CN102820676B - 一种风电场限电控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电力系统风力发电技术领域的一种风电场限电控制方法。其技术方案是：基于风电场的出力特性以及风电机组的控制原理，参考常规机组实时调度方案，1、设计确定与风电机组控制相关的参量；2、基于电力系统调度控制要求与归一化方法，设计风电机组调节性能指标的计算方案；3、基于电力系统机组组合优先顺序法的基本原理，以风电机组特性与调节性能指标为依据，建立风电场内风电机组限电序列，从而合理确定风电场场内风电机组限电控制时的出力容量分配。

Description

一种风电场限电控制方法

技术领域

本发明属于电力系统风力发电技术领域，尤其涉及一种风电场限电控制方法。

背景技术

风电具有间歇性、波动性和随机性，不能提供稳定的发电功率，其并网发电给电网的安全稳定运行带来了一定的冲击和挑战。为了保证电网的安全稳定，调度人员往往需要在运行控制中留有较大的安全裕度。然而，随着风电大规模的集中开发并网，仅仅通过电网调节将愈加困难。此外，国家电网公司发布的《风电场接入电网技术规定》指出：“风电场应具备有功功率调节能力，能根据电网调度部门指令控制其有功功率输出。”因此，如何主动对风电场的有功出力进行控制，改变现有风电场类似负荷的工作模式，优化利用风能资源，促进我国电网风电接纳能力的提高，是电网和风电场调度人员都十分关心的课题。

其中，风电场限电控制是当前风力发电的主要问题。风电场限电控制一般是通过启停风电机组或者风机控制系统的调节来实现的。由于风电机组为机械设备，频繁启停风电机组对风电机组寿命影响非常大，不仅增加了风电机组的磨损及运行费用，而且受技术水平限制，风电场的调节响应速率也有一定的限制。相比较而言，通过调节风电机组控制系统来进行出力限制使出力在可控范围内，而且能够较快地响应控制信号。因此，风电场通过风电机组控制系统调节的方式进行限电控制，有利于达到减小切机数量、避免机组频繁起停和优化风电场运行的目的。

此外，目前有关风电场的出力控制大多是按容量或出力预测比例分配，而很少从电网调度要求以及机组的实时运行状态方面进行考虑，也没有形成一种完备的风电场层功率自动控制方法。

发明内容

针对背景技术中描述的风电场限电控制一般的方法是通过启停风电机组或者风机控制系统的调节来实现，因此，对风电机组寿命影响非常大，还增加了风电机组的磨损及运行费用，而且受技术水平限制，风电场的调节响应速率也有一定的限制。本发明提出了一种风电场限电控制方法。

一种风电场限电控制方法，其特征包括下列步骤：

步骤1：设计确定与风电机组控制相关的参量；

步骤2：设计风电机组调节性能指标的计算方案；

步骤3：建立风电场内风电机组限电序列，确定风电场场内风电机组限电控制时的出力容量分配。

步骤1中，风电机组调节性能参量确定

1）调节容量

定义风电机组调节容量为在不影响运行的前提下风电机组控制系统通过主动调节能够达到的最大降出力值。

在确定调节容量的过程中，考虑风电机组控制系统转速控制与桨距角控制在主动限出力控制时效果不一致的问题，本发明基于风机本身运行曲线进行分析，根据风机转速控制的实际情况，在限出力控制中适当改变风电机组运行曲线，确定多个转速恒定区段，在实现准确确定调节容量的同时扩大调节容量范围。

根据风电机组的运行曲线，机组i的调节容量S_i可以表示为

$S_i=P_0-\max (P_1,P_2)---\left(1\right)$

其中，P₀为控制初始风电机组i输出有功功率值，P₁为通过风电机组控制系统控制机组i能够达到的理论最小出力值，P₂为风电机组i正常运行最小允许技术出力值。

2）调节速率

定义风电机组调节速率为反映风电机组运行在额定功率时在一定时间内响应控制信号的功率变化情况。该指标主要与风电机组桨距角最大动作速率相关，其值可在机组调试期间试验测定或由机组供应商提供。

