一种双馈型机组风电场虚拟惯量控制方法和系统
阅读说明：本技术 一种双馈型机组风电场虚拟惯量控制方法和系统 (Double-fed unit wind power plant virtual inertia control method and system ) 是由 龚利策 秦世耀 王瑞明 薛扬 付德义 贾海坤 王安庆 赵娜 孔令行 于 2021-11-10 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种双馈型机组风电场虚拟惯量控制方法和系统,包括：基于电网系统的实际频率计算双馈型机组风电场的一次调频附加功率；基于各机组的轮毂中心风速和风轮转速分配一次调频附加功率,得到各机组的惯性额外功率和下垂额外功率；根据各机组的惯性额外功率、下垂额外功率和发电机转速,控制各机组在匹配惯量支撑能力前提下协同参与调频；本发明基于各机组的轮毂中心风速和风轮转速分配一次调频附加功率,使得各机组能够提供不同的转子动能惯量,避免了过度惯量支撑导致一次调频失败和缓解了增加的机械疲劳损伤。(The invention provides a method and a system for controlling virtual inertia of a wind power plant of a double-fed type unit, which comprises the following steps: calculating primary frequency modulation additional power of the wind power plant of the double-fed type unit based on the actual frequency of the power grid system; distributing primary frequency modulation additional power based on the central wind speed and the rotating speed of a wheel hub of each unit to obtain inertia additional power and droop additional power of each unit; controlling each unit to cooperatively participate in frequency modulation on the premise of matching the inertia supporting capacity according to the inertia extra power, the drooping extra power and the rotating speed of the generator of each unit; according to the invention, the primary frequency modulation additional power is distributed based on the central wind speed and the rotating speed of the hub of each unit, so that each unit can provide different kinetic energy inertia of the rotor, primary frequency modulation failure caused by excessive inertia support is avoided, and increased mechanical fatigue damage is relieved.)
技术领域
本发明属于新能源风力发电场电网频率调控技术领域，具体涉及一种双馈型机组风电场虚拟惯量控制方法和系统。
背景技术
提高可再生能源在发电中的比例是解决环境污染和化石能源短缺问题的重要手段和实现碳达峰、碳中和的关键途径。风力发电作为可再生能源的重要形式之一近年来虽然日渐重视并且得到了迅速发展，但由于风电机组输出功率的波动性使得电网源荷之间动态不平衡，导致电网频率偏差增大，严重危及了电力系统的安全稳定运行。
