基于电网频率响应最值点时刻对应的风机一次调频方法

1.本发明属于风机控制领域，特别是一种基于电网频率响应最值点时刻对应的风机一次调频控制方法及系统。


背景技术：

2.随着风电渗透率的大幅提升，常规同步机组占比不断减小，电力系统惯量显著降低，迫切需要风电机组参与电网一次调频。根据风机输出电磁功率是否与电网频率相关，现有风机一次调频控制可以大致划分为两类：实时响应频率变化的一次调频控制，如虚拟惯性控制和下垂控制；和预设功率曲线的一次调频控制，如步进惯性控制(sic)和限转矩惯性控制(tlic)。
3.预设功率曲线的一次调频控制一般包括频率支撑和风轮转速恢复两个阶段。当发生负荷突增频率事件时，sic方法阶跃增加风电功率以支撑电网的有功平衡。仅从电网频率响应叠加补偿的视角来分析，风电功率阶跃增加的形式在频率支撑阶段能对负荷突增产生最佳补偿效果。特别地，若风电增发的幅度等于负荷突增，则在频率支撑阶段风电功率对应的频率响应分量将完全补偿负荷突增导致的电网频率跌落，即电网频率保持恒定。
4.但是，由于风轮缓冲的动能有限，sic方法在频率支撑结束时阶跃减小风电功率会导致众所周知的电网二次频率跌落(sfd)。为此，如何协同风机与同步机组的一次调频、缓解电网频率二次跌落，成为现有研究关注的焦点之一。主要进展可归纳为两个方面，基于sic的改进方法和风电功率呈现缓降特性的方法。然而，tlic方法的应用实质上改变了风电功率的变化类型，不再具有与负荷突增相同的阶跃形式，并且tlic方法激励得到的频率响应分量的最大值点始终早于负荷突增的最小值点，使得风机调频对电网频率支撑的最大效用过早出现，导致对负荷突增引发电网频率跌落的补偿效果不能充分发挥。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种基于电网频率响应最值点时刻对应的风机一次调频控制方法及系统，该方法基于对频率响应分量最大/小值点出现时刻差的估算，通过延迟风机tlic方法的启动时间，实现tlic风电功率激励下频率响应最大值点和负荷突增下最小值点的对应，进一步提升电网频率最低点，改善风机参与电网调频效果。
6.实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于电网频率响应最值点时刻对应的风机一次调频方法，所述方法包括以下步骤：
7.步骤1，检测频率事件，并记录发生时刻t0；
8.步骤2，计算阶跃负荷功率激励下电网频率响应最小值点时刻
9.步骤3，获取限转矩惯性控制tlic风电功率激励下，电网频率响应最大值点时刻与阶跃负荷功率激励下电网频率响应最小值点时刻之间的关系；
10.步骤4，估计tlic风电功率激励下电网频率响应最大值点时刻并基于电网频
率响应最值点时刻对应关系计算风机tlic方法的延迟启动时间
11.步骤5，根据延迟启动时间实现基于最值点时刻对应的风机一次调频控制。
12.进一步地，步骤1具体为：检测电网频率偏差，若超过预设阈值|δf|
thd
，则认为电网中发生了负荷突增或发电机切机事件，即频率事件，并记录下发生时刻t0。
13.进一步地，步骤2所述计算阶跃负荷功率激励下电网频率响应最小值点时刻具体过程包括：
14.对于负荷突增事件，阶跃负荷功率激励下的电网频率响应δf
l
为：
15.δf
l
(t)＝δp
lhstep
(t)
[0016][0017][0018]
式中，δp
l
为负荷阶跃扰动幅值，h为系统惯性时间常数，d为负荷阻尼系数，r为调速器下垂系数，t为调速器时间常数，f为高压涡轮机功率占总汽轮机功率的比例，k为机械功率增益系数；
[0019]
则阶跃负荷功率激励下电网频率响应最小值点时刻为
[0020][0021]
进一步地，步骤3所述获取限转矩惯性控制tlic风电功率激励下，电网频率响应最大值点时刻与阶跃负荷功率激励下电网频率响应最小值点时刻之间的关系，具体包括：
[0022]
简化tlic风电功率激励下的近似电网频率响应δfw，如下式所示，表现为一个阶跃信号和两个斜坡信号对应频率响应的叠加：
[0023]
δfw(t)＝δp
w0hstep
(t)u(t)+k
p-thramp
(t)u(t)-k
p-thramp
(t-t1)u(t-t1)
[0024]
式中，δp
w0
为风机tlic方法的初始支撑功率增量，δp
w0
＝p
tlim
(ω0)-p
w0
，p
