CN107196319B - 一种基于功率扰动值响应的风机调频控制方法 - Google Patents

一种基于功率扰动值响应的风机调频控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于电力系统新能源发电技术领域，尤其涉及一种基于功率扰动值响应的风机调频控制方法，包括以下步骤：步骤1、风电场减载运行并为电网提供调频旋转备用；步骤2、风电场正常运行时，实时监测电网与风电场功率平衡与备用状态；步骤3、电网发生功率突变时，判断是否触发风电场调频措施；步骤4、依据风电场与扰动节点的电气距离，选取参与调频的风电场；步骤5、计算风电场紧急功率支援容量；步骤6、进行紧急功率控制。该风机调频控制方法能够减少系统扰动后暂态频率偏差幅值及频率恢复时间，同时相较于传统风机下垂控制具有更高的可控性与快速性，为提高风电消纳能力提供技术支持。

Description

一种基于功率扰动值响应的风机调频控制方法
技术领域
本发明属于电力系统新能源发电技术领域，尤其涉及一种基于功率扰动值响应的风机调频控制方法。
背景技术
高比例的风电接入给电网的功率平衡和频率稳定带来严峻的挑战。由于主流的变速变桨距风力发电机组实现系统频率和风机转速的解耦控制，无法响应系统频率变化，因此大规模的风电接入将会降低系统惯量水平，造成调频能力降低。特别是风电场为低压配电网络供电时，风电场输出功率随机性的波动带来的频率问题更加突出，因此越来越多电网运行规范要求风电场像常规同步发电机组一样提供辅助性的调频措施。目前，适用于高比例风机接入网络的调频方法主要为风机的切机方法与下垂控制方法两种。基于主导风电场的高频切机方案无法避免切除机组与风机重新并网对电网造成的冲击；而结合比例微分控制器的下垂控制，虽然能够实现风机模拟惯性响应，但是过于依赖系统频率的实时变化，因此调频过程中风机输出功率波动较大，缺乏可控性，同时下垂控制参数设计不易。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于变速风电机组的风电场调频控制方案，通过风电场减载运行留取电网旋转备用，基于电网功率扰动大小作为响应参数合理选择风电场进行紧急功率控制实现风电场调频。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于功率扰动值响应的风机调频控制方法，包括以下步骤：
步骤1、风电场减载运行并为电网提供调频旋转备用；
步骤2、风电场正常运行时，实时监测电网与风电场功率平衡与备用状态；
步骤3、电网发生功率突变时，判断是否触发风电场调频措施；
步骤4、依据风电场与扰动节点的电气距离，选取参与调频的风电场；
步骤5、计算风电场紧急功率支援容量；
步骤6、进行紧急功率控制。
在上述的基于功率扰动值响应的风机调频控制方法中，所述风机调频控制方法的实现包括以下具体步骤：
步骤1.1，风电场减载运行，通过变速法和变桨法进行风电场减载控制，减载运行后的弃风能作为调频旋转备用；
步骤2.1，实时监测电网运行状态，包括电网内同步机组备用容量Ssyn,res，各个并网风电场备用容量SN,res以及电网功率突变时系统功率偏差量Pc；
步骤3.1，判断触发条件，当电网产生的功率扰动值大于阈值时，触发风电场有功调频操作，风电场提供紧急升功率控制，不满足触发条件时闭锁风电场调频装置；
步骤4.1，选择调频风电场，根据并网风电场与扰动节点的电气距离，从小到大选取投入调频的风电场，选取的风电场数量需满足电网预期最大功率缺额Pshort小于0，计算公式为：
Pshort＝Pc-Ssyn,res-∑SN,res (1)，
(1)式中，Ssyn,res为同步机组备用容量，SN,res为各个并网风电场备用容量，Pc为电网功率突变时系统功率偏差量，∑SN,res为投入风电场有效备用容量总和；
步骤5.1：计算紧急功率控制容量，根据各个风电场备用容量的比值来分配参与调频的风电场紧急升功率容量，则单一风电场N紧急功率控制容量为：
