【技术实现步骤摘要】
转子动能控制的风机暂态有功调控能力评估方法及系统
[0001]本专利技术属于电力系统运行与控制
，尤其涉及转子动能控制的风机暂态有功调控能力评估方法及系统
。
技术介绍
[0002]电力系统受扰后的系统频率响应过程一般可以分为惯量响应阶段
、
一次调频阶段以及二次调频阶段等
。
其中在受扰初期的惯量响应阶段内常规机组的一次调频功能尚处于启动阶段，难以提供可观的有功支撑，因此在该阶段内主要依赖于机组自身惯量抑制系统频率的快速变化
。
然而，大规模新能源机组接入新型电力系统使得系统惯量降低，将进一步恶化系统频率在惯量响应阶段内的特性，甚至导致该阶段内的频率极值点越过安全限值，引起更大的事故
。
因此，在电网受扰后的惯量响应阶段内通过风机提供快速有功支撑，在本质上相当于提升了该阶段内的电网惯量，对于改善系统频率稳定特性具有显著意义
。
风机的转子动能控制模式具有响应速度快，不改变系统稳态运行点，经济性高的优点，因此更适用于暂态有功调控
。
为便于电网侧在紧急调控策略的制定中协同多场站资源，有必要预先对风电场的暂态有功调控能力进行评估，然而现有的评估方法主要依赖于风机转子转速的安全变化区间计算风机在理论上能够提供的调频能量，并不能给出具体的调控方式，而且对于风机的转矩约束以及逆变器容量约束等安全限制均未完全考虑，局限性较大
。
因此亟待提出一项全面考虑风机运行安全约束且能够明确给出对应控制措施的风电场...
【技术保护点】
【技术特征摘要】 【专利技术属性】
1.
一种基于转子动能控制的风机暂态有功调控能力评估方法，其特征在于，包括：监测风机结构及运行状态信息，构建风机控制模型并作对应简化，构建基于转子动能的风机暂态有功控制模型；在风机暂态有功控制模型的转矩控制环节引入附加控制指令接口，实现风机暂态有功上调与风机暂态有功下调；离散化处理风机的有功调控模型，形成风机状态变量的差分迭代计算方法；构建面向暂态有功支撑的风机调控指令优化模型，并计算优化模型的约束目标函数；建立适用于灰狼优化求解的优化模型结构，采用改进的灰狼优化算法进行模型迭代求解；将最优指令代入风机模型计算暂态有功支撑能力
。2.
根据权利要求1所述基于转子动能控制的风机暂态有功调控能力评估方法，其特征在于：
S1.1.
所述构建风机控制模型并作对应简化，构建基于转子动能的风机暂态有功控制模型的具体步骤包括：监测风机初始运行状态信息与结构信息；包括风电场风速
、
风机转速初值
、
风机桨距角初值
、
风机初始输出功率以及风机变流器控制系统各项参数；根据监测信息，构建风机结构网侧变流器控制系统的数学模型；根据风机进行暂态有功调控的时间尺度，忽略风机结构及变流器控制系统模型中涉及电磁暂态时间尺度的控制环节及其无功功率调控模块，构建风机暂态有功控制模型：包括风机机械功率计算模块
、
等值转子运动方程模块
、
桨距角控制模块
、
转矩控制模块以及
SPWM
调制等值模块；风机机械功率计算模块模拟风机机械功率受风机转速以及桨距角变化的影响，表达式如下：如下：如下：如下：其中，
ρ
表示空气密度；
A
表示叶片扫掠面积；
v
m
表示风速；
C
P
表示风能利用系数；
R
表示风轮半径；
λ
m
表示与叶尖速比
λ
相关的中间变量；最优转速与风速关系如下：最优转速与风速关系如下：其中，
λ
opt
表示最优叶尖速比；
ω
opt
与分别表示风速为
v
m
场景下风机正常状态的桨
叶角速度以及对应的最大风能利用系数；
P
mppt
表示风速为
v
m
场景下风机正常状态的运行功率；设转速参考值
ω
ref
在暂态有功调整过程中为固定值；根据桨距角控制环节的结构及其限幅环节，当风机输出功率超过其额定功率或者风机的转速超过其额定转速的情况下，桨距角控制启动；
S1.2.
