CN107947195A - 一种大型风力发电机组的调频方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大型风力发电机组的调频方法及装置，该调频方法包括：在保留设定备用容量的情况下，确定风力发电机组的功率与桨距角之间的对应关系；风力发电机组在发电运行过程中，判断风力发电机组的实时发电功率是否大于变桨储能启动功率；若大于变桨储能启动功率，按照确定的风力发电机组的功率与桨距角之间的对应关系控制风力发电机组；实时检测电网频率，采用保留的设定备用容量进行电网调频控制。本发明在不增加机组硬件设备的前提下，通过优化风机主控控制策略，采用变桨储能的方式实现风机的容量保留备用，为机组进行有功调频提供了备用功率，增强了风电机组对电网的支撑能力，有利于推广风电机组大面积挂网运行。
Description
技术领域
本发明涉及一种大型风力发电机组的调频方法及装置，属于风力发电技术领域。
背景技术
能源在社会发展中起着重要的推动作用。电力作为清洁高效的能源形式，关乎国计民生。为应对能源危机和环境压力，风能、太阳能等新能源受到越来越广泛的关注。大力发展新能源发电，在改善电网运行经济性、优化电力系统运行方式以及构建环境友好型电力系统等方面均具有重要意义。
现有风电机组主流机型为变速恒频的双馈型风机和直驱型风机，其基本原理是通过变频器技术调节风电机组的输出与电网同步，从而避免了电力系统对风电机组转速的苛刻要求，使风机转速与系统频率解耦。但风电机组追求的是最大发电效率，不提供有功备用，因而无法在系统频率下降时提供类似传统机组的调频功能，而这对于传统发电机组来说是维持系统频率稳定性非常重要的功能。在此情况下，如果缺失的这部分频率调节能力得不到补充，将使系统整体惯性和频率调节能力减弱。因此大型风力发电机组具备有功调频功能，增强对电网的支撑能力，成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种大型风力发电机组的调频方法及装置，用于解决现有风力发电机组不提供有功备用导致电网调频功能无法实现的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种大型风力发电机组的调频方法，步骤如下：
在保留设定备用容量的情况下，确定风力发电机组的功率与桨距角之间的对应关系；
风力发电机组在发电运行过程中，判断风力发电机组的实时发电功率是否大于变桨储能启动功率；
若大于变桨储能启动功率，按照确定的风力发电机组的功率与桨距角之间的对应关系控制风力发电机组；
实时检测电网频率，采用保留的设定备用容量进行电网调频控制。
进一步的，还包括在保留设定备用容量的情况下，确定风力发电机组的最小允许桨距角，并采用该最小允许桨距角对风力发电机组的桨距角进行限制。
进一步的，采用查表法或数学多项式拟合来确定所述最小允许桨矩角。
进一步的，根据风力发电机组整机载荷及其仿真测试结果，在保留设定备用容量的情况下，确定风力发电机组的功率与桨距角之间的对应关系。
进一步的，采用保留的设定备用容量进行电网调频控制的过程中，计算电网实时频率相对于工频的波动频率，若波动频率大于调频死区限值，则根据波动频率计算需要风力发电机组需要提供的有功功率支撑值，以有功功率支撑值与风力发电机组当前的实发功率的叠加值为目标对风力发电机组的桨距角和输出发电功率进行调整。
本发明还提供了一种大型风力发电机组的调频装置，包括调频处理器和调频存储器，所述调频处理器用于处理存储在调频存储器中的指令以实现如下方法：
在保留设定备用容量的情况下，确定风力发电机组的功率与桨距角之间的对应关系；
风力发电机组在发电运行过程中，判断风力发电机组的实时发电功率是否大于变桨储能启动功率；
若大于变桨储能启动功率，按照确定的风力发电机组的功率与桨距角之间的对应关系控制风力发电机组；
实时检测电网频率，采用保留的设定备用容量进行电网调频控制。
进一步的，所述调频处理器还用于处理存储在调频存储器中的指令以实现如下方法：在保留设定备用容量的情况下，确定风力发电机组的最小允许桨距角，并采用该最小允许桨距角对风力发电机组的桨距角进行限制。
进一步的，所述调频处理器还用于处理存储在调频存储器中的指令以实现如下方法：采用查表法或数学多项式拟合来确定所述最小允许桨矩角。
进一步的，所述调频处理器还用于处理存储在调频存储器中的指令以实现如下方法：根据风力发电机组整机载荷及其仿真测试结果，在保留设定备用容量的情况下，确定风力发电机组的功率与桨距角之间的对应关系。
进一步的，所述调频处理器还用于处理存储在调频存储器中的指令以实现如下方法：采用保留的设定备用容量进行电网调频控制的过程中，计算电网实时频率相对于工频的波动频率，若波动频率大于调频死区限值，则根据波动频率计算需要风力发电机组需要提供的有功功率支撑值，以有功功率支撑值与风力发电机组当前的实发功率的叠加值为目标对风力发电机组的桨距角和输出发电功率进行调整。
