CN113067374A - 一种低风速风电机组参与区域电网小干扰频率调节的方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种低风速风电机组参与区域电网小干扰频率调节的方法，方法包括以下步骤：确定参与区域电网小干扰频率调节的低风速风电机组；获取低风速风电机组的实时频率；根据采集到的实时风速对预设时间内的风速进行预测得到预测风速；在实时频率处于小干扰频率调节范围，且预测风速处于低风速风电机组的额定功率最小风速和最大切出风速之间时：使低风速风电机组在恒额定功率出力，且桨距角大于零的状态运行，并确定桨距角调整范围；当实时频率发生变化时，根据桨距角调整范围对桨距角进行调整，使低风速风电机组参与区域电网小干扰频率的调节。该方法可以实现低风速风电机组参与区域电网小干扰快速频率调节的目的。

Description

一种低风速风电机组参与区域电网小干扰频率调节的方法

技术领域

本申请涉及区域电网小干扰频率调节技术领域，尤其涉及一种低风速风电机组参与区域电网小干扰频率调节的方法。

背景技术

区域电网与主电网异步联网后，具有利用各地区用电的非同时性进行负荷调整、减少备用容量和装机容量等优点，从而达到合理利用能源的目的。异步联网后的区域电网作为送端电网，电网容量会变小，抗扰动能力变弱，加剧了区域电网频率稳定问题，为确保区域电网的安全稳定运行，需要对区域电网进行频率调节。

火力发电和水力发电这两种传统能源的发电方式，在进行电网频率调节时都会产生一些问题，例如，火力发电因为能源结构的改变，开机减少，频率调节能力减弱，水力发电异步联网后会出现超低频振荡问题，传统能源在进行电网频率调节时还具有一次频率调节响应慢的问题，会导致异步送端电网的频率在小范围内频繁波动。风力发电作为一种利用清洁能源发电的技术，可以补充电网频率调节所需的资源，随着风力发电技术的发展，大型叶片结构的低风速风机已成为陆上风电行业发展趋势，未来五年，陆上风机的风轮直径将超过200米，大型叶片结构的低风速风力发电会得到越来越多的应用。

低风速风力发电在参与电网频率调节时，传统方法之一是风电场一次频率调节控制，使用该方法需要场站控制柜根据电网频率变化、风电机组变频器的运行状态生成单机一次频率调节指令，频率调节指令计算、指令下发、指令响应时间较单机频率调节慢，不能满足异步送端电网快速频率调节的需要。不同能源配合进行频率调节时，要求新能源场站基于变化量频率调节的死区为±0.05Hz，而该方法是基于变化量的频率调节方式，对低于±0.05Hz变化量的频率变化无法响应，使得小干扰下送端电网频率波动频繁。

发明内容

本申请提供了一种低风速风电机组参与区域电网小干扰频率调节的方法，以解决传统风电机组的频率调节方法在参与送端电网小干扰频率调节时无法响应的问题。

本申请解决上述技术问题所采取的技术方案如下：

一种低风速风电机组参与区域电网小干扰频率调节的方法，所述方法包括以下步骤：

确定参与区域电网小干扰频率调节的低风速风电机组；

获取所述低风速风电机组的实时频率；

根据采集到的实时风速和历史数据对预设时间内的风速进行超短期预测得到预测风速；

在所述实时频率处于小干扰频率调节范围，且所述预测风速处于所述低风速风电机组的额定功率最小风速和最大切出风速之间时：

使所述低风速风电机组在恒额定功率出力，且桨距角大于零的状态运行，并确定桨距角调整范围；

当所述实时频率发生变化时，根据所述桨距角调整范围对所述桨距角进行调整，使所述低风速风电机组参与所述区域电网小干扰频率的调节。

进一步，当所述实时频率下降时，将所述桨距角减小，使所述低风速风电机组的出力增加，参与所述区域电网小干扰频率的调节。

进一步，当所述实时频率上升时，将所述桨距角增大，使所述低风速风电机组的出力减少，参与所述区域电网小干扰频率的调节。

进一步，若所述桨距角小于所述桨距角调整范围的最大值，则将所述桨距角调整为所述低风速风电机组满足参与区域电网小干扰频率调节容量时的桨距角，参与所述区域电网小干扰频率的调节。

