CN109193698A - 基于超级电容和直流母线电容实现风电场一次调频的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于超级电容和直流母线电容实现风电场一次调频的方法：(1)在风电场的直流母线侧并联超级电容；(2)电力系统正常运行时，接入超级电容，断开传统直流母线电容，用超级电容充当直流母线电容的作用；(3)电力系统发生故障，接入超级电容的同时接入传统直流母线电容，使传统直流母线电容充当直流母线电容的作用，超级电容充当储能环节；(4)电力系统频率还是偏低时，降低风电场中直流母线侧的直流母线电压的设定值。本方法在传统直流母线侧并联超级电容，并控制传统直流母线电容与超级电容的投入与切出，通过两者之间的交互控制来实现风电场的一次调频。

Description

基于超级电容和直流母线电容实现风电场一次调频的方法

技术领域

本发明涉及风电场领域，具体是一种基于超级电容和直流母线电容实现风电场一次调频的方法。

背景技术

当前全球的能源结构正从化石能源为主转向清洁能源为主，风能作为一种具有商业开发潜力的清洁能源，目前正得到广泛的应用。风力发电在电力系统中所占比重近年来呈现逐步增长的趋势。但是，由于风电功率的随机性和波动性，大规模风电机组的接入会影响电力系统运行的安全稳定和电能质量。保证高风电渗透率电力系统的频率稳定性是维护电力系统安全运行的一项重要工作，不仅需要传统的火力发电机组参与一次调频与二次调频，而且也需要风电机组投入调频工作之中。

现在，越来越多的国家对风电场(风电机组)接入电力系统提出了具有一次调频能力的要求。现阶段，对风电机组进行调频的研究，主要集中在三个方面。第一，转子动能控制。主要实现方法有虚拟惯性控制、下垂控制以及综合惯性控制。第二，功率备用控制。通过控制风电机组使其减载运行，从而预留一定的功率备用并以此来支持电力系统调频。此时风电机组工作在次优功率跟踪点上，主要实现方法为桨距角控制和转子转速控制。第三，附加储能系统的频率控制。当电力系统频率降低时，附加储能系统快速释放能量支撑系统频率；在系统频率上升时，吸收能量抑制系统频率的上升。常用的方法有飞轮储能、超级电容器储能和超导储能。

目前超级电容器在风电机组中的应用的研究现状是，文献《王鹏,王晗,张建文,等.超级电容储能系统在风电系统低电压穿越中的设计及应用[J].中国电机工程学报,2014,34(10):1528-1537》中提出一种基于超级电容储能装置的低电压穿越方案，利用超级电容器固有的快速充放电特点，来实现低电压故障过程中风电机组波动功率的控制，此研究是将超级电容当作储能装置来利用，在低电压穿越中能提供一定的功率控制，没有对超级电容进行充分利用，存在成本高问题。申请号为201410064509.2的文献提出一种基于混杂系统的风电直流母线电压稳定控制器及控制方法，在双向DC-DC变换单元加入超级电容器，建立基于Boost电路的混杂系统模型，并引入类滑模控制策略，利用超级电容器的快速充放电特性，提高直流电压的稳定性。该方法也是通过单纯的控制超级电容的充放电来稳定直流母线电压，对风电机组的调频能力没有明显作用。申请号为201610116411.6的文献提出一种采用超级电容提升风电机组频率支撑能力的控制系统，超级电容器通过DC-DC变换器与风机变流器的直流母线相连，超级电容器可根据风电机组的运行专题进行有序充、放电。当系统频率升高时，超级电容分流转子变流器输出功率，减小总输入网功率；当系统频率降低时，超级电容通过网侧变流器注入有功功率，增加总输出功率。但其也只是通过控制超级电容器来向电网提供频率支撑，并没有对超级电容与直流母线电容进行协调配合控制。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种基于超级电容和直流母线电容实现风电场一次调频的方法。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种基于超级电容和直流母线电容实现风电场一次调频的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，在风电场的直流母线侧并联超级电容；

步骤2，当电力系统正常运行时，控制器以电力系统频率、输出功率和电力系统电压作为输入量来控制直流母线开关的通断，接入超级电容，断开传统直流母线电容，用超级电容充当直流母线电容的作用，传统直流母线电容退出电力系统；此时风电场处于减载运行状态，减载运行状态可以为频率支撑提供备用功率；

步骤3，当电力系统发生故障，控制器以电力系统频率、输出功率和电力系统电压作为输入量来控制直流母线开关的通断，频率降低至48～49.5HZ时，电力系统中接入超级电容的同时接入传统直流母线电容，使传统直流母线电容充当直流母线电容的作用，为电力系统提供更多的功率，实现频率支撑；此时，超级电容还在电力系统中充当储能环节，利用超级电容中存储的能量向电力系统提供更多的功率，实现频率支撑；

步骤4，继续对电力系统频率进行监测，当监测到电力系统频率还是偏低时，表明提供的功率不足，此时降低风电场中直流母线侧的直流母线电压的设定值来再次减小直流母线上的功率，将风电场中的转子侧的功率更多的输送给电力系统，实现进一步的频率支撑；

步骤5，继续监测，当监测到电力系统频率处于正常范围时，保持该运行状态；当监测到电力系统频率高于正常范围时，控制器以当时电网频率作为控制量来控制直流母线开关通断，接入超级电容，断开传统直流母线电容，用超级电容充当直流母线电容的作用，传统直流母线电容退出电力系统；此时风电场再次处于减载运行状态。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

