风电机组参与惯量响应的控制方法及装置与流程

本公开涉及一种风电机组参与惯量响应的控制方法及装置。

背景技术：

当利用风电机组参与惯量响应时，出于对经济性的考虑，一般使用风机转子自身的动能作为惯量响应能量的来源，在一般情况下，风机仍然运行于最大功率点跟踪模式；当系统出现功率扰动时，为了向电网提供频率支撑，风机释放转子动能，风机转子转速减小；但是，由于最大功率点跟踪控制的作用是将风机的工作点维持在最大功率点处；因此在风机向电网提供频率支撑，风机转子转速减小的过程中，风机的转子转速又由于最大功率点跟踪控制的存在而会有变大的作用，两种作用相互削弱，会导致风机的频率指出能力减弱。

为了解决上述问题，传统方法提出根据电网频率的变化改变风机运行曲线，但是存在两个问题，第一是为了得到电网频率，需要采用锁相环环节，但是锁相环环节不适合大规模风电并网运行的场合；第二是所改变的风机运行曲线是非线性的，导致风机对电网提供的惯量常数非线性，不利用电力系统的调度。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题中的至少一个，本公开提供了一种风电机组参与惯量响应的控制方法及控制装置。

根据本公开的一个方面，一种风电机组参与惯量响应的控制方法，包括：按照最大功率跟踪曲线对虚拟同步机的有功指令值进行给定；以及在|pref-pe|＞k1*pref的条件下，风机进入有功指令固定阶段运行，其中，pref为虚拟同步机的有功指令，pe为风机的输出功率，k1为根据风机运行情况而选取的第一系数，其中，在所述有功指令固定阶段中，所述虚拟同步机的有功指令值恒定为最大功率点。

根据本公开的一个实施方式，当所述风机进入有功指令固定阶段运行时，在pref≤pwtmin且|pref-pe|<k2*pref的条件下，风机进入最大可获得功率曲线运行阶段，其中k2为根据风机运行情况而选取的第二系数，在pref>pwtmin的条件下，风机进入最小转速曲线运行阶段运行，其中，pwtmin为最小风机转速曲线功率值。

根据本公开的一个实施方式，当所述风机运行在最小转速曲线运行阶段或最大可获得功率曲线运行阶段时，在|pref-pe|<k3*pref的条件下，风机进入转子转速恢复运行阶段运行，其中k3为根据风机运行情况而选取的第三系数。

根据本公开的一个实施方式，当所述风机运行在转子转速恢复运行阶段时，在pmppt>pref的条件下，风机回到最大功率跟踪曲线运行阶段运行，其中，pmppt为最大功率跟踪曲线功率。

根据本公开的一个实施方式，通过预定时长来判断是否满足pref≤pwtmin且|pref-pe|<k2*pref的条件，经过预定时长后，不满足pref≤pwtmin且|pref-pe|<k2*pref的条件但是满足pref>pwtmin的条件时，风机进入最小转速曲线运行阶段运行。

根据本公开的一个实施方式，经过预定时长后来判断是否满足|pref-pe|<k3*pref的条件。

根据本公开的一个实施方式，风机进入最大可获得功率曲线运行阶段运行时，根据最大可获得功率曲线提供虚拟同步机的有功指令值；风机进入最小转速曲线运行阶段运行时，根据最小转速曲线提供虚拟同步机的有功指令值；以及风机进入转子转速恢复运行阶段运行时，虚拟同步机的有功指令值为恒定。

根据本公开的另一方面，一种风电机组参与惯量响应的控制装置，包括工作点给定控制器及虚拟同步控制器，所述工作点给定控制器基于风机转子转速为所述虚拟同步控制器提供虚拟同步机有功指令值，其中虚拟同步机有功指令值的提供方式为：首先按照最大功率跟踪曲线对虚拟同步机的有功指令值进行给定；并且在|pref-pe|＞k1*pref的条件下，风机进入有功指令固定阶段运行，其中，pref为虚拟同步机的有功指令，pe为风机的输出功率，k1为根据风机运行情况而选取的第一系数，其中，在所述有功指令固定阶段中，所述虚拟同步机的有功指令值恒定为最大功率点。

