CN111371104A - 一种基于风储联合发电系统的电网频率稳定控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电网频率控制技术领域，提供一种基于风储联合发电系统的电网频率稳定控制方法，包括：首先对风电场调频有功余量、高风速阈值进行整定；然后构建电网频率的电池储能控制方式、风电机组桨距角控制方式；最后，基于风储联合发电系统进行电网频率调节控制：若Δf高于上限，则风机收桨联合电池储能系统充电调频；若Δf低于下限，当风速在高风速区间时若ΔP＜ΔP_a则风机开桨控制、若ΔP≥ΔP_a则电池储能系统放电调频，当风速不在高风速区间时风机MPPT运行联合电池储能系统放电调频。本发明能够在提高风储联合发电系统调频稳定性的同时，减少风电机组备用功率储备及电池储能系统过度充/放电，保证电力系统经济运行。

Description

一种基于风储联合发电系统的电网频率稳定控制方法

技术领域

本发明涉及电网频率控制技术领域，特别是涉及一种基于风储联合发电系统的电网频率稳定控制方法。

背景技术

风电固有的间歇性和波动性特点会给电网的安全稳定运行带来巨大的压力，当大规模风电接入电网时，如果系统不能进行有效控制而出现供需失衡，将导致系统频率波动，影响负荷的可靠用电甚至可能引起系统大范围的事故。因此，有必要对电网频率进行控制。

现有的电网频率控制方法，对电网频率进行控制的稳定性较低，且不能在考虑电网频率稳定性的同时，减少风电机组备用功率储备及电池储能系统过度充/放电使用。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于风储联合发电系统的电网频率稳定控制方法，能够在提高风储联合发电系统调频稳定性的同时，减少风电机组备用功率储备及电池储能系统过度充/放电使用，保证电力系统经济性运行。

本发明的技术方案为：

一种基于风储联合发电系统的电网频率稳定控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1：对风电场调频有功余量、高风速阈值进行整定；

步骤1.1：整定风电场调频有功余量ΔP_a为通过桨距角控制风电机组可多发出的有功功率：

其中，R_W为风电场的调差系数，Δf为电网的频率偏差，f_N为电网的标准频率，P_WN为风电机组的额定功率；

步骤1.2：对高风速阈值进行整定：

在风电功率百分比的概率密度上采样，计算风速参考系数为

其中，τ_i为第i次采样时的风电功率百分比，f(τ_i)为第i次采样时的风电功率百分比的概率密度，P_Wi第i次采样时风电机组发出的有功功率，P_Wmax为风电机组发出的有功功率最大值，n为采样点总数；

根据风速参考系数，由额定风速V_N整定得出高风速阈值为

V_W＝αV_N

步骤2：构建电网频率控制方式：

步骤2.1：构建电池储能控制方式：

计算第t时刻电池储能系统的充放电状态判别参数为

其中，γ为大规模电池储能运行参数，D为电池储能系统中各储能电池之间的平均间隔，τ₁为储能电池的充电效率，τ₂为储能电池的放电效率，N为电池储能系统中储能电池的总数，T_max为电池储能系统所在环境的最高温度；

当a(t)<0时，电池储能系统进行充电；当a(t)≥0时，电池储能系统进行放电；

计算第t时刻电池储能系统调频的交换功率为

其中，t₁、t₂为电池储能系统充电或放电区间的起、止时间点；

计算第t时刻的下一时刻电池储能系统调频的荷电状态为

其中，S_MWh为电池储能系统的安培容量，τ为储能电池的充电效率或放电效率，Δt为相邻两个时刻的时间间隔；

步骤2.2：构建风电机组桨距角控制方式：将电网频率偏差Δf作为输入信号，通过PI控制器参与调频控制，当电网频率降低时，风机开桨增加风电机组的有功出力，补偿电网有功缺额；当电网频率升高时，风机收桨降低风电机组的有功出力，使电网有功功率平衡；其中，桨距角变化量为

k₁、k₂均为控制参数；

步骤3：基于风储联合发电系统进行电网频率调节控制：

步骤3.1：若Δf＜Δf_min，则进入步骤3.2；若Δf＞Δf_max，则进入步骤3.6；

步骤3.2：判断风机风速V是否大于V_W：

若V≥V_W，则判断ΔP＜ΔP_a是否成立：若ΔP＜ΔP_a，则启动风电机组桨距角控制方式，风机开桨增加风电机组的有功出力，进入步骤3.4；若ΔP≥ΔP_a，则进入步骤3.3；

若V<V_W，则让风机运行在MPPT模式下，进入步骤3.3；

步骤3.3：计算第t时刻的下一时刻电池储能系统的荷电状态为

若SOC(t+Δt)≤SOC_min，则电池储能系统不工作，结束调频；若SOC(t+Δt)＞SOC_min则电池储能系统放电以提高系统频率，进入步骤3.4；其中，SOC_min为电池储能系统的荷电状态下限；

