本發(fā)明涉及一種建立雙饋分布式風(fēng)電系統(tǒng)低階頻率響應(yīng)模型的方法，屬于分布式風(fēng)電系統(tǒng)頻率特性分析與控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

由于風(fēng)電機組出力的波動性與隨機性，而且風(fēng)電機組多采用了電力電子器件，導(dǎo)致其發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率解耦，那么隨著大量的風(fēng)電機組接入電網(wǎng)，勢必改變傳統(tǒng)電網(wǎng)的頻率動態(tài)特性，進而影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

在1990年由andersonp.m首次提出的傳統(tǒng)低階頻率響應(yīng)模型，已在過去二十幾年被成熟且廣泛應(yīng)用。該模型提出的核心簡化思想是僅考慮影響系統(tǒng)動態(tài)行為的主導(dǎo)模態(tài)，忽略其他所有次要模態(tài)，這樣既保證了模型精度，又大大簡化了模型復(fù)雜度。但該傳統(tǒng)低階頻率響應(yīng)模型已無法適用于目前新出現(xiàn)的雙饋分布式風(fēng)電系統(tǒng)。針對雙饋風(fēng)電機組對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響一些相關(guān)文獻進行研究，由林今，李國杰，孫元章，黎雄等發(fā)表的《雙饋風(fēng)電機組的小信號分析及其控制系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化》的論文中，發(fā)現(xiàn)只有與雙饋風(fēng)電機組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相關(guān)的模態(tài)才是影響系統(tǒng)動態(tài)行為的主導(dǎo)模態(tài)。因此在該研究成果以及傳統(tǒng)低階頻率響應(yīng)模型基礎(chǔ)上，如何建立新的適用于雙饋分布式風(fēng)電系統(tǒng)低階頻率響應(yīng)模型，成為了目前研究的新方向。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服傳統(tǒng)低階頻率響應(yīng)模型無法適用目前雙饋分布式風(fēng)電系統(tǒng)的缺陷，同時由于采用詳細模型進行分析時需要大量的建模工作和仿真時間，提供一種建立雙饋分布式風(fēng)電系統(tǒng)低階頻率響應(yīng)模型的方法。

本發(fā)明為解決以上技術(shù)問題，采用以下技術(shù)方案：

一種建立雙饋分布式風(fēng)電系統(tǒng)低階頻率響應(yīng)模型的方法，包括以下步驟：

1)根據(jù)雙饋風(fēng)電機組在低、中、高風(fēng)速區(qū)間不同的頻率控制策略，提出雙饋風(fēng)電機組詳細模型在不同風(fēng)速區(qū)間的簡化方法；

2)建立中、高風(fēng)速區(qū)間雙饋風(fēng)電機組簡化小信號狀態(tài)方程；

3)推導(dǎo)出中、高風(fēng)速區(qū)間雙饋風(fēng)電機組額外輸出有功功率與風(fēng)電系統(tǒng)頻率偏差之間的傳遞函數(shù)關(guān)系；

4)將低、中、高風(fēng)速區(qū)間雙饋風(fēng)電機組額外輸出有功功率，分別乘以然后接入到傳統(tǒng)低階頻率響應(yīng)模型中去，從而最終得到適用于雙饋分布式風(fēng)電系統(tǒng)在低、中、高風(fēng)速區(qū)間的低階頻率響應(yīng)模型，其中，lp為雙饋風(fēng)電機組裝機容量占風(fēng)電系統(tǒng)總裝機容量百分比。

前述的步驟1)中，雙饋風(fēng)電機組在低風(fēng)速區(qū)間的頻率控制策略為：當風(fēng)速vw處于低風(fēng)速區(qū)間時，即0≤vw≤vwcutin，vwcutin為切入風(fēng)速，此時為了保證雙饋風(fēng)電機組穩(wěn)定運行，不向系統(tǒng)提供頻率控制；

因此，雙饋風(fēng)電機組詳細模型在低風(fēng)速區(qū)間的簡化方法為：雙饋風(fēng)電機組向風(fēng)電系統(tǒng)額外輸出有功功率為零，即：

