考虑延时特性影响的风电调频下垂系数修正方法及系统

1.本发明属于风电调频控制技术领域，涉及一种考虑延时特性影响的风电调频下垂系数修正方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.为了应对全球气候变化和环境污染危机，风能、太阳能等清洁能源受到越来越多的关注。但由于新能源发电通过电力电子设备并网，导致其转子转速与电网频率解耦。随着新能源渗透率的提高，势必会减弱电网的频率安全性。为此，新能源参与电网的一次调频成为一种势在必行的选择。目前，国内外对风电机组参与电网频率控制已经展开了富有成效的研究，主要有利用转子动能和功率备用两种方式，其中，利用转子动能的风电机组运行在最大功率点追踪模式(maximum power point tracking，mppt)，经济性更好。同时，目前对风电机组参与电网调频的方式的研究大多集中于模拟同步机，主要包括虚拟惯量控制和下垂控制，其中，虚拟惯量控制旨在模拟同步机的惯量响应，以频率变化率作为输入信号；下垂控制旨在模拟同步机的一次调频，以频率偏差作为输入信号，两者结合又称为综合惯性控制。
4.然而，风电机组采用综合惯性控制参与电网调频本质上是快速功率响应，与同步机瞬时的惯量响应不同，其需要经过测频、通信、响应环节，存在一定延时。目前对风电机组功率响应延时特性的研究较少，延时特性对电网频率动态的影响机理尚不清晰。


技术实现要素：

5.本发明为了解决上述问题，提出了一种考虑延时特性影响的风电调频下垂系数修正方法及系统，本发明能够有效地提高系统频率最低点，使系统频率最低点与不考虑延时特性时一致。
6.根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
7.一种考虑延时特性影响的风电调频下垂系数修正方法，包括以下步骤：
8.建立考虑风电调频延时特性、以及转速恢复控制的系统频率响应模型，通过系统频率响应模型计算得到系统传递函数，并对其进行解析求解得到系统频率关键指标；
9.分析延时特性对电网频率动态的影响机理，确定各关键指标和延时的关系；
10.在确定关系结果的基础上，修正下垂控制系数，使系统频率最低点达到预设要求。
11.作为可选择的实施方式，建立考虑风电调频延时特性、以及转速恢复控制的系统频率响应模型的具体过程包括构建风电机组综合惯性控制结构，将风电调频功率响应的延时近似等效为一阶惯性环节，表示风机的有功响应；
12.对系统的参数进行折算，在经典系统频率响应模型基础上，加入风电机组的有功控制环节，风机在调频期间采用综合惯性控制，同时考虑风电渗透率水平及风电调频的延
时，得到最终的系统频率响应模型。
13.作为进一步的限定，构建风电机组综合惯性控制结构的具体过程包括：下垂控制环节、虚拟惯量控制环节和转速恢复控制环节，其中：
14.虚拟惯量控制环节的输出功率与系统频率变化率成正比，以模拟同步机的惯量响应；下垂控制环节的输出功率与系统频率偏差呈正比，以模拟同步机的一次调频；
15.风电机组正常运行在最大功率点跟踪模式，发生功率扰动时，采用综合惯性控制参与电网调频，响应功率与系统频率变化率与系统频率偏差成正比，调频期间将速度控制器闭锁；当风机退出调频后，风机在速度控制器的作用下将转子转速恢复至额定值，风机恢复至最大功率点跟踪运行模式。
16.作为可选择的实施方式，通过系统频率响应模型计算得到系统传递函数的过程中，假设功率突变量为阶跃扰动，表达系统频率响应。
17.作为可选择的实施方式，所述系统频率关键指标包括系统频率最低点、系统频率最大变化率及系统稳态频率偏差。
18.作为进一步的，利用拉普拉斯变换初值定理，计算系统频率最大变化率；
19.利用拉普拉斯变换终值定理，计算系统稳态频率偏差；
20.对系统频率响应模型进行降阶，对降阶后模型进行解析求解，重新表达频率响应，再进行拉普拉斯反变换，得到系统频率响应表达式时域解，令系统频率微分等于零，求得到达频率最低点的时间，以及系统频率最低点。
21.作为可选择的实施方式，确定各关键指标和延时的关系的结果包括系统最大频率变化率与延时大小无关；
22.系统稳态频率偏差与延时大小无关；
23.系统频率最低点会随着延时的增大而减小。
24.作为可选择的实施方式，修正下垂控制系数的具体过程包括计算不考虑延时特性时系统频率最低点，计算不考风电调频虑延时特性时系统频率最低点，令两者相等，进而求得与不考虑延时特性时系统频率最低点相等的修正下垂系数；
