一种改善风电场交直流并网系统频率的联合调频控制策略技术方案

本发明专利技术公开一种改善风电场交直流并网系统频率的联合调频控制策略，提出储能与柔性直流附加控制联合参与系统频率调节以改善主网频率的方法：首先，在风电场侧柔性直流换流站中加入基于风电场频率变化的柔性直流频率附加控制，利用柔性直流输电的大输送功率和可短时过负荷运行的特点，优先改善风电场频率特性；其次，将储能系统通过换流器并联在风电场和主网间直流线路上，弥补风电场侧直流附加控制对主网的频率恶化作用。本发明专利技术优先改善风电场频率特性，保证风电场安全运行，同时改善主网频率特性。

A Joint Frequency Modulation Control Strategy for Improving the Frequency of AC/DC Grid-connected Wind Farm System

The invention discloses a joint frequency modulation control strategy for improving the frequency of wind farm AC/DC grid-connected system, and proposes a method for jointly participating in the frequency regulation of the system with storage energy and flexible DC additional control to improve the frequency of the main network: Firstly, the flexible DC frequency additional control based on the frequency variation of wind farm is added to the flexible DC converter station on the wind farm side, and the large-scale transmission of flexible DC transmission is utilized. The characteristics of power and short-term overload operation give priority to improving the frequency characteristics of wind farms; secondly, parallel connection of energy storage system through converters on the direct current lines between wind farms and main grids can compensate for the frequency deterioration of main grids by DC additional control at wind farm side. The invention gives priority to improving the frequency characteristics of the wind farm, guaranteeing the safe operation of the wind farm and improving the frequency characteristics of the main network.

【技术实现步骤摘要】
一种改善风电场交直流并网系统频率的联合调频控制策略
本专利技术涉及电力电子
，具体为一种改善风电场交直流并网系统频率的联合调频控制策略。
技术介绍
随着新能源需求的增加，风电场规模日益扩大，原有交流线路的传输能力已不能满足风电场的并网要求。为了提高风电场的送出能力，可采用基于VSC-HVDC(柔性直流输电)的交直流并联并网方式取代原有的交流并网方式。风电场交直流并网系统结构如图1所示，图1中WFVSC(windfarmsidevoltagesourceconverter风电场侧电压源转换器)为风电场侧换流站，GSVSC(gridsidevoltagesourceconverter电网侧电压源变换器)为主网侧换流站。考虑VSC-HVDC响应时间远小于发电机调速器响应时间，在负荷变化时选择忽略两区域原动机调速器的动态作用，仅考虑交直流线路传输功率改变引起的频率变化。根据输电网模型和发电机机械运动模型，风电场频率、主网频率与交直流线路输送功率的关系为：式中，Δf1、Δf2分别为风电场、主网的频率变化量；ΔPdc为柔性直流线路输送功率变化量；ΔPac为交流线路输送功率变化量；T12为传输线同步系数，它表达了频率变化量在沿交流线路传输过程中的衰减特征，其值越大，单位长度的频率变化量衰减越小；a12为两个系统容量之间的换算系数，其值为风电场、受端电网两系统基准额定功率之比；M1、M2分别为风电场和主网的等值惯性系数；D1、D2分别为风电场和主网的负荷阻尼常数。本文取T12＝0.9，a12＝0.4；M1＝6，M2＝10；D1＝D2＝4。由式(1)可得交直流互联系统的状态方程，写为形式，即为由式(1)(2)可得交直流并网系统频率模型，如图2中实线部分所示。如式(2)所示的系统状态方程，风电场与主网频率相互耦合，以此为基础建立的控制方程中，状态变量同时包含Δf1和Δf2，即如若加入直流频率附加控制，其控制量应同时包含Δf1和Δf2，如图2中虚线部分所示。控制理论中，在能达到相似协调控制的前提下，希望尽量减少状态变量，故本文只采用风电场侧信号作为反馈信号，并应用重叠分解技术对矩阵A进行分解，使得风电场与主网频率解耦。对式(2)的状态方程应用重叠分解技术进行分解。可解耦为两个子系统：其详细参数为经过重叠分解后，式(4)、式(5)与式(2)具有相似的特性，在子系统T1或T2的基础上建立控制，就可以达到控制原系统的目的。在此，直流频率附加控制器的目标是优化风电场频率特性，故采用子系统T1的频率偏差Δf1作为反馈信号，如图3所示。变速风电机组通过增加频率环节，可以使其转子惯性和桨距角根据频率变化而变化，进而改变风电机组输出功率，达到调频目的。本文考虑转子惯性控制和变桨距控制两种调频手段，并采用一阶滞后传递函数简化表示风电机组频率模型。转子惯性通过控制转子侧变流器控制转子速度的变化，短时释放/吸收贮存在风电机组旋转质体的动能，以快速响应系统频率变化。相比于一、二次调频，转子惯性调频具有响应速度快和不需要留有备用功率的优点，但受转速限制其持续时间明显小于前两者。考虑上述控制特性，使用传统电源的惯性响应近似表示风电机组惯性响应，其频率模型的传递函数为式中：Tω为转子惯性响应时间常数；kdf为惯性响应系数；ΔPω为转子惯性控制提供功率变化量。变桨距控制是指通过调整风力机的桨距角，使其处于最大功率点之下的某一运行点，以留出一定的备用容量。变桨距控制调节能力较强，调节范围较广，但受机械特性影响，其响应速度相对较慢，有一定的延迟。考虑上述控制特性，使用传统电源的一次调频响应近似表示风电机组变桨距控制响应，其频率模型的传递函数为式中：Tβ为变桨距响应时间常数；kpf为一次调频系数；ΔPβ为变桨距控制提供功率变化量。将变速机组的惯性控制和变桨距控制相结合，考虑死区及功率限制，得到风电场频率模型如图4所示。在现有技术中：措施1：将储能系统通过换流器并联在风电场和主网间直流线路上，以实现储能系统与风电场的联合输出功率满足电网的并网导则技术规定，可参考文献《基于混合储能的柔性直流输电技术提高风电并网电能质量的研究》；措施2：在风电场侧柔性直流外环控制结构中设计附加频率控制器，使直流系统能够响应风电场频率变化，在风电场发生功率不平衡时，主网可通过直流系统进行必要的功率支援，可参考文献《柔性直流输电系统的附加频率控制》；措施3：在风电场层面上，将储能系统连接至风电场出口交流母线上，在功率扰动初期依靠储能系统的柔性控制作用快速消除功率不平衡，可参考文献《风储联合调频下的电力系统频率特性分析》。上述三种技术方案中，措施1只能改善主网频率状况，提高主网频率稳定性；措施2只能改善风电场侧频率状况，且当风电场发生功率不平衡时主网需通过直流线路对风电场进行功率支援，同时风电场功率差额可以沿交流线路传递给主网，由于上述作用，可能造成主网功率差额过大，造成频率失稳；措施3虽然可以在风电场功率扰动初期恢复功率平衡，抑制风电场和主网频率波动，但与直流线路的大输送功率和短时过负荷能力相比，储能元件的功率与容量有限，当送端风电场有过多功率差额时，储能元件不能达到理想的吸收过剩能量或释放足够能量的效果，仍可能造成风电场频率失稳，风机脱网。目前没有利用风电场和储能系统联合调频的控制措施。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种可优先改善风电场频率特性，并可弥补风电场侧直流附加控制对主网的频率恶化作用，并改善主网频率特性的改善风电场交直流并网系统频率的联合调频控制策略。技术方案如下：一种改善风电场交直流并网系统频率的联合调频控制策略，包括以下步骤：步骤1：构建直流频率附加控制器：在风电场侧换流站WFVSC中引入直流电压--有功功率下垂特性和有功功率-频率下垂特性，组成直流频率附加控制器，使直流系统能响应风电场频率变化；直流频率附加控制器结构的数学关系式如下：式中，Udc为直流电压，Udcref为直流电压整定值；β为直流电压--有功功率下垂特性的下垂系数；α为有功功率-频率下垂特性的下垂系数；fH和fL分别为直流电压--有功功率下垂特性中设置的频率的上限动作值和下限动作值；f为频率；P为有功功率；Pref为有功功率整定值；步骤2：确定直流频率附加控制器比例系数：为了达到最优的控制效果，通过极点配置法选取合适的下垂系数，即直流频率附加控制器比例系数α。对受控系统∑0＝(A1,B1,C1)，用状态向量的线性反馈V*＝KX1构成闭环系统(其中，A1、B1、C1分别表示加入状态反馈前受控系统的系数矩阵、输入系数矩阵、输出系数矩阵；X1表示状态向量)，即通过状态反馈矩阵K的作用让闭环系∑＝(A1-B1K,B1,C1)的极点，即A1-B1K的特征值恰好处于根平面上所期望的位置，以获得所需要的动态性能；应用重叠分解技术对交直流互联系统进行分解，形成两个子系统T1和T2，加入状态反馈后，子系统T1状态方程变为令其输出方程为y1＝C1X1+D1V，且输出变量y1＝X1，则D1＝0，C1为二阶单位矩阵；D1表示系数矩阵，在此取D1＝0；V表示交直流互联系统重叠分解后得到的状态向量[Δf1ΔPac]T，ΔPac为交流线路输送功率变化量；加入线性反馈前，系统特征值由下式求得：det[s本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种改善风电场交直流并网系统频率的联合调频控制策略，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：构建直流频率附加控制器：在风电场侧换流站WFVSC中引入直流电压‑‑有功功率下垂特性和有功功率‑频率下垂特性，组成直流频率附加控制器，使直流系统能响应风电场频率变化；直流频率附加控制器结构的数学关系式如下：

