考虑电网频率动态特性的风电机组一次调频功率设定方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑电网频率动态特性的风电机组一次调频功率设定方法。针对传统风电机组一次调频忽略电网频率动态特性而导致调频效果不佳的问题，本发明专利技术设计了一种使电网频率沿边界轨迹运行的风电机组一次调频功率设定方法。具体地，当电网发生频率跌落事件时，风电机组通过设定功率指令使频率沿要求变化率下限值与最低值构成的边界轨迹运行，之后随着功率指令不断下降切换至最大功率点跟踪控制平稳恢复到初始运行状态。进一步地，根据该方法所构建的风电机组转速最低值与电网频率最低值的单调关系，在不同运行场景下整定方法参数实现风轮动能全部释放，从而有效地提升频率最低值这一调频效果关键指标。率最低值这一调频效果关键指标。率最低值这一调频效果关键指标。

【技术实现步骤摘要】
考虑电网频率动态特性的风电机组一次调频功率设定方法


[0001]本专利技术属于风电机组并网一次调频控制
，特别是一种考虑电网频率动态特性的风电机组一次调频功率设定方法。

技术介绍

[0002]随着新能源发电高比例接入电网，电网频率调节与稳定面临着严峻的挑战，迫切需要具备有功调节能力的风电机组主动参与一次调频。一般而言，风电机组可以通过减载预留备用容量，并在频率事件发生时增加输出功率；也可以平时仍然采用最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)，当电网发生功率缺额导致频率跌落时，通过释放储存在其大惯量风轮中的动能参与电网一次调频，维持电网有功功率平衡。考虑到频率事件的偶然性，后者更有利于兼顾调频风电机组的发电效益。
[0003]现有基于风轮动能释放的风电机组一次调频控制技术中，如何释放有限的风轮动能提升电网频率最低值这一关键时域指标，是目前探讨的热点问题。由于频率事件是对电网产生的单次扰动，从抑制频率事件发生后电网功率偏差的角度，当前技术研究提出了一种恒定增量功率的风电机组步进惯性控制(Stepwise Inertial Control,SIC)。但由于变流器容量的限制，SIC下的风电机组转速不得低于起始发电转速。因此，风电机组需要阶跃式地减小输出功率以保护风轮转速。这将导致电网频率出现二次跌落，严重时甚至超过一次跌落产生新的频率最低值。
[0004]为此，后续技术研究多从优化功率函数参数方面进行改进。相关研究通过设计优化模型，提出了利用遗传算法、先进人工智能算法等优化风电机组SIC中的参数。进一步地，考虑风电机组SIC中两个重要参数——终止时间与增量功率的设定，基于电网频率响应模型推导出终止时间的表达式，并设计增量功率的选取方法，最终获得了最优SIC策略。
[0005]但是，上述研究仍陷于风电机组参与调频立即输出恒定增量功率的SIC设计框架中，并未考虑充分利用风电机组功率/能量特性以及电网频率动态特性参与调频。相关研究指出充分利用风机调频的快速灵活和可塑性强的优点，通过风电机组与同步机组的协调配合可以获得更好的调频效果。但该研究直接通过粒子群算法获取最优输出功率曲线并对其进行拟合，仅能得到针对给定系统工况和扰动的较为理想化的控制策略，难以实际应用。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于解决传统风电机组一次调频忽略电网频率动态特性而导致调频效果不佳的问题，提供一种考虑电网频率动态特性的风电机组一次调频功率设定方法。风电机组通过设定功率指令使得频率按照设计的边界轨迹运行，待功率指令下降切换至MPPT运行恢复机组运行状态。考虑到风轮动能释放有限，在确定风电机组调频功率指令的基础上根据最大可释放动能整定方法参数t
on
，达到提高频率最低值的目的。
[0007]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种考虑电网频率动态特性的风电机组一次调频功率设定方法，设计电网频率边界运行轨迹，推导出同步机组原动机和和风电机组调
频功率表达式；设计风电机组一次调频结束后的运行状态恢复判断机制，获得完整的风电机组调频功率指令表达式；根据最大可释放动能整定方法参数t
on
，将整定值代入风电机组调频功率指令表达式，有效提升频率最低值；建立v、ΔP
d0
到t
on
的映射关系，当电网发生频率事件时，根据v和ΔP
d0
确定t
on
，代入风电机组调频功率指令表达式，实现风电机组一次调频控制。所述方法具体包括以下步骤：
[0008]步骤1，设计风电机组一次调频过程的电网频率边界运行轨迹，该轨迹包括电网频率变化率下限值约束R
Llim
与某频率最低值约束Δf
ndr
，两约束相交于时刻t
on
；
[0009]步骤2，构建步骤1电网频率边界运行轨迹下的同步机组原动机调频功率表达式；
[0010]步骤3，结合电网功率缺额ΔP
d0
与步骤2构建的表达式，构建风电机组调频功率表达式；
[0011]步骤4，确定风电机组一次调频结束后的运行状态恢复机制，结合步骤3构建完整的风电机组一次调频功率指令表达式；
[0012]步骤5，根据风电机组最大可释放动能ΔE
