本發(fā)明涉及大規(guī)模風(fēng)電經(jīng)高壓直流系統(tǒng)并網(wǎng)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性領(lǐng)域，特別涉及考慮同步機(jī)組、雙饋風(fēng)電機(jī)組和高壓直流系統(tǒng)調(diào)頻特性的系統(tǒng)頻率主動(dòng)支撐協(xié)調(diào)控制方法，尤指一種提高大規(guī)模風(fēng)電經(jīng)高壓直流外送系統(tǒng)送端頻率穩(wěn)定性的協(xié)調(diào)控制方法，以保證送端交流電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定。

背景技術(shù)：

1、風(fēng)能作為一種新型的綠色能源，資源總量巨大，在全球能源結(jié)構(gòu)中逐漸占據(jù)重要地位，利用風(fēng)力發(fā)電已逐漸成為風(fēng)能利用的主要形式；基于電網(wǎng)換相換流器的高壓直流系統(tǒng)輸電因具有快速靈活、高度可控、經(jīng)濟(jì)性高等特點(diǎn)，在大型能源基地向負(fù)荷中心的遠(yuǎn)距離輸電中應(yīng)用非常廣泛。隨著風(fēng)電在送端電網(wǎng)中占比不斷增加，送端交流系統(tǒng)呈現(xiàn)慣量水平低、調(diào)頻能力弱的特性，其受到不同程度的擾動(dòng)時(shí)，若傳統(tǒng)同步機(jī)組功率調(diào)節(jié)裕度無(wú)法滿足電網(wǎng)調(diào)頻需求，可能導(dǎo)致系統(tǒng)頻率變化率過(guò)大、頻率越限等問(wèn)題。因此，亟需挖掘雙饋風(fēng)電機(jī)組和高壓直流系統(tǒng)的調(diào)頻潛力。在多種調(diào)頻資源協(xié)同配合下共同支撐系統(tǒng)慣量、參與頻率穩(wěn)定調(diào)控，提升送端系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行能力。

2、目前，基于跟網(wǎng)型控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組主要通過(guò)附加頻率控制，使其具有主動(dòng)支撐系統(tǒng)頻率的能力，其控制策略主要分為虛擬慣量控制、下垂控制和減載控制等；高壓直流系統(tǒng)可通過(guò)附加頻率控制改變其傳輸功率的大小，進(jìn)而參與送端交流系統(tǒng)調(diào)頻任務(wù)，其中，采用頻率限制控制器并合理設(shè)計(jì)其調(diào)頻死區(qū)可改善系統(tǒng)頻率周期性振蕩問(wèn)題。在雙饋風(fēng)電機(jī)組、高壓直流系統(tǒng)與其他調(diào)頻資源協(xié)調(diào)配合方面，僅實(shí)現(xiàn)了不同調(diào)頻資源共同支撐系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的目標(biāo)，并未充分考慮不同擾動(dòng)工況下傳統(tǒng)同步機(jī)組、風(fēng)電場(chǎng)和高壓直流系統(tǒng)慣量支撐能量與調(diào)頻功率的協(xié)調(diào)優(yōu)化分配，以及在維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的同時(shí)充分利用各調(diào)頻資源的調(diào)頻能力，導(dǎo)致擾動(dòng)影響范圍大、交流電網(wǎng)的頻率安全穩(wěn)定性差等問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種風(fēng)電經(jīng)高壓直流外送系統(tǒng)送端頻率主動(dòng)支撐協(xié)調(diào)控制方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的已有調(diào)頻資源沒(méi)有充分利用以及與風(fēng)電場(chǎng)、高壓直流系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合，導(dǎo)致擾動(dòng)影響范圍大、交流電網(wǎng)的頻率安全穩(wěn)定性差等問(wèn)題。本發(fā)明首先根據(jù)傳統(tǒng)同步機(jī)組與風(fēng)電場(chǎng)的一次調(diào)頻最大功率調(diào)節(jié)裕度和受擾后不平衡功率的大小劃分工況，分析頻率支撐需求；其次，綜合考慮同步機(jī)、雙饋風(fēng)電機(jī)組和高壓直流系統(tǒng)的調(diào)頻優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了多時(shí)間尺度調(diào)頻控制策略以及考慮調(diào)頻死區(qū)的雙饋風(fēng)電機(jī)組和高壓直流系統(tǒng)頻率支撐協(xié)調(diào)控制策略；并根據(jù)同步機(jī)組和風(fēng)電場(chǎng)的最大功率調(diào)節(jié)裕度設(shè)計(jì)其死區(qū)值，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和槳距角的限值，設(shè)計(jì)了雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制和附加槳距角控制的下垂控制系數(shù)，使雙饋風(fēng)電機(jī)組在不同頻率調(diào)控需求下呈現(xiàn)不同的調(diào)頻特性，在實(shí)現(xiàn)調(diào)頻資源充分利用的同時(shí)維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。

