一种基于虚拟同步技术的风电调频控制方法与流程

1.本发明属于基于虚拟同步机技术的风力发电技术领域，尤其涉及一种基于虚拟同步技术的风电调频控制方法。


背景技术：

2.随着能源危机和环境问题日益严峻，以风电为代表的新能源越来越受到重视，2017年，我国新增并网风电装机1503万千瓦，累计并网装机容量达到1.64亿千瓦，占全部发电装机容量的9.2％，国家电网已成为全球接入新能源规模最大、发展最快的电网。
3.以风电为代表的新能源发电在电力系统中占比不断增加，导致电力系统中的惯性、阻尼欠缺。虚拟同步机技术通过模拟常规同步发电机组并网运行外特性，当电网频率、电压出现扰动时可为电网提供有效的功率支撑，可有效解决新能源发电对电力系统稳定性的影响。
4.传统风电控制策略中追求最大功率跟踪，根据发电机运行转速不同，风机的控制分为最小转速控制阶段、最优功率跟踪阶段、恒转速阶段、恒功率阶段。从传统风电功率特性、传动链特性分析，并结合风电控制的灵活性，使风电虚拟同步调频提供了可能性。风轮储存巨大的旋转动能和变速风力发电机组桨距角与风能捕获系数的关系，为风电参与调频提供了多种控制实现方法。
5.风电虚拟同步调频控制技术研究主要针对风机具备惯性、一次调频开展。惯性、一次调频功能的实现主要研究风电机组有功功率的调节、支撑能力，由于目前大兆瓦风力发电机组普遍采用变桨距控制系统，可通过调节叶片桨矩角来调节风机的风能捕获。然而现有风电虚拟同步调频控制不够准确，因此，需要一种虚拟同步技术的风电调频控制方法。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种基于虚拟同步技术的风电调频控制方法，从而解决了现有风电虚拟同步调频控制不够准确的缺点。
7.为实现上述目的，本发明提供了一种基于虚拟同步技术的风电调频控制方法，包括以下步骤：
8.将虚拟同步控制方法嵌入至风电机组正常控制中；
9.所述风电机组启动，控制判断虚拟同步控制功能是否使能，当虚拟同步控制功能未使能时，所述风电机组按照原有的传统控制模式运行；当所述虚拟同步功能使能后，通过虚拟同步控制策略对风电机组进行控制；
10.所述虚拟同步控制策略包括：根据电网的波动情况计算需要调节的桨距角和转矩控制指令，结合风电机组正常的变桨、转矩控制判断后，形成最终的控制命令下发至风电机组的变桨系统和变流器执行。
11.优选地，所述虚拟同步控制策略中，包括有功调频分为储能控制模式和不储能控制模式，两个模式通过风场需要进行设置，且两种控制模式均具备惯性功能和一次调频功
能。
12.优选地，所述储能控制模式为风电机组为储能未开启状态时的控制策略，包括以下步骤：
13.风电机组为储能未开启状态时，判断风电机组的惯性功能是否使能，
14.若风电机组的惯性功能使能时，设置第一惯性控制策略，然后判断风电机组的一次调频功能是否使能；
15.若风电机组的惯性功能未使能时，则直接判断风电机组的一次调频功能是否使能；
16.当风电机组的一次调频功能使能时，设置第一一次调频控制策略；
17.根据第一惯性控制策略和第一调频控制策略设置第一叠加策略，风电机组响应所述第一叠加策略，从而完成控制；
18.当风电机组的一次调频功能未使能时，则风电机组响应第一惯性控制策略，完成控制。
19.优选地，所述储能控制模式为风电机组为储能开启状态时的控制策略，包括以下步骤：
20.当风电机组开启储能时，设置储能控制策略，判断风电机组的储能是否完成；
21.当风电机组的储能完成时，判断风电机组的惯性功能是否使能；
22.若风电机组的惯性功能使能时，设置第二惯性控制策略，然后判断风电机组的一次调频功能是否使能；
23.若风电机组的惯性功能未使能时，则直接判断风电机组的一次调频功能是否使能；
24.当风电机组的一次调频功能使能时，设置第二一次调频控制策略；
25.根据第二惯性控制策略和第二调频控制策略设置第二叠加策略，风电机组响应所述第二叠加策略，从而完成控制；
26.当风电机组的一次调频功能未使能时，则风电机组响应第二惯性控制策略，完成控制。
27.优选地，所述第一惯性控制策略包括：
28.当风机实发功率大于20％pn，且电网频率变化超过0.03hz时，锁定该时刻实发有功功率，计算需增发功率，所述需增发功率的限值范围为机组额定功率的
±
10％内；
29.根据所述实发有功功率和增发功率确定风电机组的第一惯性功率。
30.优选地，所述第一调频控制策略包括：
31.风机实发功率大于20％pn，且电网频率变化超过0.03hz时，锁定该时刻实发有功功率，计算需增发功率，增发功率的限值范围为机组额定功率的-20％～10％内；
32.根据所述实发有功功率和增发功率确定风电机组的第一调频功率，第一调频功率支撑直至电网频率恢复。
33.优选地，根据第一惯性控制策略和第一调频控制策略的情况获取第一叠加策略，包括：
34.风电机组优先响应第一惯性控制策略输出的第一惯性功率，且所述响应为阶跃响应；
