專利名稱：雙饋變速風(fēng)電機(jī)組的附加頻率控制器參數(shù)整定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雙饋變速風(fēng)電機(jī)組的附加頻率控制器參數(shù)整定方法，屬于DFIG 穩(wěn)定控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
風(fēng)力發(fā)電作為技術(shù)最成熟、最具規(guī)模開發(fā)條件的新能源發(fā)電方式，在電網(wǎng)中所占的比例不斷增加。目前應(yīng)用最廣的為雙饋變速風(fēng)電機(jī)組，雙饋變速風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)頻率解耦，轉(zhuǎn)速可變范圍較大，通常運(yùn)行在最大功率跟蹤狀態(tài)(曹軍，王虹富，邱家駒.變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組頻率控制策略.電力系統(tǒng)自動化.2009，33 (13)，78-82.薛迎成，邰能靈，宋凱，等·變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)提供調(diào)頻備用容量研究·電力自動化設(shè)備.2010，30 (8) 75-80)，風(fēng)能利用效率最高，但DFIG在系統(tǒng)頻率發(fā)生變化時無法像常規(guī)發(fā)電機(jī)一樣做出響應(yīng)來減緩頻率變化，風(fēng)電場裝機(jī)容量越大越不利電網(wǎng)頻率穩(wěn)定。針對大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后的頻率控制問題國內(nèi)外學(xué)者做過相關(guān)研究，基本思想都與增強(qiáng)風(fēng)機(jī)輸出功率與系統(tǒng)頻率的耦合性有關(guān)，其中(Lalor G,Mullane A,O’Malley M. Frequency control and wind turbine technologies. IEEE transactions on power systems. 2005,20(4),1905-1913. M. Akbari, SeyedM. madani. Participation of DFIG based wind turbines in improving short term frequency regulation. Proceeding of ICEE 2010.11—13)為風(fēng)機(jī)添加了虛擬轉(zhuǎn)動慣量控制環(huán)節(jié)，即在頻率變化時，通過風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動能的改變來模擬與同步機(jī)類似的慣性常數(shù)和暫態(tài)頻率響應(yīng)特性，減緩了擾動下系統(tǒng)頻率的變化速率，但對改善擾動后系統(tǒng)頻率最低值作用不明顯；(Durga Gautan, Lalit Goet. Control strategy to mitigate the impact of reduced inertia due to doubly fed induction generation on large power systems. IEEE transactions on power systems. 2011,26(I),214-224. Gowaid I A, EI-Zawawi A, EI-Gammal M. Improved inertia and frequency support from grid-connected DFIG wind farms. Power Systems Conference and Exposition (PSCE) · 2011,1-9)為風(fēng)機(jī)添加一次調(diào)頻控制環(huán)節(jié)，改善了系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性，但未對不同風(fēng)速下附加控制的適應(yīng)性進(jìn)行分析；(Nayeem R, Torbjorn T, Daniel K. Temporary primary frequency control support by variable speed wind turbines—potential and applications. IEEE transactions on power systems. 2008,33(2) ,601-612)則進(jìn)一步研究了類似附加控制器在不同風(fēng)速下風(fēng)機(jī)為系統(tǒng)提供有功支撐所能持續(xù)的時間。