一种风力发电机组参与电网一次调频的控制方法及模型技术

本发明专利技术公开了一种风力发电机组参与电网一次调频的控制方法及模型，包括：在风力发电机组的控制系统中加入转子惯性响应控制，电力系统频率降低时转子惯性响应控制器通过改变逆变器的功率输出参考值，临时在机组功率指令上增加的功率调节量，风电机组转子释放转动势能暂时对不平衡功率进行补偿，使得频率的波动能暂时性地减少。风电机组功率输出在转子惯性响应控制后会恢复到扰动前的状态，接下来加入的有功功率控制器通过增加风电机组叶片桨距角，使风力机组运行于非最佳风能捕获工况，并能提供所需的风电功率备用容量，从而实现风电机组功率输出和用电负荷的平衡，减小电力系统频率的波动。

A Control Method and Model of Wind Turbine Generator Participating in Primary Frequency Modulation of Power Grid

【技术实现步骤摘要】
一种风力发电机组参与电网一次调频的控制方法及模型
本专利技术属于电网一次调频领域，特别涉及一种风力发电机组参与电网一次调频的控制方法及模型。
技术介绍
频率稳定是电力系统安全、可靠运行的重要指标，电力系统通过自动发电控制(AGC)实现频率调节。当电力系统中原动机输出功率和用电负荷失衡时，电力系统频率便会发生波动，原动机的输出是可控制的，而电力系统负荷则受负荷构成、季节、时间、气象特征、随机波动和突发故障等因素影响，是不可控因素。当电网的频率波动时，常规发电机组通过释放/储蓄转子惯性势能和AGC控制以避免发生大幅度的偏移，并恢复频率至额定值，以达到快速响应频率扰动的功能。与常规机组不同，新增风力机组主要为变转速机组，机组的转速和电网频率处于解耦状态，对电力系统来说，风力机组的转动惯性为零，因此大规模风电并网势必会恶化电力系统频率稳定性。为了消除风电并网负面影响，可通过风电机组参与电力系统频率调节，以保证电力系统的安全、稳定运行，但是受运行转差的限制，加之风电机组出力主要由实际风速决定，并不能为电力系统提高备用容量，因此，电力系统的二次调频和三次调频任务主要由常规机组完成，而风力机仅参与电力系统一次调频过程。因此，亟需一种风力发电机组参与电网一次调频的控制方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种风力发电机组参与电网一次调频的控制方法及模型，以解决上述存在的由于大规模风电并网带来的电力系统频率不稳定问题。本专利技术的控制方法及模型，可实现模拟常规发电机组永久性地增加功率输出，完善风电机组一次调频能力，可实现风电发电机组稳定、安全运行。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种风力发电机组参与电网一次调频的控制方法，包括以下步骤：采集获取电网负荷波动时的电网频率fmeasure；根据电网频率fmeasure获得功率信号ΔPIR,demand；将功率信号ΔPIR,demand输入发电机及变流器模型获得发电机输出功率Pg，将Pg输入转子系统，在转子系统中转子转动势能释放实现暂时性补偿功率-负荷的不平衡，用于为永久性的功率补偿提供缓冲时间；将风能转化模块输出功率Pwt输入转子系统获得对应的发电机转子旋转角速度ωg；将发电机转子旋转角速度ωg与风电机组最佳功率输出值对应的发电机转子旋转角速度参考值ωref求差得到ωg,error；根据到ωg,error获得风电机组的功率指令Pord；当电网负荷波动时的风速小于额定风速时：功率指令Pord通过发电机及变流器环节后功率调节信号进入转子系统环节，调整转子系统中叶片的旋转角速度，使叶尖比在不同风速下达到最优，最大化风力发电机组叶轮捕获的风能，维持功率输出和负荷之间的平衡；当电网负荷波动时的风速大于额定风速时：根据ωg,error获得叶片桨距角控制指令θcmd,1，通过调节叶片桨距角改善风能的转化系数及出力实现风电机组输出功率与电网负荷之间的平衡；根据预测风速和电网频率fmeasure获得叶片桨距角控制指令θcmd,2，θcmd,2与θcmd,1求和后输入一阶惯性响应环节获得动态响应值θ，风能转化模块根据动态响应值θ调节叶片桨距角的大小实现永久性功率输出，完成风力发电机组参与电网一次调频。本专利技术的进一步改进在于，根据电网频率fmeasure获得功率信号ΔPIR,demand的步骤具体包括：将电网频率fmeasure输入转子惯性响应控制器获得功率信号ΔPIR,demand；转子惯性响应控制器包括：频率变化率惯性环节模块、频率变化率调差系数模块、频率瞬时偏差惯性环节模块和频率瞬时偏差调差系数模块；电网频率fmeasure通过频率变化率惯性环节模块和频率变化率调差系数模块，获得频率变化率响应的功率需求ΔPDerivative；电网频率fmeasure通过频率瞬时偏差惯性环节模块和频率瞬时偏差调差系数模块，获得频率瞬时偏差响应的功率需求ΔPTransition；频率变化率响应的功率需求ΔPDerivative与频率瞬时偏差响应的功率需求ΔPTransition求和获得功率信号ΔPIR,demand。