CN108199421A - 基于分段控制的风电机组一次调频方法 - Google Patents

基于分段控制的风电机组一次调频方法 Download PDF

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Abstract

一种基于分段控制的风电机组一次调频方法，在采用最大风能捕获方法控制风电机组有功功率调节的基础上，采用一次调频使能环节控制和分段控制环节控制，将调频过程划分为启动时段、调频动作时段、过渡时段、有功恢复时段和调频结束时段，动态调整调频动作时段和有功恢复时段的持续时间，避免机组转速越限和功率波动。本发明利用转子动能释放进行调频控制，无需预留功率备用；可最大限度发挥风电机组的一次调频能力，加快电网频率恢复速度。

Description

基于分段控制的风电机组一次调频方法
技术领域
本发明涉及一种风电机组并网频率控制方法，特别涉及一种风电机组一次调频方法。
背景技术
风能作为一种可持续发展的新能源，以其无污染性和可再生性，越来越受到世界各国的广泛重视。近年来，我国的风力发电产业得到了迅速的发展，风电装机容量不断提高，随着越来越多的大容量风电场直接并入电网，使得风电与电网的相互影响越来越复杂。
在风力发电技术中，变速恒频风力发电机组作为现如今商业化运行的主力机型，变速恒频风电机组通过变流器与电网连接，使得风轮转子与系统频率解耦，无法在系统频率变化时自动提供惯量支撑。此外，目前风电机组普遍采用最大风能捕获控制运行于最大功率点附近，在有功向上调节时无法提供调频备用容量，更增加了系统的调频压力。
如今，风电场的频率控制已被越来越多的电力公司关注并提出了相关的技术要求，风电场自身具备调频能力，参与电网的频率调整，是电网友好型风电场的重要特征之一。
根据调频能量来源不同，变速恒频风电机组参与一次调频的方法可以分为功率备用控制和转子动能控制两种。功率备用控制是通过控制桨距角或调整转速-功率最优曲线来减少一部分有功输出，留作备用功率。当系统频率降低时，通过调节桨距角或机组有功功率参考值，增加有功输出参与频率调整。但是长时间的功率备用降低了风电场的收益，不具备经济性和实用性。转子动能控制通过附加一定的频率控制环节将转子部分动能转化为电磁功率参与系统频率控制，目前研究主要集中在模拟同步发电机的惯量响应和一次调频特性，将系统频率的变化率或/和频率偏差作为输入信号，通过适当比例增益放大获得额外的有功参考信号。该方案在实际应用过程中，存在以下弊端：1)该方法依赖于电网频率的测量精度和采样速度，在现有风电机组上加装高精度的测频模块需要增加额外成本；2)受到转速变化的影响，实际有功支撑能力逐渐减弱；3)调频过程结束后，转子的自然恢复需要很长的一段过程，不利于电网频率的恢复。
Nayeem Rahmat Ullah等提出了一种利用转子动能快速备用的方法(TemporaryPrimary Frequency Control Support by Variable Speed Wind Turbines—Potentialand Applications)，即当频率变化时使风电机组的有功功率瞬间输出一个短期的方波信号，持续一定时间后再切换为正常控制，但是没有给出具体的切换条件和控制参数，如果一次调频释放的能量过大，在有功恢复期间，容易造成转速越限和功率的二次跌落。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的缺点，提出一种改进的基于分段控制的风电机组一次调频控制方法。本发明在现有风电机组有功调节方法基础上增加了一次调频使能环节和分段控制环节两个控制环节。
一次调频使能环节根据电网和风电机组实际运行状态，输出启动标志Fstart和结束标志Fstop，分段控制环节根据两个控制标志的状态选择不同的控制方式。
本发明利用转子动能释放进行调频控制，无需预留功率备用。本发明在采用最大风能捕获方法控制风电机组有功功率调节的基础上，采用一次调频使能控制和分段控制，按照调频过程划分为启动时段、调频动作时段、过渡时段、有功恢复时段和调频结束时段，动态调整调频动作时段和有功恢复时段的持续时间，避免机组转速越限和功率波动。本发明可以最大限度发挥风电机组的一次调频能力，加快电网频率恢复速度。
风电机组一次调频过程包括启动、调频动作、过渡、有功恢复和调频结束等时段。本发明基于分段控制的风电机组一次调频控制方法包括以下步骤：
(1)启动时段，如果一次调频使能环节启动标志Fstart为true，即风电机组满足调频启动条件，记录当前有功功率值P0，以0.1PN/500ms的速率增加/减少有功功率参考值，有功功率变化量记为△P1；
(2)调频动作时段，保持风电机组有功功率参考值为P0+△P1，调频动作持续时间为△t1；
(3)过渡时段，如果一次调频使能环节结束标志Fstop为true，即风电机组满足调频结束条件，风电机组有功功率参考值从当前值P0+△P1以0.1PN/500ms的速率变化到P0-△P2，△P2为有功恢复变化量；
(4)有功恢复时段，保持风电机组有功功率参考值为P0-△P2，持续时间为△t2；
(5)调频结束时段，风电机组有功功率参考值恢复为转速-功率最优曲线对应的功率值P′，完成风电机组一次调频。
进一步的，所述步骤(1)中：
所述的一次调频使能环节启动标志Fstart为true的条件为风电机组当前有功功率P0大于20％PN，其中PN为风电机组的额定功率，并满足以下任一触发条件：
触发条件1为频率偏差绝对值|△f|大于频率偏差死区值△fdead；
触发条件2为频率变化率绝对值大于频率变化率死区值
根据电网实际需要，频率偏差死区值△fdead可设置为0.2Hz，频率变化率绝对值可设置为0.5Hz/s。
进一步的，所述步骤(2)中：
