CN104794576A - 一种风电场内机组有功分配协调方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风电场内机组有功分配协调方法，属于电力系统自动化分析技术领域，本发明方法通过风电机组平衡点稳定性分析得到风机临界转速，根据此临界转速对风电场内不同类型机组划分为非受控机组和受控机组两类，根据两类机组的不同出力特性，对非受控机组和受控机组采用不同的有功输出方式，并按照机组的实际储存能量将未平衡的能量在受控机组之间成比例进行分配。本发明易于实现、计算量小，能够帮助运行人员合理分配风电场内机组有功出力，有力保障在新能源接入电网的背景下系统安全、经济运行，促进电网持续、稳定、健康发展，有助于提高国家能源安全保障能力，具有显著的社会价值和经济价值。

Description

一种风电场内机组有功分配协调方法

技术领域

本发明属于风力发电技术领域,特别涉及利用对风电场内不同类型机组进行分类，考虑机组的出力特性，并按照机组的实际储存能量成比例分配，从而得到风电场内机组有功分配协调的方法。

背景技术

随着风力发电的大规模发展,风力发电系统侧调度将承受愈来愈大的随机性功率调整压力。现有风电场多数占地面积较大、地形条件复杂，场内各区域机组具有不同的出力特性，并且同一区域内的各机组可能存在各不相同的运行方式。因此，仅以简单的平均分配方式处理场内机组的功率调节问题，必然不是最经济、最合理的分配方式。有必要依据各区域内不同的机组出力特性及不同的机组运行方式对场内机组进行分类，并实施合理的协调分配，从而使场内机组间的功率分配处于最佳状态。

目前已有的风电场内有功分配的方法大多数是利用超短期风电功率值，选取经济性、出力与计划波动达到最小为优化目标，但是对不同机组的类型和出力特性考虑不足，且计算方法复杂，计算量大。

发明内容

本发明的目的在于为克服已有技术的不足之处，提供一种风电场内机组有功分配协调方法。本方法能够给出较为合理的风电场内机组有功分配协调结果,且计算方法简单，便于实际系统的应用。

本发明提出的一种风电场内机组有功分配协调方法，其特征在于，该方法通过风电机组平衡点稳定性分析得到风机临界转速，根据此临界转速对风电场内不同类型机组划分为非受控机组和受控机组两类，根据两类机组的不同出力特性，对非受控机组和受控机组采用不同的有功输出方式，并按照机组的实际储存能量将未平衡的能量在受控机组之间成比例进行分配。

该方法包括以下步骤：

1)根据上级指令，判断是否调整风电场的参考输出功率；若是，则转到步骤2)；若否，则转到步骤3)；

2)根据上级指令中指定的电场的参考发电功率P_all，将新的风电场参考发电功率设定为P_all；

3)首先根据风电场参考发电曲线，计算风电场内单台风电机组的平均输出功率P_avr如式(1)：

$P_{\mathrm{avr}}=\frac{P_{\mathrm{all}}}{N}---\left(1\right)$

式中，P_all为风电场的参考发电功率，N为变速风电机组的总数；

4)根据风电机组的机械转矩和电磁转矩曲线对风机进行平衡点稳定性分析，得到风电机组的临界转速ω_cr，根据临界转速ω_cr确定受控风电机组和非受控风电机组；

5)根据非受控运行机组的风电机组固有的最优运行曲线，估算所有非受控运行机组的输出功率：

令所有非受控机组按照最大风功率捕获方式运行；根据最优运行曲线，估算所有非受控机组的输出功率P_MPPT如式(2)：

$P_{\mathrm{MPPT}}=\underset{i=1}{\overset{M_1}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{opt}}\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ri}}\right)=\underset{i=1}{\overset{M_1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{k\ω}}_{\mathrm{ri}}^2---\left(2\right)$

式中，k为风轮机功率捕获系数，ω_ri为第i台非受控机组的转速，P_opt(ω_ri)为第i台非受控机组在MPPT状态运行时以ω_ri为转速的输出功率，M₁为非受控机组的总数；

6)令受控机组按照恒功率的发电方式运行，所有受控运行机组增加的发电功率记为ΔP，如式(3)所示：

ΔP＝M₁P_avr-P_MPPT               (3)

7)对所有受控机组增加的发电功率ΔP按照风轮机实际转速与临界转速偏差的平方成比例分配给每个风电机组，分配结果为：

${\mathrm{\ΔP}}_j=\mathrm{\ΔP}\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rj}}^2-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cr}}^2}{\underset{j=1}{\overset{M_2}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rj}}^2-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cr}}^2)}---\left(4\right)$

式中，ω_rj为恒功率运行机组的转速；M₂为受控机组的机组总数；

8)利用步骤1)、步骤5)给出的结果计算受控机组j的参考输出功率P_refj为：

P_refj＝P_avr+ΔP_j                 (5)