根据本公开的一个实施方式，当所述风机进入有功指令固定阶段运行时，在pref≤pwtmin且|pref-pe|<k2*pref的条件下，风机进入最大可获得功率曲线运行阶段，其中k2为根据风机运行情况而选取的第二系数，在pref>pwtmin的条件下，风机进入最小转速曲线运行阶段运行，其中，pwtmin为最小风机转速曲线功率值；当所述风机运行在最小转速曲线运行阶段或最大可获得功率曲线运行阶段时，在|pref-pe|<k3*pref的条件下，风机进入转子转速恢复运行阶段运行，其中k3为根据风机运行情况而选取的第三系数；以及当所述风机运行在转子转速恢复运行阶段时，在pmppt>pref的条件下，风机回到最大功率跟踪曲线运行阶段运行，其中，pmppt为最大功率跟踪曲线功率。

根据本公开的一个实施方式，经过预定时长后，来判断是否满足|pref-pe|<k2*pref的条件及是否满足|pref-pe|<k3*pref的条件。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1为本公开一个实施方式的风电机组参与惯量响应的控制方法风力发电系统控制框图。

图2为本公开一个实施方式的风电机组参与惯量响应的控制方法工作点给定控制器有功指令给定曲线图。

图3为本公开一个实施方式的风电机组参与惯量响应的控制方法的流程图。

图4为本公开一个实施方式的风电机组参与惯量响应的控制方法中发电小于用电时的频率响应曲线。

图5为本公开一个实施方式的风电机组参与惯量响应的控制方法发电小于用电时的频率变化曲线。

图6为本公开一个实施方式的风电机组参与惯量响应的控制方法发电大于用电时的频率响应曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。

本公开提供一种风电机组参与惯量响应的控制方法，可以适用于大规模风电并网的情况。图1中示出了风力发电系统内控制框图。如图1所示的控制系统可以包括永磁直驱风机、机侧变流器、网侧变流器、工作点给定控制器和虚拟同步控制器，其中永磁直驱风机的输出端和机侧变流器连接，机侧变流器的输出端与网侧变流器连接，网侧变流器通过公共并网点将电力并入电网，在电网上可连接多个负荷进行用电，工作点给定控制器接收永磁直驱风机的风机转子转速值，并且生成虚拟同步机有功指令值且传送至虚拟同步控制器中，虚拟同步控制器控制网侧变流器的工作状态。

本公开提供的一种风电机组参与惯量响应的控制方法，按照最大功率跟踪曲线对虚拟同步机的有功指令值进行给定；以及在|pref-pe|＞k1*pref的条件下，风机进入有功指令固定阶段运行，其中，pref为虚拟同步机的有功指令，pe为风机的输出功率，k1为根据风机运行情况而选取的第一系数且大于3％，其中，在有功指令固定阶段中，虚拟同步机的有功指令值恒定为最大功率点。

当风机进入有功指令固定阶段运行时，在pref≤pwtmin且|pref-pe|<k2*pref的条件下，风机进入最大可获得功率曲线运行阶段，其中k2为根据风机运行情况而选取的第二系数且小于2％，在pref>pwtmin的条件下，风机进入最小转速曲线运行阶段运行，其中，pwtmin为最小风机转速曲线功率值。

当风机运行在最小转速曲线运行阶段或最大可获得功率曲线运行阶段时，在|pref-pe|<k3*pref的条件下，风机进入转子转速恢复运行阶段运行，其中k3为根据风机运行情况而选取的第三系数且小于0.5％。

当风机运行在转子转速恢复运行阶段时，在pmppt>pref的条件下，风机回到最大功率跟踪曲线运行阶段运行，其中，pmppt为最大功率跟踪曲线功率。

具体地，如图2所示，当开始运行时，按照图2中的bcko所在曲线，也就是按照最大功率跟踪曲线对虚拟同步机的有功指令进行给定，然后进行条件|pref-pe|＞k1*pref是否成立的判定，例如，k1值可以取5％，当判定结果为是时，执行风机进入有功指令固定阶段运行，此时，虚拟同步机有功指令值恒定为最大功率点，对应图2中的oaf线段。否则，风机维持最大功率跟踪曲线运行阶段。

风机进入有功指令固定阶段运行后，进行pref>pwtmin是否成立的判定，当判定结果为是时，虚拟同步机有功指令值按照图2所示的fgg’线段，也就是最小转速曲线运行阶段运行，且此时风机运行在最小转速曲线运行阶段。此时，虚拟同步机有功指令值基于图1中的最小风机转子转速曲线。否则，风机维持有功指令固定阶段运行。