为解决电网中不断升高的风电穿透率问题，提高电力系统的调频能力，需对风电变换器的优化控制，促使风电机组参与频率支撑与惯量响应。目前，针对双馈风电机组的频率支撑控制策略包括虚拟惯量控制、功率备用、附加储能等。但功率备用降低了机组的发电效率，附加储能又增加了发电成本，而良好的虚拟惯量控制技术兼具效率与成本成为调频的主流技术之一，各国也因此制定了相关的风电惯量及调频能力规范。
当前虚拟惯量控制策略更多的关注点在单台机组的调控能力，比如如何防止功率二次跌落，增加惯量支撑能力，以满足调频规范的要求，并未考虑风电场各机组调频的协同作用，最大化风电场各风电机组转子动能所能提供的不同的虚拟惯量支撑能力，并且最小化降低传动链机械疲劳损伤，这也是本发明主要解决的问题。
在一种风电机组一次调频与虚拟惯量协调控制方法及装置中：
根据电网频率确定风电场中各风电机组虚拟惯量控制的附加功率：
根据电网频率确定风电场一次调频控制的附加功率和风电场中各风电机组虚拟惯量控制的附加功率；根据风电场一次调频控制的附加功率确定风电场中各风电机组的功率参考值和桨距角控制值；利用风电场中各风电机组虚拟惯量控制的附加功率对风电场中各风电机组的功率参考值进行修正，获得风电场中各风电机组的功率控制值；按照风电场中各风电机组的桨距角控制值和风电机组的功率控制值调节风电场中各风电机组的桨距角和功率；该发明对风电机组采用一次调频控制和虚拟惯量控制相结合的控制策略，可以改善大规模风电并网系统的频率稳定性。
该发明着重电网一次调频的基础上通过惯量控制附加功率来改善大规模风电并网系统的频率稳定性，没有根据现场实际风况区别利用机组惯量控制附加功率的能力；且该发明未考虑惯量控制的风电场内机组的机械损伤。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提出一种双馈型机组风电场虚拟惯量控制方法，包括：
基于电网系统的实际频率计算双馈型机组风电场的一次调频附加功率；
基于各机组的轮毂中心风速和风轮转速分配所述一次调频附加功率，得到各机组的惯性额外功率和下垂额外功率；
根据各机组的惯性额外功率、下垂额外功率和发电机转速，控制各机组在匹配惯量支撑能力前提下协同参与调频。
优选的，所述根据各机组的惯性额外功率、下垂额外功率和发电机转速，控制各机组在匹配惯量支撑能力前提下协同参与调频，包括：
根据各机组的惯性额外功率、下垂额外功率和发电机转速，分别调整各机组的发电机励磁转矩；
根据各机组的风轮转速、发电机转速和发电机励磁转矩，分别为各机组的传动链施加带通滤波阻尼；
基于各机组的发电机励磁转矩和带通滤波阻尼，控制各机组在匹配惯量支撑能力前提下协同参与调频。
优选的，所述发电机励磁转矩的计算式如下：
式中，为机组i的发电机励磁转矩，为机组i的下垂额外功率，为机组i 的惯性额外功率，为机组i当前初始功率，为机组i的发电机转速。
优选的，所述带通滤波阻尼的计算式如下：
式中，为机组i的带通滤波阻尼，为机组i的风轮转速，为机组i的发电机 转速，为机组i的增益系数；
所述机组i的增益系数的值根据机组i的发电机励磁转矩动态调整。
优选的，所述根据各机组的风轮转速和发电机转速，分别为各机组的传动链施加带通滤波阻尼之后，且基于各机组的发电机励磁转矩和带通滤波阻尼，控制各机组在匹配惯量支撑能力前提下协同参与调频之前，还包括：
分别为各机组的传动链设计动态相角补偿，补偿控制存在的滞后性。
优选的，所述一次调频附加功率的计算式如下：
式中，为一次调频附加功率，K为风电场一次调频比例系数，为电网系统的 参考频率，为电网系统的实际频率，为风电场频率监测死区。
优选的，所述基于各机组的轮毂中心风速和风轮转速分配所述一次调频附加功率，得到各机组的惯性额外功率和下垂额外功率，包括：
基于各机组的轮毂中心风速计算各机组的惯性系数的比例系数以及下垂系数的比例系数；
基于各机组的惯性系数的比例系数、下垂系数的比例系数以及风轮转速，将所述一次调频附加功率分配至参与频率响应控制的各机组，得到各机组的惯性额外功率和下垂额外功率。
优选的，所述各机组的惯性系数的比例系数的计算式如下：
式中，为机组i的惯性系数的比例系数，v i 为机组i的轮毂处实时风速，为机 组的切入风速，为机组的切出风速。
优选的，所述各机组的下垂系数的比例系数的计算式如下：
式中，为机组i的下垂系数的比例系数，a为预设常数，v i 为机组i的轮毂处实时 风速，为机组的切入风速，为机组的切出风速。
