一种计及尾流效应时滞影响的风电场三分段调频控制策略
一种计及尾流效应时滞影响的风电场三分段调频控制策略
随着新能源的蓬勃发展，风电大规模接入电网也给电网带来了较大的挑战。本文提出了一种计及尾流效应时滞影响的风电场三分段调频控制策略，针对考虑尾流与时滞效应下风机参与电力系统调频存在的特性不同的三段调频过程，分别设计了三种不同的综合惯性控制策略，实现在三阶段中不同的控制目标，在第一阶段中提升fn点并有助于电网在扰动初期尽快恢复稳定，在第二阶段中有效的抑制频率波动，第三阶段中使系统频率尽快达到稳态值。
本发明涉及新型电力系统频率稳定与控制领域，尤其涉及一种计及尾流效应时滞影响的风电场三分段调频控制策略。
背景技术：
随着新能源的蓬勃发展，风电大规模接入电网也给电网带来了较大的挑战。基于电力电子接口的风力发电设备代替传统同步机大规模并网，难以主动响应系统频率变化，对外呈现近零惯性，导致系统惯量降低。当负荷突然变化时，系统频率将发生较大波动。为了使电力系统能够安全稳定运行，需要让风电机组具有频率响应能力，参与电网频率调节。综合惯性控制是一种常用的风机调频控制策略，包含虚拟惯性控制和下垂控制两种控制方法，将频率变化率和电网频率偏差作为输入信号引入机组的功率控制系统中，通过快速释放转子动能，使得风电机组具有快速响应频率变化的能力。
随着风电场规模的扩大，风机之间的尾流效应和由尾流效应导致的时滞效应逐渐不可忽略。尾流效应是来流风经过上游风机后由于风机叶片吸收能量导致下游风机接收到的风速降低的一种现象，尾流效应会导致每台风机接受到的风速和所具备的转子动能不同。由于上下游风机之间都存在一定距离来保证风机的正常运行，上游风机的尾流风速从上游传播到下游风机风轮处存在一定的延迟时间，这就是时滞效应，处于不同排数的风机的时滞时间也不相同，上游风机尾流的时滞时间小于下游风机尾流的时滞时间。当系统发生扰动时，风机在综合惯性的作用下开始释放转子动能，此时风机的转速降低会造成上游风机的尾流风速增大，经过时滞时间段后上游风机增大的尾流风到达下游风机，导致下游风机的转速增大，具备更多的转子动能参与系统频率支撑，但这样也会导致频率随着尾流波动的到来发生较大的波动。因此，研究根据关键时滞时间点的分段频率支撑方法十分重要。
技术实现思路
本发明的目的是克服上述背景技术中存在的缺陷，本发明提出了一种计及尾流效应时滞影响的风电场三分段调频控制策略，所述控制策略结合风机参与电力系统调频时存在的尾流效应和时滞效应，根据调频中不同时间段内的不同频率曲线特征和预期目的设计了三种综合惯性控制策略。实现了三阶段中不同的控制目标，在第一阶段中提升fn点并有助于电网在扰动初期尽快恢复稳定，在第二阶段中有效的抑制频率波动，第三阶段中使系统频率尽快达到稳态值。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种计及尾流效应时滞影响的风电场三分段调频控制策略包括以下步骤：
步骤s1、假设自然来流风垂直于风电场吹入，风电场内风机按矩形排列，每排之间距离相等，此时可将风电场按排等值为台串行排列风机；从负荷扰动发生直到风电场第一波尾流波动传播到下游风机，此时记为时刻，该阶段为第一阶段；在这段时间内上游风机由于释放转子动能所导致的尾流波动还未到达下游风机，这段时间内的风机调频不需要考虑尾流效应对调频能力的影响，因此设计了一种自适应综合惯性控制策略，提高了风机的fn并且尽可能快的使频率到达稳态值，所述fn为频率最低点；
步骤s2、从时刻到由风电场内所有风机均处在由调频导致的尾流波动的时，该阶段为第二阶段；在该时间段内由于时滞效应导致频率一直发生较大的波动，所以设计了一种基于转子动能的自适应虚拟惯性控制策略，不仅考虑到转子转速大小的限制，而且采用虚拟惯性控制可以抑制频率波动，维持频率稳定；