在pref>pwtmin判断的同时，也进行条件|pref-pe|＜k2*pref是否成立的判定(在进行条件|pref-pe|＜k2*pref是否成立的判断时，需要满足预定时长，其时间尺度为100ms～1s，例如为200ms，当经过该时长后判断是否成立)，例如，k2值可以取1％，当经过预定时长，pref>pwtmin不成立而|pref-pe|＜k2*pref成立时，风机进入最大可获得功率曲线运行阶段，如图1所示的add’线段。此时，虚拟同步机有功指令值基于图2中的最大可获得功率曲线。否则，风机维持有功指令固定阶段运行。

在风机运行在最小转速曲线运行阶段或者最大可获得功率曲线运行阶段时，进行|pref-pe|＜k3*pref的判断(在进行条件|pref-pe|＜k3*pref是否成立的判断时，需要满足预定时长，其时间尺度为100ms～1s，例如为200ms，当经过该时长后判断是否成立)，例如，k3值可以取0.2％，当经过预定时长，|pref-pe|＜k3*pref成立时，风机进入转子转速恢复运行阶段。例如，当风机从最小转速曲线运行阶段进入转子转速恢复运行阶段时，虚拟同步机有功指令值基于g’k线段，而当风机从最大可获得功率曲线运行阶段进入转子转速恢复运行阶段时，虚拟同步机有功指令值基于d’e线段。

在风机运行在转子转速恢复运行阶段时，进行pmppt>pref的判定，当判定结果为是时，风机回到最大功率跟踪曲线运行阶段，也就是说虚拟同步机有功指令值基于最大功率跟踪曲线。

在本实施方式中，k1、k2和k3的取值可以根据实际情况进行选取，与风机的具体运行情况有关，其中k1大于3％，k2可以小于2％，k3小于0.5％。

图3示出了系统发电小于用电时的根据本公开的一种具体实施方式。

开始运行时，按照最大功率跟踪曲线对虚拟同步机的有功指令值进行给定，使系统运行于最大功率跟踪曲线运行阶段(s1)。

当条件1(|pref-pe|＞5％*pref)成立时(s2)，风机进入有功指令固定阶段运行(s3)。否则，风机维持最大功率跟踪曲线运行阶段。

有功指令固定阶段：本阶段图2中虚拟同步机有功指令值恒定为最大功率点，对应图2中的of线段。

当条件2(pref>pwtmin)成立时(s4)，风机进入最小转速曲线运行阶段(s7)。否则风机维持有功指令固定阶段运行，并等待条件3(|pref-pe|＜1％*pref)的成立。

最小转速曲线运行阶段：本阶段图1中虚拟同步机有功指令值按照图2中最小风机转子转速曲线运行。并等待条件4的成立。

若在有功指令固定阶段，条件2(pref>pwtmin)未成立而条件3(|pref-pe|＜1％*pref)成立(s5)，则风机进入最大可获得功率曲线运行阶段(s6)。

最大可获得功率曲线运行阶段：本阶段图1中虚拟同步机有功指令值按照图2中最大可获得功率曲线运行。并等待条件4(|pref-pe|＜0.2％*pref)的成立。

当风机运行在最小转速曲线运行阶段或者最大可获得功率曲线运行阶段，且条件4(|pref-pe|＜0.2％*pref)成立时(s8)，风机进入转子转速恢复运行阶段(s9)。

转子转速恢复运行阶段：本阶段图1中虚拟同步机有功指令值按照图2中d’e或者g’k运行。并等待条件5(pmppt>pref)的成立。

当条件5(pmppt>pref)成立时(s10)，风机回到最大功率跟踪曲线运行阶段。

此外，需要注意的是，在系统发电大于用电的情况下，其工作方式可以类似分析。

图4示出了本公开一个实施方式的风电机组参与惯量响应的控制方法中发电小于用电时的频率响应曲线。图5为本公开一个实施方式的风电机组参与惯量响应的控制方法发电小于用电时的频率变化率曲线。图6为本公开一个实施方式的风电机组参与惯量响应的控制方法发电大于用电时的频率响应曲线。

在本公开的技术方案中，通过有功指令值和实际值的差值的大小，来判断风机的具体运行阶段，不需要借助锁相环来进行风机运行阶段的切换，消除了对锁相环的依赖，更适用于大规模风电并网的情况。此外，与现有技术不同，在惯量响应阶段，本技术通过保持风机有功指令恒定，实现了惯量响应参数的恒定。更有利于电网运营商的调度，保证了惯量响应过程中，风机提供的惯量参数的恒定，不需要使用锁相环(pll)，增强了在大规模风电并网情况下的适用性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。