δpe_low＝0(1)

δpe_low為低風(fēng)速區(qū)間雙饋風(fēng)電機組向風(fēng)電系統(tǒng)額外輸出有功功率。

前述的步驟1)中，雙饋風(fēng)電機組在中風(fēng)速區(qū)間的頻率控制策略為：當風(fēng)速vw處于中風(fēng)速區(qū)間時，即vwcutin＜vw＜vwrate，vwcutin為切入風(fēng)速，vwrate為額定風(fēng)速，雙饋風(fēng)電機組整個頻率控制過程僅調(diào)節(jié)雙饋風(fēng)電機組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，槳距角不需要動作，此時槳距角β＝0°；

因此，雙饋風(fēng)電機組詳細模型在中風(fēng)速區(qū)間的簡化方法為：根據(jù)雙饋風(fēng)電機組在中風(fēng)速區(qū)間的頻率控制策略以及已有的雙饋風(fēng)電機組詳細模型小信號分析結(jié)果：只有與雙饋風(fēng)電機組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相關(guān)的模態(tài)才是影響風(fēng)電系統(tǒng)動態(tài)行為的主導(dǎo)模態(tài)，則在中風(fēng)速區(qū)間，從風(fēng)電系統(tǒng)頻率動態(tài)特性角度出發(fā)，將雙饋風(fēng)電機組詳細模型簡化為如下式：

其中，pm_mid,pe_mid分別為在中風(fēng)速區(qū)間時雙饋風(fēng)電機組輸入的機械功率與輸出的有功功率，hdg1為雙饋風(fēng)電機組慣性時間常數(shù)，ρ為空氣密度，r為風(fēng)輪半徑，ωr為雙饋風(fēng)電機組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，vw0為雙饋風(fēng)電機組參與頻率控制時的實時風(fēng)速，cp(·)是風(fēng)能利用系數(shù)表達式，fn為系統(tǒng)額定頻率，g是齒輪增速比，p為發(fā)電機極對數(shù)，d％為雙饋風(fēng)電機組初始減載率，λopt最優(yōu)葉尖速比，cpmax為最大風(fēng)力利用系數(shù)，ωs為風(fēng)電系統(tǒng)實時頻率，ωsn為風(fēng)電系統(tǒng)額定頻率，kp,kd分別為雙饋風(fēng)電機組頻率輔助控制器比例系數(shù)與微分系數(shù)。

前述的步驟1)中，雙饋風(fēng)電機組在高風(fēng)速區(qū)間的頻率控制策略為：當風(fēng)速vw處于高風(fēng)速區(qū)間時，即vwrate≤vw≤vwcutout，vwcutout為切出風(fēng)速，在高風(fēng)速區(qū)間雙饋風(fēng)電機組會受到最大允許轉(zhuǎn)速ωrmax與額定轉(zhuǎn)矩trated限制，因此雙饋風(fēng)電機組只能依靠槳距角動作來完成整個頻率控制過程；

因此，雙饋風(fēng)電機組詳細模型在高風(fēng)速區(qū)間的簡化方法為：根據(jù)雙饋風(fēng)電機組在高風(fēng)速區(qū)間的頻率控制策略，并只考慮主導(dǎo)模態(tài)，此時雙饋風(fēng)電機組詳細模型可簡化為：

其中，pm_hig,pe_hig分別為雙饋風(fēng)電機組在高風(fēng)速區(qū)間時輸入的機械功率與輸出的有功功率，β為槳距角，tservo為槳距角執(zhí)行機構(gòu)時間常數(shù)，x1為中間變量，kp_blade,ki_blade為槳距角pi控制器參數(shù)。

前述的步驟2)中，雙饋風(fēng)電機組在中風(fēng)速區(qū)間的簡化小信號狀態(tài)方程為：

其中，x＝[ωr]為狀態(tài)變量，y＝[pe_mid]為輸出變量，u＝[ωsrocωs]為輸入變量，cmid＝[bmid]，dmid＝[-kp-kd]，δ為增量符號，ωr0為雙饋風(fēng)電機組初始轉(zhuǎn)速。

