CN108306312B - 一种风电场一次调频控制方法 - Google Patents

Abstract

一种风电场一次调频控制方法，根据风电场控制系统采集的并网点频率f、风电场出口实际有功功率P_act、无功功率和各台机组风速，利用线性插值方法计算当前风速下风电场各台机组的最大可发有功功率P_curve[i]，并计算全风电场最大可发有功功率P_{curve_total}；计算风电场参与一次调频需要预留的有功功率备用容量P_reserve；当监测到电网频率f出现波动时，如果波动超出了预设的频率死区，则使能一次调频功能，通过下垂控制建立频率与有功功率的关系，并计算出风电场有功功率参考值；将风电场有功功率参考值与实际值之间的偏差作为AGC自动发电控制的输入量，通过PI控制器计算出风电场有功功率下发值，下发至风电场内各台可控机组。

Description

一种风电场一次调频控制方法

技术领域

本发明涉及一种风电场调频方法。

背景技术

风力发电作为一种可再生能源技术，驱动着传统电力系统的变革与创新，起到了优化能源结构，实现可持续发展的重大作用。然而风能具有随机性和波动性，随着大规模的风电并网，部分传统电源被替代，使得电力系统的惯性减小，同时降低了电力系统的调频能力。这对电力系统的稳定运行提出了严峻的挑战。因此，风电场参与电力系统一次调频，维护电力系统的安全稳定运行已成为各国风力发电技术领域的研究热点。德国、丹麦、挪威等国家的电网部门都已明确规定风电场需要具备一次调频的能力。

风电场并网点频率主要受其所接入电力系统的有功功率所影响，因此控制风电场并网点有功功率与电力系统有功功率的动态平衡可起到稳定并网点频率的作用。目前大多数风电机组均具备一次调频能力，例如通过桨距角控制、惯性控制、减载控制来实现有功功率的调节，进而响应频率变化带来的扰动。但是针对风电场参与一次调频，涉及到全场各台机组的有功功率、频率以及风电场出口的有功功率及频率的协调控制，仍需要进一步研究。

目前已有一些发明专利提出了风电场参与电力系统一次调频的控制的实现方法。如申请号为201611224829.5的中国发明专利申请“一种风电场参与一次调频的控制系统及实现方法”，公开了一种风电场参与一次调频的实现方案。该方案以并网点频率作为参考，通过下垂控制策略计算并网点有功功率给定，并下发给风电场监控系统，实现对风电机组的一次调频动作。该方案需要依托于风电场监控系统的才能实现，且并未提及并网点有功功率给定如何分配到场内各台机组。申请号为201710301902.2的中国发明专利申请“一种提高风电场接入电网频率稳定性的控制方法”，公开了一种提高风电场接入电网频率稳定性控制的方法。该方法基于双馈风力发电机组在超速法下具有减载运行调节能力基础上，提出了有功功率-频率分层控制，包含了电网调度层、风电场控制层、风电机组控制层。方法的具体实现也是根据风电场下垂控制曲线，在系统频率波动时，提高或减少整个风电场输出有功功率。但该方法具有一定局限性，只适用于双馈机组的风电场，且该方法未提及如何对风电场有功功率输出值进行分配和下发到场内各台机组。

发明内容

为了克服现有技术的缺点，使风电场更高效地参与电力系统一次调频，本发明提出一种风电场一次调频控制方法。

本发明基于风电场控制系统实现。风电场控制系统基于串口或TCP/IP网络通讯，直接与调度主站进行通讯，同时通过以太网方式与场内各台风机基于Modbus协议通讯，采集风机数据以及下发控制指令，此外该系统还配备有电量采集模块，可直接采集风电场并网点电压、频率、有功功率、无功功率等关键参数。当该系统监测到频率波动时，本发明可通过下垂控制得到风电场有功功率参考值，并通过风电场控制系统自身的通讯接口对全场机组进行有功协调控制，充分利用风电机组有功-频率调节能力,更加动态而精准地控制并网点有功功率和频率。

风电场控制系统可以采集诸多数据，如并网点频率、风电场出口实际有功功率、无功功率、各台机组风速等数据。本发明利用这些数据采用线性插值方法计算当前风速下计算出风电场各台机组的最大可发有功功率和全风电场最大可发有功功率；并据此计算风电场参与一次调频需要预留的有功功率备用容量。当监测到电网频率出现波动时，如果波动超出了预设的频率死区，则使能一次调频功能，通过下垂控制建立频率与有功功率的关系，并计算出风电场有功功率参考值。将风电场有功功率参考值与实际值之间的偏差作为AGC自动发电控制的输入量，通过PI控制器计算出风电场有功功率下发值，下发至风电场内各台可控机组。

