一种基于风电场中双馈风机调频能力的电网综合调频方法与流程

本发明涉及风力发电领域，具体涉及一种基于风电场中双馈风机调频能力的电网综合调频方法。

背景技术：

双馈风力发电机(doubly-fedinductiongenerator，dfig)是目前应用最为广泛的风力发电机，由定子绕组直连定频三相电网的绕线型异步发电机和安装在转子绕组上的双向背靠背igbt电压源变流器组成。

根据国家规定，电力电网系统的频率在98％的时间内应控制在额定频率误差正负0.2hz的范围内，当频偏大于0.2hz的时候，电网应采取紧急调控措施。然而由于风电场的复杂性和风电机组的差异性，若采用恒定的、理想的控制手段驱动dfig设备，很难使得电网频率稳定在0.2hz的频偏之内。因此，工程界亟需一种基于风电场宏观层面的经济且实用的综合调频控制手段。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于风电场中双馈风机调频能力的电网综合调频方法解决了现有的理想dfig控制方法无法在复杂的风电场以及差异化的机组条件下提供稳定的电力电网频率的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于风电场中双馈风机调频能力的电网综合调频方法，包括以下步骤：

s1、判断当前风速v是否在区间[v1,v3]内，其中v1为切入风速，v3为切出风速，若是，则跳转至步骤s2，若否，则跳转至步骤s9；

s2、判断电网的当前频率与50hz标准频率的偏差是否小于0.2hz，若是，则跳转至步骤s3，若否，则跳转至步骤s8；

s3、判断当前风速v是否小于额定风速v2，若是，则跳转至步骤s4，若否，则跳转至步骤s5；

s4、采用超速和综合虚拟惯量法对电网进行一次调频，至电网频率与50hz标准频率无偏差，结束流程；

s5、采用单一虚拟惯量法对电网进行一次调频，同时选用电网中容风积最大的dfig双馈风力发电机进行二次调频，跳转至步骤s6；

s6、判断电网的当前频率与50hz标准频率是否再次出现偏差，若是则跳转至步骤s7，若否，则结束流程；

s7、通过备用风机进行二次调频，至电网频率与50hz标准频率无偏差，结束流程；

s8、采用多机协同调频法，至电网频率与50hz标准频率无偏差，结束流程；

s9、采取风机异常工作措施，结束流程。

进一步地，步骤s5的单一虚拟惯量法为：利用变流器释放dfig双馈风力发电机的转子动能，根据电网的当前频率与50hz标准频率的偏差δf以及δf与有功功率δp的微分关系式，调节dfig双馈风力发电机的有功功率δp，从而实现调频，达到稳定频率的效果；所述偏差δf与有功功率δp的微分关系式为：

其中，kdf为惯量系数。

进一步地，步骤s8包括以下步骤：

s81、判断当前风速v是否小于额定风速v2，若是，则跳转至步骤s82，若否，则跳转至步骤s84；

s82、计算电网中各台dfig双馈风力发电机的调差系数δi，其中i为dfig双馈风力发电机序列号，其值在区间[1,n]内，n为电网中dfig双馈风力发电机总数，跳转至步骤s83；

s83、采用超速和综合虚拟惯量法，并联合最佳δ法对电网进行一次调频，至电网频率与50hz标准频率无偏差，结束流程；

s84、计算电网中各台dfig双馈风力发电机的容风积kswi，并跳转至步骤s85；

s85、通过电网中各台dfig双馈风力发电机的容风积kswi分配各台dfig双馈风力发电机的任务，进行多机协同二次调频，并跳转至步骤s86；

s86、判断电网的当前频率与50hz标准频率是否再次出现偏差，若是则跳转至步骤s87，若否，则结束流程；

s87、通过备用风机进行二次调频，至电网频率与50hz标准频率无偏差，结束流程。

进一步地，步骤s82的调差系数δi的计算公式为：

其中，δfw为电网频率变化量，取0.2hz，fref为50hz电网标准频率，δpwi为dfig双馈风力发电机i的减载储备功率，pwni为dfig双馈风力发电机i的额定有功功率。