Figure GDA0002294712260000031
(2)式中，PN,cover为单一风电场N紧急功率控制容量，SN,res为各个并网风电场备用容量，∑SN,res为投入风电场有效备用容量总和，Pc为电网功率突变时系统功率偏差量，Ssyn,res为同步机组备用容量；
步骤6.1：紧急功率控制，根据步骤4.1选取的调频风电场以及步骤5.1计算的紧急功率控制容量对风电场进行控制，通过步骤1.1的逆过程来释放风电场备用容量达到紧急功率支援，参与系统一次调频过程。
在上述的基于功率扰动值响应的风机调频控制方法中，步骤1.1所述风电场减载控制包括通过增加转速和增大桨距角来降低风机输出功率至调度指令值。
在上述的基于功率扰动值响应的风机调频控制方法中，步骤3.1所述触发条件判断包括电网功率缺额与功率过剩两种，触发阈值的选择可以为电网内同步机组备用容量/可降出力总额，或是其比例关系的数值。
在上述的基于功率扰动值响应的风机调频控制方法中，步骤5.1所述计算紧急功率控制容量，依据风电场备用容量的比值来确定不同风电场的紧急升/降功率支援容量。
本发明的有益效果：
1.通过风电场减载运行将弃风能作为电网旋转备用，提供风电场发电效益。
2.触发条件判断中，将系统备用容量总和作为触发阈值，降低风电场调频操作的灵敏度避免其频繁触发，降低设备损耗。
3.依据电气距离选取参与调频的风电场，降低长距离电功率传输的损耗。
4.将电网初始功率缺额量作为调频控制参数，能够快速将风电场功率输出调整至理想值，调频方案具有可控性和快速性的特点。
附图说明
图1为本发明一个实施例风机调频控制流程图；
图2为本发明一个实施例中1、2、3、4号风电场接入三机九节点示意图；
图3为本发明一个实施例电网功率突变后，风机调频控制方法与电网传统一次调频控制对比效果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其它工艺的可应用性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“相连”“连接"应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于相关领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本实施例采用以下技术方案来实现，一种基于功率扰动值响应的风机调频控制方法，包括以下步骤：
步骤1、风电场减载运行并为电网提供调频旋转备用；
步骤2、风电场正常运行时，实时监测电网与风电场功率平衡与备用状态；
步骤3、电网发生功率突变时，判断是否触发风电场调频措施；
步骤4、依据风电场与扰动节点的电气距离，选取参与调频的风电场；
步骤5、计算风电场紧急功率支援容量；
步骤6、进行紧急功率控制。
进一步，所述风机调频控制方法的实现包括以下具体步骤：
步骤1.1，风电场减载运行，通过变速法和变桨法进行风电场减载控制，减载运行后的弃风能作为调频旋转备用；
步骤2.1，实时监测电网运行状态，包括电网内同步机组备用容量Ssyn,res，各个并网风电场备用容量SN,res以及电网功率突变时系统功率偏差量Pc；
步骤3.1，判断触发条件，当电网产生的功率扰动值大于阈值时，触发风电场有功调频操作，风电场提供紧急升功率控制，不满足触发条件时闭锁风电场调频装置；
步骤4.1，选择调频风电场，根据并网风电场与扰动节点的电气距离，从小到大选取投入调频的风电场，选取的风电场数量需满足电网预期最大功率缺额Pshort小于0，计算公式为：
Pshort＝Pc-Ssyn,res-∑SN,res (1)，
(1)式中，Ssyn,res为同步机组备用容量，SN,res为各个并网风电场备用容量，Pc为电网功率突变时系统功率偏差量，∑SN,res为投入风电场有效备用容量总和；
步骤5.1：计算紧急功率控制容量，根据各个风电场备用容量的比值来分配参与调频的风电场紧急升功率容量，则单一风电场N紧急功率控制容量为：
