一种双馈风机参与电网一次调频的变下垂系数控制方法

1.本发明属于风力发电技术领域，尤其涉及一种双馈风机参与电网一次调频的变下垂系数控制方法。


背景技术：

2.风力发电技术成熟、建设周期短、成本较低已逐渐成为世界各国大力发展的新能源之一。风电场作为可再生能源，虽然在节能减排、优化电源结构方面具有一定价值，但自然界的风具有不稳定性，风速时大时小，具有很强的随机性和不可控性。因此风电大规模并网势必会对系统频率稳定方面造成很大影响。
3.双馈风力发电机是风力发电的主流机型。由于双馈风力发电机转子与电网间通过变换器相连，使风机的转子转速与系统频率完全解耦，不能响应系统频率的变化。因此，大规模风电并入电网后将导致系统的调频能力减弱，影响系统的稳定性。并且，风电机组的调频能力与其当前风速紧密相关，在低风速段，风电机组的减载备用较少，调频能力有限，若过分利用风电机组减载备用能量和转子动能将容易导致风机失速退出运行；而在高风速的情况下，风电机组的减载备用比较充足，可提供的调频功率多，调频能力较强。
4.目前，一些国内外专家学者对基于变下垂控制系数双馈风力机组参与电网一次调频的控制方法进行了研究。但是，在现有研究中，有的忽略了自然风的脉动性和不确定性，只在固定风速下进行仿真验算。有的方法并未考虑到双馈风电机组自身的控制规律，仅简单采用固定下垂系数。若下垂系数设定偏小，将导致风电机组过度响应，造成系统频率二次跌落；若下垂系数设定偏大，将无法充分发挥风电机组的频率响应能力。有的只是选取少数风速点，求得对应风速下调差系数的值，通过所得数据拟合成变下垂控制曲线，控制精度不足，仍有很大提升空间。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术的不足，解决由少量数据拟合成下垂控制曲线，控制精度不足、因调差系数设定过小，导致风电机组过度响应造成频率二次跌落以及因调差系数设置过大，导致无法充分发挥风电机组的频率响应能力的问题，本发明提出了双馈风机参与电网一次调频的变下垂系数控制方法，具体由以下方案实施：
6.所述双馈风机参与电网一次调频的变下垂系数控制方法，包括如下步骤：
7.步骤1)采集实时风速，同时对电网频率偏差信号δf进行实时监测；
8.步骤2)在传统转子有功控制器中加入自定义变下垂特性单元，通过所述自定义变下垂特性单元整定不同风速下双馈风机参与电网一次调频的下垂控制调差系数；
9.步骤3)基于灰狼优化算法优化下垂控制的调差系数，使得双馈风机能根据当前风速自动选择最优的下垂控制调差系数；
10.步骤4)根据所述电网频率偏差信号δf、整定优化后的下垂控制调差系数得出额外有功功率增量并根据所述有功功率增量参与调频。
11.所述双馈风机参与电网一次调频的变下垂系数控制方法的进一步设计在于，所述步骤2)中自定义变下垂特性单元根据式(1)完成双馈风机参与电网一次调频的下垂控制调差系数的整定，
[0012][0013]
式(1)中，δf0为频率偏差允许值，设为0.2hz，f
n
为电网额定频率50hz，p
del’为风电场中n台双馈风机减载的总储备功率，p
wn
为风电场的额定有功功率；根据式(2)计算风电场中n台双馈风机减载的总储备功率p
del’：
[0014][0015]
式中，p
del
为单台双馈风力发电机减载的储备功率，ρ为空气密度，d为减载系数，c
p，max
为最大风功率追踪时的最大风能捕获系数，v为风速。
[0016]
所述双馈风机参与电网一次调频的变下垂系数控制方法的进一步设计在于，所述步骤3)中基于灰狼优化算法优化下垂控制的调差系数具体包括如下步骤：
[0017]
步骤3
‑
1)针对不同风速，基于调差系数公式随机定义生成一组灰狼群，参见式(3)，该步骤用到灰狼优化算法中最初始的寻找局部可能最优解范围；
[0018][0019][0020]
其中，是灰狼个体与猎物之间的距离，t是迭代次数，和是系数向量，是猎物经t次迭代的位置，是灰狼经t次迭代的位置；
[0021]
步骤3
‑
2)控制要求优化后的目标函数在约束条件内最小，以达到最佳的功率点追踪，根据式(4)构建目标函数：
[0022][0023]
其中，f(x)为频率超调量，δf
max
为频率响应过程中最大频率偏差量；
[0024]
根据式(5)至式(12)构建所述目标函数的约束条件为：
[0025]
v
in
＜v＜v
out
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0026]
式中，v为风速，v