步骤s3、第三阶段为从时刻到频率达到稳态值时刻的过程，该阶段的目的是希望频率尽快恢复至稳定值，因此设计了一种随时间变化的综合惯性控制策略，将虚拟惯性系数用抛物线函数表示，下垂系数用线性函数表示，二者大小均随时间的增大而逐渐减小；采用这种方法有效地减小了综合惯性在频率恢复阶段对频率起到的抑制作用，有利于提高fn点并且延缓频率下降。
进一步的，所述自适应综合惯性控制策略具体步骤如下：
步骤s2-1、在第一阶段中，系统受到负荷扰动，在综合惯性控制策略的作用下风机开始释放存储的转子动能，导致每台风机的尾流风速开始发生变化，但是上游风机的尾流在该阶段内还未到达下游风机；
步骤s2-2、为了使下垂系数可以及时的根据电力系统目前的频率跌落情况进行响应，提出一种根据频率偏差设定的下垂系数，在频率偏差较小时下垂系数较小，频率偏差较大时下垂系数较大；
步骤s2-3、在第一阶段中，由于负荷扰动频率会在该阶段内达到fn点，相比于第二、三阶段，第一阶段需要更多的转子动能来提供频率支撑，为了防止调频过程中下垂系数过大导致转子转速超过安全范围，需要添加转速保护环节；
步骤s2-4、如果采用固定系数的虚拟惯性控制，虽然在频率下降时可以根据rocof提供频率支撑，但在频率恢复阶段会阻碍频率的提升；因此设计了一种根据rocof的正负来调整虚拟惯性控制系数的控制策略，当rocof小于零时，采用虚拟惯性控制；当rocof大于零时，采用虚拟负惯性控制，所述rocof为频率变化率。
进一步的，所述基于转子动能的自适应虚拟惯性控制策略具体步骤如下：
步骤s3-1、在第二阶段中，风电场中上游风机的尾流效应在时滞效应的作用下逐渐影响下游风机，风机运行工况也在这段时间内频繁变化；
为了减小该阶段中的系统频率波动，设计了一种考虑风机工况的虚拟惯性控制策略；转子转速直观的体现了风机在不运行工况下的运行状态，转速越大，转子动能越多，可以提供的系统频率支撑越多；于是建立风机转子转速和第二阶段的虚拟惯性系数的耦合关系；
步骤s3-2、当下游风机在上游风机尾流效应的影响下风速升高时，此时风机转速增大具有较大的转子动能，此时虚拟惯性控制系数相应增大，释放更多转子动能为系统提供及时的频率支撑；当下游风机在上游风机尾流影响下风速降低时，此时风机可释放的转子动能减小，虚拟惯性控制系数也相应减小，防止风机由于过度释放转子动能导致切机。
进一步的，所述随时间变化的综合惯性控制策略的具体步骤如下：
步骤s4-1、在第三阶段中，风电场内所有风机均已处在尾流效应的影响下，并且随着时间风电场频率波动逐渐减小，为了促使系统频率尽快达到稳态值，设计了一种随时间变化的综合惯性控制策略；
步骤s4-2、进行下垂控制，下垂控制是由频率偏差来控制风机的功率输出，风机转子的初始转速越大，此时风机转子中存储的转子动能越多，说明风机运行工况较好，此时下垂增益的初始值和终值越大，到达终值的时间也较长；拥有较小的转子初始转速的风机的下垂系数的初始值和终值均小于拥有较大初始转速的风机下垂系数对应值，收敛到终值的时间也较小，这样可以有效防止风机的转速过度释放而低于下限值；
步骤s4-3、进行惯性控制，惯性控制是由rocof来控制风机的功率输出；
步骤s4-4、根据惯性系数求解公式，设计一种用抛物线函数表示的虚拟惯性系数。
进一步的，所述步骤s2-1中的计算公式为：
（1），
式中，为风电场迎风方向的第一台风机到第二台风机沿风向的距离；为第一台风机的初始风速，等于来流风风速；在该阶段需要频率尽快恢复；
所述步骤s2-2中下垂系数为：
（2），
式中，为设定的最大下垂系数；为频率偏差最小值；为频率偏差最大值；
所述步骤s2-3中下垂系数与转子转速标幺值、频率偏差的关系式如下：
（3），
式中，为风机转子当前转速标幺值；为风机转子转速下限标幺值，为0.7p.u.；为风机转子转速的上限标幺值，为1.3p.u.；为风机最优转速的标幺值；