tlim
(ω0)为初始转速ω0处对应最大转矩的功率，p
w0
为风机初始电磁功率；k
p-t
为分段曲线的斜率，也即风电功率变化率；t1为简化风电功率降至平衡点处电磁功率的时间；u(t)为单位阶跃信号，h
step
(t)为单位阶跃响应，h
ramp
(t)为单位斜坡响应；
[0025]
对上式进行求导，获得简化tlic风电功率对应的频率响应变化率为：
[0026][0027]
通过分析δf'w(t)在处的符号说明电网频率响应最大值点时刻与电网频率响应最小值点时刻两者的关系，根据t1和的关系分为如下两种情况：
[0028]
(1)当时，有
[0029][0030]
因以及k
p-t
＜0，所以
[0031]
(2)当时，有
[0032][0033]
因h
step
(t)在是递增的，同时所以
[0034]
因此，在任意参数的tlic风电功率激励下都是成立的，δfw(t)在内至少存在一个极大值点，且第一个极大值点为最大值点，则有：
[0035][0036]
进一步地，步骤4具体包括：
[0037]
步骤4-1，根据简化tlic风电功率，采用牛顿-拉夫逊方法数值求解得到估计值；
[0038]
步骤4-2，计算风机tlic方法的延迟启动时间
[0039][0040]
进一步地，步骤5具体包括：基于估计出的延时启动时间在时刻启动风机tlic调频控制，实现tlic风电功率激励下频率响应最大值点和负荷突增下最小值点的对应。
[0041]
本发明提供了一种基于电网频率响应最值点时刻对应的风机一次调频系统，所述系统包括：
[0042]
第一模块，用于检测频率事件即发生负荷突增或发电机切机事件，并记录发生时刻t0；
[0043]
第二模块，用于估计tlic风电功率激励下电网频率响应最大值点时刻并基于tlic风电功率激励下频率响应最大值点时刻与突增负荷功率激励下频率响应最小值点的对应关系，计算风机tlic方法的延迟启动时间
[0044]
第三模块，用于在时刻，启动tlic方法，设定风机电磁功率指令；
[0045]
第四模块，用于在风机运行于稳定平衡点后，通过降低电磁功率将风机转速恢复到初始的最优转速。
[0046]
一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现以下步骤：
[0047]
步骤1，检测频率事件，并记录发生时刻t0；
[0048]
步骤2，计算阶跃负荷功率激励下电网频率响应最小值点时刻
[0049]
步骤3，获取限转矩惯性控制tlic风电功率激励下，电网频率响应最大值点时刻与阶跃负荷功率激励下电网频率响应最小值点时刻之间的关系；
[0050]
步骤4，估计tlic风电功率激励下电网频率响应最大值点时刻并基于电网频率响应最值点时刻对应关系计算风机tlic方法的延迟启动时间
[0051]
步骤5，根据延迟启动时间实现基于最值点时刻对应的风机一次调频控制。
[0052]
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
[0053]
步骤1，检测频率事件，并记录发生时刻t0；
[0054]
步骤2，计算阶跃负荷功率激励下电网频率响应最小值点时刻
[0055]
步骤3，获取限转矩惯性控制tlic风电功率激励下，电网频率响应最大值点时刻与阶跃负荷功率激励下电网频率响应最小值点时刻之间的关系；
[0056]
步骤4，估计tlic风电功率激励下电网频率响应最大值点时刻并基于电网频率响应最值点时刻对应关系计算风机tlic方法的延迟启动时间
[0057]
步骤5，根据延迟启动时间实现基于最值点时刻对应的风机一次调频控制。
[0058]
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
[0059]
1)相比于tlic方法，新提出的基于最值点时刻对应的风机一次调频控制方法，克服了风电功率激励下频率响应最大值时刻始终早于突增负荷频率功率对应的频率最小值点的问题。
[0060]
2)通过延迟启动风机调频控制，在不影响风机转速动态的基础上进一步提升了电网频率最低点，改善了风电调频效果。
[0061]
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
[0062]
图1为本发明基于电网频率响应最值点时刻对应的风机一次调频控制流程图。
