CN112636374B - 用于风电场站的一次调频和虚拟惯量响应控制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于风电场站的一次调频和虚拟惯量响应控制方法及装置，涉及电网调频技术领域，风电场站包括风电机组和与风电机组连接的集中式飞轮储能阵列系统，该方法包括：接收自动发电控制系统下发的指令信息，实时获取风电场站并网点处的电压、电流和电网频率；根据电压、电流、电网频率及电网频率对应的频率变化率，控制风电机组和集中式飞轮储能阵列系统进行一次调频或虚拟惯量响应。本发明在风电场站中配置了集中式飞轮储能阵列系统，通过控制集中式飞轮储能阵列系统充放电来参与电网一次频率和虚拟惯量响应，实现了风电机组在全工况运行下具有一次调频和惯量响应能力，提高了风电机组的稳定性和抗扰性，提高了风电场站运行的经济性。

Description

用于风电场站的一次调频和虚拟惯量响应控制方法及装置
技术领域
本发明涉及电网调频技术领域，尤其是涉及一种用于风电场站的一次调频和虚拟惯量响应控制方法及装置。
背景技术
目前，新能源已逐渐应用于电网中，新能源发电技术在未来也必将成为主要电力供应手段。新能源大规模接入电网时，会挤占常规机组开机空间，使得系统转动惯量降低，调频能力下降，导致电网频率变化加快、波动幅度增大、稳态频率偏差增大，进而导致越限风险增加。由于新能源发电设备不具备响应系统频率变化的惯量和一次调频能力，电力系统自我调节与抗扰能力将逐渐下降，当面临由于直流闭锁、故障切机或负荷突变等原因导致电网频率偏离时，电网的安全稳定运行将受到极大威胁。
目前，新能源发电设备，如风电场站实现一次调频和虚拟惯量响应的主要方式及其对应的缺点主要包括：
（1）风电场站通过减载运行预留一定的备用容量来参与电网调频，即放弃最大功率运行点，当电网频率越过一次调频死区范围时，通过改变桨距角调节风电机组出力。然而，该方法只能实现一次调频功能，而无法实现虚拟惯量响应功能，并且，预留备用容量会影响风电场站运行的经济性，且桨距角调整属于机械动作，响应速度慢，频繁参与一次调频动作可能导致机械部件的磨损，增加维修成本。
（2）基于风机叶片转子惯量参与一次调频，当电网频率下降时，风机释放部分转子动能增大电磁功率输出，以达到功率支撑的目的，当电网频率上升时，风机通过适度收桨减小电磁功率。然而，该方法只能实现一次调频功能，而无法实现虚拟惯量响应功能，并且，基于风机叶片转子惯量参与一次调频时，在转速恢复阶段，会给电网频率带来二次跌落的问题，且二次跌落的幅度一般会远超过频率一次跌落的深度。
（3）风电场站加装快速频率响应装置实现一次调频功能。然而，该方法只能实现一次调频功能，而无法实现虚拟惯量响应功能，并且，加装快速频率响应装置实现一次调频功能时，需要对风机变流器进行改造，在不预留备用容量的前提下，只能实现出力下调。
（4）在风电场站加装储能电池实现一次调频和惯量响应。然而，目前常用的储能电池主要包括锂离子电池和超级电容。锂离子电池安全风险大，使用寿命短，在满充满放的情况下，循环寿命为2000~3000次，并且，锂离子电池的使用寿命受很多因素的影响，如温度、充放电深度和充放电倍率等，这些因素会导致锂离子电池的使用寿命快速衰减；另外，锂离子电池运行维护困难，回收处理成本高。超级电容充放电循环寿命短，造价高，且存在能量衰减及环境污染等问题。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中风电场站通过预留有功备用容量减载运行参与电网一次调频带来的经济性损失、设备磨损，以及无法主动参与电网虚拟惯量响应的技术问题。
为此，本发明的一个目的在于提出一种用于风电场站的一次调频和虚拟惯量响应控制方法，在风电场站中配置了集中式飞轮储能阵列系统，通过控制集中式飞轮储能阵列系统充放电来参与电网一次频率和虚拟惯量响应，实现了风电机组在全工况运行下具有一次调频和惯量响应能力，提高了风电机组的稳定性和抗扰性，提高了风电场站运行的经济性。
为此，本发明的第二个目的在于提出一种用于风电场站的一次调频和虚拟惯量响应控制装置。
为了解决上述问题，本发明第一方面实施例提出一种用于风电场站的一次调频和虚拟惯量响应控制方法，所述风电场站包括风电机组和与所述风电机组连接的集中式飞轮储能阵列系统，所述用于风电场站的一次调频和虚拟惯量响应控制方法包括：接收自动发电控制系统下发的指令信息，实时获取所述风电场站并网点处的电压、电流和电网频率；判断所述电网频率对应的频率变化率是否小于或等于第一预设频率变化率阈值；若否，则控制所述风电机组和所述集中式飞轮储能阵列系统进入虚拟惯量响应控制模式，若是，则判断所述电网频率是否在一次调频死区范围内；若所述电网频率在所述一次调频死区范围内，则控制所述集中式飞轮储能阵列系统不动作，并控制所述风电机组根据所述指令信息中包含的有功功率目标值运行；若所述电网频率不在所述一次调频死区范围内，则控制所述风电机组和所述集中式飞轮储能阵列系统进入一次调频控制模式。
根据本发明实施例的用于风电场站的一次调频和虚拟惯量响应控制方法，基于飞轮储能技术，在风电场站配置集中式飞轮储能阵列系统，使风电场站同时具备一次调频和虚拟惯量响应功能。集中式飞轮储能阵列系统接入风电机组，在风电场站稳定或发电需求增加或减小期间，风电机组始终运行在MPPT（Maximum Power Point Tracking，最大功率点跟踪）模式以达到最大发电效益，通过控制集中式飞轮储能阵列系统充放电来参与电网一次频率和虚拟惯量响应，实现了风电机组在全工况运行下具有一次调频和惯量响应能力，提高了风电机组的稳定性和抗扰性，提高了风电场站运行的经济性，利于改善电网对可再生能源的接纳能力，大幅提升电网对功率突变事件的调节能力和抗干扰能力，进而对构建坚强型电网提供有力支撑。
另外，根据本发明上述实施例的用于风电场站的一次调频和虚拟惯量响应控制方法还可以具有如下附加的技术特征：
进一步地，在所述一次调频控制模式下，所述用于风电场站的一次调频和虚拟惯量响应控制方法包括：向所述自动发电控制系发送闭锁信号；根据所述电网频率超出所述一次调频死区范围的时刻对应的所述风电场站并网点处的电流及电压，确定对应于所述风电机组的第一有功功率初值，以及根据预设的一次调频有功功率-频率下垂曲线及所述电网频率，确定对应于所述集中式飞轮储能阵列系统的第一有功功率调节量；根据所述第一有功功率初值控制所述风电机组运行，以及根据所述第一有功功率调节量控制所述集中式飞轮储能阵列系统运行，直至所述电网频率处于一次调频死区范围时，控制所述风电机组和所述集中式飞轮储能阵列系统退出所述一次调频控制模式，并向所述自动发电控制系统发送解除闭锁信号。
进一步地，所述根据预设的一次调频有功功率-频率下垂曲线及所述电网频率，确定对应于所述集中式飞轮储能阵列系统的第一有功功率调节量，包括：若所述电网频率大于或等于预设电网频率最低阈值且小于所述一次调频死区范围的下限值，则所述第一有功功率调节量为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
；
若所述电网频率大于所述一次调频死区范围的上限值且小于或等于预设电网频率最高阈值，则所述第一有功功率调节量为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
；
若所述电网频率小于所述预设电网频率最低阈值，则所述第一有功功率调节量为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
；
若所述电网频率大于所述预设电网频率最高阈值，则所述第一有功功率调节量为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
；
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
为所述第一有功功率调节量，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
为所述风电场站的额定功率，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE007
为电网的额定功率，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE008
为所述一次调频死区范围，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE009