步骤3.4：判断Δf_min≤Δf≤Δf_max是否成立：若是，则进入步骤3.5；若否，则返回步骤3.1；

步骤3.5：判断SOC_min≤SOC(t+Δt)≤SOC_max是否成立：若是，则结束调频；若否，则进入步骤3.7；

步骤3.6：启动风电机组桨距角控制方式，风机收桨降低风电机组的有功出力，计算第t时刻的下一时刻电池储能系统的荷电状态为

若SOC(t+Δt)＞SOC_max，则电池储能系统不工作，结束调频；若SOC(t+Δt)≤SOC_max，则进入步骤3.7；其中，SOC_max为电池储能系统的荷电状态上限；

步骤3.7：电池储能系统充电，进入步骤3.8；

步骤3.8：判断Δf_min≤Δf≤Δf_max是否成立：若是，则结束调频；若否，则返回步骤3.1。

本发明的有益效果为：

本发明在对风电场调频有功余量、高风速阈值进行整定的基础上，构建了电池储能控制方式、风电机组桨距角控制方式，将两种控制方式相结合，计及风速波动区间进行风储联合调频控制，在高低风速区采用不同的风储联合协调控制方法，指导风储联合发电系统的频率调节，使得风储联合发电系统能够发挥类似于常规发电机组的作用，对电力系统频率稳定提供支撑，提高电网频率控制的稳定性，能够在考虑风储联合发电系统调频稳定性的同时，减少风电机组备用功率储备及电池储能系统过度充/放电使用，保证电力系统经济性运行。

附图说明

图1为本发明的基于风储联合发电系统的电网频率稳定控制方法的原理图。

图2为本发明的基于风储联合发电系统的电网频率稳定控制方法的流程图。

图3为具体实施方式中风储联合发电系统并网后的电网结构示意图。

图4为具体实施方式中一个周期内风速的变化曲线图。

图5为具体实施方式中本发明的基于风储联合发电系统的电网频率稳定控制方法与传统的风机MPPT控制方法在变风速工况下的频率偏差曲线对比图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步描述。

本实施例中，在DIGSILENT/PowerFactory仿真环境中搭建一个包含风电场的小型电力系统，风储联合发电系统并网后的电网结构如图3所示。风电场配备一个电池储能系统(battery energy storage system，BESS)，风电场输出电压为690V，由变压器升高至35kV，由高压输电，通过50km的架空线将电能送至变电站，变电站连接负荷。另一侧外电网通过60km的架空线，经变压器输电至变电站。系统工频为50Hz。电池储能系统的储能容量为5MW，风电机组的额定出力P_WN为60MW，风电机组的调差系数R_W为10％，电池储能系统所在环境的最高温度T_max为27℃。

如图1所示，利用本发明的基于风储联合发电系统的电网频率稳定控制方法进行电网频率控制，具体如下：

步骤1：对风电场调频有功余量、高风速阈值进行整定：

步骤1.1：整定风电场调频有功余量ΔP_a为通过桨距角控制风电机组可多发出的有功功率：

其中，R_W为风电场的调差系数，Δf为电网的频率偏差，f_N为电网的标准频率，f_N＝50Hz，P_WN为风电机组的额定功率。

本实施例中，计算得到

步骤1.2：对高风速阈值进行整定：

在风电功率百分比的概率密度上采样，计算风速参考系数为

其中，τ_i为第i次采样时的风电功率百分比，f(τ_i)为第i次采样时的风电功率百分比的概率密度，P_Wi第i次采样时风电机组发出的有功功率，P_Wmax为风电机组发出的有功功率最大值，n为采样点总数；

根据风速参考系数，由额定风速V_N整定得出高风速阈值为

V_W＝αV_N

由于风速变化会导致风电机组输出功率的波动，对电网系统频率造成影响。如图4所示，为本实施例中一个周期内风速的变化曲线图。由图4可以看出，一个周期内，风速介于8m/s与15m/s之间。其中，风电机组额定风速为12m/s，计算得到高风速阈值为

步骤2：构建电网频率控制方式：

步骤2.1：构建电池储能控制方式：

储能系统参与调频的目标是减小并网点的频率偏差。加入荷电状态反馈控制，当储能系统SOC在限定范围之内，储能系统正常进行功率交换；当SOC越过限定范围时，改变BESS交换功率，可以避免BESS的过充/放电。

计算第t时刻电池储能系统的充放电状态判别参数为

其中，γ为大规模电池储能运行参数，D为电池储能系统中各储能电池之间的平均间隔，τ₁为储能电池的充电效率，τ₂为储能电池的放电效率，N为电池储能系统中储能电池的总数，T_max为电池储能系统所在环境的最高温度。