在调频动作时段，保持风电机组有功功率参考值为P0+△P1，调频动作持续时间为△t1；
上式中，△P1为有功功率变化量，频率偏差△f是频率测量值fmea与参考值fref之差，即：
△f＝fmea-fref
如果在此过程中风电机组转速没有超过正常运行转速范围，则：
调频动作持续时间△t1等于最长持续时间t1max，考虑到风电机组安全运行需要，调频动作最长持续时间t1max一般取10～15s。
如果出现风电机组转速ω低于最小运行转速ωmin，或超过最大运行转速ωmax，则应提前进入过渡阶段；
进一步的，所述步骤(3)中，
所述的一次调频使能环节结束标志Fstop置true的条件为：
调频动作持续时间△t1大于最长持续时间t1max，或风电机组转速ω低于最小运行转速ωmin，或ω超过最大运行转速ωmax。
在过渡时段，风电机组有功功率参考值从当前值P0+△P1以0.1pu/500ms的速率变化到P0-△P2，△P2为有功恢复变化量。
进一步的，所述步骤(4)中：
有功恢复时段保持风电机组有功功率参考值为P0-△P2，持续时间为△t2；
△P2＝0.5△P1，
△t2＝2△t1
进一步的，所述步骤(5)中：
在调频结束时段，风电机组有功功率恢复为转速-功率最优曲线对应的功率值P′。至此，风电机组一次调频完成。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)本发明利用风电机组现有的电量采集模块获得频率测量信号，并进行软件升级改造，无需增加硬件成本；
2)一次调频动作期间，风电机组可以提供持续稳定的有功支撑(0.1PN)，不受到转速变化的影响；
3)增加了有功恢复时段，避免调频动作结束后出现功率波动，帮助电网频率恢复。
附图说明
图1基于分段控制风电机组一次调频控制框图；
图2电网频率下降情况风电机组有功参考值示意图；
图3电网频率上升情况风电机组有功参考值示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图1所示，正常情况下，风电机组有功调节采用最大风能捕获控制，输入为发电机转速ω，输出有功参考值为P0。本发明在现有风电机组有功调节方法基础上增加一次调频使能环节和分段控制环节两部分。经过一次调频控制后，得到新的有功参考值Pref，发送到变流器进行闭环调节，变流器可以等效为一阶惯性环节，等效时间常数为τ，风电机组并网点的实际有功功率为Pact。
一次调频使能环节根据电网和风电机组实际运行状态输出启动标志Fstart和结束标志Fstop，分段控制环节根据两个控制标志的状态选择不同的控制方式。
一次调频使能环节输出启动标志Fstart置True的条件为：
风电机组当前有功P0大于20％Pn，并满足以下一种触发条件。
触发条件1为频率偏差绝对值|△f|大于频率偏差死区值△fdead；
触发条件2为频率变化率绝对值大于频率变化率死区值
根据电网实际需要，频率偏差死区值△fdead和频率变化率死区值可分别设置为0.2Hz和0.5Hz/s。
结束标志Fstop置true的条件为：
调频动作持续时间△t1大于最长持续时间t1max，或风电机组转速ω低于最小运行转速ωmin，或风电机组转速ω超过最大运行转速ωmax。
考虑到风电机组安全运行需要，最长持续时间t1max一般取10～15s。需要注意的是，如果最长持续时间t1max为固定值，风电场内出现多台机组同时结束调频动作，会引起有功波动。因此将各风电机组的最长持续时间t1max设置为不同值，保证风电场有功有序恢复。
如图2所示，针对电网频率下降：频率偏差△f<-△fdead情况，一次调频控制过程如下：
1)如果启动标志Fstart为true，进入启动时段，记录风电机组当前有功功率值P0，以固定的斜率线性增加有功功率，有功功率变化量△P1最大值为0.1PN。
变化斜率越大代表一次调频动态响应速度越快，但是有功功率变化过快会引起转速波动，并导致风电机组机械载荷增大，因此变化斜率不宜过大，一般取为0.1PN/500ms。
2)在调频动作时段按照最大调频功率输出，保持风电机组有功功率输出为P0+△P1，调频动作持续时间为△t1，直至结束标志Fstop置为true。
3)如果结束标志Fstop为true，进入过渡时段，从当前有功功率参考值P0+△P1以固定的斜率线性减少到P0-△P2，△P2最大值为0.05PN，变化斜率为-0.1PN/500ms
4)在有功功率恢复时段按照最小恢复功率输出，保持风电机组有功功率输出为P0-△P2，持续时间为△t2，且△t2＝2△t1。
5)步骤4结束后，风电机组有功功率参考值从P0-△P2恢复为转速-功率最优曲线对应的功率值P′，变化斜率为0.1PN/500ms，同时将启动标志Fstart和结束标志Fstop置false，至此风电机组一次调频完成，
如图3所示，针对电网频率上升：△f>△fdead情况，一次调频控制过程如下：
1)如果Fstart为true，进入启动时段，记录当前有功功率值P0，以-0.1PN/500ms的斜率线性减少有功，有功功率变化量△P1最大值为-0.1PN；
2)在调频动作时段按照最小调频功率输出，保持风电机组有功功率输出为P0+△P1，持续时间为△t1，直至Fstop置为true；
3)如果Fstop为true，进入过渡时段，从当前有功功率值参考值P0+△P1以固定的斜率线性增加有功到P0-△P2，△P2最小值为-0.05PN，变化斜率为0.1PN/500ms；
4)在有功功率恢复时段按照最大恢复功率输出，保持风电机组有功功率输出为P0-△P2，持续时间为△t2，且△t2＝2△t1；
5)步骤4结束后，有功功率从P0-△P2恢复为转速-功率最优曲线对应的功率值P′，变化斜率为-0.1PN/500ms，同时将启动标志Fstart和结束标志Fstop置false，至此风电机组一次调频完成。