进一步地，步骤s4和步骤s83中的超速和综合虚拟惯量法的步骤为：

a1、采用dfig双馈风力发电机追踪其次优转速功率曲线，使得dfig双馈风力发电机处于减载运行状态并留存有功备用；

a2、利用变流器释放dfig双馈风力发电机的转子动能，根据电网的当前频率与50hz标准频率的偏差δf以及δf与有功功率δp的比例微分关系式，调节dfig双馈风力发电机的有功功率δp，从而实现调频，达到稳定频率的效果；所述偏差δf与有功功率δp的比例微分关系式为：

其中，kpf为下垂系数，kdf为惯量系数。

上述进一步方案的有益效果为：当采用超速控制时，dfig双馈风力发电机组通过追踪最大功率跟踪控制曲线右侧的次优转速功率曲线，从而处于减载运行状态并留有部分有功备用。当系统出现有功功率不平衡的现象时，风机能够快速响应电网频率变化并控制转子转速下降，从而释放转子旋转动能。为了兼顾虚拟惯性控制与下垂控制的优点，综合虚拟惯量法拟合出了频偏δf与有功功率δp的比例微分型表达式，更能准确反映出有功功率调节与频率支持的关系。

进一步地，步骤s83中的采用超速和综合虚拟惯量法，并联合最佳δ法的步骤为：

b1、根据dfig双馈风力发电机i的调差系数δi计算下垂系数kpf，下垂系数kpf与调差系数δi的关系表达式为：

其中，pwni为dfig双馈风力发电机i的额定有功功率，fref为50hz电网标准频率；

b2、根据dfig双馈风力发电机i的调差系数δi计算惯量系数kdf，所述惯量系数kdf与调差系数δi的关系表达式为：

其中，hi为dfig双馈风力发电机i的惯性时间常数，si为dfig双馈风力发电机i的额定容量，为dfig双馈风力发电机i的转速标幺值；

b3、将步骤b1和步骤b2所计算出的下垂系数kpf值与惯量系数kdf代入式(2)，并根据式(2)，利用变流器释放dfig双馈风力发电机i的转子动能，调节dfig双馈风力发电机的有功功率δp，从而实现调频，达到稳定频率的效果。

上述进一步方案的有益效果为：调差系数直接影响dfig双馈风力发电机转子侧的下垂控制的效果，因此先计算出dfig双馈风力发电机当前的理论上的调差系数，再根据调差系数推演出最适的下垂系数kpf值与惯量系数kdf，进而将其代入频偏δf与有功功率δp的比例微分型表达式，能够更为接近地计算出适当的有功功率调节值，从而能够更合理地提高电网一次调频的稳定性，进一步改善系统频率。

进一步地，步骤s5与步骤s84中所涉及的dfig双馈风力发电机的容风积kswi的计算公式为：

kswi＝πv³ri²/k(6)

其中，ri为dfig双馈风力发电机i的风轮半径，k为容风积系数。

进一步地，步骤s85包括以下步骤：

s851、根据式偏差δf与有功功率δp的比例微分关系式计算dfig双馈风力发电机应调节的有功功率δp；

s852、通过容风积kswi有功功率比例式分配各台dfig双馈风力发电机i各自应调节的有功功率δpi；所述容风积kswi有功功率比例式为：

s853、利用变流器释放各台dfig双馈风力发电机的转子动能，以此调节各台dfig双馈风力发电机的有功功率，使其满足步骤s852的计算值，从而实现调频，达到稳定频率的效果。

上述进一步方案的有益效果为：容风积表达式是本发明根据dfig双馈风力发电机的物理特性，经过理论研究和推导，提出的一项衡量风电场中各dfig双馈风力发电机二次调频能力的变量。通过容风积作为权重在调频任务上进行功率分配，可使调频能力强的机组分担更多调频任务并确保各dfig双馈风力发电机都能在有限范围内进行变桨，极大增强了电网的调控能力和频率稳定性；能够保证每台dfig双馈风力发电机均在各自裕度范围内调频，杜绝了大幅度变桨所产生的机械损耗并且增加了机组的使用寿命。

