一种双馈风电机组参与电网调频控制系统及其控制方法

摘要

本发明公开了一种双馈风电机组参与电网调频控制系统及其控制方法，包括风电机组有功控制系统和附加调频模块，所述附加调频模块包括风电机组惯性响应模块和一次调频控制模块；本发明通过惯性响应和一次调频相结合的方法设计了风电机组的频率控制策略，两类频率控制策略相互协调、统一配合，使得双馈风电机组具有与常规同步机组相似的频率响应特性。在高风电渗透率地区，双馈风电机组附加本发明的频率控制模块后，风电机组可根据电网频率的不同波动情况进行惯性支持、一次调频支持，适时的调节机组输出功率大小，即输出功率的瞬时波动和备用功率的增加或减少以进行电网频率的响应，从而提供对系统频率的辅助支撑功能以增强电网频率的稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及新能源风力发电技术领域，特别是一种双馈风电机组参与电网调频控制系统及其控制方法。

背景技术

随着风力发电在我国的应用范围越来越广泛，风力发电不断的进入到电网中，风电与电网之间相互影响的范围、程度、方式在不断深入，带来了一系列融合问题，如电压剧烈波动、微机保护误动作、频率振荡等。

目前，风力发电所引起的系统频率调节问题日益为人们所关注，针对风电所引起的电网频率问题，我国《风电场接入电网技术规定》要求，风电场具备参与电力系统调频、调峰和备用的能力，能够实现有功功率的连续平滑调节，并保证风电场有功控制系统的快速性和可靠性。现代风力发电机组以电力电子换流器为核心，具备强大的控制优势，能够适时调节自身的各种输出状态，以辅助性解决电网中所发生的电压、频率等相关问题。

由于双馈风电机组自身特有的解耦式控制方式，风力机的机械动能和电网频率之间没有直接联系，其转动惯量没有应用到电网之中，因此电网频率的瞬时波动有所增加。此外，风电场输出功率的随机性和波动性，使得电力系统需要更多的备用功率，以满足电网频率一次调节的要求，增加了系统的运行成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于功率追踪曲线的双馈风电机组参与电网调频控制系统及其控制方法，在双馈风力发电机组的转子侧换流器控制系统中，对其功率追踪模块进行优化，设计出风力发电机组参与电网调频的控制方法，即惯性响应模块和一次调频模块相融合的频率控制策略。这两种调频策略相互补充、相互协调，使得风电机组具备与传统发电机组相似的频率响应特性，对电网频率提供动态支持以保证电网的运行稳定性。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种双馈风电机组参与电网调频控制系统，其特征在于，包括风电机组有功控制系统和附加调频模块，所述附加调频模块包括风电机组惯性响应模块和一次调频控制模块；

所述风电机组有功控制系统根据风力机的实际转速由功率追踪控制模块给出有功指令，在双馈电机定子磁链矢量定向控制方法下，风电机组实现了输出有功、无功功率的解耦控制，从而完成风电机组的有功功率输出；

所述风电机组惯性响应模块可瞬时进行惯性响应，风电机组随电网频率的变化而瞬时改变功率波动量，功率波动量与功率追踪参考值之和将形成最终的风电机组输出功率参考值，从而改变风电机组的输出功率大小，减缓电网的能量突变过程；

所述一次调频控制模块在正常情况下，风电机组运行于减载功率追踪曲线上，为电网提供一定的备用功率；当电网频率发生偏差时，风电机组可以变换至相应的功率曲线上，从而增加或者减少风电机组的输出功率，完成对电网频率的一次调节过程。

一种双馈风电机组参与电网调频控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：通过电网频率测量设备实时获得电网系统的电网频率f，计算出电网频率的波动率，并根据电网频率f和额定频率f

