CN113036779B - 一种风电参与电网调频的时变调频参数设定方法及系统 - Google Patents

一种风电参与电网调频的时变调频参数设定方法及系统 Download PDF

Info

Publication number
CN113036779B
CN113036779B CN202110236107.6A CN202110236107A CN113036779B CN 113036779 B CN113036779 B CN 113036779B CN 202110236107 A CN202110236107 A CN 202110236107A CN 113036779 B CN113036779 B CN 113036779B
Authority
CN
China
Prior art keywords
frequency modulation
energy
fan
power
wind
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110236107.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113036779A (zh
Inventor
张峰
李柏慷
丁磊
张用
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shandong University
Electric Power Research Institute of State Grid Shandong Electric Power Co Ltd
Original Assignee
Shandong University
Electric Power Research Institute of State Grid Shandong Electric Power Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shandong University, Electric Power Research Institute of State Grid Shandong Electric Power Co Ltd filed Critical Shandong University
Priority to CN202110236107.6A priority Critical patent/CN113036779B/zh
Publication of CN113036779A publication Critical patent/CN113036779A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113036779B publication Critical patent/CN113036779B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/24—Arrangements for preventing or reducing oscillations of power in networks
    • H02J3/241—The oscillation concerning frequency
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
    • H02J3/46—Controlling of the sharing of output between the generators, converters, or transformers
    • H02J3/48—Controlling the sharing of the in-phase component
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2203/00—Indexing scheme relating to details of circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks
    • H02J2203/20—Simulating, e g planning, reliability check, modelling or computer assisted design [CAD]
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2300/00—Systems for supplying or distributing electric power characterised by decentralized, dispersed, or local generation
    • H02J2300/20—The dispersed energy generation being of renewable origin
    • H02J2300/28—The renewable source being wind energy
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/76—Power conversion electric or electronic aspects

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Wind Motors (AREA)