设机组i在一定时间Δt内响应出力控制信号的变化，其出力变化ΔP_i，则机组i的调节速率V_i为

$V_i=\mathrm{\Δ}{P}_i/\mathrm{\Δt}---\left(2\right)$

3）响应时间

定义风电机组的响应时间是指是指从风电机组接收到控制指令到机组产生实际动作之间的时间。风电机组的响应时间可由机组调试期间试验测定或由机组供应商提供。

步骤2中，基于电力系统调度控制要求与归一化方法，设计风电机组调节性能指标的计算方案，风电机组i的调节性能指标可由式（3）确定：

$K_i=a{K}_{S_i}+b{K}_{V_i}+c{K}_{T_i}---\left(3\right)$

其中，、和分别为机组i调节容量、调节速率和响应时间的指数；a、b、c为各指数的权重系数，且a+b+c=1。

基于归一化原理，参考电力系统调度控制要求，根据风电场风机调节容量、调节速率以及响应时间各参量的实际情况，可设定当各参量达到控制要求基准值时，各参量的指数为1.0，并以此为标准，当各参量高于或低于此水平时，其指数作相应调整。

1）调节容量指数的确定：

当风电机组调节容量达到额定容量S_Ni的第一设定比例时，设定调节容量指数为1.0；在此基础上，调节容量指数的计算公式为：

$K_{S_i}=1.0+(S_i/S_{\mathrm{Ni}}-x\%)*m---\left(4\right)$

其中，X为第一设定比例，m为与调节容量偏移量有关的系数。

2）调节速率指数的确定

当机组每秒平均调节容量恰好等于额定容量S_Ni的第二设定比例时，设定，在此基础上，调节速率指数的计算公式为：

$K_{V_i}=1.0+(S_{V_i}/S_{\mathrm{Ni}}-y/100)*100n---\left(5\right)$

其中，y为第二设定比例，n为与调节速率偏移量相关的系数。

3）响应时间指数的确定：

设电网要求机组响应控制信号的时间应T_i小于t_s，因此当机组桨距角响应控制信号动作的时间间隔为t_s时，设定。r为与数量级相关的参数。

$K_{T_i}=1.0+(1.0-T_i/t)*r---\left(6\right)$

其中，T_i为风电机组的响应时间。

步骤3中，风电场内风电机组限电序列的建立

本发明设定风电场控制系统根据建立风电机组限电序列实现限电控制的步骤为：

步骤a： 根据风电机组上传的运行信息确定可调风电机组，并计算可调风电机组调节性能指标；

步骤b：按指标大小自动排列机组控制顺序，初步生成风电机组限电序列；

步骤c：考虑风电机组的特性，设定判定条件|K_i-K_j|≤ε|β_i1-β_j1|，其中K_i、β_i1、K_j、β_j1分别为机组i、j的调节性能指标与控制初始桨距角大小，ε为平衡系数。控制系统比较风电机组限电序列中各机组参数，调整符合判定条件且初始桨距角较小的风电机组序号，使其优先进行控制。设K_i>K_j，β_i1<β_j1，且满足判定条件，因此，机组j将需要向前移至机组i前；

步骤d：风电场控制系统更新风电场机组限电序列，生成风电场限电控制机组执行序列并根据该序列以及控制要求依次选择风电机组参与控制。

本发明的有益效果是，提供了一种风电场层自动控制有功出力的策略方法，保证风电场有效地响应调度命令，实现风电场的优化运行以及风能的最大利用。

附图说明

图1是本发明提供的一种风电场限电控制方法的基本步骤框图；

图2是本发明提供的一种风电场限电控制方法的实现程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1是本发明提供的一种风电场限电控制方法的基本步骤框图。

一种风电场限电控制方法，其特征包括下列步骤：

步骤101：提取已设定的风电机组控制相关的参量；

步骤102：根据设定的规则进行归一化处理；

步骤103：确定风电机组调节性能参量；

步骤104：根据机组指标进行排序，建立机组限电序列；

步骤105：风电场控制系统根据机组限电序列进行控制；

步骤106：风电机组执行控制命令，并更新机组限电序列。

图2是本发明提供的一种风电场限电控制方法的实现程序流程图。具体包括以下步骤：

步骤201：输入风电场内风电机组信息；

步骤202：判断输入机组信息的维数是否相同；若是，则执行步骤203；否，则返回步骤201；

步骤203：根据已输入的公式确定各机组调节性能指标，并按照指标大小进行初次排序；

步骤204：根据设定的判定条件|K_i-K_j|≤ε|β_i1-β_j1|重新排序，将符合判定条件且初始桨距角较小的风电机组优先进行控制，并建立风电机组限电序列；

步骤205：输入上级调度要求的限电值，判断风电场可调容量是否超过限电值；若是，则风电场控制系统自动将剩余控制余量分配通过切除风电机组；否，则更新风电机组限电系列；

步骤206：风电场控制系统根据限电序列实现限电控制，并输出控制命令。

下面通过建立一小型自定义风电场限电序列来说明本方法。假设该风电场有5台额定容量1.5MW的变速恒频风电机组处于可限电状态，其风速、桨距角状态以及三限电控制参量风机数据如表１所示。

