一种减载变速风电机组的系统频率控制方法及装置与流程

本发明涉及风力发电有功功率控制领域，尤其涉及一种减载变速风电机组的系统频率控制方法及装置。

背景技术：

风力发电在电力系统中所占比重越来越大，尤其是变速风力发电机，由于其优越的控制性能，在电力系统中已经广泛采用。与传统的同步发电机相比，变速风电机组通过电力电子装置并网，所以对电网动态表现出无惯性或弱惯性；其次，为了获得最大的风电功率，变速风电机组一般都运行在最大功率跟踪状态，因而风电机组没有有功功率储备。这些特性使得并网风电机组基本不响应电网有功功率的变化，即不具备向电力系统提供频率控制的能力。

然而，在弱电网、孤立电网以及风电渗透率较大的情况下，电力系统的功率不平衡时，容易引起较大的频率变化率和频率偏移量，从而可能导致电力系统的频率失稳，给电力系统的安全运行带来挑战。

因此，目前亟需一种能够有效控制电力系统的频率的方法，降低电力系统的频率变化率和频率偏移量，保证电力系统的安全运行。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种减载变速风电机组的系统频率控制方法及装置，用以降低电力系统的频率变化率和频率偏移量，保证电力系统的安全运行。

本发明实施例提供的一种减载变速风电机组的系统频率控制方法，包括：

监测所述电力系统的频率；

确定所述电力系统的频率小于等于第一阈值后，根据预先设置的最优转速以及将所述风电机组由初始转速降低至所述最优转速的时间，降低所述风电机组的转速；所述预先设置的最优转速位于所述风电机组的最大功率跟踪曲线上；

确定所述风电机组的转速降低至所述最优转速后，控制所述风电机组停留在所述最优转速运行，以使风电机组的减载功率和旋转动能得以充分利用支撑系统频率。

本发明实施例还提供一种减载变速风电机组的系统频率的装置，所述装置包括监测模块和控制模块；

所述监测模块，用于监测所述电力系统的频率；

所述控制模块，用于确定所述电力系统的频率小于等于第一阈值后，根据预先设置的最优转速以及将所述风电机组由初始转速降低至所述最优转速的时间，降低所述风电机组的转速；所述预先设置的最优转速位于所述风电机组的最大功率跟踪曲线上；确定所述风电机组的转速降低至所述最优转速后，控制所述风电机组停留在所述最优转速运行，以使风电机组的减载功率和旋转动能得以充分利用支撑系统频率。

本发明的上述实施例中，在所述电力系统的频率小于等于第一阈值后，降低电力系统中的风电机组的转速，且在风电机组的转速降低至预先设置的最优转速后，控制所述风电机组停留在所述最优转速运行，从而实现了降低电力系统的频率变化率和频率偏移量，且能够最大程度的利用风电机组的旋转动能和减载功率，使其兼具惯性响应和一次调频的功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种减载变速风电机组的系统频率控制方法所对应的流程示意图；

图2为本发明实施例中风电机组的功率曲线示意图；

图3为本发明实施例中K和转速下降时间关系的计算方法示意图；

图4为本发明实施例中风速为10m/s时K和转速下降时间关系示例；

图5为本发明实施例中电力系统的频率对比图；

图6为本发明实施例中仿真得到的风电机组的机械功率和输出功率示意图；

图7为本发明实施例中仿真得到的风电机组转速变化示意图；

图8为本发明实施例提供的一种减载变速风电机组的系统频率的装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

针对于在弱电网，孤立电网以及风电渗透率较大的情况下，系统功率不平衡时，容易引起较大的频率变化率和频率偏移量，可能导致系统频率失稳的问题，一种现有的作法是利用减载功率对系统频率进行控制，具体来说，为了使风电机组具有持续的有功功率储备从而具有一次调频的能力，风电机组需要采用超速或者变桨调节的方法实现风电机组的减载运行，使正常运行的风电机组就具有一定的有功功率储备。当系统频率跌落时，释放储备的有功功率提供系统频率支撑。也就是说，通过下垂控制使风电机组减速，从而增大风电机组捕获的机械能量，以增加风电机组的输出功率实现对系统频率的控制。

然而，本申请发明人经研究发现：由于风电机组在这一过程中将减速运行，风电机组也释放了部分旋转动能，而目前采用的下垂控制方法并没有充分利用超速减载风电机组的旋转动能，且下垂控制的参数选择也比较困难，选择不当容易导致风电机组过度失速而失稳。

