CN111786424A - 一种风电场惯量响应及一次调频潜力的量化评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风电场惯量响应及一次调频潜力的量化评估方法，首先对风机不同输入风速和预留减载水平下所采取的一次调频方式进行区间划分。基于日前风速预测曲线，判断不同时段风机是否能参与系统调频及调频采用的有功控制策略，计算对应不同预留减载水平下风机参考转速和可释放的最大转子动能。最后，根据不同时刻风机运行风速和预留减载水平对应的一次调频策略，计算不同调频策略提供的备用功率。本发明可以准确定位风电场不同外界条件下一次调频方式和量化调频潜力，为实际工程提供指导。本发明方法应用于大规模风电调频控制中，能准确评估风电场调频潜力、为有功调度提供参考，有助于高风电占比系统运行的稳定性。

Description

一种风电场惯量响应及一次调频潜力的量化评估方法
技术领域
本发明涉及电力系统频率稳定控制领域，尤其涉及一种风电场惯量响应及一次调频潜力的量化评估方法。
背景技术
随着电网中风电渗透率的不断提升，风电机组通过变频器接入电网，降低了系统的有效惯量，容易使系统发生较大的频率偏移。风电机组占比日益提高降低了系统应对扰动的能力，系统调频容量不足，对电网的安全稳定运行带来挑战。为减小风电渗透率的提高对系统惯量及频率稳定性造成的不利影响，一方面，风电场通过有功控制策略，通过释放转子动能响应电网频率变化；另一方面，风电机组进行减载控制实现持续有功功率储备从而具有一次调频能力，降低传统机组备用容量压力，提高风电接入系统的整体经济性。
现有的研究主要集中在风电场的有功控制策略制定以及各种调频策略之间的协调配合，对考虑风电场内风机所蕴含的调频潜力研究还比较匮乏。此外，现有对风机功率备用的研究存在一定的局限性，如风电场不同一次调频方式之间存在一定时间尺度的差异，在对风机调频潜力评估时应分别对不同调频方式的潜力进行量化分析。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种风电场惯量响应及一次调频潜力的量化评估方法，能够准确评估风电机组蕴含调频潜力。
为达到上述目的，本发明采用的方法是：一种风电场惯量响应及一次调频潜力的量化评估方法，包括以下步骤：
步骤1：假设风电机组优先采用超速减载控制，根据不同风机一次调频方式运行特点，对超速减载控制、桨距角控制和两者共同作用下所处于预留减载水平和运行风速区间进行划分。
步骤2：基于日前风速预测曲线，判断各时刻风机是否能参与调频，对于可参与系统调频时刻，根据步骤1中的运行区间的划分方法，确定当前风速下实现预留减载水平的采用的一次调频方式，求解不同预留减载水平下的风机参考转速和最大可释放转子动能。
步骤3：根据风机预留减载水平和参考转速，计算不同时刻超速减载控制与桨距角控制的备用功率。
作为本发明的优选，步骤1中，假设风电机组优先采用超速减载控制，根据不同风机一次调频方式运行特点，对超速减载控制、桨距角控制和两者共同作用下所处于预留减载水平和运行风速区间进行划分，具体如下：
风机的输出可以表示为：
Figure BDA0002519326760000021
式中，ρ为空气密度，Cp为风能利用系数，与风机叶尖速比和桨距角有关，R为风轮半径，v为风机输入风速。
其中，
Figure BDA0002519326760000022
式中，λ为风机叶尖速比，β为风机桨距角，v为风机输入风速。
设风机一次调频初始减载d％运行，减载运行后风机的有功输出可以表示为：
Figure BDA0002519326760000023
式中，P1为风机最大功率跟踪时的有功输出，ρ为空气密度，Cpde为减载后风机风能利用系数，Cpmax为风机最大功率跟踪时风能利用系数，R为风轮半径，v为风机的实际输入风速。
对于恒定外界风速下，减载水平是通过影响风能利用系数的大小改变风机输出有功。风能利用系数可表示为关于ω、v和β的表达式。
假设风机有功控制过程中优先采用超速减载控制实现预期减载水平，因此每一预留减载水平存在唯一的最大临界风速与之对应，当前风速超过临界风速时，必须采用超速减载控制与桨距角控制共同作用实现预留减载方案。单独超速减载控制时β＝0，临界风速与预留减载水平存在唯一的对应关系：