2、本發(fā)明的上述目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

3、風(fēng)電經(jīng)高壓直流外送系統(tǒng)送端頻率主動(dòng)支撐協(xié)調(diào)控制方法，包括以下步驟：

4、步驟(1)頻率支撐需求分析：根據(jù)高壓直流系統(tǒng)送端各種調(diào)頻資源的功率調(diào)節(jié)裕度和擾動(dòng)引起的不平衡功率劃分工況，分析頻率支撐需求，具體是：

5、以傳統(tǒng)同步機(jī)組與風(fēng)電場(chǎng)的一次調(diào)頻最大功率調(diào)節(jié)裕度與受擾后的不平衡功率劃分為三種工況。其中，工況一為傳統(tǒng)同步機(jī)組一次調(diào)頻最大功率調(diào)節(jié)裕度大于不平衡功率；工況二為傳統(tǒng)同步機(jī)組一次調(diào)頻最大功率調(diào)節(jié)裕度小于不平衡功率，傳統(tǒng)同步機(jī)組與風(fēng)電場(chǎng)的一次調(diào)頻最大功率調(diào)節(jié)裕度之和大于不平衡功率；工況三為傳統(tǒng)同步機(jī)組與風(fēng)電場(chǎng)的一次調(diào)頻最大功率調(diào)節(jié)裕度之和小于不平衡功率，進(jìn)而分析其頻率支撐需求。

6、步驟(2)綜合考慮各調(diào)頻資源的響應(yīng)速度及調(diào)控能力差異，設(shè)計(jì)多時(shí)間尺度調(diào)頻控制策略以及考慮調(diào)頻死區(qū)的雙饋風(fēng)電機(jī)組和高壓直流系統(tǒng)頻率支撐協(xié)調(diào)控制策略；具體是：

7、在步驟(1)分析的基礎(chǔ)上，綜合考慮雙饋風(fēng)電機(jī)組變速控制和變槳控制的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了多時(shí)間尺度調(diào)頻控制策略，將頻率信息分別引入雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制環(huán)節(jié)和附加槳距角控制環(huán)節(jié)，同時(shí)，設(shè)計(jì)了考慮調(diào)頻死區(qū)的雙饋風(fēng)電機(jī)組和高壓直流系統(tǒng)頻率支撐協(xié)調(diào)控制策略，使二者同時(shí)具備慣量支撐與一次調(diào)頻的能力，提高送端系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性。

8、雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速附加控制環(huán)節(jié)表達(dá)式：

9、

10、式中，f和δf分別是系統(tǒng)頻率和頻率偏差；fwwh是轉(zhuǎn)速附加控制中下垂控制環(huán)節(jié)的死區(qū)；δωd是虛擬慣量控制環(huán)節(jié)的輸出量；kwd是虛擬慣量控制的微分系數(shù)；δωp是下垂控制環(huán)節(jié)輸出量；δωmax和δωmin分別是δωp的上下限值；kwp1和kwp2分別是下垂控制環(huán)節(jié)的比例系數(shù)；ωref0是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速參考值的初始值；ωref是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速當(dāng)前參考值；ωopt是雙饋風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在最大功率跟蹤模式下最優(yōu)轉(zhuǎn)速值，也是轉(zhuǎn)速參考值的下限值；ωmax是雙饋風(fēng)電機(jī)組允許的轉(zhuǎn)速參考值上限值。

