CN111614104A - 一种检测风电场快速频率响应功能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种检测风电场快速频率响应功能的方法，风电场利用有功控制系统、单机或加装独立控制装置完成有功‑频率下垂特性控制，快速频率响应有功‑频率下垂特性通过设定频率与有功功率折线函数实现，使其在并网点具备参与电网频率快速响应功能，完成快速频率响应功能改造；风电场完成快速频率响应功能改造后，通过数据记录分析仪、频率信号发生装置等仪器开展频率阶跃扰动试验、模拟实际电网频率扰动试验，验证风电场是否具备快速频率响应功能，保证在风电容量不断增加条件下电网频率稳定。

Description

一种检测风电场快速频率响应功能的方法
技术领域
本发明涉及新能源发电技术领域，具体的，涉及一种检测风电场快速频率响应功能的方法。
背景技术
着经济社会发展，能源生产和消费持续增长，化石能源的大量开发和使用，导致资源紧张，环境污染，气候变暖，冰川消融，海平面上升等突出问题，严重威胁人类生存和可持续发展。据统计，我国煤炭，石油，天然气储产比分别为31年，11.9年和28年，远低于世界平均水平；能源消费总量达37.5亿吨标准煤，约占世界能源消费总量的22％；石油和天然气对外依存度分别达到58.6％，和31.6％，能源形势尤为严峻。光伏、风电等新能源不仅具备清洁高效、可再生的特点，而且储量丰富。自此我国开始倡导清洁能源的高效利用，进行能源结构转型，实现清洁替代。风电是新能源发电中技术发展最快、装机规模最大。2018年中国风电新增装机容量2114万千瓦，累计装机容量达到2.1亿千瓦。2019年我国风电装机量将达到2.23亿千瓦，未来五年(2019-2023)年均复合增长率约为9.02％，2023年将达到3.15亿千瓦。
电力系统的频率反映了发电量与用电量的平衡情况，是衡量电能质量的要素之一，电力系统的频率取决于接入系统的同步发电机的转速，系统频率主要依靠传统汽轮机调速系统来实现一次调整。随着风能的大力发展，风电等清洁能源减少了发电过程中对化石燃料的依赖，最终将会在电力系统中占主体地位。然而当风力发电取代火力发电大规模接入系统时，系统频率质量将受到挑战。
风力发电需要考虑系统电压、频率、故障时迅速脱网等问题，并能够抵抗一定异常情况。研究风力发电对系统频率影响需考虑两方面内容，从一次能源特性角度可知，风速具有间歇性和波动性，其对应产生出的电能不加控制接入系统，可能带来系统有功功率的随机增加和减少，影响频率调节，也会增加系统额外的旋转备用；从现有风力发电机组结构分析，其采用电力电子技术作为依托，通过网侧逆变器将风力发电机组与电网分开，使得有功功率和无功功率控制能够解耦，将系统与风力发电机隔离，失去了与系统的物理联系。如果这种并网风力发电机组不参与系统的频率调节，便不能够依据系统频率的偏差增发或减发输出有功功率，在系统有功功率不平衡时，无法响应系统变化的频率，不利于系统频率的稳定。
在不增加频率控制环节的条件下，风电场穿透功率越大，即风电注入电力系统的比重越大，系统就越不稳定。不断增加的风电容量可能导致更严重的频率偏移，频率扰动现象会更加明显。在负荷动态变化的过程中，如果风电机组逐步替代火电机组，仅仅提供充分的旋转动能和备用是不够的，仍旧需要增加合适的控制环节，才能够避免频率震荡。因此，当风力发电机组大规模替代传统发电机组接入系统时，必须具备与传统发电机组相似的频率响应能力。
风电场完成快速频率响应功能改造后，应该在风电场并网点通过现场试验验证是否具备快速频率响应功能，然而现有检测手段在检测效率、检测效果和经济性等方面存在不足，给电网运行和管理带来了一系列挑战。
发明内容
本发明适用于新能源发电技术领域，提供了一种检测风电场快速频率响应功能的方法，风电场穿透功率越大，即风电注入电力系统的比重越大，系统就越不稳定；不断增加的风电容量可能导致更严重的频率偏移，频率扰动现象会更加明显。因此，当风力发电机组大规模替代传统发电机组接入系统时，采用本方法具备与传统发电机组相似的频率响应能力。
为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：
一种检测风电场快速频率响应功能的方法，风电场利用有功控制系统、单机或加装独立控制装置完成有功-频率下垂特性控制，快速频率响应有功-频率下垂特性通过设定频率与有功功率折线函数实现，使其在并网点具备参与电网频率快速响应功能，完成快速频率响应功能改造。
作为本发明的进一步改进，
开展风电场快速频率响应功能检测采用频率信号发生装置模拟场站并网点PT的二次侧信号，给出频率试验信号，并发送给新能源场站调频控制系统测频单元，由检测装置记录并网点电压、电流和频率信号。
