考虑风机和系统频率响应特性的调频参数确定方法及系统与流程

本公开涉及风电技术领域，特别涉及一种考虑风机和系统频率响应特性的调频参数确定方法及系统。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

随着风电技术的迅速发展，双馈风机通过电力电子设备并网，电力系统中的常规同步发电机组并网容量逐步减小。风电机组具有控制灵活、响应速度快等优点，但机组转速与系统频率解耦，无法主动响应系统频率变化，更不能提供惯量和一次调频支持。风电的大规模接入导致电力系统有效惯量不断降低，在系统发生故障或出现大功率缺额时，容易引发频率安全问题，不利于系统的频率稳定。

为保证电力系统安全可靠运行，降低风电并网对系统频率的影响，风电需要具备一定的惯性响应和一次调频能力。目前，风电发展领先的国家基于市场机制在电网导则中做出规定，促使风电机组参与系统频率控制，其基本出发点是希望风电能够承担常规同步发电机组的部分调频服务。国内外学者对风电机组参与系统频率调节进行了大量研究，主要的频率控制策略包括虚拟惯量控制和减载控制。其中，减载控制又包括超速控制和桨距角控制，机组稳态时处于限功率运行模式，偏离了最大功率运行点(maximumpowerpointtracking,mppt)，造成了风能的浪费。考虑到系统发生大的频率扰动事故的概率较小，因此该类策略的经济性有待进一步评估。采用虚拟惯量控制的机组无需预留备用，在系统频率下降时，对风机的有功控制环节附加一个功率增量，使转子减速以释放其存储的部分旋转动能，增大风机的有功输出，为系统提供有功支持，帮助系统频率的恢复。

本公开发明人发现，为实现风能的最大利用，风机往往运行在mppt模式。考虑到风机的旋转动能是十分有限的，需合理利用以减缓频率的过快变化，提升频率变化低点，为常规机组的一次调频提供更多的反应时间，减小电网频率故障的严重程度。因此，虚拟惯量控制的参数选择尤为关键。如果虚拟惯量参数设置过小，则旋转动能释放不充分，调频效果较差；虚拟惯量参数设置过大，则容易导致机组过度响应，甚至出现运行失稳的问题，且退出调频后易引发系统频率的二次跌落，不利于系统频率的稳定。目前的虚拟惯量控制策略大多缺乏对调频参数的深入分析，尚无法根据风机和系统的频率响应特性设置合理的调频参数，无法保证风机自身运行稳定性，也无法有效利用旋转动能为系统提供调频支持。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种考虑风机和系统频率响应特性的调频参数确定方法及系统，通过对电网动态频率响应模型进行线性化处理，求解转速表达式，得到转速稳态解，求解使稳态解大于预设值的虚拟惯量参数范围，既保证了风机自身运行稳定性，又有效利用旋转动能为系统提供了调频支持。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

本公开第一方面提供了一种考虑风机和系统频率响应特性的调频参数确定方法。

一种考虑风机和系统频率响应特性的调频参数确定方法，包括以下步骤：

获取风机和电网系统的运行状态和参数数据；

对基于获取的数据构建的电网动态频率响应模型进行线性化处理，得到虚拟惯量控制下的风机稳态转速偏差量表达式；

以风机稳态转速偏差量小于初始转速与预设转速的差值为约束条件，求解风机稳态转速偏差量表达式得到虚拟惯量的调频参数范围。

本公开第二方面提供了一种考虑风机和系统频率响应特性的调频参数确定系统。

一种考虑风机和系统频率响应特性的调频参数确定系统，包括：

数据获取模块，被配置为：获取风机和电网系统的运行状态和参数数据；

稳态转速偏差计算模块，被配置为：对基于获取的数据构建的电网动态频率响应模型进行线性化处理，得到虚拟惯量控制下的风机稳态转速偏差量表达式；

调频参数确定模块，被配置为：以风机稳态转速偏差量小于初始转速与预设转速的差值为约束条件，求解风机稳态转速偏差量表达式得到虚拟惯量的调频参数范围。

本公开第三方面提供了一种介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开第一方面所述的考虑风机和系统频率响应特性的调频参数确定方法中的步骤。

