一种基于转子动能的DFIG频率支撑优化方法及系统与流程

一种基于转子动能的dfig频率支撑优化方法及系统
技术领域
1.本发明涉及风力发电安全技术领域，具体涉及一种基于转子动能的dfig频率支撑优化方法及系统。


背景技术：

2.助力实现“碳达峰、碳中和”目标，需要推动新能源发展，安全稳步提高新能源发电量占全口径发电量的比例。风能作为一种在全世界分布广泛的可再生能源，风力发电已成为主要的新能源发电形式。受制于自然环境，风力发电的间歇出力特性与系统负荷特性存在明显的时空差异，同时，随着电力系统电力电子化程度逐渐加深，风电机组取代传统同步发电机组的比例逐渐升高，交流系统的等效惯量与阻尼持续降低。在此背景下，系统频率安全问题凸显，成为了目前新型电力系统所面临的挑战。
3.双馈风力发电机(doubly-fed induction generator，dfig)因其单机容量大、变流器容量小、风能利用效率高、控制灵活且接入交流系统友好等优势，成为了主流风力发电机类型。正常运行时，dfig在机侧变流器解耦控制下工作于最大功率点跟踪(maximum power point tracking,mppt)模式，实现了对风能的最大捕获。同时，网侧变流器将风机功率输送至交流电网，并向电网提供无功功率与电压支撑。然而，运行于mppt典型控制架构下的dfig将风机转子转速与交流系统频率相解耦，使dfig不能以传统同步发电机的方式参与频率调节，为此，目前有研究提出通过附加惯量阻尼控制释放转子动能、通过桨距角控制、或超速减载等策略实现风电机组对交流系统频率的支撑。此外，由于dfig转子转速以及其参与频率调节的能量受到安全约束，当dfig停止参与频率调节并进行转速恢复时，交流系统还将出现频率的二次跌落问题。
4.针对风机参与调频的频率二次跌落问题，马欢等《基于改进虚拟惯量法的双馈风机频率综合控制策略》与柯贤波等《适应双馈风机的改进频率主动控制策略》在dfig虚拟惯量控制的基础上，分别提出附加风机转速微分反馈环节的方法、综合风速及转速自适应改变下垂控制系数的方法，降低了转速恢复速度，并避免了因dfig退出调频引发的功率冲击及频率波动问题；李柏慷等《双馈风机参与调频的速度控制器模糊协同控制及参数校正策略》则基于模糊协同控制，提出修正dfig转速控制器参数，缓解风机固有控制结构与调频环节间矛盾的参数匹配策略。为满足风电并网要求，风电机组本应具备适当的调频能力。因此，杨波等《基于转子动能优化的双馈风机一次调频综合协调控制策略》与王天翔等《基于变参数减载控制的风电场一次调频策略》在保留dfig传统虚拟惯量控制的基础上，融合了变桨距控制或超速减载策略，使得dfig既以最大限度保留了转子动能，也具有了充足的备用调频功率，从而保证了风电机组的辅助调频功能，但同时减载运行让dfig无法在正常运行时工作于mppt模式，这也牺牲了风电机组的运行经济性。区别于传统集中式控制架构，wang z,wu w.《coordinated control method for dfig-based wind farm to provide primary frequency regulation service[j]》基于分布式牛顿法，实现了风场dfig转子动能的改进优化控制，提高了风机参与频率调节的可靠性。
[0005]
综上，目前研究的重点在于如何避免频率二次跌落问题。然而，频率二次跌落问题并不是不可接受的，系统频率面临的最主要的矛盾是如何提高频率最低点以减少低频减载量，减少对系统产生的非必要影响。因此，本发明提出了一种基于转子动能的dfig频率支撑优化方法。


技术实现要素：

[0006]
针对如何最大程度提升频率最低点，提高了系统频率安全稳定性，本发明提供了一种基于转子动能的dfig频率支撑优化方法及系统。具体技术方案如下：
[0007]
一种基于转子动能的dfig频率支撑优化方法，包括以下步骤：