作为本发明的进一步改进，
所述风电场快速频率响应功能检测包括：频率阶跃扰动试验和模拟实际电网频率扰动试验。
作为本发明的进一步改进，
所述检测装置包括数据记录分析仪、频率信号发生装置以及相应测试线。
作为本发明的进一步改进，
频率与有功功率折线函数式为：
Figure BDA0002500696530000031
式中：f为频率，其单位为Hz；fd为快速频率响应死区，其单位为Hz；fn为系统额定频率，其单位为50Hz；Pn为新能源场站额定功率，其单位为MW；δ％为新能源场站快速频率响应调差率；P0为新能源场站有功功率初值，其单位为MW。
作为本发明的进一步改进，
所述频率阶跃扰动试验检测风电场在频率阶跃扰动情况下的响应特性，包括阶跃上扰和阶跃下扰；频率阶跃扰动试验期间新能源场站保持稳定运行，采集的测试数据覆盖频率阶跃波动范围，场站功率调节稳定后进行下一项试验。
作为本发明的进一步改进，
所述模拟实际电网频率扰动试验检测风电场在模拟电网实际频率扰动情况下的响应特性，期间风电场保持稳定运行，采集的测试数据覆盖频率波动范围，场站功率调节稳定后进行下一项试验。
作为本发明的进一步改进，
所述数据记录分析仪采集并网点电压、电流所用的电压互感器和电流互感器的精度不低于0.2级，数据分析仪的采样频率不低于20kHz，带宽应不小于2.5kHz。
作为本发明的进一步改进，
所述频率信号发生装置为三相四线式输出；其电压输出范围宽于0～130V，输出电压误差低于±0.1％；频率输出范围宽于1～100Hz，频率误差低于0.002Hz；相位输出范围为0～360°，相位输出误差低于±0.1°。
作为本发明的进一步改进，
所述频率信号发生装置的信号发生周期不大于100ms，进行电压和频率曲线编辑。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明提供了一种检测风电场快速频率响应功能的方法；风电场利用有功控制系统、单机或加装独立控制装置完成有功-频率下垂特性控制，该控制通过设定频率与有功功率折线函数实现，使其在并网点具备参与电网频率快速响应功能。风电场完成快速频率响应功能改造后，通过数据记录分析仪、频率信号发生装置等仪器开展频率阶跃扰动试验、模拟实际电网频率扰动试验，验证风电场是否具备快速频率响应功能，保证在风电容量不断增加条件下电网频率稳定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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是风电场快速频率响应有功-频率下垂特性示意图；
图2是现场试验接线示意图；
图3是频率阶跃下扰时的有功响应波形；
图4是频率下扰时的有功响应波形；
图5是快速频率响应测试工况表；
图6是频率阶跃扰动试验内容表；
图7是频率阶跃扰动试验表；
图8是模拟电网频率扰动试验内容表；
图9是模拟电网频率扰动试验表。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。
因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
本发明所要解决的技术问题是提供一种检测风电场快速频率响应功能的方法及装置。本发明解决其技术问题所采用的技术方案：
(1)风电场利用相应的有功控制系统、单机或加装独立控制装置完成有功-频率下垂特性控制，快速频率响应有功-频率下垂特性通过设定频率与有功功率折线函数实现，即：
Figure BDA0002500696530000051
式中：fd为快速频率响应死区，Hz；fn为系统额定频率，50Hz；Pn为新能源场站额定功率，MW；δ％为新能源场站快速频率响应调差率；P0为新能源场站有功功率初值，MW。
风电场快速频率响应死区±0.1Hz，快速频率响应限幅≥10％Pn，调差率2％，快速频率响应有功-频率下垂特性曲线见附图1。
(2)测试前风电场内的风电机组应处于正常运行状态，处于故障停机的风电机组容量比例应不超过5％。不同的测试项目应分别在对应的工况下完成现场试验，测试工况按照图5所示表1定义。
(3)现场试验采用频率信号发生装置模拟场站并网点PT的二次侧信号，给出频率试验信号，并发送给风电场调频控制系统测频单元，测试接线如附图2所示。风电场快速频率响应控制系统的测量单元应支持信号发生装置的信号接入。在接入频率信号发生装置的模拟信号(三相四线)前，需采用电气隔离的方式断开原有的并网侧PT信号与快速频率响应控制系统的电气连接。
