CN101521380A - 用于风电厂结合的自动发电控制增强 - Google Patents

用于风电厂结合的自动发电控制增强 Download PDF

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Abstract

本发明名称为“用于风电厂结合的自动发电控制增强”，公开了用于风电厂结合以控制风电厂对电网的功率贡献的自动发电控制(AGC)增强的系统和方法，其通过主动地将有助于ACE计算的斜坡速率限制以及缩减请求传送到风电厂来提供区域控制误差(ACE)的计算。ACE的增强控制使得风电厂损失的能量产出量最小。

Description

用于风电厂结合的自动发电控制增强
技术领域
本发明概要地涉及风力发电，更具体而言，涉及用于在风电厂控制系统和能量管理系统之间的双向和/或单向通信以改善电网运行的系统和方法。
背景技术
通常，风力发电系统包括具有给电网提供功率的多台风力涡轮发电机的风电厂。风电厂的集合功率输出在各个风力涡轮发电机上受风状况影响很大。电网运营商通常有其它的功率资源，例如火电厂来平衡功率的产生和消耗，因而适应间歇的风状况期间风状况的变化。火电厂可包括例如燃煤和燃气的电站。由于阵风或低速风状况而引起的风电场的功率波动通常由电网运营商通过调节这些火电厂的功率输出来处理，从而提供充足的功率以匹配需求。
电网将能量从电厂传输并分配到工业、商业、居民和其它的终端用户处。必须将电网运行成保持功率平衡，并将电网的频率保持在设定的范围限制内。在预定的范围内运行确保功率对电网内的终端用户是可用的，并确保与其它电网进行功率交换的可能性。
为了使电网运行在建立的范围内，电网运营商必须知道终端用户消耗的功率的量，电厂产生的功率的量以及与相邻系统交换的功率的量。运营商修改总的功率产生以匹配功率消耗以及交换的变化水平。运营商通过指示电厂增加或减少它们的功率输出来实现此目的。
电网运营商提供称为自动发电控制(AGC)的集中控制，该控制指示各发电机的参与子集调节它们的输出，以便即使当功率消耗变化时仍维持预定的频率和功率交换。电网运营商必须连续地微调在功率产生、电网输入和电网输出以及功率消耗之间的匹配。该电网调整要求电厂的功率能在电网运营商的实时控制下斜坡上升或斜坡下降。调整用于保证在电网运营商的控制区域内，电网运行符合电网监察机构要求的性能标准。控制区域内电网运行质量的测量称为区域控制误差(ACE)。
ACE是控制区域对计划的净输入功率或输出功率的偏离和将电网频率维持在目标水平(在美国为60赫兹)所需的控制区域对功率变动的贡献的组合。世界上不同的地区维持其它的电网频率。将ACE保持在规定的限制内所需的功率和ACE的幅度相对于控制区域内消耗的总功率较小。例如，在加利福尼亚州，其典型地为大约0.5％。
作为一个性能指导，北美电力可靠性协会(NERC)定义了最低控制性能标准(CPS1，CPS2)，其将性能量化为ACE和互连频率之间的关系。根据NERC的控制性能标准CPS1和CPS2，快速而大范围变化的负荷会负面地影响控制区域的控制性能。为了互连的运行可靠性，当控制区域不能符合NERC标准时，会对控制区域强加一定的惩罚。
当风功率加入系统控制区域后，系统必须响应系统负荷以及风功率的波动。来自风功率的波动可能快速发生。然而，要快速改变火电厂的功率输出以补偿来自风能的贡献通常是比较困难的。火力发电机增加或减少它们的功率输出的速度受到各种电厂部件的物理性能的限制。增加功率输出的限制可能和减少功率输出的限制不同。风力发电的本质是使得能够命令风电厂减少功率输出，但是不能增加功率输出，因为风是不可控的。因此当火电厂以其最大速率减少，但该速率仍然不足以满足电网运营商的要求时，就可以利用减少风力发电的能力。
电网运营商必须连续地改变来自电厂发电机的功率产出以便保持负荷和发电之间的平衡，从而保持恒定的系统频率以及与相邻电网的功率交换，也称为功率结(power tie)。由AGC给出的相对快速而集中的控制指示参与的各发电机调节其输出。典型地，风力发电不参与AGC。对于风占据了总发电量较大份额的电力系统电网，由于参与到AGC中的各发电机不能充分响应，可能会违反维持频率的电网控制目标。
另外，为了降低风电厂运营商的成本，以峰值能量产出运行风电厂是很重要的。如果为了不超过或违反对电网的能量贡献限制而必须缩减风电厂功率产生，则会损失能量产出。在缩减的风电厂功率产生的时期期间，电网运营商希望获取尽可能多的信息，以便最小化损失能量产生，同时仍然将电网运行在系统频率和功率交换限制内。
因此，需要提供一种系统和方法，用于和公用电网AGC分享风电厂有功功率应变量(active power function)的信息和/或限制控制，从而既改善电网运营商将电网运行维持在设定方针内的控制，又减少风电厂的风能产出损失。
发明内容
本发明的第一方面包括一种在选定条件下允许风电厂参与AGC运行，同时使损失的风能产出最小化的方法。
