一种基于虚拟同步机的电网调频控制方法及装置与流程

本发明属于电力系统技术领域，特别涉及一种基于虚拟同步机的电网调频控制方法及装置。

背景技术

随着传统能源的日益枯竭和由此带来的环境危机日益加剧，新能源发电成为未来世界的发展趋势。光伏、风能、燃料电池等分布式可再生能源成为了各国政府和研究人员应对该问题的有力保障。作为分布式电源和交流电网的接口，电力电子变换器是微电网的核心器件，但其不具有旋转部件，响应速度快而缺少惯性，导致在大扰动下微电网频率和电压变化较快。风电接入电网占比逐年增大，风力发电输出功率的波动，对电网稳定性的影响也日渐突出，这与国家电网建设坚强型电网的大方向相背离。为使风机提供优质电能，并在电网频率波动的情况下，使风机能够提供抑制电网频率波动有功功率支撑，风机虚拟同步机技术的研发应运而生。

风机虚拟同步机技术，即利用电力电子装置，通过风机控制器算法协调，使风力发电机在电网频率波动的情况下能够与同步机具有类似的外特性，参与电网调频，此项技术对风机友好接入电网意义显著。另外，对发电设备有风电机组的微电网意义非凡，可对微电网的惯性特征的提高具有决定性作用，保证能够微网系统平稳运行。如公开号为“cn107732978a”，名称为“一种基于虚拟同步发电机改进功率分配策略的逆变器系统”的中国专利，该专利在使用虚拟同步发电机对接入电网的可再生能源系统进行控制时，只考虑采用一次调频控制方式，这样风机输出的电能质量不高，当这些质量不高的电能输进电网后会对电网不利，造成电网频率不稳定及抗干扰能力弱。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于虚拟同步机的电网调频控制方法及装置，用于解决现有技术中电网频率不稳定的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于虚拟同步机的电网调频控制方法，包括如下步骤：

当电网频率正常时，减小风机最优功率曲线对应的转矩，储存调频时需要的能量；当电网频率变化时，控制转矩恢复为风机最优功率曲线对应的最优转矩，释放储能。

进一步地，还包括通过控制风机目标桨距角确定调频时需要的能量的过程，其中，所述风机目标桨距角的计算过程为：设定调频时需要的能量，根据风能最优率计算风机最优运行时的功率，根据设定的调频时需要的能量及风机最优运行时的功率计算风机当前实际发电功率，再根据所述当前实际发电功率计算所述风机目标桨距角。

作为为桨距角的进一步限定，计算得到风机目标桨距角后，对所述风机目标桨距角进行pi控制，根据pi控制输出量进行风机变桨控制。

进一步地，所述风能利用率的计算公式为：

其中，pd为调频时需要的储备能量，p1为当前风机的有功功率，cp1为风能利用率。

进一步地，风机目标桨距角的计算公式为：

其中，λ为叶尖速比，β为桨距角，ω为风轮角速度，r为风轮半径，v为上风向风速，i为中间变量。

为了得到高质量的风机能量，还根据所述电网频率进行一次调频控制和/或惯性调频控制，当一次调频控制或惯性调频控制需要增加有功支撑时，释放储能。

本发明还提供了一种基于虚拟同步机的电网调频控制装置，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行时的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

当电网频率正常时，减小风机最优功率曲线对应的转矩，储存调频时需要的能量；当电网频率变化时，控制转矩恢复为风机最优功率曲线对应的最优转矩，释放储能。

进一步地，还包括通过控制风机目标桨距角确定调频时需要的能量，所述风机目标桨距角的计算过程为：设定调频时需要的能量，根据风能最优率计算风机最优运行时的功率，根据设定的调频时需要的能量及风机最优运行时的功率计算风机当前实际发电功率，再根据所述当前实际发电功率计算所述风机目标桨距角。

