CN112994043A - 自同步双馈风电机组惯量与一次调频的控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自同步双馈风电机组惯量与一次调频的控制方法及系统，包括：基于电网频率变化量计算自同步双馈风电机组参与一次调频时的有功增量；基于自同步双馈风电机组的实际出力计算自同步双馈风电机组参与一次调频的能力；比较所述自同步双馈风电机组参与一次调频时的有功增量和自同步双馈风电机组参与一次调频的能力，并根据比较结果确定所述自同步双馈风电机组的附加功率控制指令值；其中，所述自同步双馈风电机组的实际出力中包含了惯量响应。通过本发明提供的自同步双馈风电机组惯量与一次调频的协调控制方法，提高双馈风电并网系统的抗扰能力及系统稳定性。

Description

自同步双馈风电机组惯量与一次调频的控制方法及系统

技术领域

本发明涉及新能源发电技术中的控制技术领域，具体涉及自同步双馈风电机组惯量与一次调频的控制方法及系统。

背景技术

为了应对能源危机和环境压力，风能、太阳能等可再生能源受到广泛关注。风电由于开发利用技术成熟，近些年得到快速的发展，尤其是双馈风电机组因为能够大幅提高风能转换效率，减小机组承受机械应力，实现机械部分与电气部分解耦，而且还能实现有功功率和无功功率解耦控制，提高并网系统调节能力及稳定性，成为目前商业化运行的主力机型之一。但是，由于双馈风电机组普遍采用了电力电子逆变器的控制技术，相比传统同步发电机组，逆变器具有控制灵活、响应迅速等优点，但也存在缺少惯性和一次调频等的问题。

围绕大规模双馈风电并网对系统频率稳定等带来的负面影响，国内外学术界开展了大量研究工作。针对双馈风电场并网对电网惯性的影响及相应控制技术的研究取得了较大进展，主要是利用机组自身旋转动能参与系统调频，机组基于最大功率跟踪控制运行时，自身惯量并没有降低，可通过附加频率控制或自同步控制技术表现出其惯量作用。针对双馈风电场并网系统的一次调频，无论是锁相同步风机还是自同步方式风机其一次调频特性同步方式关系小，是附加于不同控制结构上的调频功能，其特性只与风电机组机械特性、备用情况有关，其功能主要是通过频率功率下垂控制设计实现。

但是，双馈风电机组的惯量和一次调频对系统频率动态的响应具有典型的序贯特征，目前双馈风电机组通过自同步控制实现惯量响应和一次调频的研究主要集中在实现响应系统电气量变化上，缺乏对二者之间互影响的考虑。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的上述不足，针对因大规模双馈风电机组并网引起的并网系统惯性及一次调频下降问题，提出一种自同步双馈风电机组惯量与一次调频的控制方法，包括：

基于电网频率变化量计算自同步双馈风电机组参与一次调频时的有功增量；

基于自同步双馈风电机组的实际出力计算自同步双馈风电机组参与一次调频的能力；

比较所述自同步双馈风电机组参与一次调频时的有功增量和自同步双馈风电机组参与一次调频的能力，并根据比较结果确定所述自同步双馈风电机组的附加功率控制指令值；

其中，所述自同步双馈风电机组的实际出力中包含了惯量响应。

优选的，所述基于电网频率变化量计算自同步双馈风电机组参与一次调频时的有功增量，包括：

基于电网角频率参考值和电网角频率的差得到电网角频率变化量；

基于所述电网角频率变化量和有功频率下垂系数的乘积确定自同步双馈风电机组参与一次调频时的有功增量。

进一步的，所述自同步双馈风电机组参与一次调频时的有功增量，按下式计算：

式中，ω_g为电网角频率；ω_ref为电网角频率参考值；D_p为有功频率下垂系数的倒数；ΔP为自同步双馈风电机组参与一次调频时的有功增量。

优先的，所述基于电网频率变化量计算自同步双馈风电机组参与一次调频时的有功增量之后，还包括：

基于所述自同步双馈风电机组参与一次调频时的有功增量调整功率运行曲线。

进一步的，所述基于所述自同步双馈风电机组参与一次调频时的有功增量调整功率运行曲线，包括：

根据自同步双馈风电机组当前的备用系数、自同步双馈风电机组的理论出力和自同步双馈风电机组参与一次调频时的有功增量，计算所述自同步双馈风电机组参与一次调频时的备用系数；