本公开第四方面提供了一种电子设备，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程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开第一方面所述的考虑风机和系统频率响应特性的调频参数确定方法中的步骤。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

1、本公开所述的方法、系统、介质及电子设备，通过对电网动态频率响应模型进行线性化处理，求解转速表达式，得到转速稳态解，求解使稳态解大于预设值的虚拟惯量参数范围，既保证了风机自身运行稳定性，又有效利用旋转动能为系统提供了调频支持。

2、本公开所述的方法、系统、介质及电子设备，当系统出现频率跌落时，双馈风机根据测得的风速数据和系统的功率不平衡量对调频参数的值进行限制，使机组能够有效利用存储的旋转动能响应系统频率的动态变化，并保证自身运行的稳定性；在经过调频参数整定后，双馈风机在调频结束时运行在一个新的稳态点且不触发保护下限，因此机组无需进行转速恢复，有效避免了传统定系数虚拟惯量控制引发的频率二次跌落事故。

3、本公开所述的方法、系统、介质及电子设备，考虑了系统和风机参数对调频过程的影响，根据功率不平衡量和风速确定调频参数，有效地调整了风机调频时的出力。

4、本公开所述的方法、系统、介质及电子设备，能够根据风机和系统的频率响应特性对调频参数进行约束，维持了风机转子的稳定，并且有效地避免了风机过度响应引起的系统频率二次跌落；风机利用有限的转子动能，可靠地为系统提供惯量支撑，改善了系统扰动情况下的频率动态响应特性。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例1提供的双馈风机的虚拟惯量控制与转速限值保护示意图。

图2为本公开实施例1提供的风电参与调频的电网动态频率响应模型示意图。

图3为本公开实施例1提供的线性化的原理图。

图4为本公开实施例1提供的风电部分线性化处理后的简化模型示意图。

图5为本公开实施例1提供的不同风速下kp的取值约束示意图。

图6为本公开实施例1提供的风机控制原理图。

图7为本公开实施例1提供的8m/s风速下的仿真结果示意图。

图8为本公开实施例1提供的9m/s风速下的仿真结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本实施例使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1：

本公开实施例1提供了一种考虑风机和系统频率响应特性的调频参数确定方法，包括以下步骤：

获取风机和电网系统的运行状态和参数数据；

对基于获取的数据构建的电网动态频率响应模型进行线性化处理，得到虚拟惯量控制下的风机稳态转速偏差量表达式；

以风机稳态转速偏差量小于初始转速与预设转速的差值为约束条件，求解风机稳态转速偏差量表达式得到虚拟惯量的调频参数范围。

详细内容如下：

s1：虚拟惯量控制及电网动态频率响应分析

s1.1：虚拟惯量控制

双馈风机的虚拟惯量控制示意图如图1所示，其中pe为风机的电磁功率参考值，pref为风机的最大功率跟踪模块输出的参考功率，kpf和kdf分别为虚拟惯量控制模块比例环节和微分环节的系数，虚拟惯量控制模块输出的电磁功率修正量为δp1，系统频率偏差为δf，正常情况下，δf为0，δp1为0，风机输出的电磁功率的参考值由最大功率跟踪(mppt)模块确定；

当系统遭受负荷突增、发电机切机等扰动而出现有功功率缺额时，系统频率下降，此时虚拟惯量控制模块以δf为输入量，经过比例微分环节，输出风机的电磁功率修正量δp1，此时风机输出的电磁功率参考值由最大功率跟踪模块和虚拟惯量控制模块共同确定，即：

其中，风机转速为ωr，在扰动发生造成频率下降后，调频过程即开始。在此过程中，由于风机的输出电磁功率上升，大于风机捕获的风功率，在转矩差的作用下转子转速开始下降，释放动能以满足有功输出的需要。考虑到转子所储存的动能有限，其转速不能一直下降，否则转子转速的恢复将会非常困难。因此，需要对定系数虚拟惯量控制的调频参数进行约束，防止风机失稳或者触发转速保护下限(0.7p.u.)