本发明的目的可通过以下步骤实现：

1、通过风电场控制系统电量采集模块监测风电场并网点的实际频率f及实际有功功率 P_act；

2、采集风电场各台机组的风速数据WndSpd[i]、实际有功功率P_act[i]、运行状态TurSta[i]；

3、获取风电场内各机组的风速-功率曲线点表；

4、利用线性插值方法计算当前风速下风电场各台机组的最大可发有功功率P_curve[i]，并计算全风电场最大可发有功功率P_{curve_total}；

5、计算风电场参与一次调频需要预留的有功功率备用容量P_reserve：

P_reserve＝P_{curve_total}-k4·P_N

其中，P_N为风电场额定容量，k4为有功功率预留系数，k4设置为可调参数。k4的选取与风速有关，风速越小，全风电场通过查表所得最大可发有功功率P_{curve_total}就越小，则k4取值越大，预留出较多的有功功率；相反，风速越大，P_{curve_total}越大，则k4取值越小，预留出较多的有功功率。

6、当风电场实际有功功率满足一定条件时，方可使能一次调频功能。即当风电场实际有功功率P_act大于P_{curve_total}·a％时，使能一次调频控制，其中参数a在0～100范围内可调， P_{curve_total}为全风电场最大可发有功功率。在一次调频控制过程中，定义f_d为频率控制死区。当并网点实测频率f≥50.0-f_d且f≤50.0+f_d时，频率波动处于死区范围内，不进行调节；当f＜50.0-f_d时，进入第一下垂控制区间，并计算得出相应的有功功率调节参考值 P_ref＝P_reserve+(50-f_d-f)·k1·P_N，式中风电场参与一次调频需要预留的有功功率备用容量P_reserve、频率控制死区f_d、第一下垂控制区间下垂系数k1、风电场额定容量P_N均为已知量，从而建立起频率f与风电场有功功率参考值P_ref的关系；当f＞50.0+f_d且 f＜f_limmax时，进入第二下垂控制区间，其中f_limmax为下垂控制最大频率，超出该频率后风电场切出运行。计算第二下垂控制区间的有功功率调节参考值 P_ref＝P_reserve-(f-(50+f_d))·k2·P_N，式中k2为第二下垂控制区间的下垂系数，k1与 k2为两个独立的可调参数。下垂系数的大小决定了当频率发生变化时，风力发电机组能够提供的有功功率支持。下垂系数的选取与风力发电机组的有功功率裕度有关，有功功率裕度越大对应的下垂系数越小，风力发电机组能够提供的频率响应就越大；相反，如果下垂系数越大，则风力发电机组所能提供的有功功率支持就越小。不满足上述条件时，则有功功率调节参考值P_ref＝0；

7、计算风电场并网点有功功率参考值P_ref与实际值P_act之差，即有功功率偏差：ΔP＝P_ref-P_act，如果有功功率偏差在有功功率调节死区外，即：ΔP＞P_{dead_area}或ΔP＜-P_{dead_area}，进入步骤8)，否则返回步骤6)；P_{dead_area}为有功功率控制死区阈值；

8、以风电场并网点有功功率偏差ΔP作为输入，经过有功功率PI闭环控制器以及安全约束后，输出风电场并网点有功功率下发值P_set；

9、以风电场内各台机组运行状态为依据计算风电场内可控机组数量。如果机组处于发电状态，则认为该机组为可控机组，否则为不可控机组。针对全部机组进行判定后得出可控机组数WTCtrl_Num。对可控机组进行下一步的有功功率分配。

10、可选择两种不同模式分配并下发有功功率，分别为各台可控机组的有功备用容量比例分配或最大可发有功功率比例分配。当选择按照各台机组的有功备用容量比例、分配有功功率时，首先计算各台机组的有功功率备用容量P_backup[i]＝P_curve[i]-P_act[i]，其中P_curve[i] 为通过线性插值方法计算的当前风速下风电场各台机组的最大可发有功功率，P_act[i]为各台机组实际有功功率，对上式求和计算出全风电场有功功率备用容量P_{backup_total}。各台机组分配得到的有功功率

当选择按照最大可发有功功率比例进行分配时，

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明设计的风电场一次调频控制系统能够与主调度系统、风电场内各台机组进行实时通讯，通讯周期为20ms，整个风电场一次调频响应时间不超过5s。控制策略采用下垂控制加有功功率PI闭环控制以及可选模式的有功功率分配方式，一次调频误差不超过0.03Hz。因此该系统及方法可使风电场更加快速和精准地参与电力系统的一次调频。

