CN111555306A - 一种风电机组参与区域电网快速调频的系统和方法 - Google Patents

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CN111555306A CN202010355070.4A CN202010355070A CN111555306A CN 111555306 A CN111555306 A CN 111555306A CN 202010355070 A CN202010355070 A CN 202010355070A CN 111555306 A CN111555306 A CN 111555306A
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Abstract

本申请提供的风电机组参与区域电网快速调频的系统和方法，该系统包括母线、主回路、旁路、智能电表、阻抗分压电路组和变频器PLL，其中，母线与风电机组配电变压器连接，所述变频器PLL和智能电表的输出端均与所述风机主控PLC连接，通过智能电表和变频器PLL对风电机组配电变压器主回路和旁路上电网频率变化进行监测，当智能电表监测的频率变化率超过死区、变频器PLL计算的频率变化率未超过死区并且变化率大于0，参与快速调频的风电机组按照预设的变化率调频进行单机快速调频响应；如果电网频率持续波动，当智能电表监测到的频率变化量和变频器PLL计算的频率变化量都超过死区时，参与快速调频的风电机组按照预设的变化量调频进行单机快速调频响应。

Description

一种风电机组参与区域电网快速调频的系统和方法
技术领域
本申请涉及电力系统频率调整技术领域，尤其涉及一种风电机组参与区域电网快速调频的系统和方法。
背景技术
当异步送端电网即区域电网与主网实现异步联网后，区域电网容量会变小，抗扰动能力会变弱，频率稳定问题会成为威胁区域电网安全稳定运行的主要问题。目前，区域电网内水电调频死区一般为0.05Hz，火电调频死区普一般为0.033Hz，由于水电的水锤效应，其一次调频响应慢，且有反调，会导致区域电网在系统频率0.04-0.07Hz范围内，缺乏快速调频手段，频率波动频繁。同时，随着新能源的迅猛发展，区域电网内部分时段新能源发电比例已达50％，大规模高比例的新能源并网发电以及不参与电网调频，加剧了区域电网频率波动频繁的问题。随着电网的发展，异步联网方式必将成为未来电网的主要形式，大规模高比例新能源接入后快速调频资源短缺、频率波动频繁的问题成为亟待解决的问题。
目前风电场一次调频控制方法主要依靠场站控制系统；即场站控制柜，被配置为当风电场的并网点的频率值满足预设的一次调频触发条件时，根据风电机组的运行状态确定单机有功功率变化量指令，由场站控制柜下发单机有功功率调整指令，风电机组接收到指令后输出相应的有功功率。现有的技术基本是依靠有场站控制系统来实现，该方案需要在风电场升压站二次设备间内增加场站控制柜，同时需要修改机组变频器PLL的软件，改造站级调频控制器到风电机组的通讯。当电网频率变化时，场站控制柜，被配置为确定所述并网点的频率值满足所述一次调频触发条件时，根据并网点的频率值计算所述并网点的总有功功率增量值，以及根据分级的运行状态生成单机一次调频命令；所述单机调频模块，与对应的风电机组变流器连接，所述单机调频模块被配置为根据所述单机一次调频指令调整所述对应的风电机组输出的有功功率。
然而，现有方法需要风电场场站控制系统检测到频率变化量超过死区时，根据风电场的运行状态确定单机有功功率变化量指令，下发单机有功功率调整指令，风电机组变频器接收到指令后输出相应的有功功率，站控系统与机组之间通讯时间较长，特别是针对风电场主要为分散式远距离接入风电场，由于风电场升压站与风机、风机与风机之间电气距离长，依靠现有方法通讯延时长，风机频率响应慢，难于满足区域电网快速调频的需要。除此之外，风电机组参与快速调频会导致机械寿命减少，这是由于风机参与0.04-0.07Hz范围内频率调节时，由于频率波动频繁会使得风机参与快速调频的次数大幅增加，短时间内上百次的快速大幅度改变桨叶的角度会对机组的机械载荷和寿命造成巨大影响，影响机组的机械寿命；风机基于频率变化率参与调频的方式是充分挖掘并释放机组发电机的惯性，大干扰下(如频率波动范围在1～1.5Hz内)长时间参与基于频率变化率调频会使得风机惯性减小，导致风机短时根据频率-有功调频曲线发出较小有功功率后会引入更加影响电网频率恢复的巨大功率坑。
