CN107565611B - 一种风电场惯量调频的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风电场惯量调频的方法,包括步骤:1)通讯获取风电场及风场中机组参数信息;2)判断风场是否具备一次调频的功能以及是否进入调频模式;3)检测每台风机的惯量调节能力,统计整个风场总惯量调节能力;4)计算风场惯量需求值;5)单台风机惯量分配;6)命令值下发输出。本发明主要是利用风机的惯量进行调频,可同时满足响应速度与能量可持续的双重要求。
Description
技术领域
本发明涉及风电场频率控制的技术领域,尤其是指一种风电场惯量调频的方法。
背景技术
近年来,由于能源、环境、技术等因素,新能源领域得到广泛的关注和发展,风力发电在电力系统的渗透率不断提升,与此同时,传统的同步发电装置比例逐渐降低,电力系统的旋转备用容量及转动惯量相对减少。
由于风能具有间歇性及不可控性,风电机组大多采用电力电子并网逆变器模式,该模式下风力机转速与电网频率之间不存在直接耦合关系,未能体现常规电力系统固有的惯性和调频调压特性,若采用适当的控制算法,使基于并网逆变器的电源在外特性上模拟或部分模拟出同步发电机的频率及电压控制特性,这就是所谓的虚拟同步发电机控制。
目前的风电场一次调频主要基于变桨控制,通过控制风机的桨矩角,改变桨叶的迎风角度与输入的机械能量,使其处于最大功率点之下的某一运行点,从而留出一定的备用容量。变桨控制调节能力强,调节范围广,可持续时间长、但是响应慢,对系统动态稳定性贡献小。其控制虽然模拟了同步发电机一次调频特性,但是未能模拟转子惯性。
本发明主要涉及模拟发电机组的惯量特性方法,调节有功输出,参与电网的调频控制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供了一种风电场惯量调频的方法,主要是在变桨调频的基础上,叠加惯量调频,可同时满足响应速度与能量可持续的双重要求。
为实现上述目的,本发明所提供的技术方案为:一种风电场惯量调频的方法,包括以下步骤:
1)通讯获取风电场及风场中机组参数信息,包括采集并网点的信息以及风机主控中的机组信息和用户设置的参数信息;
2)判断风场是否具备一次调频的功能以及是否进入调频模式,具体如下:
2.1)判断风场是否具备一次调频的功能,如果风场具备一次调频的功能,则执行步骤2.2),否则全场所有风机惯量调节量命令值设置为0,即ΔPset(i)=0,i∈(0,N-1),其中,ΔPset(i)表示下发给单机的惯量调节指令值,N表示全场风机的数量,(0,N-1)为风机的编号,执行步骤6),流程结束;
2.2)如果风场具备一次调频的功能,则进行风场是否进入频率调节的死区范围判断,若在死区范围内,则输出全场所有风机ΔPset(i)=0,i∈(0,N-1),流程结束,若不在死区范围内,则进行步骤3),其中是否在死区范围内的判断方法如下:
当flow≤fpcc≤fup,频率在死区范围内;
当fpcc<flow或fpcc>fup,频率在死区范围外,进入一次调频;
其中,fpcc为采集的风电场并网点频率值,flow为频率死区下限值,默认可取49.95Hz,fhigh为频率死区上限值,默认值可取50.05Hz,具体根据当地调度要求进行设定;
3)检测每台风机的惯量调节能力,统计整个风场总惯量调节能力,具体包括以下步骤:
3.1)扫描所有风机,将发电机的转速值转换为叶轮的角速度值,转换公式如下:
ωmea(i)=nmea(i)/ratio(i)*2*π/60,i∈(0,N-1)
ωmin(i)=nmin(i)/ratio(i)*2*π/60,i∈(0,N-1)
ωmax(i)=nmax(i)/ratio(i)*2*π/60,i∈(0,N-1)