(4)频率阶跃扰动试验按照图6所示表2的内容测试风电场在频率阶跃扰动情况下的响应特性，对表2中每项测试分别进行两次试验。试验期间风电场应保持稳定运行，采集的测试数据应覆盖频率阶跃波动范围，场站功率调节稳定后进行下一项试验。以阶跃下扰为例，如附图3所示，依据频率阶跃下扰时的有功响应波形计算响应时间、控制偏差等参数，同理计算阶跃上扰参数，如图7所示表3。
(5)模拟实际频率扰动试验应按照图8所示表4的内容测试风电场在模拟电网实际频率扰动(选取典型)情况下的响应特性，对于表4中的每种测试工况应分别进行两次试验。试验期间风电场应保持稳定运行，采集的测试数据应覆盖频率波动范围。以波动下扰为例，如附图4所示，依据频率下扰时的有功响应波形计算参数，同理计算波动上扰参数，如图9所示表5。
模拟电网频率扰动试验中；快速频率响应出力响应合格率：在频率变化超过快速频率响应死区下限(或上限)开始至快速频率响应应动作时间内(如果时间超过60秒，则按60秒计算)，风电场实际最大出力调整量占理论最大出力调整量的百分比。
快速频率响应积分电量合格率：在频率变化超过快速频率响应死区下限(或上限)开始至快速频率响应动作时间内(如果时间超过60秒，则按60秒计算)，风电场快速频率响应实际贡献电量占理论贡献电量的百分比。
快速频率响应合格率等于快速频率响应出力响应合格率和快速频率响应积分电量合格率的代数平均值。应不小于60％。
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；作为本领域技术人员对本发明的多个技术方案进行组合是显而易见的。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实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种检测风电场快速频率响应功能的方法，其特征在于：风电场利用有功控制系统、单机或加装独立控制装置完成有功-频率下垂特性控制，快速频率响应有功-频率下垂特性通过设定频率与有功功率折线函数实现，使其在并网点具备参与电网频率快速响应功能，完成快速频率响应功能改造。
2.根据权利要求1所述的一种检测风电场快速频率响应功能的方法，其特征在于：开展风电场快速频率响应功能检测采用频率信号发生装置模拟场站并网点PT的二次侧信号，给出频率试验信号，并发送给新能源场站调频控制系统测频单元，由检测装置记录并网点电压、电流和频率信号。
3.根据权利要求2所述的一种检测风电场快速频率响应功能的方法，其特征在于：所述风电场快速频率响应功能检测包括：频率阶跃扰动试验和模拟实际电网频率扰动试验。
4.根据权利要求2所述的一种检测风电场快速频率响应功能的方法，其特征在于：所述检测装置包括数据记录分析仪、频率信号发生装置以及相应测试线。
5.根据权利要求2所述的一种检测风电场快速频率响应功能的方法，其特征在于：频率与有功功率折线函数式为：
Figure FDA0002500696520000011
式中：f为频率，其单位为Hz；fd为快速频率响应死区，其单位为Hz；fn为系统额定频率，其单位为50Hz；Pn为新能源场站额定功率，其单位为MW；δ％为新能源场站快速频率响应调差率；P0为新能源场站有功功率初值，其单位为MW。
6.根据权利要求3所述的一种检测风电场快速频率响应功能的方法，其特征在于：所述频率阶跃扰动试验检测风电场在频率阶跃扰动情况下的响应特性，包括阶跃上扰和阶跃下扰；频率阶跃扰动试验期间新能源场站保持稳定运行，采集的测试数据覆盖频率阶跃波动范围，场站功率调节稳定后进行下一项试验。
7.根据权利要求3所述的一种检测风电场快速频率响应功能的方法，其特征在于：所述模拟实际电网频率扰动试验检测风电场在模拟电网实际频率扰动情况下的响应特性，期间风电场保持稳定运行，采集的测试数据覆盖频率波动范围，场站功率调节稳定后进行下一项试验。
8.根据权利要求4所述的一种检测风电场快速频率响应功能的方法，其特征在于：所述数据记录分析仪采集并网点电压、电流所用的电压互感器和电流互感器的精度不低于0.2级，数据分析仪的采样频率不低于20kHz，带宽应不小于2.5kHz。
9.根据权利要求4所述的一种检测风电场快速频率响应功能的方法，其特征在于：所述频率信号发生装置为三相四线式输出；其电压输出范围宽于0～130V，输出电压误差低于±0.1％；频率输出范围宽于1～100Hz，频率误差低于0.002Hz；相位输出范围为0～360°，相位输出误差低于±0.1°。
10.根据权利要求9所述的一种检测风电场快速频率响应功能的方法，其特征在于：所述频率信号发生装置的信号发生周期不大于100ms，进行电压和频率曲线编辑。
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