发明内容
本申请提供了一种风电机组参与区域电网快速调频的系统和方法，以解决现有风电场场站一次调频控制方法主要依靠场站控制系统，通讯延时长，风机频率响应慢，难于异步送端电网满足快速调频需要，且区域电网面临小干扰下系统频率波动频繁、大干扰下调频资源短缺、风机参与快速调频会导致机械寿命减少、风机在大干扰情况下基于频率变化率调频会引入更加影响电网频率恢复的巨大功率坑的问题。
本申请解决上述技术问题所采取的技术方案如下：
一种风电机组参与区域电网快速调频的系统，包括母线、主回路、旁路、智能电表、阻抗分压电路组和变频器PLL；
所述母线与风电机组配电变压器连接；
所述母线与所述旁路连接，所述旁路上设置有第一开关；
所述母线与所述主回路连接，所述主回路上设置有第二开关；
所述第一开关连接所述阻抗分压电路组，所述阻抗分压电路组的输出端连接所述变频器PLL的输入端；
所述变频器PLL和智能电表的输出端均与所述风机主控PLC连接。
可选的，所述智能电表安装在所述风电机组配电变压器并网点690V交流进线处。
可选的，所述智能电表，用于对所述风电机组配电变压器主回路上的电压信号进行瞬时频率测量，并将测量得到的频率经过模拟量-数字量-模拟量的转化，得到主回路上的频率变化率和频率变化量，并送至所述风机主控PLC；
所述变频器PLL，用于对所述风电机组配电变压器旁路上的电压信号进行计算，并将计算得到的频率通过模拟量-数字量-模拟量的转化，得到旁路上的频率变化率和频率变化量，并送至风机主控PLC；
所述风机主控PLC，用于接收所述智能电表和变频器PLL转化后的测量或计算结果，并根据所述结果控制风电机组进行轮级快速调频的切换。
可选的，所述阻抗分压电路组包括三个阻抗分压电路。
可选的，每个所述阻抗分压电路包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻的输入端和所述第二电阻的输入端分别与所述第一开关的输出端连接，所述第一电阻的输出端和第二电阻的输出端与所述变频器PLL的输入端连接。
一种风电机组参与区域电网快速调频的方法，所述方法包括以下步骤：
确定阻抗分压电路参数，根据阻抗分压电路参数，设置第一电阻值和第二电阻值，所述参数为R1/R2，R1为第一电阻值，R2为第二电阻值；
将风电机组参与区域电网快速调频的系统接入风机主控PLC和风电机组配电变压器之间；
断开第一开关、关闭第二开关，对主回路上风电机组配电变压器的电压信号进行瞬时频率测量，并将计算得到的频率通过模拟量-数字量-模拟量的转化，得到主回路上的频率变化率和频率变化量，并送至风机主控PLC；
断开第二开关、关闭第一开关，对旁路上风电机组配电变压器的电压信号进行瞬时频率测量，并将计算得到的频率通过模拟量-数字量-模拟量的转化，得到旁路上的频率变化率和频率变化量，并送至风机主控PLC；
当风机主控PLC接收到的主回路上的频率变化率超过死区、旁路上的频率变化率未超过死区并且变化率大于0，修改风机主控PLC控制，使得风机主控PLC根据主回路上的频率变化率按照风机主控PLC预先设置
Figure BDA0002473174270000031
功能和死区实现风电机组第一轮级快速调频；
当风机主控PLC接收到的主回路和旁路上的频率变化量均超过死区时，修改风机主控PLC，使得风机主控PLC根据旁路上的频率变化率按照风机主控PLC预先设置
Figure BDA0002473174270000032
功能和死区实现风电机组第二轮级快速调频。
可选的，所述确定阻抗分压电路参数的步骤，包括：
根据Ui/(R1+R2)＝Uo/R2，计算阻抗分压电路参数，其中，Ui为380V，Uo为风电机组配电变压器的电压值。
本申请提供的技术方案包括以下有益技术效果：
