参与电网调频的风机控制系统技术方案

本发明专利技术提供了一种参与电网调频的风机控制系统，包括：虚拟惯量控制单元，输入为电网频率和频率参考值，输出为有功功率指令增量；转矩控制单元，输入为风机输出功率和风机当前转速，输出为风机转矩参考值；有功功率控制单元，输入为所述有功功率指令增量、所述风机转矩参考值、所述风机当前转速和风机初始转速，输出为有功功率参考值；桨距角控制单元，输入为风轮转速偏差和/或风机有功功率偏差，输出为风机桨距角。本发明专利技术提供的参与电网调频的风机控制系统，在保证风机稳定运行和不恶化电网频率的前提下，调节风机转速和桨距角，充分利用了风机旋转的动能，进而在虚拟惯量控制整个过程避免风机减出力运行，提高风机对电网频率支撑作用。

【技术实现步骤摘要】
参与电网调频的风机控制系统
本专利技术涉及风力发电
，尤其是一种参与电网调频的风机控制系统。
技术介绍
随着风电在电力系统中的渗透率越来越高，特别是大规模风电场直接接入高压输电网后，风电已经对电力系统的调度运行和安全稳定等诸多方面带来了不可忽视的影响。这其中的关键问题之一是大规模风电接入后对电力系统频率的影响以及如何进行含大规模风电电力系统的频率控制从而维持电力系统所要求的频率水平。风电虚拟惯量控制是指在风机控制系统中加入系统频率响应环节，当系统频率变化时，通过释放一定的旋转动能给电网或将一定的电能转化为旋转动能，从而在短时间内增加或减小风机的有功出力，模拟传统同步发电机组的惯性响应以及一次调频响应，参与电力系统频率控制，参与电力系统频率控制。虚拟惯量控制下，若系统发生频率跌落，风机为了增加出力会释放动能。虚拟惯量控制结束后，风机转速将低于最优转速。为了恢复到最优转速，风机的电磁功率在增发功率后需减小，且风机的电磁功率需减小到比当前机械功率更小的运行状态，使得风机转速上升。由于当前的转速脱离最优转速，风机的机械功率低于初始机械功率，也即，在转速恢复阶段，风机的输出有功功率需小于初始输出的有功功率。总的来说，常规虚拟惯量控制在功率增发阶段提供了频率支撑，但在转速恢复阶段，则需要减出力运行，风机输出有功功率小于初始输出有功功率，在风电比例较高的情况下会恶化电网频率的恢复，甚至可能导致系统频率的二次跌落，给电网运行带来了一定的风险。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种参与电网调频的风机控制系统，避免风机减出力运行，使风机虚拟惯量控制整个过程不存在恶化电网频率现象，消除运行风险，同时又可提高对电网频率支撑能力。本专利技术提供了一种参与电网调频的风机控制系统，包括：虚拟惯量控制单元，输入为电网频率fgrid和频率参考值fref，输出为有功功率指令增量ΔP；转矩控制单元，输入为风机输出功率Pe和风机当前转速ωgen，输出为风机转矩参考值Tref；有功功率控制单元，输入为所述有功功率指令增量ΔP、所述风机转矩参考值Tref、所述风机当前转速ωgen和风机初始转速ωgen0，输出为有功功率参考值Pref；桨距角控制单元，输入为风轮转速偏差和/或风机有功功率偏差，输出为风机桨距角；所述虚拟惯量控制单元、所述转矩控制单元和所述有功功率控制单元用于增发有功功率，所述桨距角控制单元，用于增发有功功率后恢复风机转速。其中，所述虚拟惯量控制单元包括：第一运算模块，用于计算所述电网频率fgrid和所述频率参考值fref的差值，得到电网频率偏差ferr；死区模块，用于将所述电网频率偏差ferr与一特定值fdb比较，若所述电网频率偏差ferr小于所述特定值fdb，所述电网频率偏差ferr为0；若所述电网频率偏差ferr大于所述特定值fdb，所述电网频率偏差ferr数值不变；滤波模块，用于将经过所述死区模块后的电网频率偏差ferr平滑处理；增益模块，依据增益系数KD对经过所述滤波模块后的所述电网频率偏差ferr增益处理；隔直模块，用于对经过所述增益模块后的所述电网频率偏差ferr隔直处理；限幅模块，用于对经过所述隔直模块后的所述电网频率偏差ferr限幅处理，并输出所述有功功率指令增量ΔP。