为所述电网频率，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE010
为一次调频调差率。
进一步地，在所述虚拟惯量响应控制模式下，所述用于风电场站的一次调频和虚拟惯量响应控制方法包括：向所述自动发电控制系发送闭锁信号；根据所述频率变化率超过所述第一预设频率变化率阈值的时刻对应的所述风电场站并网点处的电流及电压，确定对应于所述风电机组的第二有功功率初值，以及根据预设的虚拟惯量响应有功功率变化量公式确定对应于所述集中式飞轮储能阵列系统的第二有功功率调节量；根据所述第二有功功率初值控制所述风电机组运行，以及根据所述第二有功功率调节量控制所述集中式飞轮储能阵列系统运行，直至所述频率变化率小于第二预设频率变化率阈值时，控制所述风电机组和所述集中式飞轮储能阵列系统退出所述虚拟惯量响应控制模式，并向所述自动发电控制系统发送解除闭锁信号，其中，所述第二预设频率变化率阈值小于所述第一预设频率变化率阈值。
进一步地，所述根据预设的虚拟惯量响应有功功率变化量公式确定对应于所述集中式飞轮储能阵列系统的第二有功功率调节量，包括：若所述电网频率为正向变化，则所述第二有功功率调节量为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE011
，且
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE012
；
若所述电网频率为负向变化，则所述第二有功功率调节量为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE013
，且
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE014
；
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE015
为所述第二有功功率调节量，
Figure 4702DEST_PATH_IMAGE006
为所述风电场站的额定功率，
Figure 145833DEST_PATH_IMAGE007
为电网的额定功率，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE016
为虚拟惯量响应时间常数，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE017
为所述频率变化率。
为解决上述问题，本发明第二方面实施例提供一种用于风电场站的一次调频和虚拟惯量响应控制装置，所述风电场站包括风电机组和与所述风电机组连接的集中式飞轮储能阵列系统，所述用于风电场站的一次调频和虚拟惯量响应控制装置包括：获取模块，用于接收自动发电控制系统下发的指令信息，实时获取所述风电场站并网点处的电压、电流和电网频率；控制模块，用于判断所述电网频率对应的频率变化率是否小于或等于第一预设频率变化率阈值，若否，则控制所述风电机组和所述集中式飞轮储能阵列系统进入虚拟惯量响应控制模式，若是，则判断所述电网频率是否在一次调频死区范围内；以及，当所述电网频率在所述一次调频死区范围内时，控制所述集中式飞轮储能阵列系统不动作，并控制所述风电机组根据所述指令信息中包含的有功功率目标值运行，当所述电网频率不在所述一次调频死区范围内时，控制所述风电机组和所述集中式飞轮储能阵列系统进入一次调频控制模式。
根据本发明实施例的用于风电场站的一次调频和虚拟惯量响应控制装置，基于飞轮储能技术，在风电场站配置集中式飞轮储能阵列系统，使风电场站同时具备一次调频和虚拟惯量响应功能。集中式飞轮储能阵列系统接入风电机组，在风电场站稳定或发电需求增加或减小期间，风电机组始终运行在MPPT模式以达到最大发电效益，通过控制集中式飞轮储能阵列系统充放电来参与电网一次频率和虚拟惯量响应，实现了风电机组在全工况运行下具有一次调频和惯量响应能力，提高了风电机组的稳定性和抗扰性，提高了风电场站运行的经济性，利于改善电网对可再生能源的接纳能力，大幅提升电网对功率突变事件的调节能力和抗干扰能力，进而对构建坚强型电网提供有力支撑。
另外，根据本发明上述实施例的用于风电场站的一次调频和虚拟惯量响应控制装置还可以具有如下附加的技术特征：
进一步地，在所述一次调频控制模式下，所述控制模块用于：向所述自动发电控制系发送闭锁信号；根据所述电网频率超出所述一次调频死区范围的时刻对应的所述风电场站并网点处的电流及电压，确定对应于所述风电机组的第一有功功率初值，以及根据预设的一次调频有功功率-频率下垂曲线及所述电网频率，确定对应于所述集中式飞轮储能阵列系统的第一有功功率调节量；根据所述第一有功功率初值控制所述风电机组运行，以及根据所述第一有功功率调节量控制所述集中式飞轮储能阵列系统运行，直至所述电网频率处于一次调频死区范围时，控制所述风电机组和所述集中式飞轮储能阵列系统退出所述一次调频控制模式，并向所述自动发电控制系统发送解除闭锁信号。
进一步地，所述控制模块，具体用于：当所述电网频率大于或等于预设电网频率最低阈值且小于所述一次调频死区范围的下限值时，确定所述第一有功功率调节量为：
Figure 191281DEST_PATH_IMAGE001
；
当所述电网频率大于所述一次调频死区范围的上限值且小于或等于预设电网频率最高阈值时，确定所述第一有功功率调节量为：
Figure 962928DEST_PATH_IMAGE002
；
当所述电网频率小于所述预设电网频率最低阈值时，确定所述第一有功功率调节量为：
Figure 913566DEST_PATH_IMAGE003
；
当所述电网频率大于所述预设电网频率最高阈值时，确定所述第一有功功率调节量为：
Figure 123968DEST_PATH_IMAGE004
；
其中，
Figure 476452DEST_PATH_IMAGE005
为所述第一有功功率调节量，
Figure 419000DEST_PATH_IMAGE006
为所述风电场站的额定功率，
Figure 404404DEST_PATH_IMAGE007
为电网的额定功率，
Figure 825022DEST_PATH_IMAGE008
为所述一次调频死区范围，
Figure 625487DEST_PATH_IMAGE009
为所述电网频率，
Figure 738937DEST_PATH_IMAGE010
为一次调频调差率。
进一步地，在所述虚拟惯量响应控制模式下，所述控制模块用于：向所述自动发电控制系发送闭锁信号；根据所述频率变化率超过所述第一预设频率变化率阈值的时刻对应的所述风电场站并网点处的电流及电压，确定对应于所述风电机组的第二有功功率初值，以及根据预设的虚拟惯量响应有功功率变化量公式确定对应于所述集中式飞轮储能阵列系统的第二有功功率调节量；根据所述第二有功功率初值控制所述风电机组运行，以及根据所述第二有功功率调节量控制所述集中式飞轮储能阵列系统运行，直至所述频率变化率小于第二预设频率变化率阈值时，控制所述风电机组和所述集中式飞轮储能阵列系统退出所述虚拟惯量响应控制模式，并向所述自动发电控制系统发送解除闭锁信号，其中，所述第二预设频率变化率阈值小于所述第一预设频率变化率阈值。
进一步地，所述控制模块，具体用于：当所述电网频率为正向变化时，确定所述第二有功功率调节量为：
Figure 664167DEST_PATH_IMAGE011
，且
Figure 701525DEST_PATH_IMAGE012
；
当所述电网频率为负向变化时，确定所述第二有功功率调节量为：
Figure 763022DEST_PATH_IMAGE013
，且
Figure 844110DEST_PATH_IMAGE014
；
其中，
Figure 256637DEST_PATH_IMAGE015
为所述第二有功功率调节量，
Figure 284636DEST_PATH_IMAGE006
为所述风电场站的额定功率，
Figure 541917DEST_PATH_IMAGE007
为电网的额定功率，
Figure 731590DEST_PATH_IMAGE016
为虚拟惯量响应时间常数，
Figure 631413DEST_PATH_IMAGE017
为所述频率变化率。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明一个实施例的风电场站的结构示意图；
图2是根据本发明一个具体实施例的一次频率及惯量响应总控制系统的结构示意图；
图3是根据本发明一个实施例的用于风电场站的一次调频和虚拟惯量响应控制方法的流程图；