综上，本发明实施例提供一种更为有效的频率控制方法，能够降低电力系统的频率变化率和频率偏移量，且避免现有作法中可能导致的电力系统的频率发生二次跌落以及下垂控制参数选择难度高的问题。

本发明实施例从系统运行的角度出发，发挥风电机组的频率控制作用，主要针对超速减载风电机组提供一种超速减载变速风电机组的频率控制方法，能最大程度的利用风电机组的旋转动能和减载功率使其兼具惯性响应和一次调频的功能，同时本发明实施例中的方法能考虑风电机组的初始运行状态，在频率控制过程中确保风电机组不会过度失速，保证风电机组的稳定运行。

具体来说，电力系统的频率下跌可以用最大频率偏移量(Δf_max)，频率变化率(dΔf/dt)，稳态频率偏移量(Δf_n)，频率下降时间(T_nadir)等指标来衡量。其中，最大频率偏移量和频率变化率是最重要的两个指标，通常用来触发电力系统中的保护和控制装置。

在电力系统的频率控制中，频率变化与不平衡功率通常用下式来衡量。

其中，H表示电力系统的惯性时间常数，D表示负载阻尼系数，P_{同步发电机}表示用于频率控制的同步发电机的功率，P_风电表示风电机组的输出功率，P_负载代表电力系统总的负载。

从公式(1)可以看出，在电力系统由于功率不平衡引起频率下跌的初始阶段，电力系统的频率偏移量还相对比较小，电力系统的频率的变化率将主要取决于电力系统的不平衡功率和电力系统的惯性时间常数，而电力系统最大频率偏移量将取决于电力系统中用于频率控制的同步发电机的调速器特性、负荷特性等。由于风电机组的快速有功功率调整特性，风电机组可以通过变频器快速调整输出有功功率用于补偿同步发电机相对较慢的调整特性，因而通过控制风力发电机的输出功率可以灵活的提供系统频率支撑，从而降低系统频率偏移量和频率变化率。

下面结合附图对本发明实施例进行详细说明。

图1为本发明实施例提供的一种减载变速风电机组的系统频率控制方法所对应的流程示意图。如图1所示，所述方法包括：

步骤101，监测所述电力系统的频率；

步骤102，确定所述电力系统的频率小于等于第一阈值后，根据预先设置的最优转速以及将所述风电机组由初始转速降低至所述最优转速的时间，降低所述风电机组的转速；所述预先设置的最优转速位于所述风电机组的最大功率跟踪曲线上；

步骤103，确定所述风电机组的转速降低至所述最优转速后，控制所述风电机组停留在所述最优转速运行，以使风电机组的减载功率和旋转动能得以充分利用支撑系统频率。

需要说明的是，上述步骤编号仅为说明电力系统的频率控制过程，并不对执行顺序做具体限定。

由于风力发电在系统中占比越来越高，变速风电机组通过变频器接入电网不响应系统的频率变化，当系统发生功率不平衡时，容易引起较大的频率变化率和系统偏移量，导致系统发生频率失稳。因而从系统运行的角度出发，需要发挥风电机组的频率控制作用。本发明主要针对超速减载风电机组提供一种超速减载变速风电机组的频率控制方法，能最大程度的利用风电机组的旋转动能和减载功率使其兼具惯性响应和一次调频的功能，同时该方法能考虑风电机组的初始运行状态，在频率控制过程中确保风电机组不会过度失速，保证风电机组的稳定运行。

具体来说，本发明实施例步骤101中，可以实时监测电力系统的频率，例如，按照设定时间周期(每隔一秒)监测电力系统的频率。

步骤102中，第一阈值可以由本领域技术人员根据经验设置，例如，可以设置为49.9Hz，则通过监测电力系统的频率，确定电力系统的频率小于等于49.9Hz后，说明需要对电力系统的频率进行控制。

其中，将所述风电机组由初始转速降低至所述最优转速的时间即为风电机组释放动能的时间，可由本领域技术人员根据经验设置，通常取值范围为10秒到30秒。风电机组的初始转速是指风电机组降低转速前的转速。

进一步地，预先设置的最优转速是通过如下方式确定的：根据当前风速以及所述风电机组的最大功率跟踪曲线，得到所述预先设置的最优转速。

下面具体说明预先设置的最优转速的确定过程及原理。

如图2所示，为风电机组的功率曲线示意图，功率曲线给出了不同风速下风电机组转速与捕获的机械功率的关系。功率曲线一般由风电机组的参数决定，由制造商给出。

风电机组的减载功率可根据实际情况选取该风速下对应的最优功率的百分数，考虑到风电机组正常情况下就运行在减载状态，损失部分机械功率，因而考虑到经济性，一般选取减载10％到20％。根据所选择的风电机组减载功率百分数，从功率曲线上得到风电机组超速减载运行的转速ω₀，将风电机组运行在该转速下(即为风电机组的初始转速)。例如，如图2中所示的10m/s风速下对应的B点。