本发明的另一方面包括一种用来增强能量管理系统公用电网的自动发电控制的方法，该方法包括如下步骤：建立公用电网能量管理系统和风电厂的风电厂控制系统之间的双向通信；响应于由自动发电控制执行的区域控制误差增强计算，将斜坡速率信号从公用电网能量管理系统的自动发电控制传送到风电厂监督控制系统；以及将风电厂控制有功功率应变量从风电厂控制系统传送到能量管理系统。
本发明的另一方面，包括一种用来增强公用电网的能量管理系统的自动发电控制的方法，该方法包括如下步骤：建立公用电网能量管理系统和风电厂的风电控制系统之间的双向通信；响应于由自动发电控制执行的区域控制误差增强计算，将斜坡速率信号从公用电网能量管理系统的自动发电控制传送到风电厂监督控制系统；如由区域发电控制中的单元控制误差的计算所确定的，将请求从公用电网能量管理系统传送到风电厂控制系统以缩减功率。
本发明的实施例的一个优点在于该系统和方法将允许将风电厂结合到电网中，否则电网可能就不能接受或者增加来自于风电厂的功率贡献。
本发明的实施例的另一个优点在于该系统和方法将使在其它情况下将不被电网接受的风电厂能够参与电网运行，包括允许较大的风电厂参与电网运行。
本发明的实施例的另一个优点在于该系统和方法允许风电厂的所有者从一些电网辅助服务市场(例如调整)实现额外的收益。
本发明的实施例的另一个优点在于该系统和方法可增加风电厂能量的值。
本发明的实施例的另一个优点在于该系统和方法可应用到其它的设备控制中，包括但不限于燃气涡轮机和工业控制。
本发明的实施例的另一个优点在于该系统和方法可提高电网的安全性。
从以下对优选实施例的更详细描述，结合以示例方式示出本发明原理的附图，本发明的其它特征和优点将变得显而易见。
附图说明
图1为用于自动发电控制的现有技术方法的示意图。
图2为示出电网运营商和风电厂之间双向通信的一个示范性实施例的流程图。
图3为示出电网运营商和风电厂之间双向通信的另一个示范性实施例的流程图。
图4为作为时间的函数的选定系统变量的图示，用于解释示范性实施例的性能。
图5为示出电网运营商和风电厂之间双向通信的另一个实施例的流程图。
具体实施方式
本发明涉及一种方法，其用于允许电网能量管理系统(EMS)调用风电厂控制系统中当前可用的有功功率应变量，以帮助EMS自动发电控制(AGC)将电网参数控制在特定条件下。
图1中显示了用于AGC的现有技术方法的简单图示。AGC的主要目标是通过增加和减少选定发电单元的功率输出来维持频率以及控制区域间的功率交换。AGC通过计算具有两个分量的区域控制误差(ACE)来实现此目的。ACE的第一分量是计划频率与实际频率的差，乘以适当的增益。第二分量是计划功率交换与实际功率交换之间的差，乘以适当的增益。单位为MW的该ACE然后被分配到选定的发电单元以用于实施。分配到各个发电单元的单个信号被称为单元控制误差(UCEi)。
举例来说，假定实际频率等于计划频率，由于风力发电不可预测的增加，实际功率交换高于计划功率交换100MW，增益为1.0，并选择了5个发电单元处于AGC控制之下。在该示例中，在这些假定的条件下，ACE将为-100MW。如果处于AGC控制下的发电单元具有相同的大小，它们将以相同幅值的UCEi相等地分担责任，且各发电单元将减少功率输出20MW。如果发电单元具有不同的大小，则各发电单元将分配不同的ACE份额，且较大的单元负担较多的责任。
AGC单元通常要求在指定数量的时间内，例如10分钟，实施功率输出的改变。如果要求的改变速率超过了AGC单元的能力，则该单元就不能在指定的时间内实施改变。例如，假设某个AGC单元需要在10分钟内减少20MW，或者说2MW/分钟。如果该单元的最大斜坡速率为1MW/分钟，要完成20MW的减少就需要20分钟，这样该单元就不能满足在指定时间内所要求的减少。
根据本发明的AGC增强的主要目标是当AGC单元处于下降斜坡速率限制时，通过对风力发电临时地施加限制来帮助AGC单元。然而，通过对风力发电功率参考值进行适当的修改，本发明也可适用于斜坡上升速率限制。
图2示出了根据本发明的改进的AGC系统的示意图。由图2可见，本发明对图1所示的现有或标称的AGC提供了增强。当发电的大幅增加或负荷的大幅减少引起功率交换超过指定的阈值时(这表明AGC单元的斜坡速率能力不足)，则该增强将为激活的。当发生上述情况时，改进的AGC将执行ACE增强计算，并将斜坡速率限制信号发送至风电厂的监督控制系统。监督控制将限制信号分配到各个风力涡轮发电机(WTG)以用于实施。由于主导风状况而可用的风功率与在AGC增强限制起作用时实际供给的风功率之间的差是未输送的风功率。该测量从风电厂监督控制发送回AGC，并在AGC与标称ACE相加，以增大发送到AGC单元的UCEi信号。因此，AGC单元最终将不仅响应于最初的发电增加或负荷减少，还将响应于风功率输出的临时降低。这保证了仅当AGC单元处于它们的斜坡速率限制时，风电厂的输出才受到限制。
