考虑权重系数的风电机组动态频率控制策略.pdf
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1、电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报Proceedings of the CSU-EPSA第 35 卷 第 6 期2023 年 6 月Vol.35 No.6Jun.2023考虑权重系数的风电机组动态频率控制策略李世春1,申骜1,薛臻瑶1,柴俊杰1,邓蕊1,田冰杰2(1.三峡大学电气与新能源学院,宜昌 443002;2.黄河水利水电开发集团有限公司,济源 459017)摘要:针对风电并网引起系统频率稳定性能下降的问题,设计一种考虑权重系数的风电机组动态频率控制策略。首先,提出在虚拟惯量控制中引入权重系数的控制方法,以充分发挥惯性控制和下垂控制在频率响应各阶段的控制优势,提升频率控制效果;其
2、次,为优化风电机组运行状态,提出了频率支撑结束后的闭锁控制方法,并针对不同风电渗透场景制定了相关参数调整方案;最后,通过 Matlab/Simulink 仿真验证了所提策略的有效性和适用性。关键词:风电机组频率控制;权重系数;闭锁控制;风电渗透率中图分类号:TM721文献标志码:A文章编号:1003-8930(2023)06-0022-08DOI:10.19635/ki.csu-epsa.001127Dynamic Frequency Control Strategy for Wind Turbine Considering Weight CoefficientLI Shichun1,SHEN
3、 Ao1,XUE Zhenyao1,CHAI Junjie1,DENG Rui1,TIAN Bingjie2(1.College of Electrical Engineering and New Energy,China Three Gorges University,Yichang 443002,China;2.Yellow River Water Conservancy and Hydropower Development Group,Jiyuan 459017,China)Abstract:Aimed at the problem of system frequency stabili
4、ty degradation caused by wind power integration,a dynamicfrequency control strategy for wind turbine is designed with the consideration of weight coefficient.First,the controlmethod of introducing weight coefficient to the virtual inertia control is proposed to give full play to the control advantag
5、es of inertia control and droop control at each stage of frequency response and improve the frequency control effect.Second,to optimize the wind turbine s operation state,a blocking control method is proposed at the end of frequency support,and an adjustment scheme for relevant parameters is formula
6、ted for different wind power penetration scenarios.Finally,the effectiveness and applicability of the proposed strategy are verified by Matlab/Simulink simulations.Keywords:wind turbine frequency control;weight coefficient;blocking control;wind power penetration为实现2030年“碳达峰”目标,削减化石能源占比、促进电力系统向新能源供电为