所述在风机暂态有功控制模型的转矩控制模块之后附加控制端口，实现风机暂态有功上调与风机暂态有功下调的具体步骤如下：风机暂态有功上调：在控制端口处给定阶跃参考指令信号
Δ
P
add
为正值，使风机输出功率增大，风机转子侧机械转矩小于电磁转矩，转子转速降低，释放动能为电网提供暂态有功支撑；风机暂态有功下调：在控制端口处给定阶跃参考指令信号
Δ
P
add
为负值，使风机输出功率降低，风机转子侧机械转矩大于电磁转矩，转子转速增大，吸收电网侧盈余功率，存储为转子动能形式；完成功率调整后，将控制指令
Δ
P
add
调整为0，使得风机恢复为初始运行状态
。3.
根据权利要求1所述基于转子动能控制的风机暂态有功调控能力评估方法，其特征在于，所述离散化处理风机的有功调控模型，形成风机状态变量的差分迭代计算方法包括：
S2.1.
根据双线性变换原理对等值模型中的传递函数环节进行离散化处理，得到对应的
z
域传递函数，其中
s
域传递函数的标准模型如下：将代入上述模型中，得到对应
z
域传递函数模型，整理成标准形式为：其中，
t
bc
表示离散时间步长；
μ0…
μ
q
；
λ0…
λ
p
；
c0…
c
p
；
d0…
d
p
均为常系数；
p
表示
s
域传递函数分母多项式的阶数；
q
表示
s
域传递函数分子多项式的阶数；
S2.2.
基于
z
域传递函数模型列出对应的时域差分方程，具体如下：整理形成对应的自回归滑动平均模型
ARMA
：其中，
y
与
u
表示传递函数两侧的输入与输出变量；
y
k
表示第
k
个时刻输出变量的取值；
u
k
表示第
k
个时刻输入变量的取值，为已知量；
ARMA
模型为：第
k
个时刻的输出变量由之前时刻输入输出变量的线性组合得到；
S2.3.
根据系统初始运行状态对模型中变量赋初值，基于
ARMA
模型结构，根据前向时刻变量取值对后续时刻变量取值进行迭代计算，直至达到频率稳定分析的总时长要求；
S2.4.
将风机暂态有功调控模型中的每一个传递函数均转化为时域上的差分方程，并根据模型中剩余的简单代数计算环节，在每个离散时间断面上形成由多项差分方程与简单代数方程组成的差分
‑
代数方程组；根据风机初始运行状态，给定初始时间断面上各变量初值，在给定暂态有功调控模型控制输入
Δ
P
add
的情况下，根据初始时间断面对应的差分
‑
代数方程组计算下一时间断面上各变量的取值，依次按时序迭代计算，得到各个变量的在时域上的动态响应，变量包括：风机转子转速
ω
，风机机械功率变化量
Δ
P
m
以及风机输出功率变化量
Δ
P
e
。4.
根据权利要求1所述基于转子动能控制的风机暂态有功调控能力评估方法，其特征在于，所述构建面向暂态有功支撑的风机调控指令优化模型，并计算优化模型的约束目标函数包括以下步骤：
S3.1.
将电网受扰后的惯量响应阶段内风机的最大平均有功调整量作为风机的暂态有功调节；在时域上，电网受扰后的惯量响应阶段定义为0～
t
h
的时间段，0时刻表示电网受扰时刻，对应风机开始进行功率调控的时刻；
S3.2.
构建风电最优控制指令参考值优化模型，具体包括模型目标函数
、
待决策变量和约束条件，调控场景包括：风机暂态有功上调场景与风机暂态有功下调场景；
S3.3.
优化模型的待决策变量为风电控制指令参考值
Δ
P
add
，优化模型的目标是通过搜索合适的风电控制指令参考值
Δ
P
add
使风机在0～
t
h
时间段内的平均有功调整量最大，其数学表达如下：其中，
Δ
P
e
(t)
表示
t
时刻风电机组的有功调整量；
S3.4.
以风机进行暂态有功调控过程中转子转速安全
、
转矩安全以及逆变器容量限制作为风机控制指令优化模型的约束条件，具体如下：
ω
min
≤
ω
(t)≤
ω
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)T
e
(t)≤T
emax
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
其中，
ω
min
与
ω
max
分别表示风机转子转速的安全下限与安全上限；
T
e
表示风机的电磁转矩；
T
emax
表示风机电磁转矩的安全上限；
P
r
表示风机转子侧逆变器输出功率；
S
max
表示风机转子侧逆变器容量；
技术研发人员：张建新，杨欢欢，邱建，高琴，姜拓，陈俊全，徐光虎，李建设，黄河，冯帅帅，柯德平，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：
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