不需要改变PMSG风机背靠背变流器的结构和控制，也不需要预留调频用备用容量，并且采用风储协同的控制方式，可最大化利用风机本身的调频能力，尽可能减少超级电容的容量配置，提升了PMSG风机全生命周期参与电网调频的经济性。

Description

一种功率型电容协同PMSG风机参与一次调频的控制方法

技术领域

本发明属于新能源发电技术领域，具体涉及一种功率型电容协同PMSG风机参与一次调频的控制方法。

背景技术

风力发电机一般运行在MPPT模式，因此风力发电机的调频能力主要受制于向上的功率调节能力，无法在全工况下参与电网的一次调频。此外，最新的《电力***安全稳定导则GB 38755-2019》要求新能源表现出并网友好型的特点，要与传统火电、水电一样参与电网一次调频。因此，有许多学者对PMSG风力发电机参与电网一次调频展开了研究，如下：

李军徽,高卓,应鸿提出了基于动态下垂系数与SOC基点的储能一次调频控制策略，该现有技术为基于电化学储能提出一种基于动态下垂系数与动态SOC基点的储能一次调频控制策略，在保证储能调频效果的同时兼顾储能电量，高效利用储能资源满足风力发电的电网一次调频需求。但是该文献仅考虑了采用储能来响应电网调频需求，并未深度挖掘风力发电机本身的调频能力，实际上转子动能也可为风力发电机响应电网一次调频提供一定的能量。而且，电化学储能属于能量型储能，尤其使这种集中式的大规模电化学储能更适合调峰使用，对于电网频繁快速的一次调频需求，采用分布式的功率型储能更为理想。

颜湘武,王德胜,杨琳琳提出了直驱风机惯量支撑与一次调频协调控制策略，该现有技术针对单台并网直驱风机，在全风速工况下，提出一种惯量支撑与一次调频协调控制策略，通过采用附加功率给定控制，利用风轮机机械动能实现虚拟惯量支撑，在背靠背变流器直流母线侧配置储能，并结合变功率跟踪控制实现一次调频功能。然而，共用直流母线的方式，可能会使直流母线上流过超过原设计峰值的电流，同时也会让风机变流器开关器件的电流超过其能承受的最大峰值电流，使风机变流器产生不可逆的损害。因此，这种共用直流母线的方式，需要风机厂商紧密配合，从器件的选型开始对风机变流器进行深度改造，显然这在工程实际中是很难操作的。

由上述现有技术可看出，现有的储能配合风力发电机参与电网一次调频的方法主要是分为两种：一种是采用集中式能量型储能，从储能本身的调频能力入手，但并未深度挖掘风力发电机本身的调频能力；另一种是采用分布式功率型储能，但由于采用共用直流母线的方式，虽然可节省储能变流器的成本，但却需要从器件的选型开始对风机变流器进行深度改造，显然难以工程应用。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种不需要改变PMSG风机背靠背变流器的结构和控制，也不需要预留调频用备用容量，通过在PMSG风机并网点处加装储能调频单元，利用风储协同参与电网一次调频的技术。

一种功率型电容协同PMSG风机参与一次调频的控制方法，它包括以下步骤：

步骤1：在PMSG风机并网点处加装储能调频单元；

步骤2：通过锁相环(PLL)检测PMSG风机并网点的频率f_pll，并计算并网点频率偏差Δf

步骤3：设置一次调频死区f_dz，并判断并网点频率偏差Δf的绝对值是否超过f_dz；若|Δf|≤f_dz，则返回步骤2继续检测Δf，否则进入步骤4开始一次调频；

步骤4：根据设定的调差系数δ，计算调频的总功率需求ΔP_M；

步骤5：判断Δf的正负，若Δf＞0，表明***功率不足，则向电网注入有功；此时，利用风机动能提供调频功率，设置风机退出调频的最小转速限值为ω_min，当ω_r＞ω_min时，风机增发调频功率；若ω_r≤ω_min，则风机退出调频，剩余功率缺额由超级电容补充，即进入步骤6；

步骤6：判断超级电容的荷电状态(S_SOC)是否在***允许的范围内；

步骤7：若Δf≤0，表明***功率过剩，则降低注入到电网有功功率；

步骤8：当S_soc＞S_max时，超级电容退出调频，若此时***功率依然过剩，则减小风机有功出力；

步骤9：为避免风机因转子超速被切出，此时风机需调整桨距角，退出MPPT控制；

步骤10：再次判断频率偏差Δf的绝对值是否小于一次调频死区f_dz，若|Δf|≤f_dz，则结束一次调频。

在步骤2中，在计算并网点频率偏差Δf时，采用的公式为：

Δf＝f_n-f_pll (1)