35.风电机组响应第一惯性功率后继续响应第一一次调频控制策略输出的第一调频功率，第一调频功率的响应设置固定的爬坡率；
36.根据第一惯性控制策略输出的第一惯性功率和第一调频控制策略输出的第一调频功率判断得到第一叠加功率，将所述第一叠加功率除以实时转速得出转矩命令，下发至风电机组的变流器执行。
37.优选地，所述储能控制策略包括：采用变桨调节的控制方式，实现风电机组能量储备，储备功率为机组额定功率的10％。
38.优选地，所述第二惯性控制策略与第一惯性策略的方法步骤相同，但具体参数根据储能情况调整；所述第二调频控制策略与第一调频控制策略的方法步骤相同，但具体参数根据储能情况调整，所述第二叠加策略与第一叠加策略的方法步骤相同。
39.与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：
40.本发明所提供的基于虚拟同步技术的风电调频控制方法，将虚拟同步控制方法嵌入至风电机组正常控制中，在风电机组启动后，当虚拟同步功能未使能时，风机按照原有的传统控制模式运行；当虚拟同步功能使能后，虚拟同步控制中会根据电网的波动情况计算需要调节的桨距角和转矩控制指令，与风机正常的变桨、转矩控制叠加判断后，形成最终的控制命令下发至变桨系统和变流器执行。通过本发明方法能够对风电调频进行控制，增大功率输出。即本发明方法通过模拟传统同步发电机组外特性，实现风电机组虚拟同步机的开发，使风电机组具备类似与传统同步机组的调频特性；针对风电虚拟同步调频功能，结合风电机组的运行特性，通过有功调频分为储能和不储能两种控制模式对风电机组进行控制，解决了现有风电虚拟同步调频控制不够准确的缺点。
附图说明
41.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
42.图1是本发明风电虚拟同步机接入风电机组的结构示意图；
43.图2是本发明的基于虚拟同步技术的风电调频控制方法的流程图图；
44.图3是本发明的虚拟同步控制策略的流程图。
具体实施方式
45.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，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作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
46.如图2所示，本发明所提供的基于虚拟同步技术的风电调频控制方法，包括以下步骤：
47.s1、将虚拟同步控制方法嵌入至风电机组正常控制中；
48.具体的，如图1示出了风电虚拟同步机接入风电机组的结构示意图，风机电机组的发电机的输出端与电网连接，虚拟同步控制系统分别与发电机组的机侧变流器、网测变流
器以及变桨系统连接，主控体统分别与虚拟同步控制系统和变桨系统连接。
49.s2、所述风电机组启动，控制判断虚拟同步控制功能是否使能，当虚拟同步控制功能未使能时，所述风电机组按照原有的传统控制模式运行；当所述虚拟同步功能使能后，通过虚拟同步控制策略对风电机组进行控制；
50.所述虚拟同步控制策略包括：根据电网的波动情况计算需要调节的桨距角和转矩控制指令，结合风电机组正常的变桨、转矩控制判断后，形成最终的控制命令下发至风电机组的变桨系统和变流器执行。
51.s3、考虑到实际运行时风速的波动，在功率进行支撑过程中，为了稳定功率输出，会出现超过机组运行极限工况，需设定“功率-转速”保护限值，不同机型需根据仿真、计算结果进行保护曲线规划，当超过保护限值后，策略即刻退出有功调频功能，切换至正常转矩控制。
52.上述的基于虚拟同步技术的风电调频控制方法，将虚拟同步控制方法嵌入至风电机组正常控制中，在风电机组启动后，当虚拟同步功能未使能时，风机按照原有的传统控制模式运行；当虚拟同步功能使能后，虚拟同步控制中会根据电网的波动情况计算需要调节的桨距角和转矩控制指令，与风机正常的变桨、转矩控制叠加判断后，形成最终的控制命令下发至变桨系统和变流器执行。通过本发明方法能够对风电调频进行控制，增大功率输出，实现风机在全风况条件下的能量预留的准确性。
53.具体的，图3示出了本发明虚拟同步控制策略的流程图，所述虚拟同步控制策略中，包括有功调频分为储能控制模式和不储能控制模式，两个模式通过风场需要进行设置，且两种控制模式均具备惯性功能和一次调频功能，分别设置使能开关，方便根据需要进行启动或关闭。
54.其中，在不储能控制模式下，在电网稳定条件下，风电机组按照常规控制策略执行；当电网频率波动条件下，依靠风轮惯性，通过强制增加发电机励磁电流，降低风轮转速，将风轮旋转动能转换为电能输出。
