CN105281375A - 一种风电场参与电网黑启动功率匹配的方法 - Google Patents

Abstract

一种风电场参与电网黑启动功率匹配的方法，本方法主要通过精确的容量核算，在黑启动初期预先启动一定数量的风机，增加风电场功率响应的速度，并在启动火电厂最小容量的辅机之前，提前给风机下达指令，使其提前一定时间开始增加出力，以尽可能匹配火电厂辅机启动瞬间时所需的功率，减小辅机启动时对系统的冲击，确保风电场作为黑启动电源的可行性。

Description

一种风电场参与电网黑启动功率匹配的方法

技术领域

本发明属于电网黑启动技术领域，具体涉及一种风电场参与电网黑启动功率匹配的方法。

背景技术

随着电力系统规模不断扩大，发生大面积停电造成的损失大大增加，黑启动作为建立电网安全恢复供电的防线则显得尤为重要。黑启动是解决电网大规模停电的主要途径之一，通过系统中具有自启动能力机组的启动带动无自启动能力的机组，逐渐扩大系统供电范围，最终实现整个系统恢复的过程。目前，黑启动电源的首选是水电机组，但在水资源匮乏的，风资源丰富的地区，由于枯水期水库水量无法满足发电的要求，可以考虑利用风机的自启动能力以风电场作为黑启动电源，但也同时存在风力发电间歇性和波动性的不足，使得功率平衡问题难以解决，造成黑启动电源不稳定的问题。如能在风电场参与电网黑启动时采用合适功率匹配方法，增大风电场作为黑启动电源的稳定性并减小投资，则能为区域电网恢复供电提供一个新的黑启动电源备选方案。

目前，国内外缺乏对风电场参与电网黑启动时功率匹配的实质性研究，主要由于风机响应速度过慢和采用储能技术时的巨大投资，在启动火电厂辅机瞬间需要消耗大量的功率，而风机输出功率的变化受到叶片桨距角的影响，无法快速匹配辅机启动消耗的功率。

发明内容

本发明的目的提供一种风电场参与电网黑启动功率匹配的方法，本方法主要通过精确的容量核算，在黑启动初期预先启动一定数量的风机，增加风电场功率响应的速度，并在启动火电厂最小容量的辅机之前，提前给风机下达指令，使其提前一定时间开始增加出力，以尽可能匹配火电厂辅机启动瞬间时所需的功率，减小辅机启动时对系统的冲击，确保风电场作为黑启动电源的可行性。

为了克服现有技术中的不足，即为了克服现有风电场参与电网黑启动中风机难以快速响应，而辅机启动时所需的功率及需要配置储能设置后造成的巨大投资，本发明提供了一种风电场参与电网黑启动功率匹配的方法的解决方案，具体如下：

一种风电场参与电网黑启动功率匹配的方法，步骤如下：

步骤1：首先构建风电场黑启动系统，其包括若干条并联的永磁风机支路、移动柴油发电车、SVG、风电场厂用电以及火电厂辅机，永磁风机通过风机箱变T接到风电场35kV母线上，SVG和移动柴油发电车并联设置在35kV母线上，厂用电通过厂用变取自35kV母线，该系统通过输电线路和2级主变与火电厂相接。当电力系统发生故障停电时，判断是否采用风电场作为黑启动电源，如果是，则进入步骤2，否，则采用传统的黑启动电源启动大容量火电机组，对外逐步恢复电网；

步骤2：启动移动柴油发电车，将其通过变压器接入至风电场内35kV母线，为风电场建立恒定的频率和电压；

步骤3：启动风电场内SVG，为黑启动系统提供无功功率的动态补偿，维持风电场内母线电压的稳定，待电压和频率稳定之后，连接风电场厂用电，开启风电场EMS和升压站监控，在风电场EMS和升压站监控检测均无故障返回的情况下，执行步骤4；

步骤4：根据柴油发电车的剩余容量，启动一定数量的风机辅机，再逐台启动多台永磁风机并使其限功率运行，使其基本达到恰能为馈线上的其余永磁风机辅机供电；

步骤5：重复步骤4，直到启动风电场内全部辅机和一定数量的风力发电机，调整其余风机偏航系统使其对外输出功率接近0，柴油发电车输出功率为0，风电场内形成区域内功率平衡的小系统；

步骤6：计算当前风速下风机的响应时间，并根据火电厂负荷给永磁风机下发新增输出功率参考值指令；

步骤7：延迟一段时间后，启动火电厂中容量最小的一台辅机；

步骤8：重复步骤6到步骤7，直到火电厂其余辅机按容量从小到大全部启动，并控制风电场中的风机对火电厂输出有功功率和无功功率，同时，移动柴油发电车对火电厂输出有功功率，SVG提供一定的无功功率补偿，维持火电厂功率动态平衡，最终启动大容量火电机组，对外逐步恢复电网。