其中，f_n为电网额定频率；

在步骤4中，采用的计算公式为：

在步骤5中，当ω_r＞ω_min时，风机按照下式增发调频功率：

在步骤6中，若S_min≤S_SOC≤S_max，则修正储能控制的下垂系数，使超级电容输出符需求的功率，其计算公式如下：

其中，ΔP_{sc_o}为超级电容输出功率；k为下垂系数。

在步骤7中，在降低注入到电网的有功功率时，首先最大程度利用超级电容吸收PMSG风力发电机输出的部分功率，尽可能减少弃风；判断超级电容的S_SOC是否在***允许的范围内，若S_soc≤S_max，则超级电容以最大下垂系数充电，公式如下：

ΔP_{sc_i}＝k_maxΔf (4)

其中，ΔP_{sc_i}为超级电容吸收功率；k_max为超级电容的最大下垂系数。

在步骤8中，风机需要减小有功出力为：

ΔP_{e_sub}＝ΔP_M-ΔP_{sc_i} (5)

其中，ΔP_{e_sub}风机需要减小的有功功率。

在步骤9中，风机需调整桨距角，退出MPPT控制，保持：

P_M＝P_MPPT-ΔP_{e_sub} (6)

其中，P_MPPT为MPPT控制时捕获的最大功率；P_M为风机实际捕获的功率。

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

1)本发明针对风机现有参与电网一次调频技术的不足，提供了一种功率型电容协同PMSG风机参与一次调频的控制方法，本发明不需要改变PMSG风机背靠背变流器的结构，采用功率型储能-超级电容，合理利用风机本身的调频能力和储能变流器的灵活控制，提升PMSG风力发电机参与电网调频的经济性，该方法也适合已投运风机的改造；

2)本发明可有效增强PMSG风机全工况下参与电网一次调频能力，响应最新《电力***安全稳定导则GB 38755-2019》的要求，且本发明不需要改变PMSG风机背靠背变流器的结构和控制，也不需要预留调频用备用容量，并且采用风储协同的控制方式，可最大化利用风机本身的调频能力，尽可能减少超级电容的容量配置，提升了PMSG风机全生命周期参与电网调频的经济性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为基于超级电容的PMSG风机结构示意图；

图2为并网点频率偏差Δf计算模块；

图3为PMSG风机机侧变换器控制框图；

图4为储能变流器DC/DC控制框图；

图5为本发明中风储协调控制流程图。

具体实施方式

如图1至图5所示，一种功率型电容协同PMSG风机参与一次调频的控制方法，它包括以下步骤：

A1)本发明在PMSG风机并网点处加装储能调频单元，主要包括储能变流器和超级电容器，如图1所示；

A2)通过锁相环(PLL)检测PMSG风力发电机并网点的频率f_pll，并计算并网点频率偏差Δf，其计算方式如下：

Δf＝f_n-f_pll (1)

其中，f_n＝50Hz为电网额定频率；

A3)设置一次调频死区f_dz，并判断并网点频率偏差Δf的绝对值是否超过f_dz。若|Δf|≤f_dz，则返回A2)继续检测Δf，否则进入A4)开始一次调频；

A4)根据设定的调差系数δ，计算调频的总功率需求ΔP_M，如下：

A5)判断Δf的正负。若Δf＞0，表明***功率不足，需要向电网注入有功。此时，首先最大程度利用风机动能提供调频功率，有助于减小超级电容的容量，降低改造成本。为避免风机因转子转速ω_r过低切出，设置风机退出调频的最小转速限值为ω_min，当ω_r＞ω_min时，风机按照下式增发调频功率：

若ω_r≤ω_min，则风机退出调频，剩余功率缺额由超级电容补充，即进入步骤A6)；

A6)判断超级电容的荷电状态(S_SOC)是否在***允许的范围内，若S_min≤S_SOC≤S_max，则修正储能控制的下垂系数，使超级电容输出符需求的功率，其计算公式如下：

其中，ΔP_{sc_o}为超级电容输出功率；k为下垂系数；

A7)若Δf≤0，表明***功率过剩，需要降低注入到电网有功功率。此时，首先最大程度利用超级电容吸收PMSG风力发电机输出的部分功率，尽可能减少弃风。判断超级电容的S_SOC是否在***允许的范围内，若S_soc≤S_max，则超级电容以最大下垂系数充电，公式如下：

