CN111313464B - 一种风电场综合调频控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种风电场综合调频控制方法，根据风机在不同风速下的转速‑功率曲线，设置其目标函数，获取所述目标函数的最大值，确定不同风速下风机的转速限值，形成不同风速的转速限制区间并入综合调频控制中，对风机的风速、频差和频率变化率进行加权平均数的倒数运算，得出各台风机调频动作延时，通过风机调频动作延时的时序的配合，错开风电场中各台风机的调频动作时间。综合调频控制方法考虑各个风机的风速差异及相对独立，各台风机根据时序配合，错开大规模风电场各台风机调频动作时间，实现风电场风机间时序的配合，避免同时动作引起较大的暂态扰动。

Description

一种风电场综合调频控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统控制领域，尤其涉及一种风电场综合调频控制方法。

背景技术

传统电力系统通过机组一次调频和二次调频的配合实现系统频率调节功能。随着新能源在电网的渗透率逐渐升高，新能源机组的占比也显著增加，削弱了传统火电、水电机组的调频能力，而新能源机组缺乏有效的调频功能，不利于系统的频率稳定性。

目前，风电机组的调频控制研究大体分为两类：风电场层面和风机层面，风电场层面的控制主要将有功功率分配于各台风机组，包括控制输入量选取、分配计算方法、通信传输等问题，也有利用附加储能系统配合调频的研究，风机层面的控制主要对单台风机控制算法改进，包括虚拟惯量控制、下垂控制、桨距角调频控制等，对风机有功功率进行优化调节；但相关研究中关于风速差异对调频功能的影响研究分析较少，不利于充分发挥各台风机和整个风电场的调频功能。

风电场层面的分配控制由于通信问题难以考虑风机层面的各台风机风速差异、风机接入母线处频率差异的影响，因此难以做到对单台风机在特定情况的差异化分配控制，单机的控制结构和参数优化未考虑风电场其他风机的影响，当大规模风场各风机调频功能同时启动或者启动很接近时，会带来较大的扰动，不利于接入电网的稳定运行。

发明内容

本发明提供了一种风电场综合调频控制方法，通过保证不同风速下各风机在调频时的有功出力最优，以及不同风速下风电场各台风机间的时序配合，进而充分发挥各台风机的调频功能，避免同时动作引起的暂态扰动影响,实现各台风机和整个风电场的有序调频。

为了达到上述目的，本发明实施例采用以下技术方案：

提供一种风电场综合调频控制方法，包括：

根据风机在不同风速下的转速-功率曲线，设置其目标函数，并获取所述目标函数的最大值；

根据所述目标函数的最大值，确定不同风速下风机的转速限值，形成不同风速的转速限制区间；

基于风机的所述不同风速的转速限制区间在风电场综合调频的控制；

对风机的风速、频差和频率变化率进行加权平均数的倒数运算，得出各台风机调频动作延时；

根据风机所述调频动作延时的时序的配合，错开风电场中各台风机的调频动作时间。

可选的，还包括：风机基于测量并网点频率变化率、频差和风速在风电场综合调频的输入控制。

可选的，还包括：风机的输出控制量叠加到原始功率设置值上作为综合调频控制器的输出，作为有功控制外环的输入。

可选的，所述风机为双馈感应风机。

可选的，所述转速-功率曲线：风机输出功率随转速的增大而先增大后减小。转速偏离最大功率对应的转速值时都会导致输出功率地减小。

可选的，所述根据风机在不同风速下的转速-功率曲线，设置其目标函数，并获取所述目标函数的最大值：转速减少释放的有功功率与偏离最大功率运行点引起的有功功率变化量之差最大，采用二分法逐次逼近获取目标函数的最大值；

