基于惯量需求的风机变功率跟踪特性控制方法及装置

技术领域

本申请涉及风电技术领域，具体涉及一种基于惯量需求的风机变功率跟踪特性控制方法及装置。

背景技术

风力发电机(以下简称风机)的转速与电网的频率相解耦，不能为电力系统提供惯量，而惯量能衡量阻碍电力系统的频率突变的能力。因此，大规模的风机并网将导致电力系统的有效惯量降低，对电网的安全运行带来隐患。

为解决上述相关问题，有研究学者提出了能使风机与电网产生耦合关系的虚拟惯性控制方法，例如，传统的附加惯性控制。以频率跌落为例，当采用传统的附加惯性控制时，在电力系统发生扰动时，风机由于频率突变产生有功功率附加在最大功率跟踪的有功功率参考值上，风机将释放转子动能，为电力系统提供有功功率支撑，风机转子转速减小。然而，在最大功率跟踪区下，风机的转速跌落导致有功功率参考值减少，使风机有功功率输出不能满足电力系统的惯性需求。因此为解决二者之间的矛盾，消除传统的附加惯性控制与最大功率跟踪控制的相互制约，急需一种变功率跟踪特性控制方法。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供了一种基于惯量需求的风机变功率跟踪特性控制方法及装置，以解决传统的虚拟惯性控制方法中风机的有功功率输出不能满足电力系统的惯性需求的技术问题。

第一方面，本申请实施例提供了一种基于惯量需求的风机变功率跟踪特性控制方法，包括：根据电力系统对风机的惯量需求计算风机的需求转速变化量；根据电力系统受到扰动时的频率响应计算电力系统的频率的变化量达到预设频率偏差的变化时间；根据变化时间和需求转速变化量确定风机的功率跟踪曲线的新型比例系数，以使风机在变化时间内根据新型比例系数产生额外的有功功率，参与电力系统的惯性响应。

在第一方面的一种可能的实施方式中，根据变化时间和需求转速变化量确定风机的功率跟踪曲线的新型比例系数，包括：根据风机在最大功率跟踪区的有功功率确定风机在最大功率跟踪区的转子运动表达式；基于变化时间和需求转速变化量对转子运动表达式进行积分运算，确定风机的功率跟踪曲线的新型比例系数。

在第一方面的一种可能的实施方式中，转子运动表达式为：

式中，k

式中，t

在第一方面的一种可能的实施方式中，电力系统对风机的惯量需求为风机的虚拟惯性时间常数；风机的虚拟惯性时间常数的表达式为：

式中，H

在第一方面的一种可能的实施方式中，频率响应表示为：

式中，H

式中，K

在第一方面的一种可能的实施方式中，该方法还包括：根据新型比例系数和风机的最大功率跟踪控制比例系数确定风机的功率跟踪曲线的恢复比例系数，以使风机在恢复时间内根据恢复比例系数平滑切换至最大功率跟踪控制；恢复时间为电力系统的频率的变化量达到预设频率偏差后，逐渐减小至0的时间。

在第一方面的一种可能的实施方式中，恢复比例系数表示为：

式中，k

第二方面，本申请实施例提供了一种基于惯量需求的风机变功率跟踪特性控制装置，包括：

第一计算模块，用于根据电力系统对风机的惯量需求计算风机的需求转速变化量。

第二计算模块，用于根据电力系统受到扰动时的频率响应计算电力系统的频率的变化量达到预设频率偏差的变化时间。

确定模块，用于根据变化时间和需求转速变化量确定风机的功率跟踪曲线的新型比例系数，以使风机在变化时间内根据新型比例系数产生额外的有功功率，参与电力系统的惯性响应。

第三方面，本申请实施例提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现如第一方面任一项所述的基于惯量需求的风机变功率跟踪特性控制方法。

第四方面，本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如第一方面任一项所述的基于惯量需求的风机变功率跟踪特性控制方法。

第五方面，本申请实施例提供了一种计算机程序产品，当计算机程序产品在电子设备上运行时，使得电子设备执行上述第一方面中任一项所述的基于惯量需求的风机变功率跟踪特性控制方法。

可以理解的是，上述第二方面至第五方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。

本申请实施例提供的基于惯量需求的风机变功率跟踪特性控制方法及装置，通过计算风机的需求转速变化量以及电力系统的频率的变化量达到预设频率偏差的变化时间，进而计算风机的功率跟踪曲线的新型比例系数，使得电力系统在受到扰动时，风机根据新型比例系数的功率跟踪曲线产生有功功率，有效提高风机的惯性响应能力，使电力系统在受到扰动后风机的有功输出满足电力系统的惯性需求。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本说明书。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一实施例提供的基于惯量需求的风机变功率跟踪特性控制方法的流程示意图；