7、主体转型是未来电网发展的必然选择1-2。而风电作为发展最迅速的清洁电力之一,其大规模并网导致了电网惯量减少和抵御扰动能力变弱,系统频率越限风险大幅升高3-4。为适应未来高比例可再生能源场景,风电机组主动参与电网频率调节已成为保障系统频率安全运行的有效手段5,因此引发了众多学者对风电频率控制技术的广泛关注6,而通过利用转子能量提供短期功率支撑的虚拟惯量控制方式更是成为研究热点7-8。目前关于虚拟惯量控制的研究重点一方面在于如何挖掘风电调频潜力,以达到较好的频率支撑效果;另一方面是考虑如何设置合理的转速恢复方式,使风电机组快速恢复转速的同时确保系统频率稳定。文献9根据风电机组转子动能储备及可调功率
8、裕量来确定虚拟惯量控制参数,并提出了考虑“时变”的惯量控制闭锁控制方式,但文中虚拟惯量控制参数仅由风电机组运行情况决定,未考虑系统频率变化情况的影响。文献10从能量联动分配角度出发,根据同步机惯性响应和一次调频消耗能量比例,通过等值映射得到了风电机组惯性和下垂控制系数。文献11通过分析不同风速区内风电机组的转子动能,提出了基于动能损失反馈的控制方法,一定程度上改善了风机机组转速恢复期间系统的频率稳定性能,但仍存在频率二次跌落风险。文献12以频率变化率作为风电机组频率控制触发条件,并根据其数值大小选择相应的调频模式,从而使风电机组有针对性地参与频率调节,但忽略了频率响应过程中转子可能过度减速的问
9、收稿日期:2022-08-02;修回日期:2022-09-28网络出版时间:2022-10-18 10:43:28基金项目:国家自然科学基金资助项目(51907104)李世春等:考虑权重系数的风电机组动态频率控制策略李世春等:考虑权重系数的风电机组动态频率控制策略23第 35 卷题。文献13通过逻辑回归函数将系统频率变化率、转子动能储备共同与下垂控制系数建立联系,避免了错位匹配问题,且无需单独设置闭锁控制以恢复转速,但该方法削弱了下垂控制对频率偏差的抑制能力。文献14提出了根据频率偏差大小来调节下垂控制系数,从而更有效地发挥下垂控制优势,但文中未考虑风电机组虚拟惯性控制作用。综上所述,现有的虚
10、拟惯量控制方法不能充分发挥风电机组频率响应能力,且关于闭锁控制方式的研究缺乏对不同风电渗透率适应性的考虑。基于此,本文提出了一种考虑权重系数风电机组动态频率控制策略,其主要内容可概括为以下两点:(1)提出根据扰动后系统频率响应特点和风电机组虚拟惯量控制特性动态调整频率响应期间虚拟下垂控制和虚拟惯性控制权重系数的控制方法,以充分发挥二者调频优势,增强风电机组频率响应能力;(2)在现有闭锁控制研究的基础上,进一步分析了风电机组闭锁控制启动时机及闭锁控制持续时长对系统频率响应过程的影响,并给出在不同风电渗透率场景下的参数整定原则。1双馈风电机组运行特性及频率控制策略1.1双馈风电机组运行特性风力机捕
11、获的气动功率Pv近似等于输入的机械功率Pm15,即Pm=Pv=0.5v3wSCp(1)式中:为空气密度;vw为风速;S为叶轮受风面积;Cp为风能利用系数,Cp由叶尖速比和桨距角共同决定,其表达式为Cp=0.22116i-0.4-5 e-12.5i1i=1+0.08=rRvw(2)式中:R为叶轮半径;r为转子转速;i为中间变量。风电机组一般运行于最大功率点跟踪MPPT(maximum power point tracking)模式,当电磁功率与机械功率达到平衡时,风电机组位于稳态运行点,输出的有功功率P为P=Pm=0.5v3wSCp(opt)=k3r(opt)(3)式中:Cp(opt)和r(op
12、t)分别为最优风能利用系数及对应的最优转速;k 为风电机组 MPPT 系数,一般取.52。1.2传统虚拟惯量控制策略及错位匹配问题MPPT 模式下风电机组无法响应系统频率变化,通过在变流器有功控制环节引入频率微分和频率偏差反馈的附加控制回路,能够使风电机组在系统频率偏移时贡献转子动能储备提供功率支撑,其有功参考功率Pref9可以表示为Pref=PMPPT+P=k3r+Kdfdfdt+Kpff(4)式中:PMPPT为最大功率追踪值;P为惯量控制附加功率;Kdf为虚拟惯性控制系数;Kpf为虚拟下垂控制系数。虚拟惯量控制下风电机组频率响应特性如图1所示,其有功变化轨迹为OABC。当系统频率发生偏移时
13、,风电机组有功功率突增,转子转速逐渐下降,风电机组偏离初始运行点运行。随着转速降低,PMPPT的不断衰减会削弱惯量控制效果,使输出功率不断减小,当风电机组有功功率下降至机械功率曲线以下(B点)时,转子转速开始恢复。但由于频率响应过程中频率偏差的存在,附加功率P不为0,在P作用下,风电机组最终在次优功率点(C点)转速收敛,达到平衡状态。由图1可知,在C点风电机组有功输出相较初始点功率PO有所降低,长时间运行会减少风力发电收益,且风电机组转子动能储备量较O点偏低,再次面对负荷扰动时风电机组频率响应能力会有所下降。因此,及时闭锁惯量控制对于提升系统频率稳定性能及风力发电效益具有重要意义。2风电机组动
