基于频率安全升降时间的风机虚拟惯量计算方法与终端与流程

1.本发明涉及风电并网发电系统控制技术领域，特别涉及基于频率安全升降时间的风机虚拟惯量计算方法与终端。


背景技术：

2.随着新能源发电装置大规模接入电网，传统同步机组的比重不断下降，大型风电机组渗透率的提高造成电力系统惯量水平下降的问题备受关注。风电高渗透电力系统中，给风电机组附加虚拟惯性控制虽然可以使风机在系统受到扰动后参与系统频率响应过程，但风电机组在系统频率响应过程中的所储存或释放的转子动能无法计算，风机所表现出的惯量大小无法计算。并且，不同风电渗透率下系统的频率响应过程也不同，对应的频率响应过程中的频率升降时间也不同。因此，如何计算出频率安全升降过程中风机的虚拟惯量大小成为亟待解决的问题。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是：提供基于频率安全升降时间的风机虚拟惯量计算方法与终端，能够计算出频率安全升降过程中风机的虚拟惯量大小。
4.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
5.基于频率安全升降时间的风机虚拟惯量计算方法，包括步骤：
6.s1、建立风电并网系统的频率升降时间计算模型，并根据系统安全频率阈值计算频率安全升降时间；
7.s2、根据虚拟惯量定义、所述频率安全升降时间以及所述频率安全升降时间内风机的转速变化量，计算出风机在频率安全升降时间内的虚拟惯量大小。
8.为了解决上述技术问题，本发明采用的另一种技术方案为：
9.基于频率安全升降时间的风机虚拟惯量计算终端，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
10.s1、建立风电并网系统的频率升降时间计算模型，并根据系统安全频率阈值计算频率安全升降时间；
11.s2、根据虚拟惯量定义、所述频率安全升降时间以及所述频率安全升降时间内风机的转速变化量，计算出风机在频率安全升降时间内的虚拟惯量大小。
12.本发明的有益效果在于：本发明在系统发生负荷扰动而导致频率变化时，通过建立风机并网系统的频率升降时间计算模型，计算出系统频率响应过程中频率安全升降时间，并根据频率安全升降时间内风机转速的变化量，计算出风机虚拟惯量大小，对风机虚拟惯量的大小实现量化计算，能够得到风机在进行惯性响应时的准确出力。
附图说明
13.图1为本发明实施例的基于频率安全升降时间的风机虚拟惯量计算方法的流程图；
14.图2为本发明实施例的基于频率安全升降时间的风机虚拟惯量计算终端的机构图；
15.图3为本发明实施例的基于频率安全升降时间的风机虚拟惯量计算方法的不同风电渗透率下频率响应曲线示意图；
16.图4为本发明实施例的基于频率安全升降时间的风机虚拟惯量计算方法的风电机组的转速和风速的关系示意图；
17.图5为本发明实施例的基于频率安全升降时间的风机虚拟惯量计算方法的三机系统仿真拓扑结构图；
18.图6为本发明实施例的基于频率安全升降时间的风机虚拟惯量计算方法的不同风电渗透率下频率响应曲线仿真结果示意图；
19.图7为本发明实施例的基于频率安全升降时间的风机虚拟惯量计算方法的风机进行惯性响应时系统频率变化与时间的关系曲线示意图；
20.图8为本发明实施例的基于频率安全升降时间的风机虚拟惯量计算方法的风机进行惯性响应时转速变化与时间的关系曲线示意图；
21.图9为本发明实施例的基于频率安全升降时间的风机虚拟惯量计算方法的风电并网系统频率升降时间计算模型传递函数框图。
22.标号说明：
23.1、基于频率安全升降时间的风机虚拟惯量计算终端；2、处理器；3、存储器。
具体实施方式
24.为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