[0063]
图2为一个实施例中风机限转矩惯性控制示意图。
[0064]
图3为一个实施例中的tlic风电功率及其近似示意图。
[0065]
图4为一个实施例中不同近似风电功率激励下的频率响应最大值点时刻示意图。
[0066]
图5为一个实施例中两种功率激励下的电网频率响应分量示意图。
[0067]
图6为一个实施例中基于频率响应最大/小值点时刻对应的改进思路示意图。
[0068]
图7为一个实施例中基于电网频率响应最值点时刻对应的tlic控制原理框图。
[0069]
图8为一个实施例中风机分别在不参与调频、未延时的tlic和考虑最值点对应的
tlic三种方法的调频效果图，其中图(a)至图(d)分别为电网频率、风机出力、同步机组出力和风轮转速。
具体实施方式
[0070]
为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
[0071]
需要说明，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
[0072]
在一个实施例中，结合图1，提供了一种基于电网频率响应最值点时刻对应的风机一次调频控制方法，所述方法包括以下步骤：
[0073]
步骤1，检测电网频率偏差，若超过预设阈值|δf|
thd
，则认为电网中发生了负荷突增或发电机切机事件，即频率事件，并记录下发生时刻t0；
[0074]
步骤2，计算阶跃负荷功率激励下电网频率响应最小值点时刻
[0075]
步骤3，获取限转矩惯性控制tlic风电功率激励下，电网频率响应最大值点时刻与阶跃负荷功率激励下电网频率响应最小值点时刻之间的关系；
[0076]
步骤4，估计tlic风电功率激励下电网频率响应最大值点时刻并基于电网频率响应最值点时刻对应关系计算风机tlic方法的延迟启动时间
[0077]
步骤5，根据延迟启动时间实现基于最值点时刻对应的风机一次调频控制。
[0078]
进一步地，在其中一个实施例中，步骤2所述计算阶跃负荷功率激励下电网频率响应最小值点时刻具体过程包括：
[0079]
对于负荷突增事件，阶跃负荷功率激励下的电网频率响应δf
l
为：
[0080]
δf
l
(t)＝δp
lhstep
(t)
[0081]
[0082][0083]
式中，δp
l
为负荷阶跃扰动幅值，h为系统惯性时间常数，d为负荷阻尼系数，r为调速器下垂系数，t为调速器时间常数，f为高压涡轮机功率占总汽轮机功率的比例，k为机械功率增益系数；
[0084]
则阶跃负荷功率激励下电网频率响应最小值点时刻为
[0085][0086]
从上式可知，阶跃功率激励下的电网频率响应极值点时刻是固定的，仅与系统参数(h、d、r、t、f、k)有关，与阶跃激励幅值δp
l
无关。
[0087]
进一步地，在其中一个实施例中，结合图2和图3，步骤3所述获取限转矩惯性控制tlic风电功率激励下，电网频率响应最大值点时刻与阶跃负荷功率激励下电网频率响应最小值点时刻之间的关系，具体包括：
[0088]
简化tlic风电功率激励下的近似电网频率响应δfw，如下式所示，表现为一个阶跃信号和两个斜坡信号对应频率响应的叠加：
[0089]
δfw(t)＝δp
w0hstep
(t)u(t)+k
p-thramp
(t)u(t)-k
p-thramp
(t-t1)u(t-t1)
[0090]
式中，δp
w0
为风机tlic方法的初始支撑功率增量，δp
w0
＝p
tlim
(ω0)-p
w0
，p
tlim
(ω0)为初始转速ω0处对应最大转矩的功率，p
w0
为风机初始电磁功率；k
p-t
为分段曲线的斜率，也即风电功率变化率；t1为简化风电功率降至平衡点处电磁功率的时间；u(t)为单位阶跃信号，h
step
(t)为单位阶跃响应，h
ramp
(t)为单位斜坡响应；
[0091]
对上式进行求导，获得简化tlic风电功率对应的频率响应变化率为：
[0092][0093]
通过分析δf'w(t)在处的符号说明电网频率响应最大值点时刻与电网频率响应最小值点时刻两者的关系，根据t1和的关系分为如下两种情况：
[0094]
(1)当时，有
[0095][0096]
因以及k
p-t
＜0，所以
[0097]
(2)当时，有
[0098][0099]
因h
step
(t)在是递增的，同时所以
[0100]
