一种基于可变系数的一次调频控制方法及系统

技术领域

本发明属于调频控制技术领域，涉及一种基于可变系数的一次调频控制方法及系统。

背景技术

在海上风电系统中，由于风电机组通过电力电子设备并网，而电力电子设备采用解耦控制方式，因此风电无法参与系统调频，导致系统惯性越来越低，近年来多个地区就出现了因电网惯量不足而导致停电的事故。这类停电事故是由于新能源占比过高，当电力系统频率发生快速跌落时，系统没有足够的惯性导致的，其中，频率变化率(Rate of Changeof frequency,ROCOF)和频率最低点(Frequency Nadir,FN)等都大大超过了系统频率控制措施的响应极限，最终导致全网解列。

电力系统转型遇到新的挑战，因此，寻找合适的控制策略使海上风电系统参与系统调频，是能源体系转型之路上亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中转子减速阶段的欠速脱网问题与转速恢复阶段的SFD的问题，提供一种基于可变系数的一次调频控制方法及系统。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于可变系数的一次调频控制方法，包括以下步骤：

S1：对初始惯性系数进行整定并确定下垂系数，使初始惯性系数随风速自适应变化；

S2：在转子减速阶段，根据风机当前释放的转子动能的大小，自适应调整当前的惯性系数和下垂系数，当频率最小时，令当前的惯性系数减小至0，进入转子转速恢复阶段；

S3：在转子转速恢复阶段，惯性系数保持为0，下垂系数逐渐减小，直至转子转速恢复阶段结束；

S4：当转子转速恢复阶段结束时，风机进入MPPT阶段，惯性系数和下垂系数恢复至初始值，风机回到起始运行状态，一次调频结束。

本发明的进一步改进在于：

所述步骤S1中，所述初始惯性系数通过公式(1)表达：

由式(1)可知，当H

所述步骤S1中，所述初始惯性系数通过以下步骤得到：

对于同步发电机，惯性时间常数H

式中，J表示机械转动惯量；ω

风机转子转速变小过程中，转子所释放的旋转动能为：

式中：J

由式(3)得：

令γ＝Δω

H

若不计系统损耗，风机参与系统调频的转子运动方程式为：

表示系统频率变化率；ΔP

进一步，由式(6)得到公式(1)。

所述步骤S2包括以下步骤：

在转子减速阶段，根据风机当前释放的转子动能的大小，自适应调整当前的惯性系数k

由式(7)和(8)可知，当风机转子转速大时，k

当df/dt＝0，系统频率偏差达到最大时，系统的惯性响应阶段已结束，风机虚拟惯性控制所附加的有功功率将由正变负，令k

所述步骤S3包括以下步骤：

在转子转速恢复阶段，下垂系数k

式中：t

所述步骤S3中，转子转速恢复阶段的持续时长为20s。

所述步骤S4包括以下步骤：

当转子转速恢复阶段结束时，惯性系数和下垂系数均为0；

风机进入MPPT阶段时，输出功率随转子转速的增大而增大，直至恢复至初始状态。

一种基于可变系数的一次调频控制系统，包括系数给定模块、转子减速阶段模块、转速恢复阶段模块和MPPT阶段模块；

系数给定模块，用于对初始惯性系数进行整定并确定下垂系数，使初始惯性系数随风速自适应变化；

转子减速阶段模块，用于在转子减速阶段，根据风机当前释放的转子动能的大小，自适应调整当前的惯性系数和下垂系数，当频率最小时，进入转子转速恢复阶段，将当前的惯性系数减小至0；

转速恢复阶段模块，用于在转子转速恢复阶段，惯性系数保持为0，下垂系数逐渐减小，直至转子转速恢复阶段结束；

MPPT阶段模块，用于当转子转速恢复阶段结束时，风机进入MPPT阶段，惯性系数和下垂系数恢复至初始值，风机回到起始运行状态，一次调频结束。

一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述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本发明任一项所述方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明任一项所述方法的步骤。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种基于可变系数的一次调频控制方法，在一次调频的过程中，针对转子转速的不同阶段，调整惯性系数和下垂系数，在转子减速阶段，自适应调整当前的惯性系数和下垂系数，防止风机出现过度调频而欠速脱网的情况，在转子转速恢复阶段，惯性系数保持为0，下垂系数逐渐减小，能够抑制抑制系统的二次跌落，同时在转子减速阶段的调整更有利于在转子转速恢复阶段中，平滑恢复策略的实现，加快将转子转速恢复至额定值，为系统提供更强的频率支撑，避免了停电和全网解列事故的发生。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为基于可变系数和转速平滑恢复的一次调频控制策略框图；