所述的步骤1中，判断是否采用风电场作为黑启动电源的方法为：获取时间为N内的持续实测平均风速，将实测平均风速和风电场的启动风速作比较，如果实测平均风速<风电场的启动风速，则采用传统的黑启动电源启动大容量火电机组，对外逐步恢复电网；如果实测平均风速≥启动风速，则采用风电场作为黑启动电源，对外逐步恢复电网。

所述的风电场参与电网黑启动功率匹配的方法，N为20—40分钟。

所述的步骤4和步骤5中，启动永磁风机过程具体如下：

调整偏航和桨叶，闭合永磁风机定子机侧断路器，启动全功率变换器并对直流电容充电；

待永磁风机定子网侧输出电压与电网电压同步后再闭合网侧断路器，其冲击电流最小，实现永磁风机的启动。

所述的步骤6中，计算当前风速下风机的响应时间是指预先由风机厂家测量永磁风机在不同风速下的响应时间得出风机的响应时间曲线，然后风电场工作人员根据该曲线图得出当前风速下风机的响应时间。

所述的步骤7中，所述的延迟一段时间为延迟当前风速下风机的响应时间。

所述的步骤8中，维持功率动态平衡的过程包括：

移动柴油发电车能根据负载所需无功功率，提供其容量范围内的无功功率支撑，SVG能实时输出无功功率平衡，维持无功功率动态平衡，起到电压调整的作用；

通过调整永磁风机输出的有功功率，改变潮流中的有功功率，维持有功功率平衡，并实现调整频率作用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提供的一种以风电场作为黑启动电源时功率匹配的方法，能够大大减小黑启动成本。风电场参与电网黑启动时，由于不需要投资储能设备，且主要利用风机实现功率的动态平衡从而减小移动柴油发电车容量，大大降低了风电场参与黑启动的成本。

(2)由于风机发电量受到风速及叶片桨距角的影响，而桨距角的改变速度较慢，使得在启动火电厂辅机的瞬间，对功率响应较慢，从而对系统造成冲击。本发明中，由于风机响应较慢的不足，步骤4和步骤5通过启动一定数量的风机加快风电场响应速度，步骤6提前给风机下达输出指令，使其提早开始变化输出的功率，以尽可能匹配火电厂辅机启动瞬间时所需的功率，减小辅机启动会系统的冲击，确保风电场作为黑启动电源的可行性。

附图说明

图1为本发明方法的整体示意图。

图2为本发明中风电场黑启动功率匹配流程图。

图3为本发明中大容量辅机启动时的启动电流图。

图4为本发明中永磁风机输出功率响应图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明内容作进一步说明：

图1中的风电场黑启动系统，包括：其包括若干条并联的永磁风机支路、移动柴油发电车、SVG、风电场厂用电以及火电厂辅机，永磁风机通过风机箱变T接到风电场35kV母线上，SVG和移动柴油发电车并联设置在35kV母线上，厂用电通过厂用变取自35kV母线，该系统通过输电线路和2级主变与火电厂相接，火电厂有容量大小不同的辅机。

图2为风电场黑启动功率匹配流程图，采用图2中所述步骤，通过在风电场黑启动初期先启动一定数量的风机以增加风电场的功率响应速度，由图3和图4可以看出，火电厂大容量辅机启动瞬间有一个6-7倍的启动电流，故瞬间需要消耗大量功率。以图4为例，该图为风机在风速为5m/s下输出功率的变化图，在t₀时刻之前风机输出功率为P₀，在t₀时刻风机接到输出功率变化的指令，输出功率的参考值为P₁，由于风机桨距角的改变速度较慢，在t₁时刻输出功率才开始变化，需要消耗数十秒的时间，直到t₃时刻才达到新的功率参考值，故无法快速匹配启动火电厂辅机消耗的功率。因此在启动火电厂辅机时，可以提前时间t(t＝t₁-t₀)给风机下达指令，以快速实现功率平衡。

本方法针对风电场启动过程中功率动态平衡问题以及电能质量问题，采用电力设备进行调整的方法，无功功率平衡及电压调整主要依靠SVG，有功功率平衡及频率调整主要依靠风电机组及移动柴油发电车，其工作方式如下：

$\mathrm{\&Delta;}U=L\frac{di}{dt}$

其中ΔU表示火电厂辅机启动时造成的电压变化，L为火电厂辅机至风电场35kV母线之间输电线路的电感值，i为电流值，由图3可知在辅机启动瞬间电流值变化很快，故启动瞬间会造成很大的电压降落。通过投入SVG能够在30ms内输出无功功率，以此维持风电场母线电压的恒定。