前述的步驟2)中，雙饋風(fēng)電機組在高風(fēng)速區(qū)間的簡化小信號狀態(tài)方程為：

其中,x＝[ωrx1β]^t為狀態(tài)變量,u＝[ωsrocωs]^t為輸入變量，y＝[pe_hig]為輸出變量，chig＝[bhig00]，

dhig＝[-kp-kd]，bhig＝(1-d％)trated，β0為初始減載備用運行狀態(tài)下的槳距角，pm為雙饋風(fēng)電機組輸入的機械有功功率。

前述的步驟3)中，中風(fēng)速區(qū)間雙饋風(fēng)電機組額外輸出有功功率δpe_mid與風(fēng)電系統(tǒng)頻率偏差δωs之間的傳遞函數(shù)關(guān)系為：

其中，s為復(fù)變量。

前述的步驟3)中，高風(fēng)速區(qū)間雙饋風(fēng)電機組額外輸出有功功率δpe_hig與風(fēng)電系統(tǒng)頻率偏差δωs之間的傳遞函數(shù)關(guān)系為：

其中，

h(s)＝2hdg1ωrmaxtservos³+[2hdg1ωrmax-tservo(ahig-bhig)]s²-(ahig-bhig+chigkp_blade)s-chigki_blade。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明達到的有益效果是：(1)首先克服了傳統(tǒng)低階頻率響應(yīng)模型無法適用目前新出現(xiàn)的雙饋分布式風(fēng)電系統(tǒng)的缺陷；(2)與采用詳細模型相比，本發(fā)明提出的新模型大大簡化了建模工作，可為今后分析雙饋分布式風(fēng)電系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性提供有效便捷的途徑，從而為雙饋風(fēng)電機組頻率控制技術(shù)的實施提供參考依據(jù)。

附圖說明

圖1是傳統(tǒng)低階頻率響應(yīng)模型；

圖2是本發(fā)明建立雙饋分布式風(fēng)電系統(tǒng)在低風(fēng)速區(qū)間的低階頻率響應(yīng)模型；

圖3是本發(fā)明建立雙饋分布式風(fēng)電系統(tǒng)在中風(fēng)速區(qū)間的低階頻率響應(yīng)模型；

圖4是本發(fā)明建立雙饋分布式風(fēng)電系統(tǒng)在高風(fēng)速區(qū)間的低階頻率響應(yīng)模型。

具體實施方式

下面對本發(fā)明作進一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護范圍。

本發(fā)明首先提出了雙饋風(fēng)電機組在低、中、高不同風(fēng)速區(qū)間的簡化模型，然后根據(jù)小信號分析理論推導(dǎo)出雙饋風(fēng)電機組額外輸出的有功功率與系統(tǒng)頻率偏差的關(guān)系式；最后再將所推導(dǎo)低、中、高風(fēng)速區(qū)間時的額外有功功率與系統(tǒng)頻率偏差的關(guān)系式與傳統(tǒng)低階頻率響應(yīng)模型進行整合，從而可建立在低、中、高風(fēng)速區(qū)間時的雙饋分布式風(fēng)電系統(tǒng)的低階頻率響應(yīng)模型。具體如下：

步驟1，根據(jù)雙饋風(fēng)電機組在低、中、高風(fēng)速區(qū)間不同的頻率控制策略，提出雙饋風(fēng)電機組詳細模型在不同風(fēng)速區(qū)間的簡化方法；

雙饋風(fēng)電機組在低風(fēng)速區(qū)間的頻率控制策略為：當風(fēng)速vw處于低風(fēng)速區(qū)間時，即0≤vw≤vwcutin，vwcutin為切入風(fēng)速，此時為了優(yōu)先保證雙饋風(fēng)電機組穩(wěn)定運行，不向系統(tǒng)提供頻率控制。