(1-d％)Cpmax-Cpde＝(1-d％)Cp(ωopt,vlim,0)-Cp(ωmax,vlim,0)＝0
式中，Cpde为减载后风机风能利用系数，Cpmax为风机最大功率跟踪时风能利用系数，vlim为预留减载水平d％时对应的唯一临界风速，ωopt为vlim根据最优叶尖速比对应的唯一转速，ωmax为风机风轮最大转速。
通过上式可以计算各预留减载水平对应的唯一临界风速，拟合得到预留减载水平和临界风速关系曲线。
当风速低于临界风速时，风机采用超速减载控制实现预留减载水平；当风速高于临界风速且低于额定风速时，风机采用超速减载控制与桨距角控制共同作用实现预留减载水平；当风速高于额定风速时，风机采用桨距角控制实现预留减载水平。
作为本发明的优选，步骤2中基于日前风速预测曲线，判断各时刻风机是否能参与调频，对于可参与系统调频时刻，根据步骤1中的运行区间的划分方法，确定当前风速下实现预留减载水平的采用的一次调频方式，求解不同预留减载水平下的风机参考转速和最大可释放转子动能。其具体步骤为：
当风速低于临界风速时，d％预留减载水平下，风机的参考转速可通过下式计算：
(1-d％)Cpmax-Cpde＝(1-d％)Cp(ωopt,v,0)-Cp(ω,v,0)＝0
式中，Cpde为减载后风机风能利用系数，Cpmax为风机最大功率跟踪时风能利用系数，v为风机的实际输入风速，ωopt为根据最优叶尖速比对应的唯一转速，ω为待求参考转速。
当风速高于临界风速时，d％预留减载水平下，风机的参考转速等于风机风轮最大转速：
ω＝ωmax
风机最大可释放转子动能可表示为：
Figure BDA0002519326760000033
式中，H为风机固有惯性时间常数，ω为风机参考转速，ωmin为风机参与调频转速下限。
作为本发明的优选，步骤3中根据风机预留减载水平和参考转速，计算不同时刻超速减载控制与桨距角控制的备用功率，其具体步骤为：
设定风机初始减载d％运行，风机的有功总备用功率ΔPde可以表示为：
Figure BDA0002519326760000031
式中，Cpmax为风机最大功率跟踪时风能利用系数，R为风轮半径，v为风机的实际输入风速，ΔPde1为风机通过超速减载控制实现的备用功率，ΔPde2为风机通过桨距角控制实现的备用功率。
设d％预留减载水平下参考转速为ω，风机输入风速为v，风机超速减载控制的备用功率ΔPde1可表示：
Figure BDA0002519326760000032
式中，ρ为空气密度，，Cpmax为风机最大功率跟踪时风能利用系数，R为风轮半径。
风机桨距角控制的备用功率ΔPde2可表示：
ΔPde2＝ΔPde-ΔPde1
式中，ΔPde为风机的有功总备用功率，ΔPde1为风机通过超速减载控制实现的备用功率。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
可以实现风电场间以及风电场内风机参与系统调频时惯量响应和一次调频潜力的准确量化评估，不同一次调频方式下备用功率准确计算，为系统调度提供参考。
附图说明
图1为本发明所提方法的一次调频区间划分图；
图2为验证本发明所提方法的风速预测曲线；
图3为采用本发明所提方法后风机最大可释放转子动能；
图4为采用本发明所提方法后风机超速减载备用功率；
图5为采用本发明所提方法后风机变桨距控制备用功率；
图6为本发明所提方法实现的流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明，
如图6所示为本发明所提策略实现的流程图。本实施例公开了一种风电场惯量响应及一次调频潜力的量化评估方法，包括以下步骤：
步骤1：假设风电机组优先采用超速减载控制，根据不同风机一次调频方式运行特点，对超速减载控制、桨距角控制和两者共同作用下所处于预留减载水平和运行风速区间进行划分；风机参与调频运行风速下限为7m/s，风机额定运行风速为12m/s，具体结合图1，具体如下：
假设风电机组优先采用超速减载控制，根据不同风机一次调频方式运行特点，对超速减载控制、桨距角控制和两者共同作用下所处于预留减载水平和运行风速区间进行划分，具体如下：
风机的输出可以表示为：
Figure BDA0002519326760000041