s1.2：风电参与调频的电网动态频率响应分析

为研究风电及虚拟惯量控制对电网频率动态响应特性的影响，建立了如图2所示的含风电的电力系统简化模型。模型主要包括两部分：风电部分和系统部分，风电部分包含风电的机械特性以及虚拟惯量控制等，其中风机的机械特性主要包含风功率捕获与mppt控制，系统部分采用的是经典的低阶sfr模型。

其中，风电机组风功率捕获量表示为：

相应地，风机的最大风功率捕获量为：

转子转速的变化由机械功率pmw和电磁功率pew决定，机组的异步发电机转子运动方程为：

对于系统部分，系统频率响应模型的传递函数为：

在发生有功扰动后，风机通过测量系统频率，并依据系统频率调节自身有功出力，这一过程在模型中表示为系统部分sfr模型的输出量。系统频率经过虚拟惯量控制后，附加到风电的有功参考值上，而风电总的有功输出则作为系统部分sfr模型的一个输入量，实现风电参与系统频率调节。虚拟惯量控制对风机运行和系统频率的动态响应过程影响较大，调频参数设置不合理会对风机稳定运行和系统频率恢复产生不利影响，因此对于频率控制系数的确定需要进行深入的研究。

s2：双馈风机的调频参数约束

针对传统定系数的虚拟惯量控制存在的不足，本实施例提出了一种考虑风机和系统频率响应特性的调频参数确定方法。假设整个调频过程中，调频参数不变，使转速自行稳定并不触发下限值，则要对调频参数进行约束。具体来讲，在风机参与系统调频的过程中，转速无论如何下降，最终都要能够到达一个稳态值，并且稳态值大于0.7p.u.。

s2.1：稳态转速

考虑到风机的转速变化不仅与外界风速和控制策略有关，还与系统的频率响应特性有关。因此，需要结合风电参与调频的电网动态频率响应模型进行分析，得到风机转速变化的表达式。但是模型中的风电部分包含3个非线性环节，无法得到整个系统的传递函数，所以首先要进行线性化处理。

双馈风机的机械功率和mppt控制环节十分复杂，为了得到较为简洁的系统传递函数，对这两个环节进行简化处理，采用初始转速与转速下限值两点连线的斜率作为线性化表达式的等效斜率，具体线性化过程如图3所示。

机械功率和mppt功率的线性化表达式为：

对于风机的电磁功率pew，需要考虑虚拟惯量控制附加的调频功率增量δpf和mppt控制功率两部分，结合式(7)可得：

δpew＝δpmppt+δpf(8)

其中，δpf＝(kp+kds)δωs

双馈风机的转子转速变化取决于机械功率pmw和电磁功率pew的差值，对转子运动方程进行泰勒级数展开，忽略高阶项得到：

经过上述线性化处理后，对电网频率动态响应模型中的风电部分进行简化，得到如图4所示的结构框图。

对于图4中的系统部分，采用与风机类似的处理方法，首先对系统的机械功率和电磁功率环节进行线性化处理，然后对系统的转子运动方程进行泰勒级数展开。需要注意的是，电网频率动态响应模型中的功率表达式均采用标幺值，但风电场的额定容量并不一定等于传统同步机组的额定容量，这就造成了模型中的风电部分与系统部分在标幺化过程中选取了不同的基准值。为了解决基准值不统一的问题，选取风电场的额定容量作为模型的基准值，假设电网中的风电渗透率为λ，则需要将系统部分的功率乘以比例系数n，其中n＝1/λ。统一基准值后的系统调频线性化方程如式(10)～式(12)所示。

整理式(6)～式(12)可得风机转速偏差量的表达式：

其中：

对式(13)应用终值定理，可得虚拟惯量控制下的风机稳态转速偏差量：

从式(14)可以得到：转速的稳态量仅与虚拟惯量控制中的kp参数有关，而与kd参数无关，这符合对虚拟惯量控制的直观认识，因为在调频后期，系统频率稳定，df/dt为0，kd*df/dt也为0，所以不会对稳态转速造成影响。