所述步骤s2-4中第一阶段的虚拟惯性系数表达式为：
（4），
式中，为大于0的常数。
进一步的，所述步骤s3-1中的计算公式为：
（5），
式中，为风电场内第台风机到第台风机之间的时滞时间；为风电场内第台风机到第台风机之间沿风向的距离；为风电场内第台风机的初始风速；
所述步骤s3-1中风机可以释放或吸收的转子动能为：
（6），
式中，为风机的惯性常数；为风机当前转子转速；为风机转子转速最小值；
所述步骤s3-2中定义第二阶段的虚拟惯性控制参数与风机目前所具备的转子动能成正比，可以得到：
（7），
式中，为风机转子转速最大值；为风机频率支撑阶段的虚拟惯性控制调频比例系数。
进一步的，所述步骤s4-2中下垂控制输出的功率表示为：
（8），
式中，为下垂增益；为系统的额定功率；为系统当前功率；
为了保证风机可以尽快恢复稳定，对下垂系数进行改进，得到根据调频时间的下垂系数，可以用线性函数表示为：
（9），
式中，为线性曲线的斜率；为初始下垂增益值；为了防止在频率恢复期间过度释放转子动能，下垂系数应随时间逐渐减小，因此系数为负，但是系数必须为正才能使下垂系数为正值；
进一步的，所述步骤s4-3中虚拟惯性控制输出的功率表示为：
（10），
式中，为虚拟惯性系数；
可以将式(10)用转速的标幺值简化表示：
（11），
式中，为虚拟惯性控制增加的功率标幺值，为当前系统频率标幺值；
对式(11)两边进行积分，可以得到风机增加的电能为：
（12），
式中，为虚拟惯性控制释放转子动能的标幺值；为系统发生负荷扰动前系统稳态频率的标幺值；
风机转子可释放的功率标幺值为：
（13），
式中，为风机可释放的转子动能标幺值；
对式（13）的两边对时间积分，得到风机可释放的转子动能为：
（14），
式中，为风机可释放的转子动能的标幺值；为系统发生负荷扰动前风机初始转子转速的标幺值；
基于能量守恒原则，假设风机释放的转子动能完全由虚拟惯性控制提供，可以得到：
（15），
化简可以得到：
（16），
进一步的，所述步骤s4-4中用抛物线函数表示的虚拟惯性系数表达式如下：
（17），
（18），
（19），
式中，为虚拟惯性控制参数公式的二次项系数；为虚拟惯性控制参数公式的常数项；为设计的虚拟惯性控制参数开始减小的时间；为虚拟惯性控制参数达到终值的时间；为虚拟惯性控制系数初始值；为虚拟惯性控制系数终值；
进一步的，所述虚拟惯性控制系数初始值和虚拟惯性控制系数终值求解过程如下：假设系统频率在电网发生负荷扰动前为额定值，那么虚拟惯性控制系数初始值为：
（20），
式中，为系统频率下限标幺值，为0.996p.u.；因此，虚拟惯性控制系数初始值取决于风机在系统发生负荷扰动前的转子转速；
虚拟惯性控制系数终值为：
（21），
式中，为系统频率的上限标幺值；
表示为：
（22），
式中，为最低运行转子转速的标幺值；代表了转子转速最小时的虚拟惯性控制系数，最终的虚拟惯性控制系数取决于存储的转子动能和释放的转子动能最大量的比值。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明提出的一种计及尾流效应时滞影响的风电场三分段调频控制策略，针对考虑尾流与时滞效应下风机参与电力系统调频存在的特性不同的三段调频过程，分别设计了三种不同的综合惯性控制策略，实现在三阶段中不同的控制目标，在第一阶段中提升fn点并有助于电网在扰动初期尽快恢复稳定，在第二阶段中有效的抑制频率波动，第三阶段中使系统频率尽快达到稳态值。
与其他方法相比，本发明提出的一种计及尾流效应时滞影响的风电场三分段调频控制策略能够精准的针对不同阶段的特点提升调频的效率和准确性，考虑到了实际调频过程中影响风机运行状态的尾流效应和时延效应，增强了系统对扰动的适应能力和响应速度。