CN109494769B - 一种风场参与调频方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种风场参与调频方法及系统，该方法包括：对风电机组转子动能进行控制和功率备用调频控制；建立不同风速工况下每一风电机的综合调频控制策略；基于风速的变参数减载功率协调分配系数，建立风速、风电场减载总功率与每一风电机减载功率的量化计算关系；获取减载分配后每一风电机组的出力。本发明实施例充分考虑了风场内部减载功率分配方式对整个风电场调频能力的影响，协调分配各风机的出力，适应集群化风电场内部风电机组间的风速分布差异，充分发挥风电场的调频能力。

Description

一种风场参与调频方法及系统

技术领域

本发明实施例涉及风力发电控制技术领域，尤其涉及一种风场参与调频方法及系统。

背景技术

2018年1-6月份中国风电新增装机容量约753万千瓦，比去年增加152万千瓦，同比增长25％，风电累计并网容量达到1.9156亿千瓦，风电发展十分迅速。与常规同步发电机不同，风电机组大多数采用电力电子变换器并网，使得风机出力与系统频率解耦，同时风机采用最大功率跟踪运行(maximum power point tracking，简称MPPT)控制方式，不能响应电网的频率变化，缺乏频率调节能力。

因此，大量风机并网将会降低系统频率稳定性。

为提高系统频率稳定性，近年来国内外学者已在单机层面的调频策略上做了大量研究，主要包含转子动能控制、功率备用控制及综合控制策略等，有效提高了风电机组的调频能力。

然而，虽然风机层面的调频控制策略研究已经趋向成熟，但在风电场内机组间功率分配问题上，目前的研究多将风速做简单的统一化处理，未考虑机组间风速差异。

在实际运行中，风电场内部运行工况复杂，由于风电场内风速局部地理分布差异、风机尾流效应、风机所在位置具体地形差异等因素，不同机组间的风速差异较大，甚至可达50％以上，若不考虑风速差异，则难以发挥单个风机的调频能力，影响了风电场调频控制。

发明内容

针对上述问题，本发明实施例提供一种风场参与调频方法及系统。

第一方面，本发明实施例提供一种风场参与调频方法，包括：

S1，对风电机组转子动能进行控制和功率备用调频控制；

S2，建立不同风速工况下每一风电机的综合调频控制策略；

S3，基于风速的变参数减载功率协调分配系数，建立风速、每一风电机组减载功率与风电场减载总功率的量化计算关系式

S4，在单机综合调频控制方法和考虑不同风机运行风况差别的基础上，提出一种风电场内协调分配各机组减载功率的调频控制方法。

第二方面，本发明实施例提供一种风场参与调频系统，包括：

第一模块，用于对风电机组转子动能进行控制和功率备用调频控制；

第二模块，用于建立不同风速工况下每一风电机的综合调频控制策略；

第三模块，用于基于风速的变参数减载功率协调分配系数，建立风速与每一风电机减载功率的量化计算关系、风电场减载总功率与每一风电机减载功率的量化计算关系；

第四模块，用于在单机综合调频控制方法和考虑不同风机运行风况差别的基础上，提出一种风电场内协调分配各机组减载功率的调频控制方法。

第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括：

至少一个处理器、至少一个存储器、通信接口和总线；其中，

所述处理器、存储器、通信接口通过所述总线完成相互间的通信；

所述通信接口用于该测试设备与显示装置的通信设备之间的信息传输；

所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行第一方面提供的一种风场参与调频方法。

第四方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行第一方面提供的一种风场参与调频方法。

本发明实施例提供的一种风场参与调频方法及系统，充分考虑了风场内部减载功率分配方式对整个风电场调频能力的影响，协调分配各风机的出力，适应集群化风电场内部风电机组间的风速分布差异，充分发挥风电场的调频能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一种风场参与调频方法的流程图；

图2为变桨减载控制框图；

图3为转子动能控制和功率备用控制结合的综合控制框图；

图4为风电场内部各风电机组调频减载功率协调分配图；

图5为本发明又一实施例仿真采用的220kV电力系统的结构框；

图6为负荷波动时系统的频率响应曲线示意图；

图7为本发明实施例一种风场参与调频系统的结构示意图；

图8示例了一种电子设备的实体结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例一种风场参与调频方法的流程图，如图1所示，该方法包括：