[0008]
步骤s1，启动双馈风力发电机，实时采集风轮转速ωm，正常运行时，双馈风力发电机的输出功率p
wm
在机侧变流器解耦控制下工作于最大功率点跟踪模式；
[0009]
步骤s2，实时采集电网交流系统频率f并计算其与额定值的频差δf；
[0010]
步骤s3，当电网交流系统频率与50hz存在偏差，即δf≠0，以频差δf最小为目标函数，优化调频控制参数；频率支撑控制模块频差δf和优化后的调频控制参数计算双馈风力发电机频率支撑控制的调频功率δp
wf
，通过双馈风力发电机频率支撑控制的调频功率δp
wf
调节电网交流系统的频率；所述调频控制参数包括惯量系数kd和阻尼系数k
p
；
[0011]
步骤s4，当双馈风力发电机调频过程结束后，再以频差δf最小为目标函数，优化调频控制参数，抬高电网交流系统频率二次跌落的最低点；
[0012]
步骤s5，电网交流系统频率稳定后通过转速恢复控制模块控制双馈风力发电机的转速恢复到最大功率点跟踪模式下的转速。
[0013]
优选地，所述步骤s1中双馈风力发电机的输出功率p
wm
的计算方式为：
[0014][0015]
其中，ρ表示空气密度，r表示风轮半径，vw表示风速，c
p
(λ,β)表示风能利用系数，λ表示叶尖速比，β表示桨距角；
[0016]
风能利用系数c
p
的表达式为：
[0017][0018][0019][0020]
其中，ωm表示风轮转速；
[0021]
当β＝0时，存在最佳叶尖速比λ
opt
使得风电机组始终能保持在充分利用风能的最佳状态，通过反馈控制ωm随风速vw发生改变实现对风电机组的最大功率点跟踪模式控制。
[0022]
优选地，所述步骤s2中δf＝f-50，单位为hz。
[0023]
优选地，所述步骤s3中优化惯量系数kd和阻尼系数k
p
的过程为：
[0024]
步骤s31，当电网交流系统在扰动功率δpe时，设电流与功率的正方向为注入交流系统方向，电网交流系统的频率动态方程为：
[0025][0026]
其中，h为同步发电机的惯性时间常数，r为dfig装机容量占电网交流系统总容量的比例，δps为同步发电机参与调频后额外输出的电磁功率，d为负荷频率调节效应系数，δp
wm
为因dfig转子转速变化导致的风机输出机械功率的改变量；其中，同步发电机参与调频后额外输出的电磁功率的传递函数为：
[0027][0028]
式中，kg为发电机组的单位调节功率，ts为发电机的原动机-调速器系统的等效时间常数；
[0029]
双馈风力发电机频率支撑控制的调频功率δp
wf
的传递函数为：
[0030][0031]
式中，tw为dfig的输出功率指令-实际输出功率控制环节的等效时间常数。
[0032]
设桨距角β＝0且风速恒定不变，因dfig转子转速变化导致的风机输出机械功率的改变量δp
wm
的计算方式如下：
[0033][0034]
其中，λ0表示叶尖速比的初始值，v
w0
表示风速的初始值，ω
m0
表示风轮转速的初始值；
[0035]
所述双馈风力发电机风轮转速的动态方程为：
[0036][0037]
式中，jw表示双馈风力发电机转子的转动惯量；
[0038]
步骤s32，从0时刻双馈风力发电机开始释放转子动能后，转子转速随之持续降低，直至tc时刻风轮转速达到最低限值，即ωm＝ω
min
，则：
[0039][0040][0041]
步骤s33，以频差δf的绝对值最小为目标函数，以公式(1)-(10)为约束方程，得到最优的惯量系数kd和阻尼系数k
p
的值。
[0042]
优选地，所述步骤s4中具体包括：
[0043]
当t＞tc时，双馈风力发电机调频过程结束，此时δp
wf
＝0，则以公式(1)-(6)以及公式(8)为约束方程，以频差δf的绝对值最小为目标函数，得到最优的惯量系数kd和阻尼系数k
p
的值。
[0044]