基于所述备用系数调整自同步双馈风电机组的功率运行曲线。

进一步的，所述自同步双馈风电机组参与一次调频时的备用系数，按下式计算：

式中，μ₁为自同步双馈风电机组参与一次调频时的备用系数，μ为当前的备用系数，P_E1为双馈风电机组的理论出力；ΔP为自同步双馈风电机组参与一次调频时的有功增量。

进一步的，所述自同步双馈风电机组参与一次调频的能力，按下式计算：

ΔP_max＝P_E1-P_E

式中，ΔP_max为自同步双馈风电机组参与一次调频的能力；P_E1为当前风速下自同步双馈风电机组的理论出力，P_E为自同步双馈风电机组的实际出力；

其中，所述当前风速下自同步双馈风电机组的理论出力P_E1，按下式计算：

式中，ρ为空气密度；A为叶片扫过的面积；V_eq为等效风速；C_p(β,λ)为风机风能转换效率系数，是桨距角β与叶尖速比λ的函数。

进一步的，所述自同步双馈风电机组的附加功率控制指令值，按下式确定：

式中：ΔP₁为自同步双馈风电机组的附加功率控制指令值；ΔP_max为自同步双馈风电机组参与一次调频的能力；ΔP为自同步双馈风电机组参与一次调频时的有功增量。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种自同步双馈风电机组惯量与一次调频的控制系统，用于实现上述任一项所述的自同步双馈风电机组惯量与一次调频的控制系统，包括：

第一计算模块，用于基于电网频率变化量计算自同步双馈风电机组参与一次调频时的有功增量；

第二计算模块，用于基于自同步双馈风电机组的实际出力计算自同步双馈风电机组参与一次调频的能力；

选择模块，用于基于所述自同步双馈风电机组参与一次调频时的有功增量和自同步双馈风电机组参与一次调频的能力的关系，从中选择所述自同步双馈风电机组的附加功率控制指令值；

其中，所述自同步双馈风电机组的实际出力中包含了惯量响应。

第三方面，本发明还提供了一种存储装置，其中存储有多条程序代码，所述程序代码适于由处理器加载并运行以执行上述任一项所述的自同步双馈风电机组惯量与一次调频的控制方法。

第四方面，本发明还提供了一种控制装置，包括处理器和存储装置，所述存储装置适于存储多条程序代码，所述程序代码适于由所述处理器加载并运行以执行上述任一项所述的自同步双馈风电机组惯量与一次调频的控制方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的技术方案，基于电网频率变化量计算自同步双馈风电机组参与一次调频时的有功增量；基于自同步双馈风电机组的实际出力计算自同步双馈风电机组参与一次调频的能力；比较所述自同步双馈风电机组参与一次调频时的有功增量和自同步双馈风电机组参与一次调频的能力，并根据比较结果确定所述自同步双馈风电机组的附加功率控制指令值；其中，所述自同步双馈风电机组的实际出力中包含了惯量响应。该发明协调自同步双馈风电机组惯量响应能力与一次调频能力，有效提高了自同步双馈风电机组的有功频率支撑能力同时保证机组动态过程的稳定性，还提高了双馈风电并网系统的抗扰能力。