與常規(guī)發(fā)電機(jī)一次調(diào)頻不同，風(fēng)機(jī)輸出功率調(diào)節(jié)過程中響應(yīng)迅速，但所能提供的功率支撐只能持續(xù)較短時間，且風(fēng)速不同時風(fēng)電機(jī)組參與系統(tǒng)調(diào)頻所能持續(xù)時間不同，在風(fēng)電機(jī)組參與系統(tǒng)調(diào)頻過程中應(yīng)根據(jù)風(fēng)速等變量對附加控制器參數(shù)做出調(diào)整以充分發(fā)揮風(fēng)機(jī)參與系統(tǒng)調(diào)頻能力。針對雙饋風(fēng)電機(jī)組參與系統(tǒng)一次調(diào)頻的研究較少，目前研究中已有的一次調(diào)頻控制器基本形式如圖I中虛線框內(nèi)部分所示，圖中fgHd為系統(tǒng)頻率，fref為系統(tǒng)額定頻率，I/ R為等效的一次調(diào)頻系數(shù)。電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性研究中的功率擾動通常設(shè)為電網(wǎng)失去最大的一臺發(fā)電機(jī)(電網(wǎng)中一次可發(fā)生的最大功率擾動，失去的發(fā)電機(jī)額定容量約為電網(wǎng)負(fù)荷總量的5% )，此場景下電網(wǎng)頻率如果滿足要求則其他大小的功率擾動下電網(wǎng)頻率也是安全的； 以往研究中風(fēng)速多采用固定風(fēng)速，且一般取高風(fēng)速，此時風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子初始轉(zhuǎn)速為最大值，參與系統(tǒng)一次調(diào)頻過程中可起到較好的效果；但當(dāng)風(fēng)速較低時，比如取切入風(fēng)速(風(fēng)機(jī)運(yùn)行的最低風(fēng)速，一般為5m/s)，風(fēng)機(jī)參與系統(tǒng)調(diào)頻過程中會因轉(zhuǎn)速下降過多而無法正常運(yùn)行。綜上,現(xiàn)有技術(shù)缺點(diǎn)為現(xiàn)有的雙饋風(fēng)電機(jī)組附加一次調(diào)頻控制器增益通常設(shè)為定值(Durga Gautan, Lalit Goet. Control strategy to mitigate the impact of reduced inertia due to doubly fed induction generation on large power systems. IEEE transactions on power systems. 2011,26(1)，214-224)，目前針對控制器設(shè)計的研究中只是針對特定的風(fēng)速進(jìn)行研究，并未考慮控制器在其他風(fēng)速下的適應(yīng)性。(James F. Conroy, Rick Waston. Frequency response capability of full converter wind turbine generators in comparison to conventional generation.IEEE transactions on power systems. 2008， 23(2) ,649-656)對風(fēng)機(jī)通過附加控制器參與系統(tǒng)調(diào)頻過程中風(fēng)電運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行了研究， 并指出附加控制器增益過大會導(dǎo)致風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于最低轉(zhuǎn)速而無法穩(wěn)定運(yùn)行，對于確定的增益，風(fēng)速較高時雖可起到較好的調(diào)頻效果，但當(dāng)風(fēng)速較低時(接近切入風(fēng)速)可能會導(dǎo)致風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降過多而無法穩(wěn)定運(yùn)行，以往的研究中未對控制器參數(shù)如何整定以提高其適應(yīng)性進(jìn)行研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為解決上述問題，提出一種雙饋變速風(fēng)電機(jī)組的附加頻率控制器參數(shù)整定方法，按照本發(fā)明提出的方法對風(fēng)機(jī)參與系統(tǒng)調(diào)頻過程中控制器參數(shù)進(jìn)行調(diào)整， 可在保證風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上充分發(fā)揮其對系統(tǒng)頻率的支撐作用，該方法作用下雙饋風(fēng)機(jī)附加頻率控制框圖如圖2所示，圖中db為頻率控制死區(qū)，死區(qū)內(nèi)附加頻率控制不起作用，可防止系統(tǒng)頻率小幅度波動時風(fēng)機(jī)附加控制器的頻繁動作。