图4是根据本发明一个具体实施例的一次调频有功功率-频率下垂曲线示意图；
图5是根据本发明一个具体实施例的风电场站一次调频阶跃扰动过程调节示意图；
图6是根据本发明一个具体实施例的用于风电场站的一次调频和虚拟惯量响应控制方法的详细流程示意图；
图7是根据本发明一个实施例的一次调频和虚拟惯量响应控制装置的结构框图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，参考附图描述的实施例是示例性的，下面详细描述本发明的实施例。
下面参考图1-图7描述根据本发明实施例的用于风电场站的一次调频和虚拟惯量响应控制方法及装置。
首先，结合图1描述涉及的所述风电场站。如图1所示，风电场站包括风电机组和与风电机组连接的集中式飞轮储能阵列系统。集中式飞轮储能阵列系统包含飞轮能量管理及协调控制器、一次频率及惯量响应总控系统以及多个并联连接的飞轮储能阵列系统。其中，每个飞轮储能系统包括储能变流器（Power Conversion System，PCS）升压变压器和飞轮储能单元。一次频率及惯量响应总控系统主要用于生成对集中式飞轮储能阵列系统的控制指令，飞轮能量管理及协调控制器用于接收和下发控制指令，通过采用广播式短指令模式，实现集中式飞轮储能阵列系统中各飞轮个体的同步控制，提高响应速度，缩短响应时间。风电机组与集中式飞轮储能阵列系统连接，并接入电网。
如图1所示，风电场站还包括风场能量管理系统，风场能量管理系统为风电机组的功率控制系统，对风电机组的各风机单元进行统一的能量调度管理，将有功功率控制目标值分配到风机侧，通过闭环控制将风电场站的出口有功功率控制在目标值附近。
其中，结合图2所示，一次频率及惯量响应总控系统包括：交流信号采集模块、并网频率采集模块、开关量采集模块、逻辑运算模块、模拟测试模块、动作录波模块、远程监控模块、通信模块及人机交互模块。
具体的，交流信号采集模块负责风电场站并网点电压互感器（PotentialTransformer，PT）二次侧的三相交流电压信号及风电场站并网点电流互感器（CurrentTransformer，CT）二次侧的三相交流电流信号的采集接入，并将采集到的电压信号和电流信号传输到逻辑运算模块。
并网频率采集模块负责采集风电场站并网点的电网频率信号，频率采集精度不低于0.003Hz，频率采样周期小于100ms。
开关量采集模块负责采集系统运行状态相关的电气量，如低电压，过电压，并网点断路器状态等，并将采集到的电气量传输到逻辑运算模块，如果检测到系统状态异常，则自动闭锁一次调频及虚拟惯量响应动作指令。
逻辑运算模块根据采集的风电场站并网点电压和电流信号，可实时计算风电场站并网点当前有功功率初值，根据采集的风电场站并网点的电网频率信号，当电网频率越过一次调频死区范围或频率变化率超过设定值时，根据一次调频有功-频率下垂曲线或虚拟惯量响应有功功率变化量计算方法，分别计算出相应的有功功率调节量。综合频率扰动时刻的有功功率初值和有功功率调节量，对应计算出风电场站一次调频或虚拟惯量响应的总有功功率目标值，并将总有功功率目标值指令下发通信模块。
通信模块包含以太网和RS485以及多种自动化通信规约，支持与其他设备组成通信网络，接收并下发控制指令。
模拟测试模块动态模拟各种频率越限情况下发生一次调频或虚拟惯量响应事件，方便第三方机构对装置进行试验和检测。
动作录播模块用于一次调频、虚拟惯量响应及各种电气量及开关量状态录波。
人机交互模块用于系统设置参数，实时查看各种状态量、模拟量以及历史记录。
远程监控模块用于将系统状态量及模拟量、动作信息及报警和警告等信息上传给上位机。
结合图1和图2所示，各飞轮储能单元与PCS储能变流器连接，PCS储能变流器连接至风电机组箱式变电站内的升压变压器，各升压变压器连接至风电场站35kV交流母线，经风电场站35kV交流母线汇流后连接至风电场站主变压器，集中式飞轮储能阵列系统与风电机组并联接入35kV交流母线侧，集中式飞轮储能阵列系统与风电机组相互独立运行。AGC（Automatic Generation Control，自动发电控制）系统接收来自调度主站控制系统下发的发电计划和功率调节指令，实现风电场站有功功率的自动调节，以满足电网频率稳定及功率控制的要求，一次频率及惯量响应总控系统通过以太网与AGC系统、风场能量管理系统以及飞轮能量管理及协调控制器进行通信。在电网系统发生一次频率响应或虚拟惯量响应事件时，一次频率及惯量响应总控系统通过实时监测风电场站并网点处的电流、电压及电网频率信号，根据控制策略计算出风电场站一次调频或虚拟惯量响应对应的总有功功率目标值，并通过通信模块，将计算得到的有功功率目标值指令对应下发至风场能量管理系统和飞轮能量管理及协调控制器，再由风场能量管理系统和飞轮能量管理及协调控制器分别下发至各风电机组单元和飞轮储能单元，进而控制风电机组和集中式飞轮储能阵列系统进行有功功率输出，实现电网频率稳定，保证电网安全可靠运行。
需要说明的是，一次频率及惯量响应总控系统与AGC控制相协调，不接受外部AGC调度指令控制，基于一次调频或虚拟惯量响应指令优于AGC控制指令的原则，当一次调频或虚拟惯量响应的有功功率指令与AGC有功功率指令方向相反时，当风电场站并网点的电网频率向下扰动且超过一次调频死区或虚拟惯量响应频率变化率设定值时，应闭锁AGC减负荷指令；当风电场站并网点的电网频率向上扰动且超过一次调频死区或虚拟惯量响应频率变化率设定值时，应闭锁AGC加负荷指令。
图3是根据本发明一个实施例的用于风电场站的一次调频和虚拟惯量响应控制方法的流程图。如图3所示，该用于风电场站的一次调频和虚拟惯量响应控制方法，包括以下步骤：
步骤S1：接收自动发电控制系统，即AGC系统下发的指令信息，实时获取风电场站并网点处的电压、电流和电网频率。
在具体实施例中，AGC系统下发的指令信息中包括发电计划和功率调节指令，其中至少包含有风电场站运行的有功功率目标值。具体而言，即AGC系统从调度主站控制系统获取当前风电场站的发电计划和功率调节指令，并下发相关的指令信息，一次频率及惯量响应总控系统接收AGC系统下发的指令信息，通过其交流信号采集模块和并网频率采集模块实时获取风电场站并网点处的三相交流电压、电流及电网频率。
步骤S2：判断电网频率对应的频率变化率是否小于或等于第一预设频率变化率阈值。电网频率记作
Figure 994261DEST_PATH_IMAGE009
，电网频率对应的频率变化率记作
Figure 295930DEST_PATH_IMAGE017
。
步骤S3：若否，则控制风电机组和集中式飞轮储能阵列系统进入虚拟惯量响应控制模式。
具体而言，当电网频率
Figure 656504DEST_PATH_IMAGE009
出现扰动时，预先判断是否需要一次调频或虚拟惯量响应。具体的，获取电网频率
Figure 856672DEST_PATH_IMAGE009
对应的频率变化率
Figure 226474DEST_PATH_IMAGE017
，判断频率变化率
Figure 444965DEST_PATH_IMAGE017
是否小于或等于第一预设频率变化率阈值，即判断电网频率
Figure 242020DEST_PATH_IMAGE009
是否扰动较小，若否，即频率变化率
Figure 850856DEST_PATH_IMAGE017
大于第一预设频率变化率阈值，认为电网频率
Figure 571818DEST_PATH_IMAGE009
扰动较大，则控制风电机组和集中式飞轮储能阵列系统进入虚拟惯量响应控制模式，以便进行虚拟惯量响应，对电网频率进行快速调节。
在具体实施例中，第一预设频率变化率阈值取0.2Hz/s，即当
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE018
时，控制风电机组和集中式飞轮储能阵列系统进入虚拟惯量响应控制模式，以便进行虚拟惯量响应，对电网频率进行快速调节。
步骤S4：若是，则判断电网频率是否在一次调频死区范围内。
具体而言，即频率变化率
Figure 582500DEST_PATH_IMAGE017
小于或等于第一预设频率变化率阈值，认为电网频率
Figure 878352DEST_PATH_IMAGE009
扰动较小，则进一步是否需要进行一次调频，即判断电网频率
Figure 974484DEST_PATH_IMAGE009
是否在一次调频死区范围内。
在具体实施例中，一次调频死区范围记作
Figure 686088DEST_PATH_IMAGE008
，即当
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE019