其中,nmea(i)为第i台风机的发电机实际转速值,通讯从主控获取;nmin(i)是第i台风机有功输出功率为20%额定功率时对应的发电机转速值,由机组型号及参数决定,通讯从主控获取;nmax(i)是第i台风机有功输出功率为额定功率时对应的发电机转速值,由机组型号及参数决定,通讯从主控获取;ratio(i)为第i台风机的转速比,由机组型号及参数决定,通讯从主控获取;ωmea(i)为根据nmea(i) 计算得到的叶轮实际角速度值,ωmin(i)为根据nmin(i)计算得到的叶轮角速度最小值,ωmax(i)为根据nmax(i)计算得到的叶轮角速度最大值;
3.2)检测风场N台机组中第i台风机是否处于限电状态,其中N为大于0的自然数,i的初始值为0;
3.3)如果确定第i台风机处于限电状态,则执行步骤3.4),否则确定第i 台风机的惯量调节能力为0,即ΔPmax(i)=0、ΔPmin(i)=0,其中ΔPmax(i)为第i台风机惯量调节能力上限值,ΔPmin(i)为第i台风机惯量调节能力下限值;
3.4)检测第i台机组当前是否处于并网状态,如果确定第i台风机处于并网状态,则执行步骤3.5),否则确定第i台风机的惯量调节能力为0,即ΔPmax(i)=0、ΔPmin(i)=0;
3.5)检测第i台机组当前转速ωmea(i)是否在ωmin(i)和ωmax(i)范围之间,如果确定第i台风机叶轮转速处于叶轮转速最小值和叶轮转速最大值之间,则执行步骤 3.6),否则确定第i台风机的惯量调节能力为0,即ΔPmax(i)=0、ΔPmin(i)=0;
3.6)根据检测的第i台机组的叶轮角速度ωmea(i),叶轮角速度的最大值ωmax(i)和叶轮角速度的最小值ωmin(i)来确定第i台风机的惯量调节能力,其中,第i台风机的惯量调节能力计算方法如下:
a)计算惯量调节能力的最大值ΔP'max(i)
式中,J(i)为第i台机组的风轮转动惯量,用户根据机组型号及参数设定; t(i)为惯量调节持续时间,建议取值为10s;ΔP'max(i)为机组惯量调节能力的最大值;
b)最大值ΔP'max(i)与factor*PN(i)比较,取最小值,如下:
ΔPmax(i)=min(ΔP'max(i),factor*PN(i))
式中,factor为饱和系数,建议取值为0.1,PN(i)为第i台机组的额定功率值,用户根据机组型号及参数进行设定;
c)计算惯量调节能力的最小值ΔP'min(i)
ΔP'min(i)为机组惯量调节能力的最小值,可能是一个负值。
d)最小值ΔP'min(i)与factor*PN(i)比较
ΔPmin(i)=sign(ΔP'min(i))*min(fabs(ΔP'min(i)),factor*PN(i))
式中,sign为取符号函数,当ΔP'min(i)≥0,sign(ΔP'min(i))=1,当ΔP'min(i)<0, sign(ΔP'min(i))=-1;
3.7)如果i小于N,则返回步骤3.2);如果i大于或等于N,则确定的所述N台风机的惯量能力相加,统计出全场风机惯量能力值,其中:
风场惯量调节能力上限值为:
式中sum_ΔP max为整个风场惯量调节能力上限值。
风场惯量调节能力下限值为:
式中sum_ΔP min为整个风场惯量调节能力下限值。
4)计算风场惯量需求值,具体计算包括以下步骤:
4.1)首先判断风场的当前并网点有功功率值是否超过20%的风场额定容量,如果确定超过20%则执行步骤4.2),否则确定风场的惯量需求值为0,即ΔPfset=0,其中ΔPfset为风场惯量需求值;
4.2)计算采集的频率值与参考频率50Hz的偏差值,公式如下:
Δfn=fpcc-50
式中,fpcc为采集的风电场并网点频率值,Δfn为本计算周期采集频率值与参考频率50Hz的偏差值;
4.3)计算频率偏差的变化率,公式如下:
式中,Δfn-1为上个周期的频率偏差值;Tc为两次算法的时间间隔;Kdf为控制系数值,用户根据当地调度进行设置;
5)单台风机惯量分配,具体包括以下步骤:
5.1)判断ΔPfset是否大于或等于100,如果确定大于或等于100,执行步骤 5.2),否则执行步骤5.4);
5.2)求取用于分配的惯量调节值,采用公式如下:
ΔPmax=min(sum_ΔP max,ΔPfset)
5.3)扫描所有的风机,单机的惯量分配值为:
5.4)判断ΔPfset是否小于或等于-100,如果确定小于或等于-100,执行步骤5.5),否则执行步骤5.7);
5.5)求取用于分配的惯量调节值,采用公式如下:
ΔPmin=sign(ΔPfset)*min(fabs(sum_ΔP max),fabs(ΔPfset))
5.6)扫描所有风机,单机的惯量分配值为:
5.7)扫描所有风机,单机的惯量分配值为:
ΔPset(i)=0
6)将ΔPset(i)命令值下发输出至单台风电机组。
本发明与现有技术相比,具有如下优点与有益效果:
风电机组具有较大惯量,可通过增加/减小风电机组有功输出,使转速发生临时变化,短时释放/吸收机组旋转质体存储的部分动能,以快速响应系统频率的暂态变化,提供类似于传统机组的转动惯量,惯量控制响应速度快、持续时间短。而虚拟惯量控制依靠存储在风力机转子中的动能为系统提供频率支撑,提高风电并网系统的频率稳定性,具有快速性和暂时性的特点,目前的一次调频控制,大都只采用变桨控制,通过控制风机的桨矩角,改变桨叶的迎风角度,从而达到改变有功输出,调节频率的目的,由于桨叶的调节过程缓慢,故其响应速度慢,响应时间为10s左右。本发明主要是在现有的一次调频的基础上(即与变桨调频控制相结合),增加惯量调频,进行两者的复合控制,可将响应速度提高至200ms,使得频率快速响应,可同时满足响应速度与能量可持续的双重要求。
附图说明
图1为本发明方法流程图。
图2为检测每台风机的惯量调节能力和统计整个风场总惯量调节能力的流程图。
图3为风场惯量需求值的计算流程图。
图4为单台风机惯量分配流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
参见图1所示,本实施例所提供的风电场惯量调频的方法,可用于能量管理平台或者VSG虚拟同步发电机控制平台上,该方法主要是在现有的一次调频的基础上(即与变桨调频控制相结合),增加惯量调频,进行两者的复合控制,其具体包括以下步骤:
1)通讯获取风电场及风场中机组参数信息,包括采集并网点的信息以及风机主控中的机组信息和用户设置的参数信息。
2)判断风场是否具备一次调频的功能以及是否进入调频模式,具体如下:
2.1)判断风场是否具备一次调频的功能,如果风场具备一次调频的功能,则执行步骤2.2),否则全场所有风机惯量调节量命令值设置为0,即ΔPset(i)=0,i∈(0,N-1),其中,ΔPset(i)表示下发给单机的惯量调节指令值,N表示全场风机的数量,(0,N-1)为风机的编号,执行步骤6),流程结束;
2.2)如果风场具备一次调频的功能,则进行风场是否进入频率调节的死区范围判断,若在死区范围内,则输出全场所有风机ΔPset(i)=0,i∈(0,N-1),流程结束,若不在死区范围内,则进行步骤3),其中是否在死区范围内的判断方法如下:
当flow≤fpcc≤fup,频率在死区范围内;
当fpcc<flow或fpcc>fup,频率在死区范围外,进入一次调频;
其中,fpcc为采集的风电场并网点频率值,flow为频率死区下限值,默认可取49.95Hz,fhigh为频率死区上限值,默认值可取50.05Hz,具体根据当地调度要求进行设定。
3)检测每台风机的惯量调节能力,统计整个风场总惯量调节能力,参见图 2所示,具体包括以下步骤:
3.1)扫描所有风机,将发电机的转速值转换为叶轮的角速度值,转换公式如下:
ωmea(i)=nmea(i)/ratio(i)*2*π/60,i∈(0,N-1)
ωmin(i)=nmin(i)/ratio(i)*2*π/60,i∈(0,N-1)
ωmax(i)=nmax(i)/ratio(i)*2*π/60,i∈(0,N-1)