图2是本申请一实施例提供的功率跟踪曲线切换原理的示意图；

图3是仿真系统的拓扑图；

图4是仿真系统发生扰动后电力系统的频率响应曲线的示意图；

图5是仿真系统发生扰动后风机的转速响应曲线的示意图；

图6是本申请一实施例提供的基于惯量需求的风机变功率跟踪特性控制装置的结构示意图；

图7是本申请一实施例提供的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本申请进行更清楚的说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本申请的作用，但不以任何形式限制本申请。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本申请的保护范围。

应当理解，当在本申请说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在本申请说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。

此外，本申请实施例中提到的“多个”应当被解释为两个或两个以上。

图1是本申请一实施例提供的基于惯量需求的风机变功率跟踪特性控制方法的流程示意图。如图1所示，本申请实施例中的方法，可以包括：

步骤101、根据电力系统对风机的惯量需求计算风机的需求转速变化量。

其中，电力系统对风机的惯量需求为风机的虚拟惯性时间常数，该虚拟惯性时间常数可以根据需求进行设置。上述风机可以为双馈风力发电机。

风机的虚拟惯性时间常数的表达式为：

式中，H

通常情况下风机的转速调节量比电力系统的同步转速变化量大，因此风机可以虚拟出比风机的固有惯性时间常数大的惯性时间常数，且相比于同步发电机，风机能在更宽的转速变化范围内调节，可以虚拟出不低于同步发电机的惯性时间常数。

根据公式(1)确定需求转速变化量为：

/>

式中，Δω

步骤102、根据电力系统受到扰动时的频率响应计算电力系统的频率的变化量达到预设频率偏差的变化时间。

可选的，当电力系统发生负荷扰动时，电力系统的频率响应可以表示为：

式中，H

式中，K

将公式(4)代入公式(3)中，计算得到频率偏差表达式：

其中，

基于频率响应和同步发电机的机械功率变化量，根据预设频率偏差确定变化时间。

可选的，预设频率偏差可以为电力系统正常频率偏差的允许值，即预设频率偏差可以取0.5Hz。将预设频率偏差为0.5Hz代入公式(5)中，可以计算得到t为2秒，即变化时间t

步骤103、根据变化时间和需求转速变化量确定风机的功率跟踪曲线的新型比例系数，以使风机在变化时间内根据新型比例系数产生额外的有功功率，参与电力系统的惯性响应。

在一种可能的实施方式中，步骤103中根据变化时间和需求转速变化量确定风机的功率跟踪曲线的新型比例系数，具体可以包括：

步骤1031、根据风机在最大功率跟踪区的有功功率确定风机在最大功率跟踪区的转子运动表达式。

步骤1032、基于变化时间和需求转速变化量对转子运动表达式进行积分运算，确定风机的功率跟踪曲线的新型比例系数。

可选的，在电力系统受到扰动之前，风机的有功功率的计算公式可以表示为：

式中，P

示例性的，在电力系统受到扰动之后，风机的有功功率的计算公式可以表示为：

式中，P

可选的，根据公式(6)和公式(7)，转子运动表达式可以为：

式中，k

对转子运动表达式的两边同时进行积分运算：

式中，t

由公式(9)得到的新型比例系数，即风机的功率跟踪曲线的新型比例系数，使得风机的功率跟踪曲线能满足电力系统在受到扰动之后，风机在变化时间内达到期望的需求转速变化量，也就是说风机的有功功率输出能满足电力系统在受到扰动后的惯性需求。

具体来说，参照图2，图2中的横坐标为风机的实时转速ω

随着风机的转速的下降，风机的输出功率会沿着新型比例系数的功率跟踪曲线降低，风机的运行点由A2逐渐移动到A3，此时风机的机械功率和有功功率达到平衡，风机的转速下降至期望的转速，风机恢复至最大功率跟踪控制，即风机切换至最大功率跟踪曲线。

由前述可知，当风机从风机的初始转速沿着风机的功率跟踪曲线上升或下降到期望的需求转速变化量后，风机需要再次切换到最大功率跟踪曲线。若直接切换至最大功率跟踪曲线，风机的运行点会由A3迅速移动到A4(参照图2)，对频率造成二次跌落。为平滑恢复至最大功率跟踪控制，避免出现频率的二次跌落，本申请实施例提供的基于惯量需求的风机变功率跟踪特性控制方法，还可以具体包括：

