CN101975141B - 一种海上风电功率/频率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种海上风电功率/频率控制方法，将海上风电场与抽水蓄能电站相结合形成互补运行系统，控制系统根据风电场功率预测曲线、当地日负荷曲线、系统参数等对风电场和抽水蓄能电站各时刻出力进行调控，满足当地负荷需求。同时，风电场将制氢设备作为变换负载，电子负荷调节器根据各时刻风电场多余电能对制氢设备进行不同程度的投切。最终达到风电功率/频率控制的目的。

Description

一种海上风电功率/频率控制方法

技术领域

本发明属于自动控制领域，具体地涉及一种海上风电功率/频率控制方法。

背景技术

在全球能源供应持续紧张和金融危机的影响下，世界各国纷纷加大对风力发电等清洁能源的开发力度。海上风电正逐渐成为各国风能开发的重要战略方向。我国岛屿与大陆的距离一般在10～50海里，无电与电价高已严重制约这些岛屿的经济发展，我国拥有丰富的近海风能资源，海上风电由于其资源丰富、对环境的负面影响较少，可以大规模开发等优势，一直受到风电开发商的关注。目前全世界建成的海上风电场有30余座，装机容量达到了100万千瓦。海上风电技术正在完善，海上风电场开始进入规模化发展阶段。

风力发电是高度间歇性电能，如果能对风力发电功率进行比较准确的预测，则可有效地减轻风电对电网的影响，而且还可以减少电力系统运行成本和旋转备用，提高风电穿透功率极限，同时为风电场参与发电竞价奠定了基础。因此，对风力发电设施出力进行预测可以增加风电的市场竞争力。对风力发电的预测主要集中在如何对风速和风力进行比较准确的预测。国外关于风电出力预测的研究起步较早，目前短时预测的平均绝对误差可以达到总装机容量的10％～15％。丹麦、德国等风电技术发达国家已开发出风电场出力预测系统，并成功应用于多个风电场。我国关于风电出力预测的研究起步较晚，主要集中在提前几小时的短期预测。风电场风速预测误差约为25％～40％，出力预测误差更大。目前还未开发出成熟的风电场出力预测系统。

由于风能资源具有随机性，海上风电产生的电能不能直接用于当地负荷，因此海上风电场都要与其他稳定电源进行互补运行才能供给当地负荷，而抽水蓄能电站具有启动快、运行灵活等特点，在电力系统中可承担削峰填谷、调频、调相和紧急备用等任务，从而受到世界各国电力部门高度重视和热切关注。一般而言，抽水蓄能电站都是伴着包括上下游水库建设在内的大规模土木工程，因而对其周围环境的影响常常成为人们关注的焦点，其建设地点的选定也容易受到来自环境评价的限制。而海水抽水蓄能发电可以把海洋作为下水库，并在岛屿上选择合适的地区建立上水库，这不但不会对动植物保护和森林生态等产生负面影响，而且还不会用到淡水资源，因此海上抽水蓄能电站日益引起人们的密切关注和高度重视。其中，日本从80年代便开始海水抽水蓄能发电技术的试验研究并取得阶段性成果，我国也有海水抽水蓄能电站研究开发的规划和设想。海水抽水蓄能发电技术的发展，为电力系统经济/可靠/安全运行和提高电力工业经济效益找到一种有前途的可实现的新型抽水蓄能发电方式。

海岛电力一般是与电网隔断的。而岛屿负荷一般比较小，通过抽水蓄能电站对风电场进行削峰填谷一般可以满足岛屿负荷，由于海上风能资源比较丰富，如何利用满足当地负荷外的大量风能呢？由于氢大量地存在于海水中，因此可以通过电解海水制氢。但海水中含有NaCl，使得在电解海水过程中氯气会在阳极析出，而抑制了氧气的产生。氯气的析出会严重影响人体健康，造成环境污染，因此需要绝对避免。在所有适合做电极的金属材料中，只有锰的氧化物可以在反应中在阳极主要产生氧气，只有少量的氯气析出。并且掺杂的电极对氧气的产生率更高。Ghany等人(2000年)用M_n1-xM_oxO_2+x/I_rO₂/T_i作为电极，氧气的生成率达到了100％，完全避免了氯气的产生，使得电解海水制氢变得可行。到目前为止，电解海水制氢技术已经相当成熟。电解水制氢的反应式为：