S1，对风电机组转子动能进行控制和功率备用调频控制；

S2，建立不同风速工况下每一风电机的综合调频控制策略；

S3，基于风速的变参数减载功率协调分配系数，建立风速、每一风电机组减载功率与风电场减载总功率的量化计算关系式；

S4，在单机综合调频控制方法和考虑不同风机运行风况差别的基础上，提出一种风电场内协调分配各机组减载功率的调频控制方法。

由于常规的风电机组是不响应系统的频率变化的，但是大规模风电接入电网后，其不确定性会对系统频率产生很大的影响，为了使风机具有调频性能，通过改进风电机组内的控制模块，实现风电机组转子动能控制和功率备用调频控制，以使风电机组主动相应系统的频率变化，实现调频功能。

步骤S1具体包括：

S11，转子动能控制是将与频率相关的控制环节引入风机的有功控制模块，当频率发生变化时转子中蕴含的旋转动能与电磁功率进行相互转换，参与电网频率调整，维持系统频率稳定。

风机转子总蕴含的动能E_k为：

式中：J为风机的机械转动惯量，ω为风机转速。风机转速变化前后，动能与电磁功率的转换能量为：

上式中，ω₁和ω₂分别为控制前后转子的转速。

将系统频率偏差以及变化率引入风电机组附加的有功功率控制环，使转子动能主动响应系统的频率变化。

该方法的额外有功参考值可表示为：

其中K_df、K_pf分别为惯性控制系数和下垂控制系数，设置合适的K_df和K_pf，能够有效改善风机的动态频率响应能力，为系统提供暂态频率支撑。

转子动能包括虚拟惯性控制和下垂控制：

为了使风机具有和同步发电机相似的惯性效应，在风机有功控制部分引入和频率变化率有关的有功参考信号，建立了风机输出功率和系统频率间的控制关系，使风机出力能够响应系统频率变化，这种控制方式称为虚拟惯性控制、惯量控制或惯性控制。

下垂控制的基本原理为模拟同步发电机一次调频的功-频静态特性曲线，在有功参考值上引入一个正比于频率偏差的有功变化值，根据频率偏差去调节风电机的有功出力，也称比例控制、斜率控制。

虚拟惯性控制和下垂控制可以相结合形成联合控制，在风机有功控制环节中同时引入频率偏差和频率变化率，进一步提高风电机组的频率调整能力。

由空气动力学知识可得，风机的有功出力主要与风速、风机转速和桨距角等因素有关，又由于风电机组正常状态是处于最大功率跟踪模式，以尽可能多的发出有功功率。

减载控制的原理是通过使风机处于减载运行状态，为参与频率调整预留出部分有功功率，来响应因负荷扰动等因素引起系统频率的变化，包括超速减载和变桨减载两部分。

S12，图2为变桨减载控制框图，描述的是风电机组的有功出力在β₁、β₂、β₃和β₄四个桨距角下随转子转速变化情况，如图2所示，横坐标为风电机组的转子转速，纵坐标为风机的有功出力，风电机组的出力主要与外界风速、风机转速和桨距角有关，减载控制是通过超速控制或变桨控制使风电机组减载运行，留出备用支持系统调频。

变桨控制的思想是通过增大桨距角使风机组运行于次优功率点，为系统调频留出有功备用。当系统频率下降时，减小桨距角，增加风机组的出力，支持系统的频率。

步骤S2中，研究转子动能和功率备用调频控制策略的适用范围，建立了不同风速工况下单机的综合调频控制策略。

短时功率超发、虚拟惯性控制、下垂控制和综合惯性控制本质上都是利用风机转子中蕴含的动能去弥补风机的频率响应能力，使风机具有一定的惯性响应能力，但风机转子中的动能有限，当系统扰动较大时，转子动能无法提供足够的有功支撑。

图3为转子动能控制和功率备用控制结合的综合控制框图，如图3所示，转子动能控制直接将信号附加在功率控制环中，而功率备用控制则是将功率控制信号加在转速控制环(超速减载)或桨距角控制环(变桨控制)。下垂控制引入的是频率偏差信号，经低通滤波器，形成有功修正信号ΔP1；虚拟惯性控制引入的是频率变化率信号，经高通滤波器，形成有功修正信号ΔP2；短时功率超发控制是根据扰动时间t直接修正功率参考信号。超速控制依据正常运行时的出力P_MPPT和减载水平d％计算参考转速ω_ref，实现减载运行；变桨控制根据P_MPPT、d％和初始桨距角β₀计算减载后的桨距角，同时引入频率偏差信号来修正桨距角，使风机根据系统频率变化调整出力，维持系统频率稳定。