附图说明

图1为本发明实施例中一种自同步双馈风电机组惯量与一次调频的控制方法流程图；

图2为本发明实施例中的一种自同步双馈风电机组惯量与一次调频的控制方法示意图；

图3为本发明提供的一种自同步双馈风电机组惯量与一次调频的协调控制策略框图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明针对因大规模双馈风电机组并网引起的并网系统惯性及一次调频下降问题，提出一种自同步双馈风电机组惯量与一次调频的协调控制方法，自同步双馈风电机组的一次调频有两个控制量，第一个根据备用系数调整功率运行曲线；第二个附加功率控制指令值。由于自同步双馈风电机组自身具备惯量响应能力，在功率扰动下自同步双馈风电机组的实际出力包含了惯量响应成分，因此本实施例提供的技术方案在生成附加功率控制指令值时，先通过自同步双馈风电机组的惯量响应程度确定机组当前参与一次调频的能力；然后基于机组一次调频能力确定附加快速一次调频控制，即附加功率控制指令值ΔP₁。

如图1所示，本实施例提供的一种自同步双馈风电机组惯量与一次调频的控制方法，包括：

S1基于电网频率变化量计算自同步双馈风电机组参与一次调频时的有功增量；

S2基于自同步双馈风电机组的实际出力计算自同步双馈风电机组参与一次调频的能力；

S3比较所述自同步双馈风电机组参与一次调频时的有功增量和自同步双馈风电机组参与一次调频的能力，并根据比较结果确定所述自同步双馈风电机组的附加功率控制指令值；

其中，所述自同步双馈风电机组的实际出力中包含了惯量响应。

本实施例中，所述S1通过下列步骤实现：

S101基于电网角频率参考值和电网角频率的差得到电网角频率变化量；

S102基于所述电网角频率变化量和有功频率下垂系数的乘积确定自同步双馈风电机组参与一次调频时的有功增量。

在一个具体的实施方式中，在执行完S1后之后，还包括：

基于所述自同步双馈风电机组参与一次调频时的有功增量调整功率运行曲线。

具体的，所述基于所述自同步双馈风电机组参与一次调频时的有功增量调整功率运行曲线，包括：

根据自同步双馈风电机组当前的备用系数、自同步双馈风电机组的理论出力和自同步双馈风电机组参与一次调频时的有功增量，计算所述自同步双馈风电机组参与一次调频时的备用系数；

基于所述备用系数调整自同步双馈风电机组的功率运行曲线。

在本实施例中，可以采用现有技术中已经公开的技术通过备用系数调整自同步双馈风电机组的功率运行曲线可以，具体的调整方法可以参考田新首，迟永宁，汤海雁，李庚银2016年6月发表在广东电力的《一种双馈风电机组频率控制器》。

如图2所示，本实施例解决其技术问题所采用的技术方案如下：

(一)、设计并确定所述自同步双馈风电机组惯量与一次调频的协调控制策略在双馈风电机组控制系统中正常运行；

(二)、基于检测电网同步速信号判断自同步双馈风电机组是否参与系统调频；

(三)、自同步双馈风电机组基于运行状态响应系统频率频差的一次调频控制；

(四)、自同步双馈风电机组正常虚拟同步控制。

通过图2可以看出，本实施例提出一种自同步双馈风电机组惯量与一次调频的协调控制方法，不仅包含双馈风电机组的正常虚拟同步控制策略，还包含系统频率扰动下的惯量与一次调频的协调控制。

在图2中，当系统频率不正常时，激活有功一次调频模块即图3中左侧虚线框中的有功-一次调频，通过自同步双馈风电机组惯量与一次调频的协调控制得到下一个控制计算周期内的附加功率控制指令值ΔP₁。

