CN114142490B - 考虑水锤效应的风水协同调频控制方法、控制器及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了考虑水锤效应的风水协同调频控制方法、控制器及系统，包括：基于风电场实时功率、系统频率，获得有功功率参考值偏差量；风机获取频率下降率，根据各水电机组的水头位置通过查找关系表获得需要叠加的功率增量；根据水电规模设定定时器，判断风机缓慢退出调频的时刻，以避免频率二次跌落造成反调现象的再次发生。在调频初期充分利用风电功率输出灵活可控的特点，叠加反调功率消除水电功率反调的影响；在调频后期的风机转速恢复过程中，充分利用水电机组能提供稳定功率支撑的特性，配合风机恢复转速。
Description
技术领域
本发明属于优化控制技术领域，尤其涉及考虑水锤效应的风水协同调频控制方法、控制器及系统。
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。
目前，风电场多运行在MPPT模式下，没有调频能力，当系统频率波动时，基本完全由传统同步机来进行一次调频。近年来，风电渗透率日益提高，风电的波动性和不确定性为电网频率稳定带来了挑战，亟需研究风电参与电网调频的技术和方法，明确其在电网调频控制中的角色和定位，使其尽快由电网频率波动的引发者向调频的主动参与者转变。
与火电机组不同，当系统频率下降时，水电机组的出力会先短暂下降之后再上升，称为水轮机的动态反调特性。随着水电装机容量日益增多，水轮机调速器水锤效应引起的功率反调现象对频率响应初期的恶化作用日渐突出。
水锤效应导致了水电在调频初期出现功率反调现象，调频频差响应速度慢，在一次调频中功率反调不仅起不到应有的功率支撑，反而会抵消其他机组的正确出力变化，严重恶化机组一次调频性能。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供了考虑水锤效应的风水协同调频控制方法，建立了风水协同控制策略的关系表，最后通过仿真验证了策略的有效性。
为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
第一方面，公开了考虑水锤效应的风水协同调频控制方法，包括：
基于风电场实时功率、系统频率、机械功率及转子转速，获得有功功率参考值偏差量；
风机获取频率下降率，根据各水电机组的水头位置通过查找关系表获得需要叠加的功率增量；
根据水电规模设定定时器，判断风机缓慢退出调频的时刻，以避免频率二次跌落造成反调现象的再次发生。
作为进一步限定的实施方式，所述风机获取频率下降率，根据各水电机组的水头位置通过查找关系表获得需要叠加的功率增量：
风机在自身虚拟惯量和一次调频基础上，需要叠加的功率增量为水锤效应的最大功率反调值的方波功率。
作为进一步限定的实施方式，所述关系表为通过仿真的方式得到，在仿真的基础上建立水头位置、功率缺额和最大功率反调值的三维表来快速准确的得到最大功率反调值。
作为进一步限定的实施方式，所述水头位置可以通过水库的水位提前确定。
作为进一步限定的实施方式，设置以系统总发电量为基准值设置惯性时间常数，根据转子运动方程粗略计算出功率缺额。
作为进一步限定的实施方式，判断风机缓慢退出调频的时刻，具体为：
当水轮机出力达到设定值时依靠水轮机和同步机支撑频率的恢复，按水轮机设定值功率的响应时间整定风电退出调频参数；
估算水轮机调速器的设定值对应的响应时间。
作为进一步限定的实施方式，当响应时间达到估算响应时间时，线性减少叠加的功率，并逐渐减小Kd值，最终达到0，此时风机缓慢退出虚拟惯量控制，完全依赖水轮机调频，抑制频率二次跌落。
第二方面，公开了考虑水锤效应的风机优化协同控制器，所述控制器被配置为执行：
基于风电场实时功率、系统频率，计算有功功率参考值偏差量；
风机获取频率下降率，根据各水电机组的水头位置通过查找关系表获得需要叠加的功率增量；
根据水电规模设定定时器，判断风机缓慢退出调频的时刻，以避免频率二次跌落造成反调现象的再次发生。
第三方面，公开了考虑水锤效应的风机优化协同控制系统，包括：
有功功率参考值偏差量获取模块，被配置为：基于风电场实时功率、系统频率、机械功率及转子转速，获得有功功率参考值偏差量；
需要叠加的功率增量获取模块，被配置为：风机获取频率下降率，根据各水电机组的水头位置通过查找关系表获得需要叠加的功率增量；
