CN110212554B - 一种改善电网调峰特性的风电调频控制方法 - Google Patents

Abstract

一种改善电网调峰特性的风电调频控制方法，包括：基于次日负荷功率曲线和风功率输出曲线，根据负荷水平，选择风机留有备用容量的程度，以波峰时刻风机最优功率输出为基准，计算不同时间的需要预备的备用容量。根据计算的需要预备的备用容量，根据不同时段风速大小，是否大于额定风速，决定采取转速一次调频或桨距一次调频控制策略，并利用风机输出功率与风能利用系数的对应关系，求解出对应备用容量下的风机的参考转速或参考桨距角。根据风机备用容量预留计算值，设定风机的参考转速和参考桨距角，当出现负荷需求波动时，释放备用容量实现调频。本发明方法应用于大规模风电调频控制中，能有效改善电网调峰特性、缓解机组有功调度压力，并有助于提高风电调频备用的经济性。

Description

一种改善电网调峰特性的风电调频控制方法

技术领域

本发明属于电力系统稳定控制领域，尤其涉及一种改善电网调峰特性的风电调频控制方法。

背景技术

随着用电需求越来越大，对电力的需求和依赖日益增强，而风电装机容量持续增长，风电渗透率的不断增加，使得负荷波动和风功率波动引起的电网频率安全问题不容忽视。可再生能源具有不确定性和输出功率的大范围波动性，当其加入时使调峰更加困难。当系统机组故障或者负荷突然增大时，产生功率缺额，导致系统频率降低。因此，以自备电厂的方式实现调频从而降低弃风率的方法将难以适用，为了保证风机和电网的安全，有必要使风电机组储备有功备用容量，协助电网频率调整。

在电网中，通常同步发电机组需要预留一定的旋转备用容量来平滑电力负荷的波动和承担风功率的波动，来稳定电网频率。当风电机组储备有功备用容量时，能缓解同步发电机组调频的压力，并减少其备用的投入。因此，风电机组参与调频的潜力已越发受学者们的关注。此外，风电运行对电网频率稳定性的研究存在一定的局限性，如对风机的研究大多数是最大功率输出模式下进行，以留有备用容量输出模式下研究的较少。在风机预留备用容量方面也是一个困难，通常都是以固定的占比来预留备用容量，然而固定占比来预留备用容量缺少灵活性。当负荷水平高的时候，备用容量的占比留有较大情况时会影响风电的消纳；备用容量的占比预留少的时候，则会影响风电机组的稳定调频。

发明内容

本发明以风电场为对象，在对电网调频方式上灵活处理，而提出一种改善电网调峰特性的风电调频控制方法，首先，各个时刻根据负荷水平来预留备用容量达到了调峰的效果，对不同时刻备用容量的占比预留更加合理；其次，在发生负荷扰动的时候，能够根据负荷水平释放预留的备用容量，实现调频，维持系统的稳定。该方法在计算和分配备用容量的方法上有了较大的创新，使得调频和调峰方面都得到兼顾。

本发明采取的技术方案为：

一种改善电网调峰特性的风电调频控制方法，包括以下步骤：

步骤1：基于次日负荷功率曲线和风功率输出曲线，根据负荷水平，选择风机留有备用容量的程度，以波峰时刻风机最优功率输出为基准，计算不同时间的需要预备的备用容量。

步骤2：根据步骤1中需要预备的备用容量，根据不同时段风速大小，是否大于额定风速，决定采取转速一次调频或桨距一次调频控制策略，并利用风机输出功率与风能利用系数的对应关系，求解出对应备用容量下的风机的参考转速或参考桨距角。

步骤3：根据风机备用容量预留计算值，设定风机的参考转速和参考桨距角，当出现负荷需求波动时，释放备用容量实现调频。

本发明提供了一种改善电网调峰特性的风电调频控制方法。有功日负荷曲线具有负荷水平持续波动特征，从电网功率平衡角度来看，高负荷水平时应提供较大发电功率、低负荷水平时则提供较小发电功率。鉴于此，大规模风电参与调频时，可通过动态调节调频备用容量(或基点功率)来适应上述负荷波动特性。

本发明依据日前负荷预测结果，1天24小时各时段按负荷水平与波峰负荷比值等于风电机组调频基点功率与最优功率比值的原则求解动态风电调频备用容量；根据确定的调频备用容量与风电机组实时风速状态，决策基于转速控制调频的参考转速或基于桨距控制调频的参考桨距角，使风机在任意状态下均能动态改变调频备用容量。