进一步分析式(14)可知，风机参与调频后的稳态转速主要与kp、k1、k2、r、n、δpl等参数有关。其中，kp、k1、k2是与风机直接相关的参数，即稳态转速受到虚拟惯量控制的下垂系数和外界风速的影响；r、δpl、n是与系统相关的参数，即风机的稳态转速也会受到同步机组调差系数、风电渗透率和系统不平衡功率的影响。考虑到风机参与系统调频的要求，转速无论怎样变化，最终要保证能够自行稳定并不触发保护下限值。

s2.2：调频参数约束

为了使风机能够有效利用旋转动能响应系统频率变化，且在调频过程中保持自身运行的稳定性，有必要对虚拟惯量参数的取值进行约束。因此，风机的稳态转速应大于0.7p.u.，即风机稳态转速偏差量小于初始转速与最低转速的差值，约束条件如下式：

δωr∞<ω0-0.7(15)

通过求解上述不等式即可获得kp的取值范围。值得一提的是，相对于其他可通过离线计算获得的参数，系统功率不平衡量δpl无法通过离线的方式获取，具有不确定性。所以下面对δpl的在线计算方法进行介绍。

根据系统的转子运动方程可得：

需要注意的是，由于在扰动发生后，系统中的涡轮机、调速器、旋转储备、负载等开始响应频率的动态变化，因此需要在扰动发生后的瞬间测量系统的频率变化率，即t＝0⁺s时，以保证估计结果的准确性。

利用准确测量的发电机频率及其变化率(斜率)，以及预先已知的惯性常数(惯性常数可以通过实验确定)，可以在扰动发生后通过在线的方式获取系统功率不平衡量δpl。为了获得更可靠的估计值，使用高通滤波器滤除信号中的噪声和随机干扰。

定性分析式(15)可知，系统的功率不平衡量越大，调频参数kp的取值应越小。扰动越大，则系统的频率偏差也会相应增大，虚拟惯量控制中的kp*δf项增大，容易导致风机过度响应而失稳。因此，需要根据扰动的大小对调频参数kp的取值做出限制。考虑到系统的实际可能发生的故障，本实施例以δpl＝-0.1为例求解不同风速下调频参数约束。

表1：系统关键参数。

本实施例选取典型的系统参数，对式(15)的不等式约束进行求解，具体参数如表1所示。δf项在计算过程中使用的是有名值，所以最终的参数取值应进行标幺化，除以fn。通过仿真计算，得到风速与kp取值约束的对应关系曲线，如图5所示。

根据图5的计算结果，当系统出现频率跌落时，双馈风机根据测得的风速数据和系统的功率不平衡量对调频参数kp的值进行限制，使机组能够有效利用存储的旋转动能响应系统频率的动态变化，并保证自身运行的稳定性。值得一提的是，在经过调频参数整定后，双馈风机在调频结束时运行在一个新的稳态点且不触发保护下限，因此机组无需进行转速恢复，有效避免了传统定系数虚拟惯量控制引发的频率二次跌落事故。

综上所述，本实施例所提控制策略如图6所示。图中，vw为风速数据；fmea为频率的测量值，是系统不平衡功率估计的重要数据；ωr为风机的实时转速。当系统发生大功率扰动时，频率开始下降，静态转速保护模块迅速测量系统的初始频率变化率，在线评估功率不平衡量δpl的大小，并将风速信息和δpl输入离线得到的kp取值约束表，从而确定合理的虚拟惯量参数。双馈风机采用本实施例提出的控制策略，合理释放旋转动能储备响应系统频率变化，并最终运行在一个新的稳态点，稳态转速大于0.7p.u.。所提控制策略考虑了系统和风机参数对调频过程的影响，根据功率不平衡量和风速确定调频参数kp，有效地调整风机调频时的出力。

s3：仿真分析

为验证以上策略的有效性，本实施例在digsilentpowerfactory中搭建了一个三机九节点的仿真系统模型，该模型包含10台额定功率为5mw的双馈风机和3台的同步机，其中同步机采用ieee标准调速系统。系统的初始负荷为315mw，在t＝10s时刻，系统的负荷突增为60mw，引起系统频率下降，此后，风机采用虚拟惯量控制方式参与系统的频率调节。为了全面考虑风机在调频过程中状态的变化，本实施例选取8m/s、9m/s的典型风速进行仿真，并将虚拟惯量控制的调频参数kp分别取为约束范围内的值和不在约束范围内的值，对比系统的频率响应和双馈风机的转子转速、系统频率以及风机的输出电磁功率和电磁功率与机械功率的差额随时间变化的曲线(后面称为功率不平衡量)。