优选的，所述基于各机组的惯性系数的比例系数、下垂系数的比例系数以及风轮转速，将所述一次调频附加功率分配至参与频率响应控制的各机组，得到各机组的惯性额外功率和下垂额外功率的计算式如下：
式中，为一次调频附加功率，为参与频率响应控制机组的数量，为机组i的惯性额外功率，为机组i的下垂额外功率，为机组i的惯性系数的比例系数，为 机组惯性系数，为机组i的下垂系数的比例系数，为机组下垂系数，为机组i的风轮 转速，为惯量响应机组的风轮转速下限，为惯量响应机组风轮转速上限，为机 组频率与电网系统的实际频率的差。
基于同一发明构思，本申请还提供了一种双馈型机组风电场虚拟惯量控制系统包括：一次调频附加功率模块、功率分配模块和控制模块；
所述一次调频附加功率模块，用于基于电网系统的实际频率计算双馈型机组风电场的一次调频附加功率；
所述功率分配模块，用于基于各机组的轮毂中心风速和风轮转速分配所述一次调频附加功率，得到各机组的惯性额外功率和下垂额外功率；
所述控制模块，用于根据各机组的惯性额外功率、下垂额外功率和发电机转速，控制各机组在匹配惯量支撑能力前提下协同参与调频。
优选的，所述控制模块具体用于：
根据各机组的惯性额外功率、下垂额外功率和发电机转速，分别调整各机组的发电机励磁转矩；
根据各机组的风轮转速、发电机转速和发电机励磁转矩，分别为各机组的传动链施加带通滤波阻尼；
基于各机组的发电机励磁转矩和带通滤波阻尼，控制各机组在匹配惯量支撑能力前提下协同参与调频。
优选的，所述发电机励磁转矩的计算式如下：
式中，为机组i的发电机励磁转矩，为机组i的下垂额外功率，为机组i 的惯性额外功率，为机组i当前初始功率，为机组i的发电机转速。
优选的，所述带通滤波阻尼的计算式如下：
式中，为机组i的带通滤波阻尼，为机组i的风轮转速，为机组i的发电机 转速，为机组i的增益系数；
所述机组i的增益系数的值根据机组i的发电机励磁转矩动态调整。
优选的，所述一次调频附加功率的计算式如下：
式中，为一次调频附加功率，K为风电场一次调频比例系数，为电网系统的 参考频率，为电网系统的实际频率，为风电场频率监测死区。
优选的，所述功率分配模块具体用于：
基于各机组的轮毂中心风速计算各机组的惯性系数的比例系数以及下垂系数的比例系数；
基于各机组的惯性系数的比例系数、下垂系数的比例系数以及风轮转速，将所述一次调频附加功率分配至参与频率响应控制的各机组，得到各机组的惯性额外功率和下垂额外功率。
优选的，所述各机组的惯性系数的比例系数的计算式如下：
式中，为机组i的惯性系数的比例系数，v i 为机组i的轮毂处实时风速，为机 组的切入风速，为机组的切出风速。
优选的，所述各机组的下垂系数的比例系数的计算式如下：
式中，为机组i的下垂系数的比例系数，a为预设常数，v i 为机组i的轮毂处实时 风速，为机组的切入风速，为机组的切出风速。
优选的，所述基于各机组的惯性系数的比例系数、下垂系数的比例系数以及风轮转速，将所述一次调频附加功率分配至参与频率响应控制的各机组，得到各机组的惯性额外功率和下垂额外功率的计算式如下：
式中，为一次调频附加功率，为参与频率响应控制机组的数量，为机组i的惯性额外功率，为机组i的下垂额外功率，为机组i的惯性系数的比例系数，为 机组惯性系数，为机组i的下垂系数的比例系数，为机组下垂系数，为机组i的风轮 转速，为惯量响应机组的风轮转速下限，为惯量响应机组风轮转速上限，为机 组频率与电网系统的实际频率的差。
本发明还提供一种计算机设备，包括：一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，实现如前所述的方法。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存有计算机程序，所述计算机程序被执行时，实现如前所述的方法。
与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：
本发明提供了一种双馈型机组风电场虚拟惯量控制方法和系统，包括：基于电网系统的实际频率计算双馈型机组风电场的一次调频附加功率；基于各机组的轮毂中心风速和风轮转速分配一次调频附加功率，得到各机组的惯性额外功率和下垂额外功率；根据各机组的惯性额外功率、下垂额外功率和发电机转速，控制各机组在匹配惯量支撑能力前提下协同参与调频；本发明基于各机组的轮毂中心风速和风轮转速分配一次调频附加功率，使得各机组能够提供不同的转子动能惯量，避免了过度惯量支撑导致一次调频失败和缓解了增加的机械疲劳损伤。