因此，在任意参数的tlic风电功率激励下都是成立的，δfw(t)在内至少存在一个极大值点，且第一个极大值点为最大值点，则有：
[0101][0102]
综上所述，在基于分段形式的风电功率激励下，始终成立，且与具体参数设定无关。tlic风电功率激励下电网频率响应最大值点时刻始终早于阶跃负荷对应的频率最小值点，这使得tlic方法提升频率最低点的最佳补偿效果会提早出现，从而影响到风机tlic方法的调频效果。
[0103]
进一步地，在其中一个实施例中，由于阶跃负荷功率激励下电网频率响应最小值点时刻是固定的，将估计启动风机tlic方法的延迟启动时间转为估计tlic风电功率激励下电网频率响应最大值点时刻，即估计步骤4具体包括：
[0104]
步骤4-1，根据简化tlic风电功率，采用牛顿-拉夫逊方法数值求解得到估计值；
[0105]
步骤4-2，计算风机tlic方法的延迟启动时间
[0106][0107]
进一步地，在其中一个实施例中，步骤5具体包括：基于估计出的延时启动时间在时刻启动风机tlic调频控制，实现tlic风电功率激励下频率响应最大值点和负荷突增下最小值点的对应，以最大程度补偿负荷突增造成的电网频率最低点。
[0108]
在一个实施例中，提供了一种基于电网频率响应最值点时刻对应的风机一次调频系统，所述系统包括：
[0109]
第一模块，用于检测频率事件即发生负荷突增或发电机切机事件，并记录发生时刻t0；
[0110]
第二模块，用于估计简化tlic风电功率激励下电网频率响应最大值点时刻并基于tlic风电功率激励下频率响应最大值点时刻与突增负荷功率激励下频率响应最小值点的对应关系，计算风机tlic方法的延迟启动时间
[0111]
第三模块，用于在时刻，启动tlic方法，设定风机电磁功率指令；
[0112]
第四模块，用于在风机运行于稳定平衡点后，通过降低电磁功率将风机转速恢复
到初始的最优转速。
[0113]
关于基于电网频率响应最值点时刻对应的风机一次调频系统的具体限定可以参见上文中对于基于最值点时刻对应的风机一次调频方法的限定，在此不再赘述。上述基于最值点时刻对应的风机一次调频系统中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
[0114]
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现以下步骤：
[0115]
步骤1，检测频率事件，并记录发生时刻t0；
[0116]
步骤2，计算阶跃负荷功率激励下电网频率响应最小值点时刻
[0117]
步骤3，获取限转矩惯性控制tlic风电功率激励下，电网频率响应最大值点时刻与阶跃负荷功率激励下电网频率响应最小值点时刻之间的关系；
[0118]
步骤4，估计tlic风电功率激励下电网频率响应最大值点时刻并基于电网频率响应最值点时刻对应关系计算风机tlic方法的延迟启动时间
[0119]
步骤5，根据延迟启动时间实现基于最值点时刻对应的风机一次调频控制。
[0120]
关于每一步的具体限定可以参见上文中对基于电网频率响应最值点时刻对应的风机一次调频方法的限定，在此不再赘述。
[0121]
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
[0122]
步骤1，检测频率事件，并记录发生时刻t0；
[0123]
步骤2，计算阶跃负荷功率激励下电网频率响应最小值点时刻
[0124]
步骤3，获取限转矩惯性控制tlic风电功率激励下，电网频率响应最大值点时刻与阶跃负荷功率激励下电网频率响应最小值点时刻之间的关系；
[0125]
步骤4，估计tlic风电功率激励下电网频率响应最大值点时刻并基于电网频率响应最值点时刻对应关系计算风机tlic方法的延迟启动时间
[0126]
步骤5，根据延迟启动时间实现基于最值点时刻对应的风机一次调频控制。
[0127]
关于每一步的具体限定可以参见上文中对基于电网频率响应最值点时刻对应的风机一次调频方法的限定，在此不再赘述。
[0128]
作为一种具体示例，在其中一个实施例中，对本发明进行进一步验证说明。
[0129]
本实施例利用美国国家可再生能源实验室(national renewable energy laboratory,nrel)提供的开源的专业风力机仿真软件fast(fatigue,aerodynamics,structures,and turbulence)来仿真验证效果。其中，风电的电力系统动模实验平台主要包括风机模拟器、同步机模拟器和回馈式负载三个部分，实验平台的主要参数如下表1所示。