55.在储能控制模式下，根据风电机组的当前风速对应的发电功率，通过变桨控制预留桨距角，减小风能捕获，从而达到预留备用容量的目的；当电网频率出现向下波动时，通过释放预留桨距角增发风能捕获，从而增加发电功率；当电网频率向上波动时，通过转子超速控制提升风轮转速，当风轮转速达到额定转速后，配合变桨控制增大桨距角，降低风能捕获，从而降低机组输出功率。
56.其中，所述储能控制模式为风电机组为储能未开启状态时的控制策略，包括以下步骤：
57.s11、风电机组为储能未开启状态时，判断风电机组的惯性功能是否使能，若风电机组的惯性功能使能时，设置第一惯性控制策略，进入下一步骤s12；若风电机组的惯性功能未使能时，直接进入步骤s12；
58.s12、判断风电机组的一次调频功能是否使能，当风电机组的一次调频功能使能时，设置第一一次调频控制策略，根据第一惯性控制策略和第一调频控制策略设置第一叠加策略，风电机组响应所述第一叠加策略，从而完成控制；当风电机组的一次调频功能未使能时，则风电机组响应第一惯性控制策略，完成控制。
59.其中，所述储能控制模式为风电机组为储能开启状态时的控制策略，包括以下步
骤：
60.s21、当风电机组开启储能时，设置储能控制策略，判断风电机组的储能是否完成，风电机组的储能完成时，进入下一步骤s22；反之结束控制，从新判断风电机组是否开启储能等；
61.s22、判断风电机组的惯性功能是否使能，若风电机组的惯性功能使能时，设置第二惯性控制策略，然后进入下一步骤s23；若风电机组的惯性功能未使能时，则直接进入下一步骤s23；
62.s23、判断风电机组的一次调频功能是否使能，当风电机组的一次调频功能使能时，设置第二一次调频控制策略，根据第二惯性控制策略和第二调频控制策略设置第二叠加策略，风电机组响应所述第二叠加策略，从而完成控制；当风电机组的一次调频功能未使能时，则风电机组响应第二惯性控制策略，完成控制。
63.具体的，步骤s11中，第一惯性控制策略为储能未开启条件下，风电机组响应于电网频率变化率的控制策略，所述第一惯性控制策略包括：
64.当风机实发功率大于20％pn，且电网频率变化超过0.03hz时，锁定该时刻实发有功功率p0，计算第一需增发功率，相应的计算公式为：其中，tj设置为可调参数(默认设置为5)，pn为机组额定功率，fn为系统额定频率，f为并网点实时频率，t为惯性时间常数，δp1的限值范围为-10％pn～﹢10％pn；
65.根据所述实发有功功率和第一增发功率确定风电机组的第一惯性功率，第一惯性功率p
11
＝p0+δp1。
66.具体的，步骤s12中，第一调频控制策略为储能未开启条件下，风电机组响应于电网频率变化的控制策略，所述第一调频控制策略包括：
67.风机实发功率大于20％pn，且电网频率变化超过0.03hz时，锁定该时刻实发有功功率p0，计算第二需增发功率kf为有功调频系数，δf为频率变化，，δp2的限值范围为-20％pn～10％pn内；
68.根据所述实发有功功率和增发功率确定风电机组的第一调频功率，第一调频功率p
12
＝p0+δp2；
69.有功功率向上支撑时间设置为可调参数(默认设置为10s)，有功功率向下支撑时可长时间支撑直至电网频率恢复，即第一调频功率支撑直至电网频率恢复。
70.具体的，步骤s12中，根据第一惯性控制策略和第一调频控制策略的情况获取第一叠加策略，包括：
71.风电机组优先响应第一惯性控制策略输出的第一惯性功率，且所述响应为阶跃响应；
72.风电机组响应第一惯性功率后继续响应第一一次调频控制策略输出的第一调频功率，第一调频功率的响应设置固定的爬坡率；
73.根据选择第一惯性控制策略输出的第一惯性功率或第一调频控制策略输出的第一调频功率确定第一叠加功率(即第一叠加功率可以为第一惯性功率或第一调频功率)，所述第一叠加功率p1除以实时转速得出转矩命令t1，下发至风电机组的变流器执行，动作结束
后再次切换至正常转矩控制输出，在转矩切换过程中增加调制过程实现平滑切换。
74.具体的，步骤s21中，所述储能控制策略包括：采用变桨调节的控制方式，实现风电机组能量储备，储备功率为机组额定功率的10％。
75.变桨储能实现依据为“桨距角-功率”关系，一定风速条件下，桨矩角越大对应的储存能量越大。
76.根据仿真结果推算储能曲线，固化在储能控制策略中，虚拟同步控制启动且储能使能后，储能控制策略输出的桨距角与正常变桨控制进行叠加判断，保证风机桨距角预留能够满足10％pn的功率备用。
77.其中，所述第二惯性控制策略与第一惯性策略的方法步骤相同，但具体参数根据储能情况调整；所述第二调频控制策略与第一调频控制策略的方法步骤相同，但具体参数根据储能情况调整，所述第二叠加策略与第一叠加策略的方法步骤相同，这里不再重复。
78.综上，本发明一种基于虚拟同步技术的风电调频控制方法，根据当前有功功率整定出预留桨距角限值，实现风机在全风况条件下的能量预留的准确性。
79.以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。