时，判断电网频率
Figure 98746DEST_PATH_IMAGE009
是否在一次调频死区范围
Figure 237603DEST_PATH_IMAGE008
内，即是否满足
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE020
。
步骤S5：若电网频率在一次调频死区范围内，则控制集中式飞轮储能阵列系统不动作，并控制风电机组根据指令信息中包含的有功功率目标值运行。
具体而言，即网频率
Figure 883348DEST_PATH_IMAGE009
在一次调频死区范围
Figure 133064DEST_PATH_IMAGE008
内，即满足
Figure 194036DEST_PATH_IMAGE020
，认为无需进行一次调频，则控制集中式飞轮储能阵列系统不动作，即不进行充电或放电，并控制风电机组根据指令信息中包含的有功功率目标值运行。换言之，即当
Figure 503795DEST_PATH_IMAGE020
时，集中式飞轮储能阵列系统不参与频率调节，风电机组根据AGC系统下发的指令信息中包含的有功功率目标值运行发电。
步骤S6：若电网频率不在一次调频死区范围内，则控制风电机组和集中式飞轮储能阵列系统进入一次调频控制模式，以便进行一次调频，对电网频率进行精准调节。
具体而言，即电网频率
Figure 371257DEST_PATH_IMAGE009
不在一次调频死区范围
Figure 424663DEST_PATH_IMAGE008
内，即不满足
Figure 264443DEST_PATH_IMAGE020
，认为需要进行一次调频，则风电机组和集中式飞轮储能阵列系统进入一次调频控制模式。换言之，即当
Figure DEST_PATH_IMAGE021
或
Figure DEST_PATH_IMAGE022
时，控制风电机组和集中式飞轮储能阵列系统进行一次调频，从而对电网频率进行精准调节。
在本发明的一个实施例中，在一次调频控制模式下，具体包括：向自动发电控制系发送闭锁信号；根据电网频率
Figure 558153DEST_PATH_IMAGE009
超出一次调频死区范围
Figure 912911DEST_PATH_IMAGE008
的时刻对应的风电场站并网点处的电流及电压，确定对应于风电机组的第一有功功率初值，记作
Figure DEST_PATH_IMAGE023
，以及根据预设的一次调频有功功率-频率下垂曲线及电网频率
Figure 583057DEST_PATH_IMAGE009
，确定对应于集中式飞轮储能阵列系统的第一有功功率调节量，记作
Figure 277344DEST_PATH_IMAGE005
；根据第一有功功率初值
Figure 928905DEST_PATH_IMAGE023
控制风电机组运行，以及根据第一有功功率调节量
Figure 302118DEST_PATH_IMAGE005
控制集中式飞轮储能阵列系统运行，直至电网频率
Figure 697327DEST_PATH_IMAGE009
处于一次调频死区范围
Figure 246120DEST_PATH_IMAGE008
时，控制风电机组和集中式飞轮储能阵列系统退出一次调频控制模式，并向自动发电控制系统发送解除闭锁信号。
具体而言，即当判断需要进行一次调频时，一次频率及惯量响应总控系统主动向AGC系统发出闭锁信号，以闭锁AGC系统，此时不再响应AGC系统下发的指令信息。一次频率及惯量响应总控系统的逻辑运算模块根据一次调频有功功率-频率下垂曲线计算出第一有功功率调节量
Figure 881632DEST_PATH_IMAGE005
，第一有功功率调节量
Figure 148665DEST_PATH_IMAGE005
由集中式飞轮储能阵列系统输出，结合电网频率
Figure 409882DEST_PATH_IMAGE009
越过一次调频死区范围
Figure 813182DEST_PATH_IMAGE008
的时刻，通过监测风电场站并网点处的电流和电压计算得到电网频率
Figure 72125DEST_PATH_IMAGE009
扰动时刻风电场站有功功率初值，即第一有功功率初值
Figure 636574DEST_PATH_IMAGE023
，第一有功功率初值
Figure 373585DEST_PATH_IMAGE023
由风电机组输出。进而，可通过第一有功功率调节量
Figure 896971DEST_PATH_IMAGE005
和第一有功功率初值值
Figure 389132DEST_PATH_IMAGE023
综合计算出风电场站一次调频总有功功率目标值，记作
Figure DEST_PATH_IMAGE024
，具体的，
Figure DEST_PATH_IMAGE025
。其中，在进行一次调频时，按照现行电力行业标准DL/T 1870《电力系统网源协调技术规范》，一次调频下调范围不低于
Figure DEST_PATH_IMAGE026
，一次调频上调范围不低于
Figure 178227DEST_PATH_IMAGE026
，其中，
Figure 781247DEST_PATH_IMAGE006
为风电场站的额定功率。
在本发明的一个实施例中，如图4所示，展示了预设的一次调频有功功率-频率下垂曲线示意图。由此，根据预设的一次调频有功功率-频率下垂曲线及电网频率，确定对应于集中式飞轮储能阵列系统的第一有功功率调节量，具体包括：
若电网频率
Figure 424718DEST_PATH_IMAGE009
大于或等于预设电网频率最低阈值且小于一次调频死区范围
Figure 759884DEST_PATH_IMAGE008
的下限值
Figure DEST_PATH_IMAGE027
，则第一有功功率调节量
Figure 301855DEST_PATH_IMAGE005
为：
Figure 442987DEST_PATH_IMAGE001
；
在具体示例中，预设电网频率最低阈值记作
Figure DEST_PATH_IMAGE028
。即，当
Figure DEST_PATH_IMAGE029
时，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
，集中式飞轮储能阵列系统响应低频扰动，根据
Figure 754013DEST_PATH_IMAGE005
输出有功功率，即集中式飞轮储能阵列系统放电，从而实现一次调频。此时，
Figure 260081DEST_PATH_IMAGE025
，即
Figure DEST_PATH_IMAGE031
。
若电网频率
Figure 538616DEST_PATH_IMAGE009
大于一次调频死区范围
Figure 231241DEST_PATH_IMAGE008
的上限值
Figure DEST_PATH_IMAGE032
且小于或等于预设电网频率最高阈值，则第一有功功率调节量
Figure 583725DEST_PATH_IMAGE005
为：
Figure 588590DEST_PATH_IMAGE002
；
在具体示例中，预设电网频率最高阈值记作
Figure DEST_PATH_IMAGE033
。即，当
Figure DEST_PATH_IMAGE034
时，
Figure DEST_PATH_IMAGE035
，集中式飞轮储能阵列系统响应高频扰动，根据
Figure 839574DEST_PATH_IMAGE005
吸收有功功率，即集中式飞轮储能阵列系统充电，从而实现一次调频。此时，
Figure DEST_PATH_IMAGE036
，即
Figure DEST_PATH_IMAGE037
。
若电网频率
Figure 322508DEST_PATH_IMAGE009
小于预设电网频率最低阈值
Figure 608127DEST_PATH_IMAGE028
，则第一有功功率调节量
Figure 455997DEST_PATH_IMAGE005
为：
Figure 381228DEST_PATH_IMAGE003
；
具体而言，即，当
Figure DEST_PATH_IMAGE038
时，
Figure 667852DEST_PATH_IMAGE003
，集中式飞轮储能阵列系统响应低频扰动，集中式飞轮储能阵列系统放电，输出有功功率至
Figure 807978DEST_PATH_IMAGE026
后可不再调节，从而实现一次调频。此时，
Figure 92329DEST_PATH_IMAGE036
