一种深远海风电一次调频通讯延时补偿控制方法与系统

本发明属于新能源电力系统稳定控制领域，具体涉及一种深远海风电一次调频通讯延时补偿控制方法与系统。

背景技术：

1、频率稳定是电力系统安全稳定运行的基本要求。风电机组配置一次调频控制能够提升风电机组的涉网性能，有效解决低惯量电源并网带来频率稳定风险。深远海风电离岸距离较远，海上风电机组与集控中心间的距离日趋增加，使得调频控制的通信时间显著增加，导致频率响应滞后时延较长，难以达到并网要求。

2、目前，大部分风电机组一次调频研究未能考虑通信延时的影响。将其应用于深远海风电有可能影响一次调频控制效果，并危及并网系统的稳定性和安全性。

技术实现思路

1、解决的技术问题：由于深远海风电场距离陆上集控中心较远，集控中心与海上风机通信常存在延时，使得频率量测信号存在时滞。鉴于现有技术存在的缺陷与不足，本发明公开了一种深远海风电一次调频通讯延时补偿控制方法与系统，针对深远海风电通信延时问题，研究通信延时对并网系统频率稳定的影响，分析系统的延时边界，同时，基于smith预估控制方法设计一次调频延时补偿控制策略，从而提高海上风电机组一次调频性能，提升海上风电并网系统的频率稳定性。

2、技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种深远海风电一次调频通讯延时补偿控制方法，其特征在于，所述补偿控制方法包括以下步骤：

4、s1：基于系统惯性中心，建立传统电力系统频率响应简化模型(sfr模型)；

5、s2：采用超速与变桨协同的减载策略，建立含一次调频的风力发电系统频率响应模型；

6、s3：将步骤s2中的风力发电系统频率响应模型与步骤s1中的传统电力系统频率响应简化模型结合，得到海上风电并网系统的频率响应模型；

7、s4：根据深远海风电一次调频量测信号的延时，用pade表达式对信号延时进行模拟，得到考虑通信延时的深远海风电并网系统频率响应模型；

8、s5：将深远海风电并网系统频率响应模型线性化，运用小干扰法分析通信延时对系统频率稳定的影响；

9、s6：针对通信延时导致的系统频率失稳问题，设计基于smith预估法的延时补偿控制策略。

10、进一步地，步骤s1中，基于系统惯性中心，建立传统电力系统频率响应简化模型的过程包括以下步骤：

11、以再热式汽轮发电机为对象，建立其调速器-原动机数学模型，同时忽略其中时间常数小于时间常数阈值的环节及限幅环节，将简化后的调速器-原动机模型与转子运动方程结合，建立传统电力系统的频率响应模型，具体为：

12、

13、式(1)中，hs和ds分别为同步发电机的惯性时间常数和阻尼系数，km为机械功率增益，fh为高压缸做功比例，tr为原动机的再热时间常数，r为调差系数，δfs为系统频率偏差量；δpw为同步发电机的功率不平衡量；δpd为功率扰动，s为拉普拉斯变换参数。

14、进一步地，步骤s2中，采用超速与变桨协同的减载策略，建立含一次调频的风力发电系统频率响应模型的过程包括以下步骤：

15、s21，根据不同风速条件给出的不同风速下风电机组的减载功率pdel，建立含一次调频的风力发电系统频率响应模型，具体地：

16、风电机组运行在低风速区域时，采用转子超速控制方式进行减载控制，桨距角β＝0；风电机组动态行为描述为：

17、

18、式(2)中，pw.m和pw.e分别为风电机组的机械功率和电功率；hw和sw分别为风电机组的惯量和视在功率；vw为风速，ρ为空气密度，r为叶片半径，cp为风能利用系数，λ为叶尖速比，ωr为转子转速；pdel_1为低风速机组减载后功率；d％为减载率；pmppt为运行于最大功率跟踪的输出功率；kdel为减载系数；

19、风电机组运行在中风速区域时，采用超速与变桨协同控制进行减载，其中桨距角数学模型为：

20、

21、式(3)中，β为桨距角；ωr.ref为转子转速参考值；kpβ和kiβ分别为桨距角控制器比例积分系数；tβ为矫正器的时间常数；xβ为中间变量；

22、减载后风电机组的功率为：

23、

24、式(4)中，pdel_m为中风速机组减载后功率；ωr.max为转速最大值；ωr.mppt为对应风速下的转子转速；p(ωr.max，vw)为风速vw且转子转速为ωr.max时风电机组的功率；