一种基于转子动能的dfig频率支撑优化系统，包括风轮转速采集模块、频差采集模块、风机控制模块、频率支撑控制模块；所述风轮转速采集模块分别与双馈风力发电机、风机控制模块连接，所述频差采集模块分别与电网交流系统、频率支撑控制模块连接，所述
频率支撑控制模块与风机控制模块连接，所述风机控制模块与机侧vsc连接；
[0045]
所述风轮转速采集模块用于实时采集双馈风力发电机的风轮转速，并将采集的风轮转速传输至风机控制模块；
[0046]
所述频差采集模块用于采集电网交流系统的频率与额定频率的频率差值，并将采集的频率差值传输至频率支撑控制模块；
[0047]
所述频率支撑控制模块用于根据输入的频差信号计算双馈风力发电机频率支撑控制的调频功率δp
wf
，并将调频功率δp
wf
输入至风机控制模块；
[0048]
所述风机控制模块用于在双馈风力发电机参与调频前根据输入的风轮转速控制双馈风力发电机的输出功率p
wm
在机侧变流器解耦控制下工作于最大功率点跟踪模式，在双馈风力发电机参与调频时根据调频功率δp
wf
控制双馈风力发电机释放动能参与调节电网交流系统的频率，以及在双馈风力发电机完成调频后控制双馈风力发电机恢复转子转速。
[0049]
本发明的有益效果为：本发明提供了一种基于转子动能的dfig频率支撑优化方法，本发明将dfig转子动能优化控制参与频率调节的过程划分为转子达到限值前后两个阶段，由此构建了求解dfig调频参数的优化函数。在设计dfig调频控制参数时，通过在大功率扰动下使频率具备大小相当的两次跌落过程，将从最大程度上抬升频率最低点，充分降低系统发生低频减载的风险，并保证多种功率扰动工况下的频率安全。并通过数字仿真验证了本发明在改善频率动态方面的有效性与准确性。系统包括风轮转速采集模块、频差采集模块、风机控制模块、频率支撑控制模块，本发明的系统可以有效抬升电网频率二次跌落的最低点。
附图说明
[0050]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
[0051]
图1为本发明的方法流程图；
[0052]
图2为风能利用系数关于叶尖速比的变化曲线；
[0053]
图3为本发明的频率支撑模块的原理图；
[0054]
图4为电网交流系统的频率相应方框图；
[0055]
图5为当dfig调频参数kd＝10.5、k
p
＝17时系统在δpe＝-0.2扰动工况下的仿真波形图；
[0056]
图6为当dfig调频参数kd＝10.5、k
p
＝17时系统在δpe＝-0.15扰动工况下的频率波形图；
[0057]
图7为当dfig调频参数不等于优化选值时系统在δpe＝-0.2扰动工况下的频率波形图；
[0058]
图8为本发明的系统原理图。
具体实施方式
[0059]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发
明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0060]
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
[0061]
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
[0062]
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
[0063]
如图1所示，本发明的具体实施方式提供了一种基于转子动能的dfig频率支撑优化方法，包括以下步骤：
[0064]
步骤s1，启动双馈风力发电机，实时采集风轮转速ωm，正常运行时，双馈风力发电机的输出功率p
wm
在机侧变流器解耦控制下工作于最大功率点跟踪(mppt)模式。
[0065]
双馈风力发电机的输出功率p
wm
的计算方式为：
[0066][0067]
其中，ρ表示空气密度，r表示风轮半径，vw表示风速，c