，即
Figure DEST_PATH_IMAGE039
。
若电网频率f大于预设电网频率最高阈值
Figure 567172DEST_PATH_IMAGE033
，则第一有功功率调节量
Figure 329592DEST_PATH_IMAGE005
为：
Figure 511175DEST_PATH_IMAGE004
；
具体而言，即，当
Figure DEST_PATH_IMAGE040
时，
Figure DEST_PATH_IMAGE041
，集中式飞轮储能阵列系统响应高频扰动，集中式飞轮储能阵列系统充电，吸收有功功率至
Figure DEST_PATH_IMAGE042
后可不再调节，从而实现一次调频。此时，
Figure 838863DEST_PATH_IMAGE036
，即
Figure DEST_PATH_IMAGE043
。
可以理解的是，当
Figure 551735DEST_PATH_IMAGE020
时，此时
Figure DEST_PATH_IMAGE044
，则
Figure DEST_PATH_IMAGE045
，此时电网频率f在一次调频死区范围
Figure 180163DEST_PATH_IMAGE008
之内，集中式飞轮储能阵列系统不参与电网一次调频，此时，风电场站总有功功率目标值等于第一有功功率初值
Figure 216252DEST_PATH_IMAGE023
。
其中，在上述公式中，
Figure 842405DEST_PATH_IMAGE005
为第一有功功率调节量，
Figure 42574DEST_PATH_IMAGE006
为风电场站的额定功率，
Figure 146796DEST_PATH_IMAGE007
为电网的额定功率，
Figure 365288DEST_PATH_IMAGE008
为一次调频死区范围，f为电网频率，
Figure 162342DEST_PATH_IMAGE010
为一次调频调差率。
在具体实施例中，逻辑运算模块将上述计算结果，即
Figure 584228DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 757720DEST_PATH_IMAGE023
通过通信模块分别对应下发至飞轮能量管理及协调控制器和风场能量管理系统，飞轮能量管理及协调控制器将第一有功功率调节量
Figure 768401DEST_PATH_IMAGE005
平均分配给各飞轮储能单元执行，风场能量管理系统将电网频率扰动时刻风电场站对应的第一有功功率初值
Figure 798674DEST_PATH_IMAGE023
分配给各风机单元执行。
如图5所示，飞轮能量管理及协调控制器采用广播式短指令模式，实现各飞轮储能单元毫秒级同步控制，响应第一有功功率调节量
Figure 894806DEST_PATH_IMAGE005
指令，100ms内输出有功功率至目标值，满足
Figure DEST_PATH_IMAGE046
和
Figure DEST_PATH_IMAGE047
指标，一次调频有功功率控制偏差小于风电场站额定有功功率的±1%。其中，
Figure 174388DEST_PATH_IMAGE046
表示一次调频响应滞后时间，
Figure 305155DEST_PATH_IMAGE047
表示一次调频稳定时间，图5中的
Figure DEST_PATH_IMAGE048
表示负荷响应速率时间，即满足一次调频响应滞后时间、响应速率及稳定时间等各项技术指标要求。当电网频率扰动返回一次调频死区范围
Figure 506329DEST_PATH_IMAGE008
内，即
Figure DEST_PATH_IMAGE049
，则本次一次调频动作结束，解除AGC系统闭锁，风电场站根据AGC系统下发的指令信息中包含的有功功率目标值进行发电；否则，即电网频率未返回一次调频死区范围
Figure 902807DEST_PATH_IMAGE008
内，则继续执行一次调频动作。
在本发明的一个实施例中，在虚拟惯量响应控制模式下，具体包括：向自动发电控制系发送闭锁信号；根据频率变化率
Figure 152523DEST_PATH_IMAGE017
超过第一预设频率变化率阈值的时刻对应的风电场站并网点处的电流及电压，确定对应于风电机组的第二有功功率初值，记作
Figure DEST_PATH_IMAGE050
，以及根据预设的虚拟惯量响应有功功率变化量公式确定对应于集中式飞轮储能阵列系统的第二有功功率调节量，记作
Figure 200113DEST_PATH_IMAGE015
；根据第二有功功率初值
Figure 509872DEST_PATH_IMAGE050
控制风电机组运行，以及根据第二有功功率调节量
Figure 393645DEST_PATH_IMAGE015
控制集中式飞轮储能阵列系统运行，直至频率变化率
Figure 447052DEST_PATH_IMAGE017
小于第二预设频率变化率阈值时，控制风电机组和集中式飞轮储能阵列系统退出虚拟惯量响应控制模式，并向自动发电控制系统发送解除闭锁信号，其中，第二预设频率变化率阈值小于第一预设频率变化率阈值。
具体而言，即当判断需要进行虚拟惯量响应时，一次频率及惯量响应总控系统主动向AGC系统发出闭锁信号，以闭锁AGC系统，此时不再响应AGC系统下发的指令信息。一次频率及惯量响应总控系统的逻辑运算模块根据预设的虚拟惯量响应有功功率变化量公式计算出第二有功功率调节量
Figure 286832DEST_PATH_IMAGE015
，第二有功功率调节量
Figure 829809DEST_PATH_IMAGE015
由集中式飞轮储能阵列系统输出，结合频率变化率
Figure 122250DEST_PATH_IMAGE017
超过第一预设频率变化率阈值的时刻，通过监测风电场站并网点处的电流和电压计算得到频率变化率扰动时刻风电场站有功功率初值，即第二有功功率初值
Figure 792397DEST_PATH_IMAGE050
，第二有功功率初值
Figure 486683DEST_PATH_IMAGE050
由风电机组输出。进而，可通过第二有功功率调节量
Figure 138244DEST_PATH_IMAGE015
和第二有功功率初值
Figure 245878DEST_PATH_IMAGE050
综合计算出风电场站虚拟惯量响应总有功功率目标值，记作
Figure DEST_PATH_IMAGE051
，具体的，
Figure DEST_PATH_IMAGE052
。其中，在进行虚拟惯量响应时，虚拟惯量响应有功功率变化量的绝对值不大于20%，即
Figure 451206DEST_PATH_IMAGE015
不大于
Figure DEST_PATH_IMAGE053
。
在本发明的一个实施例中，根据预设的虚拟惯量响应有功功率变化量公式确定对应于集中式飞轮储能阵列系统的第二有功功率调节量，具体包括：
若电网频率f为正向变化，则第二有功功率调节量
Figure 62316DEST_PATH_IMAGE015
为：
Figure 150358DEST_PATH_IMAGE011
，且
Figure 417391DEST_PATH_IMAGE012
；
在具体示例中，第一预设频率变化率阈值取0.2Hz/s，第二预设频率变化率阈值取0.15Hz/s。即，当
Figure 163762DEST_PATH_IMAGE018
时，
Figure 832640DEST_PATH_IMAGE011
，且
Figure DEST_PATH_IMAGE054
，集中式飞轮储能阵列系统响应高频扰动，根据
Figure 153900DEST_PATH_IMAGE015
吸收有功功率，即集中式飞轮储能阵列系统充电，从而实现虚拟惯量响应。需要说明的是，虚拟惯量响应时，第二有功功率调节量
Figure 642650DEST_PATH_IMAGE015
下调至
Figure 458291DEST_PATH_IMAGE053
后可不再调节。
若电网频率f为负向变化，则第二有功功率调节量
Figure 981676DEST_PATH_IMAGE015
为：
Figure 145941DEST_PATH_IMAGE013
，且
Figure 449884DEST_PATH_IMAGE014
；
在具体示例中，第一预设频率变化率阈值取0.2Hz/s，第二预设频率变化率阈值取0.15Hz/s。即，当
Figure DEST_PATH_IMAGE055
时，