作为对桨距角的进一步限定，计算得到风机目标桨距角后，对所述风机目标桨距角进行pi控制，根据pi控制输出量进行风机变桨控制。

进一步地，所述风能利用率的计算公式为：

其中，pd为调频时需要的储备能量，p1为当前风机的有功功率，cp1为风能利用率。

进一步地，风机目标桨距角的计算公式为：

其中，λ为叶尖速比，β为桨距角，ω为风轮角速度，r为风轮半径，v为上风向风速，i为中间变量。

为了得到更高质量的风机能量，还根据所述电网频率进行一次调频控制和/或惯性调频控制，当一次调频控制或惯性调频控制需要增加有功支撑时，释放储能。

本发明的有益效果是：

当电网频率正常时减小风机转矩，提升电机转速，把产生的多余能量储存起来，当电网频率变化时转矩给定恢复为风机最优功率曲线的给定值，并释放能量，本发明提高了调频响应速度，解决了变桨速度慢导致调频响应速度慢的问题，且能够提供风场频率波动时的有功协调，实现了稳定电网频率，增强了电网抗干扰能力的作用，其控制效果能够使风场对电网频率的变化表现为同步机的外特性。

附图说明

图1为一次调频的功率频率外特性示意图；

图2为惯性调频的功率频率外特性示意图；

图3为风机吸收风能的效率随叶尖速比和桨距角的变化情况示意图；

图4为本发明的基于虚拟同步机的调频控制方法的控制逻辑示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：

本发明提供了一种基于虚拟同步机的调频控制方法，包括以下步骤：

当电网频率正常时，减小风机最优功率曲线对应的转矩，储存调频时需要的能量；当电网频率变化时，控制转矩恢复为风机最优功率曲线对应的最优转矩，释放储能。

本实施例还包括通过控制风机目标桨距角确定调频时需要的储备能量的过程，其中，所述风机目标桨距角的计算过程为：设定调频时需要的储备能量，采集当前风机的有功功率，根据设定的调频时需要的储备能量及当前风机的有功功率计算风能利用率，根据所述风能利用率计算所述风机目标桨距角。计算得到风机目标桨距角后，对所述风机目标桨距角进行pi控制，根据pi控制输出量进行风机变桨控制。具体的，包括以下步骤：

1)将调频时需要的储备能量设置为200kw，通过以下公式计算风能利用率，风能利用率的计算公式为：

其中，pd为调频时需要的储备能量，p1为当前风机的有功功率，cp1为风能利用率。

接着，利用上述计算得到的风能利用率计算风机目标桨距角，由附图3可知，风机吸收风能的效率随叶尖速比和变桨角度的变化而变化，吸收效率最大值不超过0.593，最小吸收效率能够达到0，即通过桨距角调整可以使叶片暂时不吸收风能。经大量数据拟合，风能利用率与桨距角、叶尖速比有如下关系：

其中：

其中，λ为叶尖速比，β为桨距角，ω为风轮角速度，r为风轮半径，v为上风向风速，i为中间变量。

由公式(2)可知，在采集风轮转速、当前桨距角度及当前有功功率三个变量之后，即可得到当前有效风速和当前因变桨角度离开最佳位置所存储的能量。

因cp也可由当前发电实际功率与通过风轮截面的风速含能之比表示，即：

其中：ρ为空气密度，p1为风机当前有功功率。

风能的最大利用率为0.593(贝茨理论风能吸收极限)，实际风机最佳利用系数不可能达到0.593，一般为0.48左右。利用公式(3)，取风利用率为最优值0.48，则可计算出最优运行时的出力p2，则储备功率为pb＝p1-p2，控制器需保证pb在目标预留200kw附近，最佳的控制结果为pd＝pb＝200kw，如果pb小于目标预留功率则控制器需控制增加变桨角度，反之说明预留功率过多，则减小变桨角度，从而增加发电量。

