基于系统频率轨迹最优的风电虚拟惯量控制参数优化方法

本发明涉及风机调频策略，具体涉及一种基于系统频率轨迹最优的风电虚拟惯量控制参数优化方法。

背景技术：

1、随着以风电为代表的新能源占比规模增大，电力系统整体惯量持续降低，系统频率安全稳定问题日益凸显。与以往期望风电尽可能多的出力以保证一定的发电效率和经济效益相比，如今的电网调度更希望大型风电场能够具备一定的频率支撑能力以缓解低惯量特性给电力系统带来的不利影响。然而变速风力发电组逐步取代传统定风速发电机组成为风电市场主流，这类变速风力发电机组属于逆变器接口式电源，当系统频率发生偏移，机组无法主动响应系统频率以提供有功功率支撑。

2、风电功率支撑能力具备一定的可调空间与自由度，给高比例新能源电力系统频率控制带来新的机遇与挑战。通过改造风电机组控制结构，让风电主动参与频率响应，能够有效提高电力系统频率安全保障能力。而风电一般不留有功率备用，调频能力受储存转子动能制约，因此亟待充分挖掘风电机组调频潜能，与传统机组协同配合，改善系统频率响应特性。

3、在发生负荷扰动时，传统附加固定参数综合惯量控制和步进惯量控制能够迅速释放储存在转子的动能以提供有功支撑，进而一定程度改善系统频率响应特性。但不合理的参数设置，一方面可能导致风电调频能力受限，未能最大程度改善系统频率响应特性，另一方面可能因为不合理的有功分配，导致风电机组在转子转速恢复阶段存在较大有功差额，进而发生严重的频率二次跌落。如何基于最优的系统频率轨迹特性设计风电虚拟惯量控制参数以适应不同负荷扰动和风速场景，充分发挥风电调频潜力，改善系统频率响应特性和避免频率二次跌落是一个重要的研究课题。

4、最新准则规定风电场参与电网一次调频的死区设置范围为0.03～0.1hz。张峰等人在文献[“新能源一次调频死区影响机理建模及系数修正策略[j].电力系统自动化,2023,47(6):158-167.”]从机理层面分析死区的非线性影响，并提出死区修正公式来弥补死区对系统频率的不利影响，但未在基于最优系统频率轨迹设计的控制策略中计及死区的影响并进行修正。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于系统频率轨迹最优的风电虚拟惯量控制参数优化方法，可适用于不同扰动和风速场景改善系统频率响应特性，避免频率二次跌落，并修正死区的影响，实现系统频率轨迹近似最优，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种基于系统频率轨迹最优的风电虚拟惯量控制参数优化方法，包括：

4、根据最优系统频率轨迹和各机组出力特性，构建风电机组期望虚拟惯量控制参数变化轨迹传递函数；考虑死区的影响，构建用于修正死区影响的风电机组输出有功功率增量传递函数；

5、考虑额定风速以下场景，基于风速相似性原理，结合风电机组期望虚拟惯量控制参数变化轨迹传递函数和风电机组输出有功功率增量传递函数，确定风速处于同一风速段的风电机组采用一致性风电虚拟惯量控制参数轨迹。

6、进一步的，针对不同风速场景，考虑额定风速以下场景，对风速进行分类，分为：高风速段、中风速段、中低风速段和低风速段，基于风速相似性原理，风速处于同一风速段的风电机组采用一致性风电虚拟惯量控制参数轨迹，即采用每一风速段内平均风速下的期望风电虚拟惯量控制参数轨迹。

7、进一步的，确定所述的风电机组期望虚拟惯量控制参数变化轨迹传递函数表达式，包括：通过遍历搜索和仿真计算获得风电机组参与调频的时刻；确定有功缺额和系统频率响应动态方程；基于传统汽轮机组调频，确定风电机组调频期间的传统机组出力，确定风电机组出力；得到期望虚拟惯量控制参数变化轨迹传递函数表达式。

8、进一步的，有功缺额量与其对应得最优频率轨迹下的频率最低点近似等于一个常数，得变化轨迹时域解析表达式。

9、进一步的，确定所述的用于修正死区影响的风电机组输出有功功率增量传递函数表达式，包括：死区的存在会减少风电出力，使得实际系统频率最低点比期望低；考虑普通型调频死区，为修正死区的影响提高机组出力，基于用于修正死区影响的风电机组输出有功功率增量和风电机组调频死区边界值，确定死区修正表达式。

10、进一步的，当发生有功缺额场景，增加风电机组出力以提供有功功率支撑，当扰动较大，触发死区，对死区进行修正；在不同风速场景下，确定该风速所处风速段，采用该风速段平均风速下的期望虚拟惯量控制参数变化轨迹参与调频。

11、第二方面，本发明提供一种基于系统频率轨迹最优的风电虚拟惯量控制参数优化系统，包括：

12、构建模块，用于根据最优系统频率轨迹和各机组出力特性，构建风电机组期望虚拟惯量控制参数变化轨迹传递函数；考虑死区的影响，构建用于修正死区影响的风电机组输出有功功率增量传递函数；

