一种考虑风机转速与电网频率变化的风电机组变惯性控制方法

技术领域

本发明属于电力系统输配电领域，更具体地，涉及一种考虑风机转速与电网频率变化的风电机组变惯性协调控制方法。

背景技术

随着风电的大规模开发利用，电网中风电所占比例逐渐增大。不同于电网中的同步发电机，风电机组通过电力电子换流器接入电网，其解耦效应使得风电机组无法进行惯性响应。随着风电不断接入电网，渗透率增加，电网等效惯性显著下降，频率稳定性问题日益明显。

为解决风电接入电网的频率稳定性问题，常采用虚拟惯性控制，在风电机组网侧换流器有功控制部分加入附加频率变化率，产生和常规发电机组一样的惯性效应。传统的风电机组虚拟惯性控制采用固定的惯性控制系数，不能根据系统的变化做出相应调整，影响系统的惯性支撑效果；同时，在风电机组正常运行过程中，其转速会随着风速变化而变化，同一个风场中，不同的风电机组因为位置等因素其转速也不同，不同转速的风电机组应具有不同的调频能力，所以需要设计一种考虑风机转速与电网频率变化的风电机组变惯性控制方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的缺点，同时在对电网进行惯性支撑时，可以使风电机组发出更多的有功功率，提升了风电机组的惯性支撑能力，提高了运行的经济性。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种考虑风机转速与电网频率变化的风电机组变惯性控制方法，该风电机组包括永磁式直驱风机、机侧换流器、网侧换流器和交流电网，该方法包括以下步骤：

(1)网侧换流器根据交流电网的频率变化率

(2)当检测到交流电网频率发生变化时，若交流电网频率变化率

(3)当风电机组有功输出P

(4)当风电机组有功输出P

进一步的，当交流电网频率发生变化时，基于交流电网的频率变化率

其中，k为比例系数，a和b分别为调节系数，调节系数a用于改变频率惯性调整系数k

进一步的，当交流电网频率变化Δf＜0时，此时系统需要风电机组发出额外有功功率，进行频率支撑；当Δf＞0时，系统频率升高，需要风电机组进行超速减载，减小有功输出；通过双曲正切函数对上述两种变化关系进行拟合，设计转速惯性调整系数k

其中，ω

进一步的，在对电网进行惯性支撑时，同时考虑交流电网频率变化率和风电机组转速，根据频率惯性调整系数k

H

其中，H

进一步的，根据风机综合惯性H

进一步的，所述风机有功输出P

P

其中，P

本发明有益效果如下：

本发明提出的一种考虑风机转速与电网频率变化的风电机组变惯性控制方法，在对电网进行惯性支撑时，同时考虑频率变化率与风电机组转速，使风电机组能根据频率变化率的大小调整惯性，使风电机组释放更多有功功率对电网进行支撑，在不增加额外投资的情况下提升了风电机组的惯性支撑能力，有良好的经济性和实用性。

附图说明

图1为一种典型风电机组的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种考虑风机转速与电网频率变化的风电机组变惯性控制方法流程图；

图3为本发明提供的转速相关系数k

图4为本发明提供的风电机组变惯性控制框图；

图5为本发明提供的风机转速与功率变化图：

图6为本发明提供的风电机组转速恢复控制图

图7为本发明提供的风电机组交流电网负载突然增加时的系统频率仿真结果图；

图8为本发明提供的风电机组交流电网负载突然增加时的系统频率变化率仿真结果图；

图9为本发明提供的风电机组交流电网负载突然增加时的风电机组有功功率仿真结果图；

图10为本发明提供的风电机组交流电网负载突然减小时的系统频率仿真结果图；

图11为本发明提供的风电机组交流电网负载突然减小时的系统频率变化率仿真结果图；

图12为本发明提供的风电机组交流电网负载突然减小时的风电机组有功功率仿真结果图；

图13为本发明提供的风电机组交流电网发生0.15s的三相交流接地故障时的交流电压仿真结果图；

图14为本发明提供的风电机组交流电网发生0.15s的三相交流接地故障时的风电机组有功功率仿真结果图；

图15为本发明提供的风电机组交流电网发生0.15s的三相交流接地故障时的系统频率仿真结果图。

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的一部分实施例，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的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。