p
(λ,β)表示风能利用系数，λ表示叶尖速比，β表示桨距角；
[0068]
风能利用系数c
p
的表达式为：
[0069][0070][0071][0072]
其中，ωm表示风轮转速；
[0073]
基于公式(2)和公式(3)，绘制c
p
在不同β下随λ变化时的大小如图2所示。当β＝0时，存在最佳叶尖速比λ
opt
使得风电机组始终能保持在充分利用风能的最佳状态，通过反馈控制ωm随风速vw发生改变实现对风电机组的最大功率点跟踪模式控制。
[0074]
步骤s2，在dfig的典型控制架构中，通过控制机侧vsc(voltage source converter)输出电流的大小及频率，调整感应发电机的转子运行状态，可实现dfig对风能的最大捕获。其中，风机定子侧功率直接注入交流系统，而风机转子侧功率在流经vsc后注入交流系统。运行于mppt下的dfig在交流系统中可等效为恒功率源，也可视为零惯量的同步发电机，随着风电机组替代传统同步发电机的比例逐渐升高，交流系统等效惯量及等效阻尼将会大幅降低，严重危害交流系统的安全可靠运行。在传统交流系统中，同步发电机通过感知交流系统频率偏差，自适应释放或吸收转子动能参与系统惯量支持。dfig转子运行状态虽与系统频率相解耦，但当difg输出电磁功率与输入机械功率不平衡时，dfig的转子转速将依据功率平衡情况发生改变。因此通过改变机侧vsc的功率指令，dfig即可调整风机转速并参与频率调节。因此需实时采集电网交流系统频率f并计算其与额定值的频差δf；
δf＝f-50，单位为hz。
[0075]
步骤s3，如图3所示，电网系统通过网侧vsc将交流变为直流后注入机侧vsc，机侧vsc将直流转为交流，并输出交流至风力发电机转子。通过在dfig控制架构中增加额外的频率支撑模块，可促使dfig通过临时释放感应发电机转子动能向交流系统提供频率支持，实现类似同步发电机参与一次调频的效果。稳态下，dfig通过mppt实现最大功率输出，当交流系统出现频率偏差后，dfig将通过接入频率支撑模块参与交流系统频率调节。当风机调频过程结束后，转子转速下降，运行状态偏离mppt模式下的最优状态，为在功率扰动后、频率趋于稳定时使风机重新回到mppt模式，故需要增加转速恢复控制，用于实现风机完成频率支撑任务后转子转速的恢复。
[0076]
具体地，当电网交流系统在扰动功率δpe下与50hz存在偏差，出现频率偏差后，即δf≠0，以频差δf的绝对值最小为目标函数，优化调频控制参数；频率支撑控制模块频差δf和优化后的调频控制参数计算双馈风力发电机频率支撑控制的调频功率δp
wf
，通过双馈风力发电机频率支撑控制的调频功率δp
wf
调节电网交流系统的频率；所述调频控制参数包括惯量系数kd和阻尼系数k
p
。
[0077]
优化惯量系数kd和阻尼系数k
p
的过程为：
[0078]
步骤s31，当电网交流系统在扰动功率δpe时，以发电机、dfig或系统额定容量为基值对各设备电气量标幺，设电流与功率的正方向为注入交流系统方向，在新型电力系统中，设dfig装机容量占系统总容量的比例为r，且所有dfig均配置如图3所示的调频模块，根据同步发电机摇摆方程得交流系统频率响应的方框图如图4所示。
[0079]
电网交流系统的频率动态方程为：
[0080][0081]
其中，h为同步发电机的惯性时间常数，r为dfig装机容量占电网交流系统总容量的比例，δps为同步发电机参与调频后额外输出的电磁功率，d为负荷频率调节效应系数，δp
wm
为因dfig转子转速变化导致的风机输出机械功率的改变量。
[0082]
其中，同步发电机参与调频后额外输出的电磁功率的传递函数为：
[0083][0084]
式中，kg为发电机组的单位调节功率，ts为发电机的原动机-调速器系统的等效时间常数。
[0085]
双馈风力发电机频率支撑控制的调频功率δp
wf
的传递函数为：
