CN113991705A - 一种含储能风电场参与一次调频控制的风电并网系统调频控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含储能风电场参与一次调频控制的风电并网系统调频控制方法，属于新能源接入电网系统振荡抑制技术领域，包括：基于预建立的风机调频控制模型获取风机经一次调频控制后有功功率参考值；基于风机经一次调频控制后有功功率参考值，计算得到风机调频出力增量；响应于检测到风电并网系统的电网实际频率偏差超过预设频率阈值，基于风机调频出力增量，计算得到储能系统调频出力，通过该储能系统调频出力增量实现调频控制；合理有效地利用风机自身调频能力和储能系统调频能力，提高风电并网系统的稳定性，提高风电消纳能力。

Description

一种含储能风电场参与一次调频控制的风电并网系统调频控 制方法

技术领域

本发明涉及一种含储能风电场参与一次调频控制的风电并网系统调频控制方法，属于新能源接入电网系统振荡抑制技术领域。

背景技术

随着煤、石油等化石资源的大幅度减少，以风电为代表的新能源发展迅猛，但其输出功率的间歇性与波动性将严重影响电力系统频率的稳定性；目前，所采用的大部分风机未配置调速器，且其转速与系统频率解耦，故当系统频率发生变化时，风机既无法像常规机组那样改变原动机出力参与系统频率调节，也无法通过改变自身的旋转动能来短暂抑制系统频率变化，这无疑会影响系统频率安全；随着风电渗透率的提高，这种情况更加严重。

电池储能系统(Battery Energy Storage Systems，BESS)响应速度快、短时功率吞吐能力强，具有双向调节和精确跟踪的能力，因而在新能源发电渗透率不断增加的情况下利用储能参与调频的研究也得到重视；但已有的储能系统参与风电场并网系统一次调频方法中，在风机自身无调频能力时，仅通过储能自身参与频率调节，造成储能容量配置较高；在风机自身有调频能力时，研究主要集中在用储能系统改善风机调频恢复后的频率二次跌落方面，未考虑储能与风电机组转子动能协调提供频率支撑，降低了其频率调节的技术经济性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含储能风电场参与一次调频控制的风电并网系统调频控制方法，合理有效地利用风机自身调频能力和储能系统调频能力，提高风电并网系统的稳定性，提高风电消纳能力。

为实现以上目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

本发明提供了一种含储能风电场参与一次调频控制的风电并网系统调频控制方法，包括：

基于预建立的风机调频控制模型获取风机经一次调频控制后有功功率参考值；

基于风机经一次调频控制后有功功率参考值，计算得到风机调频出力增量；

响应于检测到风电并网系统的电网实际频率偏差超过预设频率阈值，基于风机调频出力增量，计算得到储能系统调频出力，通过该储能系统调频出力增量实现调频控制。

进一步的，所述风机调频控制模型为：

其中，P^* _{s_ref}是风机经一次调频控制后有功功率参考值，P_del是风机经超速减载控制后的有功功率参考值，ΔP₁是风机经虚拟惯量控制后的有功增量，ΔP₂是风机经下垂控制后的有功增量，K_d是风机虚拟惯量系数，K_p是风机下垂系数，Δf是风电并网系统的电网实际频率偏差。

进一步的，风机调频出力增量通过如下方法计算：

其中，P^* _{s_ref}是风机经一次调频控制后有功功率参考值，P_del是风机经超速减载控制后的有功功率参考值，P_s是风机有功功率实测值，K_d是风机虚拟惯量系数，K_p是风机下垂系数，Δf是风电并网系统的电网实际频率偏差。

进一步的，储能系统调频出力通过如下方法计算：

其中，K_bess是储能系统中储能功率计算的下垂系数，ΔP_f是风机调频出力增量，P_del是风机经超速减载控制后的有功功率参考值，P_s是风机有功功率实测值，K_d是风机虚拟惯量系数，K_p是风机下垂系数，Δf是风电并网系统的电网实际频率偏差。