Figure 990586DEST_PATH_IMAGE013
，且
Figure 181527DEST_PATH_IMAGE014
，集中式飞轮储能阵列系统响应低频扰动，根据
Figure 782273DEST_PATH_IMAGE015
输出有功功率，即集中式飞轮储能阵列系统放电，从而实现虚拟惯量响应。需要说明的是，在进行虚拟惯量响应时，第二有功功率调节量
Figure 245615DEST_PATH_IMAGE015
上调至
Figure 652326DEST_PATH_IMAGE053
后可不再调节。
可以理解的是，当
Figure 150303DEST_PATH_IMAGE019
时，此时
Figure DEST_PATH_IMAGE056
，则
Figure DEST_PATH_IMAGE057
，此时频率变化率
Figure 466491DEST_PATH_IMAGE017
在设定值范围之内，集中式飞轮储能阵列系统不参与虚拟惯量响应，此时，风电场站总有功功率目标值等于第二有功功率初值
Figure 682708DEST_PATH_IMAGE050
。
其中，在上述公式中，
Figure 627531DEST_PATH_IMAGE015
为第二有功功率调节量，
Figure 980015DEST_PATH_IMAGE006
为风电场站的额定功率，
Figure 656983DEST_PATH_IMAGE007
为电网的额定功率，
Figure 907967DEST_PATH_IMAGE016
为虚拟惯量响应时间常数，
Figure 594164DEST_PATH_IMAGE017
为频率变化率。
在具体实施例中，逻辑运算模块将上述计算结果，即
Figure 863471DEST_PATH_IMAGE015
和
Figure 976920DEST_PATH_IMAGE050
通过通信模块分别对应下发至飞轮能量管理及协调控制器和风场能量管理系统，飞轮能量管理及协调控制器将第二有功功率调节量
Figure 902151DEST_PATH_IMAGE015
平均分配给各飞轮储能单元执行，风场能量管理系统将第二有功功率初值
Figure 939508DEST_PATH_IMAGE050
分配给各风机单元执行。
作为具体的实施例，以下结合图6，详细描述本发明实施例的用于风电场站的一次调频和虚拟惯量响应控制方法的控制流程，以便更好的理解本发明。
在本实施例中，一次频率及惯量响应总控系统与AGC控制相协调，基于一次调频或虚拟惯量响应指令优于AGC控制指令的原则，当一次调频或虚拟惯量响应有功功率指令与AGC有功功率指令方向相反，且当风电场站并网点的电网频率向下扰动且超过一次调频死区范围或虚拟惯量响应的频率变化率超过设定值时，应闭锁AGC减负荷指令；当风电场站并网点的电网频率向上扰动且超过一次调频死区范围或虚拟惯量响应的频率变化率超过设定值时，应闭锁AGC加负荷指令。结合图6所示，该用于风电场站的一次调频和虚拟惯量响应控制方法的控制流程概述为：
S10：一次频率和惯量响应总控系统接收AGC系统下发的指令信息，通过交流信号采集模块和并网频率采集模块对应实时获取风电场站并网点处的三相交流电压、电流及电网频率f，并转至步骤S20。
S20：当电网频率f出现扰动时，判断集中式飞轮储能阵列系统是否需要参与一次调频或虚拟惯量响应，若否，即集中式飞轮储能阵列系统无需参与一次调频或虚拟惯量响应，则转至步骤S150，若集中式飞轮储能阵列系统需要参与一次调频，则转至步骤S30，若集中式飞轮储能阵列系统需要参虚拟惯量响应，则转至步骤S90。
S30：一次频率和惯量响应总控系统向AGC系统发出闭锁信号，风电机组及集中式飞轮储能阵列系统的控制权转交给一次频率和惯量响应总控系统，即风电机组及集中式飞轮储能阵列系统暂由一次频率和惯量响应总控系统控制，并转至步骤S40。
S40：根据风电场站并网点处的电压、电流和频率变化率，分别计算第一有功功率初值
Figure 266585DEST_PATH_IMAGE023
和第一有功功率调节量
Figure 550935DEST_PATH_IMAGE005
，并根据
Figure 760200DEST_PATH_IMAGE023
和
Figure 788199DEST_PATH_IMAGE005
综合计算风电场站第一总有功功率目标值
Figure 782831DEST_PATH_IMAGE024
，并转至步骤S50。
S50：根据一次调频有功功率分配策略，由通信模块下发包含第一总有功功率目标值
Figure 238083DEST_PATH_IMAGE024
的控制指令，对应分配至飞轮能量管理及协调控制器和风场能量管理系统。具体而言，将第一有功功率初值
Figure 137906DEST_PATH_IMAGE023
分配给风场能量管理系统，将第一有功功率调节量
Figure 766333DEST_PATH_IMAGE005
分配给飞轮能量管理及协调控制器，并转至步骤S60。
S60：风电机组和集中式飞轮储能阵列系统根据控制指令，调整有功功率输出至第一总有功功率目标值
Figure 802422DEST_PATH_IMAGE024
，并转至步骤S70。具体而言，即风电机组根据第一有功功率初值
Figure 428576DEST_PATH_IMAGE023
进行调频，集中式飞轮储能阵列系统根据第一有功功率调节量
Figure 360235DEST_PATH_IMAGE005
进行调频。其中，调频控制偏差<±1%。
S70：判断电网频率
Figure 730036DEST_PATH_IMAGE009
是否调节至一次调频死区范围内，即f是否满足
Figure 886211DEST_PATH_IMAGE020
，若是，则转至步骤S80，若否，则返回步骤S40。
S80：一次调频动作结束，解除AGC闭锁，风电场站根据AGC系统下发的指令信息中包含的有功功率目标值进行发电。
S90：一次频率和惯量响应总控系统向AGC系统发出闭锁信号，风电机组及集中式飞轮储能阵列系统的控制权转交给一次频率和惯量响应总控系统，即风电机组及集中式飞轮储能阵列系统暂由一次频率和惯量响应总控系统控制，并转至步骤S100。
S100：根据风电场站并网点处的电压、电流和频率变化率，分别计算第二有功功率初值
Figure 745583DEST_PATH_IMAGE050
和第二有功功率调节量
Figure 354419DEST_PATH_IMAGE015
，并综合计算风电场站第二总有功功率目标值
Figure 75381DEST_PATH_IMAGE051
，并转至步骤S110。
S110：根据虚拟惯量有功功率分配策略，由通信模块下发包含第二总有功功率目标值
Figure 86063DEST_PATH_IMAGE051
的控制指令，对应分配至飞轮能量管理及协调控制器和风场能量管理系统。具体而言，将第二有功功率初值
Figure 54019DEST_PATH_IMAGE050
分配给风场能量管理系统，将第二有功功率调节量
Figure 212467DEST_PATH_IMAGE015
分配给飞轮能量管理及协调控制器，并转至步骤S120。
S120：风电机组和集中式飞轮储能阵列系统根据控制指令，调整有功功率输出至第二总有功功率目标值
Figure 924072DEST_PATH_IMAGE051
，并转至步骤S30。具体而言，即风电机组根据第二有功功率初值
Figure 54839DEST_PATH_IMAGE050
进行调频，集中式飞轮储能阵列系统根据第二有功功率调节量
Figure 6745DEST_PATH_IMAGE015
进行调频。其中，调频控制偏差<±2%。
S130：判断频率变化率
Figure 324594DEST_PATH_IMAGE017
是否调节至小于第二预设频率变化率阈值，即
Figure 839889DEST_PATH_IMAGE017
是否满足
Figure DEST_PATH_IMAGE058
，若是，则转至步骤140，若否，则返回步骤S100。
S140：虚拟惯量响应动作结束，解除AGC闭锁，风电场站根据AGC系统下发的指令信息中包含的有功功率目标值进行发电。
S150：当判断无需进行一次调频或虚拟惯量响应时，集中式飞轮储能阵列系统不参与频率调节，风电机组根据AGC系统下发的指令信息中包含的有功功率目标值进行发电。
