阅读说明：本技术 基于电力系统频率二阶微分的双馈风机惯性控制方法 (Double-fed fan inertia control method based on second-order frequency differential of power system ) 是由 赵熙临 林震宇 马艺菡 曹娅 吴恒 于 2019-08-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种基于电力系统频率二阶微分的双馈风机惯性控制方法。该方法包括：对电力系统频率的偏差求二阶导数得出其变化的加速度；计算风机输出的有功功率与电力系统频率的二阶导数之间的函数关系；计算考虑Δf的二阶导数的双馈风机虚拟惯性因子；双馈风机含有Δf二阶导数的惯性控制回路的构建。该控制方法具有更快速的双馈风机动能提取特性,可以更好的用于双馈风机的有功平滑输出技术。相比于传统基于频率一阶导数的惯性控制方法,可以更大程度上利用的风机转子所储存的旋转动能以补偿电力系统有功的缺失,减小电力系统频率的波动。(The invention discloses a double-fed fan inertia control method based on second-order frequency differential of a power system. The method comprises the following steps: solving a second derivative of the deviation of the frequency of the power system to obtain the changing acceleration of the power system; calculating a functional relation between active power output by the fan and a second derivative of the frequency of the power system; calculating a virtual inertia factor of the doubly-fed fan considering the second derivative of the delta f; the doubly-fed wind turbine generator comprises an inertia control loop of a second derivative of delta f. The control method has the characteristic of faster extraction of the kinetic energy of the double-fed fan, and can be better used for the active smooth output technology of the double-fed fan. Compared with the traditional inertia control method based on the first-order frequency derivative, the method can utilize the rotational kinetic energy stored by the fan rotor to a greater extent to compensate the loss of the power system, and reduce the fluctuation of the frequency of the power system.)

基于电力系统频率二阶微分的双馈风机惯性控制方法

技术领域

本发明涉及双馈风力发电机控制、风机惯性控制、风机平滑输出技术、风力发电机调频技术，具体涉及一种通过电力系统频率的二阶微分来控制风力发电机有功输出的方法。

背景技术

风力发电机的惯性控制技术主要通过提取发电机转子中存储的旋转动能来调节风机的有功输出。当电力系统频率发生波动时，风机的惯性控制器响应这个波动，并调节风力发电机的机侧换流器，从而提取风机的动能，支撑电网频率的跌落。

传统的惯性控制方式有下垂惯性控制、虚拟惯性控制和次优功率工作曲线控制。以上控制方式均在工业上有所应用，并取得了较好的控制效果。但风机的惯性响应需通过调节转子转速实现，因此具有较大的滞后性，并不能很好的响应电力系统频率的变化速度。因此，快速提取风机动能的控制技术成为了各大高校和科研机构的重点研究领域。

发明内容

为了解决上述背景技术存在的问题，本发明的目的是提供一种通过计算电力系统频率的二阶导数来控制风机惯性的控制方法。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：基于电力系统频率二阶微分的双馈风机惯性控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1：对电力系统的频率进行采样，同时对风力发电机转速进行采样；

步骤2：将电力系统的实时频率作为反馈信号，并求出电力系统频率的二阶导数；

步骤3：计算电力系统频率的二阶导数与双馈风机有功输出变化量之间的函数关系；

步骤4：根据步骤3中的函数关系，计算考虑频率二阶导数的双馈风机的虚拟惯性因子；

步骤5：根据步骤3中的函数关系和步骤4中的虚拟惯性因子，构建风机的惯性控制回路。

进一步的，步骤2中计算电力系统频率的二阶导数方法为：

设置采样周期为T，三个相邻采样周期的采样值分别为f_(n-1)T、f_nT和f_(n+1)T，n表示第n个采样周期，则电力系统频率的二阶导数可以表示为：

其中，

进一步的，步骤3中电力系统频率的二阶导数与双馈风机有功输出变化量之间的函数关系可以表示为：

其中，δP_WT为双馈风机有功输出的变化量，H_eq为风机等效惯性时间常数，K_vir为风机虚拟惯性系数，ω_r0为风机当前的同步转速，ω_s为电力系统同步转速。

进一步的，步骤4中考虑频率二阶导数的双馈风机的虚拟惯性因子δf_kopt可以表示为：

其中，K_opt为风机最优工作系数，ω_g为发电机转速。

进一步的，步骤5中风机的惯性控制回路为：输入信号为电力系统的频率信号f_s，经过两个微分环节分别求出其一阶导数f_s'和二阶导数f_s”；通过采样模块对风力发电机转速ω_g进行采样输出为ω_r0；将两个微分环节的输出端和采样器的输出端与公式(2)的计算模块相连输入端，通过公式(2)计算出δP_WT；将公式(2)的输出端与公式(3)计算模块的输入端相连，通过公式(3)计算出δf_kopt。

