CN108199417B - 一种风机实时调频能力差异化的风电场参与系统协调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风机实时调频能力差异化的风电场参与系统协调方法，包括以下内容：1)风电机组实时检测当前风速和运行控制信息，按风速及运行控制信息进行动态归类；2)风机根据当前所属的归类实时匹配对应的调频控制策略和调频参数；3)系统检测当前频率。本发明根据实时风速、转速和机组控制信息进行动态分类，针对不同类别实时匹配相应调频策略和差异化的调频门限参数，从风电场以及系统层面整定不同工况下风机的调频门限，通过多类别调频控制频率整定值的配合，实现不同类别电源调频优先级以及相互间的协调，以较小的控制和经济代价提高系统频率稳定性，解决风电参与电网一次调频以及与传统机组、直流频率调制配合的问题。

Description

一种风机实时调频能力差异化的风电场参与系统协调方法

技术领域

本发明涉及电力系统及其自动化技术领域，尤其涉及一种风机实时调频能力差异化的风电场参与系统协调方法。

背景技术

随着大规模新能源并网发电，渗透率逐渐升高，新能源发电势必要取代部分常规能源发电机组。目前我国普遍使用的双馈变速风机和直驱永磁风机由于控制系统使机组转速与电网频率完全解耦，在电网频率发生改变时不能像传统机组一样对电网提供频率支撑，无法参与电网一次调频。风电机组虽然拥有惯量但是对电网表现为“隐含惯量”，无法帮助电网降低频率变化的速率，因此新能源发电接入电网一定程度相当于减小了发电机调速器的时间常数，恶化了系统频率特性。

目前欧美一些风能利用技术已经成熟的国家已针对风电提出相关参与电网调频的规定。随着风力发电控制技术的提高，风机可以通过一些附加频率控制实现一定程度的有功频率响应，但大多数研究偏向于单台风机层面，没有不同运行工况下风机的调频差异及控制代价，制定的不同工况下风机调频策略无优先级区分。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种风机实时调频能力差异化的风电场参与系统协调方法，解决风电参与电网一次调频以及与传统机组、直流频率调制配合的问题，提升风电集中并网区域系统频率稳定性。

为实现上述目的，本发明提供了一种风机实时调频能力差异化的风电场参与系统协调方法，包括以下内容：

1)风电机组实时检测当前风速和运行控制信息，按风速及运行控制信息进行动态归类：①低转速不具备调频能力风机；②最大功率跟踪模式运行风机；③限功率运行风机；④高风速恒功率运行风机；

2)风机根据当前所属的归类实时匹配对应的调频控制策略和调频参数；

3)系统检测当前频率，按以下步骤进行动作；

步骤一：系统频率低于传统发电机组一次调频门限f_motor时，传统发电机组一次调频控制功能启动，若系统频率恢复至门限f_motor以上，传统发电机组退出一次调频控制，步骤结束；若系统频率下降并低于内容1所述③限功率运行风机调频门限f_{wind_lim}，进入步骤二，否则保持步骤一；

步骤二：系统频率跌落低于内容1所述③限功率运行风机调频门限f_{wind_lim}，③限功率运行风机调频功能启动，若系统频率恢复至门限f_{wind_lim}以上，③限功率运行风机调频功能退出，进入步骤一；若系统频率仍然下降并低于内容1所述④高风速恒功率运行风机调频门限f_{wind_rate}，进入步骤三，否则保持步骤二；

步骤三：系统频率跌落低于内容1所述④高风速恒功率运行风机调频门限f_{wind_rate}，④高风速恒功率运行风机调频功能启动，若系统频率恢复至门限f_{wind_rate}以上，④高风速恒功率运行风机调频功能退出，进入步骤二；若系统频率仍然下降并低于内容1所述②最大功率跟踪模式运行风机调频门限f_{wing_mppt}，进入步骤四，否则保持步骤三；

步骤四：系统频率跌落低于内容1所述②最大功率跟踪模式运行风机调频门限f_{wing_mppt}，②最大功率跟踪模式运行风机调频功能启动，若系统频率恢复至门限f_{wind_rate}以上，②最大功率跟踪模式运行风机调频功能退出，并进入步骤三；若系统频率仍然下降且低于直流频率调制门限f_flc，进入步骤五，否则保持步骤四；