本专利技术的进一步改进在于，根据到ωg,error获得风电机组的功率指令Pord的步骤具体包括：将ωg,error输入风电机组转矩控制器得到风电机组的功率指令Pord；风电机组转矩控制器包括：比例积分模块、乘积模块和低通滤波模块；将ωg,error输入比例积分模块，比例积分模块的输出与发电机转子旋转角速度在乘积模块乘积后，乘积模块的输出输入低通滤波模块，最终获得风电机组的功率指令Pord。本专利技术的进一步改进在于，根据ωg,error获得叶片桨距角控制指令θcmd,1的步骤具体包括：将ωg,error输入到叶片桨距角控制器得出桨距角控制指令θcmd,1；叶片桨距角控制器包括：比例积分模块和一阶惯性环节模块；将ωg,error输入到比例积分模块，得出桨距角控制指令θcmd,1，桨距角的执行机构等效为一阶惯性环节，执行机构按照控制指令得出桨距角动态响应值θ，控制器采用抗饱和积分器。本专利技术的进一步改进在于，根据预测风速和电网频率fmeasure获得叶片桨距角控制指令θcmd,2的步骤具体包括：将预测风速和电网频率fmeasure输入有功功率控制器模型；将有功功率控制器模型的输出与风电机组的功率指令Pord做差获得风电功率调节量Preg；将风电功率调节量Preg输入桨距角补偿控制器获得桨距角控制指令θcmd,2；有功功率控制器模型包括：风能转化模块和频率响应静特性模块；将预测风速输入风能转化模块，风能转化模块输出风电机组功率输出Pavailable；将风电机组功率输出Pavailable输入频率响应静特性模块，将电网频率fmeasure输入频率响应静特性模块，频率响应静特性模块输出风电机组有功功率控制信号PABC；风电机组有功功率控制信号PABC作为有功功率控制器模型的输出；桨距角补偿控制器包括：比例积分模块。本专利技术的进一步改进在于，风电机组转矩控制器后连接有低通滤波器；当电网负荷波动时的风速大于额定风速时，低通滤波器用于阻止ωg,error信号的通过。一种风力发电机组参与电网一次调频的控制模型，包括：频率采集模块、转子惯性响应控制器、发电机及变流器模型、参考转速-功率关系曲线环节、转子系统、第一风能转化模块、风电机组转矩控制器、桨距角控制器、有功功率控制器、桨距角补偿控制器和一阶惯性响应环节；频率采集模块用于采集获取电网负荷波动时的电网频率fmeasure；转子惯性响应控制器用于根据频率采集模块获取的电网频率fmeasure得到功率信号ΔPIR,demand；发电机及变流器模型用于根据转子惯性响应控制器获得的功率信号ΔPIR,demand得到发电机输出功率Pg；第一风能转化模块用于根据风速得到输出功率Pwt；转子系统用于接收发电机输出功率Pg和第一风能转化模块输出功率Pwt，并输出发电机转子旋转角速度ωg，风能转化模块接收来自转子系统反馈调节ωg；参考转速-功率关系曲线环节用于接收发电机输出功率Pg，并输出发电机转子旋转角速度参考值ωref；发电机转子旋转角速度ωg与发电机转子旋转角速度参考值ωref做差获得转速误差信号ωg,error；当电网负荷波动时的风速小于额定风速时：风电机组转矩控制器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种风力发电机组参与电网一次调频的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：采集获取电网负荷波动时的电网频率fmeasure；根据电网频率fmeasure获得功率信号ΔPIR,demand；将功率信号ΔPIR,demand输入发电机及变流器模型获得发电机输出功率Pg，将Pg输入转子系统，在转子系统中转子转动势能释放实现暂时性补偿功率‑负荷的不平衡，用于为永久性的功率补偿提供缓冲时间；将风能转化模块输出功率Pwt输入转子系统获得对应的发电机转子旋转角速度ωg；将发电机转子旋转角速度ωg与风电机组最佳功率输出值对应的发电机转子旋转角速度参考值ωref求差得到ωg,error；根据到ωg,error获得风电机组的功率指令Pord；当电网负荷波动时的风速小于额定风速时：功率指令Pord通过发电机及变流器环节后功率调节信号进入转子系统环节，调整转子系统中叶片的旋转角速度，使叶尖比在不同风速下达到最优，最大化风力发电机组叶轮捕获的风能，维持功率输出和负荷之间的平衡；当电网负荷波动时的风速大于额定风速时：根据ωg,error获得叶片桨距角控制指令θcmd,1，通过调节叶片桨距角改善风能的转化系数及出力实现风电机组输出功率与电网负荷之间的平衡；根据预测风速和电网频率fmeasure获得叶片桨距角控制指令θcmd,2，θcmd,2与θcmd,1求和后输入一阶惯性响应环节获得动态响应值θ，风能转化模块根据动态响应值θ调节叶片桨距角的大小实现永久性功率输出，完成风力发电机组参与电网一次调频。...