转子动能控制可以增加系统惯性，功率备用控制能为系统提供备用，联合两种控制方式能进一步改善风机的频率响应特性。

步骤S3中，考虑风机的出力与风速的非线性关系，采用基于风速的变参数减载功率协调分配系数，建立风速、风电场减载总功率与单个风机减载功率的量化计算关系。

具体步骤如下：

在实际风电场中，风场的总功率为每台风电机组出力之和：

其中，m表示该风场内部风电机组的台数，P_i表示第i台风电机组输出的有功功率，P_WF表示风电场的总有功功率。

考虑到风机的最大出力与风速密切相关，其功率的可调节范围受风速影响较大。在风机正常运行的风速范围内，当风速越大时，风机的输出功率变化范围越大，相应的调频能力越大。风场内部由于风速的复杂不确定性等因素使不同的风机运行状态存在一定差异性，导致风机的减载调频能力存在差异。

为充分发挥每台风机的减载调频能力，设计了一种根据风机风速的风场内部减载功率协调分配的控制策略。

该控制策略能够根据风机运行风速，实时调整风机减载水平，合理分配减载功率，优化风场的频率调整能力。

若运行要求风场的减载水平为d％，则减载后风场的出力为：

P_W′_F＝(1-d％)P_WF，(5)

按照常规等减载分配的方法：

其中：P_W′_F表示等减载分配后第i台机组的出力，即每台风电机组的减载水平均为d％。

考虑到风机的最大出力与风速密切相关，其功率的可调节范围受风速影响较大。

在风机正常运行的风速范围内，当风速越大时，风机的输出功率变化范围越大，相应的调频能力越大。

风场内部由于风速的复杂不确定性等因素使不同的风机运行状态存在一定差异性，导致风机的减载调频能力存在差异。

为充分发挥每台风机的减载调频能力，设计了一种根据风机风速的风场内部减载功率协调分配的控制策略。

该控制策略能够根据风机运行风速，实时调整风机减载水平，合理分配减载功率，优化风场的频率调整能力。

由式(5)和(6)得，减载后风电场的有功出力为：

式中：P_i′表示减载后第i台风电机组的有功出力，P_viMPPT表示风速为v_i的风电机组处于最大功率跟踪运行时的有功出力，d_i％为减载后第i台风电机组实际等效的减载水平，m为风场内的风电机组数，P_WFMPPT表示整个风电场所有运行风电机组工作在最大功率跟踪状态下的有功出力。

其中，实际减载水平d_i％的设置可依据风速越高的机组具有更强的调频能力，需要承担更多的调频任务，所分配的减载功率应越大的原则，同时可考虑风电机组的有功出力与风速的三次方近似成正比关系，故第i台风电机组的减载水平可用以下公式表示：

式中：v_n为额定风速，这种减载方式不仅可以有效维持系统频率的稳定，还能考虑到风速对调频能力的影响，充分发挥每种工况下风电机组的调频潜力，对具有复杂工况的风电场来说此种调频策略更具有实际意义。

步骤S4：在单机综合调频控制方法和考虑不同风机运行风况差别的基础上，提出一种风电场内协调分配各机组减载功率的调频控制方法。

图4为风电场内部各风电机组调频减载功率协调分配图，图4主要表示风场在接收到电网调度部门发来的减载水平和风场有功出力的指令后，通过本发明提出的风速、每一风电机组减载功率与风电场减载总功率的量化计算关系式，得出每台风电机组的初始有功出力值，在单机综合调频控制策略的基础上参与系统的调频任务。

本发明提出基于风机组间减载功率协调分配的风电场参与电网调频方法。在单机调频控制方法的基础上，考虑了不同风机运行风况的差别，提出了一种风电场内协调分配各机组减载功率的调频控制方法；采用基于风速的变参数减载功率协调分配系数，建立了风速、风电场减载总功率与单个风机减载功率的量化计算关系式，根据各风电机组运行的风速分配减载功率，以适应集群化风电场内部风电机组间的风速分布差异，充分发挥风电场的调频能力。

