考虑湍流特性的风电机组一次调频控制方法和系统与流程

本发明属于风电机组控制，涉及考虑湍流特性的风电机组一次调频控制方法和系统。

背景技术：

1、风能作为一种清洁可持续的能源深受各国青睐，全球风电装机容量正在不断增加，风电渗透率不断上升。目前风电场主要采用变速恒频风电机组，这类机组通过快速控制的电力电子变流装置并网，实现了发电系统与电网的解耦控制。变速恒频风电机组与常规火电机组相比，具有控制灵活、响应速度快等优点，但不主动响应系统频率变化，不具备惯性及一次调频能力。

2、随着风电累计装机容量的增加，渗透率的增加给电力系统频率调整带来了更多的挑战。为保证电力系统的安全可靠，许多国家纷纷出台了对风电辅助服务功能的导则、要求或规定，其基本出发点是希望风电能够像传统发电机组那样具备提供惯性响应和有功支撑等能力为电力系统的频率调整降低负担。

3、湍流风是风中的常见风之一，其具有较强的随机性、波动性等特征。风电机组在实际运行过程中，主要面临的也就是湍流风况，在这类风况下，风电机组输出的功率也会随着风速的波动而波动，这对于电力系统的频率也会产生较大的影响。目前现有的一次调频控制策略，主要针对恒定风速情况提出，在湍流风况下存在效果差或者不适用的情况，并且在湍流风况下，可能出现过分调频而导致风机退出运行。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供考虑湍流特性的风电机组一次调频控制方法和系统，能够使风机在湍流风况下缓解风功率波动，降低风功率波动对电网频率的影响，改善电网的调频效果，维持电网的频率稳定。

2、为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：

3、考虑湍流特性的风电机组一次调频控制方法，包括以下步骤：

4、步骤1：在超速减载控制和下垂控制的基础上增设风电平滑控制环节；

5、所述风电平滑控制环节引入湍流风况的风速预测，通过预测的平均风速得到转速参考值并与当前实际转速作差，结合湍流特性对电网频率的影响，得到附加风电平滑功率参考值；

6、步骤2：将附加风电平滑功率参考值叠加到超速减载控制和下垂控制下风机的变流器有功控制功率参考值，得到考虑湍流特性的风电机组一次调频控制模式，实现平滑部分风功率，降低湍流风况对电网频率的影响。

7、本发明进一步包括以下优选方案：

8、优选地，所述超速减载控制是指风机运行在减载模式下，预留了一部分备用功率，用于电网的频率调整；

9、所述下垂控制用于反映电网的负荷变动的需求调整；

10、所述风电平滑控制环节用于调整风功率波动对电网带来的频率偏差。

11、优选地，所述超速减载控制对应的电网频率调整包括负荷变动的需求调整以及风机自身风功率波动导致的需求调整。

12、优选地，步骤1所述风电平滑控制环节引入湍流风况的风速预测，通过预测的平均风速得到转速参考值并与当前实际转速作差，结合湍流特性对电网频率的影响，得到附加风电平滑功率参考值，具体包括：