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種雙饋變速風(fēng)電機(jī)組的附加頻率控制器參數(shù)整定方法，它的過程為I)采集電網(wǎng)數(shù)據(jù)，求出電網(wǎng)的總的常規(guī)發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量、轉(zhuǎn)動慣量、一次調(diào)頻能力以及負(fù)荷總量特征參數(shù)，將系統(tǒng)簡化成兩機(jī)系統(tǒng)；2)以突增負(fù)荷的形式為系統(tǒng)設(shè)置功率擾動，擾動量為系統(tǒng)負(fù)荷總量的5%，通過大量的仿真計算，求出切入和切出風(fēng)速之間各整數(shù)風(fēng)速對應(yīng)的附加頻率控制器增益最優(yōu)值，由此形成控制器增益選擇的備選參數(shù)庫；3)步驟2)中已求出切入和切出風(fēng)速間各整數(shù)風(fēng)速對應(yīng)的控制器增益，實際中測得的風(fēng)速不一定為整數(shù)，并且測量值存在誤差，因此對測得的風(fēng)速采取向下取整的方式，然后從備選參數(shù)庫中查找對應(yīng)的控制器增益對控制器進(jìn)行設(shè)置。由于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)規(guī)模確定的情況下，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量和一次調(diào)頻能力都為定值，且電網(wǎng)頻率處處相等，轉(zhuǎn)動慣量和一次調(diào)頻能力相同的兩個電網(wǎng)在同樣大小的功率擾動作用下，系統(tǒng)頻率變化曲線相同，因此，在分析電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性時，可將電網(wǎng)等效為兩機(jī)系統(tǒng)，等效后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，一臺為常規(guī)發(fā)電機(jī)，一臺為風(fēng)電機(jī)組，系統(tǒng)頻率響應(yīng)的控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。
所述步驟2)中仿真過程為風(fēng)電機(jī)組輸入功率通過式(1)到式⑷求出
權(quán)利要求
1.一種雙饋變速風(fēng)電機(jī)組的附加頻率控制器參數(shù)整定方法，其特征是，它的過程為1)采集電網(wǎng)數(shù)據(jù)，求出電網(wǎng)的總的常規(guī)發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量、轉(zhuǎn)動慣量、一次調(diào)頻能力以及負(fù)荷總量特征參數(shù)，將系統(tǒng)簡化成兩機(jī)系統(tǒng)；2)以突增負(fù)荷的形式為系統(tǒng)設(shè)置功率擾動，擾動量為系統(tǒng)負(fù)荷總量的5%，通過大量的仿真計算，求出切入和切出風(fēng)速之間不同風(fēng)速對應(yīng)的附加頻率控制器增益最優(yōu)值即風(fēng)機(jī)切入風(fēng)速和切出風(fēng)速之間所有整數(shù)風(fēng)速值，由此形成控制器增益選擇的備選參數(shù)庫；3)對步驟2)中已求出切入和切出風(fēng)速間各整數(shù)風(fēng)速對應(yīng)的控制器增益，實際中風(fēng)速不一定為整數(shù)，因此對測得的風(fēng)速采取向下取整的方式，然后從備選參數(shù)庫中查找對應(yīng)的控制器增益對控制器進(jìn)行設(shè)置。
2.如權(quán)利要求I所述的雙饋變速風(fēng)電機(jī)組的附加頻率控制器參數(shù)整定方法，其特征是，所述步驟2)中仿真過程為Pm通過式⑴到式⑷求出P =Rav3C^(I)PCp (O = 0.22(1^ — 0.4叩)—5) exp(-(2 )ΛΛI(xiàn)I(3)I0.035λ + 0.08θ( ) θ( )3+Iλ = ω (t) R/V (4)式中=Pm為風(fēng)機(jī)輸入功率，P為風(fēng)能密度，Ar為風(fēng)機(jī)葉片掃風(fēng)面積，V為風(fēng)速，Cp為風(fēng)功率利用系數(shù)，λ為葉尖速比，Θ (t)為漿矩角，R為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動半徑；系統(tǒng)頻率變化過程微分方程為τ呵 J dt=iSp +APg+APw-APm-APl(5)τ dAPo ° dt- + APg= -kg￥(6)T w dtI = ]Δ/(7)APl =KlA f(8)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化過程可用式(9)表示(9)叫I