其中,nmea(i)为第i台风机的发电机实际转速值,通讯从主控获取;nmin(i)是第i台风机有功输出功率为20%额定功率时对应的发电机转速值,由机组型号及参数决定,通讯从主控获取;nmax(i)是第i台风机有功输出功率为额定功率时对应的发电机转速值,由机组型号及参数决定,通讯从主控获取;ratio(i)为第i台风机的转速比,由机组型号及参数决定,通讯从主控获取;ωmea(i)为根据nmea(i) 计算得到的叶轮实际角速度值,ωmin(i)为根据nmin(i)计算得到的叶轮角速度最小值,ωmax(i)为根据nmax(i)计算得到的叶轮角速度最大值;
3.2)检测风场N台机组中第i台风机是否处于限电状态,其中N为大于0的自然数,i的初始值为0;
3.3)如果确定第i台风机处于限电状态,则执行步骤3.4),否则确定第i 台风机的惯量调节能力为0,即ΔPmax(i)=0、ΔPmin(i)=0,其中ΔPmax(i)为第i台风机惯量调节能力上限值,ΔPmin(i)为第i台风机惯量调节能力下限值;
3.4)检测第i台机组当前是否处于并网状态,如果确定第i台风机处于并网状态,则执行步骤3.5),否则确定第i台风机的惯量调节能力为0,即ΔPmax(i)=0、ΔPmin(i)=0;
3.5)检测第i台机组当前转速ωmea(i)是否在ωmin(i)和ωmax(i)范围之间,如果确定第i台风机叶轮转速处于叶轮转速最小值和叶轮转速最大值之间,则执行步骤 3.6),否则确定第i台风机的惯量调节能力为0,即ΔPmax(i)=0、ΔPmin(i)=0;
3.6)根据检测的第i台机组的叶轮角速度ωmea(i),叶轮角速度的最大值ωmax(i)和叶轮角速度的最小值ωmin(i)来确定第i台风机的惯量调节能力,其中,第i台风机的惯量调节能力计算方法如下:
a)计算惯量调节能力的最大值ΔP'max(i)
式中,J(i)为第i台机组的风轮转动惯量,用户根据机组型号及参数设定; t(i)为惯量调节持续时间,建议值为10;ΔP'max(i)为机组惯量调节能力的最大值;
b)最大值ΔP'max(i)与factor*PN(i)比较,取最小值,如下:
ΔPmax(i)=min(ΔP'max(i),factor*PN(i))
式中,factor为饱和系数,建议取值为0.1;PN(i)为第i台机组的额定功率值,用户根据机组型号及参数进行设定;ΔPmax(i)为风机惯量调节能力上限值。
c)计算惯量调节能力的最小值ΔP'min(i)
ΔP'min(i)为机组惯量调节能力的最小值,可能是一个负值。
d)最小值ΔP'min(i)与factor*PN(i)比较
ΔPmin(i)=sign(ΔP'min(i))*min(fabs(ΔP'min(i)),factor*PN(i))
式中,sign为取符号函数,当ΔP'min(i)≥0,sign(ΔP'min(i))=1,当ΔP'min(i)<0, sign(ΔP'min(i))=-1;ΔPmin(i)为风机惯量调节能力下限值。
3.7)如果i小于N,则返回步骤3.2);如果i大于或等于N,则确定的所述 N台风机的惯量能力相加,统计出全场风机惯量能力值,其中:
风场惯量调节能力上限值为:
式中sum_ΔP max为整个风场惯量调节能力上限值。
风场惯量调节能力下限值为:
式中sum_ΔP min为整个风场惯量调节能力下限值。
4)计算风场惯量需求值,参见图3所示,具体计算包括以下步骤:
4.1)首先判断风场的当前并网点有功功率值是否超过20%的风场额定容量,如果确定超过20%则执行步骤4.2),否则确定风场的惯量需求值为0,即ΔPfset=0,其中ΔPfset为风场惯量需求值;
4.4)计算采集的频率值与参考频率50Hz的偏差值,公式如下:
Δfn=fpcc-50
式中,fpcc为采集的风电场并网点频率值,Δfn为本计算周期采集频率值与参考频率50Hz的偏差值;
4.5)计算频率偏差的变化率,公式如下:
式中,Δfn-1为上个周期的频率偏差值;Tc为两次算法的时间间隔;Kdf为控制系数值,用户根据当地调度进行设置。
5)单台风机惯量分配,参见图4所示,具体包括以下步骤:
5.1)判断ΔPfset是否大于或等于100,如果确定大于或等于100,执行步骤 5.2),否则执行步骤5.4);
5.2)求取用于分配的惯量调节值,采用公式如下:
ΔPmax=min(sum_ΔP max,ΔPfset)
5.3)扫描所有的风机,单机的惯量分配值为:
5.4)判断ΔPfset是否小于或等于-100,如果确定小于或等于-100,执行步骤5.5),否则执行步骤5.7);
5.5)求取用于分配的惯量调节值,采用公式如下:
ΔPmin=sign(ΔPfset)*min(fabs(sum_ΔP max),fabs(ΔPfset))
5.6)扫描所有风机,单机的惯量分配值为:
5.7)扫描所有风机,单机的惯量分配值为:
ΔPset(i)=0
6)将ΔPset(i)命令值下发输出至单台风电机组。
以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例,并非以此限制本发明的实施范围,故凡依本发明之形状、原理所作的变化,均应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (1)
1.一种风电场惯量调频的方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)通讯获取风电场及风场中机组参数信息,包括采集并网点的信息以及风机主控中的机组信息和用户设置的参数信息;
2)判断风场是否具备一次调频的功能以及是否进入调频模式,具体如下:
2.1)判断风场是否具备一次调频的功能,如果风场具备一次调频的功能,则执行步骤2.2),否则全场所有风机惯量调节量命令值设置为0,即ΔPset(i)=0,i∈(0,N-1),其中,ΔPset(i)表示下发给单机的惯量调节指令值,N表示全场风机的数量,(0,N-1)为风机的编号,执行步骤6),流程结束;
2.2)如果风场具备一次调频的功能,则进行风场是否进入频率调节的死区范围判断,若在死区范围内,则输出全场所有风机ΔPset(i)=0,i∈(0,N-1),流程结束,若不在死区范围内,则进行步骤3),其中是否在死区范围内的判断方法如下:
当flow≤fpcc≤fup,频率在死区范围内;
当fpcc<flow或fpcc>fup,频率在死区范围外,进入一次调频;
其中,fpcc为采集的风电场并网点频率值,flow为频率死区下限值,fhigh为频率死区上限值,具体根据当地调度要求进行设定;
3)检测每台风机的惯量调节能力,统计整个风场总惯量调节能力,具体包括以下步骤:
3.1)扫描所有风机,将发电机的转速值转换为叶轮的角速度值,转换公式如下:
ωmea(i)=nmea(i)/ratio(i)*2*π/60,i∈(0,N-1)
ωmin(i)=nmin(i)/ratio(i)*2*π/60,i∈(0,N-1)
ωmax(i)=nmax(i)/ratio(i)*2*π/60,i∈(0,N-1)
其中,nmea(i)为第i台风机的发电机实际转速值,通讯从主控获取;nmin(i)是第i台风机有功输出功率为20%额定功率时对应的发电机转速值,由机组型号及参数决定,通讯从主控获取;nmax(i)是第i台风机有功输出功率为额定功率时对应的发电机转速值,由机组型号及参数决定,通讯从主控获取;ratio(i)为第i台风机的转速比,由机组型号及参数决定,通讯从主控获取;ωmea(i)为根据nmea(i)计算得到的叶轮实际角速度值,ωmin(i)为根据nmin(i)计算得到的叶轮角速度最小值,ωmax(i)为根据nmax(i)计算得到的叶轮角速度最大值;
3.2)检测风场N台机组中第i台风机是否处于限电状态,其中N为大于0的自然数,i的初始值为0;
3.3)如果确定第i台风机处于限电状态,则执行步骤3.4),否则确定第i台风机的惯量调节能力为0,即ΔPmax(i)=0、ΔPmin(i)=0,其中ΔPmax(i)为第i台风机惯量调节能力上限值,ΔPmin(i)为第i台风机惯量调节能力下限值;