25、参考转速为：

26、

27、风电机组运行在高风速区域时，风电机组转速达到最大值，减载后风电机组的功率表示为：

28、pdel_h＝te0ωr，ωr.ref＝ωr.max      (6)；

29、式(6)中，te0＝pdel/ωr.max；

30、一次调频控制包括附加惯量控制和下垂控制，附加惯量控制采用频率变化率作为输入，下垂控制采用频率变化量作为输入；一次调频控制获得的附加功率δpa表示为：

31、

32、式(7)中，δf＝fs-fn为系统频率偏差，fs和fn分别为系统频率和额定频率，kd为虚拟惯量时间常数，kp为下垂控制比例系数；

33、s22，将式(2)～式(7)联立，得到含一次调频的风力发电系统频率响应模型。

34、进一步地，步骤s4中，二阶pade近似表达式为：

35、

36、其中，τ为时滞；

37、根据深远海风电一次调频量测信号的延时，用二阶pade表达式对信号延时进行近似，得到考虑通信延时深远海风电并网系统频率响应模型：

38、

39、其中，fs(s)为系统频率的复频域表达；f′s(s)为考虑通信延时下系统频率的复频域表达。

40、进一步地，步骤s5中，将深远海风电并网系统频率响应模型线性化，运用小干扰法分析通信延时对系统频率稳定的影响的过程包括以下步骤：

41、s51，根据风电机组运行的风速区域，分别将式(2)～式(6)在运行点附近线性化，获得风电机组频率响应模型，具体为：

42、

43、式(10)中，δpw.h、δpw.m和δpw.l分别为高、中和低风速机组的功率偏差；a3h～a0h以及b3h～b0h分别为高风速机组传递函数分子分母各系数；a3m～a0m以及b3m～b0m分别为中风速机组传递函数分子分母各系数；a11～a01以及b11～b01分别为低风速机组传递函数分子分母各系数；δpw为风电机组的总功率偏差；μh、μm和μ1分别为高、中和低风速机组的功率占比，定义为：

44、

45、gw(s)为风电机组的频率响应简化模型，gs(s)为传统电力系统的频率响应简化模型，分别为：

46、

47、

48、dw和ds分别为海上风电额定容量pwn和同步发电机额定容量pgn的占比，定义为：

49、

50、将式(12)、式(13)与传统电力系统的频率响应简化模型结合，得到海上风电并网系统的频率响应线性化模型：

51、

52、采用式(15)计算深远海风电并网系统的极点，计算不同时滞参数下系统的极点值，根据极点值判断深远海风电并网系统的稳定性。

53、进一步地，步骤s6中，设计的基于smith预估法的延时补偿控制策略为：在传递函数gs(s)上串联补偿回路其中τd为延时预测值；

54、加入补偿回路后，深远海风电并网系统的传递函数变为：

55、

56、当τd＝τ时，传递函数分母不再含有延时项，特征方程变为1+gs(s)gw(s)＝0，深远海风电并网系统的稳定性与通信延时无关。

57、第二方面，本发明提供了一种深远海风电一次调频通讯延时补偿控制系统，所述补偿控制系统包括：

58、测量单元，用于测量海上风电并网系统的频率fs；

59、分析单元，用于建立含频率测量延时的深远海风电并网系统频率响应模型，并将深远海风电并网系统频率响应模型线性化，计算不同延时参数下系统频率响应模型的特征根，分析通信延时对系统频率稳定的影响；

60、设计单元，用于设计smith预估法的延时补偿控制策略，分析延时补偿控制回路对系统频率稳定提升的有效性；

61、仿真单元，用于基于电力系统分析综合程序构建含深远海风电的并网仿真系统，针对不同延时进行负荷扰动，仿真分析深远海风电并网系统频率受扰轨迹；并且针对配置smith预估法的延时补偿控制的风电并网系统，进一步仿真分析深远海风电并网系统频率受扰轨迹。

62、有益效果：

63、与现有未考虑通讯延时的风电相比，本发明提出的深远海风电一次调频通讯延时补偿控制方法与系统，能够提升深远海风电机组的一次调频性能，提高含深远海风电并网系统的频率稳定性，有益于深远海风电的开发和安全可靠运行。