11、雙饋風(fēng)電機(jī)組附加槳距角控制環(huán)節(jié)表達(dá)式：

12、

13、式中，kβ1和kβ2是雙饋風(fēng)電機(jī)組附加槳距角控制的比例系數(shù)；fwβh是附加槳距角控制的死區(qū)值；δβ是附加槳距角控制的輸出量。

14、高壓直流系統(tǒng)附加控制環(huán)節(jié)表達(dá)式：

15、

16、式中，fdh是高壓直流系統(tǒng)附加控制的調(diào)頻死區(qū)值；δpdc是高壓直流系統(tǒng)傳輸功率調(diào)節(jié)量，δpdcmax是其上限值，δpdcmin是其下限值；yi是直流系統(tǒng)狀態(tài)量，ymax和ymin分別是其上限值和下限值；kdp是比例系數(shù)；kdi是積分系數(shù)。

17、步驟(3)設(shè)計(jì)雙饋風(fēng)電機(jī)組和高壓直流系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)中的控制參數(shù)，使雙饋風(fēng)電機(jī)組和高壓直流系統(tǒng)均能夠針對(duì)不同頻率支撐需求呈現(xiàn)不同的頻率響應(yīng)特性，在維持送端系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的同時(shí)充分利用各機(jī)組的調(diào)頻能力。具體是：在步驟(2)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合同步機(jī)組與風(fēng)電場(chǎng)的一次調(diào)頻最大功率調(diào)節(jié)裕度，設(shè)計(jì)了雙饋風(fēng)電機(jī)組和高壓直流系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略中的死區(qū)值，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的限值[ωopt，ωmax]和槳距角的限值[0°，27°]，分別設(shè)計(jì)了雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下垂控制環(huán)節(jié)和附加槳距角控制的比例系數(shù)，實(shí)現(xiàn)了不同場(chǎng)景下雙饋風(fēng)電機(jī)組和高壓直流系統(tǒng)慣量支撐和一次調(diào)頻作用的自適應(yīng)切換，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的同時(shí)盡可能減小送端擾動(dòng)影響范圍。

18、雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速附加控制中下垂控制環(huán)節(jié)的死區(qū)值。同步機(jī)組一次調(diào)頻最大功率調(diào)節(jié)裕度對(duì)應(yīng)的頻率偏差表達(dá)式：

19、δfg1＝δpgmaxbp?(3-1)

20、式中，bp為同步機(jī)組一次調(diào)頻的調(diào)差系數(shù)，δpgmax為送端同步機(jī)組一次調(diào)頻最大功率調(diào)節(jié)裕度，δfg1為同步機(jī)組調(diào)頻最大功率調(diào)節(jié)裕度所對(duì)應(yīng)的頻率偏差，即為本發(fā)明的雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速附加控制中下垂控制環(huán)節(jié)的死區(qū)值fwwh，即fwwh＝δfg1。

21、雙饋風(fēng)電機(jī)組附加槳距角控制的死區(qū)值。同步機(jī)組一次調(diào)頻最大功率調(diào)節(jié)裕度與風(fēng)電場(chǎng)基于超速減載預(yù)留的一次調(diào)頻最大功率調(diào)節(jié)裕度之和對(duì)應(yīng)的頻率偏差表達(dá)式：

22、δfg2＝(δpgmax+δpwwmax)bp?(3-2)

23、式中，δpwwmax為風(fēng)電場(chǎng)基于超速減載預(yù)留的一次調(diào)頻最大功率調(diào)節(jié)裕度，δfg2為同步機(jī)組和風(fēng)電場(chǎng)基于超速減載預(yù)留的一次調(diào)頻最大功率調(diào)節(jié)裕度之和所對(duì)應(yīng)的頻率偏差，即為本發(fā)明的雙饋風(fēng)電機(jī)組附加槳距角控制的死區(qū)值fwβh，即fwβh＝δfg2。

24、高壓直流系統(tǒng)附加控制的死區(qū)值。同步機(jī)組與風(fēng)電場(chǎng)的一次調(diào)頻最大功率調(diào)節(jié)裕度之和對(duì)應(yīng)的頻率偏差表達(dá)式：