25.根据修正下垂系数进行下垂控制系数的修正，实现调频。
26.一种考虑延时特性影响的风电调频下垂系数修正系统，包括：
27.系统频率关键指标计算模块，被配置为建立考虑风电调频延时特性、以及转速恢复控制的系统频率响应模型，通过系统频率响应模型计算得到系统传递函数，并对其进行解析求解得到系统频率关键指标；
28.影响分析模块，被配置为分析延时特性对电网频率动态的影响机理，确定各关键指标和延时的关系；
29.修正控制模块，被配置为在确定关系结果的基础上，修正下垂控制系数，使系统频率最低点达到预设要求。
30.一种控制设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的方法中的步骤。
31.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
32.本发明的下垂控制系数修正方法首先通过考虑风电调频延时特性的系统频率响
应模型，确定系统频率关键指标，然后分析延时特性对电网频率动态的影响机理，确定各指标受延时的影响，得到得到系统最大频率变化率及稳态频率偏差与延时大小无关，而系统频率最低点随着延时的增大而减小的结论，根据此结论，修正下垂控制系数能够有效的提高系统频率最低点，使其余不考虑延时特性时系统频率最低点一致。
附图说明
33.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
34.图1是本实施例的风电机组综合惯性控制结构；
35.图2是本实施例的风机调频有功响应原理图；
36.图3是本实施例的风机参与电网调频的扩展sfr模型；
37.图4是本实施例的风电机组延时特性对系统频率动态影响；
38.图5是本实施例的虚拟惯量功率响应；
39.图6是本实施例的调频期间风电机组有功响应；
40.图7是本实施例的下垂控制系数修正策略；
41.图8是本实施例的不同延时大小时系统频率动态；
42.图9是本实施例的不同延时大小时系统频率微分；
43.图10是本实施例的不同情况下系统频率动态；
44.图11是本实施例的不同情况下同步机响应功率；
45.图12是本实施例的不同情况下风电机组响应功率；
46.图13是本实施例的修正下垂控制系数实现方法示意图。
具体实施方式
47.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
48.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
49.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发明的示例性实施方式。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。
50.实施例一
51.本实施例提供了一种考虑延时特性影响的风电调频下垂系数修正方法首先建立了考虑风电调频延时特性的系统频率响应模型(system frequency response，sfr)，然后，通过sfr模型得到系统传递函数，并对其进行解析求解得到系统频率关键指标；进一步，通过表达式分析延时特性对电网频率动态的影响机理，并得到系统最大频率变化率及稳态频率偏差与延时大小无关，而系统频率最低点随着延时的增大而减小的结论；在此基础上，以系统频率最低点为指标，修正下垂控制系数，使系统频率最低点达到预期效果。
52.下面进行详细介绍：
53.首先是风电调频延时特性分析建模。
54.(1)风电调频延时特性建模分析
55.目前，对风电机组参与电网频率控制方式的研究主要在于模拟同步机，主要包括虚拟惯量控制与下垂控制，综合惯性控制是两者的结合，表达式如式(1)所示，控制结构框图如图1所示。其中，虚拟惯量控制输出功率与系统频率变化率成正比，旨在模拟同步机的惯量响应；下垂控制输出功率与系统频率偏差呈正比，旨在模拟同步机的一次调频。
[0056][0057]
式中，δpf为风电机组调频期间响应功率，kd为虚拟惯量控制系数，k
p
为下垂控制系数。
[0058]
风电机组正常运行在mppt模式，发生功率扰动时，采用综合惯性控制参与电网调频，响应功率与系统频率变化率与系统频率偏差成正比，调频期间将速度控制器闭锁。当风机退出调频后，风机在速度控制器的作用下将转子转速恢复至额定值，风机恢复至mppt运行模式。