附图说明

图1本发明风电场一次调频控制架构图；

图2下垂控制曲线；

图3一次调频具体实施流程；

图4以频率偏差为输入的一次调频控制框图；

图5风电场有功功率可控机组数计算流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一次调频控制方法主要包含三部分，分别为：数据采集、一次调频下垂控制、AGC有功功率控制及分配。本发明利用风电场控制系统采集的并网点频率、风电场出口实际有功功率、无功功率、各台机组风速等数据，采用线性插值方法计算当前风速下计算出风电场各台机组的最大可发有功功率和全风电场最大可发有功功率；并据此计算参与一次调频需要预留的有功功率备用容量。当监测到电网频率出现波动时，如果波动超出了预设的频率死区，则使能一次调频功能，通过下垂控制建立频率与有功功率的关系，并计算出风电场有功功率参考值。将风电场有功功率参考值与实际值之间的偏差作为AGC有功功率控制的输入量，通过PI控制器计算出风电场有功功率下发值，下发至风电场内各台可控机组。

本发明实施例的调频控制方法的步骤如下：

1、通过风电场控制系统配备的电量采集模块监测风电场并网点的实际频率f及实际有功功率等参数；

2、通过Modbus通讯获取风电场内各台机组风速、有功功率、机组运行状态等数据；

3、获取风电场内各机组的风速-功率曲线点表；

4、利用线性插值法计算当前风速下，各台机组的最大可发有功功率P_curve[i]；并计算全场机组的最大有功功率

n为可控机组总台数；

5、计算风电场参与一次调频需要预留的有功功率P_reserve:

P_reserve＝P_{curve_total}-k4·P_N

其中，P_N为风电场额定有功功率，k4为有功功率预留系数，设置为可调参数；

6、对比风电场实际有功功率P_act与全场额定有功功率P_N，决定风电场是否使能一次调频：

其中，a为可调参数。

如图2所示，定义风电场一次调频控制死区f_d，若并网点实际频率f＜50.0-f_d,则进入第一下垂控制区，此时风电场一次调频的有功功率参考值为：

P_ref＝P_reserve+(50-f_d-f)·k1·P_N

若并网点实际频率50.0+f_d＜f＜f_limmax,则进入第二下垂控制区，此时风电场一次调频的有功功率参考值为：

P_ref＝P_reserve-(f-(50+f_d))·k2·P_N

其中，k1、k2分别为第一下垂控制区与第二下垂控制区的下垂系数。

7、计算调频有功功率参考值P_ref与实际有功功率P_act的差值，即有功功率偏差：

ΔP＝P_ref-P_act

设置有功功率控制死区阈值P_{dead_area}，若有功功率偏差ΔP＞P_{dead_area}或ΔP＜-P_{dead_area}，则进入步骤8，否则返回步骤6；

8、以步骤7计算所得有功功率偏差ΔP为输入，进入PI控制器，经过安全约束后最终输出风电场有功功率下发值P_set，如图4所示。其中PI控制器数学表达如下：

P_set＝P_{set_last}+dy·PI_cyc

P_{set_min}≤P_set≤P_{set_max}

dy＝K_p·e+K_i·ΔP

e＝ΔP-ΔP_last

其中，P_{set_last}为上一拍输出的有功功率下发值，PI_cyc为PI控制周期，K_p、K_i分别为比例系数和积分系数，ΔP_last为上一拍有功功率偏差值。P_{set_max}、P_{set_min}分别为安全约束上、下限；

9、计算场内可控机组数量；

如图5所示，首先初始化可控机组台数：WTCtrl_Num＝0，并实时读取风电场内各台机组运行状态，假设机组仅在发电模式下能够进行有功功率控制，依次判断每台机组运行状态是否处于发电模式。如果某台机组处于上述运行模式，则更新可控机组台数： WTCtrl_Num＝WTCtrl_Num+1，并标记该机组为可分配机组。当机组状态为非发电模式，保持可控机组台数不变：WTCtrl_Num＝WTCtrl_Num。当监测到风电场一次调频控制系统与场内某台机组通讯中断时，闭锁该机组，即该机组不参与风电场一次调频控制；

10、按照各台可控机组备用容量比例或最大可发有功功率比例分配有功功率，当选择按照各台机组备用容量比例分配时，首先计算场内各台机组的有功功率备用容量P_backup[i]，与全场有功功率备用容量之和P_{backup_total}：

P_backup[i]＝P_curve[i]-P_act[i]

其中，P_curve[i]为查表所得各台机组最大可发有功功率，P_act[i]为各台机组实际反馈有功功率，n为可控机组总台数。

随后按照有功功率备用容量的比例进行分配：

若选择按照最大可发有功比例进行分配：

基于上述步骤，本发明以风电场并网点实际频率为参考，进行下垂调频结合有功功率PI 闭环控制，并确定风电场内可控机组数量，达到精确调节风电场并网点频率的目的。

可选择按照各台机组的有功备用容量比例或按照最大可发有功功率比例分配并下发有功功率。当选择按照各台机组的有功备用容量比例进行分配时，首先计算各台机组的有功功率备用容量P_backup[i]，与全风电场有功功率备用容量之和P_{backup_total}：

