CN102003337A - 风电并网后主站端风电场有功功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适应于大规模风电并网的电网主站端风电场有功功率控制方法。属电力系统技术领域，包括以下步骤：提出了含风电场控制的区域电网有功调度框架，采取基于风电功率预测的“发电计划跟踪”为主，风电机组“直接参与调频”为辅的控制原则，对新增功能短期和超短期风电功率预测，以及辅助调频进行了描述；给出了包含风电场控制的有功调度系统的数据流程设计；提出风电场有功功率控制模式，基于目前风电控制技术，通过风电参与电网有功控制，提高电网的风电接纳能力；提出基于稳定断面的风电场有功功率控制，在保证系统风电接入重要断面稳定裕度前提下，以最大消纳风电等可再生能源为原则，进一步解决高风电渗透率下的风电消纳问题。

Description

风电并网后主站端风电场有功功率控制方法

技术领域

本发明属电力系统控制领域，尤其涉及一种适应于大规模风电并网的电网主站端风电场有功功率控制方法。

背景技术

风力发电是目前除水电外，技术最成熟、经济效益最好的一种可再生能源发电方式。随着国内多个千万千瓦级风电基地的开工建设及大规模风电的并网运行，风电的随机性、波动性和间歇性的特点，对电网安全稳定运行的影响逐渐显现，与此同时电网运行管理和调度控制的难度逐渐增大。

现阶段风电并网后，电网采取优先调度和全额收购的方式来接纳风电资源，通过系统中常规能源机组(如火电机组和水电机组)的协调配合，以及网省调协调，优化资源调用的方式，跟踪风功率波动，调节风电波动引起的有功不平衡量。大规模风电并网后，风电爬坡过快，“反调峰”特性，增加了备用容量需求，提高了调节资源性能要求，降低了电网运行经济性。国内风电发展“大规模集中式开发、高电压远距离输送”特点显著，大潮流有功输送和大功率支援，不利于电网的安全稳定运行，容易引起输电线路、联络线过载、稳定断面越限等运行安全问题。

电力系统中针对风电接入的有功控制技术目前有如下方法：

文献一《大量风电引入电网时的频率控制特性》(电力系统自动化2008年第32卷第1期第29页)在深入分析异步电动机频率特性的基础上，采用所开发的电力扰动装置对不同转矩特性的异步电动机的频率特性进行了测试。基于加权综合的思路建立了包含异步电动机的综合负荷的频率特性模型，同时分析了风力发电的出力特性。通过对一个包含风力发电的电网进行分析，论证了考虑负荷频率特性以后，在同样电网调频能力的情况下，频率波动的偏差会变小。

文献二《双馈变速风电机组频率控制的仿真研究》(电力系统自动化2007年第31卷第7期第61页)以双馈变速风电机组模型为基础，根据双馈变速风电机组控制特点和控制过程，在电力系统仿真软件中增加了频率控制环节，在系统频率变化时，双馈变速风电机组通过释放或者吸收转子中的一部分动能，相应增加或者减少有功出力，实现了风电机组的频率控制。仿真结果证明了频率控制环节的有效性和实用性，并证明了通过增加附加频率控制环节，风电场能够在一定程度上参与系统频率调整。

上述文献分别从风电机组和风电场模型及特性、电参与电网一、二次频率控制技术等不同层面披露了风电接入后的有功调度技术，但对于区域电网主站端的风电场具体有功控制，即采用何种控制模式、何种建模手段、控制的总体思路未深入涉及。

文献三《一种计及电网安全约束的风电优化调度方法》(电力系统自动化2010年第34卷第15期第71页)提出了一种根据风电功率预测、电网负荷预测和省间联络线计划，计及电网安全稳定等约束条件，制定风电场出力计划的优化调度方法。文章提出的方法主要为网省调度机构协调优化安排常规能源机组，预留风电出力空间保证风电场有功出力在安全区域内稳定运行，为电网最大程度的接纳风电创造条件。

文献三提出的风电优化调度方法，通过合理安排日前计划做到系统运行经济性和风电最大程度接入的平衡，并通过风电场跟踪安全区域曲线保证风电接入后电网安全稳定运行。从网省调资源协调，资源调用方式优化以及电网安全角度等不同层面披露了风电接入后的电网和风电场的有功功率控制技术，但是高风电渗透率下，对于风电场自身有功控制涉及较少。