步骤二：当电网频率的波动率大于等于0.03Hz/s时，风电机组惯性响应模块瞬时进行惯性响应，风电机组随电网频率f的变化而瞬时改变功率波动量ΔP，功率波动量Δ

步骤三：当电网频率偏差Δf大于等于0.05Hz时，双馈风电机组将启动一次调频控制模块，通过对电网频率偏差Δ

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤二中功率波动量ΔP的计算公式为：

式中，

本发明与现有技术相比，其显著优点：本发明通过惯性响应和一次调频相结合的方法设计了风电机组的频率控制策略，两类频率控制策略相互协调、统一配合，使得双馈风电机组具有与常规同步机组相似的频率响应特性。在高风电渗透率地区，双馈风电机组附加本发明的频率控制模块后，风电机组可根据电网频率的不同波动情况进行惯性支持、一次调频支持，适时的调节机组输出功率大小，即输出功率的瞬时波动和备用功率的增加或减少以进行电网频率的响应，从而提供对系统频率的辅助支撑功能以增强电网频率的稳定性。

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明双馈风电机组参与电网调频控制系统的结构示意图。

图2为本发明双馈风电机组的惯性响应过程示意图。

图3为本发明双馈风电机组的一次调频过程示意图。

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。

实施例1：

如图1所示，一种双馈风电机组参与电网调频控制系统，包括风电机组有功控制系统和附加调频模块，所述附加调频模块包括风电机组惯性响应模块和一次调频控制模块。

所述风电机组有功控制系统根据风力机的实际转速由功率追踪控制模块给出有功指令，在双馈电机定子磁链矢量定向控制方法下，风电机组实现了输出有功、无功功率的解耦控制，从而完成风电机组的有功功率输出。

所述风电机组惯性响应模块可瞬时进行惯性响应，风电机组随电网频率的变化而瞬时改变功率波动量，功率波动量与功率追踪参考值之和将形成最终的风电机组输出功率参考值，从而改变风电机组的输出功率大小，减缓电网的能量突变过程。

所述一次调频控制模块在正常情况下，风电机组运行于减载功率追踪曲线上，为电网提供一定的备用功率；当电网频率发生偏差时，风电机组可以变换至相应的功率曲线上，从而增加或者减少风电机组的输出功率，完成对电网频率的一次调节过程。

一种双馈风电机组参与电网调频控制方法，包括以下步骤：

步骤一：通过电网频率测量设备实时获得电网系统的电网频率f，计算出电网频率的波动率，并根据电网频率f和额定频率f

步骤二：当电网频率的波动率大于等于0.03Hz/s时，风电机组惯性响应模块瞬时进行惯性响应，风电机组随电网频率f的变化而瞬时改变功率波动量ΔP，功率波动量Δ

式中，

步骤三：当电网频率偏差Δf大于等于0.05Hz时，双馈风电机组将启动一次调频控制模块，通过对电网频率偏差Δ

本发明在风电机组原有控制系统的基础上，附加了风机的频率调节模块，频率调节模块可根据电网频率的实际波动状况进行风电机组的一次调频或惯性响应控制过程；当电网的运行频率偏差较大(大于0.05Hz)时，风电机组优先进行一次调频过程，所形成的变量Δ

一、风电机组的惯性响应过程

以电网频率瞬时降低为例介绍风电机组的惯性响应过程，其输出功率-转速变化轨迹如图2所示。由于系统频率瞬时降低且超过了本发明的死区范围，风机机组将立即启动惯性响应控制，通过惯量系数39.44

二、风电机组的一次调频过程

通常情况下，风电机组是在

综上所述，本发明通过惯性响应和一次调频相结合的方法设计了风电机组的频率控制策略，两类频率控制策略相互协调、统一配合，使得双馈风电机组具有与常规同步机组相似的频率响应特性。在高风电渗透率地区，双馈风电机组附加本发明的频率控制模块后，风电机组可根据电网频率的不同波动情况进行惯性支持、一次调频支持，适时的调节机组输出功率大小，即输出功率的瞬时波动和备用功率的增加或减少以进行电网频率的响应，从而提供对系统频率的辅助支撑功能以增强电网频率的稳定性。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。