CN116191477A - 一种新能源惯量支撑方法、系统及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于新能源发电控制技术领域，公开了一种新能源惯量支撑方法、系统及电子设备。该方法根据风电场与电网公共耦合点的电压实时计算电网瞬时频率，并计算电网频率偏差；扰动检测器生成扰动标志位标记；根据风电机组转速加速阶段降低功率和风电机组在功率恒定阶段的有功功率增量、风机有功功率线性下降阶段保持时间，得到功率线性下降阶段的风机输出有功功率；计算有功出力保持阶段风电机组有功出力参考值；有功出力保持阶段风电机组有功出力参考值与最大功率追踪模式参考值对比，判断是否恢复最大功率追踪运行模式。本发明的方法保留了传统斜坡形SIC减小频率二次跌落的优点的同时，消除了风机失速的隐患。

Description

一种新能源惯量支撑方法、系统及电子设备

技术领域

本发明属于新能源发电控制技术领域，涉及一种新能源惯量支撑方法、系统及电子设备。

背景技术

近年来，电力系统中以风力发电、太阳能发电为主的新能源发电正逐步取代以煤炭为能量来源的传统火力发电。与常规同步发电机不同，风电机组中电力电子器件的广泛应用致使风机转子转速与系统频率解耦，风电机组对电网贡献表现为“零惯性”的特点。因此，大规模风电联网势必会导致系统整体惯性水平降低，恶化系统频率稳定性。

当发生功率扰动时，风机通过释放转子旋转动能来弥补系统有功缺额，表现出与同步发电机类似的调频能力，称为虚拟惯性控制。虚拟惯性控制通常可以分为基于频率响应的虚拟惯性控制(Frequency-based inertial control, FBIC) 和阶跃虚拟惯性控制(Stepwise inertial control, SIC)两类。

FBIC经辅助控制回路根据系统频率输入信号增加风机有功输出，包括微分控制和下垂控制。微分控制旨在减小频率变化率，在扰动初期频率变化率较大时发挥主要作用。下垂控制模拟同步机组一次调频，有助于改善频率最低点。FBIC具有较好的调频效果，但受频率测量滞后特性限制，其频率响应较慢。

SIC基于功率轨迹预设的控制方法，当系统频率偏差超出死区后，风机切换为调频模式，风机的输出功率由预设功率轨迹决定，从而获得短时超发功率为系统提供频率支撑。相比于FBIC，SIC具有更快的响应速度，但转速恢复阶段的大幅有功减载易引发严重的频率二次跌落，且不同风速下功率轨迹设定相同，限制了风机调频能力，低风速下风机易发生失速现象。为此，相关学者提出了一种斜坡型SIC方法，通过在减速阶段过渡到加速阶段设计线性减小的功率输出变化曲线，有效减缓了频率二次跌落。然而斜坡型SIC各参数间的不确定关系使得风机存在失速的隐患。因此，如何优化斜坡型SIC各参数间的关系，从而实现风机调频潜力的合理调用及保证风机稳定运行是亟需解决的一个问题。

发明内容

本发明针对现有斜坡型阶跃虚拟惯量控制（SIC）方法存在的不足，提出了一种新能源惯量支撑系统及方法，保证了功率扰动发生时，风电机组对于系统频率最低点的良好支撑作用；风机在频率支撑阶段的有功出力随着扰动大小变化而改变，实现了自适应调节；在保留了传统斜坡形SIC减小频率二次跌落的优点的同时，消除了风电机组失速的隐患。