进一步地，结合风电机组的最大功率跟踪曲线，以风速为10m/s为例，则可得到所述预先设置的最优转速为A点所对应的转速，以风速为12m/s为例，则可得到所述预先设置的最优转速为C点所对应的转速。

进一步地，为了让风电机组在频率跌落的初始阶段具有较高的功率输出，而在风电机组转速下降到所述预先设置的最优转速时，风电机组的输出功率逐渐减小到机械功率，平滑的过渡到最大功率跟踪运行，本发明实施例中还包括：设定所述风电机组的功率给定值；所述功率给定值用于风电机组的机侧变流器在降低所述风电机组的转速过程中控制所述风电机组发出的功率。

设定风电机组的功率给定值为

$P_{ref}=K\×\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_r-{\mathrm{\ω}}_{opt}}{{\mathrm{\ω}}_0-{\mathrm{\ω}}_{opt}}\right)---\left(2\right)$

其中，P_ref表示所述风电机组的功率给定值，ω_r表示所述风电机组的转速，ω₀表示所述风电机组的初始转速，ω_opt表示所述预先设置的最优转速，K为系数。

下面具体介绍公式(2)中K的确定过程及原理。

根据风电机组频率控制期间的功率表达式，计算K与风电机组释放旋转动能时间(T_dec)的关系表。

由风电机组的固有参数，可以计算风电机组的机械能量为：

$P_m=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρAV}}_w^3{c}_p(\mathrm{\λ},\mathrm{\β})---\left(3\right)$

$c_p(\mathrm{\λ},\mathrm{\β})=c_1(\frac{c_2}{{\mathrm{\λ}}_i}-c_3\mathrm{\β}-c_4)e^{\frac{-c_5}{{\mathrm{\λ}}_i}}+c_6\mathrm{\λ}---\left(4\right)$

$\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_i}=\frac{1}{\mathrm{\λ}+0.08\mathrm{\β}}-\frac{0.035}{{\mathrm{\β}}^3+1}---\left(5\right)$

其中，ρ为空气密度，A为风轮的扫风面积，V_w为风速，β为风电机组的桨距角，其中的系数为c₁＝0.5176，c₂＝116，c₃＝0.4，c₄＝5，c₅＝21，c₆＝0.0068，λ为叶尖速比。

电机运动方程

$2H\frac{{\mathrm{d\ω}}_r}{dt}=T_m-T_e---\left(6\right)$

式中H为风电机组的转动惯量时间常数，为风电机组固有参数，由风电机组厂家给出。ω_r转子转速，T_m为风电机组的机械转矩，T_e为风电机组的电磁转矩。

通过上述方程，可以得到图3所示的计算K与转子转速的框图。

由图3可以计算得到在不同的风速下，参数K与风电机组转速ω_r的变化情况。当风电机组转速由ω₀下降到ω_opt时所持续的时间即为风电机组释放旋转动能的时间T_dec，改变K的值，可以得到参数K与T_dec的关系。如图4所示，为H＝2秒，风速为10m/s的计算结果。通过计算得到不同风速下K与T_dec的关系，将结果保存，从而用于在风电机组实际运行中，根据实际风速和设定的T_dec得到参数K。

设定风电机组释放旋转动能的时间T_dec，根据上述得到的K与T_dec的关系、以及当前风速和释放旋转动能的时间T_dec，通过查表可以得到参数K的值。

步骤103中，确定所述风电机组的转速降低至所述最优转速后，控制所述风电机组停留在所述最优转速运行，因此不会出现风电机组的转速下降过大而造成失稳，且由于风电机组最终停留在最优转速，风电机组的减载功率能够得到充分利用。

本发明实施例中，通过上述步骤101至步骤103，监测电力系统的频率变化，例如，电力系统的额定频率为50Hz，当系统频率下跌超过所设定的死区值(即是指第一阈值)时(如49.9Hz)，触发风电机组的频率控制器，使风电机组参与系统频率控制，并按照设定的功率给定值发出有功功率。