进一步，若所述桨距角大于所述桨距角调整范围的最大值，则将所述桨距角调整为所述桨距角调整范围的最大值，参与所述区域电网小干扰频率的调节。

更进一步，若所述实时频率不处于所述小干扰频率调节范围，则所述低风速风电机组按照惯量方式和变桨方式进行频率调节。

此外，所述方法还包括以下步骤：

搭建低风速风电场一次频率调节的区域电网机电暂态模型，仿真计算小干扰频率下区域电网频率调节需要的低风速风电场频率调节容量；

根据所述低风速风电场频率调节容量和所述低风速风电场的低风速风电机组参数，确定各台低风速风电机组参与区域电网小干扰频率调节的容量。

其中，所述历史参数包括：低风速风电机组历史功率值、风速、风向和温度。

其中，所述桨距角调整范围，是在所述低风速风电机组恒额定功率输出有功功率条件下，根据所述低风速风电机组的额定功率最小风速到最大切出风速之间的风速变化与桨距角配合关系进行确定，所述桨距角调整范围计算方式为：

式中：

P_m为低风速风电机组从风能中获取的额定功率(W)，ρ为空气密度(kg/m³)，R为叶片半径,V_w为低风速风电机组在额定功率时的风速，V_w小于最大切出风速(m/s)，w为低风速风电机组的风轮转速(rad/s)。

其中，所述的确定参与区域电网小干扰频率调节的低风速风电机组，包括以下步骤：

对低风速风电场内的所述低风速风电机组按照有功功率曲线一致原则将所述低风速风电机组进行分群，根据分群指标将所述低风速风电机组分为具有有功功率一致性的不同机群，分群指标为：

式中：t₀表示检测到的有功功率曲线的起点时刻；t表示动态过程中各个时间点；v(t)表示t时刻动态响应值；i、j代表两台风电机组；r_ig为两台风电机组有功功率响应的相关系数；

根据不同的所述机群在一定时间期限内的发电量数据和故障率数据将所述机群进行归类；

根据所述低风速风电场需要提供的频率调节容量、频率调节经济性、冗余配置可靠性确定参与区域电网小干扰频率调节的低风速风电机组。

本申请提供的技术方案包括以下有益技术效果：

本申请是针对低风速风电场一次频率调节控制方法进行区域电网频率调节时，低风速风电机组频率响应慢的特点，提出了一种直接利用低风速风电机组单机进行区域电网小干扰频率调节的方法，首先确定参与区域电网小干扰频率调节的低风速风电机组，获取低风速风电机组的实时频率，当实时频率在小干扰频率调节范围内，且预测风速在额定功率最小风速和最大切出风速之间时，使低风速风电机组在恒额定功率出力，且桨距角大于零的状态运行，并确定桨距角调整范围，当实时频率发生变化时，根据得到的桨距角调整范围对桨距角进行调整，使低风速风电机组参与区域电网小干扰频率的调节。本申请的技术方案是低风速风电机组单机直接参与区域电网小干扰频率调节，不涉及通讯延迟，频率调节响应速度快，并且较之现有的频率调节方法，只需要修改参与快速频率调节的低风速风电机组主控制系统的软件，不涉及硬件改造，本申请的技术方案可以使低风速风电机组在区域电网频率发生小干扰时参与小干扰频率调节，增加了快速频率调节的资源，实现了低风速风电机组参与区域电网小干扰快速频率调节的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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为本申请实施例提供的电网一次频率调节曲线；

图2为本申请实施例提供的低风速风电机组参与区域电网小干扰频率调节的方法流程图；

图3为本申请实施例提供的低风速风电机组功率曲线。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

区域电网与主电网异步联网后，区域电网作为送端电网，电网容量会变小，抗扰动能力变弱，加剧了区域电网频率稳定问题，为确保区域电网的安全稳定运行，需要对区域电网进行频率调节。电网的频率一旦偏离额定值时，电网中发电机组的控制系统就自动地控制发电机组有功功率的增减，限制电网频率变化，使电网频率维持稳定。如图1所示的区域电网一次频率调节曲线，当电网频率超过死区时，电网频率f升高，一次调频功能要求机组按照K_f2曲线下调功率P；电网频率f降低时，一次调频功能要求机组按照K_f1曲线上调功率P。