在斜坡型SIC的基础上，本发明首先在风电机组功率恒定阶段，考虑系统实际扰动情况，建立与系统频率最大变化率正相关的阶跃功率增量，其主要目的是通过频率最大变化率反应扰动大小，进而调节风电机组转子动能参与系统调频的程度，实现风电机组跟踪的功率控制；其次在风机功率线性下降阶段，考虑风电机组转子有效旋转动能，建立了风电机组转速减速阶段增发功率、加速阶段降低功率与线性下降阶段时间的数学关系，得到风电机组有功功率线性下降阶段不引起风机失速的最大持续时间的计算公式，其主要目的是对风电机组减速阶段过渡到加速阶段的线性下降时间加以约束，在保证风电机组具有与现有SIC方法相同的频率支撑效果的前提下，防止风电机组失速，减小二次频率跌落。

本发明通过下述技术方案来实现。一种新能源惯量支撑方法，具体包括以下步骤：

S1：根据风电场与电网公共耦合点的电压实时计算电网瞬时频率，并计算电网频率偏差

f，当电网频率偏差超出设定的范围时，扰动检测器生成的扰动标志位标记为1，启动风电机组的阶跃惯性控制，并执行步骤S2，否则重复步骤S1，扰动标志位标记为0；

S2：采样功率扰动发生后的电网瞬时频率f(t₀)，计算出系统最大频率变化率；

S3：在兼顾频率支撑效果并保障功率恒定阶段不会导致风机失速的前提下，确定功率恒定阶段保持时间T_boost；根据系统最大频率变化率和频率调节因子，计算风电机组在功率恒定阶段的有功功率增量

P_boost及功率恒定阶段风电机组有功出力参考值P_ref1 ：

，

式中，(df/dt)_max为系统最大频率变化率，k_f为频率调节因子；

S4：经时间t₀+T_boost，t₀为功率扰动时刻，有功出力降低检测器生成的扰动标志位标记为1，采集t₁时刻的风电机组转子转速ω_t1；基于t₁时刻风电机组能够释放的最大旋转动能和SIC功率特性曲线，计算风电机组有功功率线性下降阶段保持时间T_drop：

，

式中，ω_min为风电机组最小转速限值；H为风电机组惯性时间常数；

P_UP为风电机组转速加速阶段降低功率；t₁为风电机组频率支撑阶段结束时刻，t₁=t₀+T_boost；

S5：根据风电机组转速加速阶段降低功率

P_UP和风电机组在功率恒定阶段的有功功率增量

P_boost、风机有功功率线性下降阶段保持时间T_drop，得到功率线性下降阶段的风机输出有功功率P_ref2：

，

式中，t为当前时刻,P₀为扰动发生时刻风电机组的有功功率输出值，P₀=P_MPPT(t₀)，P_MPPT(t₀)为MPPT控制模式下功率扰动时刻风电机组的有功功率输出值；

S6：经时间t₀+T_boost+T_drop，有功出力保持检测器生成的扰动标志位标记为1，计算有功出力保持阶段风电机组有功出力参考值P_ref3；

S7：有功出力保持阶段风电机组有功出力参考值与最大功率追踪模式参考值P_MPPT对比，当有功出力保持阶段风电机组有功出力参考值小于等于最大功率追踪模式参考值P_MPPT时，控制模式转换检测器生成标志位标记为1；电机组恢复最大功率追踪运行模式。

具体地，系统最大频率变化率按下式计算：

，式中，

t为电网瞬时频率的一个采样周期，f(t₀+

t)为t₀+

t时刻的电网瞬时频率。

具体地，功率恒定阶段风电机组有功出力参考值P_ref1按下式计算：

。

具体地，有功出力保持阶段风电机组有功出力参考值P_ref3按下式计算：

。

本发明还提供了一种新能源惯量支撑系统，由有功出力控制模块与检测器组成，其中有功出力控制模块包括功率恒定控制模块、线性下降控制模块与转速恢复控制模块；检测器包括扰动检测器、有功出力降低检测器、有功出力保持检测器和控制模式转换检测器；当电网频率偏差超出设定死区时，扰动检测器生成的扰动标志位为1，启动风电机组的阶跃惯性控制，风电机组进入功率恒定控制模块；经功率恒定阶段保持时间T_boost，有功出力降低检测器生成的扰动标志位标记为1，风电机组进入线性下降控制模块；经时间T_boost+T_drop，T_drop为风电机组有功功率线性下降阶段保持时间，有功出力保持检测器生成的扰动标志位标记为1，风电机组进入转速恢复控制模块，同时有功出力保持阶段风电机组有功出力参考值与最大功率追踪模式参考值对比，当有功出力保持阶段风电机组有功出力参考值小于等于最大功率追踪模式参考值时，控制模式转换检测器生成标志位标记为1；风电机组恢复最大功率追踪运行模式。