在本实施例中，该用于风电场站的一次调频和虚拟惯量响应控制方法，基于飞轮储能技术，在风电场站配置集中式飞轮储能阵列系统，使风电场站同时具备一次调频和虚拟惯量响应功能。集中式飞轮储能阵列系统接入风电机组，在风电场站稳定或发电需求增加或减小期间，风电机组始终运行在MPPT模式以达到最大发电效益，通过控制集中式飞轮储能阵列系统充放电来参与电网一次频率和虚拟惯量响应，实现了风电机组在全工况运行下具有一次调频和惯量响应能力，提高了风电机组的稳定性和抗扰性，提高了风电场站运行的经济性，利于改善电网对可再生能源的接纳能力，大幅提升电网对功率突变事件的调节能力和抗干扰能力，进而对构建坚强型电网提供有力支撑。
本发明的进一步实施例提出了一种用于风电场站的一次调频和虚拟惯量响应控制装置，其中，涉及的所述风电场站包括风电机组和与风电机组连接的集中式飞轮储能阵列系统，关于该风电场站、风电机组和集中式飞轮储能阵列系统的详细描述请参见前文中的相关描述，为减少冗余，此处不再赘述。
图7是根据本发明一个实施例的用于风电场站的一次调频和虚拟惯量响应控制装置的结构框图。如图7所示，该用于风电场站的一次调频和虚拟惯量响应控制装置100，包括：获取模块110和控制模块120。
具体的，获取模块110用于接收自动发电控制系统下发的指令信息，实时获取风电场站并网点处的电压、电流和电网频率。
控制模块120用于判断电网频率对应的频率变化率是否小于或等于第一预设频率变化率阈值，若否，则控制风电机组和集中式飞轮储能阵列系统进入虚拟惯量响应控制模式，若是，则判断电网频率是否在一次调频死区范围内；以及，当电网频率在一次调频死区范围内时，控制集中式飞轮储能阵列系统不动作，并控制风电机组根据指令信息中包含的有功功率目标值运行，当电网频率不在一次调频死区范围内时，控制风电机组和集中式飞轮储能阵列系统进入一次调频控制模式。
在本发明的一个实施例中，在一次调频控制模式下，控制模块120用于：向自动发电控制系发送闭锁信号；根据电网频率超出一次调频死区范围的时刻对应的风电场站并网点处的电流及电压，确定对应于风电机组的第一有功功率初值，以及根据预设的一次调频有功功率-频率下垂曲线及电网频率，确定对应于集中式飞轮储能阵列系统的第一有功功率调节量；根据第一有功功率初值控制风电机组运行，以及根据第一有功功率调节量控制集中式飞轮储能阵列系统运行，直至电网频率处于一次调频死区范围时，控制风电机组和集中式飞轮储能阵列系统退出一次调频控制模式，并向自动发电控制系统发送解除闭锁信号。
在本发明的一个实施例中，控制模块120，具体用于：当电网频率大于或等于预设电网频率最低阈值且小于一次调频死区范围的下限值时，确定第一有功功率调节量为：
Figure 887479DEST_PATH_IMAGE001
；
当电网频率大于一次调频死区范围的上限值且小于或等于预设电网频率最高阈值时，确定第一有功功率调节量为：
Figure 197238DEST_PATH_IMAGE002
；
当电网频率小于预设电网频率最低阈值时，确定第一有功功率调节量为：
Figure 815432DEST_PATH_IMAGE003
；
当电网频率大于预设电网频率最高阈值时，确定第一有功功率调节量为：
Figure 868839DEST_PATH_IMAGE004
；
其中，
Figure 770936DEST_PATH_IMAGE005
为第一有功功率调节量，
Figure 251596DEST_PATH_IMAGE006
为风电场站的额定功率，
Figure 809616DEST_PATH_IMAGE007
为电网的额定功率，
Figure 211254DEST_PATH_IMAGE008
为一次调频死区范围，f为电网频率，
Figure 171120DEST_PATH_IMAGE010
为一次调频调差率。
在本发明的一个实施例中，在虚拟惯量响应控制模式下，控制模块120用于：向自动发电控制系发送闭锁信号；根据频率变化率超过第一预设频率变化率阈值的时刻对应的风电场站并网点处的电流及电压，确定对应于风电机组的第二有功功率初值，以及根据预设的虚拟惯量响应有功功率变化量公式确定对应于集中式飞轮储能阵列系统的第二有功功率调节量；根据第二有功功率初值控制风电机组运行，以及根据第二有功功率调节量控制集中式飞轮储能阵列系统运行，直至频率变化率小于第二预设频率变化率阈值时，控制风电机组和集中式飞轮储能阵列系统退出虚拟惯量响应控制模式，并向自动发电控制系统发送解除闭锁信号，其中，第二预设频率变化率阈值小于第一预设频率变化率阈值。
在本发明的一个实施例中，控制模块120，具体用于：当电网频率为正向变化时，确定第二有功功率调节量为：
Figure 822681DEST_PATH_IMAGE011
，且
Figure 664735DEST_PATH_IMAGE012
；
当电网频率为负向变化时，确定第二有功功率调节量为：
Figure 59944DEST_PATH_IMAGE013
，且
Figure 874317DEST_PATH_IMAGE014
；
其中，
Figure 509828DEST_PATH_IMAGE015
为第二有功功率调节量，
Figure 776862DEST_PATH_IMAGE006
为风电场站的额定功率，
Figure 38079DEST_PATH_IMAGE007
为电网的额定功率，
Figure 706958DEST_PATH_IMAGE016
为虚拟惯量响应时间常数，
Figure 700321DEST_PATH_IMAGE017
为频率变化率。
在具体实施例中，该控制模块120包括一次频率及惯量响应总控系统。
需要说明的是，该用于风电场站的一次调频和虚拟惯量响应控制装置100的具体实现方式与本发明上述任意一个实施例的用于风电场站的一次调频和虚拟惯量响应控制方法的具体实现方式类似，具体请前述关于方法部分的描述，为了减少冗余，此处不再赘述。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种用于风电场站的一次调频和虚拟惯量响应控制方法，其特征在于，所述风电场站包括风电机组和与所述风电机组连接的集中式飞轮储能阵列系统，所述用于风电场站的一次调频和虚拟惯量响应控制方法包括：
接收自动发电控制系统下发的指令信息，实时获取所述风电场站并网点处的电压、电流和电网频率；
判断所述电网频率对应的频率变化率是否小于或等于第一预设频率变化率阈值；
若否，则控制所述风电机组和所述集中式飞轮储能阵列系统进入虚拟惯量响应控制模式；
若是，则判断所述电网频率是否在一次调频死区范围内；
若所述电网频率在所述一次调频死区范围内，则控制所述集中式飞轮储能阵列系统不动作，并控制所述风电机组根据所述指令信息中包含的有功功率目标值运行；
若所述电网频率不在所述一次调频死区范围内，则控制所述风电机组和所述集中式飞轮储能阵列系统进入一次调频控制模式。
2.根据权利要求1所述的用于风电场站的一次调频和虚拟惯量响应控制方法，其特征在于，在所述一次调频控制模式下，所述用于风电场站的一次调频和虚拟惯量响应控制方法包括：
向所述自动发电控制系发送闭锁信号；
根据所述电网频率超出所述一次调频死区范围的时刻对应的所述风电场站并网点处的电流及电压，确定对应于所述风电机组的第一有功功率初值，以及根据预设的一次调频有功功率-频率下垂曲线及所述电网频率，确定对应于所述集中式飞轮储能阵列系统的第一有功功率调节量；
根据所述第一有功功率初值控制所述风电机组运行，以及根据所述第一有功功率调节量控制所述集中式飞轮储能阵列系统运行，直至所述电网频率处于一次调频死区范围时，控制所述风电机组和所述集中式飞轮储能阵列系统退出所述一次调频控制模式，并向所述自动发电控制系统发送解除闭锁信号。
3.根据权利要求2所述的用于风电场站的一次调频和虚拟惯量响应控制方法，其特征在于，所述根据预设的一次调频有功功率-频率下垂曲线及所述电网频率，确定对应于所述集中式飞轮储能阵列系统的第一有功功率调节量，包括：
若所述电网频率大于或等于预设电网频率最低阈值且小于所述一次调频死区范围的下限值，则所述第一有功功率调节量为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
若所述电网频率大于所述一次调频死区范围的上限值且小于或等于预设电网频率最高阈值，则所述第一有功功率调节量为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；
若所述电网频率小于所述预设电网频率最低阈值，则所述第一有功功率调节量为：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
；