本实施例中自同步双馈风电机组惯量与一次调频的协调控制策略如图3所示，

I、根据系统频率变化确定自同步双馈风电机组参与一次调频时的有功增量；

II、基于机组参与一次调频的有功增量调整功率运行曲线；

III、根据扰动下自同步双馈风电机组惯量响应程度确定机组当前参与一次调频的能力；

IV、基于机组一次调频能力确定附加快速一次调频控制。

其主要功能如下：

1)双馈风电机组参与一次调频时的有功增量计算

通过检测系统角频率变化确定双馈风电机组参与一次调频时的有功增量如式(1)所示：

式中，ω_g为系统角频率；ω_ref为系统角频率参考值；D_p为有功频率下垂系数的倒数；ΔP为双馈风电机组参与一次调频时的有功增量。

2)双馈风电机组运行曲线调整

双馈风电机组参与一次调频时的备用系数如式(2)所示，基于备用系数确定双馈风电机组的运行曲线。

式中，μ为当前的备用系数，P_E1为双馈风电机组的理论出力。

3)双馈风电机组一次调频能力计算

在图3中间虚线框中的自同步控制-有功频率控制所示，自同步双馈风电机组自身具备惯量响应能力，在功率扰动下机组的实际出力包含了惯量响应成分，首先需要根据图3中左侧虚线框中的机组状态评估函数评估考虑惯量特性的机组参与一次调频的能力，即机组状态评估函数评估的是扰动下机组已经响应的惯量程度，其中机组状态评估函数如式(3)所示：

ΔP_max＝P_E1-P_E (3)

式中，P_E1为当前风速下双馈风电机组的理论出力，P_E为双馈风电机组的实际出力。

当前风速下双馈风电机组的理论出力为：

式中，ρ为空气密度(kg/m³)；A为叶片扫过的面积(m³)；V_eq为等效风速(m/s)；C_p(β,λ)为风机风能转换效率系数，理论上最大值取16/27≈0.593，是桨距角β与叶尖速比λ的函数。

其中，叶尖速比λ的表达式为：

式中，ω_r为风力机转子转速；R为风力机叶片半径。

在叶尖速比λ和桨距角β已知条件下，风能转换效率系数C_p可用下式计算得到：

其中

4)双馈风电机组附加快速一次调频控制

双馈风电机组附加快速一次调频控制指令如式(8)所示。

通过本实施例提供的一种自同步双馈风电机组惯量与一次调频的协调控制方法，提高双馈风电并网系统的抗扰能力及系统稳定性。

需要指出的是，尽管上述实施例中将各个步骤按照特定的先后顺序进行了描述，但是本领域技术人员可以理解，为了实现本发明的效果，不同的步骤之间并非必须按照这样的顺序执行，其可以同时(并行)执行或以其他顺序执行，这些变化都在本发明的保护范围之内。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种自同步双馈风电机组惯量与一次调频的控制系统，用于实现本实施例所述的自同步双馈风电机组惯量与一次调频的控制系统，包括：

第一计算模块，用于基于电网频率变化量计算自同步双馈风电机组参与一次调频时的有功增量；

第二计算模块，用于基于自同步双馈风电机组的实际出力计算自同步双馈风电机组参与一次调频的能力；

选择模块，用于基于所述自同步双馈风电机组参与一次调频时的有功增量和自同步双馈风电机组参与一次调频的能力的关系，从中选择所述自同步双馈风电机组的附加功率控制指令值；

其中，所述自同步双馈风电机组的实际出力中包含了惯量响应。

本领域技术人员能够理解的是，本发明实现上述一实施例的方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器、随机存取存储器、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

进一步，本发明还提供了一种存储装置。在根据本发明的一个存储装置实施例中，存储装置可以被配置成存储执行上述方法实施例的自同步双馈风电机组惯量与一次调频的控制方法的程序，该程序可以由处理器加载并运行以实现上述自同步双馈风电机组惯量与一次调频的控制方法。为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，具体技术细节未揭示的，请参照本发明实施例方法部分。该存储装置可以是包括各种电子设备形成的存储装置设备，可选的，本发明实施例中存储是非暂时性的计算机可读存储介质。

进一步，本发明还提供了一种控制装置。在根据本发明的一个控制装置实施例中，控制装置包括处理器和存储装置，存储装置可以被配置成存储执行上述方法实施例的自同步双馈风电机组惯量与一次调频的控制方法的程序，处理器可以被配置成用于执行存储装置中的程序，该程序包括但不限于执行上述方法实施例的自同步双馈风电机组惯量与一次调频的控制方法的程序。为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，具体技术细节未揭示的，请参照本发明实施例方法部分。该控制装置可以是包括各种电子设备形成的控制装置设备。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (11)