[0059]
图中，p
wind
为风电机组输出功率；δp1为下垂控制响应功率，δp2为虚拟惯量控制响应功率，δpf是风电机组调频期间响应功率，δpf＝δp1+δp2；p
mppt
为风机正常运行在mppt模式时输出功率，ωr为转子转速；δp
ω
为转速控制器响应功率，k
ωp
为速度控制器比例系数，k
ωi
为速度控制器积分系数；f0为系统额定频率；t1、t2分别为高通滤波器和低通滤波器的时间常数。
[0060]
然而，风机采用综合惯性控制参与电网调频本质上是带有一定的延时的功率响应，考虑虚拟惯量延时特性时，调频期间风电机组有功响应原理图如图2所示。相比于系统功率过剩，功率缺额的情况是更加危险的，因此本实施例只讨论系统出现功率缺额进而导致频率下降的情况。假设风电机组初始出力为p0，转速为ω0，采用综合惯性控制参与电网调频，有功响应延迟时间为td。假设系统在a时刻发生扰动，经延时td到达b点风电机组开始响应系统频率变化，此时转子转速ω(t)减小，释放转子动能，向电网输出功率pw(t)增大，同时由于转速减小风电机组偏离最佳转速，使风能利用系数减小，机械功率pm(t)减小。调频期间风电机组向电网输出功率pw(t)变化为实线a-b-c-d-e-f所示，风电机组自身机械功率pm(t)变化为虚线a-b-e-f所示，风电机组自身转速变化为点划线g-h-i-j所示。
[0061]
本实施例为了简化分析，将风电调频功率响应的延时近似等效为一阶惯性环节，此时风机的有功响应表达式为：
[0062][0063]
式中，δpf为风机实际输出的调频功率，δp
f0
为风机理论输出的调频功率，td为风机有功控制环节延时的等效时间常数。
[0064]
(2)考虑风电调频延时特性时sfr模型
[0065]
由于风电机组转子转速与电网频率解耦，在并网运行时不具备传统同步机组提供惯量响应的能力，随着风电机组渗透率增高，势必会降低电网惯量水平。因此需要对原系统的参数进行折算。定义风电渗透率水平α为风电机组实际出力占电网总容量的百分比，表达式为：
[0066][0067]
式中，α是风电渗透率水平，s
wind
是风电机组实际的发电容量，s
sync
是系统常规机组的发电容量。
[0068]
当风电机组使用综合惯性控制参与电网调频时，可将其认为是受控功率源，调频期间给电网提供附加功率控制。因此，本实施例采用图3所示的简化系统进行分析，在经典的sfr模型的基础上加入了风电机组的有功控制环节。
[0069]
基于扩展sfr模型可得系统传递函数为：
[0070][0071]
本实施例假设功率突变量δp
l
为阶跃扰动，故系统频率响应表达式为：
[0072][0073]
本部分建立了风电机组参与电网调频的sfr模型，并基于此得到了系统频率响应表达式，下一节将基于系统频率响应表达式，解析求解系统频率响应指标。
[0074]
(3)系统频率响应指标解析求解
[0075]
目前，评价系统频率动态的指标主要有：系统频率最低点δf
max
、系统频率最大变化率(df/dt)
max
及系统稳态频率偏差δf
set
，本部分将解析求解三个系统频率响应指标，为后续分析延时对电网频率动态的影响奠定基础。
[0076]
首先，由于系统频率最大变化率通常发生在扰动初始时刻，因此可借助拉普拉斯变换初值定理得到，有：
[0077][0078]
然后，系统稳态频率偏差可借助拉普拉斯变换终值定理得到，有：
[0079][0080]
最后，求解系统频率最低点，首先通过routh降阶法将原始传递函数g(s)近似为b(s)
[0081][0082]
式中：
[0083][0084][0085]
降阶系统频率响应表达式为：
[0086][0087]
进而可得降阶系统频率响应表达式时域解为：
[0088][0089]
式中：
[0090][0091]
令系统频率微分等于零，即可求得到达频率最低点的时间为tm，将tm代入式(10)所示系统频率响应表达式可得系统频率最低点为：
[0092][0093]
本部分通过拉普拉斯变换定理及模型降阶法解析求解得到系统频率响应指标表达式，下一节将基于表达式分析风电调频延时特性对电网频率动态的影响机理。
[0094]
下面介绍风电调频延时特性对频率动态的影响及系数修正方法。
[0095]
首先是风电调频延时特性对系统频率动态的影响机理。