随着风电机组技术的发展，低风速风电机组发电得到了越来越多的应用，低风速风电机组并网后可以补充电网频率调节所需的资源。

如图2所示，本申请实施例提供的低风速风电机组参与区域电网小干扰频率调节的方法，该方法包括以下步骤：

搭建低风速风电场频率调节的区域电网机电暂态模型，仿真计算小干扰频率下区域电网频率调节需要的低风速风电场频率调节容量；

根据低风速风电场频率调节容量和低风速风电场的低风速风电机组的装机情况，确定各台低风速风电机组参与区域电网小干扰频率调节的容量。

低风速风电场频率调节容量的计算公式为：

低风速风电场频率调节容量＝小干扰下低风速风电场快速频率调节容量/低风速风电场的低风速风电机组总装机容量*低风速风电场容量。

低风速风电机组参与区域电网小干扰频率调节容量的计算公式为：

低风速风电机组参与区域电网小干扰频率调节容量＝低风速风电场频率调节容量/低风速风电机组台数。

由于同一个风场的低风速风电机组的风速、所处海拔、发电量、故障率各不相同，存在同一时刻不同低风速风电机组有些有功出力增长，有些有功降低的情况，为保证不同低风速风电机组参与电网快速频率调节的可靠响应，必须选择具有相同外特征曲线的低风速风电机组参与快速频率调节，具体的选择方式为：

对风电场风电机组进行分群，低风速风电机组的动态特征主要有端口电压、输出有功功率和无功功率，由于一次频率调节实际是根据设置的频率变化响应改变有功变化，所以按照有功功率曲线一致原则对风电场风电机组进行分群；

分群指标：令分群的风电机组为有功功率曲线，采用相关系统方法判别不同低风速风电机组有功功率动态曲线的相似度，相似度定义：

式中：t₀表示检测到的有功功率曲线的起点时刻；t表示动态过程中各个时间点；v(t)表示t时刻动态响应值；i、j代表两台风电机组；r_ig为两台风电机组有功功率响应的相关系数；r_ig＞0表明两台风电机组有功功率响应正相关，r_ig＜0表明两台风电机组有功功率响应负相关，r_ig的绝对值越接近1表示两台风电机组有功功率动态曲线越相似，越容易分为一群；

首先，收集低风速风电机组有功功率历史曲线，根据分群指标将风电场的低风速风电机组分为具有有功功率一致性的不同机群；

然后，根据不同机群的全年历史发电量数据和故障率数据(如高发电量、中发电量、低发电量和高故障率、中故障率、低故障率)，将不同机群再次进行归类，选择额定功率最小风速到最大切出风速之间稳定发电时间最长、故障率最低的低风速风电机组机群参与小干扰频率调节；

最后，结合风电场需要提供的快速频率调节容量、频率调节经济性、冗余配置可靠性等因素，选择合适的低风速风电机组机参与区域电网小干扰快速频率调节。

在确定了参与区域电网小干扰频率调节的低风速风电机组后，收集选定的低风速风电机组的实测历史数据，如历史功率值、风速、风向、气温等，修改其主控制系统，使其具备采用统计法进行预测预设时间内的风速或风功率的超短期风速预测能力，该预设时间可设定为10s，并将低风速风电机组对区域电网频率波动的响应范围进行修改，如将低风速风电机组对小干扰频率波动作出响应的频率波动范围设置为0.04-0.07Hz。

在修改好参与区域电网小干扰频率调节的低风速风电机组后主控制系统后，即可实施低风速风电机组对区域电网小干扰频率的调节，具体过程如下：

低风速风电机组变频器锁相环检测低风速风电机组的实时频率，将实时频率信号传输到低风速风电机组的主控制系统，主控制系统判断该实时频率是否在小干扰频率调节的50.04-50.07Hz范围内：

当实时频率超过小干扰频率调节范围时，如实时频率为50.12Hz，则该实时频率超出小干扰频率调节方法的频率调节范围，此时，低风速风电机组按照现有的风电机组参与区域电网频率调节方式中的变桨方式