本发明进一步在虚拟惯量控制的同时，对传动链施加附加阻尼控制，减轻了机组的机械疲劳损失。
附图说明
图1为本发明提供的一种双馈型机组风电场虚拟惯量控制方法流程示意图；
图2为本发明提供的一种双馈型机组风电场虚拟惯量控制系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
本发明提供了一种双馈型机组风电场虚拟惯量控制方法和系统，根据不同风速下机组的转子动能惯量支撑能力并不相同，可通过动态分配不同机组的额外功率，避免风电场内不同风轮风速的风电机组提供相同的惯量支撑，导致转速较低、风轮风速较小的机组，过度提供惯量支撑所需能量，使得该风电机组功率支撑达不到要求或转速恢复失败，功率二次跌落，最终惯量调频失败；另一方面，缓解了过度支撑对传动链的机械冲击，减轻了传动链的机械疲劳损伤；相应的转速较高、风轮风速较大的机组虚拟惯量支撑后还有一部分能量富余，造成一定程度的惯量浪费。
实施例1：
本发明提供的一种双馈型机组风电场虚拟惯量控制方法流程示意图如图1所示，包括：
步骤1：基于电网系统的实际频率计算双馈型机组风电场的一次调频附加功率；
步骤2：基于各机组的轮毂中心风速和风轮转速分配一次调频附加功率，得到各机组的惯性额外功率和下垂额外功率；
步骤3：根据各机组的惯性额外功率、下垂额外功率和发电机转速，控制各机组在匹配惯量支撑能力前提下协同参与调频。
本发明提供了一种双馈型机组风电场虚拟惯量控制方法，根据风电场各机组不同惯量支撑能力的动态分配额外功率以解决电网惯性降低、调频能力不足和缓解传动链机械疲劳损伤等问题，具体控制方法如下：
步骤1：确定风电场参与一次调频所需的附加功率:
风电场主控监测电网系统的实际频率，并根据电网系统的参考频率与风 电场频率监测死区下达一次调频附加功率指令：
（1）
式（1）中K为风电场一次调频比例系数。
步骤2具体包括：
2-1：确定风电场内参与频率响应控制的机组数量及各机组调频变系数比例:
风电机组主控系统将测量的风轮转速反馈给风电场控制系统，只有当风轮转速在与之间的风电机组才会收到风电场主控下达的参与频率响应控制指令。其中，为惯量响应机组的风轮转速下限，为惯量响应机组风轮转速上限，设参与频率响 应的机组数量为。
根据采集的轮毂中心风速确定机组i惯性系数的比例系数：
（2）
和机组i下垂系数的比例系数：
（3）
式（2）（3）中，，分别为机组的切入、切出风速，为机组i轮毂处实时风速。
2-2：动态分配参与频率响应控制机组的附加功率:
（4）
（5）
（6）
式（4）（5）（6）中为参与频率响应控制机组的数量，为机组惯性系数，为机 组下垂系数，为机组i惯性额外功率，为机组i下垂额外功率，为参与惯量响应的 机组i的风轮转速，为机组频率与电网系统的实际频率的差。
步骤3具体为：依据分配的支撑功率风电场各机组协同参与调频。
风电场的主控系统与双馈机组的主控系统之间交换每个风电机组的运行状态，包括机组风轮风速，转速，功率，频率偏差及频率偏差变化率等。风电场主控分配各个机组不同的调频附加功率。风电机组主控接到风电场指令后，迅速通过调节发电机励磁转矩，使其功率增加或减少附加功率，共同调节系统频率。单台机组参与调频的方法如下：
1）根据分配而来的附加功率，调整给定机组i发电机励磁转矩；
（7）
式（7）中，为机组i当前初始功率，为机组i发电机转速。
2）为传动链设计带通滤波阻尼，减缓扭振；
由于电磁转矩脉动将给传动链强烈的扭振冲击，为减缓传动链扭振，在给定的发电机电磁转矩的基础增加适当的与传动链扭转速度相反，且成正比的转矩波动，即：
（8）
式（8）中，为机组i转矩波动即带通滤波阻尼，为机组i的增益系数，为机 组i风轮转速，为机组i发电机转速。
令阻尼转矩的最大值为调整后的给定发电机励磁转矩的百分之五，因此动态 分配附加功率下各机组的增益系数动态调整。
由于转矩扰动在传动链共振频率附近的幅值增益最高，因此传动链附加阻尼转矩通过二阶带通滤波器处理，滤波器的频率为的传动链固有振动频率。
3）为传动链设计动态相角补偿，补偿控制存在的滞后性。
由于在实际的控制系统中，控制回路经历信号采集、逻辑运算、数据传输、指令执行等过程，移相环节的拉普拉斯变换有效地补偿相角偏差。
实施例2：
基于同一发明构思，本发明还提供了一种双馈型机组风电场虚拟惯量控制系统。该系统结构如图2所示，包括：一次调频附加功率模块、功率分配模块和控制模块；
