本發明涉及風力發電有功功率控制領域，尤其涉及一種減載變速風電機組的系統頻率控制方法及裝置。

背景技術：

風力發電在電力系統中所占比重越來越大，尤其是變速風力發電機，由于其優越的控制性能，在電力系統中已經廣泛采用。與傳統的同步發電機相比，變速風電機組通過電力電子裝置并網，所以對電網動態表現出無慣性或弱慣性；其次，為了獲得最大的風電功率，變速風電機組一般都運行在最大功率跟蹤狀態，因而風電機組沒有有功功率儲備。這些特性使得并網風電機組基本不響應電網有功功率的變化，即不具備向電力系統提供頻率控制的能力。

然而，在弱電網、孤立電網以及風電滲透率較大的情況下，電力系統的功率不平衡時，容易引起較大的頻率變化率和頻率偏移量，從而可能導致電力系統的頻率失穩，給電力系統的安全運行帶來挑戰。

因此，目前亟需一種能夠有效控制電力系統的頻率的方法，降低電力系統的頻率變化率和頻率偏移量，保證電力系統的安全運行。

技術實現要素：

本發明實施例提供一種減載變速風電機組的系統頻率控制方法及裝置，用以降低電力系統的頻率變化率和頻率偏移量，保證電力系統的安全運行。

本發明實施例提供的一種減載變速風電機組的系統頻率控制方法，包括：

監測所述電力系統的頻率；

確定所述電力系統的頻率小于等于第一閾值后，根據預先設置的最優轉速以及將所述風電機組由初始轉速降低至所述最優轉速的時間，降低所述風電機組的轉速；所述預先設置的最優轉速位于所述風電機組的最大功率跟蹤曲線上；

確定所述風電機組的轉速降低至所述最優轉速后，控制所述風電機組停留在所述最優轉速運行，以使風電機組的減載功率和旋轉動能得以充分利用支撐系統頻率。

本發明實施例還提供一種減載變速風電機組的系統頻率的裝置，所述裝置包括監測模塊和控制模塊；

所述監測模塊，用于監測所述電力系統的頻率；

所述控制模塊，用于確定所述電力系統的頻率小于等于第一閾值后，根據預先設置的最優轉速以及將所述風電機組由初始轉速降低至所述最優轉速的時間，降低所述風電機組的轉速；所述預先設置的最優轉速位于所述風電機組的最大功率跟蹤曲線上；確定所述風電機組的轉速降低至所述最優轉速后，控制所述風電機組停留在所述最優轉速運行，以使風電機組的減載功率和旋轉動能得以充分利用支撐系統頻率。

本發明的上述實施例中，在所述電力系統的頻率小于等于第一閾值后，降低電力系統中的風電機組的轉速，且在風電機組的轉速降低至預先設置的最優轉速后，控制所述風電機組停留在所述最優轉速運行，從而實現了降低電力系統的頻率變化率和頻率偏移量，且能夠最大程度的利用風電機組的旋轉動能和減載功率，使其兼具慣性響應和一次調頻的功能。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡要介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域的普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例提供的一種減載變速風電機組的系統頻率控制方法所對應的流程示意圖；

圖2為本發明實施例中風電機組的功率曲線示意圖；

圖3為本發明實施例中K和轉速下降時間關系的計算方法示意圖；

圖4為本發明實施例中風速為10m/s時K和轉速下降時間關系示例；

圖5為本發明實施例中電力系統的頻率對比圖；

圖6為本發明實施例中仿真得到的風電機組的機械功率和輸出功率示意圖；

圖7為本發明實施例中仿真得到的風電機組轉速變化示意圖；

圖8為本發明實施例提供的一種減載變速風電機組的系統頻率的裝置的結構示意圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一步地詳細描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發明保護的范圍。

針對于在弱電網，孤立電網以及風電滲透率較大的情況下，系統功率不平衡時，容易引起較大的頻率變化率和頻率偏移量，可能導致系統頻率失穩的問題，一種現有的作法是利用減載功率對系統頻率進行控制，具體來說，為了使風電機組具有持續的有功功率儲備從而具有一次調頻的能力，風電機組需要采用超速或者變槳調節的方法實現風電機組的減載運行，使正常運行的風電機組就具有一定的有功功率儲備。當系統頻率跌落時，釋放儲備的有功功率提供系統頻率支撐。也就是說，通過下垂控制使風電機組減速，從而增大風電機組捕獲的機械能量，以增加風電機組的輸出功率實現對系統頻率的控制。