图7描绘了处于低风速区间时，采用本实施例策略与传统定系数虚拟惯量控制策略的风机动态频率响应过程。采用本实施例策略时，根据调频参数约束得到kp取值，为0.4；与之相对，采用传统虚拟惯量控制时，kp取为调频参数约束范围外的值，为0.6。

在传统虚拟惯量控制下，由于调频参数不合适，导致风机在转速下降过程中触发了保护下限，退出调频并进行转速恢复，导致系统出现了频率的二次跌落。在本实施例策略下，风机能够有效利用存储的旋转动能参与调频，转速始终大于保护下限值，能够协助系统频率恢复。这是由于调频参数的取值综合考虑了风机和系统的频率响应特性，根据风速和扰动的大小合理设置参数kp。

图8描绘了处于中风速区间时，采用转速限值保护策略与传统定系数虚拟惯量控制策略的风机在调频过程中转子转速、系统频率、电磁功率的变化过程。根据调频参数约束，二者的kp取值分别设置为0.6和1。

可以看到，在调频初期，采用传统虚拟惯量控制的系统频率变化率更小，但在随后的过程中出系统频率发生了二次跌落，这是由于调频参数超出了约束范围，取值过大导致的。在静态转速保护控制策略下，风机合理的释放转子动能，并最终运行在一个新的稳定点，有效避免了过度响应造成的频率二次跌落。

综上，风机的本实施例策略能够根据风机和系统的频率响应特性对调频参数进行约束，维持了风机转子的稳定，并且有效地避免了风机过度响应引起的系统频率二次跌落。风机利用有限的转子动能，可靠地为系统提供惯量支撑，改善了系统扰动情况下的频率动态响应特性。

实施例2：

本公开实施例2提供了一种考虑风机和系统频率响应特性的调频参数确定系统，包括：

数据获取模块，被配置为：获取风机和电网系统的运行状态和参数数据；

稳态转速偏差计算模块，被配置为：对基于获取的数据构建的电网动态频率响应模型进行线性化处理，得到虚拟惯量控制下的风机稳态转速偏差量表达式；

调频参数确定模块，被配置为：以风机稳态转速偏差量小于初始转速与预设转速的差值为约束条件，求解风机稳态转速偏差量表达式得到虚拟惯量的调频参数范围。

所述系统的工作方法与实施例1提供的考虑风机和系统频率响应特性的调频参数确定方法相同，这里不再赘述。

实施例3：

本公开实施例3提供了一种介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开第一方面所述的考虑风机和系统频率响应特性的调频参数确定方法中的步骤，所述步骤为：

获取风机和电网系统的运行状态和参数数据；

对基于获取的数据构建的电网动态频率响应模型进行线性化处理，得到虚拟惯量控制下的风机稳态转速偏差量表达式；

以风机稳态转速偏差量小于初始转速与预设转速的差值为约束条件，求解风机稳态转速偏差量表达式得到虚拟惯量的调频参数范围。

详细步骤与实施例1与实施例1提供的考虑风机和系统频率响应特性的调频参数确定方法相同，这里不再赘述。

实施例4：

本公开实施例4提供了一种电子设备，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程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开第一方面所述的考虑风机和系统频率响应特性的调频参数确定方法中的步骤，所述步骤为：

获取风机和电网系统的运行状态和参数数据；

对基于获取的数据构建的电网动态频率响应模型进行线性化处理，得到虚拟惯量控制下的风机稳态转速偏差量表达式；

以风机稳态转速偏差量小于初始转速与预设转速的差值为约束条件，求解风机稳态转速偏差量表达式得到虚拟惯量的调频参数范围。

详细步骤与实施例1与实施例1提供的考虑风机和系统频率响应特性的调频参数确定方法相同，这里不再赘述。

本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-onlymemory，rom)或随机存储记忆体(randomaccessmemory，ram)等。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。