CN107017663A - 一种提高风电场接入电网频率稳定性的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高风电场接入电网频率稳定性的控制方法，所述控制方法从三个层面进行控制，分别为：电网调度层，对风电场的减载水平、频率参数进行控制；风电场控制层，对风电场电力生产进行整体控制，发送参考值到每个风电机组；风电机组控制层，将风电机组按照风电场发送的参考值进行控制，控制风电机组响应电网的频率变化，提供电网动态频率支持，解决了现有方法大都从机组角度分析风电并网的有功频率控制问题，没有从整个风电场角度出发，导致风电场接入电网频率稳定性不足的技术问题，实现了提高风电场对电力系统暂态频率稳定支持的技术效果。
Description
技术领域
本发明涉及铁路接触网检测领域，具体地，涉及一种提高风电场接入电网频率稳定性的控制方法。
背景技术
随着大规模风电场接入电网运行，风电在电力系统所占比重逐渐增加，而风电自身所具有的间歇性和随机性特点给电网带来的稳定性影响也随之增大。为减少风电场并网对系统安全的影响，电网对风电场并网提出了严格的技术要求，而有功、频率控制能力是其中重要的技术要求之一。
目前双馈风电机组因其具有优良的功率解耦控制能力，已成为大型风电场的主力机型。双馈风电机组通常运行在最大功率跟踪(maximum power point tracking,MPPT)模式下，其矢量控制策略使其机械和电磁耦合关系变弱，有功功率无法响应系统频率的变化。为了改善风电接入电网的频率稳定性，双馈风电机组需提供长期额外有功支持，因此其必须留有一定额备用容量，即运行在减载模式下。实现双馈风电机组减载运行主要有2种方法，变桨法和超速法。变桨法通过调节桨距角以调整功率系数，从而调整风电机组出力；超速法通过调整功率-转速最优曲线来控制转子转速超过最优转速，从而减少有功出力，储存有功备用。然而现有方法大都从机组角度分析风电并网的有功频率控制问题，没有从整个风电场角度出发，导致风电场接入电网频率稳定性不足。
发明内容
本发明提供了一种提高风电场接入电网频率稳定性的控制方法，解决了现有方法大都从机组角度分析风电并网的有功频率控制问题，没有从整个风电场角度出发，导致风电场接入电网频率稳定性不足的技术问题，实现了提高风电场对电力系统暂态频率稳定支持的技术效果。
风电场内各风电机组风速差异很大，各风电机组的有功频率调节能力及控制策略也不尽相同。例如，低风速区风电机组可通过超速法实现减载运行，而高风速区风电机组由于转速已经接近转速上限，因此只能通过变桨来实现减载于运行。此外，还应考虑有功频率调节能力在各台机组间的分配问题。
因此，本发明从整个风电场角度出发，将风电场内风电机组按照风速进行分区，并分析了不同风速区内风电机组在超速法下的有功调节能力，提出了一种提高双馈风电场接入电网后系统频率稳定性的有功频率分层控制方法。
本申请提供了一种提高风电场接入电网频率稳定性的控制方法，所述控制方法从三个层面进行控制，分别为：
电网调度层，对风电场的减载水平、频率参数进行控制；
风电场控制层，对风电场电力生产进行整体控制，发送参考值到每个风电机组；
风电机组控制层，将风电机组按照风电场发送的参考值进行控制，控制风电机组响应电网的频率变化，提供电网动态频率支持。
进一步的，将风电场内风电机组按照风速进行分区，划分为：低风速区、中风速区、高风速区；当在低风速区(v1≤v≤v2)和中风速区(v2≤v≤v3)时，利用超速法实现风力发电机组的减载运行，当在高风速区(v3≤v)时，利用变桨法实现风力发电机组的减载运行，通过超速法可实现的有功功率调节范围，如下公式表示：
其中，v表示风速，v1为风电机组切入风速；v2为低风速区与中风速区的界限；v3表示中风速区与高风速区的界限。
进一步的，风电场控制层根据电网调度层的减载运行水平要求及整个风电场的最大功率输出，控制整个风电场输入电网的有功功率，并测量公共连接点频率，根据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，使风电场参与系统频率控制。
进一步的，风电场控制层中的功率分配模块根据风电场确定的有功输出参考值以及有功调节范围计算模块确定的各个风电机组通过超速法可实现的有功调节范围，按照分配算法确定各个风电机组的有功减载容量参考值；功率分配计算是在满足电网调度层减载水平要求的前提下，首先充分利用风电场内各风电机组的超速能力来实现减载运行，当超速法无法满足减载水平要求时，再利用变桨法来调节；各风电机组减载容量参考值包括两个部分，表示通过转子超速实现的有功减载容量参考值，表示通过变桨实现的有功减载容量参考值。