25.请参照图1，基于频率安全升降时间的风机虚拟惯量计算方法，包括步骤：
26.s1、建立风电并网系统的频率升降时间计算模型，并根据系统安全频率阈值计算频率安全升降时间；
27.s2、根据虚拟惯量定义、所述频率安全升降时间以及所述频率安全升降时间内风机的转速变化量，计算出风机在频率安全升降时间内的虚拟惯量大小。
28.从上述描述可知，本发明的有益效果在于：本发明的基于频率安全升降时间的风机虚拟惯量计算方法，在系统发生负荷扰动而导致频率变化时，通过建立风机并网系统的频率升降时间计算模型，计算出系统频率响应过程中频率安全升降时间，并根据频率安全升降时间内风机转速的变化量，计算出风机虚拟惯量大小，对风机虚拟惯量的大小实现量化计算，能够得到风机在进行惯性响应时的准确出力。
29.进一步地，所述步骤s1中所述频率升降时间计算模型具体为：
30.在系统出现负荷扰动时，系统中的发电机响应负荷变化，考虑负荷响应以及发电机的惯性响应和一次调频，系统频率变化可表示为：
[0031][0032]
系统频率响应动态方程为：
[0033][0034]
风机的输出功率取决于风速，在风速无波动的情况下，风机输出功率无变化，因此不考虑风电机组的功率变化，将所述系统频率响应动态方程整理化简可得频率偏差δf与时间t的关系式：
[0035][0036]
其中，ks为系统功率调节系数，ks＝kg+k
l
，假设在t＝0时刻系统出现负荷扰动，则初始条件为：
[0037][0038]
则δf的解析解为：
[0039][0040]
式中：
[0041][0042]
其中，t
sys
为系统惯性时间常数(单位s)，δf(t)为系统频率升降过程中的频率偏差，kg为发电机一次调频功率调节系数，kg＝1/r，r为发电机调差系数，k
l
为系统负荷调节系数，kw为风电机组功率调节系数，tg为发电机一次调频响应系数，δpd为系统等效负荷扰动，δp
l
为负荷功率调节量，δpg为发电机机械功率变化量，δpw为风机功率变化量，δp0为系统初始负荷扰动；
[0043]
所述根据系统安全频率阈值计算频率安全升降时间具体为：
[0044]
将所述系统安全频率阈值代入δf，计算得到频率安全升降时间。
[0045]
由上述描述可知，建立系统频率升降过程中的频率偏差与时间的关系式，通过将频率安全阈值代入频率偏差，从而计算得到频率安全升降时间。
[0046]
进一步地，其特征在于，所述步骤s2具体为：
[0047]
根据虚拟惯量定义、所述频率安全升降时间以及所述频率安全升降时间内风机的转速变化量，风机的虚拟惯量的计算具体为:
[0048][0049]
其中，ts为频率安全升降时间，v为t0时刻风速，jw为风机固有转动惯量，ωr(v)为风机t0时刻转速，δωe为频率升降至安全阈值时系统同步转速变化量，ωe为系统同步转速，δωr(ts)为频率安全升降时间内风机转速的变化量，v
min
、v
ωs
、vn、v
max
分别表示切入风速、恒转速区风速下限、额定风速、切出风速，λ
opt
为叶尖速比，r为风轮半径，v为t0时刻风速，ωr(v)表示t0时刻风机转速，ts表示频率安全升降时间，ωr(ts)为风机在ts时刻对应的实时转速，ω
max
为风机并网最高转速。
[0050]
由上述描述可知，根据上述公式，能够有效计算出风机在频率安全升降时间内的虚拟惯量。
[0051]
进一步地，所述步骤s2之后还包括步骤：
[0052]
s3、根据所述虚拟惯量计算风机的虚拟惯性时间常数：
[0053][0054]
其中，e
kw
为风机转子动能，sw为风机容量，p为风力发电机极对数，ωe为系统中同步机的转速。
[0055]