本发明还提供一种非易失性计算机存储介质，计算机存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令可执行上述一种新能源惯量支撑方法。

本发明还提供一种计算机程序产品，计算机程序产品包括存储在非易失性计算机存储介质上的计算机程序，计算机程序包括程序指令，当程序指令被计算机执行时，使计算机执行上述一种新能源惯量支撑方法。

本发明还提供一种电子设备，包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行一种新能源惯量支撑方法。

本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）本发明的方法是在风电机组转子侧变流器控制回路中附加功率轨迹预设回路，在系统频率偏移超出死区时，调用风电机组转子动能实现风电机组主动参与系统调频，响应迅速；

（2）本发明的方法采用的风电机组阶跃功率增量是关于电网最大频率变化率的正比例函数，即风电机组所提供的频率支撑作用与扰动大小呈正相关，从而保证了功率扰动发生时，风电机组对于系统频率最低点的良好支撑作用；当发生较大功率扰动时，风电机组在频率支撑阶段的有功出力随着扰动变大而增加，使风电机组能够更加充分地利用自身的旋转动能为系统提供频率支撑，减小系统最大频率偏差，实现了自适应调节。

（3）本发明的方法考虑了风电机组最大允许释放动能，建立了斜坡形SIC出功率线性下降阶段不引起风电机组失速的最大持续时间表达式。若在其他参数不变的情况下，设置的T_drop不超过计算的最大值就不会出现风电机组失速，且尽可能大的T_drop有利于减小频率二次跌落，因此，本发明的方法保留了传统斜坡形SIC减小频率二次跌落的优点的同时，消除了风机失速的隐患。

附图说明

图1是本发明提出的新能源惯量支撑的控制框图。

图2是本发明提出的新能源惯量支撑方法有功出力预设示意图。

图3是本发明的新能源惯量支撑方法受到同步机组脱机100 MW时电力系统频率曲线图。

图4是本发明的新能源惯量支撑方法受到同步机组脱机100 MW时风电机组有功出力曲线图。

图5是本发明的新能源惯量支撑方法受到同步机组脱机100 MW时风电机组转速曲线图。

图中：100-功率恒定控制模块、200-线性下降控制模块、300-转速恢复控制模块、400-扰动检测器、500-有功出力降低检测器、600-有功出力保持检测器、700-控制模式转换检测器。

具体实施方式

下面是结合附图对本发明所作的进一步详细说明，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，一种新能源惯量支撑方法，具体包括以下步骤：

S1：根据风电场与电网公共耦合点的电压实时计算电网瞬时频率，并计算电网频率偏差

f，当电网频率偏差超出设定的范围时，扰动检测器400生成的扰动标志位标记为1，启动风电机组的阶跃惯性控制，并执行步骤S2，否则重复步骤S1，扰动标志位标记为0；

S2：采样功率扰动发生后的电网瞬时频率f(t₀)，计算出系统最大频率变化率；

式中，(df/dt)_max为系统最大频率变化率，t₀为功率扰动时刻；

t为电网瞬时频率的一个采样周期，取值为260 µs，f(t₀+

t)为t₀+

t时刻的电网瞬时频率。

S3：在兼顾频率支撑效果并保障功率恒定阶段不会导致风机失速的前提下，确定功率恒定阶段保持时间T_boost；根据系统最大频率变化率和频率调节因子，计算风电机组在功率恒定阶段的有功功率增量