为了对上述方法进行验证，图5为本发明又一实施例仿真采用的220kV电力系统的结构框图，如图5所示，该系统中：同步发电机G1、G2、G4的额定容量均为800MW；风场容量大小为440MW，单个风电机组的容量为2MW，该风场内部共有220台DFIG机组；负荷L1、L2分别为1500MW和1000MW，扰动负荷大小为200MW。

DFIG的相关参数：风机的启动转速0.51p.u.，最大转速1.2p.u.。启动区：5.0m/s-6.2m/s；最大功率跟踪区：6.2m/s-10.5m/s；恒转速区：10.5m/s-11m/s；恒功率区：11m/s-21m/s。

风场内部的具体工况如下：风速为7m/s、7.5m/s、8m/s、8.5m/s、9m/s、9.5m/s、10m/s、11m/s、12m/s、13m/s的风电机组均为20台。为了方便后面分析风速为7m/s、7.5m/s、8m/s、8.5m/s、9m/s、9.5m/s、10m/s、11m/s、12m/s、13m/s的机组分别编号为机群1-机群10。

图6为负荷波动时系统的频率响应曲线示意图，如图6所示，与不参与调频相比，风场参与调频后能显著减小由负荷扰动引起的最大频率偏差、最大频率偏差，抑制系统频率变化，改善了系统频率响应特性。其中采用所提出的协调分配减载功率控制策略，能进一步提高系统频率响应能力。

表1给出了负荷上升200MW风场对系统频率贡献的具体数值：平均分配减载功率使最大频率偏差减小了0.08209Hz，稳态频率偏差减小了0.01571Hz，平均频率变化率(最大频率偏差与频率变化时间的比值)减小了0.19905Hz/s；协调分配减载功率进一步使最大频率减小了0.0198Hz，稳态频率偏差减小了0.01692Hz，平均频率变化率减小了0.00909Hz/s。

表1风场对系统频率的贡献

各风电机群的出力响应情况如表3所示：采用平均分配的方式，风场在负荷扰动前后的出力增加了17.795MW，采用协调分配的方式，风场在负荷扰动前后的出力增加27.052MW，提高了9.257MW。协调分配的方式能够适当调整各风机的减载水平，提高风场的频率响应能力。当系统负荷下降200MW，协调控制也能够改善系统的频率响应特性，详见表2。

表2风场对系统频率的贡献

表3负荷上升200MW时各机群的出力变化情况

以上仿真结果显示，当风场中的风机加入调频控制环节后，能使风机响应系统频率变化，调整出力支撑系统频率。其中协调分配减载功率可优化各风机出力，进一步提高风场的一次调频能力。

图7为本发明实施例一种风场参与调频系统的结构示意图，如图7所示，该系统包括：第一模块701、第二模块702、第三模块703和第四模块704，其中：

第一模块701用于对风电机组转子动能进行控制和功率备用调频控制；

第二模块702用于建立不同风速工况下每一风电机的综合调频控制策略；

第三模块703用于基于风速的变参数减载功率协调分配系数，建立风速、每一风电机组减载功率与风电场减载总功率的量化计算关系式；

第四模块704用于在单机综合调频控制方法和考虑不同风机运行风况差别的基础上，提出一种风电场内协调分配各机组减载功率的调频控制方法。

本系统实施例的具体执行过程与上述方法实施例的具体执行过程相同，详情请参考上述方法实施例，本系统实施例在此不再赘述。

图8示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图8所示，该服务器可以包括：处理器(processor)810、通信接口(Communications Interface)820、存储器(memory)830和总线840，其中，处理器810，通信接口820，存储器830通过总线840完成相互间的通信。通信接口840可以用于服务器与智能电视之间的信息传输。处理器810可以调用存储器830中的逻辑指令，以执行如下方法：

S1，对风电机组转子动能进行控制和功率备用调频控制；

S2，建立不同风速工况下每一风电机的综合调频控制策略；

S3，基于风速的变参数减载功率协调分配系数，建立风速、每一风电机组减载功率与风电场减载总功率的量化计算关系式；

S4，在单机综合调频控制方法和考虑不同风机运行风况差别的基础上，提出一种风电场内协调分配各机组减载功率的调频控制方法。

此外，上述的存储器830中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

本实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：

S1，对风电机组转子动能进行控制和功率备用调频控制；

S2，建立不同风速工况下每一风电机的综合调频控制策略；

S3，基于风速的变参数减载功率协调分配系数，建立风速、每一风电机组减载功率与风电场减载总功率的量化计算关系式；

S4，在单机综合调频控制方法和考虑不同风机运行风况差别的基础上，提出一种风电场内协调分配各机组减载功率的调频控制方法。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