14、态频率控制策略风电机组惯量控制附加功率由虚拟惯性控制与虚拟下垂控制共同构成,二者分别对频率变化率和频率偏差有较好的抑制效果,通过引入权重系数图 1虚拟惯量控制下风电机组频率响应特性Fig.1Frequency response characteristics of windturbine under virtual inertia control有功功率曲线MPPT曲线机械功率曲线动能变化量功率变化量rOCPBPOAP0电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报24第 6 期能够使风电机组根据系统频率变化情况调节出力大小,从而发挥二者调频优势。此外,风电机组参与系统频率调节会导致运行点发生偏移
15、,为使风电机组在频率响应结束后回到最大功率追踪状态,需适时地闭锁惯量控制,以保证风电机组良好的运行状态及系统频率稳定性能。基于上述思想,本文提出一种考虑权重系数的风电机组动态频率控制策略,其控制结构如图2所示。2.1虚拟惯性控制及虚拟下垂控制权重系数为强化风电机组频率支撑效果,使其能够有效抑制频率变化率的同时尽量改善频率偏差极值,应根据系统频率响应期间df/dt及f变化情况,有针对性地调整虚拟下垂控制和虚拟惯性控制参数,因此考虑引入惯性控制权重系数d和下垂控制权重系数p,并在控制过程中始终满足d+p=2。风电机组惯量控制附加功率P可以表示为P=dKdfdfdt+pKpff(5)式中,为转子动能
16、反馈系数,引入该系数能够使风电机组有功出力受转子动能储备限制,从而避免转子动能过度释放,的表达式为=2r-2min2max-2min(6)式中,max、min分别为转子转速运行范围的上限、下限。系统频率响应曲线如图3所示,其中to为扰动发生时刻,tex为频率变化极值点fex对应时刻,tst为到达一次调频稳态频率fst对应时刻。图3将系统频率响应区间划分为频率偏离阶段和频率恢复阶段,各阶段控制策略如下。(1)频率偏离阶段对应图3中tottex时段,在系统发生扰动初期,|df/dt|较大,而|f较小,考虑到虚拟惯性控制对|df/dt|变化阻碍作用更强,故应以虚拟惯性控制为主导,将d设置为较大数值。
17、经过一定延时后,同步机组的调速系统逐渐启动,|df/dt|逐渐减小,而|f仍在增大,考虑到虚拟下垂控制对|f变化阻碍作用更强,因此应削弱虚拟惯性控制的权重占比,使虚拟下垂控制为主导,将d逐步下调,当|df/dt|=0时,频率偏差达到极值,d达到极小值d_min。(2)频率恢复阶段对应图3中texttst时段,系统频率开始逐渐恢复,此时系统频率变化率极性与频率偏离阶段的极性相反,虚拟惯性控制会产生“负”的功率增量,对频率恢复起反向作用,故应采用负虚拟惯性控制16以促进频率快速恢复。由于该阶段|f较大,因此仍由下垂控制作为主导,使d在小范围内跟随|df/dt|同步变化,由d_min先增大后再逐渐减
18、小。图 2风电机组动态频率控制策略控制结构Fig.2Control structure of dynamic frequency control strategy for wind turbineMPPT曲线RSC控制MPPT控制低通滤波器低通滤波器闭锁控制系数模糊控制器权重系数+1+-+-2+-kotofft1-t-tofftre12maxmin2r-2min2max-2minrpdfnfdf dtfdu dtKdfKpf|uPrPref图 3系统频率响应曲线Fig.3System frequency response curve频率恢复阶段频率偏离阶段fnffstfextsttextot0
19、李世春等:考虑权重系数的风电机组动态频率控制策略25第 35 卷基于上述控制思想建立模糊控制规则如表1所示,对应的推理结果如图4所示。将df/dt及f作为模糊控制器的输入变量,并以df dtmax和fmax为基准值,进行归一化处理,得到二者论域区间为-1,1,包含NL(负大)、NM(负中)、NS(负小)、ZO(零)、PS(正小)、PM(正中)、PL(正大)共 7 个等级。将惯性权重系数d作为输出变量,论域区间为0,2,包含VS(很小)、RS(小)、MO(中)、RL(大)、VL(很大)5个等级。2.2虚拟惯量控制闭锁策略为避免错位匹配问题,需适时闭锁虚拟惯量控制以消除附加功率的影响,而直接切除P