由上述描述可知，当前，电力系统常用惯性时间常数h来表征系统惯量大小，因此在计算出风机虚拟惯量j
vir
后需根据j
vir
计算风机的虚拟惯性时间常数h
vir
来表征风机惯量大小，其反应了风机在系统频率变化时阻碍频率变化的能力，h
vir
越大，其阻碍频率变化的能力越强。
[0056]
进一步地，系统惯性时间常数t
sys
的取值范围为5-15s，系统负荷调节系数k
l
的取值范围为0-2，发电机调差系数r的取值范围为0.04-0.1，发电机一次调频响应系数tg的取值范围为0-3，系统初始负荷扰动δp0的取值为0-10％。
[0057]
由上述描述可知，部分参数的取值范围如上作为本发明的一种具体实施例。
[0058]
请参照图2，基于频率安全升降时间的风机虚拟惯量计算终端，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
[0059]
s1、建立风电并网系统的频率升降时间计算模型，并根据系统安全频率阈值计算频率安全升降时间；
[0060]
s2、根据虚拟惯量定义、所述频率安全升降时间以及所述频率安全升降时间内风
机的转速变化量，计算出风机在频率安全升降时间内的虚拟惯量大小。
[0061]
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：本发明在系统发生负荷扰动而导致频率变化时，通过建立风机并网系统的频率升降时间计算模型，计算出系统频率响应过程中频率安全升降时间，并根据频率安全升降时间内风机转速的变化量，计算出风机虚拟惯量大小，对风机虚拟惯量的大小实现量化计算，能够得到风机在进行惯性响应时的准确出力。
[0062]
进一步地，所述步骤s1中所述频率升降时间计算模型具体为：
[0063]
在系统出现负荷扰动时，系统中的发电机响应负荷变化，考虑负荷响应以及发电机的惯性响应和一次调频，系统频率变化可表示为：
[0064][0065]
系统频率响应动态方程为：
[0066][0067]
风机的输出功率取决于风速，在风速无波动的情况下，风机输出功率无变化，因此不考虑风电机组的功率变化，将所述系统频率响应动态方程整理化简可得频率偏差δf与时间t的关系式：
[0068][0069]
其中，ks为系统功率调节系数，ks＝kg+k
l
，假设在t＝0时刻系统出现负荷扰动，则初始条件为：
[0070][0071]
则δf的解析解为：
[0072][0073]
式中：
[0074][0075]
其中，t
sys
为系统惯性时间常数(单位s)，δf(t)为系统频率升降过程中的频率偏差，kg为发电机一次调频功率调节系数，kg＝1/r，r为发电机调差系数，k
l
为系统负荷调节系数，kw为风电机组功率调节系数，tg为发电机一次调频响应系数，δpd为系统等效负荷扰动，δp
l
为负荷功率调节量，δpg为发电机机械功率变化量，δpw为风机功率变化量，δp0为系
统初始负荷扰动；
[0076]
所述根据系统安全频率阈值计算频率安全升降时间具体为：
[0077]
将所述系统安全频率阈值代入δf，计算得到频率安全升降时间。
[0078]
由上述描述可知，建立系统频率升降过程中的频率偏差与时间的关系式，通过将频率安全阈值代入频率偏差，从而计算得到频率安全升降时间。
[0079]
进一步地，其特征在于，所述步骤s2具体为：
[0080]
根据虚拟惯量定义、所述频率安全升降时间以及所述频率安全升降时间内风机的转速变化量，风机的虚拟惯量的计算具体为:
[0081][0082]
其中，ts为频率安全升降时间，v为t0时刻风速，jw为风机固有转动惯量，ωr(v)为风机t0时刻转速，δωe为频率升降至安全阈值时系统同步转速变化量，ωe为系统同步转速，δωr(ts)为频率安全升降时间内风机转速的变化量，v