kmax
整定t
on
，并将其代入风电机组一次调频功率指令表达式进行更新；
[0013]步骤6，在不同风速v、不同电网功率缺额ΔP
d0
所构建的不同运行场景下整定t
on
，并获得映射关系；当电网发生频率事件时，根据v和ΔP
d0
确定t
on
，代入风电机组一次调频功率指令表达式，实现考虑不同运行场景的风电机组一次调频控制。
[0014]进一步地，步骤1中的风电机组一次调频过程的电网频率边界运行轨迹，频率偏差Δf的时域表达式为：
[0015][0016]其中，Δf
ndr
＝R
L_lim
·
t
on
；
[0017]对上式求拉普拉斯逆变换，得到频域表达式为：
[0018][0019]进一步地，步骤2中的电网频率边界运行轨迹下的同步机组原动机调频功率ΔP
SGm
，其频域表达式为：
[0020][0021]式中，G(s)为同步机组原动机传递函数；K
d
为同步机组下垂系数；K
m
为同步机组机械功率增益系数；F
H
为同步机组原动机高压涡轮机功率占比；T
R
为同步机组原动机再热时间常数；
[0022]对上式进行拉普拉斯逆变换，获得其时域表达式：
[0023][0024]进一步地，步骤3中风电机组调频功率指令P
WTe
的表达式为：
[0025][0026]式中，P
WTe0
为频率事件发生时刻的风电机组初始功率；H是电网等效惯性时间常数；D是电网等效阻尼系数。
[0027]进一步地，步骤4中所述风电机组一次调频结束后的运行状态恢复机制，具体为：
[0028]|P
WTe
(t)
‑
P
MPPT
(t)|＜ε
ꢀꢀꢀ
(6)
[0029]式中，P
MPPT
为风电机组最大功率点跟踪控制的功率指令；ε为功率判断阈值。当风电机组运行状态满足上式，记为时刻t
off
。
[0030]进一步地，步骤4所述完整的风电机组一次调频功率指令表达式为：
[0031][0032]进一步地，步骤5所述根据风电机组最大可释放动能ΔE
kmax
整定参数t
on
，具体过程包括：
[0033]记风电机组一次调频过程中达到转速最低值的时刻为t
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑电网频率动态特性的风电机组一次调频功率设定方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1，设计风电机组一次调频过程的电网频率边界运行轨迹，该轨迹包括电网频率变化率下限值约束R
Llim
与某频率最低值约束Δf
ndr
，两约束相交于时刻t
on
；步骤2，构建步骤1电网频率边界运行轨迹下的同步机组原动机调频功率表达式；步骤3，结合电网功率缺额ΔP
d0
与步骤2构建的表达式，构建风电机组调频功率表达式；步骤4，确定风电机组一次调频结束后的运行状态恢复机制，结合步骤3构建完整的风电机组一次调频功率指令表达式；步骤5，根据风电机组最大可释放动能ΔE
kmax
整定t
on
，并将其代入风电机组一次调频功率指令表达式进行更新；步骤6，按照步骤5的方式，在不同风速v、不同电网功率缺额ΔP
d0
所构建的不同运行场景下整定t
on
，并获得映射关系；当电网发生频率事件时，根据v和ΔP
d0
确定t
on
，代入风电机组一次调频功率指令表达式，实现考虑不同运行场景的风电机组一次调频控制。2.根据权利要求1所述的考虑电网频率动态特性的风电机组一次调频功率设定方法，其特征在于，步骤1中的风电机组一次调频过程的电网频率边界运行轨迹，频率偏差Δf的时域表达式为：其中，Δf
ndr
＝R
L_lim
·
t
on
；对上式求拉普拉斯变换，得到频域表达式为：3.根据权利要求2所述的考虑电网频率动态特性的风电机组一次调频功率设定方法，其特征在于，步骤2中的电网频率边界运行轨迹下的同步机组原动机调频功率ΔP
SGm
，其频域表达式为：式中，G(s)为同步机组原动机传递函数；K
d
为同步机组下垂系数；K
m
为同步机组机械功率增益系数；F
H
为同步机组原动机高压涡轮机功率占比；T
R
为同步机组原动机再热时间常数；对上式进行拉普拉斯逆变换，获得其时域表达式为：4.根据权利要求3所述的考虑电网频率动态特性的风电机组一次调频功率设定方法，其特征在于，步骤3中风电机组调频功率指令P
WTe
的表达式为：
式中，P
WTe0
为频率事件发生时刻的风电机组初始功率；H是电网等效惯性时间常数；D是电网等效阻尼系数。5.根据权利要求4所述的考虑电网频率动态特性的风电机组一次调频功率设定方法，其特征在于，步骤4中所述风电机组一次调频结束后的运行状态恢复机制，具体为：|P
WTe
(t)
‑
P
MPPT
(t)|＜ε
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)式中，P
MPPT
(t)为风电机...

【专利技术属性】
技术研发人员：李群，殷明慧，李阳，李强，汪成根，赵大伟，卜京，陈载宇，霍雨翀，张宁宇，
申请(专利权)人：国网江苏省电力有限公司电力科学研究院国网江苏省电力有限公司国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：