风机退出调频的时刻获取模块，被配置为：根据水电规模设定定时器，判断风机缓慢退出调频的时刻，以避免频率二次跌落造成反调现象的再次发生。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
本发明在调频初期充分利用风电功率输出灵活可控的特点，叠加反调功率消除水电功率反调的影响；在调频后期的风机转速恢复过程中，充分利用水电机组能提供稳定功率支撑的特性，配合风机恢复转速。本发明首先对水锤效应的影响因素进行了分析和验证，然后提出了考虑水锤效应的风水优化协同控制方法，建立了风水协同控制策略的关系表，最后通过仿真验证了策略的有效性。
本发明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，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为水电机组频率响应整体模型图；
图2为不同水头位置的水电功率增量响应图；
图3为不同水头位置下的最大功率反调值图；
图4为不同功率缺额下的水电功率增量响应图；
图5为不同功率缺额下的最大功率反调值图；
图6为不同初始水门开度下的水电功率增量响应图；
图7为不同初始水门开度下的最大功率反调值图；
图8为水轮机调速器简化模型图；
图9为本发明实施例子考虑水锤效应的风机优化协同控制器示意图；
图10仿真模型；
图11系统频率响应曲线图；
图12风机输出功率曲线图；
图13水电机械功率曲线图；
图14风机转速曲线图；
图15系统频率曲线图；
图16系统频率曲线图；
图17风机转速曲线图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明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发明的示例性实施方式。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
《电网运行准则》规定负荷响应滞后吋间为频率越过死区起至机组出力的频率调节量超过初始稳态值的时间，当水轮机出现有功率反调时，该响应时间与反调效果息息相关。基于此，提出了考虑水锤效应的风水优化协同控制方法。
实施例一
本实施例公开了考虑水锤效应的风水协同调频控制方法，包括：
在调频初期充分利用风电功率输出灵活可控的特点，叠加反调功率消除水电功率反调的影响；在调频后期的风机转速恢复过程中，充分利用水电机组能提供稳定功率支撑的特性，配合风机恢复转速。
首先介绍水锤效应及影响因素：
水锤效应会降低水电的功率响应速度，造成功率的反调，而且水锤效应与系统的功率缺额等因素有关，本节简单定性的分析了功率缺额对水锤效应的影响，接下来对水轮机的水锤效应的影响因素进行仿真。目前常见的水电机组频率响应相关模块的整体模型如图1所示。
上述模型采用开度模式，KP，KI，KD分别为PID调节器的系数，由于开度模式下KD对一次调频响应过程的影响非常小，且现行电力行业标准及电网调度管理部门也规定，开度模式下不设微分增益，因此KD设置为0。模型图中水轮机及其引水系统的传递函数为：
上式中h为水头位置，p为当前水轮机的功率，TW为水流惯性时间常数，水轮机的功率和水门开度有如下关系：
其中y为水门开度，则模型中水轮机及其引水系统的传递函数可化为：
可将G(s)划分为三部分， 当水门打开的速度过快时，由于G3(s)部分的响应慢于G2(s)部分，造成了G2(s)+G3(s)部分的功率响应为负值，在频率响应前期该部分绝对值大于G1(s)部分的功率响应，就造成了功率反调。
根据上述分析可得，水锤效应与水头位置、水门开度以及功率缺额等参数有关，下面将分别探究这些参数对水锤效应的影响。
水头位置对水锤效应的影响：
令功率缺额为0.005p.u.，水门初始开度为0.9p.u.，分别设置水头位置为1.02p.u.到0.8p.u.进行仿真分析，探究水头位置对水锤效应的影响。
从图2、3中可以看出，相同的功率缺额下，随着水头位置高度的降低，水轮机功率响应速度降低，功率反调值增大，反调时间变长，水电机组最终的功率增量下降。而且功率反调的大小与水头位置近似为斜率为0.017的线性关系。对上述现象的原因分析如下：根据上面得出的水轮机及引水系统的传递函数G(s)，当达到稳态时G3(s)和G2(s)相互抵消，传递函数为一个的增益，该增益随水头位置的降低而降低，这就解释了水电机组最终的功率增量下降的原因。同时，G3(s)的时间常数/>随着水头位置的下降而上升，造成了水电机组达到稳态的时间变长。