发明内容

本发明的目的是：

1、针对风电并网运行情况，提出了含风电场控制的区域电网有功调度框架，减小风电的波动性对电网调度运行的影响，提升电网对风电的可控能力；

2、结合当前实际运行情况，提出风电场控制模式及基于稳定断面的风电场有功控制，在保证电网安全稳定运行的前提下，进一步解决高风电渗透率下的风电消纳问题。

为了实现上述目的，本发明采取以下的技术方案来实现：

(1)风电场有功控制总体技术构架：受风电机组自身运行特性和风力发电的不确定性影响，风电机组难以具备像常规水、火电机组一样的功率调节能力。将风电机组纳入区域电网的有功调度与控制框架，采取基于风电功率预测的“发电计划跟踪”为主，风电机组“直接参与调频”为辅(称之为辅助调频)的控制原则。

(2)风电场控制建模常见方法：针对风电场有功控制，建立以风电场为控制对象的控制模型实现风电场有功控制，风电跟踪指令下发至风电场，由当地自动发电控制AGC系统将计划分解至风机实施控制。

(3)风电场有功功率控制模式：常规状态下，风电场的有功功率控制模式主要有：限制模式、调整模式、差值控制模式、斜率控制模式、平衡控制模式和频率控制模式。各种控制模式目的在于提升风电的可控能力，减小风电并网后对电网调节资源的依赖，提高电网运行的经济性。

(4)基于稳定断面的风电场有功功率控制：在保证系统风电接入重要断面稳定裕度前提下，以最大消纳风电等可再生能源为原则，计算得到各风电场的有功出力计划曲线，实时发布到风电场。

基于稳定断面的风电场有功功率控制方法为利用风电送出断面的稳定极限公式，得到风电场总可调出力的上限值，将其按照基于综合分担因子的风电场功率分配策略在直调风电场中进行分配；当风电场总出力位于输送通道的安全裕度范围内，不限制各风电场的出力，按照最大能力来安排风电场出力；当风电总出力超过了风电通道的最大输送能力，所有风场按照修正方法重新安排发电。

本发明中的基于稳定断面的风电场有功功率控制方法如下：

风电送出断面的稳定极限P_lim满足下列公式：

P_lim＝P_chg，5min+P_norm+_Pwf，max    (1)

式中，P_chg，5min为根据风电的历史数据统计规律确定的5Min内风功率最大变化值(即稳定断面最小安全裕度)，

P_norm为常规机组发电最小出力，

P_wf，max为风电通道的最大输送能力，即风电场的最大出力。

ΔP_wf＝P_wf-P_wf，max    (2)

式中，ΔP_wf为风电通道超送的部分，P_wf为风电通道实际输送功率，P_wf，max为风电通道的最大输送能力；

必要时可以切除风电场的馈线。

具体分配原则为：

单个风电场由加权公式得到该风场参与有功出力分配的分担因子(综合评分)F_i，计算公式为：

F_i＝∑λ_j*S_j，i    (3)

∑λ_j＝1    (4)

式中：λ_j为每个子项的权重系数，S_j，i为风电场具体子项的评分，如调节精度、调节速度、预测偏差等。

由分担因子，可得到风电场有功出力的分配公式：

$P_{\mathrm{wf},i}=\frac{F}{\underset{i\∈\mathrm{Grid}}{\mathrm{\Σ}}{F}_i}{P}_{\mathrm{wf},\max }---\left(5\right)$

当风电总功率超过通道裕度，需要调整风电场有功时，修正公式为：

$P_{\mathrm{wf},i}^{\′}=P_{\mathrm{wf},i}-\frac{F_i}{\underset{i\∈\mathrm{Regu}}{\mathrm{\Σ}}{F}_i}(P_{\mathrm{wf}}-P_{\mathrm{wf},\max })---\left(6\right)$

利用公式(1)，可得到风电场总可调出力的上限值，将其按照公式(3)至(5)所示的基于综合分担因子的风电场功率分配策略在直调风电场中进行分配，然后通过调度系统下发。