(1)本方法在传统直流母线侧并联超级电容，并控制传统直流母线电容与超级电容的投入与切出，通过两者之间的交互控制来实现风电场的一次调频。

(2)在电力系统频率正常时，用超级电容充当直流母线电容的稳压作用并能在超级电容中存储一定的能量，使风电场处于减载运行状态。这样利用超级电容提供了一种新型的功率备用控制模式，避免了桨距角控制与转子控制的复杂控制过程。

(3)当电力系统发生故障，导致频率降低时，接入传统直流母线电容，使传统直流母线电容充当直流母线电容的作用，使风电场处于最佳运行状态，此时，超级电容利用之前所存储的能量，在电力系统中充当储能环节，对电力系统提供一定功率支持，这样相当于对功率有了两次提升。与当前仅仅将超级电容当作储能装置应用于低电压穿越中相比，实现了对超级电容的充分利用，节省了资源。

(4)当频率还是不足时，降低直流母线侧的直流母线电压的设定值来增加转子侧向电网侧输送的功率，通过减小直流母线上的能量来实现对电力系统提供更多的功率支持，更好实现一次调频。

附图说明

图1为现有风电场直流母线侧电容控制图。

图2为本发明基于超级电容和直流母线电容实现风电场一次调频的方法一种实施例的频率正常时直流母线侧电容控制图。

图3为本发明基于超级电容和直流母线电容实现风电场一次调频的方法一种实施例的频率偏低时直流母线侧电容控制图。

图4为本发明基于超级电容和直流母线电容实现风电场一次调频的方法一种实施例的流程图。

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种基于超级电容和直流母线电容实现风电场一次调频的方法(简称方法)，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，在风电场的直流母线侧并联超级电容；

步骤2，当电力系统正常运行时，频率在49.5～50.2HZ，不需要风电场对电力系统进行频率支撑，此时控制器以电力系统频率、输出功率及电力系统电压等作为输入量，来控制直流母线开关的通断，接入超级电容，断开传统直流母线电容，用超级电容充当直流母线电容的稳压作用并能在超级电容中存储一定的能量，直流母线电压的设定值不变，传统直流母线电容退出电力系统；此时风电场处于减载运行状态，减载运行状态可以为频率支撑提供备用功率；频率支撑即为维持电力系统正常运行提供频率。超级电容与传统直流母线电容相比，具有更大的容值，当风电场转子侧功率向电力系统输送时，其输送至电网侧的功率会减小，此时风电场的运行状态不是处于最佳运行状态，而是处于减载运行状态，因为超级电容会收纳更多的能量，同时可以为频率支撑提供备用功率(参见图2)；

步骤3，当电力系统发生故障，频率降低至48～49.5HZ时，需要风电场对电力系统进行频率支撑，此时控制器以电力系统频率、输出功率及电力系统电压等作为输入量，来控制直流母线开关的通断，电力系统中接入超级电容的同时接入传统直流母线电容，使传统直流母线电容充当直流母线电容的作用，传统直流母线电容容值变小，转子侧功率向电力系统输送时，其输送至电网侧的功率会提升，此时风电场处于最佳运行状态，为电力系统提供更多的功率，实现频率支撑；此时，超级电容利用步骤2中存储的能量，在电力系统中充当超级电容储能环节，利用超级电容中存储的能量向电力系统提供更多的功率，实现频率支撑(参见图3)；

步骤4，继续对电力系统频率进行监测，当监测到电力系统频率还是偏低时，表明提供的功率不足，此时降低风电场中直流母线侧的直流母线电压的设定值来再次减小直流母线上的功率，将风电场中的转子侧的功率更多的输送给电力系统，实现进一步的频率支撑；

步骤5，继续监测，当监测到电力系统频率处于正常范围时，保持该运行状态；当监测到电力系统频率高于正常范围时(持续检测10s，均比50HZ高)，控制器以当时电网频率作为主要控制量，来控制直流母线开关通断，接入超级电容，断开传统直流母线电容，用超级电容充当直流母线电容的作用，传统直流母线电容退出电力系统；此时风电场再次处于减载运行状态。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (1)

1.一种基于超级电容和直流母线电容实现风电场一次调频的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，在风电场的直流母线侧并联超级电容；

步骤2，当电力系统正常运行时，控制器以电力系统频率、输出功率和电力系统电压作为输入量来控制直流母线开关的通断，接入超级电容，断开传统直流母线电容，用超级电容充当直流母线电容的作用，传统直流母线电容退出电力系统；此时风电场处于减载运行状态，减载运行状态可以为频率支撑提供备用功率；

步骤3，当电力系统发生故障，控制器以电力系统频率、输出功率和电力系统电压作为输入量来控制直流母线开关的通断，频率降低至48～49.5HZ时，电力系统中接入超级电容的同时接入传统直流母线电容，使传统直流母线电容充当直流母线电容的作用，为电力系统提供更多的功率，实现频率支撑；此时，超级电容还在电力系统中充当储能环节，利用超级电容中存储的能量向电力系统提供更多的功率，实现频率支撑；

步骤4，继续对电力系统频率进行监测，当监测到电力系统频率还是偏低时，表明提供的功率不足，此时降低风电场中直流母线侧的直流母线电压的设定值来再次减小直流母线上的功率，将风电场中的转子侧的功率更多的输送给电力系统，实现进一步的频率支撑；

步骤5，继续监测，当监测到电力系统频率处于正常范围时，保持该运行状态；当监测到电力系统频率高于正常范围时，控制器以当时电网频率作为控制量来控制直流母线开关通断，接入超级电容，断开传统直流母线电容，用超级电容充当直流母线电容的作用，传统直流母线电容退出电力系统；此时风电场再次处于减载运行状态。