风电参与调频的多端柔性直流输电系统频率稳定控制方法
专利汇可以提供风电参与调频的多端柔性直流输电系统频率稳定控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种 风 电参与调频的多端柔性直流输电系统 频率 稳定控制方法，属于柔性直流输电系统控制技术领域，以解决受端交流系统或送端交流系统发生故障导致频率变化时，两端交流系统功率支援低，系统频率不稳定的问题。方法包括确定风电接入的多端柔性直流输电系统结构、确定受端换流站的控制方式为直流 电压 下垂控制法、在受端换流引入与 电网 频率有关的功率增量、确定送端换流站的控制方式、在送端换流站引入附加频率控制、风 电机 组根据送端换流站的频率变化调整风机转速，输出有功对送端系统进行功率支援。本发明应用于受端交流系统或送端交流系统发生故障导致频率变化时可提高两端交流系统的功率支援能 力 ，维持系统稳定运行。，下面是风电参与调频的多端柔性直流输电系统频率稳定控制方法专利的具体信息内容。
1.风电参与调频的多端柔性直流输电系统频率稳定控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤1：确定风电接入的直流输电系统结构：
风电机组的风电场WF与送端换流站VSC1互相连接，受端交流电网AC1与受端换流站VSC2互相连接，受端交流电网AC2与受端换流站VSC3互相连接，所述送端换流站VSC1、受端换流站VSC2、受端换流站VSC3之间互相连接；
步骤2：确定受端换流站VSC2与VSC3的控制方式为直流电压下垂控制法；
步骤3：在受端换流器VSC2与VSC3引入与电网频率有关的功率增量；
步骤4：确定送端换流站VSC1的控制方式；
步骤5：在送端换流站VSC1引入附加频率控制：
步骤6：风电机组根据送端换流站VSC1的频率变化Δf调整风机转速，输出有功对送端系统进行功率支援。
2.如权利要求1所述的风电参与调频的多端柔性直流输电系统频率稳定控制方法，其特征在于：步骤6具体分解为以下步骤：
步骤601：风电机组转子中存储的动能可以表示为
(4)
式中：J为叶轮和发电机转动惯量；ω为风电机组转子转速；
步骤602：计算电网频率变化时风电机组吸收或释放的动能；
当电网频率从f0变化到f1时，转子转速将相应的从ω0变化到ω1，风电机组吸收或释放的旋转动能为：
(5)
步骤603：利用式(5)将风电机组旋转部件储存的动能换算成调频时间下的调频功率，如式(6)所示：
(6)
式中：η为动能转化至电能的转换效率；
∆P1为惯量响应的补偿功率；
∆t为惯量响应持续时间；
通过转子动能的转换只能短暂增加或降低机组有功出力，由于机组转子速度存在限制，为了避免触发机组故障，需要对机组惯量响应的持续时间进行严格限制，一般设定为
10s；
风电机组转子动能释放控制过程分为功率支撑阶段和转速恢复阶段；当电网频率降低时，风电机组通过增大电磁转矩提供有功功率支撑，在此过程中，转速快速下降，当转速下降到下限值时，风机将退出调频，此时，将会引起频率的较大偏差，更严重时，将会引起系统频率的二次跌落；转速恢复过程是在系统频率尚未恢复稳定时进行的，所以，转速恢复导致的风电机组输出有功功率减少和系统负荷增大，都将对系统频率下降引起“叠加效应”，使系统频率偏差增大，频率响应特性变差；因此，为解决转速恢复对系统频率响应的不利影响，可通过引入恒定功率来延迟转速的恢复，提高系统频率的稳定性；
双馈风电机组的功率-转速关系如图6所示，其中，PM表示风力机输送到双馈感应发电机的机械功率，PMPPT表示MPPT算法下的有功功率参考值；
步骤604：当转子转速低于最低值ωmi（nωmin一般取值为0.7pu）时，将进入转速恢复过程，通过附加功率延迟风电机组转速恢复；
由于虚拟惯性控制能根据频率变化率的改变快速向系统提供功率响应，因此将附加功率设计为：
(7)
式中：Kd为微分系数；
步骤605：当系统频率恢复之后，将∆P逐渐减小为0，接风电机组进行转速恢复；