因此，雙饋風(fēng)電機組詳細模型在低風(fēng)速區(qū)間的簡化方法為：由于雙饋風(fēng)電機組不向系統(tǒng)提供頻率控制，因此在風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)生擾動時，雙饋風(fēng)電機組向風(fēng)電系統(tǒng)額外提供(或吸收)的有功功率為零，即可用式(1)表達：

δpe_low＝0(1)

δpe_low為雙饋風(fēng)電機組向風(fēng)電系統(tǒng)提供的有功功率。

雙饋風(fēng)電機組在中風(fēng)速區(qū)間的頻率控制策略為：當風(fēng)速vw處于中風(fēng)速區(qū)間時，即vwcutin＜vw＜vwrate，vwrate為額定風(fēng)速，雙饋風(fēng)電機組由于在中風(fēng)速區(qū)間，整個頻率控制過程僅調(diào)節(jié)雙饋風(fēng)電機組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，槳距角不需要動作(此時槳距角β＝0°)。

因此，雙饋風(fēng)電機組詳細模型在中風(fēng)速區(qū)間的簡化方法為：根據(jù)雙饋風(fēng)電機組在中風(fēng)速區(qū)間的頻率控制策略以及已有的雙饋風(fēng)電機組詳細模型小信號分析結(jié)果：只有與雙饋風(fēng)電機組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相關(guān)的模態(tài)才是影響風(fēng)電系統(tǒng)動態(tài)行為的主導(dǎo)模態(tài)。那么在中風(fēng)速區(qū)間，從系統(tǒng)頻率動態(tài)特性角度出發(fā)，可以將雙饋風(fēng)電機組詳細模型簡化為如下式：

式中，pm_mid,pe_mid分別為在中風(fēng)速區(qū)間時雙饋風(fēng)電機組輸入的機械功率與輸出的有功功率；hdg1為雙饋風(fēng)電機組慣性時間常數(shù)；ρ為空氣密度；r為風(fēng)輪半徑；ωr為雙饋風(fēng)電機組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；vw0為雙饋風(fēng)電機組參與頻率控制時的實時風(fēng)速，cp(·)是風(fēng)能利用系數(shù)表達式；fn為系統(tǒng)額定頻率(有名值)，g是齒輪增速比；p為發(fā)電機極對數(shù)；d％為雙饋風(fēng)電機組初始減載率；λopt最優(yōu)葉尖速比；cpmax為最大風(fēng)力利用系數(shù)；ωs為系統(tǒng)實時頻率(標幺值)；ωsn為系統(tǒng)額定頻率(標幺值)；kp,kd分別為雙饋風(fēng)電機組頻率輔助控制器比例系數(shù)與微分系數(shù)。

雙饋風(fēng)電機組在高風(fēng)速區(qū)間的頻率控制策略為：當風(fēng)速vw處于高風(fēng)速區(qū)間時，即vwrate≤vw≤vwcutout，vwcutout為切出風(fēng)速。在高風(fēng)速區(qū)間雙饋風(fēng)電機組會受到最大允許轉(zhuǎn)速ωrmax與額定轉(zhuǎn)矩trated限制，因此雙饋風(fēng)電機組只能依靠槳距角動作來完成整個頻率控制過程。

因此，雙饋風(fēng)電機組詳細模型在高風(fēng)速區(qū)間的簡化方法為：同樣根據(jù)雙饋風(fēng)電機組在高風(fēng)速區(qū)間的頻率控制策略，并只考慮主導(dǎo)模態(tài)，此時雙饋風(fēng)電機組詳細模型可簡化為：

式(3)中，pm_hig,pe_hig分別為雙饋風(fēng)電機組在高風(fēng)速區(qū)間時輸入的機械功率與輸出的有功功率；β為槳距角，tservo為槳距角執(zhí)行機構(gòu)時間常數(shù)；x1為中間變量；kp_blade,ki_blade為槳距角pi控制器參數(shù)。