Claims (7)

1.一种风场参与调频方法，其特征在于，包括：

S1，对风电机组转子动能进行控制和功率备用调频控制；

S2，建立不同风速工况下每一风电机的综合调频控制策略；

S3，基于风速的变参数减载功率协调分配系数，建立风速、每一风电机组减载功率与风电场减载总功率的量化计算关系式；

S4，在每一风电机组综合调频控制方法和考虑不同风机运行风况差别的基础上，提出一种风电场内协调分配各机组减载功率的调频控制方法；

步骤S2具体包括：

下垂控制将引入的频率偏差信号经低通滤波器，形成有功修正信号ΔP1；

虚拟惯性控制将引入的频率变化率信号经高通滤波器，形成有功修正信号ΔP2；

超速控制依据正常运行时的出力和减载水平计算转速参考值，实现减载运行，变桨控制根据正常运行时的出力、减载水平和初始桨距角计算减载后的桨距角，同时引入频率偏差信号来修正桨距角，使风机根据系统频率变化调整出力，维持系统频率稳定；

所述步骤S4中风电机组的减载水平可用以下公式表示：

其中，d_i表示第i台风电机组的减载水平，v_i表示第i台风电机组的风速，v_n为额定风速，m表示该风场内部风电机组的台数，d表示风场的减载水平。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤S1具体包括：所述转子动能控制包括下垂控制和虚拟惯性控制，其中，风机转速变化前后动能与电磁功率的转换能量为：

其中，ω₁和ω₂分别为控制前后转子的转速。

3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，步骤S1还包括：将系统频率偏差以及变化率引入风电机组附加的有功功率控制环，使转子动能主动响应系统的频率变化，得到有功参考值为：

其中，ΔP为有功参考值，K_df和K_pf分别为惯性控制系数和下垂控制系数。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：风场的总功率为每台风电机组出力之和：

其中，m表示该风场内部风电机组的台数，P_i表示第i台风电机组输出的有功功率，P_WF表示风电场的总有功功率；

若运行要求风场的减载水平为d％，则减载后风场的出力为：

P′_WF＝(1-d％)P_WF，

其中，P′_WF表示满载后风场的出力。

5.一种风场参与调频系统，其特征在于，包括：

第一模块，用于对风电机组转子动能进行控制和功率备用调频控制；

第二模块，用于建立不同风速工况下每一风电机组的综合调频控制策略；

第三模块，用于基于风速的变参数减载功率协调分配系数，建立风速、每一风电机组减载功率与风电场减载总功率的量化计算关系式；

第四模块，在每一风电机组综合调频控制方法和考虑不同风机运行风况差别的基础上，提出一种风电场内协调分配各机组减载功率的调频控制方法；

所述第二模块具体包括：

下垂控制将引入的频率偏差信号经低通滤波器，形成有功修正信号ΔP1；

虚拟惯性控制将引入的频率变化率信号经高通滤波器，形成有功修正信号ΔP2；

超速控制依据正常运行时的出力和减载水平计算转速参考值，实现减载运行，变桨控制根据正常运行时的出力、减载水平和初始桨距角计算减载后的桨距角，同时引入频率偏差信号来修正桨距角，使风机根据系统频率变化调整出力，维持系统频率稳定；

所述第四模块中风电机组的减载水平可用以下公式表示：

其中，d_i表示第i台风电机组的减载水平，v_i表示第i台风电机组的风速，v_n为额定风速，m表示该风场内部风电机组的台数，d表示风场的减载水平。

6.一种电子设备，其特征在于，包括：

至少一个处理器、至少一个存储器、通信接口和总线；其中，

所述处理器、存储器、通信接口通过所述总线完成相互间的通信；

所述通信接口用于该测试设备与显示装置的通信设备之间的信息传输；

所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如权利要求1-4中任一项所述的方法。

7.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如权利要求1至4任一所述的方法。

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