ΔP_{sc_i}＝k_maxΔf (4)

其中，ΔP_{sc_i}为超级电容吸收功率；k_max为超级电容的最大下垂系数；

A8)当S_soc＞S_max时，超级电容退出调频，若此时***功率依然过剩，则风机需要减小有功出力，其减小量为：

ΔP_{e_sub}＝ΔP_M-ΔP_{sc_i} (5)

其中，ΔP_{e_sub}风机需要减小的有功功率；

A9)为避免风机因转子超速被切出，此时风机需调整桨距角，退出MPPT控制，保持：

P_M＝P_MPPT-ΔP_{e_sub} (6)

其中，P_MPPT为MPPT控制时捕获的最大功率；P_M为风机实际捕获的功率。

A10)再次判断频率偏差Δf的绝对值是否小于一次调频死区f_dz，若|Δf|≤f_dz，则结束一次调频。风储协调控制流程如图5所示。

本发明不需要改变PMSG风机背靠背变流器的结构和控制，也不需要预留调频用备用容量，通过在PMSG风机并网点处加装储能调频单元，利用风储协同参与电网一次调频，响应最新《电力***安全稳定导则GB 38755-2019》的要求。

Claims (7)

1.一种功率型电容协同PMSG风机参与一次调频的控制方法，其特征在于，它包括以下步骤：

步骤1：在PMSG风机并网点处加装储能调频单元，包括储能变流器和超级电容；

步骤2：通过锁相环(PLL)检测PMSG风机并网点的频率f_pll，并计算并网点频率偏差Δf

步骤3：设置一次调频死区f_dz，并判断并网点频率偏差Δf的绝对值是否超过f_dz；若|Δf|≤f_dz，则返回步骤2继续检测Δf，否则进入步骤4开始一次调频；

步骤4：根据设定的调差系数δ，计算调频的总功率需求ΔP_M；

步骤5：判断Δf的正负，若Δf＞0，表明***功率不足，则向电网注入有功；此时，利用风机动能提供调频功率，设置风机退出调频的最小转速限值为ω_min，当ω_r＞ω_min时，风机增发调频功率；若ω_r≤ω_min，则风机退出调频，剩余功率缺额由超级电容补充，即进入步骤6；

步骤6：判断超级电容的荷电状态(S_SOC)是否在***允许的范围内；

步骤7：若Δf≤0，表明***功率过剩，则降低注入到电网有功功率；

步骤8：当S_soc＞S_max时，超级电容退出调频，若此时***功率依然过剩，则减小风机有功出力；

步骤9：为避免风机因转子超速被切出，此时风机需调整桨距角，退出MPPT控制；

步骤10：再次判断频率偏差Δf的绝对值是否小于一次调频死区f_dz，若|Δf|≤f_dz，则结束一次调频。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：

在步骤2中，在计算并网点频率偏差Δf时，采用的公式为：

Δf＝f_n-f_pll (1)

其中，f_n为电网额定频率；

在步骤4中，采用的计算公式为：

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在步骤5中，当ω_r＞ω_min时，风机按照下式增发调频功率：

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在步骤6中，若S_min≤S_SOC≤S_max，则修正储能控制的下垂系数，使超级电容输出符需求的功率，其计算公式如下：

其中，ΔP_{sc_o}为超级电容输出功率；k为下垂系数。

5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在步骤7中，在降低注入到电网的有功功率时，首先最大程度利用超级电容吸收PMSG风力发电机输出的部分功率，尽可能减少弃风；判断超级电容的S_SOC是否在***允许的范围内，若S_soc≤S_max，则超级电容以最大下垂系数充电，公式如下：

ΔP_{sc_i}＝k_maxΔf (4)

其中，ΔP_{sc_i}为超级电容吸收功率；k_max为超级电容的最大下垂系数。

6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在步骤8中，风机需要减小有功出力为：

ΔP_{e_sub}＝ΔP_M-ΔP_{sc_i} (5)

其中，ΔP_{e_sub}风机需要减小的有功功率。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤9中，风机需调整桨距角，退出MPPT控制，保持：

P_M＝P_MPPT-ΔP_{e_sub} (6)

其中，P_MPPT为MPPT控制时捕获的最大功率；P_M为风机实际捕获的功率。

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