图2为风电场并网仿真模型图；

图3为传统综合惯性控制下系统的频率变化；

图4为传统综合惯性控制下系统的频率变化率；

图5为传统综合惯性控制下风机的转子转速；

图6为传统综合惯性控制下风机输出的有功功率；

图7为不同转速恢复策略下系统的频率变化；

图8为不同转速恢复策略下风机的转子转速；

图9为不同转速恢复策略下风机输出的有功功率；

图10为基于可变系数和转速平滑恢复策略下系统的频率变化；

图11为基于可变系数和转速平滑恢复策略下风机的转子转速；

图12为基于可变系数和转速平滑恢复策略下风机输出的有功功率；

图13为基于可变系数和转速平滑恢复策略下kd和kp的变化情况。

具体实施方式

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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明实施例公开了一种基于可变系数的一次调频控制方法，包括以下步骤：

步骤1：首先对初始惯性系数k

具体包括以下步骤：

对于同步发电机，惯性时间常数HG一般定义为：

式中，J表示机械转动惯量；ωe表示电角速度；ωm表示机械角速度；p表示极对数；

风机转子转速变小过程中，转子所释放的旋转动能为：

式中：Jw表示风机转动惯量；Jeq表示风机等效转动惯量；ωw0表示风机转子初始角速度；Δωw表示风机角速度增量；

由式(3)得：

令γ＝Δωw/Δωe，称为惯性调节系数，由式(4)可得风机等效惯性时间常数Heq为：

若不计系统损耗，风机参与系统调频的转子运动方程式为：

进一步，由式(6)初始虚拟惯性系数k

由式(1)可知，当Hw与γ一定时，初始虚拟惯性系数kd0与风机转子初始角速度呈正比。当风速不同时，MPPT运行模式下风机转子初始角速度也不同，初始虚拟惯性系数kd0随风速自适应变化。

步骤2：在转子减速阶段，为防止风机出现过度调频而欠速脱网的情况，根据风机当前可释放转子动能的大小自适应调整惯性系数kd和下垂控制系数kp，当df/dt＝0时，考虑到df/dt回路对转子转速恢复的抑制作用，令kd减小为0；

表达式为：

由式(7)(8)可知，当风机转子转速较大时，kd、kp较大，风机可以充分释放转子中储存的旋转动能，来进行频率支撑，当转子转速接近最小值时，kd、kp的值也趋近0，不再释放风机的转子动能，因此可以有效避免风机欠速脱网。

当df/dt＝0，系统频率偏差达到最大时，系统的惯性响应阶段已结束，风机虚拟惯性控制所附加的有功功率将由正变负，考虑到df/dt回路对转子转速恢复的抑制作用，令kd减小为0，附图1的开关S1切换至2。

步骤3：在转子转速恢复阶段，为避免系统发生二次跌落，随时间缓慢减小kp

起始将附图1中开关S2切换至2，将下垂控制系数kp表示为:

式中：t

式(9)中Δt

步骤4：在MPPT阶段，当转子转速恢复阶段结束时，令k

在MPPT阶段，当转子转速恢复阶段结束时，k

本发明实施例所述的MPPT阶段表示风机进入最大功率运行阶段。

仿真研究：

为了进一步地说明本发明提出的方法的优越效果，下面结合一个具体实施方式进行说明：

本实施方式设计了一个容量为200MW的风电场(含100台2MW风电机组)经100km传输线并网的仿真模型，模型如附图2所示，参数如表1所示。附图2中负荷为有功210MW，无功19Mvar。

表1

首先，由式(1)计算得k

由图3和图5可知一次调频为有差调频，一次调频结束，若不设置转速恢复环节，转子转速与频率均不会回到初始值，会停留在略低于初始值的地方。

由图3与图4可知，相对于无控制，风机采用综合惯性控制后，频率最低点(FN)、频率变化率(|ROCOF|)均有所改善，其中，频率最低点提升最大为0.2Hz，改善度为23％，|ROCOF|减小最大为0.652Hz，改善度为60％，综合惯性控制效果显著，因为设置与频率变化率强相关的k