[0086][0087]
式中，tw为dfig的输出功率指令-实际输出功率控制环节的等效时间常数。
[0088]
在公式(1)的基础上，设桨距角β＝0且风速恒定不变，因dfig转子转速变化导致的风机输出机械功率的改变量δp
wm
的计算方式如下：
[0089]
[0090]
其中，λ0表示叶尖速比的初始值，v
w0
表示风速的初始值，ω
m0
表示风轮转速的初始值；
[0091]
所述双馈风力发电机风轮转速的动态方程为：
[0092][0093]
式中，jw表示双馈风力发电机转子的转动惯量。
[0094]
以上表达式说明新能源占比r，同步发电机组参数kg、h、ts，风电机组参数k
p
、kd、jw、tw，负荷频率调节效应系数d的变化均会对频率动态产生影响。因此，当系统参数r、kg、h、ts、jw、tw、d均已得到确定后，以(1)至(7)为约束方程，即可通过优选控制参数kd与k
p
促使频率偏差在功率扰动δpe发生后最小。
[0095]
步骤s32，dfig正常运行时的转速约为0.7p.u.至1.3p.u.。从0时刻双馈风力发电机开始释放转子动能后，转子转速随之持续降低，直至tc时刻风轮转速达到最低限值，即ωm＝ω
min
，此时风机不再向交流系统提供频率支持，同时风机所捕获的风能也因ωm降低而减小。则：
[0096][0097][0098]
步骤s33，在失去dfig的频率支撑后，交流系统频率将出现二次跌落，此频率跌落所导致出现的频率最低点，存在小于扰动后首次出现的频率最低点的可能，因此，频率二次跌落问题增加了系统低频减载风险，给系统运行带来了安全隐患，必须着重考虑此问题并将其对频率最低点的影响降至最小。因此以频差δf的绝对值最小为目标函数，以公式(1)-(10)为约束方程，得到最优的惯量系数kd和阻尼系数k
p
的值。
[0099]
步骤s4，当双馈风力发电机调频过程结束后，再以频差δf最小为目标函数，优化调频控制参数，抬高电网交流系统频率二次跌落的最低点；当t＞tc时，双馈风力发电机调频过程结束，此时δp
wf
＝0，则以公式(1)-(6)以及公式(8)为约束方程，以频差δf的绝对值最小为目标函数，得到最优的惯量系数kd和阻尼系数k
p
的值。
[0100]
当频率偏差最小化后，交流系统频率在功率扰动下的频率最低点将被最大化，从而通过调整dfig的调频控制模块参数实现充分降低系统低频减载风险的目标。
[0101]
步骤s5，电网交流系统频率稳定后通过转速恢复控制模块控制双馈风力发电机的转速恢复到最大功率点跟踪模式下的转速。
[0102]
本发明选定的参数如表1所示，得到满足最小频率偏差的最优kd与k
p
选值。
[0103]
表1系统基本参数设置
[0104]
[0105]
功率扰动越大，频率偏差也越大，故调频参数kd与k
p
的整定应该在具有较大功率扰动的条件下进行。在δpe＝-0.2下绘制频率偏差关于dfig调频控制参数kd与k
p
的变化情况。据此，存在多种参数取值均可从最大程度上抬高频率最低点，其中，当kd＝10.5、k
p
＝17时，频率偏差将缩小至-0.965hz，而频率最低点将提高至49.035hz。具体仿真过程如下：
[0106]
首先在matlab/simulink平台中搭建详细仿真模型，其次基于上述kd＝10.5、k
p
＝17的dfig调频控制参数，得到t＝5s时，系统发生δpe＝-0.2扰动工况下，交流系统的频率、dfig转速及其输出机械功率波形如图5所示，系统发生δpe＝-0.15扰动工况下交流系统的频率波形如图6所示。
[0107]
如图5(a)频率波形所示，相较于风电机组不参与调频的情况，dfig启用基于转子动能优化控制参与频率支持后，在最优调频参数设计指导下，频率最低点大幅拉升，由48.61hz抬升至49.03hz，频率偏差减少约30％。
[0108]