进一步地，所述增益模块中，所述增益系数KD由所述电网频率fgrid依次经过量测环节、微分环节、查表环节得到。进一步地，所述查表环节中，所述电网频率fgrid的变化率小于X1时，所述增益系数KD＝Y1；所述电网频率fgrid的变化率大于等于0时，所述增益系数KD＝Y0，其中，所述X1、Y1和Y0均为可修改参数。进一步地，所述转矩控制单元包括：转速参数值计算模块，用于依据所述风机输出功率Pe计算得到风机转速参考值ωref；第二运算模块，用于计算所述风机当前转速ωgen和所述风机转速参考值ωref的差值，得到第一转速偏差ω′err_trq；转速偏差信号处理模块，用于对所述第一转速偏差ω′err_trq处理，得到第二转速偏差ωerr_trq；PI控制模块，用于对所述第二转速偏差ωerr_trq处理，得到所述风机转矩参考值Tref。进一步地，所述转速参数值计算模块中的计算方法为：其中，计算方法中K1、K2、K3、K4和K5均为可修改参数。进一步地，所述第二运算模块中，所述风机转速参考值ωref经过一个长时间惯性环节与所述风机当前转速ωgen做差，得到所述第一转速偏差ω＇err_trq。进一步地，所述长时间惯性环节中，惯性环节时间常数典型值为60s。进一步地，所述转速偏差信号处理模块，对所述第一转速偏差ω＇err_trq处理方法如下：当所述电网频率偏差ferr小于所述特定值fdb时，所述第二转速偏差ωerr_trq等于所述第一转速偏差ω′err_trq；当所述电网频率偏差ferr大于等于所述特定值fdb时，所述第一转速偏差ω′err_trq需经过死区环节得到所述第二转速偏差ωerr_trq，死区系数为ωdb，即：进一步地，所述有功功率控制单元包括：风机有功功率参考值信号处理模块，依据所述风机转矩参考值Tref、所述风机当前转速ωgen和风机初始转速ωgen0，得到当前有功功率Pfre_trq；第三计算模块，对所述当前有功功率Pfre_trq和所述有功功率指令增量ΔP求和，得到所述有功功率参考值Pref。进一步地，所述风机有功功率参考值信号处理模块中，当所述电网频率偏差ferr大于所述特定值fdb时，且所述第二转速偏差ωerr_trq小于等于0时，Pfre_trq＝Tref*ωgen0；其他情况下，Pfre_trq＝Tref*ωgen。本专利技术提供的参与电网调频的风机控制系统，当系统频率降低时，风机在系统频率下降初始阶段释放风机转动惯量，提供更多有功功率输出，减少系统频率下降速率和提高频率下降最小值，有力支撑系统频率恢复，在风机转速恢复阶段，通过减小风机桨距角，释放风机备用功率，增大的风机机械功率，恢复风机转速，同时避免风机减出力运行。在保证风机稳定运行和不恶化电网频率的前提下，调节风机转速，充分利用了风机旋转的动能，进而在虚拟惯量控制整个过程不存在恶化电网频率现象，消除了运行风险，同时提高对电网频率支撑能力，具有一定的经济效益。此外，本专利技术对风机控制系统的改动较小，不影响风机正常运行控制，无需修改原有风机控制参数，易于工程实现。附图说明图1是本专利技术参与电网调频的风机控制系统的整体控制框图；图2是本专利技术中虚拟惯量控制单元的示意图；图3是本专利技术中增益模块中依据增益系数KD查表示意图；图4是本专利技术中有功功率控制单元示意图；图5是本专利技术中转矩控制单元示意图；图6是本专利技术中桨距角控制单元示意图；图7是本专利技术中仿真算例结构图；图8是本专利技术中系统频率响应对比图；图9是本专利技术中风机输出功率对比图；图10是本专利技术中风机转速对比图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本专利技术并能予以实施，但所举实施例不作为对本专利技术的限定。