CN103545849A - 风电参与系统调频控制的架构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电参与系统调频控制的架构，包括运行管理层、风电场控制层和风电机组控制层。考虑风电场内参与调频的各机组的实际工况不同，结合风电场调频经济性，确定各机组调频量；同时增加转速恢复模块，保证转子转速快速恢复，为下一阶段系统调频做好准备，使得风电场能够像常规电厂一样参与调频。

Description

风电参与系统调频控制的架构

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，尤其是一种风电参与系统调频控制的架构。

背景技术

电力系统运行中随时都在经受着有功负荷变化的扰动，当机组负荷增大或减少时，引起转速下降或上升，造成交流电频率偏移正常值。如果频率偏移过大，将影响工农业产品的质量和产量，甚至造成设备损坏，严重时会造成系统频率崩溃，电厂解列，引起大面积停电，因此，电力系统要进行频率调整。电力系统的频率调整分为一次频率调整、二次频率调整。

一次调频是指当电网频率偏离额定值时，发电机组调节控制系统自控控制机组有功功率的增加（频率下降时）或减少（频率升高时），以限制电网频率变化的特性。机组一次调频功能对电网频率稳定发挥至关重要作用，是电力系统有功频率控制的重要环节，反映了电网应对负荷突变的能力，对电力系统的安全稳定运行有重要作用。

二次调频也称为自动发电控制（AGC），是指发电机组提供足够的可调整容量及一定的调节速率，在允许的调节偏差下实时跟踪频率，以满足系统频率稳定的要求。二次调频可以做到频率的无差调节，且能够对联络线功率进行监视和调整。

随着风电并网容量的快速增加，由于风电功率的波动性、间歇性、反调节性和难预测性，使得系统的调峰、调频控制越来越困难。根据实际运行数据统计，百MW级风电场99%以上的波动在10MW左右，该容量已超出现有的超级电容、超导储能等不受充放电次数限制的储能设备的常规容量，因此仅利用储能设备协助风电场参与系统调频已无法满足调控需要。由于风电装机容量的大幅增大，使得电网调频容量比例显著下降，更需增加相应容量的调频电源。此时，可考虑将部分风电场作为调频电源，也可以利用部分风电场与小水电、光伏电站等电源的协调管理以参与系统的调频控制，维持系统频率稳定。

针对风电功率的强随机性和间歇性的特点，国内外学者从各方面对包含风电场的电力系统的有功功率调节和频率控制技术做了相关研究。对于风电机组（风电场）的一次调频，国内外学者一致使用转速控制方法，但该方法在实际控制中可能出现风电机组调节能力不足的问题，一些改进措施虽然能够弥补调节能力不足，但是在一定程度上损失了调频经济性。对于风电二次调频的研究主要集中在调度层面，也就是整个风电场调控，但是这种研究都将风电场进行简单的统一控制，未考虑风电机组之间的差异，以及不同位置处风电机组的发电状态，调频量在风电场内部机组之间分配的研究比较缺乏，如果分配不当，会造成调节效果达不到要求，或者造成风电场经济损失增大。

根据风电场运行特点、分布特性、系统现有调频方式，有学者以整个风电场作为调控对象，提出基于分层架构的风电场调频控制模式，如图1所示，分为风能管理层（管理层）、风电场调控层（中继层）和风电机组调控层（执行层）。

1）风能管理层

风能管理层是由电网运行管理部门（调度中心）负责，在原有能量管理系统中，增加监控区域内风电场，依据常规电场、风电场的运行信息和系统的运行状态决定风电场调控层的功率参考值、调控模式，协调管理风电场与常规电场的频率控制。其中风电场调控模式分为正常运行模式和调控模式两种。

其中，正常运行模式主要针对系统频率偏差位于允许范围内的情形，此时风电场可以根据风能管理层运行要求，运行在最大功率输出、储备控制和通信故障等子模式，而不参与系统的实时频率调控；调控模式主要针对系统频率偏差超出正常允许范围的情形，此时风电场、风电机组将根据风能管理层的运行要求，按预定爬坡速度增加或者减少有功功率输出，以参与系统的频率调控。

2）风电场调控层

风电场调控层依据风能管理层的调控指令、风电机组运行信息，将有功功率调整量平均分配给各机组，并实时向风能管理层反馈风电场运行信息。

3）风电机组调控层

风电机组调控层依据风电场调控层的调整指令、调控模式、有功功率计划调整量，风机的输入风速值、风机最大功率曲线获取相应的参考转矩和参考桨距角，进而进行具体的桨距角调整或转速调整以完成有功功率输出的改变，并及时将机组运行信息反馈给风电场调控层。