P_backup[i]＝P_curve[i]-P_act[i]

其中，P_curve[i]为查表所得各台机组最大可发有功功率，P_act[i]为各台机组实际有功功率，n为可控机组总台数。按照有功备用容量的比例进行分配：

当选择按照最大可发有功功率比例进行分配时：

Claims (3)

1.一种风电场一次调频控制方法，其特征在于，所述的调频控制方法根据风电场控制系统采集的并网点频率f、风电场出口实际有功功率P_act、无功功率和各台机组风速，利用线性插值方法计算当前风速下风电场各台机组的最大可发有功功率P_curve[i]，并计算全风电场最大可发有功功率P_{curve_total}；计算风电场参与一次调频需要预留的有功功率备用容量P_reserve；当监测到电网频率f出现波动时，如果波动超出了预设的频率死区，则使能一次调频功能，通过下垂控制建立频率与有功功率的关系，并计算出风电场有功功率参考值；将风电场有功功率参考值与实际值之间的偏差作为AGC自动发电控制的输入量，通过PI控制器计算出风电场有功功率下发值，下发至风电场内各台可控机组；

所述风电场参与一次调频需要预留的有功功率备用容量P_reserve的计算式如下：

P_reserve＝P_{curve_total}-k4·P_N

其中，P_N为风电场额定有功功率，k4为有功功率预留系数，k4设置为可调参数；

当风电场实际有功功率P_act大于P_{curve_total}·a％时，使能一次调频控制；

上式中，参数a在0～100范围内可调，P_{curve_total}为根据风电场内各台机组当前风速通过查表所得全风电场理论可发有功功率；

在一次调频控制过程中，定义f_d为频率控制死区；当并网点频率f≥50.0-f_d且f≤50.0+f_d时，频率波动处于死区范围内，不进行调节；

当f＜50.0-f_d时，进入第一下垂控制区间(1)，并计算得出相应的有功功率参考值P_ref＝P_reserve+(50-f_d-f)·k1·P_N；

当f＞50.0+f_d且f＜f_limmax时，进入第二下垂控制区间(2)，

其中f_limmax为下垂控制最大频率，超出该频率后风电场切出运行；

计算第二下垂控制区间(2)的有功功率参考值：P_ref＝P_reserve-(f-(50+f_d))·k2·P_N

不满足上述条件时，则有功功率参考值P_ref＝0；k1为第一下垂控制区间下垂系数，k2为第二下垂控制区间的下垂系数，P_N为风电场额定有功功率；

计算风电场并网点有功功率参考值P_ref与实际值P_act之差，即有功功率偏差：ΔP＝P_ref-P_act，如果有功功率偏差在有功功率调节死区外，即：ΔP＞P_{dead_area}或ΔP＜-P_{dead_area}，以风电场并网点有功功率偏差ΔP作为输入，经过有功功率PI闭环控制器以及安全约束后，输出风电场并网点有功功率下发值P_set；P_{dead_area}为有功功率控制死区阈值。

2.根据权利要求1所述的风电场一次调频控制方法，其特征在于,计算场内可控机组数量的方法如下：

首先初始化可控机组台数：WTCtrl_Num＝0，并实时读取风电场内各台机组运行状态，假设机组仅在发电模式下能够进行有功功率控制，依次判断每台机组运行状态是否处于发电模式；如果某台机组处于上述运行模式，则更新可控机组台数：WTCtrl_Num＝WTCtrl_Num+1，并标记该机组为可分配机组；当机组状态为非发电模式，保持可控机组台数不变：WTCtrl_Num＝WTCtrl_Num；当监测到风电场一次调频控制系统与场内某台机组通讯中断时，闭锁该机组，即该机组不参与风电场一次调频控制，只针对可控机组进行下一步的有功功率分配。

3.根据权利要求1所述的风电场一次调频控制方法，其特征在于,按照各台可控机组的有功备用容量比例或最大可发有功功率比例分配有功功率；

按照各台可控机组备用容量比例分配有功功率的方法如下：

首先计算场内各台可控机组的有功功率备用容量P_backup[i]，以及全场有功功率备用容量之和P_{backup_total}：

P_backup[i]＝P_curve[i]-P_act[i]

其中，P_curve[i]为查表所得各台可控机组最大可发有功功率，P_act[i]为各台机组实际反馈有功功率，n为可控机组总台数；

随后按照有功功率备用容量比例分配有功功率：

按照最大可发有功比例分配有功功率的方法如下：

其中，P_set为风电场有功功率下发值；

基于上述步骤，以风电场并网点实际频率为参考，进行下垂调频结合有功功率PI闭环控制，并确定风电场内可控机组数量，达到精确调节风电场并网点频率的目的。

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