由式(1)可以看出，电解海水产生氢气和氧气。氢能可以长时间储存、可以管道长距离输送，可以直接用来大规模发电，更可以提供给汽车、火车、飞机、轮船等移动的交通运输工具使用。因此，对于风电场产生大量电能进行制氢操作是不错的选择。

风电场各时刻最大输出功率随着风速变化而变化，要充分利用风能，让风电场各时刻输出达到最大值，风力发电机运行过程中，风力机转子转速的变化是由风力机输出功率与负载吸收功率不平衡所引起的；电子负荷调节器根据风电场输出功率的变化自动的增加或减少负载，用变化的负载来吸收变化的输出功率，使风电场输出功率与负载始终平衡，图1为电子负荷调节器原理图，由图1可以看出，电子负荷调节器根据电场输出功率通过电子开关投切负荷，使得输出功率与负荷达到平衡。负荷分为n组，负荷各组功率分别为：1P、2P、4P……2^n-1P，构成等比数列，假设电场输送到电子负荷调节器的功率为P_e，需要投入的负荷数n根据式(2)求出：

$P_e=\frac{P-2^{n-1}P*P}{1-2}=(2^n-1)P---\left(2\right)$

$n={\log }_2^{\frac{P_e}{P}+1}---\left(3\right)$

由式(3)可以看出，在投切负荷总容量一定的情况下，n越大则调节精度越高，其中投切负荷应为允许间断供电的负荷。

发明内容

本发明主要是提供一种海上风电功率/频率控制方法。以海水为下水库，在有条件的岛屿上建立上水库，与大规模海上风电场形成互补运行系统，通过负荷预测和风电功率预测技术，得到风电场和抽水蓄能电站各时刻输出功率，从而满足当地的电力需求。

依据本发明的一种海上风电功率/频率控制方法，包括以下步骤：

(1)选择近海风能丰富地区建立大规模风电场，并在风电场内建立风电制氢设备，当风电场有多余风能时，利用电子负荷调节器对制氢设备多少进行自动投切；

(2)在风电场附近选择合适地区建立抽水蓄能电站，以海水为下水库，选择与海水落差相对较大的岛屿建立上水库，并在上水库安装发电机组，在下水库安装水轮机组，抽水蓄能电站各时刻所需电能全部来自风电场；

(3)控制系统根据日负荷预测曲线和风电场预测曲线对风电场、抽水蓄能电站各时刻出力进行调控，使得风电场与抽水蓄能电站各时刻向当地负荷输送电能与各时刻当地所需负荷相当，同时，电子负荷调节器根据控制系统提供的多余风能来对制氢设备进行调控。

其中，从海岛地区用电情况出发，对海岛地区历史数据进行分析，得到海岛日负荷预测曲线，结合风电预测技术对风电场日输出功率进行预测，控制系统根据日负荷预测曲线和风电场预测曲线对风电场、抽水蓄能电站各时刻出力进行调控；当风电场最大输出功率P_vi不能满足当地负荷P_i时，抽水蓄能电站进行放水发电，此时抽水蓄能发电机组输出功率Phi＝min(P_hmax，P_i-P_vi)，其中P_hmax为抽水蓄能发电机组最大发电功率；

当P_vi＞P_i时，风电场向岛屿地区输送功率P_wi＝P_i，此时抽水蓄能电站进行抽水操作，由于上水库各时刻蓄水量不但要满足下一时刻需求，还要有足够的备用容量；因此0≤P_pi≤min(P_pmax，P_vi-P_i)，各时刻P_pi具体值由控制系统通过优化计算给出，其中P_pmax为抽水蓄能电站最大抽水功率；