进一步地，步骤s9包括以下步骤：

s91、判断当前风速v是否小于切入风速v1，若是，则跳转至步骤s92，若否，则跳转至步骤s93；

s92、dfig双馈风力发电机工作于欠风能状态，终止电网调频操作；

s93、关停电网中所有的dfig双馈风力发电机。

上述进一步方案的有益效果为：防止dfig双馈风力发电机过能损坏。

本发明的有益效果为：从dfig双馈风力发电机的物理特性出发，经过理论研究和推导，提出了容风积的概念，并通过其衡量风电场中各dfig设备的调频能力。在电网频偏小于0.2hz的情况下仅采用最大容风积的dfig风机单独调频，使频偏较快消除并且保证电力系统实时频率误差均在0.2hz以内；在电网频偏大于0.2hz的情况下，通过各dfig设备容风积的大小进行功率任务划分，极大提高了风电调频的经济性、科学性以及电网频率的稳定性；在单独调频以及多机协同调频的具体细节中，还考虑了风速因素，尤其在当前风速小于额定风速的时候，根据dfig所处风速段推算出的调差系数，调整虚拟惯量法模型参数，使得调频更迅速、稳定，最终实现了复杂的风电场以及差异化的机组条件下风力发电频率稳定的目标。

附图说明

图1为一种基于风电场中双馈风机调频能力的电网综合调频方法流程示意图；

图2为matlab仿真过程中dfig双馈风力发电机1(简称风机1)的桨距角及出力对比图；

图3为matlab仿真过程中dfig双馈风力发电机2(简称风机2)的桨距角及出力对比图；

图4为matlab仿真过程中dfig双馈风力发电机3(简称风机3)的桨距角及出力对比图；

图5为matlab仿真过程中系统频率对比图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，一种基于风电场中双馈风机调频能力的电网综合调频方法，包括以下步骤：

s1、判断当前风速v是否在区间[v1,v3]内，其中v1为切入风速，v3为切出风速，若是，则跳转至步骤s2，若否，则跳转至步骤s9；

s2、判断电网的当前频率与50hz标准频率的偏差是否小于0.2hz，若是，则跳转至步骤s3，若否，则跳转至步骤s8；

s3、判断当前风速v是否小于额定风速v2，若是，则跳转至步骤s4，若否，则跳转至步骤s5；

s4、采用超速和综合虚拟惯量法对电网进行一次调频，至电网频率与50hz标准频率无偏差，结束流程；

s5、采用单一虚拟惯量法对电网进行一次调频，同时选用电网中容风积最大的dfig双馈风力发电机进行二次调频，跳转至步骤s6；

步骤s5的单一虚拟惯量法为：利用变流器释放dfig双馈风力发电机的转子动能，根据电网的当前频率与50hz标准频率的偏差δf以及δf与有功功率δp的微分关系式，调节dfig双馈风力发电机的有功功率δp，从而实现调频，达到稳定频率的效果；所述偏差δf与有功功率δp的微分关系式为：

其中，kdf为惯量系数。

s6、判断电网的当前频率与50hz标准频率是否再次出现偏差，若是则跳转至步骤s7，若否，则结束流程；

s7、通过备用风机进行二次调频，至电网频率与50hz标准频率无偏差，结束流程；

s8、采用多机协同调频法，至电网频率与50hz标准频率无偏差，结束流程；

步骤s8包括以下步骤：

s81、判断当前风速v是否小于额定风速v2，若是，则跳转至步骤s82，若否，则跳转至步骤s84；

s82、计算电网中各台dfig双馈风力发电机的调差系数δi，其中i为dfig双馈风力发电机序列号，其值在区间[1,n]内，n为电网中dfig双馈风力发电机总数，跳转至步骤s83；