Abstract

本发明公开了一种风电参与电网调频的时变调频参数设定方法及系统，包括：基于不同机型和容量下同步机的转动惯量和蓄热能量关系，构建风电调频能量联动分配模型；所述能量联动分配模型能够在总量约束下联动分配虚拟惯量和一次调频环节的能量；考虑风机运行点偏移造成的机械功率减载能量，量化分析风机不同转速分区下对应的可利用转子动能；根据所述能量联动分配模型计算等效时变调频参数。本发明所提调频参数设定方法在中低风速下能够提供涵盖惯量响应和一次调频，并具备明确的变系数计算方法，同时可实现调频能量在两个调频环节的合理分配。

Description

一种风电参与电网调频的时变调频参数设定方法及系统
技术领域
本发明涉及风电调频技术领域，尤其涉及一种风电参与电网调频的时变调频参数设定方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
当前电网发展趋势下风电渗透率持续提升，预计2030年风电光伏装机12亿兆瓦以上，新能源消费占比达到25％。在火电机组体量占比大幅降低的背景下，风电必然将深度参与电网运行控制，并将成为电网调频的重要组成部分，且具备同时虚拟惯量和一次调频的能力。然而，与同步机不同，同步机两个调频环节对应不同的能量来源，分别对应转子动能和锅炉蓄热，因此转动惯量和单位调节功率系数相互独立。相比而言，非桨距角减载情况下，风电虚拟惯量和一次调频的能量均来源于转子动能，无法实现两者的能量自然分配；同时，因风机桨叶动能随风速变化具有时变性，风电调频动能总量也相应在波动。由此，作为调频主力电源，风机调频应全风况下在虚拟惯量和一次调频两个环节的调频能量具有联动改变的能力。为此，根据风电调频能量特点，建立风机调频参数与对应能量的耦合关系，获取体现风电实际调频能力的等效参数，使电网可实时感知风电实际调频能力，将成为当前亟需开展的研究内容。
目前，针对风电调频控制策略及参数等效问题，国内外学者构建了相关控制模型和等效方法。现有技术考虑双馈风机的固有惯性时间常数，并考虑调速器影响，等效计算了附加有功调频环节的等效惯性时间常数；现有技术根据风机时变的桨叶转子动能对辅助虚拟惯量调频控制策略进行改进，提升了风机调频的动态性能；现有技术提出了基于线性增益的风电调频下垂控制策略，使增益数值为风机转子转速的函数，并基于此寻求合适的线性函数。可以看出，上述研究关注虚拟惯量或一次调频的单一环节，并设置固定调频参数，然而并未考虑参数背后的调频能量支撑，可能产生风电调频能力与参数不匹配的问题，尤其桨叶低转速时该问题更为突出。
为适应风速变化导致的调频能量波动，现有技术提出双馈风机限功率运行下变系数的调频控制策略；或者通过改变调差系数对双馈风机与同步发电机参与电网调频期间的协调控制进行研究；或者在不同风况下通过对风电调频能力的分析制订了适用于多风况的变系数风电调频策略。由上述方案可以看出，该类方案关注于单个调频环节的变系数控制，然而风电成为重要调频电源时，应涵盖惯量响应和一次调频全程，并且调频能量分配联动变化；另一类技术提出了涵盖惯量和一次的联合调频控制策略，但未考虑两者与能量的耦合，固定系数调频，既忽略背后的能量，同时也无法实现能量联动分配。
综上可以看出，风电作为未来电网重要调频资源，全风况下调频环节应涵盖惯量响应和一次调频，同时如何构建适合风速不确定性的调频能量联动分配机制，并具备可体现实际调频能力的时变、可知的调频参数，将成为电网运行重点关注的问题之一。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种风电参与电网调频的时变调频参数设定方法及系统，从调频本源能量的视角出发，考虑不确定桨叶转速下的动能分配机制，使虚拟惯量和一次调频具备联动、可变和实时可知的等效参数，并能与实际调频能力实时匹配，由此使得电网运行可根据风场风速实时获知风场的实时调频能力。
在一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种风电参与电网调频的时变调频参数设定方法，包括：
基于不同机型和容量下同步机的转动惯量和蓄热能量关系，构建风电调频能量联动分配模型；所述能量联动分配模型能够在总量约束下联动分配虚拟惯量和一次调频环节的能量；
考虑风机运行点偏移造成的机械功率减载能量，量化分析风机不同转速分区下对应的可利用转子动能；
根据所述能量联动分配模型计算等效时变调频参数。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种风电参与电网调频的时变调频参数设定系统，包括：
分配模型构建模块，用于基于不同机型和容量下同步机的转动惯量和蓄热能量关系，构建风电调频能量联动分配模型；所述能量联动分配模型能够在总量约束下联动分配虚拟惯量和一次调频环节的能量；
转子动能计算模块，用于考虑风机运行点偏移造成的机械功率减载能量，量化分析风机不同转速分区下对应的可利用转子动能；
等效时变调频参数计算模块，用于根据所述能量联动分配模型计算等效时变调频参数。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种终端设备，其包括处理器和存储器，处理器用于实现各指令；存储器用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述的风电参与电网调频的时变调频参数设定方法。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行上述的风电参与电网调频的时变调频参数设定方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明所提调频参数设定方法在中低风速下能够提供涵盖惯量响应和一次调频，并具备明确的变系数计算方法，同时可实现调频能量在两个调频环节的合理分配；