如图5(b)转子转速波形所示，在dfig于8.44s完成转子动能释放后，dfig停止向交流系统提供功率支撑δp
wf
，此时，系统频率出现二次跌落，频率二次跌落与频率首次跌落具备相当的频率最低点，且频率的波动幅值更小、动态过程更平滑。
[0109]
此外，如图5(c)功率波形所示，因dfig参与调频后的转子转速下降，其输出功率不再等于初始最大输出功率，从而造成图5(a)中稳态频率偏差略大于风电机组不参与调频时的偏差值。待频率趋于稳定后，通过dfig转子转速恢复控制，即可在尽可能不影响频率稳定的前提下重新将dfig恢复至mppt模式。
[0110]
基于上述参数优化设计方法，不同扰动功率下整定的调频控制参数kd及k
p
不尽相同，但在实际|δpe|小于整定|δpe|下，系统频率偏差仍可控制在安全范围以内。
[0111]
如图6波形所示，在δpe＝-0.15的扰动工况下，dfig参与调频且kd＝10.5、k
p
＝17时，频率二次跌落下的频率偏差将大于频率首次跌落下的频率偏差，这导致频率最低点达到49.18hz，略低于基于δpe＝-0.15重新优化下的频率最低点49.20hz。但是，相较于风机未参与调频的情况，此时的最大频率偏差仍然缩小了约21％，仍起到充分降低系统频率运行安全风险的作用。
[0112]
同时，在δpe＝-0.2扰动工况下，分别设计非最优调频控制参数(a)kd＝10.5、k
p
＝10以及(b)kd＝10.5、k
p
＝25，并基于此得到频率仿真波形如图7所示。
[0113]
如图7(a)所示，较小的系数k
p
使dfig在功率扰动时未能及时充分参与调频，导致频率扰动后首次跌落较大，同时最低点达到48.93hz，但是，正因此时dfig的额外出力较小，使得频率二次跌落小于首次跌落，频率后段动态过程相对平滑且波动较小。相反地，如图7(b)所示，较大的系数k
p
使dfig在功率扰动开始时便充分参与调频，从而大幅抬升首次频率跌落，但与此同时，由于风机出力较大，dfig停止频率支撑后使频率二次跌落过大，进而导致频率最低点出现在频率二次跌落的过程中，达到48.85hz。在上述两组非最优kd、k
p
设计下，系统频率最低点均低于最优kd、k
p
设计下49.03hz的频率最低点，这验证了所述dfig调频控制参数设计方法的正确性。
[0114]
以上仿真结果说明，为实现风机调频后功率扰动下系统具备最小的频率偏差，需通过设计kd、k
p
使两次频率跌落的最低点大致相当，同时，该参数方法设计能满足多种场合下系统对频率安全约束的要求。
[0115]
本发明将dfig转子动能优化控制参与频率调节的过程划分为转子达到限值前后
两个阶段，由此构建了求解dfig调频参数的优化函数。在设计dfig调频控制参数时，通过在大功率扰动下使频率具备大小相当的两次跌落过程，将从最大程度上抬升频率最低点，充分降低系统发生低频减载的风险，并保证多种功率扰动工况下的频率安全。通过数字仿真验证了本发明在改善频率动态方面的有效性与准确性。
[0116]
实施例2，如图8所示，本发明的具体实施方式还提供了一种基于转子动能的dfig频率支撑优化系统，包括风轮转速采集模块、频差采集模块、风机控制模块、频率支撑控制模块；所述风轮转速采集模块分别与双馈风力发电机、风机控制模块连接，所述频差采集模块分别与电网交流系统、频率支撑控制模块连接，所述频率支撑控制模块与风机控制模块连接，所述风机控制模块与机侧vsc连接；
[0117]
所述风轮转速采集模块用于实时采集双馈风力发电机的风轮转速ωm，并将采集的风轮转速ωm传输至风机控制模块；
[0118]
所述频差采集模块用于采集电网交流系统的频率与额定频率的频率差值δf，并将采集的频率差值δf传输至频率支撑控制模块；
[0119]
所述频率支撑控制模块用于根据输入的频差信号计算双馈风力发电机频率支撑控制的调频功率δp
wf
，并将调频功率δp
wf
输入至风机控制模块；
[0120]
