本發(fā)明涉及機組調(diào)頻技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及風電機組協(xié)同調(diào)頻最優(yōu)退出時間的確定方法。

背景技術(shù)：

雙饋型風機是目前風電機組中的主流機型，它的轉(zhuǎn)子經(jīng)變流器接入電網(wǎng)。運用電力電子技術(shù)對變流器進行控制便可以實現(xiàn)風機輸出功率的調(diào)節(jié)，使風機運行在最大功率跟蹤模式下，以提高風能的利用效率。但同時變流器使風機與電網(wǎng)解耦，導致風機不能響應(yīng)電力系統(tǒng)頻率的變化；在如今風電滲透率越來越高的情況下，電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定將會因此而受到威脅，由此可見風電場參與電力系統(tǒng)調(diào)頻的必要性。

風電機組的調(diào)頻控制方法可以分為短期調(diào)頻和長期調(diào)頻兩種。其中長期調(diào)頻是通過改變槳距角或轉(zhuǎn)子穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速使風機偏離最大功率跟蹤點，以獲得一部分備用容量，這會降低風電場的經(jīng)濟效益，不是本申請討論的重點；短期調(diào)頻則是通過變流器的控制調(diào)整風機的輸出功率，使風機能夠迅速響應(yīng)系統(tǒng)頻率的變化。短期調(diào)頻分為槳距角動作和槳距角不動作兩種方式。若槳距角不動作，則風機額外輸出的能量都來自轉(zhuǎn)子動能的釋放，這種控制方式叫做虛擬慣量控制。此時由于轉(zhuǎn)子存儲的動能有限，當風機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速下降至機組轉(zhuǎn)速下限時，風機必須退出調(diào)頻。若調(diào)頻期間槳距角能夠跟隨輸出功率的變化調(diào)節(jié)輸入功率，則風機不會面臨轉(zhuǎn)速下降的問題，但受到變流器容量的限制，風機也需要退出調(diào)頻。

風機在退出調(diào)頻時，其輸出功率會迅速下降，引起頻率的二次跌落。針對這一問題，國內(nèi)外學者提出了一些解決方法。文獻“何成明,王洪濤,孫華東,等.變速風電機組調(diào)頻特性分析及風電場時序協(xié)同控制策略[J].電力系統(tǒng)自動化,2013,37(9):1-6”及“Keung P K,Li P,Banakar H,et al.Kinetic Energy of Wind-Turbine Generators for System Frequency Support[J].IEEE Transactions on Power Systems,2009,24(1):279-287.”提出了各風機在不同時刻分散退出的方法，以緩和風電場功率下降對系統(tǒng)頻率造成的影響；文獻“李和明,張祥宇,王毅,等.基于功率跟蹤優(yōu)化的雙饋風力發(fā)電機組虛擬慣性控制技術(shù)[J].中國電機工程學報,2012,32(7):32-39.”通過不斷地修改功率追蹤曲線的方法使風機平穩(wěn)地恢復至最大功率跟蹤(MPPT)點，以防止產(chǎn)生功率落差。文獻“Mauricio J M,Marano A,Gomez-Exposito A,et al.Frequency Regulation Contribution Through Variable-Speed Wind Energy Conversion Systems[J].IEEE Transactions on Power Systems,2009,24(1):173-180.”附加了一個PI控制器，使風機轉(zhuǎn)速在調(diào)頻過程中就向MPPT點的轉(zhuǎn)速靠攏，以抑制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的下降，避免轉(zhuǎn)速降至下限時風機退出調(diào)頻而導致功率迅速下降。

以上這些方法都是從風機自身的角度出發(fā)，減小其退出調(diào)頻對電力系統(tǒng)頻率造成的影響，沒有定量分析電力系統(tǒng)頻率與機組輸出功率之間的關(guān)系，且需要修改風機原有的控制方式，參數(shù)整定比較復雜。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明公開了風電機組協(xié)同調(diào)頻最優(yōu)退出時間的確定方法，本申請的目的是：從電力系統(tǒng)的頻率響應(yīng)入手，探討如何使電力系統(tǒng)頻率在風機退出調(diào)頻后平穩(wěn)地向其穩(wěn)態(tài)值過渡。以二次跌落后頻率的極小值最大為依據(jù)，推導了風機參與調(diào)頻時的最優(yōu)退出調(diào)頻時刻。仿真結(jié)果表明，本申請?zhí)岢龅姆椒軌蛴行б种祁l率的二次跌落。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體方案如下：

風電機組協(xié)同調(diào)頻最優(yōu)退出時間的確定方法，包括以下步驟：

忽略風電機組退出調(diào)頻后的功率恢復過程，將調(diào)頻期間風電機組的輸出功率等效為兩個階躍函數(shù)；

根據(jù)階躍函數(shù)得出調(diào)頻期間電力系統(tǒng)的頻率響應(yīng)為擾動發(fā)生時刻電力系統(tǒng)中的功率不平衡量引起的頻率響應(yīng)及風電場退出調(diào)頻時的功率變化量引起的頻率響應(yīng)；