in
为切入风速，v
out
为切出风速；
[0027]
δf0≤0.2hz
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0028]
式中，δf0为频率偏差允许值；
[0029]
ω
min
≤ω
ref
≤ω
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0030]
式中，ω
min
为转速的最小值，ω
ref
为转速参考值，ω
max
为转速的最大值；
[0031]
β
min
≤β
ref
≤β
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0032]
式中，β
min
为桨距角的最小值，β
ref
为桨距角参考值，β
max
为桨距角的最大值；
[0033][0034]
式中，p
m
为双馈风机的机械功率，c
p
为风能捕获系数，c
p，max
为最大风功率追踪时的最大风能捕获系数，v
n
为额定风速；
[0035][0036]
式中，ω
r
为转速；
[0037][0038]
式中，p
g
为双馈风机的输出功率，k
c
为mppt系数，ω
r,n
为额定转速；
[0039][0040]
式中，f为频率，t'为时间，该约束条件确保频率响应过程不会出现频率二次跌落；
[0041]
根据式(13)联立方程，基于灰狼优化算法，寻找对应风速下最优的调差系数，使得频率超调量f(x)在各约束条件的约束下最小。
[0042][0043]
步骤3
‑
3)根据式(14)构建广义目标函数：
[0044]
f(x)＝f(x)+δ(t)h(x)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0045]
式中，f(x)为原目标函数，δ(t)h(x)为惩罚项，δ(t)为惩罚力度，h(x)为惩罚因子；步骤3
‑
4)分别计算每个灰狼个体的所有约束条件的惩罚因子，并根据式(14)计算每个灰狼个体的适应度值，记录最优适应度值及对应位置；
[0046]
步骤3
‑
5)判断惩罚因子h(x)是否达到精度要求或是否达到最大迭代次数，若是则算法结束，输出最优解；否则，执行步骤3
‑
6)；
[0047]
步骤3
‑
6)将适应度值排列前三位的灰狼个体位置分别记为作为决策层，按照式(15)计算其他个体与的距离，并根据式(16)
‑
(17)更新每个灰狼个体的位置，重新返回步骤3
‑
4)；
[0048][0049]
式中分别表示α，β和δ与狼群中其他个体的距离；分别表示α，β和δ的当前位置；为系数向量，t为迭代次数。
[0050][0051][0052]
式(16)分别定义了狼群中ω个体朝α，β和δ前进的方向和距离，式(17)表示狼群中ω个体的最终位置。
[0053]
4、根据权利要求1所述的双馈风机参与电网一次调频的变下垂系数控制方法，其特征在于，所述步骤3
‑
1)中系数通过如式(18)计算：
[0054][0055][0056]
式中，在迭代过程中从2线性递减至0，和分别是[0,1]内的随机向量。
[0057]
本发明的有益效果
[0058]
本发明基于灰狼优化算法对双馈风机参与电网一次调频的下垂控制的调差系数进行优化，能够针对不同的风速，对下垂控制的调差系数进行整定，避免因调差系数设定过小，导致风电机组过度响应造成频率二次跌落；避免因调差系数设置过大，导致无法充分发挥风电机组的频率响应能力。同时基于灰狼优化算法对调差系数进行优化，提高控制精度，具有更好的自适应能力，可充分利用实时机组可用容量，提升机组频率响应能力，解决了由少量数据拟合成下垂控制曲线，控制精度不足的问题。
附图说明
[0059]
图1为双馈风电机组变下垂系数控制框图。
[0060]
图2为灰狼优化算法下调差系数和风速之间的关系图。
[0061]
图3为pscad中搭建的仿真模型图。
[0062]
图4为当风速为11m/s时，在pscad中设定下垂控制调差系数分别为2％，3.47％，5％得到的仿真效果图。
[0063]
图5为当风速为13m/s时，在pscad中设定下垂控制调差系数分别为2％，5％，以及不加入下垂控制环节得到的仿真效果图。
[0064]
图6为当风速为13m/s时，在pscad中设定下垂控制调差系数分别为2％，5％，以及不加入下垂控制环节的桨距角变化图。
具体实施方式
[0065]
下面结合附图对本发明的技术方案进一步说明。
[0066]