所述风机控制模块用于在双馈风力发电机参与调频前根据输入的风轮转速控制双馈风力发电机的输出功率p
wm
在机侧变流器解耦控制下工作于最大功率点跟踪模式，在双馈风力发电机参与调频时根据调频功率δp
wf
控制双馈风力发电机释放动能参与调节电网交流系统的频率，以及在双馈风力发电机完成调频后控制双馈风力发电机恢复转子转速。
[0121]
其中，在双馈风力发电机参与调频时，频率支撑控制模块以频差δf的绝对值最小为目标函数，优化调频控制参数，并根据优化后的调频控制参数计算双馈风力发电机频率支撑控制的调频功率δp
wf
。具体地，目标函数为minδf，约束方程为(1)-(10)，如此得到最优的惯量系数kd和阻尼系数k
p
的值。
[0122]
在双馈风力发电机参与调频后，频率支撑控制模块以频差δf的绝对值最小为目标函数，优化调频控制参数，此时δp
wf
＝0，则以公式(1)-(6)以及公式(8)为约束方程，目标函数为min|δf|，得到最优的惯量系数kd和阻尼系数k
p
的值。
[0123]
风机控制模块控制双馈风力发电机的输出功率p
wm
在机侧变流器解耦控制下工作于最大功率点跟踪模式具体是根据公式(1)-(4)进行控制。
[0124]
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0125]
在本技术所提供的实施例中，应该理解到，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元可结合为一个单元，一个单元可拆分为多个单元，或一些特征可以忽略等。
[0126]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依
然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

技术特征：
1.一种基于转子动能的dfig频率支撑优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤s1，启动双馈风力发电机，实时采集风轮转速ω
m
，正常运行时，双馈风力发电机的输出功率p
wm
在机侧变流器解耦控制下工作于最大功率点跟踪模式；步骤s2，实时采集电网交流系统频率f并计算其与额定值的频差δf；步骤s3，当电网交流系统频率与50hz存在偏差，即δf≠0，以频差δf最小为目标函数，优化调频控制参数；频率支撑控制模块频差δf和优化后的调频控制参数计算双馈风力发电机频率支撑控制的调频功率δp
wf
，通过双馈风力发电机频率支撑控制的调频功率δp
wf
调节电网交流系统的频率；所述调频控制参数包括惯量系数k
d
和阻尼系数k
p
；步骤s4，当双馈风力发电机调频过程结束后，再以频差δf最小为目标函数，优化调频控制参数，抬高电网交流系统频率二次跌落的最低点；步骤s5，电网交流系统频率稳定后通过转速恢复控制模块控制双馈风力发电机的转速恢复到最大功率点跟踪模式下的转速。2.根据权利要求1所述的一种基于转子动能的dfig频率支撑优化方法，其特征在于，所述步骤s1中双馈风力发电机的输出功率p
wm
的计算方式为：其中，ρ表示空气密度，r表示风轮半径，v
w
表示风速，c
p
(λ,β)表示风能利用系数，λ表示叶尖速比，β表示桨距角；风能利用系数c
p
的表达式为：的表达式为：的表达式为：其中，ω
m
表示风轮转速；当β＝0时，存在最佳叶尖速比λ
opt
使得风电机组始终能保持在充分利用风能的最佳状态，通过反馈控制ω
m
随风速v
w
发生改变实现对风电机组的最大功率点跟踪模式控制。3.根据权利要求1所述的一种基于转子动能的dfig频率支撑优化方法，其特征在于，所述步骤s2中δf＝f-50，单位为hz。4.根据权利要求2所述的一种基于转子动能的dfig频率支撑优化方法，其特征在于，所述步骤s3中优化惯量系数k
d