步骤五：系统频率跌落低于直流频率调制门限f_flc，直流频率调制功能启动，若系统频率恢复至门限f_flc以上，直流频率调制功能退出，进入步骤四；否则保持步骤五。

进一步地，所述内容1)中运行控制信息包含风电场综合控制系统发出的限功率指令、风机转速以及风机自身控制产生的状态信息。

进一步地，所述内容1)中①低转速不具备调频能力风机可根据风机转速判定，当风机转速低于调频最低转速时可归为①低转速不具备调频能力风机，该类风机不参与系统调频；所述调频最低转速，指风机退出调频时的转速，以风机释放转子动能维持10s转速下降不低于风机启动初始转速求出。

进一步地，所述内容1)中②最大功率跟踪模式运行风机依据风速、转速以及控制状态信息判断，此类风机转速高于调频最低转速ω_min，运行风速处于切入风速与风机出力达1.0pu时的额定风速之间，控制状态处于最大风功率跟踪，桨距角β＝0；②最大功率跟踪模式运行风机通过释放转子动能参与系统调频，调频容量为：

其中，H为旋转部件转动惯量，T为风机参与调频时间，ω_min表示风机退出调频的最低转速，ω_r表示风机运行在最大功率跟踪MPPT模式的转子转速。

进一步地，所述内容1)中③限功率运行风机依据风电场综合控制系统限功率指令以及风机当前运行状态判断，此类风机接收上级限功率运行指令，输出功率由最大功率跟踪模式下的功率P_MPPT降低至指令要求的功率P_ORDER(P_ORDER<P_MPPT)；③限功率运行风机通过释放转子动能和桨距角控制实现调频功能，本身具备至少P_MPPT-P_ORDER的调频容量。

进一步地，④高风速恒功率运行风机依据风速以及风机当前运行状态判断，此类风机运行风速处于高风速，风速大于风机出力达1.0pu时风速、风机处于额定运行功率，同时桨距角β>0，风机采用变流器短时间过载控制参与系统调频，调频容量为：ΔP＝min{P_β＝0,αP_rate}，P_β＝0表示桨距角为0时风机捕获的气动功率，P_rate表示变流器额定运行功率，α为变流器过载能力系数。

进一步地，所述传统发电机组一次调频门限f_motor、③限功率运行风机调频门限f_{wind_lim}、④高风速恒功率运行风机调频门限f_{wind_rate}、②最大功率跟踪模式运行风机调频门限f_{wing_mppt}、直流频率调制门限f_flc具有以下关系：f_motor＞f_{wind_lim}＞f_{wind_rate}＞f_{wind_mppt}＞f_flc。

步骤2)中，所述调频控制策略为：

①低转速不具备调频能力风机不参与调频,无须匹配调频控制策略；②最大功率跟踪模式运行风机、③限功率运行风机和④高风速恒功率运行风机均采用惯量下垂联合调频控制策略；调频控制检测系统频率偏差作为输入信号，然后经死区限幅环节后分别经比例和微分比例环节后对风电机组的转矩指令进行修正。

本发明的有益效果是：

本发明根据实时风速、转速和机组控制信息进行动态分类，针对不同类别实时匹配相应调频策略和差异化的调频门限参数，从风电场以及系统层面整定不同工况下风机的调频门限，通过多类别调频控制频率整定值的配合，实现不同类别电源调频优先级以及相互间的协调，以较小的控制和经济代价提高系统频率稳定性，解决风电参与电网一次调频以及与传统机组、直流频率调制配合的问题。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1为本发明风机实时调频能力差异化的风电场参与系统调频协调方法工作总体流程图；