Figure GDA0002294712260000061
(2)式中，PN,cover为单一风电场N紧急功率控制容量，SN,res为各个并网风电场备用容量，∑SN,res为投入风电场有效备用容量总和，Pc为电网功率突变时系统功率偏差量，Ssyn,res为同步机组备用容量；
步骤6.1：紧急功率控制，根据步骤4.1选取的调频风电场以及步骤5.1计算的紧急功率控制容量对风电场进行控制，通过步骤1.1的逆过程来释放风电场备用容量达到紧急功率支援，参与系统一次调频过程。
进一步，步骤1.1所述风电场减载控制包括通过增加转速和增大桨距角来降低风机输出功率至调度指令值。
进一步，步骤3.1所述触发条件判断包括电网功率缺额与功率过剩两种，触发阈值的选择可以为电网内同步机组备用容量/可降出力总额，或是其比例关系的数值。
更进一步，步骤5.1所述计算紧急功率控制容量，依据风电场备用容量的比值来确定不同风电场的紧急升/降功率支援容量。
具体实施时，为解决当前依赖系统频率变化反馈的风电场下垂控制方案调频过程缺乏可控性与快速性问题，在电网功率突变时，将电网功率扰动大小自身作为响应参数对风电场的紧急功率控制，从而提高高比例风电接入网络的频率稳定性。
本实施例提供适用于变速风电机组的风电场调频控制方案。通过风电场减载运行留取电网旋转备用，基于电网功率扰动大小作为响应参数合理选择风电场进行紧急功率控制实现风电场调频。
如图1所示，基于功率扰动值响应的风机调频控制方法，包括以下步骤：
S1，风电场减载运行:通过变速法和变桨法进行风电场减载控制，即通过增加转速和增大桨距角来降低风机输出功率至调度指令值，减载运行后的弃风能作为调频旋转备用；
S2，状态监测：实时监测电网运行状态，包括电网内同步机组备用容量Ssyn,res，各个并网风电场备用容量SN,res以及电网功率突变时系统功率偏差量Pc。
S3，触发条件判断：当电网产生的功率缺额大于同步发电机组备用有功容量的总和时，触发风电场有功调频操作，风电场提供紧急升功率控制，不满足触发条件时闭锁风电场调频装置；触发条件包括电网功率缺额与功率过剩两种的情况，对于触发阈值的选择可以为电网内同步机组备用容量/可降出力总额，或是其比例关系的数值。
S4，选择调频风电场：依据风电场与扰动节点的电气距离大小来选择合适的风电场参与调频；同时为了调频快速性，使用电网初始扰动时刻最大功率缺额量来判断投入风电场的容量。
依据并网风电场与扰动节点的电气距离，从小到大选取投入调频的风电场，选取的风电场数量需保证电网预期最大功率缺额Pshort小于0，电网预期最大功率缺额计算公式为：
Pshort＝Pc-Ssyn,res-∑SN,res (1)
(1)式中，Ssyn,res为同步机组备用容量，SN,res为各个并网风电场备用容量，Pc为电网功率突变时系统功率偏差量，∑SN,res为投入风电场有效备用容量总和；
S5：紧急功率控制容量计算：依据风电场备用容量的比值来确定不同风电场的紧急升/降功率支援容量。
依据各个风电场备用容量比值来分配参与调频的风电场紧急升功率容量，则某单一风电场N紧急功率控制容量为：
Figure GDA0002294712260000081
(2)式中，PN,cover为单一风电场N紧急功率控制容量，SN,res为各个并网风电场备用容量，∑SN,res为投入风电场有效备用容量总和，Pc为电网功率突变时系统功率偏差量，Ssyn,res为同步机组备用容量；
S6：紧急功率控制：依据步骤4、5选取的调频风电场以及相应的紧急升功率控制容量对风电场进行控制，通过步骤1逆过程来释放风电场备用容量达到紧急功率支援，参与系统一次调频过程。
实施例：某三机九节点系统接入1、2、3、4号风电场，并网示意图如图2所示，电网中负荷总量为325MW。负荷突增时风电场调频控制方法包括以下步骤：
1、状态监测。监测电网运行参数，得到电网同步发电机组备用容量总和为25MW，风电场备用容量与相关运行参数如表1，扰动时刻系统功率缺额35MW；
表1
Figure GDA0002294712260000082
