CN112769167A - 一种风电火电协同调频控制方法及系统 - Google Patents

一种风电火电协同调频控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种风电火电协同调频控制方法及系统，风电机组与火电机组之间的通信连接；将风电机组的风机转子转速的偏差信号作为功率偏差信号传输到火电机组的功率控制器；在风电机组退出调频之前，火电机组根据功率偏差信号，基于汽轮机调门，使汽轮机转子额外吸收来自锅炉蓄热的能量，补充风机退出所导致的功率差额；在不减缓风机退出调频带来的功率不平衡冲击时，抵消风电机组退出的功率扰动，提升系统频率从而能够留有足够的裕度来抵抗频率二次跌落的冲击，提高电网频率特性。本发明不仅提升了系统频率，提升了频率的安全裕度，还降低了风机退出调频时带来的功率不平衡冲击；此外风电频率偏差加快了锅炉燃烧速率，提高锅炉压力的最低点。

Description

一种风电火电协同调频控制方法及系统
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种风电火电协同调频控制方法及系统。
背景技术
近年来，风力发电在电网中所占的比例越来越大。由于目前大多数基于双馈感应发电机(DFIG)或永磁同步发电机(PMSG)的风机都是通过电力电子变换器与电网相连，风机转子频率与电网频率解耦，不能像传统同步发电机那样直接响应电力系统的有功控制。整个系统的等效惯量减小加速了系统在有功扰动下的频率变化率，扰动过程中系统频率的最低点会降低，电力系统的稳定安全运行。为了满足电网动态频率稳定的要求，要求系统具有一定的抗干扰能力，即系统应有最小的等效惯量，这要求风机必须参与系统的频率调节，以确保系统频率在安全工作范围内。
目前风机参与频率调节的频率调节策略包括虚拟惯性和下垂控制。这两种控制策略分别是模拟了同步机转子的惯量响应与同步机的一次调频。风机的虚拟惯量和一次调频的能量来源都是风机的转子动能，在调频过程中，风机转速会不断下降。然而，风力发电不存在与火力发电类似的后备功率源，当调频进行到一定阶段以后，风电必须退出其调频功能来保护转子转速，避免转子转速过低影响风机的稳定运行。风电调频的退出会令其输出功率降低，这又会再次导致系统的有功功率不平衡，导致频率二次下降。
针对风机二次跌落现象，目前的研究主要有：对风机的调频功率采用阶跃式退出，分析系统频率与风机退出时刻之间的关系，从而找到最优的风机退出时刻来缓解频率二次跌落的影响；在风机即将退出调频时，采用斜坡而不是阶跃的方式退出调频，这样可以减轻风机退出调频时系统的功率不平衡量。目前对于风电调频引起的二次跌落现象，一般是聚焦于风机的控制上。
但是，电力系统中各机组的有功功率控制系统仅对系统的频率进行响应，而风机在退出调频之前，系统频率相对比较稳定，此时火电机组无法根据提前释放额外出力来支持系统频率。在退出调频时风机出力突然减小，原本风机承担的调频出力只能由同步机来承担。而同步机调速器的调节过程存在一定的滞后，这会导致同步机转子动能再度释放从而令系统频率下降。二次跌落往往较为严重，这样严重影响电力供应的稳定性。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供了风电火电协同调频控制方法，在风电退出调频之前，在原有的控制基础上提前释放一部分额外的蓄热到电网中，来准备抵消风电退出的功率扰动，从而提升系统频率特性。
方法包括：
建立风电机组与火电机组之间的通信连接；
将风电机组的风机转子转速的偏差信号作为功率偏差信号传输到火电机组的功率控制器；
在风电机组退出调频之前，火电机组根据功率偏差信号，基于汽轮机调门，使汽轮机转子额外吸收来自锅炉蓄热的能量，补充风机退出所导致的功率差额；
抵消风电机组退出的功率扰动，提升电网频率特性。
进一步需要说明的是，火电机组接收到的来自风电机组的功率偏差信号为在当前风速下，风机在MPPT模式下的稳定转子速度与当前风机转速之差。
进一步需要说明的是，火电机组同步发电机的输出电功率、火电机组调门开度的增益及火电机组有功功率给定值进行运算处理后再进行PI积分处理，输出汽轮机调门开度指令，控制汽轮机的调门开度以调节火电机组的输出功率，控制火电机组同步发电机的输出电功率。
进一步需要说明的是，风电机组的功率偏差信号经过比例增益施加到火电机组的锅炉控制器，锅炉控制器控制锅炉燃烧率的增益，对锅炉进行控制。
进一步需要说明的是，对汽轮机机前压力给定值与实际值的差进行PI控制器处理后，加上火电机组有功功率给定值与来自风机功率偏差信号产生的锅炉燃烧率信号的总和来控制火电机组的锅炉燃烧率。
进一步需要说明的是，将风机的转子转速偏差作为PCCS：