图2为本发明风机实时调频能力差异化的风电场参与系统调频协调方法工作具体流程图；

图3为本发明所述联合惯量和下垂控制的风机调频策略；

图4为本发明所述结合风速、运行信息对风机运行工况分类图；

图5为本发明考虑风机实时调频差异化的多电源调频限值配合图；

图6为本发明所述最大功率跟踪模式运行风机调频特性图；

图7为本发明所述限功率运行和高风速恒功率运行风机调频特性图。

具体实施方式

如图1、2所示，一种风机实时调频能力差异化的风电场参与系统协调方法，包括以下内容：

1)风电机组实时检测当前风速和运行控制信息，按风速及运行控制信息进行动态归类：①低转速不具备调频能力风机；②最大功率跟踪模式运行风机；③限功率运行风机；④高风速恒功率运行风机；

2)风机根据当前所属的归类实时匹配对应的调频控制策略和调频参数；

3)系统检测当前频率，按以下步骤进行动作；

步骤一：系统频率低于传统发电机组一次调频门限f_motor时，传统发电机组一次调频控制功能启动，若系统频率恢复至门限f_motor以上，传统发电机组退出一次调频控制，步骤结束；若系统频率下降并低于内容1所述③限功率运行风机调频门限f_{wind_lim}，进入步骤二，否则保持步骤一；

步骤二：系统频率跌落低于内容1所述③限功率运行风机调频门限f_{wind_lim}，③限功率运行风机调频功能启动，若系统频率恢复至门限f_{wind_lim}以上，③限功率运行风机调频功能退出，进入步骤一；若系统频率仍然下降并低于内容1所述④高风速恒功率运行风机调频门限f_{wind_rate}，进入步骤三，否则保持步骤二；

步骤三：系统频率跌落低于内容1所述④高风速恒功率运行风机调频门限f_{wind_rate}，④高风速恒功率运行风机调频功能启动，若系统频率恢复至门限f_{wind_rate}以上，④高风速恒功率运行风机调频功能退出，进入步骤二；若系统频率仍然下降并低于内容1所述②最大功率跟踪模式运行风机调频门限f_{wing_mppt}，进入步骤四，否则保持步骤三；

步骤四：系统频率跌落低于内容1所述②最大功率跟踪模式运行风机调频门限f_{wing_mppt}，②最大功率跟踪模式运行风机调频功能启动，若系统频率恢复至门限f_{wind_rate}以上，②最大功率跟踪模式运行风机调频功能退出，并进入步骤三；若系统频率仍然下降且低于直流频率调制门限f_flc，进入步骤五，否则保持步骤四；

步骤五：系统频率跌落低于直流频率调制门限f_flc，直流频率调制功能启动，若系统频率恢复至门限f_flc以上，直流频率调制功能退出，进入步骤四；否则保持步骤五。

本实施例中，所述内容1)中运行控制信息包含风电场综合控制系统发出的限功率指令、风机转速以及风机自身控制产生的状态信息。

本实施例中，所述内容1)中①低转速不具备调频能力风机可根据风机转速判定，当风机转速低于调频最低转速时可归为①低转速不具备调频能力风机，该类风机不参与系统调频；所述调频最低转速，指风机退出调频时的转速，以风机释放转子动能维持10s转速下降不低于风机启动初始转速求出。

本实施例中，所述内容1)中②最大功率跟踪模式运行风机依据风速、转速以及控制状态信息判断，此类风机转速高于调频最低转速ω_min，运行风速处于切入风速与风机出力达1.0pu时的额定风速之间，控制状态处于最大风功率跟踪，桨距角β＝0；②最大功率跟踪模式运行风机通过释放转子动能参与系统调频，调频容量为：

其中，H为旋转部件转动惯量，T为风机参与调频时间，ω_min表示风机退出调频的最低转速，ω_r表示风机运行在最大功率跟踪MPPT模式的转子转速。

该类风机由于没有持续的源动能输出，只能提供短暂的调频能量，且电机转速恢复时需要从电网吸收一定的功率，因而需要与其他一次调频电源或者二次调频配合使用。

本实施例中，所述内容1)中③限功率运行风机依据风电场综合控制系统限功率指令以及风机当前运行状态判断，此类风机接收上级限功率运行指令，输出功率由最大功率跟踪模式下的功率P_MPPT降低至指令要求的功率P_ORDER(P_ORDER<P_MPPT)；③限功率运行匹配释放转子动能转速控制和桨距角控制调频策略，调频控制时，通过释放转子动能和桨距角控制捕获更多的风能，提升机组输出功率。调频门限为f_{wind_lim}，调频容量：