其中，一次调频附加功率模块，用于基于电网系统的实际频率计算双馈型机组风电场的一次调频附加功率；
所述功率分配模块，用于基于各机组的轮毂中心风速和风轮转速分配所述一次调频附加功率，得到各机组的惯性额外功率和下垂额外功率；
所述控制模块，用于根据各机组的惯性额外功率、下垂额外功率和发电机转速，控制各机组在匹配惯量支撑能力前提下协同参与调频。
其中，控制模块具体用于：
根据各机组的惯性额外功率、下垂额外功率和发电机转速，分别调整各机组的发电机励磁转矩；
根据各机组的风轮转速、发电机转速和发电机励磁转矩，分别为各机组的传动链施加带通滤波阻尼；
基于各机组的发电机励磁转矩和带通滤波阻尼，控制各机组在匹配惯量支撑能力前提下协同参与调频。
其中，发电机励磁转矩的计算式如下：
式中，为机组i的发电机励磁转矩，为机组i的下垂额外功率，为机组i 的惯性额外功率，为机组i当前初始功率，为机组i的发电机转速。
其中，带通滤波阻尼的计算式如下：
式中，为机组i的带通滤波阻尼，为机组i的风轮转速，为机组i的发电机 转速，为机组i的增益系数；
所述机组i的增益系数的值根据机组i的发电机励磁转矩动态调整。
其中，根据各机组的风轮转速和发电机转速，分别为各机组的传动链施加带通滤波阻尼之后，且基于各机组的发电机励磁转矩和带通滤波阻尼，控制各机组在匹配惯量支撑能力前提下协同参与调频之前，还包括：
分别为各机组的传动链设计动态相角补偿，补偿控制存在的滞后性。
其中，一次调频附加功率的计算式如下：
式中，为一次调频附加功率，K为风电场一次调频比例系数，为电网系统的 参考频率，为电网系统的实际频率，为风电场频率监测死区。
其中，功率分配模块具体用于：
基于各机组的轮毂中心风速计算各机组的惯性系数的比例系数以及下垂系数的比例系数；
基于各机组的惯性系数的比例系数、下垂系数的比例系数以及风轮转速，将所述一次调频附加功率分配至参与频率响应控制的各机组，得到各机组的惯性额外功率和下垂额外功率。
其中，各机组的惯性系数的比例系数的计算式如下：
式中，为机组i的惯性系数的比例系数，v i 为机组i的轮毂处实时风速，为机 组的切入风速，为机组的切出风速。
其中，各机组的下垂系数的比例系数的计算式如下：
式中，为机组i的下垂系数的比例系数，a为预设常数，v i 为机组i的轮毂处实时 风速，为机组的切入风速，为机组的切出风速。
其中，基于各机组的惯性系数的比例系数、下垂系数的比例系数以及风轮转速，将所述一次调频附加功率分配至参与频率响应控制的各机组，得到各机组的惯性额外功率和下垂额外功率的计算式如下：
式中，为一次调频附加功率，为参与频率响应控制机组的数量，为机组i的惯性额外功率，为机组i的下垂额外功率，为机组i的惯性系数的比例系数，为 机组惯性系数，为机组i的下垂系数的比例系数，为机组下垂系数，为机组i的风轮 转速，为惯量响应机组的风轮转速下限，为惯量响应机组风轮转速上限，为机 组频率与电网系统的实际频率的差。
实施例3：
本发明还提供一种计算机设备，该设备包括：一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，实现如实施例1中所述的方法，或发明内容中所述的方法。
实施例4：
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存有计算机程序，所述计算机程序被执行时，实现如实施例1或发明内容中所述的方法。
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。
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。
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。
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。
最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本发明后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。
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