然而，本申請發明人經研究發現：由于風電機組在這一過程中將減速運行，風電機組也釋放了部分旋轉動能，而目前采用的下垂控制方法并沒有充分利用超速減載風電機組的旋轉動能，且下垂控制的參數選擇也比較困難，選擇不當容易導致風電機組過度失速而失穩。

綜上，本發明實施例提供一種更為有效的頻率控制方法，能夠降低電力系統的頻率變化率和頻率偏移量，且避免現有作法中可能導致的電力系統的頻率發生二次跌落以及下垂控制參數選擇難度高的問題。

本發明實施例從系統運行的角度出發，發揮風電機組的頻率控制作用，主要針對超速減載風電機組提供一種超速減載變速風電機組的頻率控制方法，能最大程度的利用風電機組的旋轉動能和減載功率使其兼具慣性響應和一次調頻的功能，同時本發明實施例中的方法能考慮風電機組的初始運行狀態，在頻率控制過程中確保風電機組不會過度失速，保證風電機組的穩定運行。

具體來說，電力系統的頻率下跌可以用最大頻率偏移量(Δf_max)，頻率變化率(dΔf/dt)，穩態頻率偏移量(Δf_n)，頻率下降時間(T_nadir)等指標來衡量。其中，最大頻率偏移量和頻率變化率是最重要的兩個指標，通常用來觸發電力系統中的保護和控制裝置。

在電力系統的頻率控制中，頻率變化與不平衡功率通常用下式來衡量。

其中，H表示電力系統的慣性時間常數，D表示負載阻尼系數，P_{同步發電機}表示用于頻率控制的同步發電機的功率，P_風電表示風電機組的輸出功率，P_負載代表電力系統總的負載。

從公式(1)可以看出，在電力系統由于功率不平衡引起頻率下跌的初始階段，電力系統的頻率偏移量還相對比較小，電力系統的頻率的變化率將主要取決于電力系統的不平衡功率和電力系統的慣性時間常數，而電力系統最大頻率偏移量將取決于電力系統中用于頻率控制的同步發電機的調速器特性、負荷特性等。由于風電機組的快速有功功率調整特性，風電機組可以通過變頻器快速調整輸出有功功率用于補償同步發電機相對較慢的調整特性，因而通過控制風力發電機的輸出功率可以靈活的提供系統頻率支撐，從而降低系統頻率偏移量和頻率變化率。

下面結合附圖對本發明實施例進行詳細說明。

圖1為本發明實施例提供的一種減載變速風電機組的系統頻率控制方法所對應的流程示意圖。如圖1所示，所述方法包括：

步驟101，監測所述電力系統的頻率；

步驟102，確定所述電力系統的頻率小于等于第一閾值后，根據預先設置的最優轉速以及將所述風電機組由初始轉速降低至所述最優轉速的時間，降低所述風電機組的轉速；所述預先設置的最優轉速位于所述風電機組的最大功率跟蹤曲線上；

步驟103，確定所述風電機組的轉速降低至所述最優轉速后，控制所述風電機組停留在所述最優轉速運行，以使風電機組的減載功率和旋轉動能得以充分利用支撐系統頻率。

需要說明的是，上述步驟編號僅為說明電力系統的頻率控制過程，并不對執行順序做具體限定。

由于風力發電在系統中占比越來越高，變速風電機組通過變頻器接入電網不響應系統的頻率變化，當系統發生功率不平衡時，容易引起較大的頻率變化率和系統偏移量，導致系統發生頻率失穩。因而從系統運行的角度出發，需要發揮風電機組的頻率控制作用。本發明主要針對超速減載風電機組提供一種超速減載變速風電機組的頻率控制方法，能最大程度的利用風電機組的旋轉動能和減載功率使其兼具慣性響應和一次調頻的功能，同時該方法能考慮風電機組的初始運行狀態，在頻率控制過程中確保風電機組不會過度失速，保證風電機組的穩定運行。