[0096]
风电调频延时特性对系统频率最大变化率和系统稳态频率偏差的影响可通过对式(6)分析得到。通过式(6)可得，系统最大频率变化率与扰动大小、系统惯量及风电渗透率水平有关，与延时大小无关。同理可得，系统稳态频率偏差与延时大小无关。因此，系统最大频率变化率和系统稳态频率偏差均与风电调频延时特性无关。
[0097]
风电调频延时特性对系统最大频降的影响可通过对式(11)分析得到，首先，将表达式中无关变量赋典型值，如表1所示，在此基础上，分析得到系统频率最低点会随着延时的增大而减小，如图4所示。
[0098]
表1参数设置
[0099][0100]
进行风电机组延时特性对风机输出功率的影响的分析。
[0101]
首先求解不考虑延时特性时系统的频率响应表达式，令td＝0，此时系统模型为两阶，因此可以直接对其进行求解，对照式(8)，将传递函数中各项系数代入，即可求得不考虑延时特性时系统频率响应表达式为：
[0102][0103]
式中，下标“1”表示不考虑延时特性时系统各变量，变量与式(8)中一致。
[0104]
首先，不考虑风电调频延时特性时风电机组在调频期间使用综合惯性控制时有功响应为：
[0105]
δp(s)＝(αk
p
+αkds)δf(s)
ꢀꢀ
(13)
[0106]
经拉普拉斯反变换为时域形式：
[0107][0108]
式中，为调频期间风电机组下垂控制输出功率，为下垂控制输出功率。
[0109]
考虑风电调频延时特性时，风电机组在调频期间使用综合惯性控制时有功响应为：
[0110][0111]
由于式(14)所示为两个复函数乘积的形式，时域解需要对其卷积变换，有：
[0112][0113]
式中，为调频期间风电机组下垂控制有功响应，为下垂控制有功响应。
[0114]
经拉普拉斯变换得时域形式为：
[0115][0116]
式中，为调频期间风电机组下垂控制输出功率，为下垂控制输出功率。分别求虚拟惯量与下垂控制的有功响应，可得：
[0117][0118][0119]
将式(18)及式(19)中无关变量赋典型值，假定风电机组调频参数为kd＝10，k
p
＝
20,可得不同延时大小时风电机组在调频期间的有功响应如图5及图6所示，其中图5是虚拟惯量功率响应，图6是下垂控制功率响应。
[0120]
从图5中可以看出，当不考虑延时特性时，虚拟惯量控制在扰动初始时刻能分担扰动功率使输出功率突变，减小扰动大小，起到了惯量响应的作用。但是，在考虑延时特性时，虚拟惯量控制不能在发生扰动时分担扰动功率使输出功率突变，与同步机的惯量响应存在本质区别，仅起到了快速功率支撑的作用，与此同时，从图6中可以发现，对比虚拟惯量，下垂控制受延时的影响较小，在是否考虑延时特性时均能在频率最低点附近提供较强支撑。
[0121]
第三部分为基于系统频率最低点的系数修正方法
[0122]
由前文可知，系统频率最低点会随着风电调频的延时增大而减小，考虑到最大频降是评价系统频率稳定性的重要依据，关乎保护装置的动作门槛值；同时，在实际中下垂控制控制方式灵活，系统频率偏差信号测量具有更高精度；基于此，本部分提出了下垂控制系数修正方法，使考虑风电调频延时特性时系统频率最低点与不考虑延时特性时系统频率最低点相等。
[0123]
通过式(11得，不考虑延时特性时系统频率最低点为：
[0124][0125]
式中各变量与式(10)一致。
[0126]
不考虑风电调频延时特性时系统频率最低点如式(20)所示，因此，令式(11)等于式(20)，即：
[0127]
δf
max
＝δf
1max
ꢀꢀ
(21)
[0128]
可求得与不考虑延时特性时系统频率最低点相等的修正下垂系数。即：
[0129]kp2
＝p(k
d1
、k
p1
)
ꢀꢀ
(22)
[0130]
式中，k
p2
为考虑延时特性时修正之后的下垂控制系数，k
d1
、k
p1
为不考虑延时特性时风电调频控制参数。
[0131]
由于式(20)中包含有大量三角函数项及指数项，难以解析表达k
p2
与k
d1
、k
p1
的关系，因此，本实施例采用数值求解法，将式中与风电调频参数无关的变量赋典型值，如前文所述，得到与不考虑延时特性时系统频率最低点相等的修正下垂系数如图7所示。通过图7可得，通过增加一定下垂控制系数，可实现与不考虑延时特性时系统频率最低点相等的目的。
[0132]
