一种海上风电柔直系统的频率控制方法与流程

本发明涉及海上风电柔直系统调频领域，尤其涉及一种海上风电柔直系统的频率控制方法。

背景技术：

1、为促进“双碳”目标的实现，大力发展风电等可再生能源已经成为必然要求。因陆地资源受到限制，为进一步提高风电接入规模，越来越多的学者开始研究海上风电，利用安装于远海区域的风电机组发电，再由具有高稳定性和强输送能力的柔性直流输电系统(voltage source converter based high voltage di rect current transmission，vsc-hvdc)进行传输。然而，风电机组因风速随机性导致的输出功率具有强波动性和不确定性，以及其经电力电子器件接入电网所带来的低惯量特性，使得海上风电柔直系统的频率稳定性受到严重威胁。为此，亟需研究相应频率控制策略予以改善。

2、由于风电场的能量占比较大，目前常用的海上风电柔直系统调频控制仍然以风电机组的虚拟惯量及下垂控制为主导。但由于风电机组自身调频存在的缺陷，即风电机组退出调频后需吸收电网能量以恢复最佳功率跟踪状态并且存在频率二次跌落问题严重威胁电网频率安全，可以考虑将其与vsc-hvdc的换流站侧控制相配合以有效提升系统的频率支撑能力，同时提高风电机组的运行稳定性。然而，目前有关风电机组与vsc-hvdc的协同调频研究还较少，且主要集中在系统频率下降初期，缺乏适应调频全阶段的调频优化控制研究。

技术实现思路

1、本发明提供了一种海上风电柔直系统的频率控制方法，实现风电机组自适应调频控制，提高风电机组调频能力，提高海上风电柔直系统整体的频率稳定性。

2、为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种海上风电柔直系统的频率控制方法，包括：

3、根据当前风速段和风电机组的减载运行要求，风电机组选择对应的运行方式，并根据风电机组的对应的运行方式，构建全风速段的风电机组自适应频率控制策略；其中，当前风速段通过对风速值进行分区得到；

4、根据全风速段的风电机组自适应频率控制策略，构建海上风电系统的统一结构模型，并根据统一结构模型，确定统一结构模型参数和实际频率控制参数之间的参数控制关系；

5、根据全风速段的风电机组自适应频率控制策略的特点，确定当前风速段的控制需求，并根据当前风速段的控制需求和参数控制关系，通过统一结构模型对风电机组的调频参数进行优化，获得风电机组的最优调频参数；

6、将风电机组的最优调频参数代入海上风电柔直系统的控制模型中，并根据当前风速段、频率偏差和频率偏差变化率，通过模糊控制实时调整海上风电柔直系统的调频参数，完成海上风电柔直系统的频率控制；其中，海上风电柔直系统的控制模型根据等效电容惯量控制原理，建立海上风电柔直系统的换流站网侧变流器的频率控制策略得到。

7、实施本发明实施例，根据当前风速段和风电机组的减载运行要求，风电机组选择对应的运行方式，并根据风电机组的对应的运行方式，构建全风速段的风电机组自适应频率控制策略；其中，当前风速段通过对风速值进行分区得到；根据全风速段的风电机组自适应频率控制策略，构建海上风电系统的统一结构模型，并根据统一结构模型，确定统一结构模型参数和实际频率控制参数之间的参数控制关系；根据全风速段的风电机组自适应频率控制策略的特点，确定当前风速段的控制需求，并根据当前风速段的控制需求和参数控制关系，通过统一结构模型对风电机组的调频参数进行优化，获得风电机组的最优调频参数；将风电机组的最优调频参数代入海上风电柔直系统的控制模型中，并根据当前风速段、频率偏差和频率偏差变化率，通过模糊控制实时调整海上风电柔直系统的调频参数，完成海上风电柔直系统的频率控制；其中，海上风电柔直系统的控制模型根据等效电容惯量控制原理，建立海上风电柔直系统的换流站网侧变流器的频率控制策略得到。构建适应全风速段的风电机组自适应频率控制策略的基础上，在不同风速下采用不同优化目标对风电机组的调频参数进行优化，以最大程度提升风电机组自身的调频效果。基于海上风电系统的统一结构模型对不同的调频参数进行优化，从而确保不同风速下均能在保证风电机组自身稳定性的基础上提高其调频能力。基于等效电容惯量控制原理构建柔直系统换流站侧的频率控制策略，基于模糊控制提出vsc-hvdc的调频策略，并利用模糊控制对其调频参数进行优化，使其在不同风速段均能与风电机组的调频控制相配合，使柔直系统的频率控制模块可以与风电机组的频率控制模块相协调，弥补风电机组自身存在的调频弊端，提高海上风电柔直系统整体的频率稳定性。

8、作为优选方案，当前风速段通过对风速值进行分区得到，具体为：

9、若风速值满足第一预设风速条件，则划定当前风速段为中低风速段；其中，第一预设风速条件为风速值大于切入风速，且小于额定风速；

10、若风速值满足第二预设风速条件，则划定当前风速段为高风速段；第二预设风速条件为风速值不小于额定风速，且小于切除风速。

11、作为优选方案，根据当前风速段和风电机组的减载运行要求，风电机组选择对应的运行方式，具体为：

12、根据减载运行原理，若当前风速段处于中低风速段，则通过超速法进行减载运行；若当前风速段处于高风速段，则通过变桨法进行减载运行；

13、其中，减载运行原理，具体为：

14、

15、其中，pl为风力机的机械功率；ρ为空气密度；r为风轮半径；ωr为机组转速；β为桨距角值；cpl为减载运行时的风能利用系数，cpmax为最大功率跟踪运行状态时的风能利用系数；λ为叶尖速比；λi为中间量；d为减载水平；v为风速。