综上，对于风电机组可采用如图7所示的基于转子动能控制的双馈风电机组频率控制方案；该频率控制系统主要由频率控制模块、转速保护系统模块和转速恢复启动模块三部分组成；频率控制模块：该模块的作用是传递频率调节的功率信号；在获取了频率偏差信号以后，通过获得最大频率偏差，进而根据公式(7)得到恒定附加功率∆P；低通滤波器用于消除频率测量噪声的干扰；
转速恢复启动模块：该模块的作用是使转速更快的恢复到最佳运行状态；引入恒定附加功率控制后，双馈风电机组释放转子动能以后运行在一个较低转速（相对最优转速），偏离最大功率跟踪点；为提高风能利用率，待系统频率恢复稳定后，仍需要进行转速恢复，使双馈风电机组重新回到最大功率跟踪点；
转速保护系统模块：该模块的作用是避免双馈风电机组在参与系统调频时，转子转速下降过低影响机组安全稳定运行；当转子转速低于最低值ωmin时，转速保护系统启动，使风电机组不再参与系统频率控制。
3.如权利要求1所述的风电参与调频的多端柔性直流输电系统频率稳定控制方法，其特征在于：步骤2具体为：
下垂控制结合功率控制与电压控制，根据P-V特性曲线生成内环电流参考值idref，其计算公式如式(1)所示：
(1)
式中，Udcref、Udc分别为直流参考电压和直流测量电压；
Pref、P分别为换流器有功功率参考值和有功功率实际值；
Kp、Ki分别为PI调节器的比例系数和积分系数；
KD为下垂斜率；
1/s表示积分。
4.如权利要求1所述的风电参与调频的多端柔性直流输电系统频率稳定控制方法，其特征在于：步骤3具体为：
在受端换流器VSC2与VSC3设定的换流器有功功率参考值Pref的基础上附加一个与交流电网实测频率fac有关的功率增量ΔPref，其计算方式如式(2)所示：
(2)
式中，facref为交流电网额定频率；
fac为交流电网实测频率；
Kf为频率控制的比例系数。
5.如权利要求1所述的风电参与调频的多端柔性直流输电系统频率稳定控制方法，其特征在于：步骤4具体为：当风电场接入柔性直流输电系统时，送端换流站的控制目标是提供额定的交流电压和频率作为风电机组换流器的参考电源，实现风电场并网。
6.如权利要求1所述的风电参与调频的多端柔性直流输电系统频率稳定控制方法，其特征在于：步骤5具体为：
检测送端换流站VSC1受端换流站的直流侧电压，并根据其偏离额定电压的差值UDC计算出频率偏差，并通过控制参数Kv将直流电压的变化转化成送端换流站的频率变化Δf，其计算方式如式(3)所示： (3)
式中，Kv为控制参数，反映送端换流站频率偏差对直流电压偏差的比例；
ΔUDC为直流电压的变化值。
7.如权利要求1所述的风电参与调频的多端柔性直流输电系统频率稳定控制方法，其特征在于：所述送端换流站VSC1、受端换流站VSC2、受端换流站VSC3均为柔性直流换流站。
风电参与调频的多端柔性直流输电系统频率稳定控制方法
技术领域
背景技术
桨距角控制和转子转速控制。
发明内容
步骤1：确定风电接入的直流输电系统结构：
风电机组的风电场WF与送端换流站VSC1互相连接，受端交流电网AC1与受端换流站VSC2互相连接，受端交流电网AC2与受端换流站VSC3互相连接，所述送端换流站VSC1、受端换流站VSC2、受端换流站VSC3之间互相连接；
步骤2：确定受端换流站VSC2与VSC3的控制方式为直流电压下垂控制法；
步骤3：在受端换流器VSC2与VSC3引入与电网频率有关的功率增量；
步骤4：确定送端换流站VSC1的控制方式；
步骤5：在送端换流站VSC1引入附加频率控制：
步骤6：风电机组根据送端换流站VSC1的频率变化Δf调整风机转速，输出有功对送端系统进行功率支援。
(4)
式中：J为叶轮和发电机转动惯量；ω为风电机组转子转速；
步骤602：计算电网频率变化时风电机组吸收或释放的动能；
当电网频率从f0变化到f1时，转子转速将相应的从ω0变化到ω1，风电机组吸收或释放的旋转动能为：
(5)
步骤603：利用式(5)将风电机组旋转部件储存的动能换算成调频时间下的调频功率，如式(6)所示：
(6)
式中：η为动能转化至电能的转换效率；
∆P1为惯量响应的补偿功率；
∆t为惯量响应持续时间；
通过转子动能的转换只能短暂增加或降低机组有功出力，由于机组转子速度存在限制，为了避免触发机组故障，需要对机组惯量响应的持续时间进行严格限制，一般设定为