本发明的有益效果是：在保留设定备用容量的情况下，确定风力发电机组的功率所对应的桨距角，得到机组功率与桨距角之间的对应关系，当风力发电机组的实时发电功率大于变桨储能启动功率时，根据所确定的风力发电机组的功率与桨距角之间的对应关系对发电机组进行控制以实现变桨储能，当电网频率变化的情况下，采用保留的设定备用容量为电网调频提供备用功率，以实现风力发电机组对电网的有功调频能力，增强了风电机组对电网的支撑。
附图说明
图1是本发明的大型风力发电机组的变桨储能方法的控制流程图；
图2是本发明的风力发电机组的功率与所对应的桨距角的曲线图；
图3是本发明的大型风力发电机组的调频方法的控制流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
本发明提供了一种大型风力发电机组的变桨储能方法，其控制流程图如图1所示，包括以下步骤：
(1)在保留设定备用容量的情况下，确定风力发电机组的功率与桨距角之间的对应关系。
具体的，通过对风力发电机组整机模型仿真分析，根据风力发电机组整机载荷及其仿真测试结果，结合预留设定备用容量大小和叶片翼型，选取合理的处理方法，确定风力发电机组在各功率阶段中保留设定备用容量所需对应的桨距角，得到风力发电机组的功率-桨距角曲线。
本发明所确定的功率-桨距角曲线如图2中的实线所示，其中P0为变桨储能启动功率，Pr为风力发电机组的额定功率，β0为变桨储能启动功率P0对应的桨距角，βr、βmax分别为风力发电机组的额定功率Pr对应的最小桨距角和最大桨距角。图2中虚线所示为现有技术中的功率-桨距角变化曲线变化图，其中P1为桨距角大于零时所对应的功率，β1、βmax分别为风力发电机组的额定功率Pr对应的最小桨距角和最大桨距角。以2MW风机为例，变桨储能启动功率P0≥0.2PN，功率P1取值范围为0.7PN～0.8PN，其中PN为机组额定功率。当然，对于不同机型，上述参数略有不同。与现有的功率-桨距角变化曲线相比，本发明的功率-桨距角曲线明显可以通过改变桨距角来达到储能的效果。
(2)风力发电机组在发电运行过程中，检测风力发电机组实时发电功率，并对检测到的实时发电功率进行相应滤波处理，判断经滤波处理后的机组实时发电功率Pmean是否大于变桨储能启动功率P0。
(3)若机组实时发电功率Pmean大于变桨储能启动功率P0，按照确定的风力发电机组的功率与桨距角之间的对应关系控制风力发电机组以实现变桨储能。
也就是，风力发电机组在发电运行过程中，当Pmean＞P0时，根据风力发电机组当前的发电功率，通过增加控制策略，使风力发电机组按照规划好的功率-桨距角曲线运行，保证机组时刻保留设定备用容量。
另外，在风力发电机组的实时发电功率大于变桨储能启动功率的情况下，根据该实时发电功率计算出风力发电机组允许的最小桨距角βmin，并将该最小允许桨距角βmin应用至桨距角限制器中，对风力发电机组的桨距角进行限制，作为变桨控制器输出桨距角的最小限值。在本实施例中，最小允许桨距角βmin的计算公式为：
βmin＝max(f(Pmean),βr)
其中，f(Pmean)为变桨储能函数，该函数需根据风机整机模型仿真推算结果，采用数学多项式拟合来获得，max(f(Pmean),βr)表示f(Pmean)和βr中的较大值。
当然，作为其他的实施方式，在确定风力发电机组在各功率阶段中保留设定备用容量所需对应的最小允许桨距角βmin时，还可以采用查表法来获得。
该大型风力发电机组的变桨储能方法在不增加机组硬件设备的前提下，通过优化风机主控控制策略，在传统的控制策略基础上，采用变桨储能的方式实现风机的能量储存备用，虽然会损失一部分的发电功率，但为机组进行有功调频提供了备用功率，增强了风电机组对电网的支撑能力，有利于推广风电机组大面积挂网运行。
本发明还提供了一种大型风力发电机组的调频方法，该调频方法在上述大型风力发电机组的变桨储能方法的基础上，增加实现机组有功调频的控制。即在风力发电机组发电过程中，该调频方法依据电网频率的变化，利用上述变桨储能方法中保留的备用容量，采用下垂控制方法，调整机组输出的有功功率，对电网进行调频控制，具体控制过程如图3所示，包括以下步骤：
1)在有功调频功能开启且变桨储能完成的情况下，实时检测电网频率，并进行相应的滤波处理。
2)根据电网频率的变化，采用下垂控制方式，调节桨距角释放储能以实现机组发电功率的调节，从而实现参与电网频率波动的调节。
具体的，计算电网实时频率相对于工频的波动频率Δf，判断波动频率Δf是否大于调频死区限值fz，若Δf＞fz，则根据波动频率Δf计算需要风力发电机组需要提供的有功功率支撑值ΔP，计算公式为：
其中，Kf为有功调频系数，在系统频率波动时，虚拟同步发电机有功功率变化量标么值(以虚拟同步发电机额定容量为基准值)与系统频率变化量标么值(以系统额定频率为基准值)的比值；PN为机组额定功率，fN为电网额定频率。