min
、v
ωs
、vn、v
max
分别表示切入风速、恒转速区风速下限、额定风速、切出风速，λ
opt
为叶尖速比，r为风轮半径，v为t0时刻风速，ωr(v)表示t0时刻风机转速，ts表示频率安全升降时间，ωr(ts)为风机在ts时刻对应的实时转速，ω
max
为风机并网最高转速。
[0083]
由上述描述可知，根据上述公式，能够有效计算出风机在频率安全升降时间内的虚拟惯量。
[0084]
进一步地，所述步骤s2之后还包括步骤：
[0085]
s3、根据所述虚拟惯量计算风机的虚拟惯性时间常数：
[0086][0087]
其中，e
kw
为风机转子动能，sw为风机容量，p为风力发电机极对数，ωe为系统中同步机的转速。
[0088]
由上述描述可知，当前，电力系统常用惯性时间常数h来表征系统惯量大小，因此在计算出风机虚拟惯量j
vir
后需根据j
vir
计算风机的虚拟惯性时间常数h
vir
来表征风机惯量大小，其反应了风机在系统频率变化时阻碍频率变化的能力，h
vir
越大，其阻碍频率变化的能力越强。
[0089]
进一步地，系统惯性时间常数t
sys
的取值范围为5-15s，系统负荷调节系数k
l
的取值范围为0-2，发电机调差系数r的取值范围为0.04-0.1，发电机一次调频响应系数tg的取
值范围为0-3，系统初始负荷扰动δp0的取值为0-10％。
[0090]
由上述描述可知，部分参数的取值范围如上作为本发明的一种具体实施例。
[0091]
本发明的基于频率安全升降时间的风机虚拟惯量计算方法，适用于电并网发电系统中向风机附加虚拟惯量控制的场景。
[0092]
请参照图1，本发明的实施例一为：
[0093]
基于频率安全升降时间的风机虚拟惯量计算方法，包括步骤：
[0094]
s1、建立风电并网系统的频率升降时间计算模型，并根据系统安全频率阈值计算频率安全升降时间；
[0095]
所述步骤s1中所述频率升降时间计算模型具体为：
[0096]
在系统出现负荷扰动时，系统中的发电机响应负荷变化，考虑负荷响应以及发电机的惯性响应和一次调频，系统频率变化可表示为：
[0097][0098]
系统频率响应动态方程为：
[0099][0100]
风机的输出功率取决于风速，在风速无波动的情况下，风机输出功率无变化，因此不考虑风电机组的功率变化，将所述系统频率响应动态方程整理化简可得频率偏差δf与时间t的关系式：
[0101][0102]
其中，ks为系统功率调节系数，ks＝kg+k
l
，假设在t＝0时刻系统出现负荷扰动，则初始条件为：
[0103][0104]
则δf的解析解为：
[0105][0106]
式中：
[0107][0108]
其中，t
sys
为系统惯性时间常数(单位s)，δf(t)为系统频率升降过程中的频率偏
差，kg为发电机一次调频功率调节系数，kg＝1/r，r为发电机调差系数，k
l
为系统负荷调节系数，kw为风电机组功率调节系数，tg为发电机一次调频响应系数，δpd为系统等效负荷扰动，δp
l
为负荷功率调节量，δpg为发电机机械功率变化量，δpw为风机功率变化量，δp0为系统初始负荷扰动；
[0109]
所述根据系统安全频率阈值计算频率安全升降时间具体为：
[0110]
将所述系统安全频率阈值代入δf，计算得到频率安全升降时间。
[0111]
s2、根据虚拟惯量定义、所述频率安全升降时间以及所述频率安全升降时间内风机的转速变化量，计算出风机在频率安全升降时间内的虚拟惯量大小；
[0112]
所述步骤s2具体为：
[0113]
根据风速和频率安全升降时间，风机在频率安全升降时间内的虚拟惯量为:
[0114][0115]