以風機退出調(diào)頻后頻率的極小值最大為依據(jù)選取最優(yōu)退出時間：令頻率偏移對時間的偏導為零，得到退出調(diào)頻后頻率的極小值出現(xiàn)的時間，將極小值出現(xiàn)的時間代入頻率偏移的表達式，并令其對退出時間的偏導為零，即可得最優(yōu)退出時間。

進一步的，調(diào)頻期間電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)為

Δf＝ΔP₁c(t)+ΔP₂u(t-t_off)c(t-t_off)

＝Δf₁(t)+Δf₂(t)

式中，Δf₁(t)＝ΔP₁c(t)，Δf₂(t)＝ΔP₂u(t-t_off)c(t-t_off)，它們分別是ΔP₁和ΔP₂引起的頻率響應(yīng)，c(t)是電力系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)，ΔP₁是擾動發(fā)生時刻電力系統(tǒng)中的功率不平衡量，ΔP₂是風電場退出調(diào)頻時的功率變化量，t_off是風機退出調(diào)頻的時間，u(t-t_off)是向右平移t_off個單位后的單位階躍函數(shù)。

進一步的，c(t)是電力系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)，采用頻率響應(yīng)模型SFR時，其表達式為：

其中，D為發(fā)電機等效阻尼系數(shù)；R為調(diào)節(jié)器調(diào)差系數(shù)；K_m為與發(fā)電機功率因數(shù)和備用系數(shù)相關(guān)的系數(shù)。

進一步的，電力系統(tǒng)相關(guān)的參數(shù)為：

其中，D為發(fā)電機等效阻尼系數(shù)，T_R為原動機再熱時間常數(shù)；F_H為原動機高壓缸做功比例，H為發(fā)電機慣性時間常數(shù)。ω_n是無阻尼自然振蕩角頻率,ξ系統(tǒng)阻尼比,α推導的中間變量,ω_r系統(tǒng)的阻尼振蕩角頻率,φ頻率響應(yīng)的初相角。

進一步的，令頻率偏移對時間的偏導為零，得到退出調(diào)頻后頻率的極小值出現(xiàn)的時間：

進一步的，將解出的極小值出現(xiàn)的時間t代入頻率偏移的表達式，并令其對退出時間的偏導為零，即可得最優(yōu)退出時間t_opt

進一步的，根據(jù)確定最優(yōu)退出時間的方程：

及與上述等價的公式：

得出：風電機組退出時間取得最優(yōu)的充要條件是Δf₁對時間的偏導為零的點t_1max和Δf₂對時間的偏導為零的點t_2min的同時出現(xiàn)。

進一步的，根據(jù)系統(tǒng)頻率響應(yīng)得出：t_1max是Δf₁在時間區(qū)間[t_off,+∞)內(nèi)的第一個極大值點，t_2min是Δf₂在[t_off,+∞)內(nèi)的第一個極小值點。

進一步的，根據(jù)Δf₁的第一個極小值點t_1min和第一個極大值點t_1max，Δf₂的極值點由Δf₁的極值點平移得到，那么當風電機組在最優(yōu)時刻退出時，Δf₂的第一個極小值點為

t_2min＝t_1min+t_opt。

進一步的，根據(jù)t_2min＝t_1max，得出：

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明利用頻率響應(yīng)模型(SFR)推導了風機退出調(diào)頻后頻率最小值的表達式，并在此基礎(chǔ)上計算了最優(yōu)退出時刻，此最優(yōu)退出時刻只與電力系統(tǒng)的參數(shù)有關(guān)，與擾動大小及風機參數(shù)無關(guān)。當風機在最優(yōu)退出時刻退出調(diào)頻時，頻率的二次跌落可以最大程度地得到削弱。仿真結(jié)果表明，在本文所提策略的控制下，風電場退出調(diào)頻不會引起明顯的頻率跌落。

附圖說明

圖1方波式調(diào)頻的輸出功率；

圖2(a)負荷擾動引起的功率不平衡量；

圖2(b)風機參與調(diào)頻引起的功率不平衡量；

圖2(c)系統(tǒng)中總的功率不平衡量；

圖3仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖4電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細說明：

在文獻“Temporary primary frequency control support by variable speed wind turbines-potential and applications”提出的調(diào)頻方法的基礎(chǔ)上對雙饋風機進行控制。正常情況下，依據(jù)功率跟蹤曲線生成風機參考功率Ptr；需要風機參與調(diào)頻時，風機切換到調(diào)頻模式，其輸出功率跳變?yōu)槟Ｊ角袚Q前一時刻的參考功率Ptr0與功率增量ΔPf之和。調(diào)頻期間功率增量ΔPf由轉(zhuǎn)子中存儲的動能提供，因此期間轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速會不斷下降；當?shù)竭_機組允許的最低轉(zhuǎn)速時(本申請取為0.7pu)，風機必須退出調(diào)頻，切換回正常模式。采用方波式調(diào)頻時，風機的輸出功率如圖1所示。當風機退出調(diào)頻時，功率的突然降落會引起頻率的二次跌落。