ΔP＞P_MPPT-P_ORDER

本实施例中，④高风速恒功率运行风机依据风速以及风机当前运行状态判断，此类风机运行风速处于高风速，风速大于风机出力达1.0pu时风速、风机处于额定运行功率，同时桨距角β>0，风机采用变流器短时间过载控制参与系统调频，调频容量为：ΔP＝min{P_β＝0,αP_rate}，P_β＝0表示桨距角为0时风机捕获的气动功率，P_rate表示变流器额定运行功率，α为变流器过载能力系数。

本实施例中，所述传统发电机组一次调频门限f_motor、③限功率运行风机调频门限f_{wind_lim}、④高风速恒功率运行风机调频门限f_{wind_rate}、②最大功率跟踪模式运行风机调频门限f_{wing_mppt}、直流频率调制门限f_flc具有以下关系：f_motor＞f_{wind_lim}＞f_{wind_rate}＞f_{wind_mppt}＞f_flc。

设定依据考虑如下：传统发电机组一次调频容量较大、控制技术成熟，仍然是承担系统调频的主力，系统频率缓慢小幅波动时优先采用传统机组一次调频。③限功率运行风机由于自身具备一定相对持久的调频能力，系统频率波动时若能适当放开部分功率裕量使其参与系统调频，经济代价最小。④高风速恒功率运行风机利用变流器短时过载能力参与系统调频，无需减载且调频能力相对持续，经济代价也较小。②最大功率跟踪模式运行风机利用释放转子旋转动能可提供短暂快速的调频能力，但是由于恢复时需要从电网吸收一定的功率，需要与其他一次调频电源或者二次调频配合使用，同时需开发转速保护和转速恢复优化控制，控制复杂、代价较高。直流频率调制虽然调频容量较大，但是涉及送端和受端电网，对系统稳定运行影响较大，在其他措施能保证系统频率稳定的时候轻易不投入使用。

以下给出一具体实施例说明本发明的原理：

实施例1：

本实施例提出了一种风机实时调频能力差异化的风电场参与系统协调方法。本实施例利用了动态分类技术。所谓计及风机实时调频能力差异化的风电场参与系统调频协调方法是指充分考虑不同工况风机调频能力和特性差异化，通过多类别调频控制频率整定值的配合，实现不同类别电源调频优先级以及相互间的协调，以较小的控制和经济代价提高系统频率稳定性。

本实施例的实施过程如图1、2所示，风电机组实时检测当前风速和运行控制信息，按风速、转速及运行控制信息进行动态归类，并动态调整调频策略和调频门限。

图3为风电机组匹配的调频策略，采用惯量下垂联合调频控制策略。检测系统频率偏差作为输入信号，然后经死区限幅环节后分别经比例和微分比例环节后对风电机组的转矩指令进行修正，实现风电机组跟随系统频率动态调节风机出力的功能。

以图4所示1.5MW额定功率的风机为例，切入风速3m/s，切出风速20m/s，额定风速13m/s，经计算风机退出调频控制的最低转速设置0.8pu时正常运行对应的风速为6.7m/s。因此当风速低于6.7m/s时，归类为①低转速不具备调频能力风机；当风速位于6.7m/s与13m/s之间，且风机处于最大功率跟踪MPPT模式运行时，归类为②最大功率跟踪模式运行风机，匹配调频策略低频时释放转子动能转速控制，调频门限调整为f_{wing_mppt}；当风机处于限功率运行模式时归类为③限功率运行风机，匹配调频策略，低频时释放转子动能，同时桨距角调节增大风能捕获，调频门限调整为f_{wind_lim}；当风机风速大于13m/s时，归类为高风速恒功率运行风机，匹配调频策略，低频时通过桨距角调节增大风能捕获，同时利用变流器短时间过载能力参与调频，调频门限调整为f_{wind_rate}。