20、的惯量闭锁方式17会使风电机组有功功率瞬间跃变至MPPT曲线,大量风电机组共同作用下必然导致频率二次跌落问题。基于此,本文考虑逐步闭锁惯量控制,使风电机组平滑过渡至初始运行点。2.2.1闭锁控制系数闭锁策略的实现是通过引入闭锁控制系数逐步削减附加功率P,从而动态修正风电机组运行点轨迹,使其平滑恢复至MPPT曲线上,对应的风电机组有功参考功率Pref为Pref=k3r+P(7)其中=1-t-tofftre12tre=ko(8)式中:ko为一次函数斜率系数;toff为闭锁控制启动时刻;tre为闭锁过程持续时长;为系统风电渗透率。一方面闭锁控制启动后,风电机组会下调有功输出以恢复转子转速,该过程对系
21、统频率恢复起反向作用,而随着风电渗透率的提高,风电场单位时间内总有功变化量会增大,对系统频率造成的冲击更强,因此tre应随系统风电渗透水平升高适当延长,以减轻对系统频率的冲击作用;另一方面,tre的增大会降低风电机组转速恢复速率,延长回到初始运行点的时间。综合两方面考虑,这里ko取150,得到不同风电渗透率下闭锁控制系数与闭锁控制启动时间t(t=t-toff)的对应关系如图5所示。2.2.2闭锁控制启动条件在不同时刻启动闭锁控制会对系统频率性能产生影响,文献9和文献14中将风电机组转速收敛时刻作为闭锁控制启动时刻,但实际上该时刻可能发生在频率变化极值点附近,在该情况下启动闭锁控制会使风电机组功
22、率快速下降,进而可能导致系统频率继续下跌。因此,闭锁控制启动时刻应根据系统频率变化情况决定,本文考虑当检测到系统频率到达极值点后,延迟Tr后再启动闭锁控制。频率极值点判定条件为|ft-|ft-10ft=ft-fnft-1=ft-1-fn(9)式中:ft、ft-1分别为系统实时频率和上一采样周期频率;ft、ft-1分别为系统实时频率偏差和上一采样周期频率偏差;fn为系统额定频率。采样周期为50 ms。图 4模糊逻辑推理结果Fig.4Result of fuzzy logic inference2.01.51.00.50.50-1.0-0.5-1.0-0.500.51.0df(p.u.)dfdt(
23、p.u.)图 5不同风电渗透率下闭锁控制系数 与 t 对应关系Fig.5Relationship between blocking control coefficient and t for different wind power penetration rates1.00.80.60.40.2闭锁控制系数t/s=40%0102030405060=10%1.0=35%=30%=25%=15%=20%表 1模糊逻辑控制规则Tab.1Fuzzy logic rules for controllerNLNMNSZOPSPMPLdNLVSMORLVLRLMOVSNMVSMOMORLRSRSVSNSR
24、SRSMOMOMORSRSZOVSRSRSMORSRSVSPSRSRSMOMOMORSRSPMVSRSRSRLMOMOVSPLVSMORLVLRLMOVSdf dtf电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报26第 6 期3算例分析为验证本文提出的风电机组自适应频率控制策略的有效性及优越性,在Matlab/Simulink中搭建如图6所示的四机两区域电力系统模型,包含3台同步发电机和1个风电场。其中,各同步机组参数相同,额定容量为900 MVA,调差系数为0.05,惯性时间常数为6 s;风电场由多台双馈风电机组组成,额定功率为1.5 MW。本文所提策略的控制参数包括df dtmax和fmax分
25、别为0.5 Hz/s和0.2 Hz,虚拟惯性、虚拟下垂控制系数Kpf和Kdf分别为20和10,延迟时间Tr为5 s。算例设置如表2所示。对风电机组分别采取以下4种控制策略进行对比分析:MPPT控制;考虑转子动能反馈的虚拟惯量控制;本文方法(无闭锁控制);本文方法(有闭锁控制)。3.1不同扰动量下系统频率性能3.1.1负荷突增 5%图7为5%负荷扰动量的仿真结果。由图7(a)可知,在风电机组不参与频率调节时,系统频率跌落速度最快,对应的最低点频率为49.927 Hz。而方法24中风电机组通过利用转子能量增发功率,有效增强了系统等效惯量,从而能够减缓系统频率快速下降。当采用方法2时,系统频率低点为
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