13、求解模块，用于考虑额定风速以下场景，基于风速相似性原理，结合风电机组期望虚拟惯量控制参数变化轨迹传递函数和风电机组输出有功功率增量传递函数，确定风速处于同一风速段的风电机组采用一致性风电虚拟惯量控制参数轨迹。

14、第三方面，本发明提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，实现如第一方面所述的基于系统频率轨迹最优的风电虚拟惯量控制参数优化方法。

15、第四方面，本发明提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述处理器和所述存储器相互通信，所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令执行如第一方面所述的基于系统频率轨迹最优的风电虚拟惯量控制参数优化方法。

16、第五方面，本发明提供一种电子设备，包括：处理器、存储器以及计算机程序；其中，处理器与存储器连接，计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序，以使电子设备执行实现如第一方面所述的基于系统频率轨迹最优的风电虚拟惯量控制参数优化方法的指令。

17、本发明有益效果：能有效提升系统频率最低点，改善系统频率响应特性，并且能够使系统频率轨迹呈现近似最优形态，能够修正死区对系统频率造成的不利影响，对不同风速和扰动场景有一定的适应性；采用虚拟惯量控制结构，无需对风电机组功率控制器结构进行大幅度改造，实用性较强。

18、本发明附加方面的优点，将在下述的描述部分中更加明显的给出，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种基于系统频率轨迹最优的风电虚拟惯量控制参数优化方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于系统频率轨迹最优的风电虚拟惯量控制参数优化方法，其特征在于，针对不同风速场景，考虑额定风速场景，对风速进行分类，分为：高风速段、中风速段、中低风速段和低风速段，基于风速相似性原理，风速处于同一风速段的风电机组采用一致性风电虚拟惯量控制参数轨迹，即采用每一风速段内平均风速下的期望风电虚拟惯量控制参数轨迹。

3.根据权利要求1所述的基于系统频率轨迹最优的风电虚拟惯量控制参数优化方法，其特征在于，确定所述的风电机组期望虚拟惯量控制参数变化轨迹传递函数表达式，包括：通过遍历搜索和仿真计算获得风电机组参与调频的时刻；确定有功缺额和系统频率响应动态方程；基于传统汽轮机组调频，确定风电机组调频期间的传统机组出力，确定风电机组出力；得到期望虚拟惯量控制参数变化轨迹传递函数表达式。

4.根据权利要求3所述的基于系统频率轨迹最优的风电虚拟惯量控制参数优化方法，其特征在于，有功缺额量与其对应得最优频率轨迹下的频率最低点近似等于一个常数，得变化轨迹时域解析表达式。

5.根据权利要求1所述的基于系统频率轨迹最优的风电虚拟惯量控制参数优化方法，其特征在于，确定所述的用于修正死区影响的风电机组输出有功功率增量传递函数表达式，包括：死区的存在会减少风电出力，使得实际系统频率最低点比期望低；考虑普通型调频死区，为修正死区的影响提高机组出力，基于用于修正死区影响的风电机组输出有功功率增量和风电机组调频死区边界值，确定死区修正表达式。

6.根据权利要求1所述的基于系统频率轨迹最优的风电虚拟惯量控制参数优化方法，其特征在于，当发生有功缺额场景，增加风电机组出力以提供有功功率支撑，当扰动较大，触发死区，对死区进行修正；在不同风速场景下，确定该风速所处风速段，采用该风速段平均风速下的期望虚拟惯量控制参数变化轨迹参与调频。

7.一种基于系统频率轨迹最优的风电虚拟惯量控制参数优化系统，其特征在于，包括：

8.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，实现如权利要求1-6任一项所述的基于系统频率轨迹最优的风电虚拟惯量控制参数优化方法。

9.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述处理器和所述存储器相互通信，所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令执行如权利要求1-6任一项所述的基于系统频率轨迹最优的风电虚拟惯量控制参数优化方法。

10.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器、存储器以及计算机程序；其中，处理器与存储器连接，计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序，以使电子设备执行实现如权利要求1-6任一项所述的基于系统频率轨迹最优的风电虚拟惯量控制参数优化方法的指令。

技术总结本发明提供一种基于系统频率轨迹最优的风电虚拟惯量控制参数优化方法，属于风机调频策略技术领域，在含风电参与调频的场景下，根据最优系统频率轨迹、风电机组出力和传统机组出力特性，推导期望虚拟惯量控制参数变化轨迹传递函数表达式和解析表达式，此外，考虑死区影响推导死区修正表达式，并对风电虚拟惯量控制参数优化方法进行改进和拓展以适用于不同风速场景。本发明充分发挥风电机组调频潜力，在不同风速和扰动场景下有效改善系统频率响应特性，避免频率二次跌落，并能修正死区的影响，实现系统频率轨迹近似最优，具有较强的实用性。技术研发人员：吴翔宇,许寅,王颖,刘曌,高映洁,武阿涛,王子渊受保护的技术使用者：北京交通大学技术研发日：技术公布日：2024/10/10