【技术特征摘要】
1.一种改善风电场交直流并网系统频率的联合调频控制策略，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：构建直流频率附加控制器：在风电场侧换流站WFVSC中引入直流电压--有功功率下垂特性和有功功率-频率下垂特性，组成直流频率附加控制器，使直流系统能响应风电场频率变化；直流频率附加控制器结构的数学关系式如下：式中，Udc为直流电压，Udcref为直流电压整定值；β为直流电压--有功功率下垂特性的下垂系数；α为有功功率-频率下垂特性的下垂系数；fH和fL分别为直流电压--有功功率下垂特性中设置的频率的上限动作值和下限动作值；f为频率；P为有功功率；Pref为有功功率整定值；步骤2：确定直流频率附加控制器比例系数：对受控系统∑0＝(A1,B1,C1)，用状态向量的线性反馈V*＝KX1构成闭环系统，即通过状态反馈矩阵K的作用；其中，A1、B1、C1分别表示加入状态反馈前受控系统的系数矩阵、输入系数矩阵、输出系数矩阵；X1表示状态向量；让闭环系统∑＝(A1-B1K,B1,C1)的极点，即A1-B1K的特征值恰好处于根平面上所期望的位置，以获得所需要的动态性能；加入状态反馈后，应用重叠分解技术对闭环系统进行分解，形成两个子系统T1和T2，子系统T1状态方程变为令其输出方程为y1＝C1X1+D1V，且输出变量y1＝X1，则D1＝0，C1为二阶单位矩阵；D1表示系数矩阵，在此取D1＝0；V表示交直流互联系统重叠分解后得到的状态向量[Δf...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘天琪，张海川，曾雪洋，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51