式中，ρ为空气密度，Cp为风能利用系数，与风机叶尖速比和桨距角有关，R为风轮半径，v为风机输入风速。
其中，
Figure BDA0002519326760000051
式中，λ为风机叶尖速比，β为风机桨距角，v为风机输入风速。
设风机一次调频初始减载d％运行，减载运行后风机的有功输出可以表示为：
Figure BDA0002519326760000052
式中，P1为风机最大功率跟踪时的有功输出，ρ为空气密度，Cpde为减载后风机风能利用系数，Cpmax为风机最大功率跟踪时风能利用系数，R为风轮半径，v为风机的实际输入风速。
对于恒定外界风速下，减载水平是通过影响风能利用系数的大小改变风机输出有功。风能利用系数可表示为关于ω、v和β的表达式。
假设风机有功控制过程中优先采用超速减载控制实现预期减载水平，因此每一预留减载水平存在唯一的最大临界风速与之对应，当前风速超过临界风速时，必须采用超速减载控制与桨距角控制共同作用实现预留减载方案。单独超速减载控制时β＝0，临界风速与预留减载水平存在唯一的对应关系：
(1-d％)Cpmax-Cpde＝(1-d％)Cp(ωopt,vlim,0)-Cp(ωmax,vlim,0)＝0
式中，Cpde为减载后风机风能利用系数，Cpmax为风机最大功率跟踪时风能利用系数，vlim为预留减载水平d％时对应的唯一临界风速，ωopt为vlim根据最优叶尖速比对应的唯一转速，ωmax为风机风轮最大转速。
通过上式可以计算各预留减载水平对应的唯一临界风速，拟合得到预留减载水平和临界风速关系曲线，如图1所示一次调频区间划分图中。
当风速低于临界风速时，风机采用超速减载控制实现预留减载水平，定义该区域为区域1。
当风速高于临界风速且低于额定风速时，风机采用超速减载控制与桨距角控制共同作用实现预留减载水平，定义该区域为区域2。
当风速高于额定风速时，风机采用桨距角控制实现预留减载水平，定义该区域为区域3。
步骤2：基于日前风速预测曲线，判断各时刻风机是否能参与调频，对于可参与系统调频时刻，根据步骤1中的运行区间的划分方法，确定当前风速下实现预留减载水平的采用的一次调频方式，求解不同预留减载水平下的风机参考转速和最大可释放转子动能；日前风速预测曲线选取某地日前1h风速预测曲线，预测间隔为1min，共24个风速预测点，风机固有惯性时间常数为5.04，风机转速上下限分别0.7p.u.和1.2p.u.，具体结合图2，具体如下：
当风速低于临界风速时，d％预留减载水平下，风机的参考转速可通过下式计算：
(1-d％)Cpmax-Cpde＝(1-d％)Cp(ωopt,v,0)-Cp(ω,v,0)＝0
式中，v为风机的实际输入风速，ωopt为根据最优叶尖速比对应的唯一转速，ω为待求参考转速。
当风速高于临界风速时，d％预留减载水平下，风机的参考转速等于风机风轮最大转速：
ω＝ωmax
风机最大可释放转子动能可表示为：
Figure BDA0002519326760000063
式中，H为风机固有惯性时间常数，ω为风机参考转速，ωmin为风机参与调频转速下限。
步骤3：根据风机预留减载水平和参考转速，计算不同时刻超速减载控制与桨距角控制的备用功率，具体结合图3、图4和图5，具体如下：
根据风机预留减载水平和参考转速，计算不同时刻超速减载控制与桨距角控制的备用功率。
设定风机初始减载d％运行，风机的有功总备用功率ΔPde可以表示为：
Figure BDA0002519326760000061
式中，Cpmax为风机最大功率跟踪时风能利用系数，R为风轮半径，v为风机的实际输入风速，ΔPde1为风机通过超速减载控制实现的备用功率，ΔPde2为风机通过桨距角控制实现的备用功率。
设d％预留减载水平下参考转速为ω，风机输入风速为v，风机超速减载控制的备用功率ΔPde1可表示：
Figure BDA0002519326760000062
式中，ρ为空气密度，Cpmax为风机最大功率跟踪时风能利用系数，R为风轮半径。
风机桨距角控制的备用功率ΔPde2可表示：
ΔPde2＝ΔPde-ΔPde1
式中，ΔPde为风机的有功总备用功率，ΔPde1为风机通过超速减载控制实现的备用功率。

Claims (4)