P_boost及功率恒定阶段风电机组有功出力参考值P_ref1，计算公式如下：

式中，k_f为频率调节因子,P₀为扰动发生时刻风电机组的有功功率输出值，P₀=P_MPPT(t₀)，P_MPPT(t₀)为MPPT控制模式下功率扰动时刻风电机组的有功功率输出值；

S4：经时间t₀+T_boost，有功出力降低检测器500生成的扰动标志位标记为1，采集t₁时刻的风电机组转子转速ω_t1；基于t₁时刻风电机组能够释放的最大旋转动能和SIC功率特性曲线，计算风电机组有功功率线性下降阶段保持时间T_drop，其表达式如下：

式中，ω_min为风电机组最小转速限值；H为风电机组惯性时间常数；

P_UP为风电机组转速加速阶段降低功率，取值为0.05p.u.；t₁为风电机组频率支撑阶段结束时刻，t₁=t₀+T_boost；

由式（4）可知，风电机组有功功率线性下降阶段保持时间T_drop的最大值是防止风电机组失速极值，在其他参数不变的情况下，只要设置的T_drop不超过式（4）计算的最大值就不会出现风电机组失速，且尽可能大的T_drop有利于减小频率二次跌落。因此，本发明的优化方案保留了斜坡形SIC减小频率二次跌落的优点，同时消除了风电机组失速的隐患。

S5：根据风电机组转速加速阶段降低功率

P_UP和风电机组在功率恒定阶段的有功功率增量

P_boost、风机有功功率线性下降阶段保持时间T_drop，得到功率线性下降阶段的风机输出有功功率P_ref2，计算公式如下：

式中，t为当前时刻。

S6：经时间t₀+T_boost+T_drop，有功出力保持检测器600生成的扰动标志位标记为1，计算有功出力保持阶段风电机组有功出力参考值；

式中，P_ref3为有功出力保持阶段风电机组有功出力参考值。

S7：有功出力保持阶段风电机组有功出力参考值与最大功率追踪模式参考值P_MPPT对比，当有功出力保持阶段风电机组有功出力参考值小于等于最大功率追踪模式参考值P_MPPT时，控制模式转换检测器700生成标志位标记为1；电机组恢复最大功率追踪运行模式。

如图2所示，当k_f=-50时,本发明提出的方法中风电机组在功率恒定阶段的有功功率增量

P_boost随频率变化率变化示意图。功率恒定阶段风电机组有功出力参考值是关于系统最大频率变化率的正比例函数，表现为：小扰动时，风电机组调用少量动能参与系统调频；大扰动时，风电机组能够自主调用更多的旋转动能参与系统调频。其目的是根据不同扰动大小释放合适的风电机组旋转动能，补偿系统有功功率缺失，改善系统频率最低点，提高系统频率稳定性，实现可控的风电机组功率控制。

为了验证本发明的有效性和适用性，搭建含高比例风电并网的IEEE14节点系统模型。在不同扰动、不同渗透率情形下对风电机组不参与系统调频（MPPT）、斜坡形阶跃控制以及本发明的方法三种情形进行了仿真分析比较。仿真中风速恒定为8m/s,斜坡形阶跃控制中

P_boost设定为0.18p.u.，而经计算本发明的方法的

P_boost为0.23p.u.，T_boost取值为4s，

P_UP设定为0.05p.u.，斜坡形阶跃控制中T_drop取值为10s。

图3-图5给出了IEEE14节点系统中同步机SG₂在50s时脱网，造成100 MW的功率缺额。图3中风电机组参与斜坡形阶跃控制和本发明的方法时系统频率最低点分别为59.100Hz和59.143Hz，可见本发明的方法对频率最低点起到较好的支撑作用。