Claims (7)

1.一种基于分段控制的风电机组一次调频方法，其特征在于，所述的风电机组一次调频方法在采用最大风能捕获方法控制风电机组有功功率调节的基础上，采用一次调频使能环节控制和分段控制环节控制，将调频过程划分为启动时段、调频动作时段、过渡时段、有功恢复时段和调频结束时段，动态调整调频动作时段和有功恢复时段的持续时间，避免机组转速越限和功率波动。
2.如权利要求1所述的基于分段控制的风电机组一次调频方法，其特征在于，所述的风电机组一次调频方法包括以下步骤：
(1)启动时段，如果一次调频使能环节启动标志Fstart为true，即风电机组满足调频启动条件，记录当前有功功率值P0，以0.1PN/500ms的速率增加/减少有功功率参考值，有功功率变化量记为ΔP1；
(2)调频动作时段，保持风电机组有功功率参考值为P0+ΔP1，调频动作持续时间为Δt1；
(3)过渡时段，如果一次调频使能环节结束标志Fstop为true，即风电机组满足调频结束条件，风电机组有功功率参考值从当前值P0+ΔP1以0.1PN/500ms的速率变化到P0-ΔP2，ΔP2为有功恢复变化量；
(4)有功恢复时段，保持风电机组有功功率参考值为P0-ΔP2，持续时间为Δt2；
(5)调频结束时段，风电机组有功功率参考值恢复为转速-功率最优曲线对应的功率值P′，完成风电机组一次调频。
3.如权利要求1所述的基于分段控制的风电机组一次调频方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，一次调频使能环节启动标志Fstart为true的条件为风电机组当前有功功率P0大于20％PN，其中PN为风电机组的额定功率，并满足以下任一触发条件：
触发条件1为频率偏差绝对值|Δf|大于频率偏差死区值Δfdead；
触发条件2为频率变化率绝对值大于频率变化率死区值
根据电网实际需要，频率偏差死区值Δfdead可设置为0.2Hz，频率变化率绝对值可设置为0.5Hz/s。
4.如权利要求1所述的基于分段控制的风电机组一次调频方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，在调频动作时段，保持风电机组有功功率参考值为P0+ΔP1，调频动作持续时间为Δt1；
上式中，ΔP1为有功功率变化量，频率偏差Δf是频率测量值fmea与参考值fref之差，即：
Δf＝fmea-fref
如果在此过程中风电机组转速没有超过正常运行转速范围，则：
调频动作持续时间Δt1等于最长持续时间t1max，考虑到风电机组安全运行需要，最长持续时间t1max一般取10～15s；
如果出现风电机组转速ω低于最小运行转速ωmin，或超过最大运行转速ωmax，则应提前进入过渡阶段。
5.如权利要求1所述的基于分段控制的风电机组一次调频方法，其特征在于，所述的步骤(3)中，所述的一次调频使能环节结束标志Fstop置true的条件为：
调频动作持续时间Δt1大于最长持续时间t1max，或风电机组转速ω低于最小运行转速ωmin，或ω超过最大运行转速ωmax。
在过渡时段，风电机组有功功率参考值从当前值P0+ΔP1以0.1pu/500ms的速率变化到P0-ΔP2，ΔP2为有功恢复变化量。
6.如权利要求1所述的基于分段控制的风电机组一次调频方法，其特征在于，所述的步骤(4)中，在有功恢复时段保持风电机组有功功率参考值为P0-ΔP2，持续时间为Δt2；
ΔP2＝0.5ΔP1，
Δt2＝2Δt1。
7.如权利要求1所述的基于分段控制的风电机组一次调频方法，其特征在于，所述的所述步骤(5)中，在调频结束时段，风电机组有功功率参考值恢复为转速-功率最优曲线对应的功率值P′；至此，风电机组一次调频完成。
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