若系统发生故障导致频率跌落时，机组检测系统频率，首先频率低于门限f_motor时，传统发电机组一次调频控制功能启动，若系统频率恢复至门限f_motor以上，传统发电机组退出一次调频控制，系统恢复稳定；若系统频率继续下降并低于门限f_{wind_lim}时，③限功率运行风机调频功能启动，若系统频率恢复至门限f_{wind_lim}以上，③限功率运行风机调频功能退出；若系统频率继续下降并低于门限f_{wind_rate}时，④高风速恒功率运行风机调频功能启动，若系统频率恢复至门限f_{wind_rate}以上，④高风速恒功率运行风机调频功能退出；若系统频率持续下降并低于门限f_{wind_mppt}，②最大功率跟踪模式运行风机调频功能启动，若系统频率恢复至门限f_{wind_mppt}以上，②最大功率跟踪模式运行风机调频功能退出；若系统频率仍然下降且低于直流频率调制门限f_flc，直流频率调制功能启动，若系统频率恢复至门限f_flc以上，直流频率调制功能退出，若系统频率依然下降，紧急低频低压减载控制启动。上述不同工况归类下的风机调频门限f_{wind_lim}、f_{wind_rate}、f_{wind_mppt}、与传统发电机组调频门限f_motor、直流频率调制门限f_flc、以及低频低压减载的限值配合关系如图5所示。

图6为最大功率跟踪模式运行风机的调频特性曲线。风机处于风能最大利用状态，调频策略利用转子动能进行调频，但是机组有最低转速要求，转子动能有限，随着风力机转速的持续降低，风能利用系数降低，进而使得机械功率也下降，因此只能提供短时功率支撑。当该速度达到下限值时，附加的调频控制将被终止，此时风机已偏离最优风功率曲线，系统输出功率将低于调频前的出力水平，风力机按照MPPT控制实现转速恢复需要一段过程，系统输出功率将持续下降后缓慢恢复，恶化系统调频特性。

图7为限功率运行和高风速恒功率运行风机调频特性曲线。限功率运行和高风速恒功率运行风机的输出功率小于当前风能，桨距角大于零。系统出现频率偏差时，调频策略首先起作用相应系统频率波动，随后为维持转速恒定桨距角控制调节桨距角增加或减少风能捕获，因此限功率运行和高风速恒功率运行风机能提供比较持续长久的一次调频能力。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种风机实时调频能力差异化的风电场参与系统协调方法，其特征在于，包括以下内容：

1)风电机组实时检测当前风速和运行控制信息，按风速及运行控制信息进行动态归类：①低转速不具备调频能力风机；②最大功率跟踪模式运行风机；③限功率运行风机；④高风速恒功率运行风机；

2)风机根据当前所属的归类实时匹配对应的调频控制策略和调频参数；

3)系统检测当前频率，按以下步骤进行动作；

步骤一：系统频率低于传统发电机组一次调频门限f_motor时，传统发电机组一次调频控制功能启动，若系统频率恢复至门限f_motor以上，传统发电机组退出一次调频控制，步骤结束；若系统频率下降并低于所述③限功率运行风机调频门限f_{wind_lim}，进入步骤二，否则保持步骤一；

步骤二：系统频率跌落低于所述③限功率运行风机调频门限f_{wind_lim}，③限功率运行风机调频功能启动，若系统频率恢复至门限f_{wind_lim}以上，③限功率运行风机调频功能退出，进入步骤一；若系统频率仍然下降并低于所述④高风速恒功率运行风机调频门限f_{wind_rate}，进入步骤三，否则保持步骤二；

步骤三：系统频率跌落低于所述④高风速恒功率运行风机调频门限f_{wind_rate}，④高风速恒功率运行风机调频功能启动，若系统频率恢复至门限f_{wind_rate}以上，④高风速恒功率运行风机调频功能退出，进入步骤二；若系统频率仍然下降并低于所述②最大功率跟踪模式运行风机调频门限f_{wing_mppt}，进入步骤四，否则保持步骤三；