图3中显示了本发明的一个实施例。当实际功率交换超过阈值1时，将激活增强，从而导致对风电厂的正的斜坡速率限制。如果功率交换继续增加并超过阈值2，则施加了更为严格的限制—零斜坡速率限制或封顶。如果功率交换超过阈值1指定的时间量，例如阈值3，则将负的斜坡速率限制发送至风电厂以降低功率输出。一旦功率交换降至阈值以下，将复位ACE增强计算，而风电厂将被允许在没有斜坡速率限制的情况下根据可用风发电。
图4中显示了AGC增强方法的该实施的一个示例。在图4中，线1表示处于AGC控制下的所有单元的总功率输出。线2表示功率交换。线3表示由于主导风状况而可用的总的风功率。线3的虚线部分表示在施加来自AGC增强的斜坡速率限制后所输送的实际风力发电。线4表示未输送的风功率，或者为可用的风功率与输送的风功率之间的差。
最初，电力系统是平衡的，具有恒定的AGC单元输出，恒定的功率交换以及恒定的风力发电。在点A处，风速开始增加。这导致风力发电(线3)和功率交换(线2)二者的增加。结果，通过减少AGC单元的输出(线1)，AGC起到将功率交换带回至最初水平的作用。然而，对于AGC单元最大下降斜坡速率小于风力发电的增加速率，因此，功率交换继续增加。
在点B处，功率交换超过了第一功率阈值，且将正的斜坡速率限制信号发送至风电厂。该斜坡速率限制的实施将风力发电从可用的(线3，实线)降低到输送的(线3，虚线)。这两者之间的差是发送回AGC的未输送的功率信号(线4)。对于AGC单元最大下降斜坡速率依然小于风力发电的增加速率。因此，功率交换(线2)继续增加。
在点C处，功率交换超过了第二功率阈值，且零斜坡速率限制或封顶信号被发送送至风电厂。结果，输送的风功率(线3，虚线)停止增加，同时未输送的风功率(线4)继续增加。
在点D处，风速停止增加，可用的风功率(线3，实线)也停止增加。由于风力发电已经被AGC增强控制封顶，因此输送的风功率(线3，虚线)没有变化。然而，未输送的风功率(线4)停止增加。AGC输出(线1)和功率交换(线2)继续减少。
在点E处，功率交换已经超出第一功率阈值达到了指定的时间阈值。因此，负的斜坡速率或降低信号被发送送至风电厂。结果，传输的风功率(线3，虚线)迅速降低。这导致功率交换(线2)的阶跃降低(stepreduction)和未传输的风功率(线4)的增加。AGC单元输出(线1)继续减少，导致功率交换的进一步降低。
在点F处，功率交换降至第一功率阈值以下。在该示例中，该情况初始化了复位定时器。输送的或未输送的风功率没有变化。然而，功率交换随着AGC单元输出继续减少而继续下降。
在点G处，达到了复位定时器阈值并解除了对风力发电的限制。因此，输送的风功率(线3，虚线)变成可用的风功率(线3，实线)，而未输送的风功率(线4)变为0。结果，功率交换(线2)阶跃增加。功率交换现在又超过了第一功率阈值，从而触发AGC增强将正的斜坡速率信号发送给风电厂。然而，当风力发电恒定时，对风力发电施加正的斜坡速率没有影响。因此，AGC单元输出(线1)的继续减少引起功率交换的后续减少。可设计不同的复位方案以保证解除对风力发电的限制不会使功率交换的增加至超过指定的阈值，或者在多阶段实施风力发电的释放。
这仅仅是AGC增强的一个实施例。对本领域技术人员显而易见的是应进行阈值、定时器、复位以及其它的动作的选择以避免不稳定性，而且可以设计这种控制的许多其它的实施例。
图5示出了根据本发明的AGC增强方法的另一个示范性实施例。具体而言，该增强方法可包括除风电厂监督控制之外的许多控制。例如，增强方法可包括辅助资源，例如能量存储或非风力发电设施。如果是能量存储设施，则限制风电厂输出将导致存储装置的充电。根据该装置的额定值，可将表示任何剩余未输送的风功率的信号发送回AGC，并如上所述地加到标称ACE。同样地，可限制非风力发电资源来作为风力电厂的附加、配合或替换。
本领域技术人员应该意识到，只要风电厂正在产生风允许的尽可能多的能量，则能量产出就只能朝向下的方向运动。因此，增强方法只能在AGC单元响应于发电增加或负荷减少而下降时协助AGC单元。采用常规、可控的燃料源的非风力发电资源能够在两个方向进行响应。则这种辅助资源能够在AGC单元响应于减少发电或增加负荷而上升时协助AGC单元。备选地，风电厂能以持续缩减的模式运行，该模式下产生的风功率低于可用的风功率。在这些情况下，风电厂能提供与独立资源相同的辅助帮助。
在一个备选的实施例中，增强方法可包括频率响应或有功功率控制。当频率超过指定的阈值时，表明系统性的发电增加或负荷减少，此类控制能够启动风电厂输出的减少。如果风电厂最初被缩减，则其也将具有通过增加其输出来响应频率下降的能力。如上所述，风电厂和辅助资源可以相互协作，使得其中任一个或两者响应于频率控制。
尽管已经参考了优选的实施例描述了本发明，但本领域的技术人员将会理解在本发明的范围之内，可以进行各种改变，且其元件可以被等价物替换。此外，在不背离本发明的本质范围的情况下，可进行许多修改以使特定情况或材料适合于本发明的教导。因此，其意图在于本发明不限于作为用于实施本发明的最佳模式而公开的特定的实施例，而是本发明将包括属于所附权利要求范围的所有实施例。