图4中斜坡形阶跃控制的T_drop为10s，本发明的方法的T_drop为8s，功率下降比斜坡形阶跃控制更快，在功率线性下降阶段释放更少的旋转动能。由图5转子转速变化曲线可见，斜坡形阶跃控制在60s时释放的旋转动能超出最大值，转速达到最小限速值，出现风电机组失速现象，在图3中引起严重的频率二次跌落，而改进斜坡形SIC避免风机失速现象。因此，本发明的方法可以消除风电机组失速的隐患。

通过仿真结果可以清晰地看出，与现有阶跃控制方法相比，本发明提出的方法对于不同功率扰动场景的适应性更强，当系统发生大扰动时，采用本发明的方法，风电机组能够更加充分地利用转子旋转动能为系统提供频率支撑，减少系统最大频率偏差，提高系统频率稳定性；此外，通过计算得到功率线性下降阶段不引起风电机组失速的最大持续时间，对线性下降阶段时间加以约束，本发明的方法在功率线性下降阶段避免了功率的阶跃式降低，减小了频率二次跌落，同时有效防止了风电机组失速现象。

通过本发明方法，弥补了现有阶跃控制在不同运行工况下功率轨迹相同的不足，能够有效地解决高比例风电并网下电力系统频率稳定性下降问题，从风电机组角度来看，有效地提高了风电机组自身的调频能力，保证了风电机组的稳定运行；从电力系统层面来看，提高了高比例风电并网背景下电力系统频率的稳定性。

本实施例还提供一种新能源惯量支撑系统，参照图1，主要由有功出力控制模块与检测器组成，其中有功出力控制模块包括功率恒定控制模块100、线性下降控制模块200与转速恢复控制模块300；检测器包括扰动检测器400、有功出力降低检测器500、有功出力保持检测器600和控制模式转换检测器700。当电网频率偏差超出设定死区时，扰动检测器400生成的扰动标志位为1，启动风电机组的阶跃惯性控制，风电机组进入功率恒定控制模块100；经功率恒定阶段保持时间T_boost，有功出力降低检测器500生成的扰动标志位标记为1，风电机组进入线性下降控制模块200；经时间T_boost+T_drop，T_drop为风电机组有功功率线性下降阶段保持时间，有功出力保持检测器600生成的扰动标志位标记为1，风电机组进入转速恢复控制模块300，同时有功出力保持阶段风电机组有功出力参考值与最大功率追踪模式参考值对比，当有功出力保持阶段风电机组有功出力参考值小于等于最大功率追踪模式参考值时，控制模式转换检测器700生成标志位标记为1；风电机组恢复最大功率追踪运行模式。

在另一实施例中，提供了一种非易失性计算机存储介质，计算机存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令可执行上述任意实施例中的一种新能源惯量支撑方法。

本实施例还提供一种计算机程序产品，计算机程序产品包括存储在非易失性计算机存储介质上的计算机程序，计算机程序包括程序指令，当程序指令被计算机执行时，使计算机执行上述实施例的一种新能源惯量支撑方法。

本实施例提供一种电子设备，包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行一种新能源惯量支撑方法。

以上所述的具体实施方案，进一步详细地说明了本发明的目的、技术方案和技术效果。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，在不脱离本发明思想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 (8)

1.一种新能源惯量支撑方法，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实时计算电网瞬时频率，并计算电网频率偏差

f，当电网频率偏差超出设定的范围时，扰动检测器生成的扰动标志位标记为1，启动风电机组的阶跃惯性控制，并执行步骤S2，否则重复步骤S1，扰动标志位标记为0；

S2：采样功率扰动发生后的电网瞬时频率f(t₀)，计算出系统最大频率变化率；

S3：在兼顾频率支撑效果并保障功率恒定阶段不会导致风机失速的前提下，确定功率恒定阶段保持时间T_boost；根据系统最大频率变化率和频率调节因子，计算风电机组在功率恒定阶段的有功功率增量