若所述电网频率大于所述预设电网频率最高阈值，则所述第一有功功率调节量为：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为所述第一有功功率调节量，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为所述风电场站的额定功率，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为电网的额定功率，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为所述一次调频死区范围，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为所述电网频率，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为一次调频调差率。
4.根据权利要求1-3任一项所述的用于风电场站的一次调频和虚拟惯量响应控制方法，其特征在于，在所述虚拟惯量响应控制模式下，所述用于风电场站的一次调频和虚拟惯量响应控制方法包括：
向所述自动发电控制系发送闭锁信号；
根据所述频率变化率超过所述第一预设频率变化率阈值的时刻对应的所述风电场站并网点处的电流及电压，确定对应于所述风电机组的第二有功功率初值，以及根据预设的虚拟惯量响应有功功率变化量公式确定对应于所述集中式飞轮储能阵列系统的第二有功功率调节量；
根据所述第二有功功率初值控制所述风电机组运行，以及根据所述第二有功功率调节量控制所述集中式飞轮储能阵列系统运行，直至所述频率变化率小于第二预设频率变化率阈值时，控制所述风电机组和所述集中式飞轮储能阵列系统退出所述虚拟惯量响应控制模式，并向所述自动发电控制系统发送解除闭锁信号，其中，所述第二预设频率变化率阈值小于所述第一预设频率变化率阈值。
5.根据权利要求4所述的用于风电场站的一次调频和虚拟惯量响应控制方法，其特征在于，所述根据预设的虚拟惯量响应有功功率变化量公式确定对应于所述集中式飞轮储能阵列系统的第二有功功率调节量，包括：
若所述电网频率为正向变化，则所述第二有功功率调节量为：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
，且
Figure DEST_PATH_IMAGE012
；
若所述电网频率为负向变化，则所述第二有功功率调节量为：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，且
Figure DEST_PATH_IMAGE014
；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为所述第二有功功率调节量，
Figure 636715DEST_PATH_IMAGE006
为所述风电场站的额定功率，
Figure 553856DEST_PATH_IMAGE007
为电网的额定功率，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为虚拟惯量响应时间常数，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
为所述频率变化率。
6.一种用于风电场站的一次调频和虚拟惯量响应控制装置，其特征在于，所述风电场站包括风电机组和与所述风电机组连接的集中式飞轮储能阵列系统，所述用于风电场站的一次调频和虚拟惯量响应控制装置包括：
获取模块，用于接收自动发电控制系统下发的指令信息，实时获取所述风电场站并网点处的电压、电流和电网频率；
控制模块，用于判断所述电网频率对应的频率变化率是否小于或等于第一预设频率变化率阈值，若否，则控制所述风电机组和所述集中式飞轮储能阵列系统进入虚拟惯量响应控制模式，若是，则判断所述电网频率是否在一次调频死区范围内；以及，当所述电网频率在所述一次调频死区范围内时，控制所述集中式飞轮储能阵列系统不动作，并控制所述风电机组根据所述指令信息中包含的有功功率目标值运行，当所述电网频率不在所述一次调频死区范围内时，控制所述风电机组和所述集中式飞轮储能阵列系统进入一次调频控制模式。
7.根据权利要求6所述的用于风电场站的一次调频和虚拟惯量响应控制装置，其特征在于，在所述一次调频控制模式下，所述控制模块用于：
向所述自动发电控制系发送闭锁信号；
根据所述电网频率超出所述一次调频死区范围的时刻对应的所述风电场站并网点处的电流及电压，确定对应于所述风电机组的第一有功功率初值，以及根据预设的一次调频有功功率-频率下垂曲线及所述电网频率，确定对应于所述集中式飞轮储能阵列系统的第一有功功率调节量；
根据所述第一有功功率初值控制所述风电机组运行，以及根据所述第一有功功率调节量控制所述集中式飞轮储能阵列系统运行，直至所述电网频率处于一次调频死区范围时，控制所述风电机组和所述集中式飞轮储能阵列系统退出所述一次调频控制模式，并向所述自动发电控制系统发送解除闭锁信号。
8.根据权利要求7所述的用于风电场站的一次调频和虚拟惯量响应控制装置，其特征在于，所述控制模块，具体用于：
当所述电网频率大于或等于预设电网频率最低阈值且小于所述一次调频死区范围的下限值时，确定所述第一有功功率调节量为：
Figure DEST_PATH_IMAGE018
；
当所述电网频率大于所述一次调频死区范围的上限值且小于或等于预设电网频率最高阈值时，确定所述第一有功功率调节量为：
Figure 458227DEST_PATH_IMAGE002
；
当所述电网频率小于所述预设电网频率最低阈值时，确定所述第一有功功率调节量为：
Figure 853436DEST_PATH_IMAGE003
；
当所述电网频率大于所述预设电网频率最高阈值时，确定所述第一有功功率调节量为：
Figure DEST_PATH_IMAGE019
；
其中，
Figure 605491DEST_PATH_IMAGE005
为所述第一有功功率调节量，
Figure 427954DEST_PATH_IMAGE006
为所述风电场站的额定功率，
Figure 383402DEST_PATH_IMAGE007
为电网的额定功率，
Figure 582303DEST_PATH_IMAGE008
为所述一次调频死区范围，
Figure 251181DEST_PATH_IMAGE009
为所述电网频率，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为一次调频调差率。
9.根据权利要求6-8任一项所述的用于风电场站的一次调频和虚拟惯量响应控制装置，其特征在于，在所述虚拟惯量响应控制模式下，所述控制模块用于：
向所述自动发电控制系发送闭锁信号；
根据所述频率变化率超过所述第一预设频率变化率阈值的时刻对应的所述风电场站并网点处的电流及电压，确定对应于所述风电机组的第二有功功率初值，以及根据预设的虚拟惯量响应有功功率变化量公式确定对应于所述集中式飞轮储能阵列系统的第二有功功率调节量；
根据所述第二有功功率初值控制所述风电机组运行，以及根据所述第二有功功率调节量控制所述集中式飞轮储能阵列系统运行，直至所述频率变化率小于第二预设频率变化率阈值时，控制所述风电机组和所述集中式飞轮储能阵列系统退出所述虚拟惯量响应控制模式，并向所述自动发电控制系统发送解除闭锁信号，其中，所述第二预设频率变化率阈值小于所述第一预设频率变化率阈值。
10.根据权利要求9所述的用于风电场站的一次调频和虚拟惯量响应控制装置，其特征在于，所述控制模块，具体用于：
当所述电网频率为正向变化时，确定所述第二有功功率调节量为：
Figure 182228DEST_PATH_IMAGE011
，且
Figure 936558DEST_PATH_IMAGE012
；
当所述电网频率为负向变化时，确定所述第二有功功率调节量为：
Figure 860520DEST_PATH_IMAGE013
，且
Figure 383905DEST_PATH_IMAGE014
；
其中，
Figure 813750DEST_PATH_IMAGE015
为所述第二有功功率调节量，
Figure 993058DEST_PATH_IMAGE006
为所述风电场站的额定功率，
Figure 268182DEST_PATH_IMAGE007
为电网的额定功率，
Figure 597139DEST_PATH_IMAGE016
为虚拟惯量响应时间常数，
Figure 932305DEST_PATH_IMAGE017
为所述频率变化率。
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