式中，J表示转动惯量，ω₀表示最大功率运行点的转速，ω表示转速，v_i表示风速，P(v_i,ω)表示转速-功率曲线函数。

可选的，所述根据所述目标函数的最大值，确定不同风速下风机的转速限值，形成不同风速的转速限制区间：

通过求取所述目标函数的最大值max F，确定所述不同风速下相应转速限制区间为ω_L(v_i)(i∈[1,2,…,i_max])。

可选的，所述对风速、频差和频率变化率进行加权平均数的倒数运算，得出各台风机调频动作延时：

通过

得到延时系数

式中，v表示并网点风速，Δf表示并网点频率与标准频率之差，

表示并网点频率变化率，K_v表示风速加权系数、K_f表示频差加权系数、K_df表示频率变化率加权系数；

通过

得到延时T_d，式中，T表示延时系数为1时的延时常数。

本发明实施例提供一种风电场综合调频控制方法，根据双馈感应风机不同风速下的转速-功率曲线求取调频转速区间，限制调频期间转速变化，在系统频率降低时缓解调频增加有功输出和偏移最大功率运行点引起功率降低的矛盾，确保调频期间输出的有功功率最大，较好地支撑系统频率；各台风机测量所在位置的风速，根据风速实时调节调频期间的转速限制，确保了调频功能能够考虑风速差异，且保持相对独立；各台风机根据频差、频率变化率和风速大小的加权平均数的倒数来进行时序配合，错开大规模风电场各台风机调频动作时间，实现风电场风机间时序的配合，避免同时动作引起较大的暂态扰动。

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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明实施例提供的风电场综合调频控制方法流程图；

图2为本发明实施例提供的风电场综合调频控制方法中计算转速限制区间流程图；

图3为本发明实施列提供的风电场综合调频控制方法的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

风机层面多采用双馈感应风机，双馈感应风机具有最大功率点跟踪(MPPT，Maximum Power Point Tracking)功能，当处于在最大功率运行点时，转速增大或减小会引起输出功率降低，且转速偏离最大功率运行点转速越多，有功功率降低越多；在正常运行转速限制区间内，系统频率偏高时除了调频控制减少有功输出，还可适当提高转速上限，增加MPPT偏离时输出的功率降低量，进一步降低有功输出，限制频率升高；当系统频率偏低时，调频控制释放转子动能并增加有功输出，引起转速降低，此时有必要提高转速下限，减少MPPT偏离导致的功率降低量，保证最大的有功输出来支撑系统。

本发明实施例提供一种风电场综合调频控制方法，用于电力系统控制领域。参见图1所示，所述的风电场综合调频控制方法包括如下步骤：

101、根据风机在不同风速下的转速-功率曲线，设置其目标函数，并获取所述目标函数的最大值；

具体地，所述风机为双馈感应风机。所述转速-功率曲线：风机输出功率随转速的增大先增大后减小，转速偏离最大功率对应的转速值时都会导致输出功率地减小。

具体地，所述根据风机在不同风速下的转速-功率曲线，设置其目标函数，并获取所述目标函数的最大值，转速减少释放的有功功率与偏离最大功率运行点引起的有功功率变化量之差最大，采用二分法逐次逼近获取目标函数的最大值：

式中，J表示转动惯量，ω₀表示最大功率运行点的转速，ω表示转速，v_i表示风速，P(v_i,ω)表示转速-功率曲线函数。

102、根据所述目标函数的最大值，确定不同风速下风机的转速限值，形成不同风速的转速限制区间；

具体地，通过求取所述目标函数的最大值max F，确定所述不同风速下相应转速限制区间为ω_L(v_i)(i∈[1,2,…,i_max])。

103、基于风机的所述不同风速的转速限制区间在风电场综合调频的控制；

根据双馈感应风机不同风速下的转速-功率曲线求取调频转速区间，限制调频期间转速变化，在系统频率降低时缓解调频增加有功输出和偏移最大功率运行点引起功率降低的矛盾，确保调频期间输出的有功功率最大，较好地支撑系统频率，各台风机测量所在位置的风速，根据风速实时调节调频期间的转速限制，确保了调频功能能够考虑风速差异，且保持相对独立。