进一步的，所述风电并网系统的电网实际频率偏差为电网实测频率和基准频率间的频率偏差。

进一步的，还包括储能系统的频率响应步骤：

将储能系统调频出力输入储能系统调频控制模型中，得到储能系统输出的电流值和电压值，从而实现储能系统的频率响应。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

本发明提供的一种含储能风电场参与一次调频控制的风电并网系统调频控制方法，基于预建立的风机调频控制模型获取风机经一次调频控制后有功功率参考值，基于风机经一次调频控制后有功功率参考值，计算得到风机调频出力增量，在风机的控制过程中加入超速减载控制，使风机和常规机组协调进行风电并网系统的一次调频；基于风机调频出力增量，计算得到储能系统调频出力，来调节储能系统输出功率的大小，让储能系统参与一次调频；综上所述，本发明提供的一种含储能风电场参与一次调频控制的风电并网系统调频控制方法，合理有效地利用风机自身调频能力和储能系统调频能力，提高风电并网系统的稳定性，提高风电消纳能力。

附图说明

图1是本发明实施例提供的风机调频控制框图；

图2是本发明实施例提供的储能系统控制框图；

图3是本发明实施例提供的风-储协调调频控制框图；

图4是本发明实施例提供的一种含储能风电场参与一次调频控制的风电并网系统调频控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例一

本发明实施例提供了一种含储能风电场参与一次调频控制的风电并网系统调频控制方法，包括：

S1、基于预建立的风机调频控制模型获取风机经一次调频控制后有功功率参考值。

为了使风机和常规机组共同实现风电并网系统的一次调频，预先建立风机调频控制模型，在风机调频控制模型中加入超速减载控制、虚拟惯量控制和下垂控制，具体表达式如下：

其中，P^* _{s_ref}是风机经一次调频控制后有功功率参考值(MW)，P_del是风机经超速减载控制后的有功功率参考值(MW)，ΔP₁是风机经虚拟惯量控制后的有功增量(MW)，ΔP₂是风机经下垂控制后的有功增量(MW)，K_d是风机虚拟惯量系数，K_p是风机下垂系数，Δf是风电并网系统的电网实际频率偏差(Hz)，风电并网系统的电网实际频率偏差为电网实测频率f_sys和基准频率f_N间的频率偏差。

风机虚拟惯量系数和风机下垂系数设置为常数，ΔP₁、ΔP₂也分别是经过惯量控制和下垂控制计算得到的调节感应发电机输出有功功率的参考值。

S2、基于风机经一次调频控制后有功功率参考值，计算得到风机调频出力增量。

风电并网系统存在频率扰动时，风机经调频控制后的功率参考值增量为：

其中，P^* _{s_ref}是风机经一次调频控制后有功功率参考值(MW)，P_del是风机经超速减载控制后的有功功率参考值(MW)，P_s是风机有功功率实测值(MW)，K_d是风机虚拟惯量系数，K_p是风机下垂系数，Δf是风电并网系统的电网实际频率偏差(Hz)，风电并网系统的电网实际频率偏差为电网实测频率f_sys和基准频率f_N间的频率偏差，上述风机经调频控制后的功率参考值增量即是风机调频出力增量。

S3、响应于检测到风电并网系统的电网实际频率偏差超过预设频率阈值，基于风机调频出力增量，计算得到储能系统调频出力，通过该储能系统调频出力增量实现调频控制。

当检测到风电并网系统的电网实际频率偏差超过预设频率阈值f_d时，储能系统增加自身出力参与频率调节，基于风机调频出力增量，计算得到储能系统调频出力：

其中，K_bess是储能系统中储能功率计算的下垂系数，ΔP_f是风机调频出力增量，K_d是风机虚拟惯量系数，K_p是风机下垂系数，Δf是风电并网系统的电网实际频率偏差，上式中P^* _ref也是储能系统输出功率参考值(MW)。

为了进一步优化风电并网系统的频率响应，在风电场出口汇流母线处配置储能系统(集中式)参与一次调频，确定储能系统控制模型。

储能系统控制模型以储能系统输出功率参考值为输入，通过双向DC/AC变流器控制储能系统与汇流母线间的交换能量，从而实现储能系统的频率响应，使加入储能系统后的风电场系统具有更好的频率响应和调节能力。