25、

26、式中，δpwmax為風(fēng)電場(chǎng)預(yù)留的一次調(diào)頻最大功率調(diào)節(jié)裕度，δfg+w為同步機(jī)組和風(fēng)電場(chǎng)總的一次調(diào)頻最大功率調(diào)節(jié)裕度之和所對(duì)應(yīng)的頻率偏差，fdh是本發(fā)明高壓直流系統(tǒng)附加控制的死區(qū)值。若δfg+w≤0.5hz，則fdh＝δfg+w；反之則fdh＝0.5hz。

27、在變速控制的一次調(diào)頻能力范圍內(nèi)，雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化范圍是[ωopt，ωmax]，頻率偏差的變化范圍是[fwwh，fwβh](或[-fwβh，-fwwh])。δωref與基于死區(qū)的頻率偏差(δf±fwwh)成正比，為了充分利用通過(guò)變速控制預(yù)留的功率調(diào)節(jié)裕度，基于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速參考值ωref和頻率偏差的耦合關(guān)系，δωref和(δf±fwwh)的耦合關(guān)系kwp的取值如式(4-4)所示。

28、

29、當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到ωopt(或ωmax)后，保持雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不變，啟動(dòng)附加槳距角控制。在變槳控制的一次調(diào)頻能力范圍內(nèi)，槳距角的變化范圍是[0°，27°]，頻率偏差的變化范圍是[fwβh，fdh](或[-fdh，-fwβh])。類比下垂控制系數(shù)設(shè)計(jì)的思想，附加槳距角控制中的耦合關(guān)系kβ可定義為

30、

31、本發(fā)明的有益效果在于：針對(duì)大規(guī)模風(fēng)電經(jīng)高壓直流系統(tǒng)外送所帶來(lái)的頻率穩(wěn)定問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種雙饋風(fēng)電機(jī)組、高壓直流系統(tǒng)與傳統(tǒng)同步機(jī)組共同支撐系統(tǒng)頻率的多時(shí)間尺度協(xié)調(diào)控制策略，雙饋風(fēng)電機(jī)組和高壓直流系統(tǒng)具備慣量支撐和一次調(diào)頻作用自適應(yīng)切換的能力，在實(shí)現(xiàn)調(diào)頻資源充分利用的同時(shí)維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。本發(fā)明所提方法中關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)既能夠?qū)崿F(xiàn)同步機(jī)組與雙饋風(fēng)電機(jī)組、高壓直流系統(tǒng)調(diào)頻功率的合理分配，又能在保證系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的同時(shí)盡可能減小擾動(dòng)范圍，實(shí)用性強(qiáng)。

32、本發(fā)明綜合考慮雙饋風(fēng)電機(jī)組、高壓直流系統(tǒng)與傳統(tǒng)同步機(jī)組的頻率響應(yīng)特性，實(shí)現(xiàn)、高壓直流系統(tǒng)與同步機(jī)組協(xié)調(diào)配合，提升系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)頻資源的合理利用。首先，根據(jù)各種調(diào)頻資源的功率調(diào)節(jié)裕度和擾動(dòng)引起的不平衡功率，分析了不同場(chǎng)景下的高壓直流系統(tǒng)送端系統(tǒng)頻率支撐需求；其次，綜合考慮雙饋風(fēng)電機(jī)組變速控制與變槳控制的優(yōu)勢(shì)，提出了多時(shí)間尺度調(diào)頻控制策略，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合各調(diào)頻資源的優(yōu)勢(shì)，提出了一種考慮調(diào)頻死區(qū)的雙饋風(fēng)電機(jī)組和高壓直流系統(tǒng)頻率支撐協(xié)調(diào)控制策略，使雙饋風(fēng)電機(jī)組和高壓直流系統(tǒng)均同時(shí)具備慣量支撐與一次調(diào)頻的能力；最后，設(shè)計(jì)了雙饋風(fēng)電機(jī)組和高壓直流系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵控制參數(shù)，使其能夠針對(duì)不同場(chǎng)景自適應(yīng)切換慣量支撐和一次調(diào)頻作用，在發(fā)揮雙饋風(fēng)電機(jī)組和高壓直流系統(tǒng)快速響應(yīng)能力的同時(shí)實(shí)現(xiàn)各機(jī)組功率調(diào)節(jié)能力的充分利用。