一种计及风电动态惯量特性的电力系统频率指标评估方法技术方案

本发明专利技术公开了一种计及风电动态惯量特性的电力系统频率指标评估方法，首先以电网频率扰动作为输入，双馈风力发电机的有功功率响应作为输出，构建双馈风机的惯量响应传递函数，提取计及转速环

【技术实现步骤摘要】
一种计及风电动态惯量特性的电力系统频率指标评估方法


[0001]本专利技术属于新能源发电
，更具体地，涉及一种计及风电动态惯量特性的电力系统频率指标评估方法
。

技术介绍

[0002]近年来，大规模经电力电子装备并网的新能源装备接入系统，导致系统的转动惯量降低，难以抵御系统频率扰动
。
为了解决双馈风机的低惯量问题，基于虚拟惯量控制
、
虚拟同步控制
、
以及短时功率过载控制的多类型附加惯量控制被提出
。
但由于附加惯量控制需要修改控制环路，且上述方法通常修改的是控制外环，信号的测量
、
传输延时造成响应速度较慢，违反了系统对惯量快响应的需求
。
实际上，双馈风电机组经电力电子变化器与电网频率的解耦是通过控制实现的，定转子之间的电磁耦合可以通过调节环路控制器动态实现双馈风机的自发惯量响应，而无需修改控制环节
。
因此，越来越多的学者开始关注无附加惯量控制下双馈风机的自发惯量响应特性
。
[0003]双馈风机具备惯量响应特性是装备级别的需求，但其响应特性对系统频率指标的影响才是电网运营商所关心的，其中系统频率指标主要指系统频率变化率
(Rate of change of frequency
，
RoCoF)
以及频率最低点
(frequency nadir)。
[0004]目前，基于各种附加惯量控制下的双馈风机对系统频率指标的影响得到广泛研究，但是无附加控制下风机的惯量响应特性对系统频率指标的影响还属空缺
。
附加控制下的双馈风机的惯量响应特性研究时忽略了控制环路的动态，阶数较低，可以定量分析频率指标受惯量控制参数的影响
。
但无附加控制下，双馈风机的自发惯量响应特性受有功环
、
无功环以及锁相环等多环路控制器耦合作用的影响，呈现出高阶
、
时变
、
可控特性，在数学上表现为一个高阶的传递函数，难以分析含双馈风机的电力系统的频率指标
。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种计及风电动态惯量特性的电力系统频率指标评估方法，旨在解决含双馈风机系统的频率分析方法缺失的问题
。
[0006]本专利技术提供了一种计及风电动态惯量特性的电力系统频率指标评估方法，包括下述步骤：
[0007]S1
以电网频率扰动作为输入，双馈风力发电机的有功功率响应作为输出，构建双馈风机的惯量响应传递函数，并提取计及转速环
、
无功环以及锁相环控制动态的双馈风机等效惯量传递函数；
[0008]S2
获得不同控制参数下双馈风机等效惯量传递函数的伯德图；
[0009]S3
根据所述双馈风机等效惯量传递函数构建计及同步机转子运动方程
、
汽轮机调速系统以及双馈风机惯量响应特性的扩展系统频率响应
(Extended System Frequency Response
，
ESFR)
模型；
[0010]S4
结合
ESFR
模型和所述伯德图，并根据不同控制器参数变化双馈风力发电机惯量
高频段幅频特性的影响评估控制器参数变化对最大频率变化率
|RoCoF|max
的影响；
[0011]S5
结合
ESFR
模型和所述伯德图，并根据不同控制器参数对双馈风电机组惯量幅值特性最大值附近频段的幅值和相位的影响评估不同控制器参数变化对频率最低点
fnadir
的影响
。
[0012]更进一步地，双馈风机等效惯量传递函数
H
eq
(s)
为：其中，
G
θ
P
含机械环
J
eq
、
转速环控制器
P
Is
和锁相环控制器
G
pll
，
G
θ
Q
含无功环控制器
P
IQ
和锁相环控制器
G
pll
；
G
QPn
为有功和无功对幅值的传递函数，
K
θ
P2