其中，ts为频率安全升降时间，v为t0时刻风速，jw为风机固有转动惯量，ωr(v)为风机t0时刻转速，δωe为频率升降至安全阈值时系统同步转速变化量，ωe为系统同步转速，δωr(ts)为频率安全升降时间内风机转速的变化量，v
min
、v
ωs
、vn、v
max
分别表示切入风速、恒转速区风速下限、额定风速、切出风速，λ
opt
为叶尖速比，r为风轮半径，v为t0时刻风速，ωr(v)表示t0时刻风机转速，ts表示频率安全升降时间，ωr(ts)为风机在ts时刻对应的实时转速，ω
max
为风机并网最高转速。各参数中，除频率安全升降时间外，其余各参数均为已知或可通过测量获取。
[0116]
s3、根据所述虚拟惯量计算风机的虚拟惯性时间常数：
[0117][0118]
其中，e
kw
为风机转子动能，sw为风机容量，p为风力发电机极对数，ωe为系统中同步机的转速。
[0119]
根据计算得到的风机在频率安全升降时间内的虚拟惯量大小或风机的虚拟惯性时间常数，对风机进行进一步的虚拟惯量控制。
[0120]
请参照图3、图4和图9，本发明的实施例二为：
[0121]
基于频率安全升降时间的风机虚拟惯量计算方法，包括以下步骤：
[0122]
步骤1：分析受到负荷扰动后的系统频率特性，建立风电并网系统的频率升降时间计算模型；
[0123]
步骤2：根据风电并网系统的频率升降时间计算模型得到频率升降至安全阈值所需的时间，即频率安全升降时间。
[0124]
步骤3：根据风机运行工况得到风机实时转速和风速的关系；
[0125]
步骤4：在频率升降时间段内，根据风机转速变化量以及风机的固有惯量，计算风机转子动能的变化量；
[0126]
步骤5：考虑风速，根据风机虚拟惯量定义，计算出风机在频率升降时间段内的虚拟惯量大小。
[0127]
风电并网系统的频率升降时间计算模型是由含同步发电机和风力发电机的多机系统通过参数聚合等值而成，可参照图9，可以在保证误差较小的情况下计算出风电并网系统在频率响应过程中的频率安全升降时间和暂态频率偏差极值。
[0128]
根据风电并网系统的频率升降时间计算模型得到频率升降至安全阈值所需的时间，具体包括：
[0129]
在系统出现负荷扰动时，系统中的发电机响应负荷变化，考虑负荷响应以及发电机的惯性响应和一次调频，系统频率变化可表示为：
[0130][0131]
式中，t
sys
为系统惯性时间常数(单位s)，δf(t)为系统频率升降过程中的频率偏差，k
l
为系统负荷调节系数，δp0为系统初始负荷扰动，δpg为发电机机械功率变化量，δpw为风机功率变化量。
[0132]
根据风电并网系统的频率升降时间计算模型，可得到系统的频率响应动态方程如下式所示：
[0133][0134]
式中，t
sys
为系统惯性时间常数，δf(t)为系统频率升降过程中的频率偏差，kg为发电机一次调频功率调节系数，kg＝1/r，r为发电机调差系数，k
l
为系统负荷调节系数，kw为风电机组功率调节系数，tg为发电机一次调频响应系数，δpd为系统等效负荷扰动，δp
l
为负荷功率调节量，δpg为发电机机械功率变化量，δpw为风机功率变化量，δp0为系统初始负荷扰动。
[0135]
风机的输出功率取决于风速，在风速无波动的情况下，风机输出功率无变化，因此不考虑风电机组的功率变化，将上式整理化简可得频率偏差δf与时间t的关系式如下式所示。
[0136][0137]
式中：ks为系统功率调节系数，ks＝kg+k
l
，假设在t＝0时刻系统出现负荷扰动，则
初始条件为：
[0138][0139]
联立上述两式得δf的解析解为：
[0140][0141]
式中：
[0142][0143]
上式即表征系统受到扰动后的频率升降过程中频率偏差与升降时间的关系。
[0144]
给定系统安全频率阈值为0.5hz，带入频率偏差的解析式则可求出频率在下降或上升至安全阈值所需的时间。