步驟2，進一步建立中、高風(fēng)速區(qū)間雙饋風(fēng)電機組簡化小信號狀態(tài)方程；

雙饋風(fēng)電機組在中風(fēng)速區(qū)間的簡化小信號狀態(tài)方程推導(dǎo)過程為：

選取狀態(tài)變量x＝[ωr]，輸出變量y＝[pe_mid]以及輸入變量u＝[ωsrocωs]，可以將步驟1所推導(dǎo)的式(2)轉(zhuǎn)化為如式(4)所示的小信號狀態(tài)方程：

式(4)中，cmid＝[bmid],

dmid＝[-kp-kd],δ為增量符號，

ωr0為雙饋風(fēng)電機組初始轉(zhuǎn)速。

雙饋風(fēng)電機組在高風(fēng)速區(qū)間的簡化小信號狀態(tài)方程推導(dǎo)過程為：

選取狀態(tài)變量x＝[ωrx1β]^t,輸入變量u＝[ωsrocωs]^t,輸出變量y＝[pe_hig],可以將步驟1所推導(dǎo)的式(3)轉(zhuǎn)換成如式(5)所示的小信號狀態(tài)方程：

其中,

chig＝[bhig00]，

dhig＝[-kp-kd]，bhig＝(1-d％)trated，β0為初始減載備用運行狀態(tài)下的槳距角，pm為雙饋風(fēng)電機組輸入的機械有功功率。

步驟3，根據(jù)式(4)、(5)進一步推導(dǎo)出中、高風(fēng)速區(qū)間雙饋風(fēng)電機組額外輸出有功功率與系統(tǒng)頻率偏差之間的傳遞函數(shù)關(guān)系；

中風(fēng)速區(qū)間雙饋風(fēng)電機組額外輸出的有功功率δpe_mid與系統(tǒng)頻率偏差δωs之間的傳遞函數(shù)關(guān)系式為：

其中，s為復(fù)變量。

高風(fēng)速區(qū)間雙饋風(fēng)電機組額外輸出的有功功率δpe_hig與系統(tǒng)頻率偏差δωs之間的關(guān)系式為：

其中，

h(s)＝2hdg1ωrmaxtservos³+[2hdg1ωrmax-tservo(ahig-bhig)]s²-(ahig-bhig+chigkp_blade)s-chigki_blade。

步驟4，建立總裝機容量為sn的雙饋分布式風(fēng)電系統(tǒng)在低、中、高風(fēng)速區(qū)間的低階頻率響應(yīng)模型，所涉及的雙饋分布式風(fēng)電系統(tǒng)只有火電機組和雙饋風(fēng)電機組作為發(fā)電單元，其中雙饋風(fēng)電機組裝機容量占比為lp：以雙饋分布式風(fēng)電系統(tǒng)中的火電機組裝機額定容量(1-lp)sn作為基準，那么分別將δpe_low、δpe_mid、δpe_hig即式(1)、(6)、(7)乘以后，則可以得到占系統(tǒng)裝機總?cè)萘空急葹閘p的雙饋風(fēng)電機組在低、中、高風(fēng)速區(qū)間向系統(tǒng)輸出的額外有功功率(標幺值)分別為δp'e_low＝0，

然后再分別按照圖2、圖3、圖4虛線框所示方法接入到傳統(tǒng)低階頻率響應(yīng)模型，從而最終可以分別建立如圖2、圖3、圖4所示的雙饋分布式風(fēng)電系統(tǒng)在低、中、高風(fēng)速區(qū)間的低階頻率響應(yīng)模型。圖1、2、3、4所涉及到的參數(shù)解釋如下：hdg2為火電機組慣性時間常數(shù)；ddg2為火電機組阻尼系數(shù)；req為調(diào)差系數(shù)；tr為蒸汽容積時間常數(shù)；fhp為高壓缸穩(wěn)態(tài)輸出功率占或火電機組總輸出功率百分比；km為功率因數(shù)相關(guān)的系數(shù)；δpl為系統(tǒng)負荷擾動。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。