当风电场总出力位于输送通道的安全裕度范围内，不限制各风电场的出力，按照最大能力来安排风电场出力；

当风电总出力超过了风电通道的最大输送能力P_wf，max，所有风场按照修正方法即公式(6)的修正公式重新安排发电，减发的有功不低于风电通道超送部分。

本发明所达到的有益效果：本发明充分利用风电场现有的控制能力和控制水平，在风电可控能力范围内减小风电功率波动对电网的冲击，从而进一步提高电网的风电接纳水平，更有效地发挥了风电场自身参与电网有功调度及频率控制的潜能。

附图说明

图1含风电场控制的区域电网有功调度框架示意图；

图2含风电场控制的有功调度系统数据流程示意图；

图3风电控制的数据接口示意图；

图4风电场控制器表结构设计；

图5a为限值模式示意图；

图5b为调整模式示意图；

图5c为差值控制模式示意图；

图5d为斜率控制模式示意图；

图5e1为一种平衡控制模式示意图；

图5e2为另一种平衡控制模式示意图；

图5f为频率控制模式示意图。

图5a-图5f中，-·-·-为最大可发功率，-为实际发电功率。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示为本发明中一种含风电场控制的区域电网有功调度框架示意图，具体实施步骤为：

(1)将风电机组纳入区域电网有功调度与控制框架，风电机组基于风电功率预测的“发电计划跟踪”为主，风电机组“直接参与调频”为辅(称之为辅助调频)的控制原则；

(2)短期与超短期风电功率预测，采用多时间维度的风电功率预测，并结合相同时间级的负荷预测、网络拓扑、检修计划等，综合考虑电网的安全约束，实现经济目标最优的发电计划优化编制；

(3)风电场AGC负责将区域电网制定的发电计划分解至风机，通过改变桨距角限制功率输出、启停风机等一系列手段实现跟踪控制；

(4)风电机组参与电网调频的能力非常有限，一般仅作为常规机组AGC的辅助调节手段，在紧急情况下贡献出有限的调节能力；

(5)风电参与辅助调频的方式主要有：①高频降出力调节，即放弃部分风能。②低频减出力调节，这要求机组在正常情况下“降额发电”，始终留有一定的备用裕度，以备在常规机组调频能力不足时提供临时性支援。

如图2所示为本发明中一种包含风电场控制的有功调度系统数据流程示意图，展示了风电场有功功率控制系统与传统常规控制系统的区别与联系。

传统EMS系统主要负责对常规能源的控制，包括前置数据采集、稳态数据监控及发电控制等模块；风电场有功调度系统在建设构架上也具备和常规EMS类似的功能模块，涉及风电数据采集、监视及控制部分等。系统建设初期，风电监视及控制所需的图形、模型及参数等基础数据部分可由EMS通过标准的CIM/E语言导入。风电场实时监测数据以直采的104规约或文件SFTP传输方式上送，风电调度系统同时需要接入风电功率预测的结果，用于实时发电计划的编制及接纳能力评估。风电场控制的有功计划值通过扩展的104规约方式下发至各风电场，同时具备和传统EMS中常规能源机组的协调控制功能。

如图3所示为本发明中风电控制的数据接口示意图。具体控制环节，实时计划控制部分，采用松耦合关系，计划修改的过程不经过AGC循环处理；辅助控制部分，采用紧耦合关系，需要结合AGC控制的循环来处理风电调节目标。

风电场有功控制首先根据当前调度员的控制需要决定风电控制的具体模式：辅助频率控制或计划控制。当选用辅助频率控制时，通过计算区域总的功率不平衡量，或是结合当前输送通道的安全裕度，并结合实时的常规能源发电计划，给出风电场控制的调整总量，在风电场中实施功率分配后实时下发；当选用计划控制时，风电场读取由发电接纳能力评估给出的实时发电计划，并由调度员在线通过斜率、限值、偏差等控制手段修正后以96点的计划值方式下发给风电场。

如图4所示给出了本发明中一种风电场控制器表的设计结构，在风电控制中，传统的控制对象PLC无法准确表述风电场控制对象，由风电场控制器(WPLC)来表征风电场控制设备，针对风电控制特性设计了表结构及参数。