和惯量方式

进行频率调节；

当实时频率在小干扰频率调节范围时，如实时频率为50.05Hz,则低风速风电机组对自身出力进行预测，当预测风速在预设时间内，如10s，在低风速风电机组额定功率最小风速和最大切出风速之间时，以低风速风电机组恒额定出力为原则，计算各台低风速风电机组满足需要参与区域电网小干扰频率调节容量时的低风速风电机组的桨距角调整范围，根据桨距角调整范围的最大值，调整桨距角，使低风速风电机组运行在额定出力且桨距角大于零的(β＞0)状态，并参与区域电网小干扰频率的调节，具体地：

当实时频率下降时，将桨距角调整成为使低风速风电机组的出力增加的状态，从而提供频率支撑，使低风速风电机组参与到区域电网小干扰频率的调节中，此时，桨距角调整范围的最大值在桨距角大于零的某一值至桨距角等于零之间，即在此范围调整桨距角可以使低风速风电机组的出力增加，如，将桨距角调整减小到零，使低风速风电机组的出力达到最大，进而起到稳定区域电网频率的作用；

当实时频率上升时，将桨距角调整成为使低风速风电机组的出力减少的状态，从而提供频率支撑，使低风速风电机组参与到区域电网小干扰频率的调节桨中，此时，桨距角调整范围最大值在桨距角大于零的某一值至桨距角等于九十度之间，即在此范围调整桨距角可以使低风速风电机组的出力减少，如，将桨距角调整为实时频率上升时对应的功率下降的桨距角，进而起到稳定区域电网频率的作用。

当实时频率的波动在本实施例频率调节可响应的频率波动范围内时，桨距角具体的调整方式是：

若桨距角小于桨距角调整范围的最大值，则将桨距角调整为低风速风电机组满足参与区域电网小干扰频率调节容量时的桨距角；

若桨距角大于桨距角调整范围的最大值，则将桨距角调整为桨距角调整范围的最大值即可。

其中，风速预测的统计方法为：建立多输入与输出功率之间的对应关系，输入量可以是数值天气预报、历史功率值、风速、风向、温度等等。统计方法包括持续法、时间序列法、卡尔曼滤波法等线性映射方法，人工智能算法等非线性方法，还包括人工神经网络法等，统计法建模过程相对简洁明了，能够自发适应风电机组所处地理位置，自发减少系统误差，但需要大量历史数据。超短期预测方法已经成熟，采用最简单有效的统计法预测未来一段时间内的风速或风功率，精度能保证15分钟的准确预测。

惯量方式频率调节方法的过程为：当电网频率发生变化时，计算频率变化率df/dt，假设频率变化率死区为0.05Hz/s,当频率变化率df/dt超过死区(例如电网频率变化率df/dt＝0.16Hz/s)时，低风速风电机组主控制系统根据转子动能表达式

计算需要转子动能吞吐以实现转子动能频率调节。

当电网频率变化率df/dt超过死区时，电网频率变化率df/dt升高，风电机组按照

计算结果吸收能量，使电网频率降低；电网频率变化率df/dt降低时，风电机组按照

计算结果释放转子动能，使电网频率升高。

变桨方式频率调节方法为：当电网频率发生变化时，计算频率变化量Δf，假设频率变化量死区为0.05Hz,当频率变化量Δf超过死区(例如电网频率变化量Δf＝1.56Hz)时，低风速风电机组主控系统根据转子动能表达式

计算功率变化指令，并按照指令调整桨叶的桨距角以实现变桨方式的频率调节。

低风速风电机组额定功率最小风速根据附图3的功率曲线得到(图3中低风速风电机组在5m/s时达到额定功率出力，桨距角β₀＝0)，桨距角调整范围是在低风速风电机组恒额定功率出力条件下，根据低风速风电机组的额定功率最小风速到最大切出风速之间的风速变化与桨距角配合关系进行确定，桨距角调整范围计算方式为：

式中：

P_m为低风速风电机组从风能中获取的额定功率(W)，ρ为空气密度(kg/m³)，R为叶片半径，V_w为低风速风电机组在额定功率时的风速，V_w小于最大切出风速(m/s)，w为低风速风电机组的风轮转速(rad/s)，桨距角调整范围的最大值＞桨距角＞0。

根据本申请实施例的方法，在区域电网实时频率波动处于低风速风电机组频率调节响应范围时，低风速风电机组通过对桨距角的调整，可以实现对区域电网小干扰频率的快速调节的目的。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的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申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请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公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种低风速风电机组参与区域电网小干扰频率调节的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