1.一种自同步双馈风电机组惯量与一次调频的控制方法，其特征在于，包括：

基于电网频率变化量计算自同步双馈风电机组参与一次调频时的有功增量；

基于自同步双馈风电机组的实际出力计算自同步双馈风电机组参与一次调频的能力；

比较所述自同步双馈风电机组参与一次调频时的有功增量和自同步双馈风电机组参与一次调频的能力，并根据比较结果确定所述自同步双馈风电机组的附加功率控制指令值；

其中，所述自同步双馈风电机组的实际出力中包含了惯量响应。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于电网频率变化量计算自同步双馈风电机组参与一次调频时的有功增量，包括：

基于电网角频率参考值和电网角频率的差得到电网角频率变化量；

基于所述电网角频率变化量和有功频率下垂系数的乘积确定自同步双馈风电机组参与一次调频时的有功增量。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述自同步双馈风电机组参与一次调频时的有功增量，按下式计算：

式中，ω_g为电网角频率；ω_ref为电网角频率参考值；D_p为有功频率下垂系数的倒数；ΔP为自同步双馈风电机组参与一次调频时的有功增量。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于电网频率变化量计算自同步双馈风电机组参与一次调频时的有功增量之后，还包括：

基于所述自同步双馈风电机组参与一次调频时的有功增量调整功率运行曲线。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述基于所述自同步双馈风电机组参与一次调频时的有功增量调整功率运行曲线，包括：

根据自同步双馈风电机组当前的备用系数、自同步双馈风电机组的理论出力和自同步双馈风电机组参与一次调频时的有功增量，计算所述自同步双馈风电机组参与一次调频时的备用系数；

基于所述备用系数调整自同步双馈风电机组的功率运行曲线。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述自同步双馈风电机组参与一次调频时的备用系数，按下式计算：

式中，μ₁为自同步双馈风电机组参与一次调频时的备用系数，μ为当前的备用系数，P_E1为双馈风电机组的理论出力；ΔP为自同步双馈风电机组参与一次调频时的有功增量。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述自同步双馈风电机组参与一次调频的能力，按下式计算：

ΔP_max＝P_E1-P_E

式中，ΔP_max为自同步双馈风电机组参与一次调频的能力；P_E1为当前风速下自同步双馈风电机组的理论出力，P_E为自同步双馈风电机组的实际出力；

其中，所述当前风速下自同步双馈风电机组的理论出力P_E1，按下式计算：

式中，ρ为空气密度；A为叶片扫过的面积；V_eq为等效风速；C_p(β,λ)为风机风能转换效率系数，是桨距角β与叶尖速比λ的函数。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述自同步双馈风电机组的附加功率控制指令值，按下式确定：

式中：ΔP₁为自同步双馈风电机组的附加功率控制指令值；ΔP_max为自同步双馈风电机组参与一次调频的能力；ΔP为自同步双馈风电机组参与一次调频时的有功增量。

9.一种自同步双馈风电机组惯量与一次调频的控制系统，其特征在于，用于实现所述权利要求1-8中任一项所述的自同步双馈风电机组惯量与一次调频的控制系统，包括：

第一计算模块，用于基于电网频率变化量计算自同步双馈风电机组参与一次调频时的有功增量；

第二计算模块，用于基于自同步双馈风电机组的实际出力计算自同步双馈风电机组参与一次调频的能力；

选择模块，用于基于所述自同步双馈风电机组参与一次调频时的有功增量和自同步双馈风电机组参与一次调频的能力的关系，从中选择所述自同步双馈风电机组的附加功率控制指令值；

其中，所述自同步双馈风电机组的实际出力中包含了惯量响应。

10.一种存储装置，其中存储有多条程序代码，其特征在于，所述程序代码适于由处理器加载并运行以执行权利要求1至8中任一项所述的自同步双馈风电机组惯量与一次调频的控制方法。

11.一种控制装置，包括处理器和存储装置，所述存储装置适于存储多条程序代码，其特征在于，所述程序代码适于由所述处理器加载并运行以执行权利要求1至8中任一项所述的自同步双馈风电机组惯量与一次调频的控制方法。

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