一种参与电网调频的风机控制系统，如图1所示，在原风机控制系统基础上，新增了虚拟惯量控制单元，并对变速风机控制系统的有功功率控制单元、转矩控制单元、桨距角控制单元进行了改造，但改动不影响风机原有控本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种参与电网调频的风机控制系统，其特征在于，包括：虚拟惯量控制单元，输入为电网频率fgrid和频率参考值fref，输出为有功功率指令增量ΔP；转矩控制单元，输入为风机输出功率Pe和风机当前转速ωgen，输出为风机转矩参考值Tref；有功功率控制单元，输入为所述有功功率指令增量ΔP、所述风机转矩参考值Tref、所述风机当前转速ωgen和风机初始转速ωgen0，输出为有功功率参考值Pref；桨距角控制单元，输入为风轮转速偏差和/或风机有功功率偏差，输出为风机桨距角；所述虚拟惯量控制单元、所述转矩控制单元和所述有功功率控制单元用于增发有功功率，所述桨距角控制单元，用于增发有功功率后恢复风机转速。其中，所述虚拟惯量控制单元包括：第一运算模块，用于计算所述电网频率fgrid和所述频率参考值fref的差值，得到电网频率偏差ferr；死区模块，用于将所述电网频率偏差ferr与一特定值fdb比较，若所述电网频率偏差ferr小于所述特定值fdb，所述电网频率偏差ferr为0；若所述电网频率偏差ferr大于所述特定值fdb，所述电网频率偏差ferr数值不变；滤波模块，用于将经过所述死区模块后的电网频率偏差ferr平滑处理；增益模块，依据增益系数KD对经过所述滤波模块后的所述电网频率偏差ferr增益处理；隔直模块，用于对经过所述增益模块后的所述电网频率偏差ferr隔直处理；限幅模块，用于对经过所述隔直模块后的所述电网频率偏差ferr限幅处理，并输出所述有功功率指令增量ΔP。...

【技术特征摘要】
1.一种参与电网调频的风机控制系统，其特征在于，包括：虚拟惯量控制单元，输入为电网频率fgrid和频率参考值fref，输出为有功功率指令增量ΔP；转矩控制单元，输入为风机输出功率Pe和风机当前转速ωgen，输出为风机转矩参考值Tref；有功功率控制单元，输入为所述有功功率指令增量ΔP、所述风机转矩参考值Tref、所述风机当前转速ωgen和风机初始转速ωgen0，输出为有功功率参考值Pref；桨距角控制单元，输入为风轮转速偏差和/或风机有功功率偏差，输出为风机桨距角；所述虚拟惯量控制单元、所述转矩控制单元和所述有功功率控制单元用于增发有功功率，所述桨距角控制单元，用于增发有功功率后恢复风机转速。其中，所述虚拟惯量控制单元包括：第一运算模块，用于计算所述电网频率fgrid和所述频率参考值fref的差值，得到电网频率偏差ferr；死区模块，用于将所述电网频率偏差ferr与一特定值fdb比较，若所述电网频率偏差ferr小于所述特定值fdb，所述电网频率偏差ferr为0；若所述电网频率偏差ferr大于所述特定值fdb，所述电网频率偏差ferr数值不变；滤波模块，用于将经过所述死区模块后的电网频率偏差ferr平滑处理；增益模块，依据增益系数KD对经过所述滤波模块后的所述电网频率偏差ferr增益处理；隔直模块，用于对经过所述增益模块后的所述电网频率偏差ferr隔直处理；限幅模块，用于对经过所述隔直模块后的所述电网频率偏差ferr限幅处理，并输出所述有功功率指令增量ΔP。2.如权利要求1所述的参与电网调频的风机控制系统，其特征在于，所述增益模块中，所述增益系数KD由所述电网频率fgrid依次经过量测环节、微分环节、查表环节得到。3.如权利要求2所述的参与电网调频的风机控制系统，其特征在于，所述查表环节中，所述电网频率fgrid的变化率小于X1时，所述增益系数KD＝Y1；所述电网频率fgrid的变化率大于等于0时，所述增益系数KD＝Y0，其中，所述X1、Y1和Y0均为可修改参数。4.如权利要求1所述的参与电网调频的风机控制系统，其特征在于，所述转矩控制单元包括：转速参数值计算模块，用于依据所述风机输出功率Pe计算得到风机转速参考值ωre...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐希望，安宁，李芳，黄彦浩，丁平，孙璐，李文臣，何蕾，蔡靖，陈兴雷，赵敏，李木一，杨晓煜，田鹏飞，文晶，施浩波，肖莹，雷达，李慧蓬，李胜文，
申请(专利权)人：中国电力科学研究院有限公司，国网山西省电力公司电力科学研究院，国家电网公司，
类型：发明
国别省市：北京,11