通过提前给风机下达指令，在启动火电厂辅机时主要由风电机组为辅机输出有功功率，如出现有功功率缺额，则利用移动柴油发电车输出功率快速的特性，进行有功功率缺额填补，因此能维持黑启动系统的频率稳定。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种风电场参与电网黑启动功率匹配的方法，其特征在于风电场参与电网黑启动功率匹配的方法，步骤如下：

步骤1：首先构建风电场黑启动系统，其包括若干条并联的永磁风机支路、移动柴油发电车、SVG、风电场厂用电以及火电厂辅机，永磁风机通过风机箱变接到风电场35kV母线上，SVG和移动柴油发电车并联设置在35kV母线上，厂用电通过厂用变取自35kV母线，该系统通过输电线路和2级主变与火电厂相接。当电力系统发生故障停电时，判断是否采用风电场作为黑启动电源，如果是，则进入步骤2，否，则采用传统的黑启动电源启动大容量火电机组，对外逐步恢复电网；

步骤2：启动移动柴油发电车，将其通过变压器接入至风电场内35kV母线，为风电场建立恒定的频率和电压；

步骤3：启动风电场内SVG，为黑启动系统提供无功功率的动态补偿，维持风电场内母线电压的稳定，待电压和频率稳定之后，连接风电场厂用电，开启风电场EMS和升压站监控，在风电场EMS和升压站监控检测均无故障返回的情况下，执行步骤4；

步骤4：根据柴油发电车的剩余容量，启动一定数量的风机辅机，再逐台启动多台永磁风机并使其限功率运行，使其基本达到恰能为馈线上的其余永磁风机辅机供电；

步骤5：重复步骤4，直到启动风电场内全部辅机和一定数量的风力发电机，调整其余风机偏航系统使其对外输出功率接近0，柴油发电车输出功率为0，风电场内形成区域内功率平衡的小系统；

步骤6：计算当前风速下风机的响应时间，并根据火电厂负荷给永磁风机下发新增输出功率参考值指令；

步骤7：延迟一段时间后，启动火电厂中容量最小的一台辅机；

步骤8：重复步骤6到步骤7，直到火电厂其余辅机按容量从小到大全部启动，并控制风电场中的风机对火电厂输出有功功率和无功功率，同时，移动柴油发电车对火电厂输出有功功率，SVG提供一定的无功功率补偿，维持火电厂功率动态平衡，最终启动大容量火电机组，对外逐步恢复电网。

2.根据权利要求1所述的风电场参与电网黑启动功率匹配的方法，其特征在于所述的步骤1中，判断是否采用风电场作为黑启动电源的方法为：获取时间为N内的持续实测平均风速，将实测平均风速和风电场的启动风速作比较，如果实测平均风速小于切入风速，则采用传统的黑启动电源启动大容量火电机组，对外逐步恢复电网；如果实测平均风速≥切入风速，则采用风电场作为黑启动电源，对外逐步恢复电网。

3.根据权利要求2所述的风电场参与电网黑启动功率匹配的方法，其特征在于所述N为20—40分钟。

4.根据权利要求1所述的风电场参与电网黑启动功率匹配的方法，其特征在于所述的步骤4和步骤5中，启动永磁风机过程具体如下：

调整偏航和桨叶，闭合永磁风机定子机侧断路器，启动全功率变换器并对直流电容充电；

待永磁风机定子网侧输出电压与电网电压同步后再闭合网侧断路器，其冲击电流最小，实现永磁风机的启动。

5.根据权利要求1所述的风电场参与电网黑启动功率匹配的方法，其特征在于所述的步骤6中，计算当前风速下风机的响应时间是指预先由风机厂家测量永磁风机在不同风速下的响应时间得出风机的响应时间曲线，然后风电场工作人员根据该曲线图得出当前风速下风机的响应时间。

6.根据权利要求1所述的风电场参与电网黑启动功率匹配的方法，其特征在于所述的步骤7中，所述的延迟一段时间为延迟当前风速下风机的响应时间。

7.根据权利要求1所述的风电场参与电网黑启动功率匹配的方法，其特征在于所述的步骤8中，维持功率动态平衡的过程包括：

移动柴油发电车能根据负载所需无功功率，提供其容量范围内的无功功率支撑，SVG能实时输出无功功率平衡，维持无功功率动态平衡，起到电压调整的作用；

通过调整永磁风机输出的有功功率，改变潮流中的有功功率，维持有功功率平衡，并实现调整频率作用。