当P_vi-P_wi/η_w-P_pi/η_p＞0时，电子负荷调节器开始投入制氢设备，其中制氢设备投入总容量为P_vi-P_wi/η_w-P_pi/η_p，电子负荷调节器根据各时刻P_vi-P_wi/η_w-P_pi/η_p值的变化来增减制氢设备数量，当P_vi-P_wi/η_w-P_pi/η_p＝0时，不投入制氢设备。如图5示出了本发明的方法的系统结构示意图。

本发明技术方案的优点是：

本发明结合风电预测技术，得到风电场预测曲线。将海上风电与抽水蓄能电站相结合形成互补运行系统，解决风能随机性和间歇性引起的输出功率波动，向当地负荷提供稳定不间断的符合电能质量标准的电能。风电场与制氢设备相结合，风电场产生电能除供当地负荷外，其余电能用于海水制氢，从而最大化利用风能。通过电子负荷调节器对风电场输出功率进行调节，使风电场输出功率与负载吸收功率达到平衡。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1示出电子负荷调节器原理图。

图2示出海岛孤立系统示意图。

图3示出了风电场预测输出功率曲线和预测当地负荷曲线。

图4示出风电场-抽水蓄能系统各时刻输出功率和当地负荷预测曲线。

图5示出了本发明的方法的系统结构示意图。

具体实施方式

本发明利用丰富的海上风能资源，在近海处建立大规模海上风电场，装机容量为Pw。由于风能是不确定的，风电场产生的电能不能直接用于当地负荷，因此，在风电场附近建立海上抽水蓄能电站，以大海为下水库，在岛屿上选择合适地方建立上水库，其中水轮机抽水额定功率为Pp，发电机组额定功率为Ph。另外，本发明还为风电场配置了制氢设备，各组功率分别为1P、2P、4P……2^n-1P，其中制氢设备总功率＝风电场装机容量Pw。通过电子负荷调节器进行制氢设备的投切，使得系统最终达到稳定。海岛孤立系统如图2所示。

结合风电预测技术对风电场日输出功率进行预测，控制系统根据风电场预测曲线和当地负荷曲线对风电场和抽水蓄能电站各时刻下达指令，抽水蓄能电站在风能丰富时刻进行抽水操作，在风能不能满足当地负荷要求时进行发电操作，抽水蓄能电站上水库应时刻备有备用容量。

假设图3两条曲线为海上风电场预测输出功率P_v曲线和当地负荷P_i曲线，当风电场向岛屿输送功率不能满足当地负荷时，抽水蓄能电站进行放水发电，此时抽水蓄能电站发电机组输出功率Phi＝min(P_hmax，P_i-P_vi)。其中P_hmax为抽水蓄能发电机组最大发电功率。当风电场预测输出功率P_vi＞P_i时，风电场向岛屿地区输送功率P_wi＝P_i，此时抽水蓄能电站进行抽水操作，因为上水库各时刻蓄水量不但要满足下一时刻需求，还要有足够的备用容量，所以0≤P_pi≤min(P_pmax，P_vi-P_i)，各时刻P_pi具体值由控制系统通过优化计算给出。图4为风电-抽水蓄能互补系统一天供给当地负荷曲线图，由图4可以看出，互补系统输出功率曲线与当地负荷曲线重合，这说明各时刻互补系统输出功率与各时刻当地负荷吸收功率达到平衡。

当满足抽水蓄能电站需要外风电场还有多余电能时，则电子负荷调节器根据风电场剩余电能多少对制氢设备进行投切，当风力发电机吸收的风能与风力机输出的电能相平衡时，风力发电机在额定转速下运行，电子负荷调节器不对制氢设备进行投入。当风速增加或突然甩负荷时，风力机转子转速加快，电子负荷调节器发出命令，增加制氢设备的投入，使得制氢设备消耗功率增加，通过一连续调节过程，最终达到平衡发电机输入输出能量，稳定发电机转速，当风速变小或当地负荷增大时，电子负荷调节器发出减少制氢设备命令，使得制氢设备消耗功率减小。