2)对于电网调度而言，本发明可通过风速监测得到能够体现风场实际调频能力的等效调频参数，实时评估当前风机及电网的调频水平，为当前电网调频容量充盈性做出判断和反应，同时为运行方式的改变提供支撑。
3)相对于非减载场景，风机减载运行或多种减载方式组合调频情况下，模型计算相对复杂，但本发明所提调频参数设定思路和方法仍然适用。
本发明的其他特征和附加方面的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，或通过本方面的实践了解到。
附图说明
图1(a)-(b)分别是不同容量锅炉可释放蓄热和转子动能拟合曲线示意图；
图2是本发明实施例中不同容量锅炉转子动能-蓄热比例曲线；
图3是本发明实施例中全风况下DFIG机组运行状况示意图；
图4是本发明实施例中含自适应调频参数控制的双馈风机调频模型示意图；
图5是本发明实施例中两区域电网仿真结构示意图；
图6(a)-(c)分别是本发明实施例中低风速下仿真结果；
图7(a)-(c)分别是本发明实施例中中风速下仿真结果。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
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。
实施例一
在一个或多个实施方式中，公开了一种风电参与电网调频的时变调频参数设定方法，从电网运行的角度，构建了风电调频能量联动分配机制，使虚拟惯量和一次调频在总量约束下联动分配两个调频环节的能量；在此基础上，考虑运行点偏移的机械能捕获损失，根据实时风速得到了风机可释放净能量的表达模型；进一步，根据能量分配模型计算等效时变调频参数，由此使得风电在中低风速下可参与快速调频全程，避免电网调频环节间的能量失衡，并具备与当前风速和实际调频能力匹配的明确等效调频参数。
具体的过程包括：
(1)基于不同机型和容量下同步机的转动惯量和蓄热能量关系，构建风电调频能量联动分配模型；所述能量联动分配模型能够在总量约束下联动分配虚拟惯量和一次调频环节的能量；
(2)考虑风机运行点偏移造成的机械功率减载能量，量化分析风机不同转速分区下对应的可利用转子动能；
(3)根据所述能量联动分配模型计算等效时变调频参数。
下面对本发明实施例的具体实现过程进行详细说明。
1问题描述
全风况下同时参与电网调频的惯量响应和一次调频环节，将是对未来风电调频的必然要求。与同步机的转子动能和锅炉蓄热的能量来源不同，风电惯量响应和一次调频有共同的调频能量来源，非桨距角减载情况下调频能量来源主要是桨叶动能。风电调频方程如下所示：
Figure BDA0002960562970000061
式中，ΔPw为风机调频附加有功环节的功率增量，Hw，Kw分别为风机调频的等效惯性时间常数和单位调节功率系数；f和Δf为电网频率及其变化量。对式(1)两侧取积分可得：
Figure BDA0002960562970000062
其中，式(2)积分数值为调频区间中风机调频净能量，主要来源于桨叶减速释放的动能。2Hwdf/dt、Kw·Δf分别为惯量响应能量EH和一次调频能量EK。
可见，作为主要待求调频参数Hw和Kw，由式(1)或(2)的二元一次方程无法获得唯一解。原因在于EH和EK叠在一起，共同的调频能量来源，使其无法自然分割。由此，若其中参数选取不当，将可能过多惯量响应或过多一次调频，必然影响整体调频结果。为此，若能构建能量分配及联动变化机制，使其在不同风速时的时变桨叶转速下，随着调频能量的强弱进行联动变化，则可有效解决上述问题。
为此，本实施例认为现有的同步机主导体系下，虽然同步机各调频能量环节能量来源和时间尺度均不同，但依据设备动态特性构建成了各尺度合理衔接的快速调频体系。因此，本实施例引入同步机转动惯量和锅炉蓄热的能量释放配比模型，并参考形成相对合理的桨叶调频动能的能量分配策略。
2同步机调频能量配比分析及风机调频能量分配机制
同步机主导体系下，转子转速工况是电网频率变化的决定因素。因此，风机模拟同步机的转动惯量和蓄热能量特性，使不同风速下风机调频能力类似“忽大忽小”的同步机，成为风机调频能量分配的选项之一。为此，文中分析了当前主流不同机型和容量下同步机的转动惯量和蓄热能量关系，并拟合出动态能量分配函数，为风电可变联动参数等效方法提供理论支撑。
2.1同步机调频能量配比分析
同步机惯量响应能量来源于转动惯量，而一次调频主要对应锅炉蓄热。锅炉蓄热系数是衡量锅炉蓄热能量及一次调频能力的主要参数，其含义是单位汽包压力变化导致锅炉所释放或吸收的能量。在机组协调控制系统(CCS)中,通过蓄热系数可以及时补偿由于压力偏差造成的锅炉蓄热的变化量，保证负荷快速响应利用锅炉蓄热的同时迅速补偿锅炉能量，稳定主蒸汽压力的波动。国内外很多学者对锅炉蓄热系数做出了很多研究，并把它作为衡量机组锅炉蓄热大小的重要依据。
基于现有资料得到[300，1000]MW不同容量以及不同型号锅炉在额定工作点处的蓄热系数；目前超临界发电机组是火力发电的主力机组，具备更高的热效率，而超临界机组均为直流炉。直流炉蓄热能量仅为同参数汽包炉的25％-50％，蓄热能力明显降低。为利于对比分析，将亚临界机组按上述比例进行等值，等效为具有对比性的直流炉蓄热系数，按40％比例折算。进一步，根据锅炉允许的主汽压力变化范围，考虑同步机参与一次调频的可释放蓄热能量。具体而言，常规同步机稳态下主汽压力的波动控制在0.2Mpa以内，动态过程中主汽压力的偏差不超过0.5Mpa，锅炉在一次调频期间机组变压速率范围在0.3-0.45MPa/min。为了对锅炉参与调频过程中的蓄热能力进行定量计算，认为主汽压力变化的最大范围是0.5Mpa，而锅炉蓄热系数在额定压力附近变化不明显，可视为定值。由此，通过获取不同容量下同步机等值蓄热系数，经过曲线拟合获取可释放蓄热拟合曲线如图1(a)所示。拟合函数如下所示：