步骤四：系统频率跌落低于所述②最大功率跟踪模式运行风机调频门限f_{wing_mppt}，②最大功率跟踪模式运行风机调频功能启动，若系统频率恢复至门限f_{wind_rate}以上，②最大功率跟踪模式运行风机调频功能退出，并进入步骤三；若系统频率仍然下降且低于直流频率调制门限f_flc，进入步骤五，否则保持步骤四；

步骤五：系统频率跌落低于直流频率调制门限f_flc，直流频率调制功能启动，若系统频率恢复至门限f_flc以上，直流频率调制功能退出，进入步骤四；否则保持步骤五。

2.如权利要求1所述的一种风机实时调频能力差异化的风电场参与系统协调方法，其特征在于：步骤1)中，所述运行控制信息包含风电场综合控制系统发出的限功率指令、风机转速以及风机自身控制产生的状态信息。

3.如权利要求1所述的一种风机实时调频能力差异化的风电场参与系统协调方法，其特征在于：步骤1)中，①低转速不具备调频能力风机根据风机转速判定，当风机转速低于调频最低转速时归为①低转速不具备调频能力风机，该类风机不参与系统调频；所述调频最低转速，指风机退出调频时的转速，以风机释放转子动能维持10s转速下降不低于风机启动初始转速求出。

4.如权利要求1所述的一种风机实时调频能力差异化的风电场参与系统协调方法，其特征在于：步骤1)中，②最大功率跟踪模式运行风机依据风速、转速以及控制状态信息判断，此类风机转速高于调频最低转速ω_min，运行风速处于切入风速与风机出力达1.0pu时的额定风速之间，控制状态处于最大风功率跟踪，桨距角β＝0；②最大功率跟踪模式运行风机通过释放转子动能参与系统调频，调频容量为：

其中，H为旋转部件转动惯量，T为风机参与调频时间，ω_min表示风机退出调频的最低转速，ω_r表示风机运行在最大功率跟踪MPPT模式的转子转速。

5.如权利要求1所述的一种风机实时调频能力差异化的风电场参与系统协调方法，其特征在于：步骤1)中，③限功率运行风机依据风电场综合控制系统限功率指令以及风机当前运行状态判断，此类风机接收上级限功率运行指令，输出功率由最大功率跟踪模式下的功率P_MPPT降低至指令要求的功率P_ORDER，其中，P_ORDER<P_MPPT；③限功率运行风机通过释放转子动能和桨距角控制实现调频功能，本身具备至少P_MPPT-P_ORDER的调频容量。

6.如权利要求1所述的一种风机实时调频能力差异化的风电场参与系统协调方法，其特征在于：步骤1)中，④高风速恒功率运行风机依据风速以及风机当前运行状态判断，此类风机运行风速处于高风速，风速大于风机出力达1.0pu时风速、风机处于额定运行功率，同时桨距角β>0，风机采用变流器短时间过载控制参与系统调频，调频容量为：ΔP＝min{P_β＝0,αP_rate}，P_β＝0表示桨距角为0时风机捕获的气动功率，P_rate表示变流器额定运行功率，α为变流器过载能力系数。

7.如权利要求1所述的一种风机实时调频能力差异化的风电场参与系统协调方法，其特征在于：所述传统发电机组一次调频门限f_motor、③限功率运行风机调频门限f_{wind_lim}、④高风速恒功率运行风机调频门限f_{wind_rate}、②最大功率跟踪模式运行风机调频门限f_{wing_mppt}、直流频率调制门限f_flc具有以下关系：f_motor＞f_{wind_lim}＞f_{wind_rate}＞f_{wind_mppt}＞f_flc。

8.如权利要求1所述的一种风机实时调频能力差异化的风电场参与系统协调方法，其特征在于：步骤2)中，所述调频控制策略为：

①低转速不具备调频能力风机不参与调频,无须匹配调频控制策略；②最大功率跟踪模式运行风机、③限功率运行风机和④高风速恒功率运行风机均采用惯量下垂联合调频控制策略；调频控制检测系统频率偏差作为输入信号，然后经死区限幅环节后分别经比例和微分比例环节后对风电机组的转矩指令进行修正。

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