10s；
风电机组转子动能释放控制过程分为功率支撑阶段和转速恢复阶段；当电网频率降低时，风电机组通过增大电磁转矩提供有功功率支撑，在此过程中，转速快速下降，当转速下降到下限值时，风机将退出调频，此时，将会引起频率的较大偏差，更严重时，将会引起系统频率的二次跌落；转速恢复过程是在系统频率尚未恢复稳定时进行的，所以，转速恢复导致的风电机组输出有功功率减少和系统负荷增大，都将对系统频率下降引起“叠加效应”，使系统频率偏差增大，频率响应特性变差；因此，为解决转速恢复对系统频率响应的不利影响，可通过引入恒定功率来延迟转速的恢复，提高系统频率的稳定性；
双馈风电机组的功率-转速关系如图6所示，其中，PM表示风力机输送到双馈感应发电机的机械功率，PMPPT表示MPPT算法下的有功功率参考值；
步骤604：当转子转速低于最低值ωmi（nωmin一般取值为0.7pu）时，将进入转速恢复过程，通过附加功率延迟风电机组转速恢复；
由于虚拟惯性控制能根据频率变化率的改变快速向系统提供功率响应，因此将附加功率设计为：
(7)
式中：Kd为微分系数；
步骤605：当系统频率恢复之后，将∆P逐渐减小为0，接风电机组进行转速恢复；
综上，对于风电机组可采用如图7所示的基于转子动能控制的双馈风电机组频率控制方案；该频率控制系统主要由频率控制模块、转速保护系统模块和转速恢复启动模块三部分组成；频率控制模块：该模块的作用是传递频率调节的功率信号；在获取了频率偏差信号以后，通过获得最大频率偏差，进而根据公式(7)得到恒定附加功率∆P；低通滤波器用于消除频率测量噪声的干扰；
转速恢复启动模块：该模块的作用是使转速更快的恢复到最佳运行状态；引入恒定附加功率控制后，双馈风电机组释放转子动能以后运行在一个较低转速（相对最优转速），偏离最大功率跟踪点；为提高风能利用率，待系统频率恢复稳定后，仍需要进行转速恢复，使双馈风电机组重新回到最大功率跟踪点；
转速保护系统模块：该模块的作用是避免双馈风电机组在参与系统调频时，转子转速下降过低影响机组安全稳定运行；当转子转速低于最低值ωmin时，转速保护系统启动，使风电机组不再参与系统频率控制。
(1)
式中，Udcref、Udc分别为直流参考电压和直流测量电压；
Pref、P分别为换流器有功功率参考值和有功功率实际值；
Kp、Ki分别为PI调节器的比例系数和积分系数；
KD为下垂斜率；
1/s表示积分。
(2)
式中，facref为交流电网额定频率；
fac为交流电网实测频率；
Kf为频率控制的比例系数。
式中，Kv为控制参数，反映送端换流站频率偏差对直流电压偏差的比例；
ΔUDC为直流电压的变化值。
图3为附加频率控制的直流电压下垂控制框图；
图4为送端换流站控制框图；
图5为含附加频率控制的送端换流站控制框图；
图6为双馈风电机组功率-转速关系；
图7为基于转子动能控制的双馈风电机组频率控制框图。
具体实施方式
风电机组的风电场WF与送端换流站VSC1互相连接，受端交流电网AC1与受端换流站VSC2互相连接，受端交流电网AC2与受端换流站VSC3互相连接，所述送端换流站VSC1、受端换流站VSC2、受端换流站VSC3之间互相连接。
(1)
式中，Udcref、Udc分别为直流参考电压和直流测量电压；
Pref、P分别为换流器有功功率参考值和有功功率实际值；
Kp、Ki分别为PI调节器的比例系数和积分系数；
KD为下垂斜率；
1/s表示积分；
即无功电流iqref的值可通过对并网点交流电压进行反馈控制得到。
式中，facref为交流电网额定频率；
fac为交流电网实测频率；
Kf为频率控制的比例系数。
(3)
式中，Kv为控制参数，反映了送端换流站频率偏差对直流电压偏差的比例；
ΔUdc为直流电压的变化值。
(4)
式中：J为叶轮和发电机转动惯量；
ω为风电机组转子转速。
(5)。
式中：ωmin为动能转化至电能的转换效率；
∆P1为惯量响应的补偿功率；
∆t为惯量响应持续时间。
PMPPT表示MPPT算法下的有功功率参考值。
式中：Kd为微分系数。
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