这种分层控制方式采用无差别的控制方式，即认为风电场内各个机组运行工况完全相同，而实际中同一风电场内由于机组本身差异、各风电机组分布地域广以及尾流效应等，使得机组运行工况不同，进而不同工况下风电机组的调频能力不同。如果将调频任务平均分配给各个机组，就可能造成一些机组无法完成调节任务，最终导致风电场不能严格完成调频任务。且转子的自然恢复需要很长的一段过程，不利于下一阶段系统频率的支撑。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种风电参与系统调频控制的架构，对风电场所分配的调频容量，依据风电场内不同工况下风电机组的调频能力，确定相关机组的调频容量，确保风电场调频的经济性；同时在风电机组完成调频后，能够使转子的转速快速恢复，为下一阶段系统频率的支撑做好准备。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：一种风电参与系统调频控制的架构，包括运行管理层、风电场控制层和风电机组控制层；

所述运行管理层监督整个风电场行为，决定风电场的控制层模式状态、功率和频率参数、设定风电场下垂特性曲线参数以及协调风电场与常规电厂的频率控制；

所述风电场调控层依据所述运行管理层的调控指令、风电机组运行信息及风电场的模式状态对机组进行控制，并实时向风能管理层反馈风电场运行信息；

所述风电机组调控层依据所述风电场调控层的调整指令、调控模式、有功功率计划调整量，风机的输入风速值、风机最大功率曲线获取相应的参考转矩和参考桨距角，进而进行具体的桨距角调整或转速调整以完成有功功率输出的改变，并及时将机组运行信息反馈给风电场调控层。

进一步地，所述风电场的模式状态分别为：

⑴、正常运行模式时，风电场根据运行管理层要求，控制机组运行在最大功率输出状态，不参与系统调频。

⑵、调控模式时，风电场动态选定参与系统调频的响应机组，结合各风电机组的实际工况，对风电机组调控层下达相应有功功率调整指令，确保风电场的有功功率满足电网调度需求。

进一步地，所述运行管理层调控的具体方法为：按紧急程度将不同风电场、常规电厂的装机总容量、备用容量、可调整容量、单位调节能力等相关因素按照支配关系分组形成有序的递阶层次结构，通过寻优方式确定层次中诸因素的相对重要性，然后在递阶层次结构中合成得到诸因素相对于调控系数的重要性的总顺序，进而为每个风电场、常规电厂设置相应的调控系数KCi系数满足∑KCi=1。设nP为总额外注入的功率，则每个发电机额外注入的功率为PCi=nPKCi。

进一步地，所述调控模式时，所述风电场控制层在接收到调频容量                                                

后，根据对风电场内的所有风电机组作滚动的超短期功率预测，确定风电场内下一时段所有与调频指令相同的机组有功变量，风电场需要调整量

；再结合超短期功率预测，确定风电场内下一时段风电场控制层下达调频量变化趋势相反的各机组的参与调频的容量，从中选择能够参与调频的机组。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：考虑风电场内参与调频的各机组的实际工况不同，结合风电场调频经济性，确定各机组调频量；同时增加转速恢复模块，保证转子转速快速恢复，为下一阶段系统调频做好准备，使得风电场能够像常规电厂一样参与调频。

附图说明

图1为现有的系统框图；

图2为本发明的系统框图；

图3为机组桨距角恢复模块结构；

图4为转速恢复模块结构；

图5为比例系数a取值曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

如图2所示一种基于分层结构的风电参与调频控制架构，分运行管理层、风电场控制层、风电机组控制层；。

一、运行管理层

运行管理层监督整个风电场行为，它决定风电场的控制层模式状态、功率和频率参数、设定风电场下垂特性曲线参数以及协调风电场与常规电厂的频率控制。

风电场与常规电厂间的协调控制的具体是按紧急程度开展，即将不同风电场、常规电厂的装机总容量、备用容量、可调整容量、单位调节能力等相关因素按照支配关系分组形成有序的递阶层次结构，通过寻优方式确定层次中诸因素的相对重要性，然后在递阶层次结构中合成得到诸因素相对于目标（调控系数）的重要性的总顺序，进而为每个风电场、常规电厂设置相应的调控系数KCi系数满足∑KCi=1。设nP为总额外注入的功率，则每个发电机额外注入的功率为PCi=nPKCi。

二、风电场控制层

风电场调控层依据运行管理层的调控指令、风电机组运行信息及相应的模式状态对机组进行控制，并实时向风能管理层反馈风电场运行信息。

正常运行模式时，风电场根据运行管理层要求，控制机组运行在最大功率输出状态，不参与系统调频。

调控模式时（ 

），风电场动态选定参与系统调频的响应机组，对风电机组调控层下达相应有功功率调整指令，并结合风电场下垂特性曲线，在系统频率变化时，提高或减少整个风电场输出有功功率，从而使风电场像常规电厂一样参与系统调频，确保风电场的有功功率满足电网调度需求。

由于风电场内各机组所处地址位置的原因，在风电场控制层对各机组下达调频指令时，可能出现部分机组下一时段有功出力变化趋势与调频指令相反，而一部分机组下一时段有功出力变化趋势与调频指令一致。