本申请提供了一种风电机组参与区域电网快速调频的系统和方法，该系统包括母线、主回路、旁路、智能电表、阻抗分压电路组和变频器PLL，其中，母线与风电机组配电变压器连接，所述变频器PLL和智能电表的输出端均与所述风机主控PLC连接，通过智能电表和变频器PLL对风电机组配电变压器主回路和旁路上电网频率变化进行监测，当智能电表监测的频率变化率超过死区、变频器PLL计算的频率变化率未超过死区并且变化率大于0，参与快速调频的风电场的风电机组按照预设的变化率调频进行单机快速调频响应；如果电网频率持续波动，当智能电表监测到的频率变化量和变频器PLL计算的频率变化量都超过死区时，参与快速调频的风电场的风电机组按照预设的变化量调频进行单机快速调频响应。本申请提供的风电机组参与区域电网快速调频的系统和方法，解决了现有新能源场站一次调频控制方法主要依靠场站控制系统，通讯延时长，风机频率响应慢，难于满足区域电网快速调频的需要，且区域电网面临小干扰下系统频率波动频繁、大干扰下调频资源短缺、风机参与快速调频会导致机械寿命减少、风机在大干扰情况下基于频率变化率调频会引入更加影响电网频率恢复的巨大功率坑的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的风电机组参与区域电网快速调频的系统；
图2为本申请实施例提供的阻抗分压电路的原理示意图；
图3为本申请实施例提供的风电机组参与区域电网快速调频的接线示意图；
图4为本申请实施例提供的风电机组参与区域电网快速调频的方法流程图。
附图标记说明：
1-风电机组配电变压器，2-母线，3-主回路，4-旁路，5-智能电表，6-阻抗分压电路组，7-变频器PLL，8-风机主控PLC，31-第二开关，41-第一开关，61-阻抗分压电路，611-第一电阻，612-第二电阻。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。
目前场站调频控制系统的调频方法采用基于变化量的调频方式，考虑不同能源形势的配合调频，一般情况下，主网端要求新能源场站基于变化量调频的死区为±0.05Hz，这导致现有的方法对于低于0.05Hz变化量的频率变化无法响应，使得小干扰下异步送端电网频率波动频繁，风电场并网点的频率不稳定，某风电场调频数据显示14个小时内需要风电机组参与调频200多次，调频的次数太多，对机组的机械载荷和寿命存在影响。
基于上述问题，本申请实施例提供了一种风电机组参与区域电网快速调频的系统，该系统包括母线、主回路、旁路、智能电表、阻抗分压电路组和变频器PLL，其中，母线与风电机组配电变压器连接，所述变频器PLL和智能电表的输出端均与所述风机主控PLC连接，通过智能电表和变频器PLL对风电机组配电变压器主回路和旁路上电网频率变化进行监测，当智能电表监测的频率变化率超过死区、变频器PLL计算的频率变化率未超过死区并且变化率大于0，参与快速调频的风电场的风电机组按照预设的变化率调频进行单机快速调频响应；如果电网频率持续波动，当智能电表监测到的频率变化量和变频器PLL计算的频率变化量都超过死区时，参与快速调频的风电场的风电机组按照预设的变化量调频进行单机快速调频响应。
请参考附图1，附图1为本申请实施例提供的风电机组参与区域电网快速调频系统的一种实施方式，如图1所示，本实施例提供的风电机组参与区域电网快速调频的系统，包括母线2、主回路3、旁路4、智能电表5、阻抗分压电路组6和变频器PLL7；
其中，母线2与风电机组配电变压器1连接；母线2与旁路4连接，旁路4上设置有第一开关41；母线2与主回路3连接，主回路3上设置有第二开关31；第一开关41连接阻抗分压电路组6，阻抗分压电路组6的输出端连接变频器PLL7的输入端；变频器PLL7和智能电表5的输出端均与风机主控PLC8连接。
需要说明的是，本实施例中的母线2为三项测试线，阻抗分压电路组6包括三个阻抗分压电路61，如图2所示，图2为该阻抗分压电路的原理示意图，如图2，每个阻抗分压电路61包括第一电阻611和第二电阻612，第一电阻611的输入端和第二电阻612的输入端分别与第一开关41的输出端连接，第一电阻611的输出端和第二电阻612的输出端与变频器PLL7的输入端连接。
作为一种实施方式，其中，智能电表5安装在风电机组配电变压器并网点690V交流进线处。
本实施例中，智能电表5，用于对风电机组配电变压器主回路上的电压信号进行瞬时频率测量，并将测量得到的频率经过模拟量-数字量-模拟量的转化，得到主回路上的频率变化率和频率变化量，并送至风机主控PLC8；变频器PLL7，用于对风电机组配电变压器旁路上的电压信号进行计算，并将计算得到的频率通过模拟量-数字量-模拟量的转化，得到旁路上的频率变化率和频率变化量，并送至风机主控PLC8；风机主控PLC8，用于接收智能电表和变频器PLL转化后的测量或计算结果，并根据结果控制风电机组进行轮级快速调频的切换。