如图1所示为一种典型风电机组的结构示意图，主要包括永磁式直驱风机、机侧换流器、网侧换流器和交流电网。

图2为本发明实施例提供的一种考虑风机转速与电网频率变化的风电机组变惯性控制方法流程图，所述方法包括如下步骤：

首先根据风电机组的额定转速ω

其中，k为比例系数，a和b分别为调节系数。调节系数a可以改变频率惯性调整系数k

在风电机组正常运行过程中，其转速会随着风速变化而变化，同一个风电场中，不同的风电机组因为位置等因素其转速也不同，风电机组转速运行区间一般在0.7-1.2pu。不同转速的风电机组具有不同的调节能力，转速较快的风电机组，转子中储存有更多旋转动能，具有更强的惯性支撑能力。而转速较慢的风电机组，其转子加速的裕度更大，能更多参与超速减载。考虑风电机组当前转速，对风电机组参与向上或向下调频的程度进行调整，使风电机组具有更好的调频效果。

当交流电网频率变化Δf＜0时，此时系统需要风电机组发出额外有功功率，进行频率支撑；当Δf＞0时，系统频率升高，需要风电机组进行超速减载，减小有功输出。通过双曲正切函数对上述两种变化关系进行拟合，设计了转速惯性调整系数k

其中，ω

图3为本发明提供的转速惯性调整系数k

综合风机初始惯性H

根据综风机综合惯性H

图4为本发明提供的风电机组变惯性控制框图。可以看出，将基于变惯性控制的有功功率附加参考值ΔP

为了缓解风电机组频率支撑后的有功下降引起频率二次跌落，对风机转速恢复阶段采用预设功率限额的控制策略。

要使风机转速加速，需使风机此时输出电磁功率小于风轮机捕获的机械功率，下调风机此时有功输出。设定风机在转速恢复阶段的有功输出风机P

P

P

其中，P

风机转速与功率变化如图5所示，风机初始运行在MPPT点O。当风电场频率变化率

点E→O为MPPT阶段，当风机有功输出P

本发明设计的一种考虑风机转速与电网频率变化的风电机组变惯性控制方法，在对电网进行惯性支撑时，同时考虑频率变化与风电机组转速，使风电机组能根据频率变化率的大小调整惯性，使风电机组释放更多有功功率对电网进行支撑，在不增加额外投资的情况下提升了风电机组的惯性支撑能力，有良好的经济性和实用性。

为了验证本发明方法的有效性，在PSCAD/EMTDC中搭建如图1所示的风电机组仿真模型。其中，各项参数如表1所示。

表1

交流电网负载分为两部分，其中，固定负载L1＝900MW，可变负载L2＝100MW，在5s时，将可变负载投入或者切除，得到的仿真结果如图5～图10所示。

由图5、图6和图8、图9可知，对比传统惯性协调控制方法，本发明所提的变惯性协调控制方法，提高了频率稳定性，降低了频率变化率，提高频率偏差最低点，加快了频率恢复速度，频率表现有明显的提升。

由图7和图10可知，本发明所提的变惯性协调控制方法，使风电机组提供更大的有功功率支撑，并且在支撑后的有功输出减低更少，减轻了可能出现的频率二次跌落程度。

如图11～13所示，2.7s时，在交流电网发生三相交流接地故障，持续时间0.15s，负载L1为900MW。

由图11可知，在发生故障后，交流电压降至0.1pu附近。

由图12可知，本发明所提的变惯性协调控制方法使风电机组输出的有功功率快速下降，加快交流电网恢复到稳定运行状态。

由图13-15可知，本发明所提的变惯性协调控制方法在系统频率波动方面有较大改善，能够有效抑制频率振荡。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。