3.4)检测第i台机组当前是否处于并网状态,如果确定第i台风机处于并网状态,则执行步骤3.5),否则确定第i台风机的惯量调节能力为0,即ΔPmax(i)=0、ΔPmin(i)=0;
3.5)检测第i台机组当前转速ωmea(i)是否在ωmin(i)和ωmax(i)范围之间,如果确定第i台风机叶轮转速处于叶轮转速最小值和叶轮转速最大值之间,则执行步骤3.6),否则确定第i台风机的惯量调节能力为0,即ΔPmax(i)=0、ΔPmin(i)=0;
3.6)根据检测的第i台机组的叶轮角速度ωmea(i),叶轮角速度的最大值ωmax(i)和叶轮角速度的最小值ωmin(i)来确定第i台风机的惯量调节能力,其中,第i台风机的惯量调节能力计算方法如下:
a)计算惯量调节能力的最大值ΔP′max(i)
式中,J(i)为第i台机组的风轮转动惯量,用户根据机组型号及参数设定;t(i)为惯量调节持续时间;ΔP′max(i)为机组惯量调节能力的最大值;
b)最大值ΔP′max(i)与factor*PN(i)比较,取最小值,如下:
ΔPmax(i)=min(ΔP′max(i),factor*PN(i))
式中,factor为饱和系数,PN(i)为第i台机组的额定功率值,用户根据机组型号及参数进行设定;ΔPmax(i)为风机惯量调节能力上限值;
c)计算惯量调节能力的最小值ΔP'min(i)
ΔP'min(i)为机组惯量调节能力的最小值;
d)最小值ΔP'min(i)与factor*PN(i)比较
ΔPmin(i)=sign(ΔP′min(i))*min(fabs(ΔP′min(i)),factor*PN(i))
式中,sign为取符号函数,当ΔP′min(i)≥0,sign(ΔP′min(i))=1,当ΔP′min(i)<0,sign(ΔP′min(i))=-1;ΔPmin(i)为风机惯量调节能力下限值;
3.7)如果i小于N,则返回步骤3.2);如果i大于或等于N,则确定的所述N台风机的惯量能力相加,统计出全场风机惯量能力值,其中:
风场惯量调节能力上限值为:
式中,sum_ΔP max为整个风场惯量调节能力上限值;
风场惯量调节能力下限值为:
式中,sum_ΔP min为整个风场惯量调节能力下限值;
4)计算风场惯量需求值,具体计算包括以下步骤:
4.1)首先判断风场的当前并网点有功功率值是否超过20%的风场额定容量,如果确定超过20%则执行步骤4.2),否则确定风场的惯量需求值为0,即ΔPfset=0,其中ΔPfset为风场惯量需求值;
4.2)计算采集的频率值与参考频率50Hz的偏差值,公式如下:
Δfn=fpcc-50
式中,fpcc为采集的风电场并网点频率值,Δfn为本计算周期采集频率值与参考频率50Hz的偏差值;
4.3)计算频率偏差的变化率,公式如下:
式中,Δfn-1为上个周期的频率偏差值;Tc为两次算法的时间间隔;Kdf为控制系数值,用户根据当地调度进行设置;
5)单台风机惯量分配,具体包括以下步骤:
5.1)判断ΔPfset是否大于或等于100,如果确定大于或等于100,执行步骤5.2),否则执行步骤5.4);
5.2)求取用于分配的惯量调节值,采用公式如下:
ΔPmax=min(sum_ΔP max,ΔPfset)
5.3)扫描所有的风机,单机的惯量分配值为:
5.4)判断ΔPfset是否小于或等于-100,如果确定小于或等于-100,执行步骤5.5),否则执行步骤5.7);
5.5)求取用于分配的惯量调节值,采用公式如下:
ΔPmin=sign(ΔPfset)*min(fabs(sum_ΔP max),fabs(ΔPfset))
5.6)扫描所有风机,单机的惯量分配值为:
5.7)扫描所有风机,单机的惯量分配值为:
ΔPset(i)=0
6)将ΔPset(i)命令值下发输出至单台风电机组。
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