9)向风电机组(控制器)发送功率分配的控制指令，并回到步骤1)。

所述步骤4)具体包括：找出风电机组桨距角β＝0°时的机械转矩曲线T_m与电磁转矩曲线T_e的所有交点，比较所有的交点处的切线斜率，选取机械转矩曲线切线的斜率值大于电磁转矩曲线切线的斜率值处的交点为风电机组的不稳定平衡点；将选取出的不稳定平衡点对应的转速为风电机组风轮机的临界转速ω_cr；实时采集风电机组的风速及转速信息，选取风电机组风轮机的转速大于临界转速ω_cr的风电机组为受控机组，其它机组为非受控机组。

本发明的特点及有益效果:

本发明利用对风电场内不同类型机组进行分类，考虑机组的出力特性，并按照机组的实际储存能量成比例分配，从而得到风电场内机组有功分配协调。本发明为风电场机组有功分配协调提供了一种新思路。能够用尽量小的计算量得到较为合理的分配，并有利于将分配步骤转化为便于运行人员理解的合理的协调优化策略。

具体而言，本发明具有以下优点：

1)本发明能够充分考虑不同机组的类型、当前储存能量及其稳定性要求；

2)本发明的计算方法能够大大减少计算量，同时保证较合理的分配策略。

3)本发明计算方法简单，便于实际系统的应用。

附图说明

图1为本发明的总体流程框图。

图2为定功率控制策略下风电机组的机械转矩和电磁转矩曲线。

具体实施方式

本发明提出的风电场内机组有功分配协调方法结合附图及实施例说明如下：

本发明提出的一种风电场内机组有功分配协调方法，其特征在于，该方法通过风电机组平衡点稳定性分析得到风机临界转速，根据此临界转速对风电场内不同类型机组划分为非受控机组和受控机组两类，根据两类机组的不同出力特性，对非受控机组和受控机组采用不同的有功输出方式，并按照机组的实际储存能量将未平衡的能量在受控机组之间成比例进行分配。

该方法具体实现流程如图1所示,包括以下步骤：

1)根据上级指令(由上一级调度下发)，判断是否调整风电场的参考发电功率：

根据上级指令(由上一级调度下发)，判断是否调整风电场的参考输出功率；若是，则转到步骤2)；若否，则转到步骤3)；

2)设定风电场新的参考发电功率：

根据上级指令中指定的电场的参考发电功率P_all，将新的风电场参考发电功率设定为P_all；

3)计算风电场内单台风电机组的平均输出功率：

首先根据风电场参考发电曲线(由风电场给定)，计算风电场内单台风电机组的平均输出功率P_avr如式(1)：

$P_{\mathrm{avr}}=\frac{P_{\mathrm{all}}}{N}---\left(1\right)$

式中，P_all为风电场的参考发电功率，N为变速风电机组的总数；

4)根据风电机组的机械转矩和电磁转矩曲线对风机进行平衡点稳定性分析，得到风电机组的临界转速ω_cr，根据临界转速ω_cr确定受控风电机组和非受控风电机组：

具体实现方法为：根据风电机组在定功率下的机械转矩和电磁转矩曲线对该风力机进行平衡点稳定性分析，如图2所示。图中，β为风电机组桨距角，机械转矩曲线标为T_m，电磁转矩曲线标为T_e，k_A1和k_A2分别为交点A处T_m曲线与T_e曲线的切线斜率，k_B1和k_B2分别为交点B处T_m曲线与T_e曲线的切线斜率，k_C1和k_C2分别为交点C处T_m曲线与T_e曲线的切线斜率。观察β＝0°时的T_m曲线与T_e曲线的交点(也即平衡点)A、B，可知其中点A处机械转矩曲线切线的斜率值大于电磁转矩曲线切线的斜率值，即为风电机组的不稳定平衡点。选取不稳定平衡点A对应的转速为风电机组风轮机的临界转速ω_cr；实时采集风电机组的风速及转速信息，选取风电机组风轮机的转速大于临界转速ω_cr的风电机组为受控机组，其它机组为非受控机组；

5)根据非受控运行机组的风电机组固有的最优运行曲线，估算所有非受控运行机组的输出功率：

令所有非受控机组按照MPPT(Maximum Power Point Tracking，最大风功率捕获)方式运行；根据最优运行曲线，估算所有非受控机组的输出功率P_MPPT如式(2)：

$P_{\mathrm{MPPT}}=\underset{i=1}{\overset{M_1}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{opt}}\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ri}}\right)=\underset{i=1}{\overset{M_1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{k\ω}}_{\mathrm{ri}}^2---\left(2\right)$

式中，k为风轮机功率捕获系数，ω_ri为第i台非受控机组的转速，P_opt(ω_ri)为第i台非受控机组在MPPT状态运行时以ω_ri为转速的输出功率，M₁为非受控机组的总数；

6)计算所有受控机组增加的发电功率：

令受控机组按照恒功率的发电方式运行，(为了保证变速风电机群输出功率等于参考发电功率，)所有受控运行机组增加的发电功率记为ΔP，如式(3)所示：

ΔP＝M₁P_avr-P_MPPT             (3)