P_boost及功率恒定阶段风电机组有功出力参考值P_ref1 ：

，

式中，(df/dt)_max为系统最大频率变化率，k_f为频率调节因子；

S4：经时间t₀+T_boost，t₀为功率扰动时刻，有功出力降低检测器生成的扰动标志位标记为1，采集t₁时刻的风电机组转子转速ω_t1；基于t₁时刻风电机组能够释放的最大旋转动能和SIC功率特性曲线，计算风电机组有功功率线性下降阶段保持时间T_drop：

，

式中，ω_min为风电机组最小转速限值；H为风电机组惯性时间常数；

P_UP为风电机组转速加速阶段降低功率；t₁为风电机组频率支撑阶段结束时刻，t₁=t₀+T_boost；

S5：根据风电机组转速加速阶段降低功率

P_UP和风电机组在功率恒定阶段的有功功率增量

P_boost、风机有功功率线性下降阶段保持时间T_drop，得到功率线性下降阶段的风机输出有功功率P_ref2：

，

式中，t为当前时刻,P₀为扰动发生时刻风电机组的有功功率输出值，P₀=P_MPPT(t₀)，P_MPPT(t₀)为MPPT控制模式下功率扰动时刻风电机组的有功功率输出值;

S6：经时间t₀+T_boost+T_drop，有功出力保持检测器生成的扰动标志位标记为1，计算有功出力保持阶段风电机组有功出力参考值P_ref3；

S7：有功出力保持阶段风电机组有功出力参考值与最大功率追踪模式参考值P_MPPT对比，当有功出力保持阶段风电机组有功出力参考值小于等于最大功率追踪模式参考值P_MPPT时，控制模式转换检测器生成标志位标记为1；电机组恢复最大功率追踪运行模式。

2.根据权利要求1所述的新能源惯量支撑方法，其特征在于，系统最大频率变化率按下式计算：

，式中，

t为电网瞬时频率的一个采样周期，f(t₀+

t)为t₀+

t时刻的电网瞬时频率。

3.根据权利要求2所述的新能源惯量支撑方法，其特征在于，功率恒定阶段风电机组有功出力参考值P_ref1按下式计算：

。

4.根据权利要求3所述的新能源惯量支撑方法，其特征在于，有功出力保持阶段风电机组有功出力参考值P_ref3按下式计算：

。

5.一种执行权利要求1-4任意一项所述的新能源惯量支撑方法的新能源惯量支撑系统，其特征在于，由有功出力控制模块与检测器组成，其中有功出力控制模块包括功率恒定控制模块、线性下降控制模块与转速恢复控制模块；检测器包括扰动检测器、有功出力降低检测器、有功出力保持检测器和控制模式转换检测器；当电网频率偏差超出设定死区时，扰动检测器生成的扰动标志位为1，启动风电机组的阶跃惯性控制，风电机组进入功率恒定控制模块；经功率恒定阶段保持时间T_boost，有功出力降低检测器生成的扰动标志位标记为1，风电机组进入线性下降控制模块；经时间T_boost+T_drop，T_drop为风电机组有功功率线性下降阶段保持时间，有功出力保持检测器生成的扰动标志位标记为1，风电机组进入转速恢复控制模块，同时有功出力保持阶段风电机组有功出力参考值与最大功率追踪模式参考值对比，当有功出力保持阶段风电机组有功出力参考值小于等于最大功率追踪模式参考值时，控制模式转换检测器生成标志位标记为1；风电机组恢复最大功率追踪运行模式。

6.一种非易失性计算机存储介质，其特征在于，计算机存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令可执行权利要求1-4任意一项所述的一种新能源惯量支撑方法。

7.一种计算机程序产品，其特征在于，计算机程序产品包括存储在非易失性计算机存储介质上的计算机程序，计算机程序包括程序指令，当程序指令被计算机执行时，使计算机执行权利要求1-4任意一项所述的一种新能源惯量支撑方法。

8.一种电子设备，其特征在于，包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1-4任意一项所述的一种新能源惯量支撑方法。

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