104、对风机的风速、频差和频率变化率进行加权平均数的倒数运算，得出各台风机调频动作延时；

具体地，通过

得到延时系数

式中，v表示并网点风速，Δf表示并网点频率与标准频率之差，

表示并网点频率变化率，K_v表示风速加权系数、K_f表示频差加权系数、K_df表示频率变化率加权系数；

通过

得到延时T_d，式中，T表示延时系数为1时的延时常数。

105、根据风机所述调频动作延时的时序的配合，错开风电场中各台风机的调频动作时间。

具体的，还包括：风机基于测量并网点频率变化率、频差和风速在风电场综合调频的输入控制；风机的输出控制量叠加到原始功率设置值上作为综合调频控制器的输出，作为有功控制外环的输入。

考虑各风机就地采集并网点处相关参数，根据频差、频率变化率和风速大小的加权平均数的倒数来进行时序配合，通过算法实现反映风速和频率差异的综合调频控制，错开大规模风电场各台风机调频动作时间，实现风场各风机的调频控制能根据迫切程度的不同有序动作，风电场风机间时序的配合，避免同时动作引起较大的暂态扰动

具体的，在实施例一基础上，本发明实施例提供一种风电场综合调频控制方法中步骤101-102中计算转速限制区间具体包括如下步骤，如图2所示：

201、拟合不同风速下的转速-功率曲线；

具体地，转速-功率曲线表达式如下：

P(v_i,ω)＝kC_p(v_i,ω)v_i ³

其中：

其中：

其中：

式中，k为转速-功率曲线系数，v_i表示风速，ω表示转速，β表示桨距角，R表示叶片长度。

202、设置其目标函数；

式中，J表示转动惯量，ω₀表示最大功率运行点的转速，ω表示转速，v_i表示风速，P(v_i,ω)表示转速-功率曲线。

203、并获取所述目标函数的最大值；

具体地，通过求取所述目标函数的最大值max F，确定所述风速下相应转速限值为ω_L(v_i)。

204、不断累加风速基数。

205、获取不同风速下的转速限制区间：

ω_L(v_i)(i∈[1,2,…,i_max])

本发明实施例提供一种风电场综合调频控制方法，根据双馈感应风机不同风速下的转速-功率曲线求取调频转速区间，限制调频期间转速变化，在系统频率降低时缓解调频增加有功输出和偏移最大功率运行点引起功率降低的矛盾，确保调频期间输出的有功功率最大，较好地支撑系统频率；各台风机测量所在位置的风速，根据风速实时调节调频期间的转速限制，确保了调频功能能够考虑风速差异，且保持相对独立；各台风机根据频差、频率变化率和风速大小的加权平均数的倒数来进行时序配合，错开大规模风电场各台风机调频动作时间，实现风电场风机间时序的配合，避免同时动作引起较大的暂态扰动。

根据实施例一的具体说明，结合图3所示，在实际的操作中，步骤如下：

对频率变化率

频差Δf和风速v_i进行加权平均数的倒数运算，得出各台风机调频动作延时T_d；

具体地，通过

得到延时系数

式中，v表示并网点风速，Δf表示并网点频率与标准频率之差，

表示并网点频率变化率，K_v表示风速加权系数、K_f表示频差加权系数、K_df表示频率变化率加权系数；

通过

得到延时T_d，式中，T表示延时系数为1时的延时常数。

如图3所示，将不同风速的转速限制区间并入综合调频控制中；

所述不同风速的转速限制区间通过图1中如下步骤得到：

101、根据风机在不同风速下的转速-功率曲线，设置其目标函数，并获取所述目标函数的最大值；

具体地，所述风机为双馈感应风机。所述转速-功率曲线：风机输出功率随转速的增大先增大后减小，转速偏离最大功率对应的转速值时都会导致输出功率地减小。

具体地，所述根据风机在不同风速下的转速-功率曲线，设置其目标函数，并获取所述目标函数的最大值，转速减少释放的有功功率与偏离最大功率运行点引起的有功功率变化量之差最大，采用二分法逐次逼近获取目标函数的最大值：