基于上述实施方式提供的风电机组参与区域电网快速调频系统，将该系统按照如图3所示的方式接入到风机主控PLC和风电机组配电变压器之间，从而进行风电机组参与区域电网快速调频。本实施例还提供了该系统下风电机组参与区域电网快速调频的方法，该方法包括以下步骤：
确定阻抗分压电路参数，根据阻抗分压电路参数，设置第一电阻值和第二电阻值，参数为R1/R2，R1为第一电阻值，R2为第二电阻值；
断开第一开关41、关闭第二开关31，对主回路3上风电机组配电变压器的电压信号进行瞬时频率测量，并将计算得到的频率通过模拟量-数字量-模拟量的转化，得到主回路3上的频率变化率和频率变化量，并送至风机主控PLC8；
断开第二开关31、关闭第一开关41，对旁路4上风电机组配电变压器的电压信号进行瞬时频率测量，并将计算得到的频率通过模拟量-数字量-模拟量的转化，得到旁路4上的频率变化率和频率变化量，并送至风机主控PLC8；
当风机主控PLC8接收到的主回路3上的频率变化率超过死区、旁路4上的频率变化率未超过死区并且变化率大于0，修改风机主控PLC8控制，使得风机主控PLC8根据主回路3上的频率变化率按照风机主控PLC8预先设置
Figure BDA0002473174270000051
功能和死区实现风电机组第一轮级快速调频，式中，ΔP为有功功率变化量，Tj为发电机转动惯量；fN为系统额定频率，Hz；PN为额定功率，MW；主回路3上的智能电表5测量的频率范围广，精度高，可以实现0.03Hz甚至更小的频率测量，使得风电机组可以与火电机组一样参与电网频率波动的首轮调节。但是由于风机690V侧电能质量差、单一测量可靠性需要严格考虑；另外实际电网小干扰多，风机参与全部小干扰下频率调节会对风机机械寿命造成影响，需要有另外的频率测量手段实现频率范围的控制与保护。
当风机主控PLC接收到的主回路3和旁路4上的频率变化量均超过死区时，修改风机主控PLC，使得风机主控PLC根据旁路4上的频率变化率按照风机主控PLC预先设置
Figure BDA0002473174270000052
功能和死区实现风电机组第二轮级快速调频，式中，P为频率变化率下调功率，fd为快速频率响应动作门槛，PN为额定功率，δ％为调差率，P0为功率初值；由于新能源机组侧风机690V侧、光伏400V侧信号电能质量差，计算频率的精度智能电表5的精度和范围高于变频器PLL7计算的频率精度，例如采用智能电表能频率0.033Hz(即精度在0.001级)，变频器PLL计算只能达到0.5Hz(即精度在0.1级)。
上述方法中，确定阻抗分压电路参数的步骤，包括：
根据阻抗分压原理Ui/(R1+R2)＝Uo/R2，计算阻抗分压电路参数，其中，Ui为380V，Uo为风电机组配电变压器的电压值。阻抗分压电路为可调式阻抗分压电路如图2所示，基于阻抗分压原理Ui/(R1+R2)＝Uo/R2，690V作为输入，变频器PLL输入值为输出，根据实际需要，设置变比，690V即可降压后得到变频器PLL计算频率需要的二次量。
上述风电机组参与区域电网快速调频的方法可以总结概括为：
参与快速调频的风电机组智能电表首先监测到电网频率变化，当智能电表监测的频率变化率超过死区(例如0.033Hz)、变频器PLL计算的频率变化率未超过死区(例如0.05Hz)并且变化率大于0，参与快速调频的风电场的风电机组按照预设的变化率调频进行单机快速调频响应(即风机变化率调频(最快速调频)只在火电机组调频和水电机组调频空档期参与电网小干扰调频)；如果电网频率持续波动，当智能电表监测到的频率变化量和变频器PLL计算的频率变化量都超过死区时(例如0.1Hz)，参与快速调频的风电场的风电机组按照预设的变化量调频进行单机快速调频响应；其中死区和调频参数可以根据电网需要进行设定。
本申请实施例提供的风电机组参与区域电网快速调频的系统和方法，该系统包括母线、主回路、旁路、智能电表、阻抗分压电路组和变频器PLL，其中，母线与风电机组配电变压器连接，所述变频器PLL和智能电表的输出端均与所述风机主控PLC连接，通过智能电表和变频器PLL对风电机组配电变压器主回路和旁路上电网频率变化进行监测，当智能电表监测的频率变化率超过死区、变频器PLL计算的频率变化率未超过死区并且变化率大于0，参与快速调频的风电场的风电机组按照预设的变化率调频进行单机快速调频响应；如果电网频率持续波动，当智能电表监测到的频率变化量和变频器PLL计算的频率变化量都超过死区时，参与快速调频的风电场的风电机组按照预设的变化量调频进行单机快速调频响应。本申请提供的风电机组参与区域电网快速调频的系统和方法，解决了现有新能源场站一次调频控制方法主要依靠场站控制系统，通讯延时长，风机频率响应慢，难于满足区域电网快速调频的需要，且区域电网面临小干扰下系统频率波动频繁、大干扰下调频资源短缺、风机参与快速调频会导致机械寿命减少、风机在大干扰情况下基于频率变化率调频会引入影响电网频率恢复的巨大的功率坑的问题。