将本发明技术应用与大规模风电调频控制中，能有效改善电网调峰特性、缓解机组有功调度压力，并有助于提高风电调频备用的经济性。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明负荷功率曲线图。

图3为风功率输出曲线图。

图4为本发明实施例的仿真系统图。

图5为不同方案下频率变化曲线图。

具体实施方式

一种改善电网调峰特性的风电调频控制方法，包括以下步骤：

步骤1：根据次日负荷功率曲线和风功率输出曲线，计算风机以调频基点功率输出时不同时刻需要留有的备用容量，具体结合说明书附图2、图3，具体如下：

设次日负荷曲线在波峰时刻负荷功率为P_mf，其他时刻的负荷功率为P_(t)，风机最优功率输出为调频基点功率输出为/>预留的备用容量为/>

从电网功率平衡角度来看，高负荷水平时应提供较大发电功率、低负荷水平时则提供较小发电功率。鉴于此，大规模风电参与调频时，可通过动态调节调频备用容量(或基点功率)来适应上述负荷波动特性。依据负荷功率曲线，1天24小时各时段按负荷水平与波峰负荷比值，等于风电机组调频基点功率与最优功率比值的原则求解动态风电调频备用容量。

不同时刻负荷水平与峰时刻比值为：

风机调频基点功率输出表达式为：

预留的备用容量表达式为：

减载比表达式为

风力发电机组的气动功率表达式如下：

其中，ρ为空气密度；

V为风轮迎面风速；

S为叶轮旋转平面面积；

R为涡轮半径；

λ为叶尖转速比。

C_p(λ,β)为风能利用系数；后续简称C_p，C_p表示风力机将风能转换为其机械能的效率，因尾流旋转动能的存在，C_p<1，而根据贝兹理论，最大风能利用系数C_pmax＝0.593。

实际上，对于不同的叶尖速比λ_i、或风轮转速ω_wt、或桨距角β，C_p是一变化量，可表示为：

其中，V为风轮迎面风速；

R为涡轮半径；

ω_wt为风轮转速；

β为桨距角；

C_p(λ,β)为风能利用系数；

λ_i为不同的叶尖转速比。

步骤2：根据已计算需要留有的备用容量，结合次日不同时刻的风速与风机额定风速的比较判断，利用风机输出功率与风能利用系数的对应关系，反求解出对应备用容量下的风机参考转速和参考桨距角；

设额定风速为V₀，风机最优功率输出时的转速和桨距角分别为预留备用容量以调频基点功率输出下的参考转速和参考桨距角分别/>对应风机调频基点功率表达式如下：

其中，P^(t) _de为调频基点功率；

ρ为空气密度；

V为风轮迎面风速；

S为叶轮旋转平面面积；

C_pde(λ_ref，β_ref)为调频基点功率下的风能利用系数；

λ_ref为参考叶尖转速比；

β_ref为参考桨距角；

假设在一次调频响应阶段风速保持稳定，调频基点功率输出由C_p(λ,β)唯一决定。由于(4)、(5)分析P_v与λ(或ω_wt)，β之间数学关系时极为不便，采用C_p与λ，β的简化表达式：

所以，结合公式(5)、(6)、(7)得出如下调频基点功率输出表达式：

其中，ρ为空气密度；

V为风轮迎面风速；

S为叶轮旋转平面面积；

R为涡轮半径；

P^(t) _de为调频基点功率；

ω_ref为参考转速；

β_ref为参考桨距角；

根据式(8)，当风速低于额定风速时，风机采用转速一次调频控制策略；当风速高于额定风速时，风机采用桨距一次调频控制策略，求出风机预留备用容量下的参考转速和参考桨距角。

采用转速控制时，桨距角不动作，有β_r0＝β_ref＝常数(后面实例有数值及范围)，可得到：

其中，ρ为空气密度；

V为风轮迎面风速；

S为叶轮旋转平面面积；

R为涡轮半径；

β_r0为最优功率输出时的桨距角；

ω_ref为参考转速；

β_ref为参考桨距角；

采用桨距控制时，转子转速不变，有ω_r0＝ω_ref＝常数(后面实例有数值及范围)，可得到：

其中，ρ为空气密度；

V为风轮迎面风速；

S为叶轮旋转平面面积；

R为涡轮半径；

ω_r0为最优功率输出时的转速；

ω_ref为参考转速；

β_ref为参考桨距角；

步骤3：根据风机备用容量预留计算值，设定对应时刻风电机组的参考转速和参考桨距角，当出现负荷功率波动时，释放备用容量实现调频。

转速一次调频控制策略：当系统频率突然降低时，通过减小风机转子转速和叶尖速比，经变流器电流内环响应来改变输出电磁转矩和有功功率，实现了转速一次调频响应。

桨距一次调频控制策略：当系统频率发生扰动时，通过改变桨距角来实现风能利用率的变化，从而实现风电机组有功出力的变化，并最终改变输出电磁转矩和有功功率，实现了桨距一次调频响应。对系统频率突然增加情况，上述各物理量调节方向和工作点运行方向则相反。