16、作为优选方案，根据风电机组的对应的运行方式，构建全风速段的风电机组自适应频率控制策略，具体为：

17、根据减载运行原理，计算机组转速和桨距角值，并将机组转速和桨距角值，分别作为调频控制中机组转速初始值和桨距角初始值；其中，调频控制包括转子动能控制和桨距角控制；

18、若当前风速段处于中低风速段时，则设置第一开关和第二开关为第一状态，启动转子动能控制，通过转子动能控制调节风电机组的输出功率，使风电机组参与调频；

19、若当前风速段处于高风速段时，则设置第一开关和第二开关为第二状态，启动桨距角控制，通过桨距角控制调节风电机组的输出功率，使风电机组参与调频。

20、作为优选方案，通过转子动能控制调节风电机组的输出功率，具体为：

21、根据第一功频率特性传递函数，根据频率偏差通过pd控制器转换为附加功率指令，根据附加功率指令，机组转速进行释放或吸收功率，改变风电机组的输出功率，并在预设时间后退出转子动能控制；

22、其中，第一功频率特性传递函数，具体为：

23、

24、其中，g1(s)为第一功频率特性传递函数，δp1为转子动能控制的功率变化量，δf为频率偏差，kωp为转子动能控制的比例系数，kωd为转子动能控制的微分系数，τc为变流器的响应时间常数。

25、作为优选方案，通过桨距角控制调节风电机组的输出功率，具体为：

26、根据第二功频率特性传递函数，根据频率偏差通过pi控制器获得附加桨距角指令，根据附加桨距角指令，机组转速进行释放或吸收功率，改变风电机组的输出功率；

27、其中，第二功频率特性传递函数，具体为：

28、

29、其中，g2(s)为第二功频率特性传递函数，δp2为桨距角值控制的功率变化量，δf为频率偏差，kβp为桨距角值控制的比例系数，kβi为桨距角值控制的积分系数，τβ为桨距角值的响应时间常数。

30、作为优选方案，根据统一结构模型，确定统一结构模型参数和实际频率控制参数之间的参数控制关系，具体为：

31、统一结构模型，表达式为：

32、

33、其中，g'(s)为统一结构模型，ju、du和ku分别为风电机组的等效惯量、阻尼系数和静态调差系数，t0为调差时间常数；

34、根据统一结构模型，将实际频率控制参数与统一结构模型参数之间的参数控制关系，转换参数逼近问题，以风电机组的实际发出功率与等效功率的差值最小为目标，通过最小二乘法来求解参数逼近问题，确定统一结构模型参数和实际频率控制参数之间的参数控制关系；

35、其中，实际频率控制参数包括转子动能控制的比例系数、转子动能控制的微分系数、桨距角控制的比例系数和桨距角控制的积分系数；统一结构模型参数包括风电机组的等效惯量、阻尼系数和静态调差系数；

36、其中，参数逼近问题，公式为

37、

38、其中，g(s)为实际有功频率特性的传递函数，δp为风电机组的实际发出功率，δp'为风电机组的等效功率，δf(s)为s域的频率偏差。

39、作为优选方案，根据当前风速段的控制需求和参数控制关系，通过统一结构模型对风电机组的调频参数进行优化，获得风电机组的最优调频参数，具体为：

40、若当前风速段处于中低风速段时，则以海上风电柔直系统的最大频率偏差最小为目标，频率二次跌落不大于频率一次跌落为约束，对统一结构模型参数进行优化，根据优化后的统一结构模型参数，将转子动能控制的比例系数和转子动能控制的微分系数通过参数控制关系进行转换，获得风电机组的最优调频参数；

41、若当前风速段处于高风速段时，则海上风电柔直系统的最大频率偏差和稳态频率偏差最小为目标，最大频率偏差不大于稳态频率偏差为约束，对统一结构模型参数进行优化，根据优化后的统一结构模型参数，将桨距角控制的比例系数和桨距角控制的积分系数通过参数控制关系进行转换，获得风电机组的最优调频参数。

42、作为优选方案，海上风电柔直系统的控制模型根据等效电容惯量控制原理，建立海上风电柔直系统的换流站网侧变流器的频率控制策略得到，具体为：

43、海上风电柔直系统的换流站网侧变流器通过等效电容惯量控制，根据直流电压的动态特性，在海上风电柔直系统的频率变化时改变直流电压，释放直流电容储能为海上风电柔直系统提供等效惯量，获得直流电压控制参考值，公式为：

44、

45、其中，udc_ref为直流电压控制参考值，c为直流侧电容，hvsc为直流电容虚拟惯量，svsc为海上风电柔直系统的额定功率，fn为频率额定值，udc0为直流电压初始值，δf为频率偏差；

46、根据预设直流电压运行的上下边界，通过pi控制对直流电压控制参考值的进行跟踪控制，得到海上风电柔直系统的控制模型。

47、作为优选方案，根据当前风速段、频率偏差和频率偏差变化率，通过模糊控制实时调整海上风电柔直系统的调频参数，具体为：

48、将频率偏差与频率偏差变化率输入二维模糊控制器，根据模糊控制规则，通过二维模糊控制器，输出海上风电柔直系统的调频参数变化量，根据海上风电柔直系统的调频参数变化量，对海上风电柔直系统的调频参数进行实时调整修正；

49、其中，模糊控制规则为：

50、若当前风速段处于中低风速段时，则在调频初期，海上风电柔直系统的调频参数选取第一预设小数值，在调频中后期，海上风电柔直系统的调频参数选取第一预设大数值。

51、若当前风速段处于高风速段时，则在调频初期，海上风电柔直系统的调频参数选取第二预设大数值，在调频中后期，海上风电柔直系统的调频参数选取第二预设小数值。