具体实现方法如图13所示，如上面所述的，分别解析求解考虑延时和不考虑延时的频率最低点，基于系统频率最低点，得到与不考虑延时特性时相对应的修正下垂控制系数，实时修正下垂控制系数，取得与预期相符的调频效果。
[0133]
仿真验证：
[0134]
为了验证文中所提的风电调频延时特性对系统频率动态的影响机理及下垂系数修正方法的正确性，在matlab/simulink中搭建了图3所示的仿真模型，模型参数如表1所示。
[0135]
最后，风电调频延时对电网频率动态的影响验证
[0136]
首先，验证风电调频延时特性对系统频率动态的影响机理，取风电机组调频参数为虚拟惯量控制系数kd＝10、k
p
＝25，仿真结果如图8和图9所示。
[0137]
由图8可知，当不考虑风电调频延时特性时系统频率最低点最高，考虑延时特性时系统频率最低点随着延时增大而减小；系统稳态频率偏差与延时大小无关，无论是否存在延时，系统的稳态频率偏差均无影响。系统最大频率变化率发生在扰动初始时刻，在不考虑风电调频延时特性时，系统最大频率变化率较考虑延时特性时有所减小，这是因为虚拟惯量控制在扰动初始时刻分担扰动功率，减小了系统不平衡功率，从而减小了系统最大频率变化率；在考虑延时特性时，虚拟惯量控制失去了瞬时功率支撑能力，不能在扰动初始时刻分担扰动功率，此时系统最大频率变化率较无延时有所增大，同时考虑风电调频延时特性时，系统的最大频率变化率与延时大小无关，如图9所示。
[0138]
为验证文中所提下垂控制系数修正方法的有效性，本部分对比分析了三种情景下的系统频率动态及调频期间机组响应功率，仿真曲线如表2及图10-12所示。
[0139]
1)风电机组采用综合惯性控制，考虑风电调频延时特性
[0140]
2)风电机组采用综合惯性控制，不考虑风电调频延时特性
[0141]
3)风电机组采用综合惯性控制，考虑风电调频延时特性，下垂控制系数经文中所提方法修正。
[0142]
当频率扰动事件发生后，由于同步机一次调频时间常数较大，而风电机组时间常数较小，因此，扰动初期主要由风电机组提供功率支撑，如图11和图12所示。同时由图10和图12可知，在扰动初期，考虑风电调频延时特性时风电机组输出的有功功率较不考虑延时特性时较小，与此同时同步机输出功率相差较小，故此时系统的频率最低点有所降低；而经文中所提方法将下垂控制系数修正之后，能够增加风电机组在扰动初期输出的调频功率，因此，其能够有效地提高系统频率最低点，使系统频率最低点与不考虑延时特性时一致，达到了预期的调频效果，如图10所示。
[0143]
表2不同情景下系统频率最低点
[0144][0145]
实施例二
[0146]
一种考虑延时特性影响的风电调频下垂系数修正系统，包括：
[0147]
系统频率关键指标计算模块，被配置为建立考虑风电调频延时特性、以及转速恢复控制的系统频率响应模型，通过系统频率响应模型计算得到系统传递函数，并对其进行解析求解得到系统频率关键指标；
[0148]
影响分析模块，被配置为分析延时特性对电网频率动态的影响机理，确定各关键指标和延时的关系；
[0149]
修正控制模块，被配置为在确定关系结果的基础上，修正下垂控制系数，使系统频率最低点达到预设要求。
[0150]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明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、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0151]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、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。
[0152]
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。
[0153]
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。
[0154]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
[0155]
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。