PCCS＝ωr*-ωr (3)
式中，ωr为风机转速，ωr*是在当前风速下，风机在MPPT模式下的稳定转子速度，风机的频率调节通过输出转子的动能来实现；
当风机的参数是固定的，桨距角保持恒定，风机的稳定转子速度是当前风速的函数，其与风速呈线性关系描述为
ωr*＝f(Vw) (4)
其中Vw是风速。
本发明还提供一种风电火电协同调频控制系统，包括：火电机组和风电机组；
风电机组与火电机组之间的通信连接；
将风电机组的风机转子转速的偏差信号作为功率偏差信号传输到火电机组的功率控制器；
在风电机组退出调频之前，火电机组根据功率偏差信号，基于汽轮机调门，使汽轮机转子额外吸收来自锅炉蓄热的能量，补充风机退出所导致的功率差额；
抵消风电机组退出的功率扰动，提升电网频率特性。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明提供一种风电火电协同调频控制方法及系统，包括：火电机组和风电机组；风电机组与火电机组之间的通信连接；将风电机组的风机转子转速的偏差信号作为功率偏差信号传输到火电机组的功率控制器；在风电机组退出调频之前，火电机组根据功率偏差信号，基于汽轮机调门，使汽轮机转子额外吸收来自锅炉蓄热的能量，补充风机退出所导致的功率差额；在不减缓风机退出调频带来的功率不平衡冲击时，抵消风电机组退出的功率扰动，提升系统频率从而能够留有足够的裕度来抵抗频率二次跌落的冲击，提高电网频率特性。
本发明从功率分配的角度来看，所提出的控制策略首先利用风电输出的快速性来辅助转子在频率调节的早期增加频率的最低点。在风机退出调频前，控制器充分利用锅炉内的大量蓄热量进行提升系统频率，这不仅提升了系统频率，提升了频率的安全裕度，还降低了风机退出调频时带来的功率不平衡冲击。
本发明技术方案功率偏差信号还将通过前馈引入锅炉燃烧率参考值，加快锅炉燃烧率的响应，从而改善压力最低点，减小了锅炉压力的波动幅度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对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为风电火电协同调频控制方法流程图；
图2为火电机组锅炉跟随控制方式的基本控制框图；
图3为接入风电调频信号的协调控制策略框图；
图4为风电火电协同调频控制系统仿真模型单线图；
图5为本发明实施例KTV取值变化时系统的动态响应曲线示意图；
图6为本发明实施例KBR取值变化时系统的动态响应曲线示意图；
图7为本发明实施例算例a,b的系统动态曲线图；
图8为本发明实施例风机调频与转速恢复过程的动态曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种风电火电协同调频控制方法，如图1所示，方法包括：
S11，建立风电机组与火电机组之间的通信连接；
S12，将风电机组的风机转子转速的偏差信号作为功率偏差信号传输到火电机组的功率控制器；
S13，在风电机组退出调频之前，火电机组根据功率偏差信号，基于汽轮机调门，使汽轮机转子额外吸收来自锅炉蓄热的能量，补充风机退出所导致的功率差额；
S14，抵消风电机组退出的功率扰动，提升电网频率特性。
进一步的讲，将风机功率偏差信号输入至火电机组；
火电机组根据功率偏差信号，额外增打汽轮机调门，使同步机转子额外吸收来自锅炉蓄热的能量，补充风机退出所导致的能量差额。
二次跌落是由于系统有功功率补充不及时造成的。如果能在风机频率调节终止后电网中的其他能源能够立刻补充风机退出所导致的能量差额，则可以减缓频率的二次跌落现象。
而风电参与调频的时间一般是小于锅炉的蓄热系数时间的。因此在风电退出调频的时候，锅炉的蓄热水平还没有被过多释放；并且，不考虑电网中存在其他发电形式的前提下，风电退出调频以后，系统的负荷扰动量由火电机组承担。本发明通过在风电场与火电机组之间建立通信，向火电机组引入风电调频的功率信号，在风电退出调频之前，在原有的控制基础上提前释放一部分额外的蓄热到电网中，来准备抵消风电退出的功率扰动，从而提升系统频率特性。
本发明提供的风电火电协同调频控制方法及系统所发明的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
本发明提供的风电火电协同调频控制方法及系统的附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
本发明提供的风电火电协同调频控制方法和系统，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。
作为本发明的一种实施方式，