储能系统控制模型的具体表达式如下：

其中，K_bp1、K_bi1、K_bp2、K_bi2、K_bp3、K_bi3、K_bp4和K_bi4分别是储能系统PI₁、PI₂、PI₃、PI₄的控制器器参数，i_bd、i_bq、i^* _bq、i^* _bd分别是储能系统向风电场汇流母线注入电流的实际值和参考值的d轴、q轴分量，u_bd、u_bq分别是储能系统变流器交流侧输出电压的d轴、q轴分量，u_bsd、u_bsq分别是储能系统前馈电网电压的d轴、q轴分量，X_BL是储能系统变流器侧电感，P_b、Q_b、P^* _ref、Q^* _ref分别是储能系统注入汇流母线的有功功率及无功功率的实测值和参考值。

实施例二

如图1至图3所示，本发明实施例提供了一种含储能风电场参与一次调频控制的风电并网系统调频控制方法。

如图1所示，为了使风机和常规机组共同实现风电并网系统的一次调频，预先建立风机调频控制模型，在风机调频控制模型中加入超速减载控制、虚拟惯量控制和下垂控制，以使风机具有和常规机组类似的惯量支撑和调频性能；图中，v_w是风速，d是减载比。

上述风机调频控制模型的具体表达式如下：

其中，P^* _{s_ref}是风机经一次调频控制后有功功率参考值(MW)，P_del是风机经超速减载控制后的有功功率参考值(MW)，K_d是风机虚拟惯量系数，K_p是风机下垂系数，Δf是风电并网系统的电网实际频率偏差(Hz)，风电并网系统的电网实际频率偏差为电网实测频率f_sys和基准频率f_N间的频率偏差。

风机虚拟惯量系数和风机下垂系数设置为常数，ΔP₁、ΔP₂也分别是经过惯量控制和下垂控制计算得到的调节感应发电机输出有功功率的参考值。

如图3所示，结合风机当前出力和风电并网系统的电网实际频率偏差来确定储能系统的输出功率参考值(MW)，实现风-储协调调频控制；图中，RSC为转子侧变流器(RotorSide Converter)、GSC为网侧变流器(Grid Side Converter)，Crowbar为转子侧保护电路，DFIG是双馈风电机组，PWM是脉冲宽度调制(Pulse width modulation)，SVPWM是空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation)，P_b、Q_b分别是储能系统注入汇流母线的有功功率及无功功率，P_g、Q_g分别是从汇流母线送出的有功功率和无功功率。

获取当前风电并网系统的电网实际频率偏差，当风电并网系统的电网实际频率偏差大于或等于预设频率阈值f_d时，开关置于位置1处，储能系统的输出功率参考值响应风机调频出力增量的变化，K_bess为其比例系数，K_bess为储能功率计算的下垂系数；当风电并网系统的电网实际频率偏差小于预设频率阈值f_d时，开关置于位置2处，此时储能系统的输出功率参考值为0，储能系统不参与系统的频率调节，调频功率全部由风机承担。

计算风机调频出力增量，系统存在频率扰动时，风机经调频控制后的功率参考值增量为：

其中，P^* _{s_ref}是风机经一次调频控制后有功功率参考值(MW)，P_del是风机经超速减载控制后的有功功率参考值(MW)，P_s是风机有功功率实测值(MW)，K_d是风机虚拟惯量系数，K_p是风机下垂系数，Δf是风电并网系统的电网实际频率偏差(Hz)，风电并网系统的电网实际频率偏差为电网实测频率f_sys和基准频率f_N间的频率偏差，上述风机经调频控制后的功率参考值增量即是风机调频出力增量。