13、步骤1.1：在湍流风况下，利用风速预测手段得到当前控制周期内的平均风速以及湍流强度；

14、步骤1.2：根据平均风速和减载功率跟踪曲线计算出平均风速对应的参考转速值；

15、步骤1.3：将当前转速与参考转速值作差获得转速偏差量；

16、步骤1.4：根据湍流特性对电网频率关系构建增益函数g；

17、步骤1.5：根据转速偏差量和增益函数g，获得风功率波动带来的频率偏差预估值；

18、步骤1.6：频率偏差预估值经过pi调节器和限幅器的作用，得到最终的附加风电平滑功率参考值。

19、优选地，步骤1.2中，减载功率跟踪曲线中，功率参考值与转速的关系如下：

20、

21、式中，ρ为空气密度，r为风轮半径，β为桨距角，λdel为减载运行下的叶尖速比，ωr为实际转子转速，cp(λdel,β)为风能利用系数；

22、在减载运行中，平均风速所对应的参考转速计算公式为：

23、

24、为步骤1.1控制周期内所预测的平均风速。

25、优选地，所述控制周期选取为20s～40s。

26、优选地，步骤1.4中，根据湍流特性对电网频率关系，构建增益函数g如下：

27、

28、式中，δf′wind是风功率波动带来的频率偏差预估值；

29、δωavg为当前实际转子转速ωr与参考转速ωref的差值；

30、ti为步骤1.1控制周期内所预测的湍流强度；

31、kfwind是电网结构相关的系数；

32、

33、其中，r是电力系统等效同步机调差系数；

34、d为电力系统等效阻尼系数；

35、km为电力系统等效原动机机械功率效率系数；

36、kd为减载系数；

37、kopt为最大风能捕获系数；

38、λdel为减载运行下的最佳叶尖速比；

39、r是风轮半径；

40、为步骤1.1控制周期内所预测的平均风速。

41、优选地，步骤1.5中，将转速偏差量乘以增益函数g，获得风功率波动带来的频率偏差预估值。

42、优选地，所述风电平滑功率控制环节的控制步骤为：

43、1)根据电网结构计算相关参数kfwind，并设置初始值，周期的标识k＝0,以及初始平均风速和初始湍流强度ti(0)；

44、2)基于当前周期内的相关参数执行步骤1.1-步骤1.6得到风电平滑功率附加参考值；

45、3)判断控制周期是否结束，若结束，则退出运行；否则，令k＝k+1,继续获取下一周期的相关参数，并跳回步骤2)，继续运行。

46、优选地，步骤2所述考虑湍流特性的风电机组一次调频控制模式具体为：

47、pref＝pdel+δp1+δp2

48、其中，pref为风电机组转子侧变流器有功控制参考值；

49、δp1是由下垂控制得到的附加功率参考值；

50、δp2为附加风电平滑功率参考值。

51、考虑湍流特性的风电机组一次调频控制系统，包括数据采集模块、超速减载控制模块、下垂控制模块、风电平滑控制模块和风电机组一次调频控制模块；

52、所述超速减载控制模块，用于风机运行在减载模式下，预留一部分备用功率进行电网的频率调整；

53、所述下垂控制模块，用于反映电网的负荷变动的需求调整；

54、所述风电平滑控制模块，用于引入湍流风况的风速预测，通过预测的平均风速得到转速参考值并与当前实际转速作差，结合湍流特性对电网频率的影响，得到附加风电平滑功率参考值，以实现风功率波动对电网带来的频率偏差调整；

55、所述数据采集模块，用于风电机组一次调频数据的采集；

56、所述风电机组一次调频控制模块，用于将附加风电平滑功率参考值叠加到超速减载控制和下垂控制下风机的变流器有功控制功率参考值，得到考虑湍流特性的风电机组一次调频控制模式，实现平滑部分风功率，降低湍流风况对电网频率的影响。

57、风电平滑控制模块包括风速预测计算子模块、转速参考值计算子模块、转速偏差量计算子模块、增益函数构建子模块、频率偏差预估子模块和风电平滑功率参考值子模块；

58、风速预测计算子模块，用于在湍流风况下，利用风速预测手段得到当前控制周期内的平均风速以及湍流强度；

59、转速参考值计算子模块，用于根据平均风速和减载功率跟踪曲线计算出平均风速对应的参考转速值；

60、转速偏差量计算子模块，用于将当前转速与参考转速值作差获得转速偏差量；

61、增益函数构建子模块，用于根据湍流特性对电网频率关系构建增益函数g；

62、频率偏差预估子模块，用于根据转速偏差量和增益函数g，获得风功率波动带来的频率偏差预估值；

63、风电平滑功率参考值子模块，用于频率偏差预估值经过pi调节器和限幅器的作用，得到最终的附加风电平滑功率参考值。

64、本发明的有益效果在于，与现有技术相比：

65、本发明在超速减载控制的基础上增设了新的控制环节，该环节引入湍流风况的风速预测，通过预测的平均风速得到转速参考值与当前实际转速作差，并根据一些规则得到附加风电平滑功率参考值叠加到风机的变流器有功控制，其中附加风电平滑功率参考值的大小考虑了湍流特性对电网频率的影响，从而实现平滑部分风功率，降低对系统频率的影响。

66、本发明充分考虑了湍流特性与系统频率的关系，能够在不增设储能环节情况下，依靠风机自身对风功率进行平滑处理，提高供电质量。