功率缺额对水锤效应的影响：接下来分析功率缺额对水锤效应的影响，设置水头位置为1p.u.，分别设置功率缺额为0.01p.u.到0.06p.u.进行验证，水轮机的功率响应如图4所示。
从图5可以看出，功率缺额对水电机组的功率增量响应是线性的，而曲线相交于点(2.6，0)，这说明功率反调持续的时间是一致的，这是因为水头位置h固定，G3(s)的时间常数并没有发生变化。同时由图5也可以看出，功率反调的最大值是与功率缺额成斜率为0.3的线性关系，而且功率缺额对功率反调最大值的影响显著大于水头位置对功率反调的影响。
水门初始开度对水锤效应的影响：同样，通过控制变量将水头位置为1p.u.，功率缺额设置为0.01p.u.，令水门初始开度在0.5p.u.到0.9p.u.之间变化时，功率响应结果如图6、7所示。
看以看出随着水门开度的减小，功率反调的幅度降低，持续的时间减少，功率反调的最大值与水门开度近似为以-0.0109为斜率的线性关系。这是因为水门的初始开度是通过影响G3(s)的时间常数来影响水锤效应的，随着水门的初始开度的降低，G3(s)的时间常数在减小，因此水电机组的功率响应加快。
基于上述分析，提出削弱水锤效应的风水协同调频的控制方法：
从上面的仿真分析可知，水锤效应引起的功率反调存在一个最大值，且水头、功率缺额等因素会影响该值的大小。因此，提出削弱水锤效应的风水协同调频的控制策略：当发生扰动时，风电在自身虚拟惯量和一次调频基础上，叠加幅值为水锤效应的最大功率反调值的方波功率以实现削弱水锤效应影响。该策略中，快速准确得到最大功率反调值的是保证风水协同调频效果的基础，本文通过查关系表的方法来实现。
风水协同调频的控制策略的关系表：
关系表是风水协同调频策略的核心，本文通过仿真的方式得到关系表。由于水电在参与一次调频的时需要预留一定的水门裕量，所以选择在水门开度为0.9p.u.的情况下进行最大功率反调值的计算，探求水头位置和功率缺额对水锤效应的影响。在仿真的基础上建立水头位置、功率缺额和最大功率反调值的三维表来快速准确的得到最大功率反调值。系统中水电占比为0.4，以系统总发电量为基准值设置惯性时间常数为10s，水电和火电的调差率为0.05，水电机组的调频死区为0.05HZ，火电机组的调频死区为0.033HZ。
通过仿真得出在不同功率缺额或不同水头位置情况下的最大功率反调值如表1所示：
表1风水协同调频的控制策略的关系表
与上文所分析的的规律一致。
水头位置和功率缺额的确定方法：
水头位置可以通过水库的水位提前确定，但是当系统中发生功率扰动时，功率缺额无法在频率响应开始时直接获得。针对已经设置以系统总发电量为基准值设置惯性时间常数，可以根据转子运动方程粗略计算出功率缺额，如下式：
上式中ΔPe为功率缺额，H为系统的总惯性时间常数，f为系统的频率。考虑到水电的调频死区为0.05HZ，所以上述的频率变化率取频差达到0.05HZ时的变化率。当频差小于0.05HZ时，水电不参与调频，最大功率反调值为0。
避免水电功率反调的风电退出调频控制：
为了避免水电的功率反调，应该让风电功率缓慢减低。同时考虑到在弥补水锤效应的同时尽快让风电退出一次调频，减少风能损失，风电机组调频时间不能过长。当水轮机出力达到60％就可以依靠水轮机和同步机支撑频率的恢复，所以按水轮机60％功率的响应时间整定风电风电退出调频参数。
根据《电力系统安全稳定导则》要求，水电机组调速器应当在15s内完全响应，即在15s内达到一次调频最大负荷调整幅度的90％，当水轮机调速器提供90％功率支持时就已经达到频率调节的要求。而本发明策略中，当水轮机达到60％的功率支持时对频率已经有一定的支撑，且输出功率仍在增加，此时开始降低风电机组频率控制系数，可以避免因风电出力减少过快导致的系统总功率支撑下降而造成频率二次跌落导致水锤效应再次发生。
根据图8可以估算水轮机调速器的60％响应时间为：
式中bp为永态转差系数，bt为暂态转差系数，Tg为缓冲时间常数，可以看出响应时间由两部分组成，其中前半部分为调速器响应延迟。
当响应时间t达到T60％时，线性减少之前叠加的功率，并逐渐减小Kd值，最终达到O，此时风机缓慢退出虚拟惯量控制，可完全依赖水轮机调频，在一定程度上抑制频率二次跌落。