Ehea＝772.5142+1.7142C+0.0003C2 (3)
可见，随着机组装机容量增大，可释放蓄热能量单调上升，并呈近似线性特征。
在此基础上，进一步分析同步机转子动能。作为频率稳定性分析的基本方程式，转子运动方程可计算电网发生扰动后多机或机网间的相对运动。相比惯性时间常数，转动惯量的物理概念更为清晰，更能直观反映不同机组的惯量响应能力。为此，依据不同装机容量机组的转动惯量获取其转子动能分布情况，得到了拟合曲线及表达式如图1(b)所示。拟合函数如下所示：
Eroa＝431.102-0.2893C+0.0005C2 (4)
可以看出，转子动能随着装机容量增大程单调上升趋势，同时装机容量越大，转子动能增量也越大。
由此，可以获取火电机组转子动能与蓄热的能量对比曲线，如图2所示。由式(3)-(4)可得，比值系数Ns(C)表达为：
Ns(C)＝Eroa/Ehea (5)
可见，比例曲线随着容量增大呈现先减后增的趋势，原因在于图1(b)中转子动能曲线斜率逐渐增大，也就是说随容量增大，转子动能变化率比蓄热要大，由此呈现后段增大的趋势。
2.2风机调频能量分配机制
同步机调频体系中，基于转动惯量和蓄热能量，形成了调频能量多时间尺度有序衔接的动态释放机制。风电调频在当前研究中，模拟同步机的能量动态特性成为可供参考的选项。从调频能量的角度，风速时变的风机可等效成装机容量“忽大忽小”的同步机，由此基于同步机转动惯量和蓄热能量占比，模拟其时变能量的动态分配机制，将具备较强可行性。
非桨距角减载风机的调频能量主要为桨叶转子动能，其大小取决于桨叶旋转速度。由此，进一步图2中Ns曲线中将横坐标同步机容量300-1000MW线性折算成风机转速，范围为0.7-1.2p.u，由此将横坐标按风机额定转速标幺化，形成可供风机调频参考的转速-能量比例分配曲线。
Ns(w)＝Eroa/Ehea (6)
当采用同步机的等效能量分配比例时，根据式(2)中的能量表达式可得：
Ew＝EH+EK (7)
其中：
Figure BDA0002960562970000091
EK＝∫Kw·Δfdt (9)
其中，EH和EK分别为风机虚拟惯量和一次调频对应的转子动能。由式(6)-(9)可得：
Figure BDA0002960562970000092
Figure BDA0002960562970000093
由此，进一步量化分析风机不同转速分区下对应的可利用转子动能，及考虑风机运行点偏移造成的机械功率减载能量。通过获得不同转速分区下风机的可释放转子动能，可进一步表征体现实际调频能力的等效参数。
1)基于实时变化风速的风机桨叶动能计算
从电网运行角度而言，电力调度中心可获取各风场平均风速数值。为此，若将风机调频能量分配表达为风速的函数，可使调度中心根据实时获取的变化风速，评估得到风场的调频等效调频参数，为运行方式的改变或当前应对N-1扰动能力的评估提供数据基础，并有力提升该文方法的实践可行性和实用水平。
为此，将非减载模式下的机组桨叶转速与风速关系分析如下，如图3所示。其中启动区和切出风速vmax以上时，风机无法参与电网调频。
风机捕获的机械功率Pm如下式所示：
Figure BDA0002960562970000101
式中：ρ为空气密度；Cp为风能转换效率；λ为叶尖速比，定义为λ＝ωtR/v，其中：ωt为风机叶轮旋转角速度；β为桨距角；A为风机扫风面积，R为桨叶半径。
MPPT区:风能转换效率Cp最大，同时桨距角β＝0。风机运行满足：
Figure BDA0002960562970000102
λ＝λopt (14)
通过上式求得最优叶尖速比λopt，由叶尖速比的定义可以得到线性化的风机转速-风速关系式：
Figure BDA0002960562970000103
式中：ω为风力发电机转子转速。可见，该风速区在最佳叶尖速比下风速与风机转速呈线性关系。
恒转速区:处于恒转速区的风机的转速随风速增加变化较小，但此时风机的捕获功率仍呈现上升趋势。根据风机功率曲线关系可推得近似线性化的转子转速的方程，其中各参量与图3对应。
Figure BDA0002960562970000111
恒功率区:当风机轮毂处的风速超过额定风速后，风机输出功率将不会继续增加，在桨距角控制下风机转子转速和输出功率均恒定不变，且转子转速处于最高转速。该工况下其参与调频的功率增量取决于风机的极限功率，考虑到极限功率易引发风机保护动作，文中在该区间将提供0.2p.u的调频功率增量。
ω＝ωmax (17)
由上述推导，可得中低转速下的转子动能E’W表达式如下，其中wmin，wn，wmax分别取值为0.7,1.0和1.2；vmin、
Figure BDA0002960562970000112
vn、vmax分别为3、7、10、14、25m/s。
Figure BDA0002960562970000113
式中：J为桨叶转动惯量，T为风机参与电网调频的平均时间，文中取30s。Pw为风机额定功率。
2)考虑风机运行点偏移的净释放动能校正
风机调频过程中，因桨叶转速及运行点的变化，导致叶尖速比及风能捕获系数降低，风机运行点发生偏移。若忽略该影响，并按桨叶动能释放调频能量，则可能在风机退出调频时发生较大的功率跌落，较易引发频率的二次跌落。因此，适当考虑风机运行点偏移引发的风能捕获系数降低问题，并将其考虑在风机调频参数的设定及调整过程中，则可有效保障风机调频及退出过程的功率平稳性，降低频率发生二次跌落的风险。为此：