式中，J表示转动惯量，ω₀表示最大功率运行点的转速，ω表示转速，v_i表示风速，P(v_i,ω)表示转速-功率曲线。

102、根据所述目标函数的最大值，确定不同风速下风机的转速限值，形成不同风速的转速限制区间；

具体地，通过求取所述目标函数的最大值max F，确定所述不同风速下相应转速限制区间为ω_L(v_i)(i∈[1,2,…,i_max])。

最后，将输出控制量叠加到原始功率设置值P_ref作为综合调频控制器的输出，再和功率测量值P一同作为有功控制外环的输入，故根据所述调频动作延时的时序的配合，错开风电场中各台风机的调频动作时间。

本发明实施例提供一种风电场综合调频控制方法，根据双馈感应风机不同风速下的转速-功率曲线求取调频转速区间，限制调频期间转速变化，在系统频率降低时缓解调频增加有功输出和偏移最大功率运行点引起功率降低的矛盾，确保调频期间输出的有功功率最大，较好地支撑系统频率；各台风机测量所在位置的风速，根据风速实时调节调频期间的转速限制，确保了调频功能能够考虑风速差异，且保持相对独立；各台风机根据频差、频率变化率和风速大小的加权平均数的倒数来进行时序配合，错开大规模风电场各台风机调频动作时间，实现风电场风机间时序的配合，避免同时动作引起较大的暂态扰动。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种风电场综合调频控制方法，其特征在于，包括：

根据风机在不同风速下的转速-功率曲线，设置其目标函数，并获取所述目标函数的最大值；所述根据风机在不同风速下的转速-功率曲线，设置其目标函数，并获取所述目标函数的最大值，转速减少释放的有功功率与偏离最大功率运行点引起的有功功率变化量之差最大，采用二分法逐次逼近获取目标函数的最大值；

式中，J表示转动惯量，ω₀表示最大功率运行点的转速，ω表示转速，v_i表示风速，P(v_i,ω)表示转速-功率曲线函数；

根据所述目标函数的最大值，确定不同风速下风机的转速限值，形成不同风速的转速限制区间；

基于风机的所述不同风速的转速限制区间在风电场综合调频的控制；

对风机的风速、频差和频率变化率进行加权平均数的倒数运算，得出各台风机调频动作延时；所述对风速、频差和频率变化率进行加权平均数的倒数运算，得出各台风机调频动作延时：

通过

得到延时系数

式中，v表示并网点风速，Δf表示并网点频率与标准频率之差，/>

表示并网点频率变化率，K_v表示风速加权系数、K_f表示频差加权系数、K_df表示频率变化率加权系数；

通过

得到延时T_d，式中，T表示延时系数为1时的延时常数；

根据风机所述调频动作延时的时序的配合，错开风电场中各台风机的调频动作时间。

2.根据权利要求1所述的一种风电场综合调频控制方法，其特征在于，还包括：

风机基于测量并网点频率变化率、频差和风速在风电场综合调频的输入控制。

3.根据权利要求1所述的一种风电场综合调频控制方法，其特征在于，还包括：

风机的输出控制量叠加到原始功率设置值上作为综合调频控制器的输出，作为有功控制外环的输入。

4.根据权利要求1所述的一种风电场综合调频控制方法，其特征在于，所述风机为双馈感应风机。

5.根据权利要求1所述的一种风电场综合调频控制方法，其特征在于，所述转速-功率曲线为：

风机输出功率随转速的增大先增大后减小，转速偏离最大功率对应的转速值时会导致输出功率地减小。

6.根据权利要求1所述的一种风电场综合调频控制方法，其特征在于，所述根据所述目标函数的最大值，确定不同风速下风机的转速限值，形成不同风速的转速限制区间：

通过求取所述目标函数的最大值max F，确定所述不同风速下相应转速限制区间为ω_L(v_i)(i∈[1,2,…,i_max])。

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