和阻尼系数k
p
的过程为：步骤s31，当电网交流系统在扰动功率δp
e
时，设电流与功率的正方向为注入交流系统方向，电网交流系统的频率动态方程为：其中，h为同步发电机的惯性时间常数，r为dfig装机容量占电网交流系统总容量的比例，δp
s
为同步发电机参与调频后额外输出的电磁功率，d为负荷频率调节效应系数，δp
wm
为因dfig转子转速变化导致的风机输出机械功率的改变量；其中，同步发电机参与调频后额外输出的电磁功率的传递函数为：
式中，k
g
为发电机组的单位调节功率，t
s
为发电机的原动机-调速器系统的等效时间常数；双馈风力发电机频率支撑控制的调频功率δp
wf
的传递函数为：式中，t
w
为dfig的输出功率指令-实际输出功率控制环节的等效时间常数。设桨距角β＝0且风速恒定不变，因dfig转子转速变化导致的风机输出机械功率的改变量δp
wm
的计算方式如下：其中，λ0表示叶尖速比的初始值，v
w0
表示风速的初始值，ω
m0
表示风轮转速的初始值；所述双馈风力发电机风轮转速的动态方程为：式中，j
w
表示双馈风力发电机转子的转动惯量；步骤s32，从0时刻双馈风力发电机开始释放转子动能后，转子转速随之持续降低，直至t
c
时刻风轮转速达到最低限值，即ω
m
＝ω
min
，则：步骤s33，以频差δf的绝对值最小为目标函数，以公式(1)-(10)为约束方程，得到最优的惯量系数k
d
和阻尼系数k
p
的值。5.根据权利要求4所述的一种基于转子动能的dfig频率支撑优化方法，其特征在于，所述步骤s4中具体包括：当t＞t
c
时，双馈风力发电机调频过程结束，此时δp
wf
＝0，则以公式(1)-(6)以及公式(8)为约束方程，以频差δf的绝对值最小为目标函数，得到最优的惯量系数k
d
和阻尼系数k
p
的值。6.一种基于转子动能的dfig频率支撑优化系统，其特征在于，包括风轮转速采集模块、频差采集模块、风机控制模块、频率支撑控制模块；所述风轮转速采集模块分别与双馈风力发电机、风机控制模块连接，所述频差采集模块分别与电网交流系统、频率支撑控制模块连接，所述频率支撑控制模块与风机控制模块连接，所述风机控制模块与机侧vsc连接；所述风轮转速采集模块用于实时采集双馈风力发电机的风轮转速，并将采集的风轮转速传输至风机控制模块；所述频差采集模块用于采集电网交流系统的频率与额定频率的频率差值，并将采集的频率差值传输至频率支撑控制模块；所述频率支撑控制模块用于根据输入的频差信号计算双馈风力发电机频率支撑控制
的调频功率δp
wf
，并将调频功率δp
wf
输入至风机控制模块；所述风机控制模块用于在双馈风力发电机参与调频前根据输入的风轮转速控制双馈风力发电机的输出功率p
wm
在机侧变流器解耦控制下工作于最大功率点跟踪模式，在双馈风力发电机参与调频时根据调频功率δp
wf
控制双馈风力发电机释放动能参与调节电网交流系统的频率，以及在双馈风力发电机完成调频后控制双馈风力发电机恢复转子转速。

技术总结
本发明涉及风力发电安全技术领域，具体涉及一种基于转子动能的DFIG频率支撑优化方法及系统。本发明将DFIG转子动能优化控制参与频率调节的过程划分为转子达到限值前后两个阶段，由此构建了求解DFIG调频参数的优化函数。在设计DFIG调频控制参数时，通过在大功率扰动下使频率具备大小相当的两次跌落过程，将从最大程度上抬升频率最低点，充分降低系统发生低频减载的风险，并保证多种功率扰动工况下的频率安全。并通过数字仿真验证了本发明在改善频率动态方面的有效性与准确性。系统包括风轮转速采集模块、频差采集模块、风机控制模块、频率支撑控制模块，本发明的系统可以有效抬升电网频率二次跌落的最低点。频率二次跌落的最低点。频率二次跌落的最低点。


技术研发人员：文立斌 胡弘
受保护的技术使用者：广西电网有限责任公司电力科学研究院
技术研发日：2023.03.06
技术公布日：2023/8/14