如图5a-图5f所示为本发明中风电场有功功率控制模式示意图，具体包括：

(1)限值模式，如图5a所示，限制风电场的输出在一个可调的限值上(不超过风电场实际的最大可调出力，若给定值大于最大可调功率，则将目标调整至最大可调功率)，该限制值可设定。该模式以最大化消纳可再生能源为目的设计，需要通过系统中其他常规能源机组协调满足系统调频和调峰要求；

(2)调整模式，如图5b所示，风电场应保证有功输出尽可能的维持在设定目标上，当上级机构的控制指令撤销时，风电出力按指定的斜率复归；

(3)差值控制模式，如图5c所示，限制控制模式的延伸，风电的输出功率始终保持与最大可调出力固定偏差(限额)，可视作风电场参与系统有功备用的一种方式，对风电留有部分有功备用，使风电资源具有上调和下调出力的能力；

(4)斜率控制模式，如图5d所示，风电场按照给定的爬坡速率调节输出功率，该模式保持风电出力固定斜率增出力和减出力，可避免风电调整速率过快造成系统调频困难；

(5)平衡控制模式，风电场作为区域电网有功平衡的快速有功调整手段，执行发电计划，或部分参与系统的二次调频(AGC)；

图5e1给出了一种平衡控制模式，在控制时直接给出风电场的发电期望目标值。

图5e2给出了另一种平衡控制模式，在控制时主要给出风电场的调节速率，适宜于发电计划调节。

(6)频率控制模式，如图5f所示，一种基本的方式是建立在差值控制模式的基础上，使其留有一定的上下调节裕度，低频增出力，高频减出力，从而直接参与系统的频率控制，使风电场“可控”“在控”。

本发明按照优选实施例进行了说明，应当理解，但上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种风电并网后主站端风电场有功功率控制方法，其特征在于,包括下列内容：

（1） 风电场有功功率控制总体技术构架：建立将风电机组纳入区域电网的有功调度与控制框架，采取基于风电功率预测的“发电计划跟踪”为主，风电机组“直接参与调频”为辅，称之为辅助调频的控制原则；

（2） 风电场控制建模方法：针对风电场有功控制，建立以风电场为控制对象的控制模型实现风电场有功控制，风电跟踪指令下发至风电场，由当地自动发电控制AGC系统将风电场计划分解至风机实施控制；

（3） 风电场有功功率控制模式：常规状态下，风电场的有功功率控制模式包括：限制模式、调整模式、差值控制模式、斜率控制模式、平衡控制模式和频率控制模式；

（4） 基于稳定断面的风电场有功功率控制：在保证系统风电接入重要断面稳定裕度前提下，以最大消纳可再生能源为原则，计算得到各风电场的有功出力计划曲线，实时发布到风电场。

2.根据权利要求1所述的风电并网后主站端风电场有功功率控制方法，其特征在于：在所述步骤（1）中，风电场参与辅助调频的方式包含                                                

高频降出力调节，即放弃部分风能；②低频减出力调节，机组在正常情况下“降额发电”，始终留有一定的备用裕度。

3.根据权利要求1所述的风电并网后主站端风电场有功功率控制方法，其特征在于：在所述步骤（2）中，风电场计划的制定过程, 采用多时间维度的风电功率预测，并结合相同时间级的负荷预测、网络拓扑、检修计划，综合电网的安全约束，优化编制经济目标最优的发电计划。

4.根据权利要求1所述的风电并网后主站端风电场有功功率控制方法，其特征在于：在所述步骤（2）中，风电场有功控制对象的建模方法,由风电场控制器WPLC来表征风电场控制设备，针对风电控制特性设计表结构及参数。

5.根据权利要求1所述的风电并网后主站端风电场有功功率控制方法，其特征在于：在所述步骤（4）中，基于稳定断面的风电场有功功率控制方法为利用风电送出断面的稳定极限公式，得到风电场总可调出力的上限值，将其按照基于综合分担因子的风电场功率分配策略在直调风电场中进行分配；当风电场总出力位于输送通道的安全裕度范围内，不限制各风电场的出力，按照最大能力来安排风电场出力；当风电总出力超过了风电通道的最大输送能力，所有风场按照修正方法重新安排发电。

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