下面结合一个具体实施例对本发明进行说明。

采用Matlab/Simulink搭建电力系统对本发明实施例中的方法进行仿真。该系统包含两台同步发电机G1和G2用于模拟近端和远端电源。G1和G2的额定容量分别为1500MW和6000WM。系统包含一个额定容量为500MW的风电场，该风电场采用一台基于永磁同步发电机的全功率变速风电机组模拟，风电机组惯性时间常数为H＝2秒。系统的频率通过测量风电机组接入点的电压来获得。仿真中设定风速10米/秒，风电机组减载初始转速ω₀＝1.19pu，ω_opt＝1pu，选择的风电机组频率控制转速下降时间T_dec＝10s，得到的参数K＝0.35。频率的死区设为49.95Hz。

在5s时给负载1增加300MW负荷，从而引起系统频率下降。在5.7s时检测到系统频率下降超过49.95Hz，随即触发风电机组的频率控制器。图5所示为系统的频率，由仿真结果可以看出由于将风电机组引入系统频率控制，系统的频率下降率和最大频率偏移量以及稳态频率偏移量均显著减小。图6所示为风电机组的机械功率和输出功率，机械功率由180MW增加至200MW，风电机组所增加的机械功率为超速减载的功率。两条曲线的差值表示风电机组依靠旋转动能所释放的功率，在频率跌落初期输出功率达到355MW。风电机组的转速如图7所示，风电机组初始减载运行在1.19pu，触发频率控制后，转速开始下降，10秒后转速到达最优转速1.0pu。

本发明实施例中的频率控制方法充分考虑了风电机组的运行特性，根据风电机组在进行系统频率控制前的运行状态，获得风电机组的频率控制器参数，使风电机组的旋转动能和减载功率在频率控制期间充分利用。采用本发明实施例中的方法，风电机组在频率跌落的初始阶段利用旋转动能，使风电机组具有较高的功率输出，从而对系统频率变化率将起到有效的支撑。按照本发明实施例中的方法，风电机组减速后将停留在最优转速运行，不会出现风电机组的转速下降过大而造成失稳，由于风电机组最终停留在最优转速，风电机组的减载功率得到充分利用。

由上述实施例可知，本发明中的控制方法充分考虑了风电机组的运行特性，根据风电机组在进行系统频率控制前的运行状态，获得风电机组的频率控制器参数，使风电机组的旋转动能在频率控制期间充分利用。采用本发明中的控制方法，风电机组在频率跌落的初始阶段利用旋转动能，使风电机组具有较高的功率输出，从而对系统频率变化率将起到有效的支撑。

针对上述方法流程，本发明实施例还提供一种减载变速风电机组的系统频率的装置，该装置的具体内容可以参照上述方法实施。

基于相同构思，图8为本发明实施例提供的一种减载变速风电机组的系统频率的装置的结构示意图，用于执行以上控制方法，所述装置包括监测模块801和控制模块802；

所述监测模块801，用于监测所述电力系统的频率；

所述控制模块802，用于确定所述电力系统的频率小于等于第一阈值后，根据预先设置的最优转速以及将所述风电机组由初始转速降低至所述最优转速的时间，降低所述风电机组的转速；所述预先设置的最优转速位于所述风电机组的最大功率跟踪曲线上；确定所述风电机组的转速降低至所述最优转速后，控制所述风电机组停留在所述最优转速运行，以使风电机组的减载功率和旋转动能得以充分利用支撑系统频率。

可选地，所述控制模块802通过如下方式确定所述预先设置的最优转速：

根据在当前风速以及所述风电机组的最大功率跟踪曲线，得到所述预先设置的最优转速。

可选地，所述控制模块802还用于：

设定所述风电机组的功率给定值；所述功率给定值用于在降低所述风电机组的转速过程中控制所述风电机组发出的功率。

可选地，所述控制模块802通过如下方式设定所述风电机组的功率给定值：

$P_{ref}=K\×\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_r-{\mathrm{\ω}}_{opt}}{{\mathrm{\ω}}_0-{\mathrm{\ω}}_{opt}}\right)$

其中，P_ref表示所述风电机组的功率给定值，ω_r表示所述风电机组的转速，ω₀表示所述风电机组的初始转速，ω_opt表示所述预先设置的最优转速，K为系数。

从上述内容可以看出：本发明实施例中，监测所述电力系统的频率，确定所述电力系统的频率小于等于第一阈值后，根据预先设置的最优转速以及将所述风电机组由初始转速降低至所述最优转速的时间，降低所述风电机组的转速，并在确定所述风电机组的转速降低至所述最优转速后，控制所述风电机组停留在所述最优转速运行，从而实现了降低电力系统的频率变化率和频率偏移量，且能够最大程度的利用风电机组的旋转动能和减载功率，使其兼具惯性响应和一次调频的功能。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。