H,式中=CO1S風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子當(dāng)前轉(zhuǎn)速，Otl為參與系統(tǒng)調(diào)頻前的轉(zhuǎn)速，Hw為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，h為風(fēng)機(jī)參與系統(tǒng)調(diào)頻初始時刻，t為當(dāng)前時刻；Λρ為系統(tǒng)功率擾動量，APg為常規(guī)發(fā)電機(jī)一次調(diào)頻所增發(fā)的功率，為系統(tǒng)系統(tǒng)頻率變化過程中負(fù)荷功率的變化量，&為負(fù)荷的單位調(diào)節(jié)功率，Tj為系統(tǒng)慣性時間常數(shù)，Tg為常規(guī)發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻時間常數(shù)，Kg為常規(guī)發(fā)電機(jī)的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)，Tw為風(fēng)電機(jī)組功率控制相應(yīng)時間常數(shù)，該值較小為毫秒級， 1/R為風(fēng)機(jī)添加附加一次調(diào)頻控制環(huán)節(jié)后風(fēng)機(jī)等效一次調(diào)頻系數(shù)，APm為風(fēng)機(jī)因轉(zhuǎn)速和漿矩角變化所引起的風(fēng)機(jī)輸入功率減少量，APwS風(fēng)電機(jī)組實際增發(fā)的功率，APm為風(fēng)機(jī)附加一次調(diào)頻控制器所輸出的功率信號，Λ Pm+Λ Pw= APref0
3.如權(quán)利要求2所述的雙饋變速風(fēng)電機(jī)組的附加頻率控制器參數(shù)整定方法，其特征是，在風(fēng)速確定情況下，綜合式(I)到式(9)采用改進(jìn)歐拉法進(jìn)行迭代求解可得出5%功率擾動下風(fēng)機(jī)參與系統(tǒng)調(diào)頻時系統(tǒng)的頻率變化曲線，相應(yīng)的可得系統(tǒng)頻率最低點(diǎn)f(0)，但此時的R不一定為最優(yōu)值，需要對R進(jìn)行修正，修正過程如下，分別求R = RO- Λ R和R = R0+AR(AR取O. I)時的系統(tǒng)頻率最低點(diǎn)f(_l)和f (I)，根據(jù)f (O)、f (_1)和f (I)的大小關(guān)系，修正過程可分為(1)如果f(0)>= f(-l)且f(0) >= f(l)，則RO即為此風(fēng)速下的最優(yōu)R值；(2)如果f(0)=<€(-1)，則分別求1 = 1 0-11八1 時的系統(tǒng)頻率最低點(diǎn)€(-11)，增大11， 直到f(-(n-l)) < f(-n)且f(-n-l) < f (_n)為止，對應(yīng)的R值即為此風(fēng)速下的最優(yōu)R值； η = 1，2，3......；(3)如果f(0)=< f(l)，則分別求R = R0+nAR(n = 1,2,3……)時的系統(tǒng)頻率最低點(diǎn)f(n)，增大n，直到f(n-l) < f(n)且f(n+l) < f (η)為止，對應(yīng)的R值即為此風(fēng)速下的最優(yōu)R值；η = 1,2,3……。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙饋變速風(fēng)電機(jī)組的附加頻率控制器參數(shù)整定方法，可在保證風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上充分發(fā)揮其對系統(tǒng)頻率的支撐作用。它的過程為1)采集電網(wǎng)數(shù)據(jù)，求出電網(wǎng)的總的常規(guī)發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量、轉(zhuǎn)動慣量、一次調(diào)頻能力以及負(fù)荷總量特征參數(shù)，將系統(tǒng)簡化成兩機(jī)系統(tǒng)；2)以突增負(fù)荷的形式為系統(tǒng)設(shè)置功率擾動，擾動量為系統(tǒng)負(fù)荷總量的5％，通過大量的仿真計算，求出切入和切出風(fēng)速之間不同風(fēng)速對應(yīng)的附加頻率控制器增益最優(yōu)值，由此形成控制器增益選擇的備選參數(shù)庫；3)對步驟2)中已求出切入和切出風(fēng)速間各整數(shù)風(fēng)速對應(yīng)的控制器增益，對測得的風(fēng)速采取向下取整的方式，然后從備選參數(shù)庫中查找對應(yīng)的控制器增益對控制器進(jìn)行設(shè)置。
文檔編號H02J3/38GK102611132SQ20121004554
公開日2012年7月25日 申請日期2012年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月27日
發(fā)明者劉玉田, 孫華東, 王洪濤, 陳得治 申請人:中國電力科學(xué)研究院, 山東大學(xué)