【技术特征摘要】
1.一种风力发电机组参与电网一次调频的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：采集获取电网负荷波动时的电网频率fmeasure；根据电网频率fmeasure获得功率信号ΔPIR,demand；将功率信号ΔPIR,demand输入发电机及变流器模型获得发电机输出功率Pg，将Pg输入转子系统，在转子系统中转子转动势能释放实现暂时性补偿功率-负荷的不平衡，用于为永久性的功率补偿提供缓冲时间；将风能转化模块输出功率Pwt输入转子系统获得对应的发电机转子旋转角速度ωg；将发电机转子旋转角速度ωg与风电机组最佳功率输出值对应的发电机转子旋转角速度参考值ωref求差得到ωg,error；根据到ωg,error获得风电机组的功率指令Pord；当电网负荷波动时的风速小于额定风速时：功率指令Pord通过发电机及变流器环节后功率调节信号进入转子系统环节，调整转子系统中叶片的旋转角速度，使叶尖比在不同风速下达到最优，最大化风力发电机组叶轮捕获的风能，维持功率输出和负荷之间的平衡；当电网负荷波动时的风速大于额定风速时：根据ωg,error获得叶片桨距角控制指令θcmd,1，通过调节叶片桨距角改善风能的转化系数及出力实现风电机组输出功率与电网负荷之间的平衡；根据预测风速和电网频率fmeasure获得叶片桨距角控制指令θcmd,2，θcmd,2与θcmd,1求和后输入一阶惯性响应环节获得动态响应值θ，风能转化模块根据动态响应值θ调节叶片桨距角的大小实现永久性功率输出，完成风力发电机组参与电网一次调频。2.根据权利要求1所述的一种风力发电机组参与电网一次调频的控制方法，其特征在于，根据电网频率fmeasure获得功率信号ΔPIR,demand的步骤具体包括：将电网频率fmeasure输入转子惯性响应控制器获得功率信号ΔPIR,demand；转子惯性响应控制器包括：频率变化率惯性环节模块、频率变化率调差系数模块、频率瞬时偏差惯性环节模块和频率瞬时偏差调差系数模块；电网频率fmeasure通过频率变化率惯性环节模块和频率变化率调差系数模块，获得频率变化率响应的功率需求ΔPDerivative；电网频率fmeasure通过频率瞬时偏差惯性环节模块和频率瞬时偏差调差系数模块，获得频率瞬时偏差响应的功率需求ΔPTransition；频率变化率响应的功率需求ΔPDerivative与频率瞬时偏差响应的功率需求ΔPTransition求和获得功率信号ΔPIR,demand。3.根据权利要求1所述的一种风力发电机组参与电网一次调频的控制方法，其特征在于，根据到ωg,error获得风电机组的功率指令Pord的步骤具体包括：将ωg,error输入风电机组转矩控制器得到风电机组的功率指令Pord；风电机组转矩控制器包括：比例积分模块、乘积模块和低通滤波模块；将ωg,error输入比例积分模块，比例积分模块的输出与发电机转子旋转角速度在乘积模块乘积后，乘积模块的输出输入低通滤波模块，最终获得风电机组的功率指令Pord。4.根据权利要求1所述的一种风力发电机组参与电网一次调频的控制方法，其特征在于，根据ωg,error获得叶片桨距角控制指令θcmd,1的步骤具体包括：将ωg,error输入到叶片桨距角控制器得出桨距角控制指令θcmd,1；叶片桨距角控制器包括：比例积分模块和一阶惯性环节模块；将ωg,error输入到比例积分模块，得出桨距角控制指令θcmd,1，桨距角的执行机构等效为一阶惯性环节，执行机构按照控制指令得出桨距角动态响应值θ，控制器采用抗饱和积分器。5.根据权利要求1所述的一种风力发电机组参与电网一次调频的控制方法，其特征在于，根据预测风速和电网频率fmeasure获得叶片桨距角控制指令θcmd,2的步骤具体包括：将预测风速和电网频率fmeasure输入有功功率控制器模型；将有功功率控制器模型的输出与风电机组的功率指令Pord做差获得风电功率调节量Preg；将风电功率调节量Preg输入桨距角补偿控制器获得桨距角控制指令θcmd,2；有功功率控制器模型包括：风能转化模块和频率响应静特性模块；将预测风速输入风能转化模块，风能转化模块输出风电机组功率输出Pavailable；将风电机组功率输出Pavailable输入频率响应静特性模块，将电网频...

【专利技术属性】
技术研发人员：师鹏，张沛，杨建安，戴义平，郑少雄，陈康，
申请(专利权)人：国网陕西省电力公司电力科学研究院，国家电网有限公司，西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61