图2为火电机组锅炉跟随控制方式的基本控制框图，其中PSG为火电机组同步发电机的输出电功率，P0为火电机组有功功率给定值，PT,ref为汽轮机机前压力给定值，PT为锅炉机前压力。锅炉跟随控制策略(BF)是参与变频调速的火电机组最基本的控制方法，其功率参考值为：
P0＝PAGC+K(f0-f) (1)
Δf＝f0-f (2)
其中PAGC为AGC确定的火电机组有功功率指令，K为火电机组调速器的调频系数，f0为电网频率额定值，f为电网频率实际值。
图3为接入风电调频信号的协调控制策略框图，其中PCCS是火电机组接收到的来自风电机组的功率偏差信号，KTV是PCCS对火电机组调门开度的增益，KBR是PCCS对锅炉燃烧率的增益。
将风机的转子转速偏差作为PCCS：
PCCS＝ωr*-ωr (3)
式中，ωr为风机转速，ωr*是在当前风速下，风机在MPPT模式下的稳定转子速度，风机的频率调节主要是通过输出转子的动能来实现的，PCSS越大意味着风机在调频过程中释放的转子动能越多，退出时对系统造成的功率扰动就会越大。
当风机的参数是固定的，桨距角保持恒定，风机的稳定转子速度是当前风速的函数，它与风速呈线性关系，描述为
ωr*＝f(Vw) (4)
其中Vw是风速。
本实施例将体现风机功率不平衡的信号引入火电机组。火电机组根据这个功率偏差信号，额外增打汽轮机调门，使同步机转子额外吸收来自锅炉蓄热的能量，在不减缓风机退出调频带来的功率不平衡冲击时，提升系统频率从而能够留有足够的裕度来抵抗频率二次跌落的冲击。
功率偏差信号还将通过前馈引入锅炉燃烧率参考值，加快锅炉燃烧率的响应，从而改善压力最低点，减小了锅炉压力的波动幅度。
在powerfactory中搭建如下的仿真模型，见附图4所示，风电场安装的PMSG容量为36MW，火力发电厂的容量为100MW。系统以50MW恒载运行，负荷阶跃为8MW。假设风速为10m/s，风力发电机转子转速为1p.u.风机终止频率调节，当转子转速低于0.96p.u.时，参数对动态过程的影响。风电调频采用下垂控制，运行仿真，因为KTV和KBR采用不同的值。当KBR等于0时，动态曲线如图5的系统频率所示。KTV为风机功率偏差到火电厂的汽轮机开度的增益倍数各图像纵坐标。
随着KTV值的增大，二次压降最小值显著增大。锅炉吸收的热量也缓慢上升，节气门压力最低点略有下降。
KTV是汽轮机阀门控制器风机速度偏差的增益。当风机参与频率调节时，KTV越大，汽轮机阀门开度越大，锅炉向同步机转子释放的热量越多，导致频率提高，机前压力最低点降低。但是，较低的压力不会加速燃烧速度，因为频率偏差Δf到燃烧率参考值的前馈信号减小。当KTV等于0，KBR等于2,6,10时，动态曲线如图6所示。KBR为风电偏差信号到火电机组锅炉燃烧率指令的增益倍数。
图6(a)和图6(b)中KBR等于2,6,10三条曲线重合。
当KTV等于0，KBR等于2,6,10时，动态曲线如图7所示。KBR的变化对频率响应没有影响，而锅炉吸热明显加快，从而改善了锅炉压力的最低点。
从风机开始调频到调频完全退出的时间约为50s，在此期间，KBR引起的风机转速偏差的响应有显著的改善作用。
由于作用时间尺度不同，锅炉的时间尺度约为100s，系统频率响应的时间尺度约为10s，因此KBR的取值对系统频率基本没有影响。
以上分析体现了引入的两个控制KTV、KBR的影响，设置以下研究案例：
Case a：未使用任何控制策略；
Case b：采用协调控制策略，KTV＝2，KBR＝10。
这两个研究案例的系统动态响应如图7(a)-图7(d)所示。
图7(a)表明，所提出的策略可以显著提高频率二次跌落的最小值。图7(b)表明，所提出的控制策略将延迟风机频率调节的终止时间。图7(c)和图7(d)表明，所提出的策略可以显著加快锅炉的吸热速度，提高锅炉压力的最低点。
图8(a)和图8(b)显示了这两个研究案例在频率调节和转子转速恢复期间锅炉蓄热和PWT-ωr图像的动态过程。
图8中，WTG Electrical Power为风机输出电磁功率；
Wind Power为风功率；
图8(a)为锅炉蓄热释放率曲线图；
图8(b)为风电输出功率曲线图。
图8中ωter为风机的转速下限，当风机转速达到ωter时，风机退出调频，风机的功率给定恢复到PMPPT曲线上；Pter为风机退出调频时出力突变量。
根据风机运行点轨迹图，发现在调频推出时刻，情况b的功率偏差比情况a的小。
Pter,b<Pter,a (5)
仿真结果表明，该控制策略不仅提高了频率裕度，而且降低了风机退出时的功率冲击。该策略从锅炉的角度，在锅炉压力达到最低点之前，该策略提升了锅炉的燃料输入速率，提高锅炉的吸热率，从而提高了锅炉压力的最低点。