进一步的，和计算如下：根据确定的风电场有功输出参考值则风电场的减载容量用Pmargin,i表示超速法下风电机组的有功调节容量，其等于风电机组最大可输出功率减去超速法下最小输出功率；
当即仅通过风电场内低风速区和中风速区各风电机组的超速运行即可满足减载运行水平要求；各风电机组的减载容量参考值计算如下：
当此时，中风速和高风速区的风电机组通过变桨调节来进一步减小功率输出，以使整个风电场满足减载水平要求，各风电机组的减载容量参考值计算如下：
进一步的，风电机组层控制策略为：各风力发电机组将风速的大小以及根据风力机最大功率曲线得到的风电机组最大输出功率信息发送到风电场控制层；各风电机组根据风电场给定的有功减载容量参考值动作，响应功率的变化；
桨距控制环节按最大转速给定控制，当检测到风力机转子转速超过最大转速时，变桨距动作减小出力，保证风力机转速不超过最大给定转速；
功率控制环节按最优功率输出跟踪控制；根据实际风力机组的参数可得到不同减载水平下风力机组的最优功率-转速曲线，制作三维表，通过三维表查表实现；三维表输入为风电机组减载水平及测得风力机转速其输出与有功减载容量参考值叠加，再加上频率惯性控制产生的功率调整量ΔPf，即可得到每个风力发电机组输出功率参考值Pref。
本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
风电场有功频率控制是风电场接入电网运行的关键技术，在分析双馈风力发电机组减载运行控制策略及超速法下双馈风力发电机组的减载运行调节能力的基础上，提出了提高双馈风电场的有功调节能力及接入电网后系统频率稳定性的有功频率分层控制方法。该方法根据不同风速区风电机组的减载运行调节能力差异，设计了风电场层分配策略及风电机组层控制策略，首先充分利用风电场内风电机组的超速能力来实现减载运行，当超速法无法满足减载水平要求时，再利用变桨法来调节，在满足有功控制要求的前提下，尽可能提高风电场对电力系统暂态频率稳定的支持。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；
图1是不同风速下双馈风电机组的功率—转速特性曲线示意图；
图2是风电场层控制策略示意图；
图3是风电机组层控制策略示意图；
图4是不同减载水平下风力机组的最优功率-转速曲线示意图；
图5是仿真系统示意图；
图6是频率动态响应示意图；
图7是WT1动态响应示意图；
图8是WT2动态响应示意图；
图9是WT3动态响应示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种提高风电场接入电网频率稳定性的控制方法，解决了现有方法大都从机组角度分析风电并网的有功频率控制问题，没有从整个风电场角度出发，导致风电场接入电网频率稳定性不足的技术问题，实现了提高风电场对电力系统暂态频率稳定支持的技术效果。
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
为了提高风电场接入电网的频率稳定性，现在电网越来越多的要求风电机组能像传统同步发电机组一样参与系统有功频率调整，则风电机组也必须留有部分备用容量，即运行在减载模式下。
利用超速法及变桨法都可实现风力发电机组的减载运行，其中变桨法通过变桨距调节来实现，响应速度慢，且存在机械磨损。而超速法基于交流变频控制技术，其控制速度远比桨距控制快，且转子存储动能的释放，可以在电网频率变化初期时给予快速功率支持，提高系统的暂态频率稳定性。但超速法仅能单独应用于低风速的工况，这是因为在高风速情况下，风电机组转子转速已接近甚至等于机组的最大转速上限，无法实现超速减载。
对于风电场内的风电机组，要在满足减载水平要求的前提下，尽可能提高其对系统暂态频率稳定的支持。为此，对于风电场内的风电机组，要首先充分利用风电机组的超速能力来实现减载运行，当超速法无法满足减载水平要求时，再利用变桨法来调节。
超速法下双馈风力发电机组的减载运行调节能力：
图1所示为不同风速下双馈风电机组的功率—转速特性曲线。不同风速下双馈风电机组的最大出力可根据最大功率跟踪曲线ABCD计算得出。而双馈风电机组的最小出力，理论上通过超速法，在转速不超过最大转速情况下，风机功率输出可调为零。如图所示在低风速v1下，可调整到A″点，此时相当于空载运行。但实际上为了保证风力发电机组安全稳定运行，必须保留一定的最小出力，这里最小出力按10％的额定功率取值。图1中曲线A′B′即为按10％的额定功率运行曲线。则在低风速下风力发电机组的功率调节范围，可计算如下：
10％Popt≤P≤Popt