[0145]
由上式可以看出频率偏差δf为时间t的函数，δf对t进行求导，导数为0的时刻即为暂态频率偏差极值点所对应的时刻。计算可得暂态频率偏差极值点对应的时刻t
lim
和暂态频率偏差极值δf
lim
如式(7)所示。
[0146][0147][0148]
式中各参数取值如表1所示：
[0149]
表1风电并网系统的频率升降时间计算模型参数取值
[0150][0151]
随着风电渗透率的提高，系统惯性时间常数和等效调差系数等比例变化，系统的频率响应过程也随之变化。渗透率作为已知数，渗透率并没有直接参与计算，但是渗透率的大小会间接影响系统惯性时间常数hsys的大小。给定系统扰动为负荷突增10％，则根据式(6)和式(7)以及表1中的参数可得不同风电渗透率下系统频率响应过程中频率安全升降时间。
[0152]
图3表示的是不同风电渗透率下负荷突增时频率响应曲线，系统的惯性时间常数随着风电渗透率的提高等比例下降，系统等效调差系数随风电渗透率提高等比例上升。根据图3可知，风电渗透率的提高给系统频率响应过程带来的影响是系统频率跌落速度变快，暂态频率偏差极值变大。
[0153]
因此，风电渗透率的提高会影响系统的安全稳定运行的能力，风电机组需进行惯性响应来提高系统的惯量水平。
[0154]
风机的虚拟惯量大小取决于风机运行工况，风机运行工况主要取决于风速。图4表示了风机的转速和风速的关系，根据图4，风机转速和风速的关系如式(8)所示。
[0155][0156]
式中，v
min
、v
ωs
、vn、v
max
分别表示切入风速、恒转速区风速下限、额定风速、切出风速，λ
opt
为叶尖速比，r为风轮半径，v为实时风速，上式从上至下分别表示了最大功率跟踪区、恒转速区以及恒功率区的转速与风速的关系。其中，风机在恒转速区的转速f(v)可表示为：
[0157][0158]
式中，ω
min
、ωs和ω
max
分别为风机并网最低转速、恒转速区转速和最高转速，v
ωs
、vn分别表示恒转速区风速下限、额定风速。
[0159]
由步骤3可知变速风电机组的虚拟惯量大小取决于风机转速变化量大小，给风机附加虚拟惯性控制后，风机转速的最大变化量δω
max
如式(10)所示：
[0160][0161]
式中，ω
min
、ω
max
、ωr(v)分别为风机并网最低转速、最高转速、风机实时转速，δf为系统频率偏差。
[0162]
则风机的转速变化范围为0～δω
max
。从而可得风机转子动能变化量根据系统频率升降情况可表示成以下两种情况。
[0163]
(1)当系统频率下降时：
[0164]
当系统有功负荷增加，系统频率下降时，风机参与惯性响应的方式为通过释放转子动能增加有功输出来抑制频率跌落，风机转子转速需从初始值下降。
[0165]
在此基础上风机的最大转子动能变化量e
kwmax
如式(11)所示。
[0166][0167]
式中，v
min
、v
ω1
、v
ωs
、vn和v
max
分别表示切入风速、调频退出风速、恒转速区风速下限、额定风速和切出风速，λ
opt
为叶尖速比，r为风轮半径，v为实时风速，ω
min
、ωs、ω
max
分别为风机并网最低转速、恒转速区转速、最高转速，jw为风机固有转动惯量。
[0168]
当系统负荷突增，频率下降时，风机在转子转速大于安全运行的最小转速时可以进行惯性响应，转子减速，释放转子动能，提供功率支撑，风机所表现出的惯量大小取决于转速的下降量。根据上式可得风机可释放的转子动能范围为0～e
kwmax
。
[0169]
(2)当系统频率上升时：
[0170]
当系统有功负荷减小，系统频率上升时，风机参与惯性响应的方式为风机转子吸收功率转化为动能，转子转速上升，在此基础上风机转子可吸收的最大转子动能e