系統(tǒng)頻率響應(yīng)：忽略風機退出調(diào)頻后的功率恢復過程，那么調(diào)頻期間風機的輸出功率可以等效為兩個階躍函數(shù)，如圖2(a)-圖2(c)所示，其中，圖2(b)代表風機的輸出功率，圖2(b)中的曲線由兩個階躍函數(shù)疊加而成，t₀是擾動發(fā)生的時間，t_off是風機退出調(diào)頻的時間，ΔP_L是負荷擾動的大小，ΔP_f是風機總調(diào)頻功率，ΔP₁是擾動發(fā)生時刻電力系統(tǒng)中的功率不平衡量，ΔP₂是風電場退出調(diào)頻時的功率變化量，Pd負荷擾動引起的功率不平衡量，Pd1風機參與調(diào)頻引起的功率不平衡量，Pd2系統(tǒng)中總的功率不平衡量。

結(jié)合圖2(a)-圖2(c)可知，調(diào)頻期間電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)為

式中，Δf₁(t)＝ΔP₁c(t)，Δf₂(t)＝ΔP₂u(t-t_off)c(t-t_off)，它們分別是ΔP₁和ΔP₂引起的頻率響應(yīng)，c(t)是電力系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)。采用頻率響應(yīng)模型SFR模型時，其表達式為：

其中，D為發(fā)電機等效阻尼系數(shù)；R為調(diào)節(jié)器調(diào)差系數(shù)；K_m為與發(fā)電機功率因數(shù)和備用系數(shù)相關(guān)的系數(shù)

其中T_R為原動機再熱時間常數(shù)；F_H為原動機高壓缸做功比例，H為發(fā)電機慣性時間常數(shù)。

最優(yōu)退出時間：以風機退出調(diào)頻后頻率的極小值最大為依據(jù)選取最優(yōu)退出時間，以抑制頻率的二次跌落。首先令頻率偏移對時間的偏導為零，得到退出調(diào)頻后頻率的極小值出現(xiàn)的時間：

將上式解出的t代入頻率偏移的表達式，并令其對退出時間的偏導為零，即可得最優(yōu)退出時間t_opt：

聯(lián)立式(3)(4)便得到了確定最優(yōu)退出時間的方程：

將式(1)代入式(3)可得：

將式(1)代入式(4)可得：

即

將式(8)代入式(6)可知

聯(lián)立式(8)(9)，可得：

由上文可見，式(10)是由式(5)推導而來的，同時對式(10)進行簡單的變換亦可以得到式(5)，因此式(5)與式(10)等價；這意味著退出時間取得最優(yōu)的充要條件是Δf₁對時間的偏導為零的點t_1max和Δf₂對時間的偏導為零的點t_2min的同時出現(xiàn)。結(jié)合系統(tǒng)頻率響應(yīng)來看，t_1max是Δf₁在時間區(qū)間[t_off,+∞)內(nèi)的第一個極大值點，t_2min是Δf₂在[t_off,+∞)內(nèi)的第一個極小值點。

Δf₁的第一個極小值點t_1min和第一個極大值點t_1max分別為：

由于SFR系統(tǒng)是線性的，因此其階躍響應(yīng)的極值點的相對位置與階躍大小無關(guān)，Δf₂的極值點可以由Δf₁的極值點平移得到。那么當風機在最優(yōu)時刻退出時，Δf₂的第一個極小值點為

t_2min＝t_1min+t_opt (13)

欲使式(10)成立，Δf₁的極大值和Δf₂的極小值相等，于是有

t_2min＝t_1max (14)

聯(lián)立式(13)(14)，并將式(11)(12)代入其中，得：

對于特定的SFR系統(tǒng)來說，t_1max和t_1min不受擾動大小的影響。因此最優(yōu)退出時刻t_opt是一定的(式(15)，只取決于SFR系統(tǒng)的參數(shù)，所需參數(shù)可由擾動數(shù)據(jù)估計而來。

仿真結(jié)果：在MATLAB/Simulink中搭建如圖所示的系統(tǒng)。圖中G1～G3是容量為100MW的火電廠；L1～L6是負荷，其中L1～L3的額定功率為30MW，L4～L6的額定功率分別為85MW、40MW和110MW；WF是風電場，由16臺額定功率為1.5MW的雙饋風機組成。

通過對系統(tǒng)的階躍響應(yīng)進行非線性擬合，得到其等效的SFR參數(shù)，如下文所示，其中各參數(shù)均為標幺值。

R/(DR+K_m)＝2.6600×10^-4 α＝4.4851

ζ＝0.3774 ω_n＝0.4918

ω_r＝0.4554 φ＝-0.2249

由式(15)計算可得該系統(tǒng)的最優(yōu)退出時間為36.9s.

當風速為11m/s時，在第30s負荷L4突增10MW，風電場的出力增加5.33MW，風機分別在最優(yōu)退出時刻、最優(yōu)退出時刻之前、最優(yōu)退出時刻之后退出時的頻率響應(yīng)如下圖所示。從圖中可看出，在最優(yōu)退出時刻退出時，風機退出調(diào)頻引起的極小值點最大，二次跌落最輕微。

上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。