Ew＝E'w-ΔE (19)
其中，ΔE为考虑风机运行点偏移造成的机械功率减载能量，E'w为中低转速下的转子动能。
风机调频过程中，考虑到时间相对较短，设定风速与桨距角均不变化。由λ＝wtR/v可知，叶尖速比与转子转速的标幺值同步变化。设定调频时刻叶尖速比λ0，转速为ω0，机械功率为P0，同时，为简化计算，此处设定转子转速均匀变化。则调频期间叶尖速比随时间的变化可由一次函数近似表示：
Figure BDA0002960562970000121
由此，ΔE可以表示为：
Figure BDA0002960562970000122
其中，P0为机械功率，ρ为空气密度，Cp为风能转换效率，A为风机扫风面积，β为桨距角，v为风速、λt为叶尖速比。
3风机时变调频参数等效模型
基于风机调频能量分解，进一步将其各自对应能量映射为时变的风机调频参数。可见，本实施例所提能量联动分配的风电调频参数映射方法，可使得电网调度根据各风场的实时风速，可直接估算出各风场的实时等效调频参数。
3.1时变调频参数等效模型
风机模拟同步机参与调频过程中，可将虚拟惯性响应的能量与双馈风机额定容量的比值，定义为双馈风机的净惯性时间常数，以Hw表示。根据式(10)-(11)可得：
Figure BDA0002960562970000123
可见，Hw可以有效体现风机虚拟惯量与等效惯性响应能量EH的时变映射关系，即EH的变化将引发Hw的改变；一次调频方面，不同容量同步机的单位调节功率均取定值(如16-25p.u)，如其定义所示(式23)，其含义为频率发生单位变化时的功率增量，背后隐含了同步机足够的蓄热能量支撑。
Figure BDA0002960562970000131
式中，fn，Pn分别为额定频率和机组额定功率。相比而言，风机一次调频能力和支撑能量具有时变性，应根据单位调节功率的物理含义，构建其与EK的耦合关系。对式(23)取积分可得：
Figure BDA0002960562970000132
式中，Kw为风机等效单位调节功率，ΔPw为风机功率增量，Pwn为风机额定功率，Δf(t)为频率偏移量曲线。为简化计算，文中Δf(t)取常数，数值为电能质量最大允许偏移量0.2Hz。由此可得：
Figure BDA0002960562970000133
可见，根据式(22)、(25)得到了在不同风机转速下的等效调频参数。由此，电网调度通过获取远方风场的风速数值，可由所提方法获取当前电网风场的实际可调频能力及调频参数。
3.2时变调频参数设定方法的应用模式
本节从风电场端和调度端提出所提方法的应用方式。在风电场端，如图4所示，该参数代表了风机调频有功附加控制环节中的微分系数和比例系数。附加有功控制的功率增量指令传递给转子侧变流器，其功率值为定子侧输出功率，未考虑转子回路的馈出功率。为此，在风机调频有功附加控制环节中微分系数和比例系数按如下进行修正，其中s为风机转差率。
Figure BDA0002960562970000134
Figure BDA0002960562970000135
从电网调度端而言，通过SCADA系统获取远方风场平均风速数值，通过所提方法可直接评估当前风场风速下的调频参数及实际调频能力。由此，电网可依此评估当前电网应对N-1扰动的能力，以及当前电网调频容量的充盈度，并为电网运行方式调整提供理论支撑。相比传统研究，本实施例所提方法对于电网运行而言，具有明确的可知性，并具备了根据实时风速进行自适应参数调整的能力，同时可将风机调频能量合理的在惯量响应和一次调频的不同尺度下联动合理分配。
此外，双馈风机调频期间的动态过程中，调频功率增量引发转子转速下降，与转速基准值不一致还将导致速度控制器与桨距角控制器动作。当转速低于基准值会导致速度控制器输出的有功功率参考值降低，同时会导致桨距角增大，减少注入至风机的机械功率，由此对调频功率增量有抑制作用。本实施例为避免两个环节的影响，调频期间将短时闭锁调速器和桨距角控制。
4算例验证
为验证本文所提参数设定方法，在Matlab/Simulink仿真平台搭建两区域系统仿真模型，仿真结构如图5所示。为简化问题，仿真用单机风电运行模型代替风场，并通过负荷突增模拟电网大扰动事件。
3.1低风速的参数等值及调频效果分析
为了对比固定调频参数和本文所提考虑能量分配的时变调频设定方法，本节首先仿真低风速下的验证效果。风电场初始风速设置为9m/s，风电场单机1.374MW六台共8.244MW，系统负荷突增4.7MW。为增强对比性，并体现常规研究中所存问题，设置四组算例，其中算例1中采用调频系数Hw＝0.4，KG＝25，其特点是具备相对该风速偏高的调频系数；算例2采用Hw＝0.1，KG＝15，其特点是微分系数较低，而比例系数较高；算例3采用Hw＝0.5，KG＝10其特点是微分系数较高，而比例系数较低；算例4为按本实施例所提算法所计算出的调频参数Hw＝0.187，KG＝11.74。仿真结果如图6(a)-(c)所示，其中，图6(a)为系统频率曲线，图6(b)为风电场输出有功功率变化曲线，图6(c)为风机角速度变化曲线。
从仿真结果图6(a)可以看出，算例1中因有较高的调频系数，使其调频初期释放较多动能参与调频，保持较少的频率偏移量，而后期调频能量明显支撑不足，如图6(b)所示，并触发风机转速下限保护，在16s附近被迫退出调频，如图6(c)所示，并引发了频率二次跌落。可见，固定系数的调频参数设置在低风速下有可能无法提供足够的调频能量，而导致退出引发转发保护而被迫退出调频，并引发二次跌落风险，同时从电网角度而言，将使风场调频能力与参数不匹配而变得具有不可知性。