kwmax
如式(12)所示：
[0171][0172]
式中，v
min
、v
ωs
、vn分别表示切入风速、恒转速区风速下限、额定风速，λ
opt
为叶尖速比，r为风轮半径，v为实时风速，ω
min
、ωs、ω
max
分别为风机并网最低转速、恒转速区转速、最高转速，jw为风机固有转动惯量。
[0173]
当负荷突减，频率上升时，风机转子在转子转速达到最大值之前可进行惯性响应，吸收能量并转换为转子动能，直至转子转速达到最大。风机所表现出的惯量大小取决于转速的上升量。根据上式可得风机可吸收的转子动能范围为0～e
kwmax
。
[0174]
虑风速和频率安全升降时间时，风机虚拟惯量可表示为：
[0175][0176]
式中，ts为频率升降至安全阈值所对应的时间，v为实时风速，jw为风机固有转动惯量，ωr(v)为风机实时转速，δωe为频率升降至安全阈值时系统同步转速变化量，ωe为系统同步转速，δωr(ts)为频率安全升降时间内风机转速的变化量，其大小取决于风机实时转速ωr(v)和频率升降至安全阈值的时刻ts对应的转速ωr(ts)，可表示为：
[0177][0178]
式中，v
min
、v
ωs
、vn分别表示切入风速、恒转速区风速下限、额定风速，λ
opt
为叶尖速比，r为风轮半径，v为实时风速，ω
min
、ωs和ω
max
分别为风机并网最低转速、恒转速区转速和最高转速。
[0179]
给定频率安全阈值δfs为0.5hz，根据步骤(1)和步骤(2)计算出频率安全升降时间ts，从而得到风机在ts时刻对应的实时转速ωr(ts)，根据实时风速v得出风机转速大小ωr(v)，根据ωr(v)以及ωr(ts)可得出风机的转速的变化量δωr(ts)。将以上数据带入虚拟惯量j
vir
的表达式即可计算出在频率安全升降时间内风机的虚拟惯量。
[0180]
根据风机虚拟表示惯量的方式，风机的虚拟惯性时间常数可表示为：
[0181][0182]
式中，e
kw
为风机转子动能，sw为风机容量，p为风力发电机极对数，ωe为系统中同步机的转速。将j
vir
的计算结果带入即可计算出风机的虚拟惯性时间常数。
[0183]
本发明可以进一步计算风机的虚拟惯性时间常数，当前，电力系统常用惯性时间常数h来表征系统惯量大小，因此在评估出风机虚拟惯量j
vir
后需根据j
vir
计算风机的虚拟惯性时间常数h
vir
来表征风机惯量大小，其反应了风机在系统频率变化时阻碍频率变化的能力，h
vir
越大，其阻碍频率变化的能力越强。
[0184]
本发明计算出系统受到扰动后频率升降至安全阈值所需时间，然后根据时间和风
速评估该时间内的风机转速变化量大小，进而评估出风机的可用惯量大小，以此为风机附加惯量控制提供依据，使风机更好的通过释放或存储转子动能为系统提供惯量支撑。
[0185]
请参照图5至图8，本发明的实施例三为：
[0186]
基于频率安全升降时间的风机虚拟惯量计算方法，本实施例中将其应用于风电并网系统的仿真模型，一种高风电渗透电力系统，其三机系统仿真拓扑结构图如图5所示，包括等值同步发电机sg1、等值同步发电机sg2，由多台双馈风电机组并联而成的风电场、并网换流器、变压器t1、变压器t2、变压器t3和变压器t4、以及系统总负荷l。所述等值发电机sg1通过变压器t1连接至母线b4上，等值发电机sg2通过变压器t4连接至母线b4上，双馈风电机组通过所述并网换流器以及变压器t2和t3连接至母线b4上，系统负荷直接连接至母线b4上。在系统负荷发生变化时，所述双馈风电机组根据系统频率信号进行惯性响应，改变转子转速来改变有功输出。
[0187]
本实施例基于digsilent仿真平台搭建风电场并入的三机仿真系统，该仿真系统包括两个容量为900mva的同步发电机和一个600台