具體來說，本發明實施例步驟101中，可以實時監測電力系統的頻率，例如，按照設定時間周期(每隔一秒)監測電力系統的頻率。

步驟102中，第一閾值可以由本領域技術人員根據經驗設置，例如，可以設置為49.9Hz，則通過監測電力系統的頻率，確定電力系統的頻率小于等于49.9Hz后，說明需要對電力系統的頻率進行控制。

其中，將所述風電機組由初始轉速降低至所述最優轉速的時間即為風電機組釋放動能的時間，可由本領域技術人員根據經驗設置，通常取值范圍為10秒到30秒。風電機組的初始轉速是指風電機組降低轉速前的轉速。

進一步地，預先設置的最優轉速是通過如下方式確定的：根據當前風速以及所述風電機組的最大功率跟蹤曲線，得到所述預先設置的最優轉速。

下面具體說明預先設置的最優轉速的確定過程及原理。

如圖2所示，為風電機組的功率曲線示意圖，功率曲線給出了不同風速下風電機組轉速與捕獲的機械功率的關系。功率曲線一般由風電機組的參數決定，由制造商給出。

風電機組的減載功率可根據實際情況選取該風速下對應的最優功率的百分數，考慮到風電機組正常情況下就運行在減載狀態，損失部分機械功率，因而考慮到經濟性，一般選取減載10％到20％。根據所選擇的風電機組減載功率百分數，從功率曲線上得到風電機組超速減載運行的轉速ω₀，將風電機組運行在該轉速下(即為風電機組的初始轉速)。例如，如圖2中所示的10m/s風速下對應的B點。

進一步地，結合風電機組的最大功率跟蹤曲線，以風速為10m/s為例，則可得到所述預先設置的最優轉速為A點所對應的轉速，以風速為12m/s為例，則可得到所述預先設置的最優轉速為C點所對應的轉速。

進一步地，為了讓風電機組在頻率跌落的初始階段具有較高的功率輸出，而在風電機組轉速下降到所述預先設置的最優轉速時，風電機組的輸出功率逐漸減小到機械功率，平滑的過渡到最大功率跟蹤運行，本發明實施例中還包括：設定所述風電機組的功率給定值；所述功率給定值用于風電機組的機側變流器在降低所述風電機組的轉速過程中控制所述風電機組發出的功率。

設定風電機組的功率給定值為

$P_{ref}=K\×\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_r-{\mathrm{\ω}}_{opt}}{{\mathrm{\ω}}_0-{\mathrm{\ω}}_{opt}}\right)---\left(2\right)$

其中，P_ref表示所述風電機組的功率給定值，ω_r表示所述風電機組的轉速，ω₀表示所述風電機組的初始轉速，ω_opt表示所述預先設置的最優轉速，K為系數。

下面具體介紹公式(2)中K的確定過程及原理。

根據風電機組頻率控制期間的功率表達式，計算K與風電機組釋放旋轉動能時間(T_dec)的關系表。

由風電機組的固有參數，可以計算風電機組的機械能量為：

$P_m=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρAV}}_w^3{c}_p(\mathrm{\λ},\mathrm{\β})---\left(3\right)$

$c_p(\mathrm{\λ},\mathrm{\β})=c_1(\frac{c_2}{{\mathrm{\λ}}_i}-c_3\mathrm{\β}-c_4)e^{\frac{-c_5}{{\mathrm{\λ}}_i}}+c_6\mathrm{\λ}---\left(4\right)$

$\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_i}=\frac{1}{\mathrm{\λ}+0.08\mathrm{\β}}-\frac{0.035}{{\mathrm{\β}}^3+1}---\left(5\right)$

其中，ρ為空氣密度，A為風輪的掃風面積，V_w為風速，β為風電機組的槳距角，其中的系數為c₁＝0.5176，c₂＝116，c₃＝0.4，c₄＝5，c₅＝21，c₆＝0.0068，λ為葉尖速比。