随着风速增大，如图1当风速到达v2风速时，在此风速下通过转子超速，刚好在转子转速到达时，输出功率减小到10％Popt，如图中B′点所示。风速继续增大，其功率输出通过超速法调节的范围越来越小，可计算如下：
其中，由ω＝ωmax,β＝0以及给定风速v可求得。
随着风速继续增大，如图当风速到达v3风速时，在最大功率点C点，转子转速刚好到达此时已无法通过转子超速实现功率减载运行，在v3及以上风速只有通过变桨来实现功率的减载。
综上所述，双馈风力发电机组在不同风速范围内，其通过超速法可具有不同减载运行能力。当双馈风力发电机组分别处于低风速区(v1≤v≤v2)、中风速区(v2≤v≤v3)、高风速区(v3≤v)时，其通过超速法可实现的有功功率调节范围，如下公式表示：
上式中，低风速与中风速的界限v2可如下求得：
如图1所示，当风机通过转子超速运行于B′点时，减载运行输出功率Psubopt＝10％Popt，带入公式：
令上式中则上式中只有1位未知数v，可通计算求得风速v2。
中风速与高风速的界限v3，可通过如下公式求得：
式中λopt为最优叶尖速比。
提高风电场接入电网频率稳定性的有功频率分层控制方法：
基于上节分析双馈风力发电机组在超速法下具有的减载运行调节能力的基础上，本发明提出的提高风电场接入电网频率稳定性的有功频率分层控制方法如图2所示。整个控制方案分为三层：电网调度层，决定风电场的减载水平、频率参数等；风电场控制层，控制整个风电场电力生产，发送参考值到每个风电机组；风电机组控制层，确保风电机组按照风电场发送的参考控制，并能快速响应电网的频率变化，提供电网动态频率支持。
风电场控制层：
风电场控制层根据电网调度层的减载运行水平要求及整个风电场的最大功率输出，控制整个风电场输入电网的有功功率，并测量公共连接点频率，根据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发电厂一样参与系统频率控制。
功率分配模块根据风电场确定的有功输出参考值以及有功调节范围计算模块确定的各个风电机组通过超速法可实现的有功调节范围，按照分配算法确定各个风电机组的有功减载容量参考值。功率分配算法计算的原则是在满足电网调度层减载水平要求的前提下，首先充分利用风电场内各风电机组的超速能力来实现减载运行，尽可能提高风电场对系统暂态频率稳定的支持，当超速法无法满足减载水平要求时，再利用变桨法来调节。其减载容量参考值包括两个部分，表示通过转子超速实现的有功减载容量参考值，表示通过变桨实现的有功减载容量参考值。
和计算如下：根据确定的风电场有功输出参考值则风电场的减载容量用Pmargin,i表示超速法下风电机组的有功调节容量，其等于风电机组最大可输出功率减去超速法下最小输出功率。
当即仅通过风电场内低风速区和中风速区各风电机组的超速运行即可满足减载运行水平要求，此时仅处于低风速区和中风速区各风电机组参与减载控制，而高风速区风电机组按最大功率曲线控制不参与减载控制。各风电机组的减载容量参考值计算如下：
当此时，仅通过风电场内低风速区和中风速区各风电机组的超速运行无法满足减载运行水平要求，这就需要中风速和高风速区的风电机组通过变桨调节来进一步减小功率输出，以使整个风电场满足减载水平要求，各风电机组的减载容量参考值计算如下：
风力发电机组控制层：
风电机组层控制策略如图3所示。各风力发电机组将风速的大小以及根据风力机最大功率曲线得到的风电机组最大输出功率信息发送到风电场控制层。各风电机组根据风电场给定的有功减载容量参考值快速动作，响应功率的变化。
桨距控制环节按最大转速给定控制，当检测到风力机转子转速超过最大转速时，变桨距动作减小出力，保证风力机转速不超过最大给定转速。
功率控制环节按最优功率输出跟踪控制，其可通过二维查表实现。根据实际风力机组的参数可得到不同减载水平下风力机组的最优功率-转速曲线，如图4所示。二维表输入为风电机组减载水平及测得风力机转速其输出与有功减载容量参考值叠加，再加上频率惯性控制产生的功率调整量ΔPf，即可得到每个风力发电机组输出功率参考值Pref。
为了验证本文提出的控制方法，利用Matlab/Simulink建立了如图5所示的仿真系统。G1为常规同步发电机组容量为9MW，G2为由3台1.5MW双馈风电机组构成的风电场，经变压器T2、20km架空线路Z12和变压器T1后和G1相连。L1、L2、L3为系统负荷，分别为2.5MW/0.5Mvar、2MW/0.5Mvar,0.7MW/0Mvar。三台风电机组的风速分别为8m/s，10m/s，14m/s，分别处于低风速区，中风速区，高风速区。