在一实施例子中，公开了考虑水锤效应的风机优化协同控制器：考虑水锤效应的风机协同优化控制器如图9所示。输入量分别为风速、系统频率，输出量为风机有功出力，系统频率是整个电力系统的频率，即同步发电机的频率；输入量数据均由测量获得；通过风速得到风机有功出力，通过系统频率得到风机需增减的有功功率，最终加上决策表中的叠加的有功功率，的到风机总的有功出力。
风机获取频率下降率，根据各水电机组的水头位置通过查找关系表获得需要叠加的功率增量。然后根据系统中水电规模设定定时器T60％，判断风机缓慢退出调频的时刻，以避免频率二次跌落造成反调现象的再次发生。
上述风机获取的频率下降率是同步机(火电机组)频率下降的斜率，考虑到调频死区为0.05HZ，所以上述的频率变化率为频差达到0.05HZ时的变化率。
再次参见附图9所示，通过测量得到的风速代入风机运行曲线得到风机实时的机械功率；频率差经过一个死区以避免频率正常波动下风机误出力；参数整定器即为“当响应时间t达到T60％时，线性减少之前叠加的功率，并逐渐减小Kd值，最终达到O”的实现对Kd控制和叠加功率调整的部分；变流器控制器为风机接入电力系统的电力电子装置的控制器，通过其来实现对风机输出功率的调节。
考虑水锤效应的调频电源间的优化协同控制仿真验证：
在DIgSILENT/PowerFactory中建立模型，对所提控制策略进行仿真验证。
在DIgSILENT/PowerFactory中搭建的仿真模型如图10所示，模型由一台容量为565MW的同步机，一个容量为450MW的水电机组和一个由75台1.5MW的DFIG机组组成，风电渗透率约为10％，水电占比约为40％。在t＝30s的时候负荷突增10％，风机的虚拟惯量系数Kd＝1，下垂系数为Kp＝0.335。风电退出调频时Kd的下降速率设置为0.1。
考虑水锤效应的风机协同调频仿真分析：
参见附图11-14所示，深灰曲线为不考虑水锤效应的调频电源间的优化协同控制的仿真结果，浅灰曲线为考虑水锤效应的调频电源间的优化协同控制的仿真结果。
比较两种控制模式的风电与水电有功功率响应曲线，考虑水锤效应的调频电源间的优化协同控制使风电机组在频率响应初期提供了更多的功率支撑，削弱了水电水锤效应带来的功率反调对频率响应的负面影响，输出功率峰值比不考虑考虑水锤效应的调频电源间的优化协同控制时高3.3％，有利于系统频率的快速稳定。而由于提供了更多的功率支撑，采用协同控制策略的对照组风机转速下降幅度也更大，而当风机转速开始恢复时，水电出力已经较高，可以支撑频率的恢复。说明频率优化控制能够充分利用水电站的频率响应特性，以降低风电场频率控制的不稳定性影响。
用于弥补水锤效应的风机功率增量变化情况下的仿真分析：由于本策略中风机额外叠加的功率增量由功率反调最大值决定，而反调期间功率的平均值明显低于最大值，所以可以考虑将风机额外叠加的功率增量适当降低以减少风机转速的下降程度。因此，接下来将风电参与调频时弥补水锤效应的功率增量设置为原来的80％，90％，100％，仿真结果如图15-17所示。
可以得出，随着风机附加功率增量的增加，频率最低点小幅提高，频率的恢复速度加快，风机的功率输出在调频初期增加，但是由于调频初期利用了更多的转子动能，所以在调频后期需要从电网中吸收更多的能量来恢复风机转速。后续研究中可以对频率响应优化效果和风机转速下降程度进行分析，以寻求二者间的平衡优化。
通过上面的仿真可以得出，本发明提出的考虑水锤效应的调频电源间的优化控制方法对于系统频率稳定具有积极影响，能够充分利用风电的灵活可控的功率输出弥补调频初期水电机组水锤效应引起的的功率反调现象，减少频率二次波动的发生，减小频率响应的最大偏差，并减缓频率的下降速度，延缓频率达到最低点的时间，优化了电力系统频率响应效果。
实施例二
本实施例的目的是提供一种计算装置，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上述方法的步骤。
实施例三
本实施例的目的是提供一种计算机可读存储介质。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时执行上述方法的步骤。
实施例四
本实施例的目的是提供了考虑水锤效应的风机优化协同控制系统，包括：
有功功率参考值偏差量获取模块，被配置为：基于风电场实时功率、系统频率、机械功率及转子转速，获得有功功率参考值偏差量；