算例2中，风机调频参数具有较低的微分系数，由图6(a)可以看出，在低惯量情况下频率产生的较大幅度的跌落；在一次调频阶段因相对合理的比例系数，使得调频功率相对平稳，如图6(b)所示。同时频率可以相对平稳恢复，整个过程未触发转速保护。可见，该算例中的问题在于调频能量并未合理分配，参数不合理导致惯量响应阶段的能量分配相对较少，而存在频率大幅度偏移及触发低频减载的风险。
算例3中，该算例中微分系数相对较大而比例系数相对较小，从图6(a)可以看出，大惯量使得频率未发生明显跌落，但有限的风机调频能量使其无法支撑比例系数，并引发调频功率和风机转速的较大变化，如图6(b)-(c)所示，并引发了频率的二次跌落。可见，该算例中同样存在调频能量分配不合理，过度参与惯量响应导致后期调频能量不足。
算例4为本实施例根据风速计算出的调频参数，从图中可以看出频率动态较为合理，调频能量在惯量响应和一次调频阶段的分配较为合理，根据频率变化动态可以持续的提供功率增量，同时保障自身的合理运行区间。
由此可见，相对其它算例场景，本实施例所提策略可以在低风速下实现能量联动分配，并具备合理的调频参数设定值。
3.2中风速的参数等值及调频效果分析
为进一步验证本实施例所提方法有效性，在12m/s中风速下对比上述算例的仿真效果，仿真结果如图7(a)-(c)所示，其中，图7(a)为系统频率曲线，图7(b)为风电场输出有功功率变化曲线，图7(c)为风机角速度变化曲线。算例1中采用低风速调频系数；算例2和3仍具有相同特征，但考虑风速提升，其系数也相应增加，其中算例2Hw＝0.3，KG＝50；算例3Hw＝0.5，KG＝20。
从图中可以看出，算例1中调频系数保持固定，虽然其在低风速下相对较高，而随着风速增加，该固定值并未表现出提升的调频能力。因此可以看出，算例1中固定的调频系数未自适应随风速改变，反而限制了调频功率输出和调频效果，如图7(a)、(c)所示。算例2和3在较充分的调频能量前提下，一定程度上削弱了其能量不合理分配的缺陷，但从调频效果上仍能体现出其过度参与惯量响应或一次调频的问题。
相比而言，本实施例考虑调频能量充裕度及其联动分配的参数设定方法中，该风速下取值Hw＝0.475，KG＝30.94。从仿真结果看出，中风速下随着风机总体调频能力提升，本实施例方法同样可以实现能量的合理分配，保障平稳支撑惯量响应和一次调频。
3.3多风况下本文等值参数对比分析
本节列出了多风况下，依据本文所提方法所进行的参数设定值，如表格1所示。在较低风速时，考虑风机运行点偏移造成的机械损失，同时避免触发转速保护，所提方法数值不参与调频；随着转速增大，风机转速和转子动能增加，所提方法调频系数随之增大，同时模拟同步机能量分配自适应调整分配系数，使其调频能量在惯量响应和一次调频间合理分配。与此同时，参数设定过程考虑了机械能损失，以净调频能量为基准设定参数，避免调频参数过高导致实际调频能力不足。
上述结果可以看出，在不同风速下，所提设定方法具有明确的等效调频参数，同时该参数从能量角度进行匹配，使其不同风速下的数值与其实际调频能力相当。由此使得电网调度端，可根据风速数值直接评估当前该风场的实际调频参数和调频能量，为调度端的实际决策提供参数依据。
表1多风况下本文方法设定值
Figure BDA0002960562970000171
综上可以看出，上述仿真结果验证了本实施例所提时变调频参数设定的合理性和有效性，从调频能量的本质因素出发，自适应实现调频能量在惯量响应和一次调频环节的合理分配，同时使其调频参数与调频能量匹配，并使调频参数明确化，使得电网调度运行可以实时获取和评估。
实施例二
在一个或多个实施方式中，公开了一种风电参与电网调频的时变调频参数设定系统，包括：
分配模型构建模块，用于基于不同机型和容量下同步机的转动惯量和蓄热能量关系，构建风电调频能量联动分配模型；所述能量联动分配模型能够在总量约束下联动分配虚拟惯量和一次调频环节的能量；
转子动能计算模块，用于考虑风机运行点偏移造成的机械功率减载能量，量化分析风机不同转速分区下对应的可利用转子动能；
等效时变调频参数计算模块，用于根据所述能量联动分配模型计算等效时变调频参数。
需要说明的是，上述各模块的具体实现方式已经在实施例一中进行了说明，不再赘述。
实施例三
在一个或多个实施方式中，公开了一种终端设备，包括服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现实施例一中的风电参与电网调频的时变调频参数设定方法。为了简洁，在此不再赘述。
实施例一中的风电参与电网调频的时变调频参数设定方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。
在另一些实施方式中，公开了一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行实施例一中的风电参与电网调频的时变调频参数设定方法。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种风电参与电网调频的时变调频参数设定方法，其特征在于，包括：
基于不同机型和容量下同步机的转动惯量和蓄热能量关系，将同步机容量线性折算成风机转速，按风机额定转速标幺化，将转动惯量和蓄热能量关系转化为可供风机调频参考的转速-能量比例分配曲线；构建风电调频能量联动分配模型；所述能量联动分配模型能够在总量约束下联动分配虚拟惯量和一次调频环节的能量；
考虑风机运行点偏移造成的机械功率减载能量，量化分析风机不同转速分区下对应的可利用转子动能；