電機運動方程

$2H\frac{{\mathrm{d\ω}}_r}{dt}=T_m-T_e---\left(6\right)$

式中H為風電機組的轉動慣量時間常數，為風電機組固有參數，由風電機組廠家給出。ω_r轉子轉速，T_m為風電機組的機械轉矩，T_e為風電機組的電磁轉矩。

通過上述方程，可以得到圖3所示的計算K與轉子轉速的框圖。

由圖3可以計算得到在不同的風速下，參數K與風電機組轉速ω_r的變化情況。當風電機組轉速由ω₀下降到ω_opt時所持續的時間即為風電機組釋放旋轉動能的時間T_dec，改變K的值，可以得到參數K與T_dec的關系。如圖4所示，為H＝2秒，風速為10m/s的計算結果。通過計算得到不同風速下K與T_dec的關系，將結果保存，從而用于在風電機組實際運行中，根據實際風速和設定的T_dec得到參數K。

設定風電機組釋放旋轉動能的時間T_dec，根據上述得到的K與T_dec的關系、以及當前風速和釋放旋轉動能的時間T_dec，通過查表可以得到參數K的值。

步驟103中，確定所述風電機組的轉速降低至所述最優轉速后，控制所述風電機組停留在所述最優轉速運行，因此不會出現風電機組的轉速下降過大而造成失穩，且由于風電機組最終停留在最優轉速，風電機組的減載功率能夠得到充分利用。

本發明實施例中，通過上述步驟101至步驟103，監測電力系統的頻率變化，例如，電力系統的額定頻率為50Hz，當系統頻率下跌超過所設定的死區值(即是指第一閾值)時(如49.9Hz)，觸發風電機組的頻率控制器，使風電機組參與系統頻率控制，并按照設定的功率給定值發出有功功率。

下面結合一個具體實施例對本發明進行說明。

采用Matlab/Simulink搭建電力系統對本發明實施例中的方法進行仿真。該系統包含兩臺同步發電機G1和G2用于模擬近端和遠端電源。G1和G2的額定容量分別為1500MW和6000WM。系統包含一個額定容量為500MW的風電場，該風電場采用一臺基于永磁同步發電機的全功率變速風電機組模擬，風電機組慣性時間常數為H＝2秒。系統的頻率通過測量風電機組接入點的電壓來獲得。仿真中設定風速10米/秒，風電機組減載初始轉速ω₀＝1.19pu，ω_opt＝1pu，選擇的風電機組頻率控制轉速下降時間T_dec＝10s，得到的參數K＝0.35。頻率的死區設為49.95Hz。

在5s時給負載1增加300MW負荷，從而引起系統頻率下降。在5.7s時檢測到系統頻率下降超過49.95Hz，隨即觸發風電機組的頻率控制器。圖5所示為系統的頻率，由仿真結果可以看出由于將風電機組引入系統頻率控制，系統的頻率下降率和最大頻率偏移量以及穩態頻率偏移量均顯著減小。圖6所示為風電機組的機械功率和輸出功率，機械功率由180MW增加至200MW，風電機組所增加的機械功率為超速減載的功率。兩條曲線的差值表示風電機組依靠旋轉動能所釋放的功率，在頻率跌落初期輸出功率達到355MW。風電機組的轉速如圖7所示，風電機組初始減載運行在1.19pu，觸發頻率控制后，轉速開始下降，10秒后轉速到達最優轉速1.0pu。

本發明實施例中的頻率控制方法充分考慮了風電機組的運行特性，根據風電機組在進行系統頻率控制前的運行狀態，獲得風電機組的頻率控制器參數，使風電機組的旋轉動能和減載功率在頻率控制期間充分利用。采用本發明實施例中的方法，風電機組在頻率跌落的初始階段利用旋轉動能，使風電機組具有較高的功率輸出，從而對系統頻率變化率將起到有效的支撐。按照本發明實施例中的方法，風電機組減速后將停留在最優轉速運行，不會出現風電機組的轉速下降過大而造成失穩，由于風電機組最終停留在最優轉速，風電機組的減載功率得到充分利用。

由上述實施例可知，本發明中的控制方法充分考慮了風電機組的運行特性，根據風電機組在進行系統頻率控制前的運行狀態，獲得風電機組的頻率控制器參數，使風電機組的旋轉動能在頻率控制期間充分利用。采用本發明中的控制方法，風電機組在頻率跌落的初始階段利用旋轉動能，使風電機組具有較高的功率輸出，從而對系統頻率變化率將起到有效的支撐。