×
2mw的双馈风电机组dfig，风电机组初始渗透率为40％，风机并联台数可调，通过改变风机台数和同步发电机容量来改变风电机组渗透率。
[0188]
通过设置以下两种控制方案，控制方案1用来验证系统惯量大小对频率响应过程的影响，控制方案2用来验证本发明所提出的在频率安全升降时间内计算风机虚拟惯量方法的有效性。
[0189]
控制方案1：系统中的风电机组不参与惯性响应，改变风机并联台数和同步发电机容量来改变渗透率，通过观察频率响应过程验证本发明所提频率升降时间计算方法的正确性；
[0190]
控制方案2：系统中的风电机组参与惯性响应，在频率安全升降时间内控制转速升降，验证本发明所提的基于频率安全升降时间的风机虚拟惯量计算方法的正确性。
[0191]
设置一个在2s时刻发生的负荷突增10％的系统扰动。图6表示的是控制方案1系统的频率响应曲线。图7表示的是风机进行惯性响应时系统频率变化与时间的关系曲线。随着新能源渗透率提高，在风机不进行惯性响应时，风机始终保持最大功率输出状态，表现出零惯性，电力系统惯性时间常数减小，系统等效调差系数增大，导致系统在负荷突增时频率跌落速度变快，暂态频率偏差增大，但频率跌落到最低点的时间变化很小，仿真结果与计算结果接近，验证了本发明所提风电并网系统频率安全升降时间计算模型和计算方法的正确性。
[0192]
在控制方案2中，设置风机的渗透率为60％，根据实施例二步骤1建立的风电并网系统的频率计算模型计算得在10％的负荷扰动下，系统频率经2.03s升降至安全阈值0.5hz，给定风速为8m/s，此时风机运行在最大功率跟踪区，根据步骤3中风速和转速关系可计算出风机实时转速ωr(v)＝λ
optrt
/v＝1.06pu，根据步骤4，在负荷突增时频率下降时，风机参与惯性响应的方式为转速下降释放转子动能，由于系统的同步转速在频率安全升降时间下降了0.01pu，因此控制风机转速至少下降0.01pu，根据步骤5计算可得此时风机的虚拟惯量j
vir
为1.06jw，风机的虚拟惯性时间常数hw为4.24s。
[0193]
图8表示的是控制方案2中系统风机转速随时间变化的曲线，给风机附加虚拟惯性控制后，风机在系统受到扰动时进行惯性响应。给定风速为8m/s，由图8可知，风机的初始转
速为1.062pu，在频率安全升降时间内风机转速的变化量为0.0125pu，大于同步转速的下降量，根据式(13)可得风机所具有的虚拟转动惯量j
vir
为1.3275jw；根据式(14)可得风机的虚拟惯性时间常数hw为5.31s。仿真结果验证了所提基于频率安全升降时间的风机虚拟惯量计算方法的正确性。
[0194]
请参照图2，本发明的实施例四为：
[0195]
基于频率安全升降时间的风机虚拟惯量计算终端1，包括处理器2、存储器3以及存储在所述存储器3中并可在所述处理器2上运行的计算机程序，所述处理器2执行所述计算机程序时实现以上实施例一中的步骤。
[0196]
综上所述，本发明提供的基于频率安全升降时间的风机虚拟惯量计算方法，相比于传统方法，本发明在系统发生负荷扰动而导致频率变化时，通过建立风机并网系统频率升降时间计算模型，计算出系统频率响应过程中的频率安全升降时间。根据频率安全升降时间内风机转速的变化量计算出风机虚拟惯量大小。该方法可对风机虚拟惯量在频率安全升降时间内进行量化计算。本发明提供的基于频率安全升降时间的风机虚拟惯量计算方法，将风机虚拟惯量在频率时间内量化，通过计算频率安全升降时间内风机转速的变化量计算出风机虚拟惯量的大小，可得到风机在进行惯性响应时的准确出力。
[0197]
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。