本发明技术方案将代表风电功率偏差的信号引入火电机组控制器，实现对汽轮机调门以及锅炉燃烧率的控制。在风机退出调频之前提升系统频率，以增加系统频率的安全裕度，系统频率的增加也会降低风机的输出功率，从而减少因频率调整退出而引起的功率不平衡。此外，本发明提出的策略是利用锅炉燃速的前馈控制来补偿风机变频期间蓄热量的过度释放。在锅炉压力降到最低点之前，提高锅炉的燃烧率，保证锅炉压力动态性能在第二次下降后不会恶化。
在DIgSILENT/PowerFactory上进行的仿真实验结果表明，该策略具有非常优越的控制效果。
本发明从功率分配的角度来看，所提出的控制策略首先利用风电输出的快速性来辅助转子在频率调节的早期增加频率的最低点。在风机退出调频前，控制器充分利用锅炉内的大量蓄热量进行提升系统频率，这不仅提升了系统频率，提升了频率的安全裕度，还降低了风机退出调频时带来的功率不平衡冲击；此外风电频率偏差加快了锅炉燃烧速率，提高锅炉压力的最低点。
本发明还提供一种风电火电协同调频控制系统，系统实现风电火电协同调频控制方法的步骤；
系统包括：火电机组和风电机组；风电机组与火电机组之间的通信连接；
将风电机组的风机转子转速的偏差信号作为功率偏差信号传输到火电机组的功率控制器；在风电机组退出调频之前，火电机组根据功率偏差信号，基于汽轮机调门，使汽轮机转子额外吸收来自锅炉蓄热的能量，补充风机退出所导致的功率差额；抵消风电机组退出的功率扰动，提升电网频率特性。
本发明提供的风电火电协同调频控制系统是结合本文中所发明的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
对所发明的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业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发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明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发明的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种风电火电协同调频控制方法，其特征在于，方法包括：
建立风电机组与火电机组之间的通信连接；
将风电机组的风机转子转速的偏差信号作为功率偏差信号传输到火电机组的功率控制器；
在风电机组退出调频之前，火电机组根据功率偏差信号，基于汽轮机调门，使汽轮机转子额外吸收来自锅炉蓄热的能量，补充风机退出所导致的功率差额；
抵消风电机组退出的功率扰动，提升电网频率特性。
2.根据权利要求1所述的电火电协同调频控制方法，其特征在于，
火电机组接收到的来自风电机组的功率偏差信号为在当前风速下，风机在MPPT模式下的稳定转子速度与当前风机转速之差。
3.根据权利要求1所述的电火电协同调频控制方法，其特征在于，
火电机组同步发电机的输出电功率、火电机组调门开度的增益及火电机组有功功率给定值进行运算处理后再进行PI积分处理，输出汽轮机调门开度指令，控制汽轮机的调门开度以调节火电机组的输出功率，控制火电机组同步发电机的输出电功率。
4.根据权利要求1所述的电火电协同调频控制方法，其特征在于，
风电机组的功率偏差信号经过比例增益施加到火电机组的锅炉控制器，锅炉控制器控制锅炉燃烧率的增益，对锅炉进行控制。
5.根据权利要求1所述的电火电协同调频控制方法，其特征在于，
对汽轮机机前压力给定值与实际值的差进行PI控制器处理后，加上火电机组有功功率给定值与来自风机功率偏差信号产生的锅炉燃烧率信号的总和来控制火电机组的锅炉燃烧率。
6.根据权利要求1所述的电火电协同调频控制方法，其特征在于，
将风机的转子转速偏差作为PCCS：
PCCS＝ωr*-ωr (3)
式中，ωr为风机转速，ωr*是在当前风速下，风机在MPPT模式下的稳定转子速度，风机的频率调节通过输出转子的动能来实现；
当风机的参数是固定的，桨距角保持恒定，风机的稳定转子速度是当前风速的函数，其与风速呈线性关系描述为
ωr*＝f(Vw) (4)
其中Vw是风速。
7.一种风电火电协同调频控制系统，其特征在于，系统实现如权利要求1至6任意一项所述风电火电协同调频控制方法的步骤；
系统包括：火电机组和风电机组；
风电机组与火电机组之间的通信连接；
将风电机组的风机转子转速的偏差信号作为功率偏差信号传输到火电机组的功率控制器；
在风电机组退出调频之前，火电机组根据功率偏差信号，基于汽轮机调门，使汽轮机转子额外吸收来自锅炉蓄热的能量，补充风机退出所导致的功率差额；
抵消风电机组退出的功率扰动，提升电网频率特性。
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