2)风机储备能量参与电网调频的控制：

在电网频率正常时储备能量一直依据风轮吸收能量的波动精确的计算预留量并预留能量，在以下控制其量释放能量，以用于调频。

a、惯性调频需要增加有功支撑时，释放储能，以弥补调频期间多出能量在调频恢复后的有功跌坑现象。释放特点，快速释放弥补风轮动能损失，然后快速储备保证功率稳定。

b、一次调频需要增加有功支撑时，释放储能，以提高风轮吸收效率，增加有功输出。释放特点，相对惯性调频释放桨距角预留速度较慢，直到一次调频结束再进行能量储备，以备第二次调频需求。

c、一次调频需要减小功率输出但在调频过程中风速下降幅度较大，相对于调进入时的参考点功率，当前功率已经下跌到需减发的功率以下时，释放储能，以补充有功功率的过分下跌。

储能释放方法，同样是根据公式(1)和公式(2)精确计算当前所需桨距角位置实现，因桨距角释放过程中功率相对于桨距角有滞后作用，故需要桨距角释放过程有适当超调，并在功率达到目标值后回调，整个控制过程由pid控制完成。功率目标值的保证需配合转矩控制进行限功率实现。

3)一次调频时功率控制器精确限定功率值，配合储能释放完成一次调频控制：

功率控制器结合进入调频点的功率和频率变化幅度，计算出一个精确的功率需求值并在转矩控制端严格限定此功率给定，从而配合功率释放完成一次调频。

4)适当提升电机转速，补充惯性相应速度的控制：

风机功率曲线在额定转速以下时正常的控制是按照最优功率曲线给定的，但是在电网调频过程中，只依靠变桨储能进行控制会使调频的响应速度过低，达不到响应要求，为提高调频响应速度，在电网频率正常时，适当提升电机转速。如图4所示，即相对于最优功率曲线所给定的转矩要适当的减小控制转矩，这样使电机转速相对提升，在电网频率变化时，转矩给定恢复最优功率曲线的给定值，且释放能量，通过功率合理化限制逻辑控制电机变流。此控制方法解决了变桨速度慢导致调频响应速度慢的问题。同时因电机转速的提升，使电机惯性储能相对增加，又具有提高风轮惯性储能能力的作用。

5)风机惯性调频是有功功率相对于电网频率变化时的调频，要求响应速度快，但调频时间较短，因此，电网的惯性调频只能通过控制电磁转矩来改变有功功率，进而对电网频率的变化率进行支撑。惯性调频的能量完全来自风轮的惯性储能，但是变桨系统却可以利用释放储能来补足惯性储能结束后的能量跌幅。由此，惯性调频的实现是控制电磁转矩使风轮惯性能量时间轴上的再分配，步骤4)所述的适当提高电机转速可以提升惯性调频惯性能量再分配的调配能力；步骤2)所述的变桨能量释放可以有效调配惯性能再分配之后有功功率的过大跌幅。

6)惯性调频和一次调频在电网频率变化过程中多数情况是同时出现的，如图1和图2所示，原因是电网频率的变化即意味着电网频率具有了变化率。故有功功率的惯性调频支撑和一次调频支撑会同时出现，惯性调频一般在频率变化的前期和频率恢复期起主导作用，表现为功率响应幅度大，响应速度要求快；而一次调频在调频中期起主导作用，表现为支撑时间长。在两者同时作用时，进行分别的支撑功率需求计算，惯性响应直接利用转矩控制，调整有功功率，同时利用变桨系统计算出的变桨能量释放数据补充因风轮惯量的损失，同时利用限功率功能使风机有功功率不超过惯性调频和一次调频所需求的功率。这样既实现了两种调频的控制解耦和，又实现了总体响应耦合响应，满足总体需求的效果。

7)全风速段惯性响应有所不同，表现为恒转速段的弱惯性特点，以及受风机发电容量限制，满功率阶段无法提供过多有功支撑的特点。在恒转速段的弱惯性区，惯性频率控制切换为强制恒功率控制步骤；在满功率阶段，因机组物理特性限制，控制策略切换为只响应有功下跌的半幅响应的控制步骤。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于以上所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。