当检测到风电并网系统的电网实际频率偏差超过预设频率阈值f_d时，储能系统增加自身出力参与频率调节，基于风机调频出力增量，计算得到储能系统调频出力：

其中，K_bess是储能系统中储能功率计算的下垂系数，ΔP_f是风机调频出力增量，K_d是风机虚拟惯量系数，K_p是风机下垂系数，Δf是风电并网系统的电网实际频率偏差，上式中P^* _ref也是储能系统输出功率参考值(MW)。

如图2所示，为了进一步优化风电并网系统的频率响应，在风电场出口汇流母线处配置储能系统(集中式)参与一次调频，确定储能系统控制模型；图中，SVPWM是空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation)，AC/DC代表双向交流/直流变流器。

储能系统控制模型以储能系统输出功率参考值为输入，通过双向AC/DC变流器控制储能系统与汇流母线间的交换能量，从而实现储能系统的频率响应，使加入储能系统后的风电场系统具有更好的频率响应和调节能力。

储能系统控制模型的具体表达式如下：

其中，K_bp1、K_bi1、K_bp2、K_bi2、K_bp3、K_bi3、K_bp4和K_bi4分别是储能系统PI₁、PI₂、PI₃、PI₄的控制器器参数，i_bd、i_bq、i^* _bq、i^* _bd分别是储能系统向风电场汇流母线注入电流的实际值和参考值的d轴、q轴分量，u_bd、u_bq分别是储能系统变流器交流侧输出电压的d轴、q轴分量，u_bsd、u_bsq分别是储能系统前馈电网电压的d轴、q轴分量，X_BL是储能系统变流器侧电感，P_b、Q_b、P^* _ref、Q^* _ref分别是储能系统注入汇流母线的有功功率及无功功率的实测值和参考值。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种含储能风电场参与一次调频控制的风电并网系统调频控制方法，其特征在于，包括：

基于预建立的风机调频控制模型获取风机经一次调频控制后有功功率参考值；

基于风机经一次调频控制后有功功率参考值，计算得到风机调频出力增量；

响应于检测到风电并网系统的电网实际频率偏差超过预设频率阈值，基于风机调频出力增量，计算得到储能系统调频出力，通过该储能系统调频出力增量实现调频控制。

2.根据权利要求1所述的一种含储能风电场参与一次调频控制的风电并网系统调频控制方法，其特征在于，所述风机调频控制模型为：

其中，P^* _{s_ref}是风机经一次调频控制后有功功率参考值，P_del是风机经超速减载控制后的有功功率参考值，ΔP₁是风机经虚拟惯量控制后的有功增量，ΔP₂是风机经下垂控制后的有功增量，K_d是风机虚拟惯量系数，K_p是风机下垂系数，Δf是风电并网系统的电网实际频率偏差。

3.根据权利要求1所述的一种含储能风电场参与一次调频控制的风电并网系统调频控制方法，其特征在于，风机调频出力增量通过如下方法计算：

其中，P^* _{s_ref}是风机经一次调频控制后有功功率参考值，P_del是风机经超速减载控制后的有功功率参考值，P_s是风机有功功率实测值，K_d是风机虚拟惯量系数，K_p是风机下垂系数，Δf是风电并网系统的电网实际频率偏差。

4.根据权利要求1所述的一种含储能风电场参与一次调频控制的风电并网系统调频控制方法，其特征在于，储能系统调频出力通过如下方法计算：

其中，K_bess是储能系统中储能功率计算的下垂系数，ΔP_f是风机调频出力增量，P_del是风机经超速减载控制后的有功功率参考值，P_s是风机有功功率实测值，K_d是风机虚拟惯量系数，K_p是风机下垂系数，Δf是风电并网系统的电网实际频率偏差。

5.根据权利要求1所述的一种含储能风电场参与一次调频控制的风电并网系统调频控制方法，其特征在于，所述风电并网系统的电网实际频率偏差为电网实测频率和基准频率间的频率偏差。

6.根据权利要求1所述的一种含储能风电场参与一次调频控制的风电并网系统调频控制方法，其特征在于，还包括储能系统的频率响应步骤：

将储能系统调频出力输入储能系统调频控制模型中，得到储能系统输出的电流值和电压值，从而实现储能系统的频率响应。

Images