(当ΔP为负数时，那么受控运行机组增加的发电功率为负值，也即受控运行机组需要减少发电功率，ΔP为未平衡的能量)；

7)对受控运行机组增加的发电功率ΔP按照风轮机实际转速与临界转速偏差的平方成比例对每个受控运行机组进行发电功率分配：

(由于风轮机转动惯量储存的能量与其转速的平方成正比，即转速越大，储存的能量越多，释放能量的能力越强)所有受控机组增加的发电功率ΔP按照风轮机实际转速与临界转速偏差的平方成比例分配给每个风电机组，分配结果为：

${\mathrm{\ΔP}}_j=\mathrm{\ΔP}\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rj}}^2-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cr}}^2}{\underset{j=1}{\overset{M_2}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rj}}^2-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cr}}^2)}---\left(4\right)$

式中，ω_rj为恒功率运行机组的转速；M₂为受控机组的机组总数；

8)计算受控机组的参考输出功率：

利用步骤1)、步骤5)给出的结果计算受控机组j的参考输出功率P_refj为：

P_refj＝P_avr+ΔP_j                    (5)

9)向风电机组(控制器)发送功率分配的控制指令，并回到步骤1)。

本发明提出的风电场内机组有功分配协调的方法可以实用于我国区域电力系统、省级电力系统等各级风电系统，能够帮助运行人员合理分配风电场内机组有功出力，有力保障在新能源接入电网的背景下系统安全、经济运行，促进电网持续、稳定、健康发展，有助于提高国家能源安全保障能力，具有显著的社会价值和经济价值。

Claims (3)

1.一种风电场内机组有功分配协调方法，其特征在于，该方法通过风电机组平衡点稳定性分析得到风机临界转速，根据此临界转速对风电场内不同类型机组划分为非受控机组和受控机组两类，根据两类机组的不同出力特性，对非受控机组和受控机组采用不同的有功输出方式，并按照机组的实际储存能量将未平衡的能量在受控机组之间成比例进行分配。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)根据上级指令，判断是否调整风电场的参考输出功率；若是，则转到步骤2)；若否，则转到步骤3)；

2)根据上级指令中指定的电场的参考发电功率P_all，将新的风电场参考发电功率设定为P_all；

3)首先根据风电场参考发电曲线，计算风电场内单台风电机组的平均输出功率P_avr如式(1)：

$P_{\mathrm{avr}}=\frac{P_{\mathrm{all}}}{N}---\left(1\right)$ 式中，P_all为风电场的参考发电功率，N为变速风电机组的总数；

4)根据风电机组的机械转矩和电磁转矩曲线对风机进行平衡点稳定性分析，得到风电机组的临界转速ω_cr，根据临界转速ω_cr确定受控风电机组和非受控风电机组；

5)根据非受控运行机组的风电机组固有的最优运行曲线，估算所有非受控运行机组的输出功率：

令所有非受控机组按照最大风功率捕获方式运行；根据最优运行曲线，估算所有非受控机组的输出功率P_MPPT如式(2)：

$P_{\mathrm{MPPT}}=\underset{i=1}{\overset{M_1}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{opt}}\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ri}}\right)=\underset{i=1}{\overset{M_1}{\mathrm{\Σ}}}k{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ri}}^2---\left(2\right)$

式中，k为风轮机功率捕获系数，ω_ri为第i台非受控机组的转速，P_opt(ω_ri)为第i台非受控机组在MPPT状态运行时以ω_ri为转速的输出功率，M₁为非受控机组的总数；

6)令受控机组按照恒功率的发电方式运行，所有受控运行机组增加的发电功率记为ΔP，如式(3)所示：

ΔP＝M₁P_avr-P_MPPT    (3)

7)对所有受控机组增加的发电功率ΔP按照风轮机实际转速与临界转速偏差的平方成比例分配给每个风电机组，分配结果为：

$\mathrm{\Δ}{P}_j=\mathrm{\ΔP}\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rj}}^2-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cr}}^2}{\underset{j=1}{\overset{M_2}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rj}}^2-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cr}}^2)}---\left(4\right)$

式中，ω_rj为恒功率运行机组的转速；M₂为受控机组的机组总数；

8)利用步骤1)、步骤5)给出的结果计算受控机组j的参考输出功率P_refj为：

P_refj＝P_avr+ΔP_j    (5)

9)向风电机组(控制器)发送功率分配的控制指令，并回到步骤1)。

3.如权利要求2所述方法，其特征在于，所述步骤4)具体包括：找出风电机组桨距角β＝0°时的机械转矩曲线T_m与电磁转矩曲线T_e的所有交点，比较所有的交点处的切线斜率，选取机械转矩曲线切线的斜率值大于电磁转矩曲线切线的斜率值处的交点为风电机组的不稳定平衡点；将选取出的不稳定平衡点对应的转速为风电机组风轮机的临界转速ω_cr；实时采集风电机组的风速及转速信息，选取风电机组风轮机的转速大于临界转速ω_cr的风电机组为受控机组，其它机组为非受控机组。