針對上述方法流程，本發明實施例還提供一種減載變速風電機組的系統頻率的裝置，該裝置的具體內容可以參照上述方法實施。

基于相同構思，圖8為本發明實施例提供的一種減載變速風電機組的系統頻率的裝置的結構示意圖，用于執行以上控制方法，所述裝置包括監測模塊801和控制模塊802；

所述監測模塊801，用于監測所述電力系統的頻率；

所述控制模塊802，用于確定所述電力系統的頻率小于等于第一閾值后，根據預先設置的最優轉速以及將所述風電機組由初始轉速降低至所述最優轉速的時間，降低所述風電機組的轉速；所述預先設置的最優轉速位于所述風電機組的最大功率跟蹤曲線上；確定所述風電機組的轉速降低至所述最優轉速后，控制所述風電機組停留在所述最優轉速運行，以使風電機組的減載功率和旋轉動能得以充分利用支撐系統頻率。

可選地，所述控制模塊802通過如下方式確定所述預先設置的最優轉速：

根據在當前風速以及所述風電機組的最大功率跟蹤曲線，得到所述預先設置的最優轉速。

可選地，所述控制模塊802還用于：

設定所述風電機組的功率給定值；所述功率給定值用于在降低所述風電機組的轉速過程中控制所述風電機組發出的功率。

可選地，所述控制模塊802通過如下方式設定所述風電機組的功率給定值：

$P_{ref}=K\×\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_r-{\mathrm{\ω}}_{opt}}{{\mathrm{\ω}}_0-{\mathrm{\ω}}_{opt}}\right)$

其中，P_ref表示所述風電機組的功率給定值，ω_r表示所述風電機組的轉速，ω₀表示所述風電機組的初始轉速，ω_opt表示所述預先設置的最優轉速，K為系數。

從上述內容可以看出：本發明實施例中，監測所述電力系統的頻率，確定所述電力系統的頻率小于等于第一閾值后，根據預先設置的最優轉速以及將所述風電機組由初始轉速降低至所述最優轉速的時間，降低所述風電機組的轉速，并在確定所述風電機組的轉速降低至所述最優轉速后，控制所述風電機組停留在所述最優轉速運行，從而實現了降低電力系統的頻率變化率和頻率偏移量，且能夠最大程度的利用風電機組的旋轉動能和減載功率，使其兼具慣性響應和一次調頻的功能。

本領域內的技術人員應明白，本發明的實施例可提供為方法、或計算機程序產品。因此，本發明可采用完全硬件實施例、完全軟件實施例、或結合軟件和硬件方面的實施例的形式。而且，本發明可采用在一個或多個其中包含有計算機可用程序代碼的計算機可用存儲介質(包括但不限于磁盤存儲器、CD-ROM、光學存儲器等)上實施的計算機程序產品的形式。

本發明是參照根據本發明實施例的方法、設備(系統)、和計算機程序產品的流程圖和/或方框圖來描述的。應理解可由計算機程序指令實現流程圖和/或方框圖中的每一流程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結合。可提供這些計算機程序指令到通用計算機、專用計算機、嵌入式處理機或其他可編程數據處理設備的處理器以產生一個機器，使得通過計算機或其他可編程數據處理設備的處理器執行的指令產生用于實現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的裝置。

這些計算機程序指令也可存儲在能引導計算機或其他可編程數據處理設備以特定方式工作的計算機可讀存儲器中，使得存儲在該計算機可讀存儲器中的指令產生包括指令裝置的制造品，該指令裝置實現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能。

這些計算機程序指令也可裝載到計算機或其他可編程數據處理設備上，使得在計算機或其他可編程設備上執行一系列操作步驟以產生計算機實現的處理，從而在計算機或其他可編程設備上執行的指令提供用于實現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的步驟。

盡管已描述了本發明的優選實施例，但本領域內的技術人員一旦得知了基本創造性概念，則可對這些實施例作出另外的變更和修改。所以，所附權利要求意欲解釋為包括優選實施例以及落入本發明范圍的所有變更和修改。

顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和范圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。