初始时，风电场按d％＝30％减载运行，恒定负荷L3断开，t＝5s时，将负荷L3投入。系统频率及各风电机组的动态响应过程如图6-9所示。从图6可以看出，与MPPT控制策略相比，本文提出的减载协调控制方法提高了系统的频率稳定性。从图7、图8和图9可以看出，负荷L3投入后各双馈风力发电机组释放了备用容量。其中WT1和WT2双馈风电机组通过降低转速，快速释放转子存储的动能，提高系统的暂态频率稳定性。
上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：
风电场有功频率控制是风电场接入电网运行的关键技术，在分析双馈风力发电机组减载运行控制策略及超速法下双馈风力发电机组的减载运行调节能力的基础上，提出了提高双馈风电场的有功调节能力及接入电网后系统频率稳定性的有功频率分层控制方法。该方法根据不同风速区风电机组的减载运行调节能力差异，设计了风电场层分配策略及风电机组层控制策略，首先充分利用风电场内风电机组的超速能力来实现减载运行，当超速法无法满足减载水平要求时，再利用变桨法来调节，在满足有功控制要求的前提下，尽可能提高风电场对电力系统暂态频率稳定的支持。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (6)
1.一种提高风电场接入电网频率稳定性的控制方法，其特征在于，所述控制方法从三个层面进行控制，分别为：
电网调度层，对风电场的减载水平、频率参数行控制；
风电场控制层，对风电场电力生产进行整体控制，发送参考值到每个风电机组；
风电机组控制层，将风电机组按照风电场发送的参考值进行控制，控制风电机组响应电网的频率变化，提供电网动态频率支持。
2.据权利要求1所述的提高风电场接入电网频率稳定性的控制方法，其特征在于，将风电场内风电机组按照风速进行分区，划分为：低风速区、中风速区、高风速区；当在低风速区(v1≤v≤v2)和中风速区(v2≤v≤v3)时，利用超速法实现风力发电机组的减载运行，当在高风速区(v3≤v)时，利用变桨法实现风力发电机组的减载运行，通过超速法可实现的有功功率调节范围，如下公式表示：
其中，v表示风速，v1为风电机组切入风速；v2为低风速区与中风速区的界限；v3表示中风速区与高风速区的界限。
3.根据权利要求1所述的提高风电场接入电网频率稳定性的控制方法，其特征在于，风电场控制层根据电网调度层的减载运行水平要求及整个风电场的最大功率输出，控制整个风电场输入电网的有功功率，并测量公共连接点频率，根据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，使风电场参与系统频率控制。
4.根据权利要求1所述的提高风电场接入电网频率稳定性的控制方法，其特征在于，风电场控制层中的功率分配模块根据风电场确定的有功输出参考值以及有功调节范围计算模块确定的各个风电机组通过超速法可实现的有功调节范围，按照分配算法确定各个风电机组的有功减载容量参考值；功率分配计算是在满足电网调度层减载水平要求的前提下，首先充分利用风电场内各风电机组的超速能力来实现减载运行，当超速法无法满足减载水平要求时，再利用变桨法来调节；各风电机组减载容量参考值包括两个部分，表示通过转子超速实现的有功减载容量参考值，表示通过变桨实现的有功减载容量参考值。
5.根据权利要求4所述的提高风电场接入电网频率稳定性的控制方法，其特征在于，和计算如下：根据确定的风电场有功输出参考值则风电场的减载容量用Pmargin,i表示超速法下风电机组的有功调节容量，其等于风电机组最大可输出功率减去超速法下最小输出功率；
当即仅通过风电场内低风速区和中风速区各风电机组的超速运行即可满足减载运行水平要求；各风电机组的减载容量参考值计算如下：
当此时，中风速和高风速区的风电机组通过变桨调节来进一步减小功率输出，以使整个风电场满足减载水平要求，各风电机组的减载容量参考值计算如下：
6.根据权利要求1所述的提高风电场接入电网频率稳定性的控制方法，其特征在于，风电机组层控制策略为：各风力发电机组将风速的大小以及根据风力机最大功率曲线得到的风电机组最大输出功率信息发送到风电场控制层；各风电机组根据风电场给定的有功减载容量参考值动作，响应功率的变化；
桨距控制环节按最大转速给定控制，当检测到风力机转子转速超过最大转速时，变桨距动作减小出力，保证风力机转速不超过最大给定转速；
功率控制环节按最优功率输出跟踪控制；根据实际风力机组的参数可得到不同减载水平下风力机组的最优功率-转速曲线，制作三维表，通过三维表查表实现；三维表输入为风电机组减载水平及测得风力机转速其输出与有功减载容量参考值叠加，再加上频率惯性控制产生的功率调整量ΔPf，即可得到每个风力发电机组输出功率参考值Pref。
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