双馈风机参与一次调频的系统频率响应建模方法和系统

摘要

本发明公开了一种双馈风机参与一次调频的系统频率响应建模方法和系统，属于电力系统频率动态分析领域。首先考虑双馈风机常规控制及辅助下垂控制综合作用下机电时间尺度动态特征，建立了精准刻画风机端口功率‑频率响应特性的低阶传递函数模型，并结合网络功率平衡关系及同步机功率‑频率响应特性，在传统系统频率响应模型基础上，推广得到了可较为精确描述含调频控制风电机组系统频率响应动态的数学模型。该模型有助于分析风电并网对系统频率动态的影响，从而为双馈风机频率支撑控制技术的优化提供指导。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统频率动态分析技术领域，更具体地，涉及一种双馈风机参与一次调频的系统频率响应建模方法和系统。

背景技术

风力发电技术成熟、建设周期短、成本较低已逐渐成为世界各国大力发展的新能源之一。风电场作为可再生能源，虽然在节能减排、优化电源结构方面具有一定价值，但自然界的风具有不稳定性，风速时大时小，具有很强的随机性和不可控性。因此风电大规模并网势必会对系统频率稳定方面造成很大影响。

双馈风力发电机是风力发电的主流机型。由于双馈风力发电机转子与电网间通过变换器相连，使风机的转子转速与系统频率完全解耦，不能响应系统频率的变化。因此，大规模风电并入电网后将导致系统的调频能力减弱，影响系统的稳定性。并且，风电机组的调频能力与其当前风速紧密相关，在低风速段，风电机组的减载备用较少，调频能力有限，若过分利用风电机组减载备用能量和转子动能将容易导致风机失速退出运行；而在高风速的情况下，风电机组的减载备用比较充足，可提供的调频功率多，调频能力较强。

当前电网中风电接入比例的不断上升，使风电机组在参与电网一次调频，提供一次调频资源方面具有更重要的意义，因此需要对风电机组的频率响应特性进行建模，以便分析风电机组在系统出现频率扰动状态下的动态响应过程。但传统低阶频率响应模型未考虑风电机组调频动态，无法适用于含高比例风电的电力系统。现有方法中对风电机组的惯量和下垂控制响应进行了等效建模，但对于频率控制回路与惯性参数间的耦合特性考虑不足，亦缺少对频率响应过程的传递函数描述。同时，风电场中不同风电机组运行状态及控制参数的不同，也对新的等效和聚合建模方法提出了需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种双馈风机参与一次调频的系统频率响应建模方法和系统，其目的在于有效的分析风电并网后的系统频率动态。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种双馈风机参与一次调频的系统频率响应建模方法，包括：

对加入一次调频控制的双馈风机构建以有功功率为输入，内电势频率为输出的第一平均频率模型；并根据同步机的运动方程与调速器环节动态，构建同步发电机的第二平均频率模型；

结合网络功率平衡关系，将第一平均频率模型和第二平均频率模型进行整合，获得含风电的系统频率响应模型。

进一步地，含风电的系统频率响应模型的传递函数为：

式中，△P

进一步地，双馈风力发电机的第一平均频率模型传递函数为：

式中，△P

进一步地，同步发电机的第二平均频率模型传递函数为：

M

式中△P

按照本发明的另一方面，提供了一种双馈风机参与一次调频的系统频率响应建模系统，包括：

双馈风力发电机平均频率模型构建模块，用于对加入一次调频控制的双馈风机构建以有功功率为输入，内电势频率为输出的第一平均频率模型；

同步发电机平均频率模型构建模块，用于根据同步机的运动方程与调速器环节动态，构建同步发电机的第二平均频率模型；

含风电的系统频率响应模型构建模块，用于结合网络功率平衡关系，将第一平均频率模型和第二平均频率模型进行整合，获得含风电的系统频率响应模型。

进一步地，含风电的系统频率响应模型的传递函数为：

式中，△P

进一步地，双馈风力发电机的第一平均频率模型传递函数为：

式中，△P

进一步地，同步发电机的第二平均频率模型传递函数为：

M

式中△P

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。

本发明构建了加入带有一次调频的双馈风机的电力系统的频率响应分析模型，采用该系统频率响应模型进行仿真时，计算简便，可以准确的反映系统的频率动态，能够在保证精度的前提下，提高风电场系统仿真效率，为双馈风机频率支撑控制技术的优化提供指导。

附图说明

图1是加入一次调频控制的双馈风机控制结构拓扑图；

图2是线性化后具有一次调频控制的双馈风机模型拓扑图；

图3是考虑双馈风机机电时间尺度特性的频率响应模型拓扑图；

图4是同步机频率响应模型拓扑图；

图5是考虑双馈风机一次调频的系统频率响应模型拓扑图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

基于背景技术介绍的技术问题，建立一个准确精简刻画风电机组调频动态的系统频率响应模型，对分析含风电的电力系统频率响应特征及频率控制优化设计，是很有必要的。本发明提供的双馈风机参与一次调频的系统频率响应建模方法包括如下步骤：

S1.确定双馈风机机电时间尺度模型开环结构，在双馈风机基本结构上加入一次调频控制。进一步对模型结构进行化简，获得双馈风机以功率为输入内电势相位为输出的简化模型，最终得到以有功功率为输入，内电势频率为输出的单输入单输出频率响应模型；

加入一次调频控制的双馈风机控制结构拓扑图，如图1所示；其中包含了风力机控制以及换流器控制。pitch为风力机的桨距角，v

第二步将双馈风机桨距角控制、桨距角补偿控制和一次调频控制进行化简得到以转子转速ω

第三步将双馈风机电磁功率△P

第四步将双馈风机转子运动方程进行线性化得到其传递函数为：

双馈风机的频率响应模型拓扑如图3，结合上述公式得到双馈风力发电机平均频率模型传递函数为：

其中：

式中，△P

从式中可以看出，在系统功率产生扰动时，平均频率偏差立即响应并通过调速器进行调节。

S2.考虑同步机的运动方程及调速器环节动态，进一步化简得到刻画同步机节点功率-频率响应关系的数学模型。

同步发电机平均频率模型传递函数，如图4所示，其中M

M

式中△P

S3.依据平均系统频率(average system frequency，ASF)分析法，对于每个发电机，其频率变化可以表示为

本发明实施例还提供了一种双馈风机参与一次调频的系统频率响应建模系统，系统中各模块功能和方法步骤对应一致，本发明在此不再赘述。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。