本发明的双馈风机参与电网一次调频的变下垂系数控制方法，包括如下步骤：
[0067]
步骤1)采集实时风速，同时对电网频率偏差信号δf进行实时监测。
[0068]
步骤2)在传统转子有功控制器中加入自定义变下垂特性单元，通过所述自定义变下垂特性单元整定不同风速下双馈风机参与电网一次调频的下垂控制调差系数。
[0069]
步骤3)基于灰狼优化算法优化下垂控制的调差系数，使得双馈风机能根据当前风速自动选择最优的下垂控制调差系数。
[0070]
步骤4)根据所述电网频率偏差信号δf、整定优化后的下垂控制调差系数得出额外有功功率增量并根据所述有功功率增量参与调频。
[0071]
步骤2)中通过在传统转子有功控制器的基础上增加一个自定义变下垂特性单元，根据当前风速，自动整定下垂控制的系数。本发明所提的双馈风电机组变下垂系数控制框图如图1所示，具体步骤如下：
[0072]
步骤2
‑
1)双馈风力发电机在模拟传统同步发电机的下垂特性时，δp＝kδf，在传统同步发电机中有：
[0073][0074]
式中，k
g
为传统同步发电机单位调节功率，k
g*
为传统同步发电机单位调节功率标幺值，p
gn
为传统同步发电机额定有功功率，f
n
为额定频率50hz，δ
g
为传统同步发电机调差系数，δf为系统频率变化量。
[0075]
步骤2
‑
2)因此，模拟传统同步发电机的表达式可得双馈风力发电机中有如下表达式：
[0076][0077]
式中，k为下垂控制系数，δ
w
为双馈风力发电机调差系数，p
wn
为双馈风力发电机额定有功功率。
[0078]
步骤2
‑
3)因此有：
[0079][0080]
由上式可知，下垂控制系数k与双馈风力发电机调差系数δ
w
有关。
[0081]
步骤2
‑
4)根据传统同步发电机调差系数的定义公式来定义双馈风机可变下垂控制的调差系数为：
[0082][0083]
式中，δf0为频率偏差允许值，设为0.2hz，f
n
为电网额定频率50hz，考虑单机等值，p
del’为风电场中n台双馈风机减载的总储备功率，p
wn
为风电场的额定有功功率。
[0084][0085]
式中，p
del
为单台双馈风力发电机减载的储备功率，ρ为空气密度，d为减载系数，本文减载水平取20％。c
p，max
为最大风功率追踪时的最大风能捕获系数，v为风速。
[0086]
步骤3)中基于灰狼优化算法优化下垂控制的调差系数具体包括如下步骤：
[0087]
步骤3
‑
1)针对不同风速，基于调差系数公式随机定义生成一组灰狼群，参见式(3)，该步骤用到灰狼优化算法中最初始的寻找局部可能最优解范围；
[0088][0089][0090]
其中，是灰狼个体与猎物之间的距离，t是迭代次数，和是系数向量，是猎物经t次迭代的位置，是灰狼经t次迭代的位置。
[0091]
步骤3
‑
2)控制要求优化后的目标函数在约束条件内最小，以达到最佳的功率点追踪，根据式(4)构建目标函数：
[0092][0093]
其中，f(x)为频率超调量，δf
max
为频率响应过程中最大频率偏差量；
[0094]
根据式(5)至式(12)构建所述目标函数的约束条件为：
[0095]
v
in
＜v＜v
out
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0096]
式中，v为风速，v
in
为切入风速，v
out
为切出风速；
[0097]
δf0≤0.2hz
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0098]
式中，δf0为频率偏差允许值；
[0099]
ω
min
≤ω
ref
≤ω
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0100]
式中，ω
min
为转速的最小值，ω
ref
为转速参考值，ω
max
为转速的最大值；
[0101]
β
min
≤β
ref
≤β
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0102]
式中，β
min
为桨距角的最小值，β
ref
为桨距角参考值，β
max
为桨距角的最大值；
[0103][0104]
式中，p
m
为双馈风机的机械功率，c
p
为风能捕获系数，c
p，max
为最大风功率追踪时的最大风能捕获系数，v
n
为额定风速；
[0105][0106]
式中，ω
r
为转速；
[0107][0108]
式中，p
g
为双馈风机的输出功率，k