需要说明的是，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (7)

1.一种风电机组参与区域电网快速调频的系统，其特征在于，包括母线、主回路、旁路、智能电表、阻抗分压电路组和变频器PLL；
所述母线与风电机组配电变压器连接；
所述母线与所述旁路连接，所述旁路上设置有第一开关；
所述母线与所述主回路连接，所述主回路上设置有第二开关；
所述第一开关连接所述阻抗分压电路组，所述阻抗分压电路组的输出端连接所述变频器PLL的输入端；
所述变频器PLL和智能电表的输出端均与所述风机主控PLC连接。
2.根据权利要求1所述的风电机组参与区域电网快速调频的系统，其特征在于，所述智能电表安装在所述风电机组配电变压器并网点690V交流进线处。
3.根据权利要求1所述的风电机组参与区域电网快速调频的系统，其特征在于，
所述智能电表，用于对所述风电机组配电变压器主回路上的电压信号进行瞬时频率测量，并将测量得到的频率经过模拟量-数字量-模拟量的转化，得到主回路上的频率变化率和频率变化量，并送至所述风机主控PLC；
所述变频器PLL，用于对所述风电机组配电变压器旁路上的电压信号进行计算，并将计算得到的频率通过模拟量-数字量-模拟量的转化，得到旁路上的频率变化率和频率变化量，并送至风机主控PLC；
所述风机主控PLC，用于接收所述智能电表和变频器PLL转化后的测量或计算结果，并根据所述结果控制风电机组进行轮级快速调频的切换。
4.根据权利要求1所述的风电机组参与区域电网快速调频的系统，其特征在于，所述阻抗分压电路组包括三个阻抗分压电路。
5.根据权利要求4所述的风电机组参与区域电网快速调频的系统，其特征在于，每个所述阻抗分压电路包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻的输入端和所述第二电阻的输入端分别与所述第一开关的输出端连接，所述第一电阻的输出端和第二电阻的输出端与所述变频器PLL的输入端连接。
6.一种风电机组参与区域电网快速调频的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
确定阻抗分压电路参数，根据阻抗分压电路参数，设置第一电阻值和第二电阻值，所述参数为R1/R2，R1为第一电阻值，R2为第二电阻值；
将风电机组参与区域电网快速调频的系统接入风机主控PLC和风电机组配电变压器之间；
断开第一开关、关闭第二开关，对主回路上风电机组配电变压器的电压信号进行瞬时频率测量，并将计算得到的频率通过模拟量-数字量-模拟量的转化，得到主回路上的频率变化率和频率变化量，并送至风机主控PLC；
断开第二开关、关闭第一开关，对旁路上风电机组配电变压器的电压信号进行瞬时频率测量，并将计算得到的频率通过模拟量-数字量-模拟量的转化，得到旁路上的频率变化率和频率变化量，并送至风机主控PLC；
当风机主控PLC接收到的主回路上的频率变化率超过死区、旁路上的频率变化率未超过死区并且变化率大于0，修改风机主控PLC控制，使得风机主控PLC根据主回路上的频率变化率按照风机主控PLC预先设置功能和死区实现风电机组第一轮级快速调频；
当风机主控PLC接收到的主回路和旁路上的频率变化量均超过死区时，修改风机主控PLC，使得风机主控PLC根据旁路上的频率变化率按照风机主控PLC预先设置
Figure FDA0002473174260000022
功能和死区实现风电机组第二轮级快速调频。
7.根据权利要求6所述的风电机组参与区域电网快速调频的方法，其特征在于，所述确定阻抗分压电路参数的步骤，包括：
根据Ui/(R1+R2)＝Uo/R2，计算阻抗分压电路参数，其中，Ui为380V，Uo为风电机组配电变压器的电压值。
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