2、触发条件判断。电网功率缺额大于电网内同步机组备用容量值，故本次功率扰动触发风电场紧急功率控制；
3、选取调频风电场。计算系统最大功率缺额为10MW，根据电气距离从小到大选择原则，则选取1与3号风电场参与调频；
4、紧急功率控制容量计算。根据风电场备用容量比值来分配风电场紧急功率支援容量，如表2所示。
表2
Figure GDA0002294712260000091
5、紧急升功率控制。根据表2控制风电场输出功率，实现风电场调频，对比传统同步机组一次调频手段，效果如图3所示。通过对图3分析，可以得到对比传统调频手段，采用本实施例的风机调频控制方法后系统的暂态频率最大偏移从0.11Hz减小为0.7Hz，减小36.4％；此外风电场紧急功率控制操作能够减小系统频率波动时间与稳态频率偏差值，即提高了系统扰动后频率稳定性。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (4)

1.一种基于功率扰动值响应的风机调频控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、风电场减载运行并为电网提供调频旋转备用；
步骤2、风电场正常运行时，实时监测电网与风电场功率平衡与备用状态；
步骤3、电网发生功率突变时，判断是否触发风电场调频措施；
步骤4、依据风电场与扰动节点的电气距离，选取参与调频的风电场；
步骤5、计算风电场紧急功率支援容量；
步骤6、进行紧急功率控制；
所述风机调频控制方法的实现包括以下具体步骤：
步骤1.1，风电场减载运行，通过变速法和变桨法进行风电场减载控制，减载运行后的弃风能作为调频旋转备用；
步骤2.1，实时监测电网运行状态，包括电网内同步机组备用容量Ssyn,res，各个并网风电场备用容量SN,res以及电网功率突变时系统功率偏差量Pc；
步骤3.1，判断触发条件，当电网产生的功率扰动值大于阈值时，触发风电场有功调频操作，风电场提供紧急升功率控制，不满足触发条件时闭锁风电场调频装置；
步骤4.1，选择调频风电场，根据并网风电场与扰动节点的电气距离，从小到大选取投入调频的风电场，选取的风电场数量需满足电网预期最大功率缺额Pshort小于0，计算公式为：
Pshort＝Pc-Ssyn,res-∑SN,res (1)，
(1)式中，Ssyn,res为同步机组备用容量，SN,res为各个并网风电场备用容量，Pc为电网功率突变时系统功率偏差量，∑SN,res为投入风电场有效备用容量总和；
步骤5.1：计算紧急功率控制容量，根据各个风电场备用容量的比值来分配参与调频的风电场紧急升功率容量，则单一风电场N紧急功率控制容量为：
Figure FDA0002294712250000021
(2)式中，PN,cover为单一风电场N紧急功率控制容量，SN,res为各个并网风电场备用容量，∑SN,res为投入风电场有效备用容量总和，Pc为电网功率突变时系统功率偏差量，Ssyn,res为同步机组备用容量；
步骤6.1：紧急功率控制，根据步骤4.1选取的调频风电场以及步骤5.1计算的紧急功率控制容量对风电场进行控制，通过步骤1.1的逆过程来释放风电场备用容量达到紧急功率支援，参与系统一次调频过程。
2.如权利要求1所述的基于功率扰动值响应的风机调频控制方法，其特征在于，步骤1.1所述风电场减载控制包括通过增加转速和增大桨距角来降低风机输出功率至调度指令值。
3.如权利要求1所述的基于功率扰动值响应的风机调频控制方法，其特征在于，步骤3.1所述触发条件判断包括电网功率缺额与功率过剩两种，触发阈值的选择可以为电网内同步机组备用容量/可降出力总额，或是其比例关系的数值。
4.如权利要求1所述的基于功率扰动值响应的风机调频控制方法，其特征在于，步骤5.1所述计算紧急功率控制容量，依据风电场备用容量的比值来确定不同风电场的紧急升/降功率支援容量。
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