Claims (7)

1.一种用于增强电网的能量管理系统的自动发电控制的方法，包括：
建立电网能量管理系统与风电厂的风电厂控制系统之间的双向通信；
响应由所述自动发电控制执行的区域控制误差增强计算，将斜坡速率信号从所述电网能量管理系统的自动发电控制传送到风电厂监督控制系统；以及
将风电厂控制有功功率应变量从所述风电厂控制系统传送到所述能量管理系统。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述斜坡速率信号是缩减请求。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述风电厂控制有功功率应变量包括未输送的风功率。
4.如权利要求1所述的方法，还包括响应所述自动发电控制斜坡速率信号在所述风电厂调节风电厂有功功率应变量。
5.如权利要求2所述的方法，还包括响应所述自动发电控制缩减请求在所述风电厂调节风电厂有功功率应变量。
6.一种用于增强电网的能量管理系统的自动发电控制的方法，包括：
建立电网能量管理系统与风电厂的风电厂控制系统之间的双向通信；
响应由所述自动发电控制执行的区域控制误差增强计算，将斜坡速率信号从所述电网能量管理系统的自动发电控制传送到风电厂监督控制系统；以及
如由区域发电控制中的单元控制误差或区域控制误差的计算所确定的，将请求从所述电网能量管理系统传送到所述风电厂控制系统以缩减功率。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述斜坡速率信号包括斜坡速率限制和电厂缩减控制。
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