同时，由图6可知，风机在转子转速恢复阶段吸收的能量远大于转子减速阶段所释放的能量，系统频率出现了较长时间的波动并且伴有较小的二次跌落(SFD)，当k

为了解决上述风机出现二次跌落(SFD)，转子转速难以恢复至额定值的问题，在转子转速恢复阶段，本发明实施例采用新的转速平滑恢复控制策略，在8m/s风速下与已有的三种转速恢复策略分别进行对比，验证本策略的优越性，仿真结果如图7-图9所示。

由图7与图9可知，第一种方法采取短时功率超发策略进行惯性支撑，在检测到系统频率跌落后立即增发有功，并预设一段时间保持增加后有功进行频率支撑，为了转速恢复，在预设时间段之后，输出有功立即降低，有功突变0.013pu，导致较大的频率二次跌落(SFD)。

第二种方法采用综合惯性支撑策略进行频率支撑，有着更高的频率最低点，转速恢复阶段，有功仅突变0.005pu，SFD有所改善。

第三种方法提出随时间线性下降风机有功的策略，在防止有功突变和SFD的同时，可以加快转子转速恢复，如图8所示，提前4s风机转子转速恢复至额定值。

本发明实施例所提策略采用综合惯性支撑策略进行频率支撑，在转子转速恢复阶段开始时，考虑df/dt回路对频率恢复的抑制，令kd减小为0，然后随时间缓慢减小kp，Δth被设置为20s，此时所提方案可以显著改善风机转子转速恢复时间，并避免SFD，相对于第一种方法和第二种方法，本策略不会出现SFD，且提前4s将转子转速恢复至额定值；相对于第三种方法，本策略提前3.5s进入正常频率波动范围，且更快实现转子转速恢复，这是因为本策略在转子转速恢复阶段初期kp值较大，转子快速吸收能量，后期所需吸收能量变小的缘故。

接下来，为了解决风机转子减速过程中欠速脱网，固定系数k

由图10可知，三种风速下，变系数策略的系统频率最低点略高于定系数策略，但相差不大。v＝8m/s时，定系数策略因为k

由图11可知，变系数策略可大幅减小风机转子转速的下跌幅度，更有利于转子转速的恢复；在转子转速恢复阶段，三种风速下的风机大约49s左右全部恢复至额定值，与图11中采用变系数但无转速恢复策略的风机相比，早11s恢复至额定值，验证了转速恢复策略的有效性。对于采用定系数但无转速恢复策略的风机，则转速与频率将进入较长时间的波动状态，且难以恢复至额定值。

由图12可知，在惯性支撑阶段，两种策略的有功增发量相差不大，但是在转子转速恢复阶段，变系数策略的下跌程度明显低于定系数策略，阴影部分为变系数策略比定系数从系统少吸收的能量，因此变系数策略更有利于风机功率的恢复，大约49s左右便可恢复至额定。

本发明不但可以解决风机在转子减速阶段的欠速脱网问题，而且可以在转速恢复阶段，抑制系统的二次跌落(SFD)，步骤二的变系数策略中惯性系数的变化会加快k

本发明实施例还提供了一种基于可变系数的一次调频控制系统，包括系数给定模块、转子减速阶段模块、转速恢复阶段模块和MPPT阶段模块；

系数给定模块，用于对初始惯性系数进行整定并确定下垂系数，使初始惯性系数随风速自适应变化；

转子减速阶段模块，用于在转子减速阶段，根据风机当前释放的转子动能的大小，自适应调整当前的惯性系数和下垂系数，当频率最小时，进入转子转速恢复阶段，将当前的惯性系数减小至0。

转速恢复阶段模块，用于在转子转速恢复阶段，惯性系数保持为0，下垂系数逐渐减小，直至转子转速恢复阶段结束；

MPPT阶段模块，用于当转子转速恢复阶段结束时，风机进入MPPT阶段，惯性系数和下垂系数恢复至初始值，风机回到起始运行状态，一次调频结束。

本发明一实施例提供的终端设备的示意图。该实施例的终端设备包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述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各个方法实施例中的步骤。或者，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能。

所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。

所述终端设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述终端设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。

所述处理器可以是中央处理单元(CentralProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。

所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述终端设备的各种功能。

所述终端设备集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例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、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、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。

以上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。