根据新型比例系数和风机的最大功率跟踪控制比例系数确定风机的功率跟踪曲线的恢复比例系数，以使风机在恢复时间内根据恢复比例系数平滑切换至最大功率跟踪控制。

其中，恢复时间为电力系统的频率的变化量达到预设频率偏差后，逐渐减小至0的时间(恢复时间不包括变化时间)。

可选的，恢复比例系数可以表示为：

式中，k

在切换控制中，可以引入电力系统正常频率偏差的允许值，即引入预设频率偏差，进而通过风机自身频率偏差的逐渐变化来控制恢复比例系数的变化，避免了风机因有功功率突变造成的频率扰动情况。

本申请实施例提供的一种基于惯量需求的风机变功率跟踪特性控制方法，通过计算风机的需求转速变化量以及电力系统的频率的变化量达到预设频率偏差的变化时间，进而计算风机的功率跟踪曲线的新型比例系数，使得电力系统在受到扰动时，在变化时间内风机根据新型比例系数的功率跟踪曲线产生额外的有功功率，有效提高风机的惯性响应能力，使风机的有功输出满足电力系统的惯性需求，而在恢复时间内风机根据恢复比例系数平滑恢复至最大功率跟踪控制，避免频率的二次跌落。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

以下，为验证本申请提供的基于惯量需求的风机变功率跟踪特性控制方法的有效性和可行性，基于MATLAB/Simulink仿真平台搭建风电场并入的三机仿真系统，图3是仿真系统的拓扑图。该仿真系统包括容量为200MVA的同步发电机G1、容量为300MVA的同步发电机G2和总装机容量为300MVA的双馈风力发电机DFIG，风机通过RSC(转子侧换流器)和GSC(网侧换流器)向电网输送有功功率，风电渗透率为37.5％，设置在t＝10s时刻发生负荷突增20％。

取风机的虚拟惯性时间常数H

图4是仿真系统发生扰动后电力系统的频率响应曲线的示意图，其中横坐标表示时间t，纵坐标表示电力系统的实时频率f。图5是仿真系统发生扰动后风机的转速响应曲线的示意图，其中横坐标表示时间t，纵坐标表示风机的实时转速ω

图6是本申请一实施例提供的基于惯量需求的风机变功率跟踪特性控制装置的结构示意图。如图6所示，本实施例提供的基于惯量需求的风机变功率跟踪特性控制装置，可以包括：第一计算模块201、第二计算模块202和确定模块203。

其中，第一计算模块201，用于根据电力系统对风机的惯量需求计算风机的需求转速变化量。

第二计算模块202，用于根据电力系统受到扰动时的频率响应计算电力系统的频率的变化量达到预设频率偏差的变化时间。

确定模块203，用于根据变化时间和需求转速变化量确定风机的功率跟踪曲线的新型比例系数，以使风机在变化时间内根据新型比例系数产生额外的有功功率，参与电力系统的惯性响应。

可选的，确定模块203具体用于：根据风机在最大功率跟踪区的有功功率确定风机在最大功率跟踪区的转子运动表达式；基于变化时间和需求转速变化量对转子运动表达式进行积分运算，确定风机的功率跟踪曲线的新型比例系数。

可选的，确定模块203还具体用于：根据新型比例系数和风机的最大功率跟踪控制比例系数确定风机的功率跟踪曲线的恢复比例系数，以使风机在恢复时间内根据恢复比例系数平滑切换至最大功率跟踪控制；恢复时间为电力系统的频率的变化量达到预设频率偏差后，逐渐减小至0的时间。

需要说明的是，上述装置/单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本申请方法实施例基于同一构思，其具体功能及带来的技术效果，具体可参见方法实施例部分，此处不再赘述。

图7是本申请一实施例提供的电子设备的结构示意图。如图7所示，该实施例的电子设备300包括：处理器310、存储器320，上述存储器320中存储有可在处理器310上运行的计算机程序321。处理器310执行计算机程序321时实现上述任意各个方法实施例中的步骤，例如图1所示的步骤101至103。或者，处理器310执行计算机程序321时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能，例如图6所示模块201至203的功能。

示例性的，计算机程序321可以被分割成一个或多个模块/单元，一个或者多个模块/单元被存储在存储器320中，并由处理器310执行，以完成本申请。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述计算机程序321在电子设备300中的执行过程。

本领域技术人员可以理解，图7仅仅是电子设备的示例，并不构成对电子设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如输入输出设备、网络接入设备、总线等。

处理器310可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，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。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器320可以是电子设备的内部存储单元，例如电子设备的硬盘或内存，也可以是电子设备的外部存储设备，例如电子设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡(SmartMedia Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。上述存储器320还可以既包括电子设备的内部存储单元也包括外部存储设备。上述存储器320用于存储计算机程序以及电子设备所需的其他程序和数据。存储器320还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/电子设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/电子设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的模块/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-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。