结合对应时刻风速情况，当风速低于额定风速时，采用上述转速一次调频控制策略；当风速高于额定风速时，采用上述桨距一次调频控制策略。

实施例：

在Matlab/simulink环境下，建立了附图4的仿真系统，系统中两个区域通过两条联络线联接，区域1包含一台水电机组G2和一个风电场，区域2包含两台火电机组G3和G4，负荷L1，L2，C1，C2分别在两个区域接口母线处接入，负荷L3作为扰动负荷，通过L3接入和切除来模拟该仿真系统功率缺额的频率事故。

其中仿真参数如下：双馈风机参数：额定电压V_n＝575V，额定功率P_n＝1.5MW，定子电阻R_s＝0.023pu，定子电感L_s＝0.18pu，转子电阻R_r＝0.016pu，转子电感L_r＝0.16pu，励磁电感L_m＝2.9pu，固有惯性时间常数H_DFIG＝5.29s，速度控制器积分系数K_i＝0.6。额定角速度ω_nom＝157.08rad/s，额定风速V_wN＝11.7m/s，变流器时间常数τ＝0.02s。

发电机参数(G2、G3、G4)：S_n＝900MVA，U_n＝20kV，X_d＝1.8，X_q＝1.7，X_a＝0.2，X_d′＝0.3，X_q′＝0.55，X_d″＝0.25，X_q″＝0.25，R_a＝0.0025，T_d0′＝8.0，T_q0′＝0.4，T_d0″＝0.03，T_q0″＝0.05，H＝6.5(G2)，H＝6.175(G3、G4)

变压器参数(T1、T2、T3、T4)：S_n＝900MVA，U_n1/U_n2＝20KV/230KV，R_t+jX_t＝0+j0.15pu输电线路参数(100MVA，230kV为基准)：

R_L＝0.0001pu/km，X_L＝0.001pu/km，BC＝0.00175pu/km

负荷数据：P_L1＝800MW，Q_L＝100MVAR，Q_C1＝-187MVAR，Q_C2＝-200MVAR，P_L2＝800MW，Q_L＝100MVAR，Q_C1＝-187MVAR，Q_C2＝-350MVAR附加负荷P_L3＝100MW，峰值负荷＝2000MW,发生扰动前的负荷需求为1600MW。

转速一次调频控制相关参数：转子转速初始稳态值ω_r0＝1.1876pu，转速增量系数Cω＝0.39，初始桨距角β_r0＝0°

桨距一次调频控制相关参数：初始桨距角β_r0＝5°，桨距增量系数Cβ＝0.01，桨距角启动范围为0～27°；

仿真项目如下:

在一种改善电网调峰的风电调频控制方法下，根据负荷水平来选择预留备用容量的程度，确定不同时刻风电机组预留备用容量的占比，设定附加负荷P_L3＝100MW时，用本发明方法经计算后，预留20％备用容量；恒占比备用容量设为10％；及风电机组不留有备用容量三种方案对扰动下的电力系统进行仿真验证。特别地，由于负荷峰时刻风电场几乎没有预留备用容量，采用常规机组的旋转备用容量进行辅助调频，在除负荷峰时刻其他时间投入扰动负荷P_L3，分别仿真三种方案下的频率变化曲线。

仿真项目的频率变化曲线如附图5所示。图5显示了本发明方案、风电场预留恒占比备用容量、风电场不留有备用容量下投入扰动负荷P_L3后系统频率的变化曲线。由仿真结果可知：本发明预留的备用容量对系统扰动后的频率起到的恢复效果最好，频率恢复很快达到了49.99Hz，恒占比备用容量下相较于本发明频率恢复稍差到达了49.5Hz，不留有备用容量下频率恢复最差49.84Hz。综合三种方案比较，本发明采用的变占比备用容量方式对系统频率恢复效果最好。

Claims (1)

1.一种改善电网调峰特性的风电调频控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：基于次日负荷功率曲线和风功率输出曲线，根据负荷水平，选择风机留有备用容量的程度，以波峰时刻风机最优功率输出为基准，计算不同时间的需要预备的备用容量；