假设某一时刻风电场预测输出最大功率为P_vi，此时当地负荷所需电能为Pi，抽水蓄能电站所需抽水电能为P_pi，则可以求出此刻风电场除供给当地负荷和抽水蓄能电站外剩余电能P_ei：

P_ei＝P_wi-(P_i/η_w+P_vi/η_p)    (4)

η_w-风电场发电效率

η_p-抽水效率

电子负荷调节器根据各时刻风电场可输出多余电能P_ei进行自动增减负荷，从而对制氢设备进行不同程度的投切，投切开关为电子开关，最终使得输送到抽水蓄能电站和当地负荷的功率/频率稳定。例如：根据式(3)和式(4)计算i时刻产生多余电能P_ei应该投入制氢设备n1的数量为：

$n1={\log }_2^{\frac{P_{\mathrm{vi}}-(P_i/{\mathrm{\η}}_w+P_{\mathrm{pi}}/{\mathrm{\η}}_p)}{P}+1}---\left(5\right)$

n1取式(5)中的整数部分，此时风电场浪费的风能可以求出为：

P_waste＝P_ei-(2ⁿ¹-1)P    (6)

P_waste与P_ei相减即为制氢设备利用的风电场电能，由此可以看出，风电场配备制氢设备大大提高了风能利用率。

此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。

Claims (2)

1.一种海上风电功率控制方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）选择近海风能丰富地区建立大规模风电场，并在风电场内建立风电制氢设备，当风电场有多余风能时，利用电子负荷调节器对制氢设备多少进行自动投切；

（2）在风电场附近选择合适地区建立抽水蓄能电站，以海水为下水库，选择与海水落差相对较大的岛屿建立上水库，并在上水库安装发电机组，在下水库安装水轮机组，抽水蓄能电站各时刻所需电能全部来自风电场；

（3）控制系统根据日负荷预测曲线和风电场日输出功率预测曲线对风电场、抽水蓄能电站各时刻出力进行调控，使得风电场与抽水蓄能电站各时刻向当地负荷输送电能与各时刻当地所需负荷相当，同时，电子负荷调节器根据控制系统提供的多余风能来对制氢设备进行调控。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

从海岛地区用电情况出发，对海岛地区历史数据进行分析，得到海岛日负荷预测曲线，结合风电预测技术对风电场日输出功率进行预测，控制系统根据日负荷预测曲线和风电场日输出功率预测曲线对风电场、抽水蓄能电站各时刻出力进行调控；当风电场最大输出功率P_vi不能满足当地负荷P_i时，抽水蓄能电站进行放水发电，此时抽水蓄能发电机组输出功率Phi=min(P_hmax,P_i-P_vi)，其中P_hmax为抽水蓄能发电机组最大发电功率；

当P_vi>P_i时，风电场向岛屿地区输送功率P_wi=P_i，此时抽水蓄能电站进行抽水操作，由于上水库各时刻蓄水量不但要满足下一时刻需求，还要有足够的备用容量；因此0≦P_pi≦min(P_pmax,P_vi-P_i)，各时刻P_pi具体值由控制系统通过优化计算给出，其中P_pmax为抽水蓄能电站最大抽水功率；

当P_vi-P_wi/η_w-P_pi/η_p>0时，电子负荷调节器开始投入制氢设备，其中制氢设备投入总容量为P_vi-P_wi/η_w-P_pi/η_p，电子负荷调节器根据各时刻P_vi-P_wi/η_w-P_pi/η_p值的变化来增减制氢设备数量，当P_vi-P_wi/η_w-P_pi/η_p=0时，不投入制氢设备，其中P_pi为抽水电能，η_w为风电场发电效率，η_p为抽水效率。

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