1.一种风电场惯量响应及一次调频潜力的量化评估方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：假设风电机组优先采用超速减载控制，根据不同风机一次调频方式运行特点，对超速减载控制、桨距角控制和两者共同作用下下所处于预留减载水平和运行风速区间进行划分；
步骤2：基于日前风速预测曲线，判断各时刻风机是否能参与调频，对于可参与系统调频时刻，根据步骤1中的运行区间的划分方法，确定当前风速下实现预留减载水平的采用的一次调频方式，求解不同预留减载水平下的风机参考转速和最大可释放转子动能；
步骤3：根据风机预留减载水平和参考转速，计算不同时刻超速减载控制与桨距角控制的备用功率。
2.根据权利要求1所述的一种风电场惯量响应及一次调频潜力的量化评估方法，其特征在于：
所述的步骤1具体如下：
风机的输出可以表示为：
Figure FDA0002519326750000011
式中，ρ为空气密度，Cp为风能利用系数，R为风轮半径，v为风机输入风速；
其中，
Figure FDA0002519326750000012
式中，λ为风机叶尖速比，β为风机桨距角，v为风机输入风速，
设风机一次调频初始减载d％运行，减载运行后风机的有功输出可以表示为：
Figure FDA0002519326750000013
式中，P1为风机最大功率跟踪时的有功输出，ρ为空气密度，Cpde为减载后风机风能利用系数，Cpmax为风机最大功率跟踪时风能利用系数，R为风轮半径，v为风机的实际输入风速；
当前风速超过临界风速时，采用超速减载控制与桨距角控制共同作用实现预留减载方案，单独超速减载控制时β＝0，临界风速与预留减载水平存在唯一的对应关系：
(1-d％)Cpmax-Cpde＝(1-d％)Cp(ωopt，vlim，0)-Cp(ωmax，vlim，0)＝0
式中，Cpde为减载后风机风能利用系数，Cpmax为风机最大功率跟踪时风能利用系数，vlim为预留减载水平d％时对应的唯一临界风速，ωopt为vlim根据最优叶尖速比对应的唯一转速，ωmax为风机风轮最大转速；
通过上式计算各预留减载水平对应的唯一临界风速，拟合得到预留减载水平和临界风速关系曲线；
当风速低于临界风速时，风机采用超速减载控制实现预留减载水平；当风速高于临界风速且低于额定风速时，风机采用超速减载控制与桨距角控制共同作用实现预留减载水平；当风速高于额定风速时，风机采用桨距角控制实现预留减载水平。
3.根据权利要求1所述的一种风电场惯量响应及一次调频潜力的量化评估方法，其特征在于：
所述的步骤2具体为：
当风速低于临界风速时，d％预留减载水平下，风机的参考转速可通过下式计算：
(1-d％)Cpmax-Cpde＝(1-d％)Cp(ωopt，v，0)-Cp(ω，v，0)＝0
式中，Cpde为减载后风机风能利用系数，Cpmax为风机最大功率跟踪时风能利用系数，v为风机的实际输入风速，ωopt为根据最优叶尖速比对应的唯一转速，ω为待求参考转速；
当风速高于临界风速时，d％预留减载水平下，风机的参考转速等于风机风轮最大转速：
ω＝ωmax
风机最大可释放转子动能可表示为：
Figure FDA0002519326750000021
式中，H为风机固有惯性时间常数，ω为风机参考转速，ωmin为风机参与调频转速下限。
4.根据权利要求1所述的一种风电场惯量响应及一次调频潜力的量化评估方法，其特征在于：
所述的步骤3具体为：
设定风机初始减载d％运行，风机的有功总备用功率ΔPde可以表示为：
Figure FDA0002519326750000022
式中，Cpmax为风机最大功率跟踪时风能利用系数，R为风轮半径，v为风机的实际输入风速，ΔPde1为风机通过超速减载控制实现的备用功率，ΔPde2为风机通过桨距角控制实现的备用功率；
设d％预留减载水平下参考转速为ω，风机输入风速为v，风机超速减载控制的备用功率ΔPde1可表示：
Figure FDA0002519326750000031
式中，ρ为空气密度，Cpmax为风机最大功率跟踪时风能利用系数，R为风轮半径；
风机桨距角控制的备用功率ΔPde2可表示：
ΔPde2＝ΔPde-ΔPde1
式中，ΔPde为风机的有功总备用功率，ΔPde1为风机通过超速减载控制实现的备用功率。
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