步骤1中，根据次日负荷功率曲线和风功率输出曲线，计算风机以调频基点功率输出时不同时刻需要留有的备用容量，具体如下：

设次日负荷曲线在波峰时刻负荷功率为P_mf，其他时刻的负荷功率为P_(t)，风机最优功率输出为调频基点功率输出为/>预留的备用容量为/>

依据负荷功率曲线，1天24小时各时段按负荷水平与波峰负荷比值，等于风电机组调频基点功率与最优功率比值的原则求解动态风电调频备用容量；

不同时刻负荷水平与峰时刻比值为：

风机调频基点功率输出表达式为：

预留的备用容量表达式为：

减载比表达式为

风力发电机组的气动功率表达式如下：

其中，ρ为空气密度；V为风轮迎面风速；S为叶轮旋转平面面积；R为涡轮半径；C_p(λ,β)为风能利用系数；C_p表示风力机将风能转换为其机械能的效率，因尾流旋转动能的存在，C_p<1；

对于不同的叶尖速比λ、或风轮转速ω_wt、或桨距角β，C_p是一变化量，可表示为：

其中，V为风轮迎面风速；R为涡轮半径；ω_wt为风轮转速；β为桨距角；C_p(λ,β)为风能利用系数；λ_i为中间变量；

步骤2：根据步骤1中需要预备的备用容量，根据不同时段风速大小，是否大于额定风速，决定采取转速一次调频或桨距一次调频控制策略，并利用风机输出功率与风能利用系数的对应关系，求解出对应备用容量下的风机的参考转速或参考桨距角；

步骤2中，根据已计算需要留有的备用容量，结合次日不同时刻的风速与风机额定风速的比较判断，利用风机输出功率与风能利用系数的对应关系，反求解出对应备用容量下的风机参考转速和参考桨距角；

设额定风速为V₀，风机最优功率输出时的转速和桨距角分别为预留备用容量以调频基点功率输出下的参考转速和参考桨距角分别/>对应风机调频基点功率表达式如下：

其中，P^(t) _de为调频基点功率；ρ为空气密度；V为风轮迎面风速；S为叶轮旋转平面面积；C_pde(λ_ref，β_ref)为调频基点功率下的风能利用系数；λ_ref为参考叶尖转速比；β_ref为参考桨距角；

假设在一次调频响应阶段风速保持稳定，调频基点功率输出由C_p(λ,β)唯一决定；由于(4)、(5)分析P_v与λ(或ω_wt)，β之间数学关系时极为不便，采用C_p与λ，β的简化表达式：

所以，结合公式(5)、(6)、(7)得出如下调频基点功率输出表达式：

其中，ρ为空气密度；V为风轮迎面风速；S为叶轮旋转平面面积；R为涡轮半径；P^(t) _de为调频基点功率；ω_ref为参考转速；β_ref为参考桨距角；

根据式(8)，当风速低于额定风速时，风机采用转速一次调频控制策略；当风速高于额定风速时，风机采用桨距一次调频控制策略，求出风机预留备用容量下的参考转速和参考桨距角；

采用转速控制时，桨距角不动作，有β_r0＝β_ref＝常数，可得到：

其中，ρ为空气密度；V为风轮迎面风速；S为叶轮旋转平面面积；R为涡轮半径；β_r0为最优功率输出时的桨距角；ω_ref为参考转速；β_ref为参考桨距角；

采用桨距控制时，转子转速不变，有ω_r0＝ω_ref＝常数，可得到：

其中，ρ为空气密度；V为风轮迎面风速；S为叶轮旋转平面面积；R为涡轮半径；ω_r0为最优功率输出时的转速；ω_ref为参考转速；β_ref为参考桨距角；

步骤3中，根据风机备用容量预留计算值，设定对应时刻风电机组的参考转速和参考桨距角，当出现负荷功率波动时，释放备用容量实现调频；

转速一次调频控制策略：当系统频率突然降低时，通过减小风机转子转速和叶尖速比，经变流器电流内环响应来改变输出电磁转矩和有功功率，实现了转速一次调频响应；

桨距一次调频控制策略：当系统频率发生扰动时，通过改变桨距角来实现风能利用率的变化，从而实现风电机组有功出力的变化，并最终改变输出电磁转矩和有功功率，实现了桨距一次调频响应；对系统频率突然增加情况，上述各物理量调节方向和工作点运行方向则相反；

结合对应时刻风速情况，当风速低于额定风速时，采用上述转速一次调频控制策略；当风速高于额定风速时，采用上述桨距一次调频控制策略。