确定参与区域电网小干扰频率调节的低风速风电机组；

获取所述低风速风电机组的实时频率；

根据采集到的实时风速和历史数据对预设时间内的风速进行超短期预测得到预测风速；

在所述实时频率处于小干扰频率调节范围，且所述预测风速处于所述低风速风电机组的额定功率最小风速和最大切出风速之间时：

使所述低风速风电机组在恒额定功率出力，且桨距角大于零的状态运行，并确定桨距角调整范围；

当所述实时频率发生变化时，根据所述桨距角调整范围对所述桨距角进行调整，使所述低风速风电机组参与所述区域电网小干扰频率的调节。

2.根据权利要求1所述的低风速风电机组参与区域电网小干扰频率调节的方法，其特征在于，当所述实时频率下降时，将所述桨距角减小，使所述低风速风电机组的出力增加，参与所述区域电网小干扰频率的调节。

3.根据权利要求1所述的低风速风电机组参与区域电网小干扰频率调节的方法，其特征在于，当所述实时频率上升时，将所述桨距角增大，使所述低风速风电机组的出力减少，参与所述区域电网小干扰频率的调节。

4.根据权利要求2或3任意一项所述的低风速风电机组参与区域电网小干扰频率调节的方法，其特征在于，若所述桨距角小于所述桨距角调整范围的最大值，则将所述桨距角调整为所述低风速风电机组满足参与区域电网小干扰频率调节容量时的桨距角，参与所述区域电网小干扰频率的调节。

5.根据权利要求2或3任意一项所述的低风速风电机组参与区域电网小干扰频率调节的方法，其特征在于，若所述桨距角大于所述桨距角调整范围的最大值，则将所述桨距角调整为所述桨距角调整范围的最大值，参与所述区域电网小干扰频率的调节。

6.根据权利要求1所述的低风速风电机组参与区域电网小干扰频率调节的方法，其特征在于，若所述实时频率不处于所述小干扰频率调节范围，则所述低风速风电机组按照惯量方式和变桨方式进行频率调节。

7.根据权利要求1所述的低风速风电机组参与区域电网小干扰频率调节的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

搭建低风速风电场一次频率调节的区域电网机电暂态模型，仿真计算小干扰频率下区域电网频率调节需要的低风速风电场频率调节容量；

根据所述低风速风电场频率调节容量和所述低风速风电场的低风速风电机组参数，确定各台低风速风电机组参与区域电网小干扰频率调节的容量。

8.根据权利要求1所述的低风速风电机组参与区域电网小干扰频率调节的方法，其特征在于，所述历史数据包括：低风速风电机组历史功率值、风速、风向和温度。

9.根据权利要求1所述的低风速风电机组参与区域电网小干扰频率调节的方法，其特征在于，所述桨距角调整范围，是在所述低风速风电机组恒额定功率输出有功功率条件下，根据所述低风速风电机组的额定功率最小风速到最大切出风速之间的风速变化与桨距角配合关系进行确定，所述桨距角调整范围计算方式为：

式中：

P_m为低风速风电机组从风能中获取的额定功率(W)，ρ为空气密度(kg/m³)，R为叶片半径,V_w为低风速风电机组在额定功率时的风速，V_w小于最大切出风速(m/s)，w为低风速风电机组的风轮转速(rad/s)。

10.根据权利要求1所述的低风速风电机组参与区域电网小干扰频率调节的方法，其特征在于，所述的确定参与区域电网小干扰频率调节的低风速风电机组，包括以下步骤：

对低风速风电场内的所述低风速风电机组按照有功功率曲线一致原则将所述低风速风电机组进行分群，根据分群指标将所述低风速风电机组分为具有有功功率一致性的不同机群，分群指标为：

式中：t₀表示检测到的有功功率曲线的起点时刻；t表示动态过程中各个时间点；v(t)表示t时刻动态响应值；i、j代表两台风电机组；r_ig为两台风电机组有功功率响应的相关系数；

根据不同的所述机群在一定时间期限内的发电量数据和故障率数据将所述机群进行归类；

根据所述低风速风电场需要提供的频率调节容量、频率调节经济性、冗余配置可靠性确定参与区域电网小干扰频率调节的低风速风电机组。

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