根据所述能量联动分配模型计算等效时变调频参数；
所述构建风电调频能量联动分配模型，具体为：
Figure FDA0003605440160000011
Figure FDA0003605440160000012
其中，可利用转子动能Ew＝EH+EK，EH和EK分别为风机虚拟惯量和一次调频对应的转子动能，Ns(w)为转速-能量比例分配曲线。
2.如权利要求1所述的一种风电参与电网调频的时变调频参数设定方法，其特征在于，所述不同机型和容量下同步机的转动惯量和蓄热能量关系，具体包括：
获取不同容量下同步机等值蓄热系数，获取可释放蓄热拟合曲线；
通过不同装机容量机组的转动惯量获取其转子动能分布情况，得到火电机组转子动能拟合曲线；
求取可释放蓄热拟合曲线与火电机组转子动能拟合曲线的比值系数，得到不同机型和容量下同步机的转动惯量和蓄热能量关系。
3.如权利要求1所述的一种风电参与电网调频的时变调频参数设定方法，其特征在于，考虑风机运行点偏移造成的机械功率减载能量，具体为：
Figure FDA0003605440160000021
其中，P0为机械功率，ρ为空气密度，Cp为风能转换效率，A为风机扫风面积，β为桨距角，v为风速、λt为叶尖速比、T为风机参与电网调频的平均时间。
4.如权利要求1所述的一种风电参与电网调频的时变调频参数设定方法，其特征在于，所述风机不同转速分区下对应的可利用转子动能，具体为：
Ew＝E′w-ΔE
其中，ΔE为考虑风机运行点偏移造成的机械功率减载能量，E′w为中低转速下的转子动能。
5.如权利要求1所述的一种风电参与电网调频的时变调频参数设定方法，其特征在于，根据所述能量联动分配模型计算等效时变调频参数，在不同风机转速下的等效调频参数具体为：
Figure FDA0003605440160000022
Figure FDA0003605440160000023
其中，Hw为双馈风机的净惯性时间常数，Pw为风机额定功率，EH和EK分别为风机虚拟惯量和一次调频对应的转子动能，Kw为风机等效单位调节功率，Pwn为风机额定功率，fn为额定频率，T为风机参与电网调频的平均时间。
6.一种风电参与电网调频的时变调频参数设定系统，其特征在于，包括：
分配模型构建模块，用于基于不同机型和容量下同步机的转动惯量和蓄热能量关系，将同步机容量线性折算成风机转速，按风机额定转速标幺化，将转动惯量和蓄热能量关系转化为可供风机调频参考的转速-能量比例分配曲线；构建风电调频能量联动分配模型；所述能量联动分配模型能够在总量约束下联动分配虚拟惯量和一次调频环节的能量；
转子动能计算模块，用于考虑风机运行点偏移造成的机械功率减载能量，量化分析风机不同转速分区下对应的可利用转子动能；
等效时变调频参数计算模块，用于根据所述能量联动分配模型计算等效时变调频参数；
所述构建风电调频能量联动分配模型，具体为：
Figure FDA0003605440160000031
Figure FDA0003605440160000032
其中，可利用转子动能Ew＝EH+EK，EH和EK分别为风机虚拟惯量和一次调频对应的转子动能，Ns(w)为转速-能量比例分配曲线。
7.一种终端设备，其包括处理器和存储器，处理器用于实现各指令；存储器用于存储多条指令，其特征在于，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-5任一项所述的风电参与电网调频的时变调频参数设定方法。
8.一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，其特征在于，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-5任一项所述的风电参与电网调频的时变调频参数设定方法。
CN202110236107.6A 2021-03-03 2021-03-03 一种风电参与电网调频的时变调频参数设定方法及系统 Active CN113036779B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110236107.6A CN113036779B (zh) 2021-03-03 2021-03-03 一种风电参与电网调频的时变调频参数设定方法及系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110236107.6A CN113036779B (zh) 2021-03-03 2021-03-03 一种风电参与电网调频的时变调频参数设定方法及系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113036779A CN113036779A (zh) 2021-06-25
CN113036779B true CN113036779B (zh) 2022-06-14

Family

ID=76466119

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110236107.6A Active CN113036779B (zh) 2021-03-03 2021-03-03 一种风电参与电网调频的时变调频参数设定方法及系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113036779B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113783208B (zh) * 2021-11-10 2022-03-08 中国电力科学研究院有限公司 一种双馈型机组风电场虚拟惯量控制方法和系统