将有功功率支撑值ΔP与风力发电机组当前的实发功率Ps进行叠加，该叠加值P作为功率目标值应用至变桨控制器和功率控制器中，对风力发电机组的桨距角和输出发电功率进行调整。此时，变桨控制器根据功率目标值P的变化控制桨距角动作，达到增加或减小捕获的风能能量的目的；功率控制器根据功率目标值P的变化，调节输出转矩值，从而达到对输出发电功率调节的目的。功率的调节应尽量快速，必须满足电网对有功调频响应时间及响应精度的要求。
本发明还提供了一种大型风力发电机组的调频装置，包括调频处理器和调频存储器，所述调频处理器用于处理存储在调频存储器中的指令以实现如下方法：
在保留设定备用容量的情况下，确定风力发电机组的功率与桨距角之间的对应关系；
风力发电机组在发电运行过程中，判断风力发电机组的实时发电功率是否大于变桨储能启动功率；
若大于变桨储能启动功率，按照确定的风力发电机组的功率与桨距角之间的对应关系控制风力发电机组；
实时检测电网频率，采用保留的设定备用容量进行电网调频控制。
该大型风力发电机组的调频装置的核心是实现上述大型风力发电机组的调频方法，由于已对大型风力发电机组的调频方法进行了详细介绍，此处对大型风力发电机组的调频装置不再做详细描述。
需要声明的是，以上所述仅是本发明的具体实例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述技术内容作些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种大型风力发电机组的调频方法，其特征在于，步骤如下：
在保留设定备用容量的情况下，确定风力发电机组的功率与桨距角之间的对应关系；
风力发电机组在发电运行过程中，判断风力发电机组的实时发电功率是否大于变桨储能启动功率；
若大于变桨储能启动功率，按照确定的风力发电机组的功率与桨距角之间的对应关系控制风力发电机组；
实时检测电网频率，采用保留的设定备用容量进行电网调频控制。
2.根据权利要求1所述的大型风力发电机组的调频方法，其特征在于，还包括在保留设定备用容量的情况下，确定风力发电机组的最小允许桨距角，并采用该最小允许桨距角对风力发电机组的桨距角进行限制。
3.根据权利要求2所述的大型风力发电机组的调频方法，其特征在于，采用查表法或数学多项式拟合来确定所述最小允许桨矩角。
4.根据权利要求1或2所述的大型风力发电机组的调频方法，其特征在于，根据风力发电机组整机载荷及其仿真测试结果，在保留设定备用容量的情况下，确定风力发电机组的功率与桨距角之间的对应关系。
5.根据权利要求1或2所述的大型风力发电机组的调频方法，其特征在于，采用保留的设定备用容量进行电网调频控制的过程中，计算电网实时频率相对于工频的波动频率，若波动频率大于调频死区限值，则根据波动频率计算需要风力发电机组需要提供的有功功率支撑值，以有功功率支撑值与风力发电机组当前的实发功率的叠加值为目标对风力发电机组的桨距角和输出发电功率进行调整。
6.一种大型风力发电机组的调频装置，其特征在于，包括调频处理器和调频存储器，所述调频处理器用于处理存储在调频存储器中的指令以实现如下方法：
在保留设定备用容量的情况下，确定风力发电机组的功率与桨距角之间的对应关系；
风力发电机组在发电运行过程中，判断风力发电机组的实时发电功率是否大于变桨储能启动功率；
若大于变桨储能启动功率，按照确定的风力发电机组的功率与桨距角之间的对应关系控制风力发电机组；
实时检测电网频率，采用保留的设定备用容量进行电网调频控制。
7.根据权利要求6所述的大型风力发电机组的调频装置，其特征在于，所述调频处理器还用于处理存储在调频存储器中的指令以实现如下方法：在保留设定备用容量的情况下，确定风力发电机组的最小允许桨距角，并采用该最小允许桨距角对风力发电机组的桨距角进行限制。
8.根据权利要求7所述的大型风力发电机组的调频装置，其特征在于，所述调频处理器还用于处理存储在调频存储器中的指令以实现如下方法：采用查表法或数学多项式拟合来确定所述最小允许桨矩角。
9.根据权利要求6或7所述的大型风力发电机组的调频装置，其特征在于，所述调频处理器还用于处理存储在调频存储器中的指令以实现如下方法：根据风力发电机组整机载荷及其仿真测试结果，在保留设定备用容量的情况下，确定风力发电机组的功率与桨距角之间的对应关系。
10.根据权利要求6或7所述的大型风力发电机组的调频装置，其特征在于，所述调频处理器还用于处理存储在调频存储器中的指令以实现如下方法：采用保留的设定备用容量进行电网调频控制的过程中，计算电网实时频率相对于工频的波动频率，若波动频率大于调频死区限值，则根据波动频率计算需要风力发电机组需要提供的有功功率支撑值，以有功功率支撑值与风力发电机组当前的实发功率的叠加值为目标对风力发电机组的桨距角和输出发电功率进行调整。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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