步骤s82的调差系数δi的计算公式为：

其中，δfw为电网频率变化量，取0.2hz，fref为50hz电网标准频率，δpwi为dfig双馈风力发电机i的减载储备功率，pwni为dfig双馈风力发电机i的额定有功功率。

s83、采用超速和综合虚拟惯量法，并联合最佳δ法对电网进行一次调频，至电网频率与50hz标准频率无偏差，结束流程；

步骤s4和步骤s83中的超速和综合虚拟惯量法的步骤为：

a1、采用dfig双馈风力发电机追踪其次优转速功率曲线，使得dfig双馈风力发电机处于减载运行状态并留存有功备用；

a2、利用变流器释放dfig双馈风力发电机的转子动能，根据电网的当前频率与50hz标准频率的偏差δf以及δf与有功功率δp的比例微分关系式，调节dfig双馈风力发电机的有功功率δp，从而实现调频，达到稳定频率的效果；所述偏差δf与有功功率δp的比例微分关系式为：

其中，kpf为下垂系数，kdf为惯量系数。

当采用超速控制时，dfig双馈风力发电机组通过追踪最大功率跟踪控制曲线右侧的次优转速功率曲线，从而处于减载运行状态并留有部分有功备用。当系统出现有功功率不平衡的现象时，风机能够快速响应电网频率变化并控制转子转速下降，从而释放转子旋转动能。为了兼顾虚拟惯性控制与下垂控制的优点，综合虚拟惯量法拟合出了频偏δf与有功功率δp的比例微分型表达式，更能准确反映出有功功率调节与频率支持的关系。

步骤s83中的采用超速和综合虚拟惯量法，并联合最佳δ法的步骤为：

b1、根据dfig双馈风力发电机i的调差系数δi计算下垂系数kpf，下垂系数kpf与调差系数δi的关系表达式为：

其中，pwni为dfig双馈风力发电机i的额定有功功率，fref为50hz电网标准频率；

b2、根据dfig双馈风力发电机i的调差系数δi计算惯量系数kdf，所述惯量系数kdf与调差系数δi的关系表达式为：

其中，hi为dfig双馈风力发电机i的惯性时间常数，si为dfig双馈风力发电机i的额定容量，为dfig双馈风力发电机i的转速标幺值；

b3、将步骤b1和步骤b2所计算出的下垂系数kpf值与惯量系数kdf代入式(2)，并根据式(2)，利用变流器释放dfig双馈风力发电机i的转子动能，调节dfig双馈风力发电机的有功功率δp，从而实现调频，达到稳定频率的效果。

调差系数直接影响dfig双馈风力发电机转子侧的下垂控制的效果，因此先计算出dfig双馈风力发电机当前的理论上的调差系数，再根据调差系数推演出最适的下垂系数kpf值与惯量系数kdf，进而将其代入频偏δf与有功功率δp的比例微分型表达式，能够更为接近地计算出适当的有功功率调节值，从而能够更合理地提高电网一次调频的稳定性，进一步改善系统频率。

s84、计算电网中各台dfig双馈风力发电机的容风积kswi，并跳转至步骤s85；

步骤s5与步骤s84中所涉及的dfig双馈风力发电机的容风积kswi的计算公式为：

kswi＝πv³ri²/k(6)

其中，ri为dfig双馈风力发电机i的风轮半径，k为容风积系数。

s85、通过电网中各台dfig双馈风力发电机的容风积kswi分配各台dfig双馈风力发电机的任务，进行多机协同二次调频，并跳转至步骤s86；

步骤s85包括以下步骤：

s851、根据式偏差δf与有功功率δp的比例微分关系式计算dfig双馈风力发电机应调节的有功功率δp；

s852、通过容风积kswi有功功率比例式分配各台dfig双馈风力发电机i各自应调节的有功功率δpi；所述容风积kswi有功功率比例式为：

s853、利用变流器释放各台dfig双馈风力发电机的转子动能，以此调节各台dfig双馈风力发电机的有功功率，使其满足步骤s852的计算值，从而实现调频，达到稳定频率的效果。