[0130]
表1动模实验平台的主要参数
[0131][0132]
本发明基于最值点时刻对应的风机一次调频控制方法包括以下内容：
[0133]
1、检测频率事件是否发生，并记录发生时刻t0；
[0134]
2、计算阶跃负荷功率激励下电网频率响应最小值点时刻具体包括：
[0135]
对于负荷突增事件，阶跃负荷功率激励下的电网频率响应δf
l
为：
[0136]
δf
l
(t)＝δp
lhstep
(t)
[0137][0138][0139]
式中，δp
l
为负荷阶跃扰动幅值，h为系统惯性时间常数，d为负荷阻尼系数，r为调速器下垂系数，t为调速器时间常数，f为高压涡轮机功率占总汽轮机功率的比例，k为机械功率增益系数。阶跃负荷功率激励下电网频率响应最小值点时刻为
[0140][0141]
3、分析tlic风电功率激励下电网频率响应最大值点时刻与阶跃负荷功率激励下电网频率响应最小值点时刻之间的关系，具体包括：
[0142]
将实际tlic风电功率用图3中虚线所示的近似tlic风电功率替代。近似(简化)tlic风电功率激励下的电网频率响应δfw，如下所示，
[0143]
δfw(t)＝δp
w0hstep
(t)u(t)+k
p-thramp
(t)u(t)-k
p-thramp
(t-t1)u(t-t1)
[0144]
式中，δp
w0
为风机tlic方法的初始支撑功率增量，δp
w0
＝p
tlim
(ω0)-p
w0
；k
p-t
为分段曲线的斜率，也即风电功率变化率；t1为简化风电功率降至平衡点c处电磁功率的时间。
[0145]
由于在任意参数设定的简化tlic风电功率激励下都是成立的。因此，如图4和图5所示，任意参数设定下的tlic风电功率激励下电网频率响应最大值点时刻始终早于阶跃负荷对应的频率最小值点，即
[0146][0147]
4、估计tlic风电功率激励下电网频率响应最大值点时刻并基于最值点时刻对应原则计算风机tlic方法的延迟启动时间具体包括：
[0148]
根据近似tlic风电功率得到估计值，采用牛顿-拉夫逊方法来数值求解并将初值设置为0。基于图6所示的电网频率响应最值点时刻相对应的原则，可以得到和的数量关系为的关系，估计得到启动tlic方法的延时时间
[0149]
5、根据延迟启动时间实现基于电网频率响应最值点时刻对应的风机一次调频控制，具体包括：
[0150]
基于估计出的延时启动时间，在时刻启动风机tlic调频控制，实现tlic风电功率激励下频率响应最大值点和负荷突增下最小值点的对应，以最大程度补偿负荷突增造成的电网频率最低点。完整的基于电网频率响应最值点时刻对应的风机一次调频方法原理框图如图7所示，包括频率事件监测模块、延迟时间估计模块、tlic频率支撑模块、风轮转速恢复模块和mppt模块。
[0151]
6、在恒定风速为10m/s，风电渗透率约为60％，回馈式负载在300s时刻发生负荷突增频率事件(负载突增量为1.5kw)的实验场景下。分别在不参与调频、未延时的tlic和考虑延时支撑的tlic三种方法下的电网频率、风机输出功率和风轮转速如图8所示。
[0152]
表2调频效果指标比较
[0153][0154]
通过分析图8(a)和表2中的调频效果指标可以看出，在tlic方法的基础上通过延迟启动风机调频控制，实现了tlic风电功率激励下频率响应最大值点和负荷突增下最小值点的对应，将电网频率最低点从-0.5658hz提升到-0.4959hz，在频率事件发生后初期的最大频率变化率与mppt方法下相同。从图8(b)和(d)的风机电磁功率和风轮转速看出，延迟风机tlic调频控制的启动不会影响到风机的电磁功率和转速动态，仅是将其向后推迟。可以看出，本发明提出的方法能够在不影响风机转速动态的基础上进一步提升电网频率最低点。
[0155]
以上仿真实验结果表明，采用本发明提出的基于电网频率响应最值点时刻对应的风机一次调频控制方法，能够实现tlic风电功率激励下频率响应最大值点和负荷突增下最小值点的对应，进一步提升电网频率最低点，并改善风电调频效果。
[0156]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。