进一步的，δf_kopt是风力发电机的有功输出的调节因子，在风速不变的情况下，通过δf_kopt调整风力发电机的有功输出，进而改变风力发电机中转子的转速，从而提取风力发电机所储存的旋转动能。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过引入电力系统频率二阶导数的方法，相比于传统一阶导数的方法，获得了更多的频率变化信息；并且使用这些信息设计风力发电机转子惯性控制方法，相比于传统基于频率一阶导数的惯性控制方法，可以更大程度上利用的风机转子所储存的旋转动能以补偿电力系统有功的缺失，减小电力系统频率的波动。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1；考虑二阶微分的风机惯性控制框图。

图2；风机运行控制图。

图3；电力系统频率波动图。

图4；风机有功输出图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于电力系统频率二阶导数的风机惯性控制方法，该控制方法具有可以快速提取风机动能的特点。该方法包括：使用采样器对电力系统频率进行采样，并保存连续三个时刻的采样值；通过连续三个时刻的采样值和采样周期，求出该时刻电力系统频率的二阶导数；通过该时刻电力系统频率的二阶导数计算考虑频率二阶微分的虚拟惯性因子。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

步骤1：对电力系统的频率信号进行采样，同时对风力发电机转速进行采样。

步骤2：将电力系统的实时频率作为反馈信号并求出电力系统频率的二阶导数。

步骤3：计算电力系统频率的二阶导数与双馈风机有功输出变化量之间的函数关系；

步骤4：根据步骤2中的函数关系，计算考虑频率二阶导数的双馈风机的虚拟惯性因子；

步骤5：根据步骤3中的函数关系和步骤4中的虚拟惯性因子，构建风机的惯性控制回路。

具体实施过程如下：

1.对电力系统的频率进行采样，同时对风力发电机转速进行采样。

2.计算电力系统频率的一阶导数和二阶导数：

不失一般性的假设当前时刻为第n个采样周期，采样周期为T，三个相邻采样周期的采样值分别为f_(n-1)T、f_nT和f_(n+1)T，n表示第n个采样周期。则频率的二阶导数可以表示为：

其中

3.计算电力系统频率的二阶导数与双馈风机有功输出变化量之间的函数关系：

电力系统频率的二阶导数与双馈风机有功输出变化量之间的函数关系可以表示为：

其中，δP_WT为双馈风机有功输出的变化量，H_eq为风机等效惯性时间常数，K_vir为风机虚拟惯性系数，ω_r0为风机当前的同步转速，ω_s为电力系统同步转速。

4.计算双馈风机的虚拟惯性因子

考虑频率二阶导数的双馈风机的虚拟惯性因子δf_kopt可以表示为：

其中，K_opt为风机最优工作系数，ω_g为发电机转速。

5.构建风机的惯性控制框图：

输入信号为电力系统的频率信号f_s，经过两个微分环节分别求出其一阶导数f_s'和二阶导数f_s”；通过采样模块对风力发电机转速ω_g进行采样输出为ω_r0；将两个微分环节的输出端和采样器的输出端与公式(2)的计算模块相连输入端，通过公式(2)计算出δP_WT；将公式(2)的输出端与公式(3)计算模块的输入端相连，通过公式(3)计算出δf_kopt。

δf_kopt是风力发电机的有功输出的调节因子。在风速不变的情况下，通过δf_kopt调整风力发电机的有功输出，进而改变风力发电机中转子的转速，从而提取风力发电机所储存的旋转动能。

通过Matlab软件搭建仿真系统，验证控制方法可行性。

首先，在Matlab/Simulink中搭建风机的数学模型，如图2所示。图2中，N为调速器调速比例；J_eq转子的等效转动惯量；ω_t为风轮转速；T_t为风轮转矩，T_g为发电机转矩；τ_c调速器时间常数；τ_p为桨距角执行器时间常数。不失一般性的设定电力系统频率的波动，来验证在恒风速下风机惯性控制的能力，通过与传统惯性控制做对比，说明本发明方法的优越性。电力系统频率波动如图3所示，电力系统的频率在±0.02Hz之间无规律波动。风机惯性控制对比图如图4所示，图中实线为风机在电力系统频率二阶导数惯性控制下的有功输出，虚线为风机在电力系统频率一阶阶导数惯性控制下的有功输出，通过对比可以看出二阶导数控制方法明显改变了风机的有功输出，可以更好的补偿电力系统有功缺失。

图2中的公式如下：

P_t＝0.5ρR²v³C_P(λ,β) (6)

T_t＝P_t/ω_t (7)

其中，ω_g,base发电机转速基准值，ω_t,base风轮转速基准值，T_g,base发电机转矩基准值，T_t,base风轮转矩基准值；ω_g,p.u.发电机转速标幺值，ω_t,p.u.风轮转速标幺值，T_g,p.u.发电机转矩标幺值，T_t,p.u.风轮转矩标幺值；C_p为风能利用系数，λ为叶尖速比，v为风速，P_t为风力发电机机械功率。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。