c
为mppt系数，ω
r,n
为额定转速；
[0109][0110]
式中，f为频率，t'为时间，该约束条件确保频率响应过程不会出现频率二次跌落。
[0111]
根据式(13)联立方程，基于灰狼优化算法，寻找对应风速下最优的调差系数，使得频率超调量f(x)在各约束条件的约束下最小。
[0112][0113]
步骤3
‑
3)根据式(14)构建广义目标函数：
[0114]
f(x)＝f(x)+δ(t)h(x)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0115]
式中，f(x)为原目标函数，δ(t)h(x)为惩罚项，δ(t)为惩罚力度，h(x)为惩罚因子。步骤3
‑
4)分别计算每个灰狼个体的所有约束条件的惩罚因子，并根据式(14)计算每个灰狼个体的适应度值，记录最优适应度值及对应位置。
[0116]
步骤3
‑
5)判断惩罚因子h(x)是否达到精度要求或是否达到最大迭代次数，若是则算法结束，输出最优解；否则，执行步骤3
‑
6)。
[0117]
步骤3
‑
6)将适应度值排列前三位的灰狼个体位置分别记为作为决策层，按照式(15)计算其他个体与的距离，并根据式(16)
‑
(17)更新每个灰狼个体的位置，重新返回步骤3
‑
4)。
[0118][0119]
式中分别表示α，β和δ与狼群中其他个体的距离；分别表示α，β和δ的当前位置；为系数向量，t为迭代次数。
[0120][0121]
[0122]
式(16)分别定义了狼群中ω个体朝α，β和δ前进的方向和距离，式(17)表示狼群中ω个体的最终位置。
[0123]
步骤3
‑
1)中系数通过如式(18)计算：
[0124][0125][0126]
式中，在迭代过程中从2线性递减至0，和分别是[0,1]内的随机向量。
[0127]
优化后的调差系数和风速的关系图如图2所示。
[0128]
本发明为验证调频策略的有效性，采用pscad软件搭建仿真模型，模型如图3所示。在此模型中，风电场由10台额定容量为2.5mw的风机组成，经过35kv汇集线，35/110kv升压变接110kv系统，额定风速11m/s。110kv系统模拟p
‑
f下垂特性，初始接入20mw负载，仿真运行到6s，接入5mw负载。模拟负载投入频率下降，风机参与调频。设定双馈风力发电机减载20％运行。
[0129]
本发明还提供以下两则具体实施例选取2个典型的代表风速分别为11m/s，13m/s。由于本发明的频率响应时间尺度在18s左右，因此，假定频率响应过程中风速恒定。
[0130]
实施例1：
[0131]
当风速为11m/s时，为分析下垂系数对于双馈风力发电机组频率响应性能的影响，分别取δ
w
为2％，3.47％，5％。其中，2％为偏小整定值；3.47％是由本发明方法得到的整定值；5％为偏大整定值，所得仿真如图4所示。
[0132]
从图4可以看出当δ
w
设定偏小(2％)，调频过程中电网频率出现二次跌落。当δ
w
设定偏大(5％)，调频过程中电网频率虽然并未出现二次跌落，但电网的动态频率最大偏差绝对值比δ
w
设定为3.47％时动态频率最大偏差绝对值大，频率动态响应效果要比本发明方法差。有次可见当采用本发明的变下垂控制系数方法参与调频时，能够减小电网的动态频率最大偏差绝对值，更有利于减小频率波动，维持电网频率稳定。
[0133]
实施例2：
[0134]
当风速为13m/s时，桨距角控制起作用留取备用容量。为分析下垂系数对于双馈风力发电机组频率响应性能的影响，分别取δ
w
为2％，5％，以及不加入下垂控制进行对比。其中，2％是由本发明得到的整定值；5％为偏大整定值，所得仿真如图5所示。
[0135]
从图5可以看出，采用本发明所提出的变下垂系数整定方法后，能够避免双馈风电机组过度响应，且有效改善频率的动态响应。与8m/s风速下类似，当δ
w
设定偏大(5％)，本发明所提方法具有更好的频率响应能力。
[0136]
结合图5、图6可以看出，当风速为13m/s时，桨距角控制参与调频。当采用本发明得到的整定值时，桨距角响应更加快速，频率响应能力的提升效果更加明显。
[0137]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围不局限于此，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，根据本发明的技术方案及其本发明构思加以等同替换或改变，都涵盖在本发明的保护范围之内。