风电场控制层在接收到调频容量

后，根据对风电场内的所有风电机组作滚动的超短期功率预测，确定风电场内下一时段所有与调频指令相同的机组有功变量

，风电场需要调整量

。

再结合超短期功率预测，确定风电场内下一时段风电场控制层下达调频量变化趋势相反的各机组的参与调频的容量，从中选择能够参与调频的机组，有如下要求：1）所选机组调频容量大于风电场计划调整容量；2）调频期间，参与调频的风电机组的转速需保持在额定转速与最低转速（由电网频率偏差、风电场经济损失上限、机组调差系统确定，每台机组根据各自工况确定）之间；3）所选参与调频机组的调频总成本最优。即满足：

式中，n为所选参加频率调整的机组个数，

为第i台机组能够参与的调频的容量，

为第i台机组参与调频时，调整单位容量的成本；

调频期间第i台机组的风速；

为第i台机组最低转速，它与电网频率偏差、风电场经济损失上限、机组调差系统有关；

为第i台机组的额定转速。

功率分配模块是将风电场有功功率的计划调整量分摊到执行调频的每台机组。

一般按自身容量比例进行有功功率计划调整量的除此分配，分摊公式为：

式中，

为风电机组i在第j+1时段分担的计划调整量；

     为风电机组i在第j时段的有功功率；

     

为风电场在第j时段的有功功率；

为风电场在第j+1时段的计划调整有功功率。

三、风电机组控制层

风电机组调控层依据风电场调控层的调整指令、调控模式、有功功率计划调整量，风机的输入风速值、风机最大功率曲线获取相应的参考转矩和参考桨距角，进而进行具体的桨距角调整或转速调整以完成有功功率输出的改变，并及时将机组运行信息反馈给风电场调控层。

其中转速或桨距恢复模块式为帮助风电机组转子转速或桨距角以更快的速度恢复到最佳运行状态而设计的，控制结构如图3和图4所示。

当转速恢复模块不起作用时（由触发器控制）比例系数取值为0，恢复模块起作用时，桨距角或转速偏差经过PI控制器后乘以比例系数a，a的取值如图5所示，曲线刚开始时为斜坡，这是为了减少转速或桨距恢复功能对风电调频的削弱，因此开始时系数a小于0，等一段时间后系数a才为1。当转速或桨距角恢复至最佳运行状态，触发器动作使恢复模块退出运行。

电网频率变化量

及反映其变化速率均超出死区时，机组将参与调节频差。

转速保护模块是为了防止机组深度调频而导致转子转速低于最低值。当转速低于最低值时，机组不在参与系统调频。

Claims (4)

1.一种风电参与系统调频控制的架构，包括运行管理层、风电场控制层和风电机组控制层；

所述运行管理层监督整个风电场行为，决定风电场的控制层模式状态、功率和频率参数、设定风电场下垂特性曲线参数以及协调风电场与常规电厂的频率控制；

所述风电场调控层依据所述运行管理层的调控指令、风电机组运行信息及风电场的模式状态对机组进行控制，并实时向风能管理层反馈风电场运行信息；

所述风电机组调控层依据所述风电场调控层的调整指令、调控模式、有功功率计划调整量，风机的输入风速值、风机最大功率曲线获取相应的参考转矩和参考桨距角，进而进行具体的桨距角调整或转速调整以完成有功功率输出的改变，并及时将机组运行信息反馈给风电场调控层。

2.如权利要求1所述风电参与系统调频控制的架构，其特征在于：所述风电场的模式状态分别为：

⑴、正常运行模式时，风电场根据运行管理层要求，控制机组运行在最大功率输出状态，不参与系统调频；

⑵、调控模式时，风电场动态选定参与系统调频的响应机组，结合各风电机组的实际工况，对风电机组调控层下达相应有功功率调整指令，确保风电场的有功功率满足电网调度需求。

3.如权利要求1所述风电参与系统调频控制的架构，其特征在于：所述运行管理层调控的具体方法为：按紧急程度将不同风电场、常规电厂的装机总容量、备用容量、可调整容量、单位调节能力等相关因素按照支配关系分组形成有序的递阶层次结构，通过寻优方式确定层次中诸因素的相对重要性，然后在递阶层次结构中合成得到诸因素相对于调控系数的重要性的总顺序，进而为每个风电场、常规电厂设置相应的调控系数KCi系数满足∑KCi=1，设nP为总额外注入的功率，则每个发电机额外注入的功率为PCi=nPKCi。

4.如权利要求2所述风电参与系统调频控制的架构，其特征在于：所述调控模式时，所述风电场控制层在接收到调频容量                                               

后，根据对风电场内的所有风电机组作滚动的超短期功率预测，确定风电场内下一时段所有与调频指令相同的机组有功变量，风电场需要调整量

；再结合超短期功率预测，确定风电场内下一时段风电场控制层下达调频量变化趋势相反的各机组的参与调频的容量，从中选择能够参与调频的机组。

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