表1　参量数据表

根据上表数据以及公式（3）～（6），风机的调节性能指标以及初步排序如表２所示，其中，a、b、c取0.8、0.1、0.1；x、y、t分别取10、10、1；m、n、r分别取3、3、0.2。

表２　风机性能指标及初步排序结果

根据设定的判定条件|K_i-K_j|≤ε|β_i1-β_j1|，取ε为0.0031/deg。由判定条件可知，2号机组与5号机组达到条件，因此2号机组应优先进行控制，向前移至5号机组前。更新后的机组限电序列如３所示。风电场控制系统将根据此限电序列以及控制要求按序号由小到大依次选择机组进行限出力控制，实现风电场的限电控制目标。

表３　更新后的机组限电序列

机组序号	1	2	3	4	5
						排序序号	5	3	2	1	4

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种风电场限电控制方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤1：确定与风电机组控制相关的参量；

步骤2：设计风电机组调节性能指标的计算方案；

步骤3：建立风电场内风电机组限电序列，确定风电场场内风电机组限电控制时的出力容量分配；

所述风电机组控制相关的参量包括调节容量、调节速率和响应时间；各个参量的确定过程为：

1)调节容量

根据风电机组的运行曲线，机组i的调节容量S_i表示为

S_i＝P₀-max(P₁,P₂)          (1)

其中，P₀为控制初始风电机组i输出有功功率值，P₁为通过风电机组控制系统控制机组i能够达到的理论最小出力值，P₂为风电机组i正常运行最小允许技术出力值；

2)调节速率参量

设机组i在一定时间Δt内响应出力控制信号的变化，其出力变化ΔP_i，则机组i的调节速率V_i为：

V_i＝ΔP_i/Δt          (2)

3)响应时间

电机组的响应时间是指是指从风电机组接收到控制指令到机组产生实际动作之间的时间；

所述设计风电机组调节性能指标的计算方案，风电机组i的调节性能指标可由式(3)得到：

$K_i=a{K}_{S_i}+b{K}_{V_i}+c{K}_{T_i}---\left(3\right)$

其中，和分别为机组i调节容量、调节速率和响应时间的指数；a、b、c为各指数的权重系数，且a+b+c＝1；

设定当各参量达到控制要求基准值时，各参量的指数为1.0，并以此为标准，当各参量高于或低于此水平时，其指数作相应调整；

a)调节容量指数的确定：

当风电机组调节容量达到额定容量S_Ni的第一设定比例时，设定调节容量指数为1.0；在此基础上，调节容量指数的计算公式为：

$K_{S_i}=1.0+(S_i/S_{\mathrm{Ni}}-x\%)*m---\left(4\right)$

其中，x为第一设定比例，m为与调节容量偏移量有关的系数；

b)调节速率指数的确定：

当机组每秒平均调节容量恰好等于额定容量S_Ni的第二设定比例时，设定在此基础上，调节速率指数的计算公式为：

$K_{V_i}=1.0+(S_{V_i}/S_{\mathrm{Ni}}-y/100)*100n---\left(5\right)$

其中，y为第二设定比例，n为与调节速率偏移量相关的系数；

c)响应时间指数的确定：

设电网要求机组响应控制信号的时间T_i应小于t秒，因此当机组桨距角响应控制信号动作的时间间隔为t秒时，设定r为与数量级相关的参数；

$K_{T_i}=1.0+(1.0-T_i/t)*r---\left(6\right)$

其中，T_i为风电机组的响应时间；

所述风电场内风电机组限电序列的建立，并实现限电控制的步骤为：

步骤①：根据风电机组上传的运行信息确定可调风电机组，并计算可调风电机组调节性能指标；

步骤②：按指标大小自动排列风电机组控制顺序，初步生成风电机组限电序列；

步骤③：考虑风电机组的特性，设定判定条件|K_i-K_j|≤ε|β_i1-β_j1|，其中K_i、β_i1、K_j、β_j1分别为机组i、j的调节性能指标与控制初始桨距角大小，ε为平衡系数；控制系统比较风电机组限电序列中各机组参数，调整符合判定条件且初始桨距角较小的风电机组序号，使其优先进行控制；设K_i>K_j，β_i1<β_j1，且满足判定条件，因此，机组j将需要向前移至机组i前；

步骤④：风电场控制系统更新风电场机组限电序列，生成风电场限电控制机组执行序列并根据该序列以及控制要求依次选择风电机组参与控制。