为有功与相角间的系数，
K
θ
Q2
为无功与相角间的系数
、K
QP2
为有功和无功间的系数
、K
QQ2
为无功间的系数；同步角速度
ω0＝
100
π
，
s
为拉普拉斯算子，
Δ
f
为系统频率变化，
Δ
P
V
为双馈风机功率变化
。
[0013]更进一步地，转速环的控制器为：无功环的控制器为：锁相环的传递函数为：其中，
K
ps
为转速环的比例系数，
K
is
为转速环的积分系数；
K
pQ
为无功环的比例系数，
K
iQ
为无功环的积分系数；
K
ppll
为锁相环比例系数，
K
ipll
为锁相环积分系数
。
[0014]更进一步地，在步骤
S2
中，双馈风力发电机等效惯量伯德图的幅值特性的大小表征的是抵御不同频段扰动的能力大小，相位特性与
‑
90
°
的差值表征的是有功特性波形是频率的反相，且反相的有功响应特性是超前频率特性的；双馈风机反相的有功响应特性超前频率特性的相位为：其中，为反相的有功相位，为频率相位，为双馈风机惯量的相位，积分环节
1/s
的相位为
‑
90
°
。
[0015]更进一步地，在步骤
S3
中，同步机的转子运动方程为：其中，
H
SG
为同步机惯量常数，
Δ
P
G
为同步机功率变化，
Δ
P
L
为负荷功率变化；
[0016]汽轮机调速系统可以简化为一阶惯性环节：其中，
T
G
为调速器时间常数，
K
G
为单位调节系数；
[0017]步骤
S3
中，
ESFR
模型的统频率响应为：其中，
S
SG
和
S
WT
分别为同步机和双馈风力发电机的容量
。
[0018]更进一步地，步骤
S4
中，根据初值定理可知，最大频率变化率为：...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种计及风电动态惯量特性的电力系统频率指标评估方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1
以电网频率扰动作为输入，双馈风力发电机的有功功率响应作为输出，构建双馈风机的惯量响应传递函数，并提取计及转速环
、
无功环以及锁相环控制动态的双馈风机等效惯量传递函数；
S2
获得不同控制参数下双馈风机等效惯量传递函数的伯德图；
S3
根据所述双馈风机等效惯量传递函数构建计及同步机转子运动方程
、
汽轮机调速系统以及双馈风机惯量响应特性的
ESFR
模型；
S4
结合
ESFR
模型和所述伯德图，并根据不同控制器参数变化双馈风力发电机惯量高频段幅频特性的影响评估控制器参数变化对最大频率变化率的影响；
S5
结合
ESFR
模型和所述伯德图，并根据不同控制器参数对双馈风电机组惯量幅值特性最大值附近频段的幅值和相位的影响评估不同控制器参数变化对频率最低点的影响
。2.
如权利要求1所述的双馈风机系统频率指标评估方法，其特征在于，所述双馈风机等效惯量传递函数
H
eq
(s)
为：其中，
G
θ
P
含机械环
J
eq
、
转速环控制器
P
Is
和锁相环控制器
G
pll
，
G
θ
Q
含无功环控制器
P
IQ
和锁相环控制器
G
pll
；
G
QPn
为有功和无功对幅值的传递函数，
K
θ
P2
为有功与相角间的系数，
K
θ
Q2
为无功与相角间的系数
、K
QP2
为有功和无功间的系数
、K
QQ2
为无功间的系数；同步角速度
ω0＝
100
π
，
s
为拉普拉斯算子，
Δ
f
为系统频率变化，
Δ
P
V
为双馈风机功率变化
。3.
如权利要求1所述的双馈风机系统频率指标评估方法，其特征在于，所述转速环的控制器为：所述无功环的控制器为：所述锁相环的传递函数为：其中，
K
ps
为转速环的比例系数，
K
is
为转速环的积分系数；
K
pQ
为无功...

【专利技术属性】
技术研发人员：周仪旎，朱东海，李哲雨，胡家兵，邹旭东，康勇，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：