当a(t)<0时，电池储能系统进行充电；当a(t)≥0时，电池储能系统进行放电。

计算第t时刻电池储能系统调频的交换功率为

其中，t₁、t₂为电池储能系统充电或放电区间的起、止时间点。

计算第t时刻的下一时刻电池储能系统调频的荷电状态为

其中，S_MWh为电池储能系统的安培容量，τ为储能电池的充电效率或放电效率，Δt为相邻两个时刻的时间间隔。

步骤2.2：构建风电机组桨距角控制方式：

桨距角控制的原理是：通过改变叶片桨距角度，即改变风能的捕获，从而根据系统要求，增加或减少DFIG有功功率输出。

桨距角控制属于机械调节，本发明将电网频率偏差Δf作为输入信号，通过PI控制器参与调频控制，当电网频率降低时，风机开桨增加风电机组的有功出力，补偿电网有功缺额；当电网频率升高时，风机收桨降低风电机组的有功出力，使电网有功功率平衡。

其中，桨距角变化量为

k₁、k₂均为控制参数。

步骤3：如图2所示，基于风储联合发电系统进行电网频率调节控制：

步骤3.1：若Δf＜Δf_min，则进入步骤3.2；若Δf＞Δf_max，则进入步骤3.6。

步骤3.2：判断风机风速V是否大于V_W：

若V≥V_W，则判断ΔP＜ΔP_a是否成立：若ΔP＜ΔP_a，风机有功余量能满足调频需求，则启动风电机组桨距角控制方式，风机开桨增加风电机组的有功出力，进入步骤3.4；通过桨距角控制，DFIG输出功率不能超出其最大输出值，因此，当风机有功余量不能满足调频需求时也即ΔP≥ΔP_a时，则进入步骤3.3；

若V<V_W，则让风机运行在MPPT(maximumpowerpointtracking，最大功率点跟踪)模式下，进入步骤3.3。

步骤3.3：计算第t时刻的下一时刻电池储能系统的荷电状态为

若SOC(t+Δt)≤SOC_min，则电池储能系统不工作，结束调频；若SOC(t+Δt)＞SOC_min则电池储能系统放电以提高系统频率，进入步骤3.4；其中，SOC_min为电池储能系统的荷电状态下限。

步骤3.4：判断Δf_min≤Δf≤Δf_max是否成立：若是，则进入步骤3.5；若否，则返回步骤3.1。

步骤3.5：判断SOC_min≤SOC(t+Δt)≤SOC_max是否成立：若是，则结束调频；若否，则进入步骤3.7。本实施例中，SOC_min＝10％，SOC_max＝90％。

步骤3.6：启动风电机组桨距角控制方式，风机收桨降低风电机组的有功出力，计算第t时刻的下一时刻电池储能系统的荷电状态为

若SOC(t+Δt)＞SOC_max，则电池储能系统不工作，结束调频；若SOC(t+Δt)≤SOC_max，则进入步骤3.7；其中，SOC_max为电池储能系统的荷电状态上限。

步骤3.7：电池储能系统充电，进入步骤3.8。

步骤3.8：判断Δf_min≤Δf≤Δf_max是否成立：若是，则结束调频；若否，则返回步骤3.1。

本实施例中，对该风速变化工况下风储联合系统的运行状态及系统的频率响应进行了仿真。其中，在30s时，系统突增9MW负荷。此时，风速高于V_W，处于高风速区间，波动负荷大于风电机组有功余量，电池储能系统参与调频。计算得到此时风机出力为66MW，电池储能系统出力为1.5MW。

本实施例中，分别利用传统的风机MPPT控制方法与本发明的基于风储联合发电系统的电网频率稳定控制方法对电网频率进行控制，得到两种方法的频率偏差分别为：

Δf₁＝-3×10％＝-0.3Hz

Δf₂＝-(3-1.5)×10％＝-0.15Hz

可知|Δf₂|＜|Δf₁|，本发明的方法比传统的方法调整后的频率更接近规定的50Hz频率，即加入电池储能系统后电网频率波动相较于风电功率波动频率更小，电网频率更稳定。