需要叠加的功率增量获取模块，被配置为：风机获取频率下降率，根据各水电机组的水头位置通过查找关系表获得需要叠加的功率增量；
风机退出调频的时刻获取模块，被配置为：根据水电规模设定定时器，判断风机缓慢退出调频的时刻，以避免频率二次跌落造成反调现象的再次发生。
在风电渗透率日益提高的大环境下，电网频率稳定遇到了挑战，仅依赖常规电源进行一次调频已不能满足系统频率稳定性要求。而水电由于水锤效应引起的功率反调现象，会恶化调频初期的频率响应。风机的虚拟惯量控制、下垂控制和风电场级频率控制技术赋予了风机在降低运行效益的前提下参与调频的能力，而风机调频的灵活性可以与水电机组配合以弥补水电功率反调对频率响应的负面影响。本发明通过研究双馈风电机组的风水协同频率优化控制策略，充分利用风电及水电的频率响应特性，提高电网的频率稳定性。
以上实施例二、三和四的装置中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本发明中的任一方法。
本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
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 (6)
1.考虑水锤效应的风水协同调频控制方法，其特征是，包括：
基于风电场实时功率、系统频率、机械功率及转子转速，获得有功功率参考值偏差量；
风机获取频率下降率，根据各水电机组的水头位置通过查找关系表获得需要叠加的功率增量；
根据水电规模设定定时器，判断风机缓慢退出调频的时刻，以避免频率二次跌落造成反调现象的再次发生；
其中，所述风机获取频率下降率，根据各水电机组的水头位置通过查找关系表获得需要叠加的功率增量；
风机在自身虚拟惯量和一次调频基础上，需要叠加的功率增量为水锤效应的最大功率反调值的方波功率；
其中，所述关系表为通过仿真的方式得到，在仿真的基础上建立水头位置、功率缺额和最大功率反调值的三维表来快速准确的得到最大功率反调值；所述水头位置可以通过水库的水位提前确定；
所述方法设置以系统总发电量为基准值设置惯性时间常数，根据转子运动方程粗略计算出功率缺额，方程具体为：
式中ΔPe为功率缺额，H为系统的总惯性时间常数，f为系统的频率；
所述方法计算最大功率反调值时还考虑水门开度，水门开度选取小于1的定值。
2.如权利要求1所述的考虑水锤效应的风水协同调频控制方法，其特征是，判断风机缓慢退出调频的时刻，具体为：
当水轮机出力达到设定值时依靠水轮机和同步机支撑频率的恢复，按水轮机设定值功率的响应时间整定风电退出调频参数；
估算水轮机调速器的设定值对应的响应时间；
优选的，当响应时间达到估算响应时间时，线性减少叠加的功率，并逐渐减小Kd值，最终达到0，此时风机缓慢退出虚拟惯量控制，完全依赖水轮机调频，抑制频率二次跌落。
3.考虑水锤效应的风机优化协同控制器，其特征是，所述控制器被配置为执行：
基于风电场实时功率、系统频率、机械功率及转子转速，计算有功功率参考值偏差量；
风机获取频率下降率，根据各水电机组的水头位置通过查找关系表获得需要叠加的功率增量；
根据水电规模设定定时器，判断风机缓慢退出调频的时刻，以避免频率二次跌落造成反调现象的再次发生。
4.考虑水锤效应的风机优化协同控制系统，基于如权利要求1-2任一所述的考虑水锤效应的风水协同调频控制方法，其特征是，包括：
有功功率参考值偏差量获取模块，被配置为：基于风电场实时功率、系统频率，获得有功功率参考值偏差量；
需要叠加的功率增量获取模块，被配置为：风机获取频率下降率，根据各水电机组的水头位置通过查找关系表获得需要叠加的功率增量；
风机退出调频的时刻获取模块，被配置为：根据水电规模设定定时器，判断风机缓慢退出调频的时刻，以避免频率二次跌落造成反调现象的再次发生。
5.一种计算装置，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，其特征是，所述处理器执行所述程序时实现上述方法的步骤。
6.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征是，该程序被处理器执行时执行上述方法的步骤。
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