容风积表达式是本发明根据dfig双馈风力发电机的物理特性，经过理论研究和推导，提出的一项衡量风电场中各dfig双馈风力发电机二次调频能力的变量。通过容风积作为权重在调频任务上进行功率分配，可使调频能力强的机组分担更多调频任务并确保各dfig双馈风力发电机都能在有限范围内进行变桨，极大增强了电网的调控能力和频率稳定性；能够保证每台dfig双馈风力发电机均在各自裕度范围内调频，杜绝了大幅度变桨所产生的机械损耗并且增加了机组的使用寿命。

s86、判断电网的当前频率与50hz标准频率是否再次出现偏差，若是则跳转至步骤s87，若否，则结束流程；

s87、通过备用风机进行二次调频，至电网频率与50hz标准频率无偏差，结束流程。

s9、采取风机异常工作措施，结束流程。

步骤s9包括以下步骤：

s91、判断当前风速v是否小于切入风速v1，若是，则跳转至步骤s92，若否，则跳转至步骤s93；

s92、dfig双馈风力发电机工作于欠风能状态，终止电网调频操作；

s93、关停电网中所有的dfig双馈风力发电机，防止dfig双馈风力发电机过能损坏。

为了验证本发明容风积概念的意义，以及基于容风积的调频任务分配方案的优越性，本发明通过matlab软件simulink平台进行了仿真，在仿真过程中设置了如表1所示的三台dfig双馈风力发电机，后文简称“风机”。

表1各风机主要运行参数

“按容风积分配”、“平均分配调频任务”和“仅用风机3调频”3种调频方法进行对比分析，图2、图3和图4的3组曲线分别为风机1、风机2和风机3在3种调频方法下的桨距角和有功出力对比图。

根据图2，由于风机1的容风积最小，当按照容风积分配方法时，分配到的任务要小于平均分配调频任务时。因此，利用容风积分配调频任务会使得其变桨幅度和有功出力值都在较为合理的范围内，避免了超出调频裕度的变桨或出力。

根据图3，由于风机2的容风积较为适中，当采用容风积或是平均分配调频任务时，其变桨和出力幅度都相对接近，均在合理的范围内。

根据图4，风机3的容风积较大且二次调频能力最强，当风电场仅有风机3参与二次调频时，其变桨幅度和出力明显大于使用容风积分配，不利于机组的稳定运行且在变桨过程中会造成较大的机械损耗并影响使用寿命。当采用容风积分配调频任务时，其变桨幅度和出力值会高于平均分配时，将承担相对较多的调频任务从而更为充分地发挥自身调频优势，对于系统频率的改善也较为有利。

综合图2、3和4，按容风积分配调频任务时，各台风机的变桨趋势也基本一致，均处于合理变桨裕度内，减少了因大幅度变桨产生的机械损耗并相应延长了机组的使用寿命。

系统频率对比图如图5，当不采用二次调频时，系统频率最低点已骤跌至49.7hz，超过了国家规定的电网频率允许偏差±0.2hz。若仅利用调频能力最强的风机3进行二次调频，虽然能够无差控制系统频率，但频率的稳定性有所欠缺，仍有一部分处于49.8hz之下。

通过协调风电机组调频的方式能够有效解决频率偏差过大的问题，当采用平均分配法时，风电机组等额分担调频任务协作调频，频率的稳定性得到了提高，但采用“按容风积分配调频任务”时，频率稳定性又有进一步的增强，能够使频率稳定恢复至49.8hz之上。因此，本发明设计的“利用容风积分配二次调频任务”的调频技术方案不仅能够将各风电机组的变桨和出力控制在一定范围内，还能合理分配调频任务，使调频能力强的风电机组发挥更大的调频作用，从而进一步促进系统的频率稳定。

综上，本发明从dfig双馈风力发电机的物理特性出发，经过理论研究和推导，提出了容风积的概念，并通过其衡量风电场中各dfig设备的调频能力。在电网频偏小于0.2hz的情况下仅采用最大容风积的dfig风机单独调频，使频偏较快消除并且保证电力系统实时频率误差均在0.2hz以内；在电网频偏大于0.2hz的情况下，通过各dfig设备容风积的大小进行功率任务划分，极大提高了风电调频的经济性、科学性以及电网频率的稳定性；在单独调频以及多机协同调频的具体细节中，还考虑了风速因素，尤其在当前风速小于额定风速的时候，根据dfig所处风速段推算出的调差系数，调整虚拟惯量法模型参数，使得调频更迅速、稳定，最终实现了复杂的风电场以及差异化的机组条件下风力发电频率稳定的目标。