如图5所示，为本实施例中本发明的基于风储联合发电系统的电网频率稳定控制方法与传统的风机MPPT控制方法在变风速工况下的频率偏差曲线对比图。由图5可以看出，传统风机MPPT控制模式下，风速变化时，系统频率变化较大。当30s时，系统负荷突增，频率跌落至49.65Hz；45s时，系统频率最低跌落至49.5Hz；在70s-100s期间，风速变化较小但频率较大，频率出现了明显的变化。而本发明的风储联合调频控制模式下，利用BESS快速响应的优点，系统频率变化较小，且风电机组与BESS提供了调频备用容量，使得扰动下频率最低点提升至49.6Hz；在70s-100s期间，系统频率也趋于稳定，这是由于风机桨距角控制虽然响应速度较慢，但其提供功率支撑持续时间长，提供系统调频功率，降低了系统的稳态频率偏差。可见，本发明的方法相对于传统的风机MPPT控制方法，能够大大提高电网频率控制的稳定性，且在考虑风储联合发电系统调频稳定性的同时，减少了风电机组备用功率储备及电池储能系统过度充/放电使用，保证了电力系统经济性运行。

显然，上述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。上述实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。基于上述实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，也即凡在本申请的精神和原理之内所作的所有修改、等同替换和改进等，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于风储联合发电系统的电网频率稳定控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1：对风电场调频有功余量、高风速阈值进行整定；

步骤1.1：整定风电场调频有功余量ΔP_a为通过桨距角控制风电机组可多发出的有功功率：

其中，R_W为风电场的调差系数，Δf为电网的频率偏差，f_N为电网的标准频率，P_WN为风电机组的额定功率；

步骤1.2：对高风速阈值进行整定：

在风电功率百分比的概率密度上采样，计算风速参考系数为

其中，τ_i为第i次采样时的风电功率百分比，f(τ_i)为第i次采样时的风电功率百分比的概率密度，P_Wi第i次采样时风电机组发出的有功功率，P_Wmax为风电机组发出的有功功率最大值，n为采样点总数；

根据风速参考系数，由额定风速V_N整定得出高风速阈值为

V_W＝αV_N

步骤2：构建电网频率控制方式：

步骤2.1：构建电池储能控制方式：

计算第t时刻电池储能系统的充放电状态判别参数为

其中，γ为大规模电池储能运行参数，D为电池储能系统中各储能电池之间的平均间隔，τ₁为储能电池的充电效率，τ₂为储能电池的放电效率，N为电池储能系统中储能电池的总数，T_max为电池储能系统所在环境的最高温度；

当a(t)<0时，电池储能系统进行充电；当a(t)≥0时，电池储能系统进行放电；

计算第t时刻电池储能系统调频的交换功率为

其中，t₁、t₂为电池储能系统充电或放电区间的起、止时间点；

计算第t时刻的下一时刻电池储能系统调频的荷电状态为

其中，S_MWh为电池储能系统的安培容量，τ为储能电池的充电效率或放电效率，Δt为相邻两个时刻的时间间隔；

步骤2.2：构建风电机组桨距角控制方式：将电网频率偏差Δf作为输入信号，通过PI控制器参与调频控制，当电网频率降低时，风机开桨增加风电机组的有功出力，补偿电网有功缺额；当电网频率升高时，风机收桨降低风电机组的有功出力，使电网有功功率平衡；其中，桨距角变化量为

k₁、k₂均为控制参数；

步骤3：基于风储联合发电系统进行电网频率调节控制：

步骤3.1：若Δf＜Δf_min，则进入步骤3.2；若Δf＞Δf_max，则进入步骤3.6；

步骤3.2：判断风机风速V是否大于V_W：

若V≥V_W，则判断ΔP＜ΔP_a是否成立：若ΔP＜ΔP_a，则启动风电机组桨距角控制方式，风机开桨增加风电机组的有功出力，进入步骤3.4；若ΔP≥ΔP_a，则进入步骤3.3；

若V<V_W，则让风机运行在MPPT模式下，进入步骤3.3；

步骤3.3：计算第t时刻的下一时刻电池储能系统的荷电状态为

若SOC(t+Δt)≤SOC_min，则电池储能系统不工作，结束调频；若SOC(t+Δt)＞SOC_min则电池储能系统放电以提高系统频率，进入步骤3.4；其中，SOC_min为电池储能系统的荷电状态下限；

步骤3.4：判断Δf_min≤Δf≤Δf_max是否成立：若是，则进入步骤3.5；若否，则返回步骤3.1；

步骤3.5：判断SOC_min≤SOC(t+Δt)≤SOC_max是否成立：若是，则结束调频；若否，则进入步骤3.7；

步骤3.6：启动风电机组桨距角控制方式，风机收桨降低风电机组的有功出力，计算第t时刻的下一时刻电池储能系统的荷电状态为

若SOC(t+Δt)＞SOC_max，则电池储能系统不工作，结束调频；若SOC(t+Δt)≤SOC_max，则进入步骤3.7；其中，SOC_max为电池储能系统的荷电状态上限；

步骤3.7：电池储能系统充电，进入步骤3.8；

步骤3.8：判断Δf_min≤Δf≤Δf_max是否成立：若是，则结束调频；若否，则返回步骤3.1。

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