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102510946A (zh) * 2009-07-06 2012-06-20 西门子公司 频率响应风力涡轮机输出控制
CN109494769A (zh) * 2019-01-07 2019-03-19 华北电力大学 一种风场参与调频方法及系统

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106374496B (zh) * 2016-09-14 2019-06-28 东北电力大学 双馈风电机组-储能系统模拟同步机调频特性控制策略
CN108365633A (zh) * 2018-04-08 2018-08-03 西南交通大学 一种双馈风力发电机超速减载控制变参数虚拟惯量控制方法
CN110323789B (zh) * 2019-05-17 2024-03-19 中国电力科学研究院有限公司 一种基于虚拟惯量模拟的风电机组功率控制方法和系统
CN111864769B (zh) * 2020-07-29 2021-04-23 国网山东省电力公司日照供电公司 考虑风机和系统频率响应特性的调频参数确定方法及系统

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102510946A (zh) * 2009-07-06 2012-06-20 西门子公司 频率响应风力涡轮机输出控制
CN109494769A (zh) * 2019-01-07 2019-03-19 华北电力大学 一种风场参与调频方法及系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN113036779A (zh) 2021-06-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110768307A (zh) 一种风电场一次调频控制方法及系统
CN107453410B (zh) 负荷扰动的双馈风机参与风柴微网调频控制方法
CN108521142B (zh) 一种风电机组一次调频协调控制方法
Holdsworth et al. Power system frequency response from fixed speed and doubly fed induction generator‐based wind turbines
CN109861242A (zh) 一种风电参与电网一次调频的功率协调控制方法及系统
CN106374496A (zh) 双馈风电机组‑储能系统模拟同步机调频特性控制策略
CN109861251B (zh) 一种用于微网暂稳态频率优化的双馈风机综合控制方法
CN113054672B (zh) 一种考虑多环节协同控制的风电调频方法及系统
CN110880795B (zh) 基于超速风机释放功率提升的风电调频控制方法及系统
CN108448622A (zh) 一种双馈风电机组参与电网调频的桨距角控制方法
CN104917201A (zh) 模拟惯性与超速相结合的双馈风机有功频率控制器及方法
CN106532739A (zh) 风电机组分频段参与电力系统一次调频方法
CN107681689A (zh) 双馈风机在微电网中的频率控制参数选取方法
CN110417032A (zh) 一种双馈风机参与系统调频的多目标优化控制方法
CA3054327A1 (en) Wind park inertial response to grid stability
Lyu et al. Adaptive frequency responsive control for wind farm considering wake interaction
CN111525599B (zh) 一种增速型风电机组调频控制方法
CN113036779B (zh) 一种风电参与电网调频的时变调频参数设定方法及系统
CN111725848A (zh) 一种适用于多种风电渗透率的风机可控频率下垂控制方法
Choi et al. A frequency-responsive power-smoothing scheme of a doubly-fed induction generator for enhancing the energy-absorbing capability
Wang et al. Variable coefficient droop control strategy for optimal participation of wind farm in primary frequency regulation considering wake superposition effect
CN114268136A (zh) 考虑同步机频率响应特性的风机步进惯性控制改进方法
CN112769167A (zh) 一种风电火电协同调频控制方法及系统
Liu et al. Coordination control based on virtual inertial time constant and fuzzy logic control for power system with wind farm
CN113346520A (zh) 基于风机和同步机协调配合的电网频率控制方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant