CN114336682A - 一种风电场一次调频控制方法、装置及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电场一次调频控制方法、装置及存储介质，属于风力发电技术领域。针对风电场通过减载运行预留备用功率的条件，考虑风电场内不同风机的风速差异，采用优先以超速控制减载处于低风速的风机的预留备用方案，在超速控制不能满足控制要求时同时采用变桨距控制方法，在此基础上提出了根据减载量的不同调整下垂控制系数和虚拟惯性控制系数的变参数调频控制策略。本发明通过协调超速控制和变桨距控制，充分发挥了各自的优势。在风电场平均风速较低的情况下，本发明的优势更加明显。

Description

一种风电场一次调频控制方法、装置及存储介质

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种风电场一次调频控制方法、装置及存储介质。

背景技术

随着风力发电在在电网渗透率的增加，风电与电网之间相互影响在不断深入，带来了一系列问题，如电压剧烈波动、次同步振荡、频率振荡等。尤其风力发电所引起的系统频率问题日渐突出，由于风电机组自身特有的解耦式控制方式，风电机组的机械动能和电网频率之间没有直接联系，其转动惯量没有应用到电网之中。此外，风电场输出功率的随机性和波动性，使得电力系统需要更多的备用功率，以满足电网频率一次调节的要求，因此，在风电大规模并网的地区，为了保证系统频率的安全，风电机组应承担部分调频任务。

目前，风电一次调频策略已有大量的研究，风电参与调频通常有以下几种方法：惯量控制、下垂控制以及减载控制。每种控制方法都有自身应用的场景，拿惯量控制和下垂控制来说，在系统频率发生跌落时给风电机组一个功率增量，从而来调节输出频率。不过在没有备用储存能量的情况下，调频能力十分有限，而且还容易导致系统频率的二次跌落。

在传统一次调频策略中，有利用虚拟惯量控制和下垂控制使风机转速与系统频率耦合，但该策略适应性较差，容易发生响应过度频率出现二次跌落。也有利用风电储能参与系统一次调频，但储能导致成本大大增加，风电场运行经济性得不到保障。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种风电场一次调频控制方法、装置及存储介质，兼具优异的响应速度和调节能力，能够在风电场平均风速较低的情况下，发挥较强的控制优势。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种风电场一次调频控制方法，包括：

S1：风机正常运行在最大功率点运行模式时，按照当前风速的最大功率运行，风机无备用功率；当电网下发调度指令时，风机进行减载，预留备用功率；

S2：根据当前风速下最大功率点输出功率与调度指令下发的减载功率计算得到风电场需要的减载功率；

S3：计算当前风速下风电机组的最大减载功率，并与风电场需要的减载功率进行比较；若当前风速下风电机组的最大减载功率大于风电场需要的减载功率，执行超速控制策略，优先减载低风速等级的风机，剩余高风速等级风机保持最大功率点运行模式；若当前风速下风电机组的最大减载功率小于风电场需要的减载功率，执行超速控制与桨距角控制结合的策略，低风速等级的风机通过超速控制减载，高风速等级风机通过桨距角控制减载；

S4：对减载风机的下垂系数和虚拟惯性控制系数进行整定，使减载风机运行在最大功率点。

优选地，S2具体为：风电场最大功率点输出功率为P₁，调度指令下发的减载功率为P₂，则风电场需要的减载功率为ΔP＝P₁-P₂。

进一步优选地，S3中，当前风速下风电机组的最大减载功率

ΔP_di为第i台风机的超速最大减载功率。

进一步优选地，S3中，当前风速下风电机组的最大减载功率ΔP_∑大于风电场需要的减载功率ΔP时，将风电场内的风机按风速从低到高排序，则风机的减载功率为：

式中，ΔP_dei为第i台风机的减载功率，n₁为风电场内的风机按风速从低到高排序并满足公式

的编号。

进一步优选地，S3中，当前风速下风电机组的最大减载功率ΔP_∑大于风电场需要的减载功率ΔP时，高风速等级风机的减载量根据风速进行分配：

式中，ΔP_dj是各台风机根据风速分组后计算得到的减载量；n_j表示风机的数量；WF_j是为第j组风机所分配的系数。

进一步优选地，对风电场内的风机按照1m/s的风速变化量分为j组，并根据风速由低到高将j组风机的权重系数分别设置为1～j。

优选地，S4具体为：

在限功率模式下风电场中风机的参考功率为

式中：P_d0为风电机组限功率运行情况下的初始功率；K_p为下垂系数；K_d为虚拟惯性控制系数；Δf为稳态频率偏差；

下垂系数K_p整定：

风电参与调频的系统转子运动方程为：

式中：ΔP_m为同步发电机的功率增量；ΔP_L为系统功率扰动值；ΔP_wf为风电场的调频功率增量；H为电力系统的惯量；D为电力系统的阻尼系数；

系统频率达到新的稳态后，假定风电机组将所有备用功率用于系统调频，则风机提供的功率增量为ΔP，此时有

各风机下垂系数为：

式中，ΔP_d为第n组风机单机的减载功率，R为调差系数，K_m为机械功率增益；

虚拟惯性控制系数K_d整定：稳态情况下，风机进行超速减载；系统频率下降初期，虚拟惯性控制系数设置为预设值，快速释放转子动能以增大系统的等效惯量；在系统频率上升阶段，将K_d置零，避免

项为负值对风机功率增量的干扰。

进一步优选地，在扰动发生后的瞬间测量系统的频率变化率，同时结合测量到的发电机频率以及已知的惯性常数，在扰动发生后通过在线的方式获取系统功率扰动值ΔP_L。

本发明公开了一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的风电场一次调频控制方法的步骤。

本发明公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的风电场一次调频控制方法的步骤。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的风电场一次调频控制方法，针对风电场通过减载运行预留备用功率的条件，考虑风电场内不同风机的风速差异，采用优先以超速控制减载处于低风速的风机的预留备用方案，在超速控制不能满足控制要求时同时采用变桨距控制方法，在此基础上提出了根据减载量的不同调整下垂控制系数和虚拟惯性控制系数的变参数调频控制策略。超速控制的优点是响应速度快，能够快速释放存储的旋转动能，不过容易受到风机最大转速的限制，只适用于额定转速以下的风机。桨距角控制调节灵活，能够实现全风速下的减载控制。但由于其执行机构为机械部件，响应速度较慢，频繁动作易造成风机的机械磨损，因而通常用于达到额定转速的风机。在预留风电场备用容量时，优先通过超速控制实现备用需求，以达到风电场的旋转动能储备最大化；在超速控制无法预留充足备用时，再结合桨距角控制满足调频备用需求；通过协调二者，充分发挥了各自的优势。在风电场平均风速较低的情况下，本发明的优势更加明显。

附图说明

图1是本发明的风电场一次调频控制方法的流程示意图；

图2是本发明的风电场一次调频控制系统的主要结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图2，本发明的风电场一次调频控制系统，主要由高精度频率测量装置、一次调频控制主机和维护工作站组成。其中，高精度测量装置负责并网点电压电流信号的采集、频率计算以及通讯上送，一次调频控制主机完成通讯、信息上送以及快速频率响应功能，维护工作站通过局域网与一次调频控制主机连接，提供系统监控和维护功能。

风电场按照电网调度指令确定运行模式，主要有最大功率点跟踪模式和减载运行模式。其中，最大功率点运行模式下风机按照当前风速的最大功率运行，无备用功率；减载运行方式下，风机按照本发明策略进行减载预留备用和调频控制系数整定。

减载控制一般通过控制自身转速或者桨距角使其偏离最大功率输出点，留出备用功率实现机组减控制，所以减载控制的主要方式为超速控制或变桨控制。

超速控制是通过控制转子超速，使机组运行于非最大功率捕获状态，保留一定的有功备用。超速控制的优点是响应速度快，能够快速释放存储的旋转动能，不过容易受到风机最大转速的限制，只适用于额定转速以下的风机。

桨距角控制调节灵活，能够实现全风速下的减载控制。但由于其执行机构为机械部件，响应速度较慢，频繁动作易造成风机的机械磨损，因而通常用于达到额定转速的风机。超速控制响应速度快，变桨控制调节能力强，因此协调二者以发挥各自的优势。

考虑到不同减载控制方式的特点，本发明在预留风电场备用容量时，优先通过超速控制实现备用需求，以达到风电场的旋转动能储备最大化；在超速控制无法预留充足备用时，再结合桨距角控制满足调频备用需求。

如图1，为本发明风电场一次调频控制方法的流程示意图，假设风电场按最大功率输出点输出功率为P₁，调度下发减载功率为P₂，则风电场需要的减载功率为：

ΔP＝P₁-P₂ (1)

设ΔP_di为第i台风机的超速最大减载功率，则当前风速下风电机组的最大减载功率为：

假如ΔP_Σ＞ΔP，则仅通过超速控制即可完成预留调频备用的任务。将风机按风速从低到高排序，则风机的减载功率为：

式中，ΔP_dei为第i台风机的减载功率，n1的含义是风电场内风机按风速从低到高排序的风机编号。按照此策略分配减载功率，风电场实际减载的风机台数是n1，而剩余风速较高的风机无需减载。此策略优先减载处于低风速的风电机组，这是由于低风速风机的超速控制范围更大。如果备用容量满足减载要求，则高风速的风电机组保持最大功率跟踪模式运行。

假如ΔP_Σ＜ΔP，这个时候就需要结合桨距角控制预留备用。较高风速下的风机需要通过桨距角控制进行减载，并且减载量应当根据不同风机的风速来分配，具体的分配方式是为不同风速下的风机确定一个系数，之后按照式(4)所示确定不同风速下风机的减载量。

式中：ΔP_dj是各台风机根据风速分组后计算得到的减载量；n_j表示风机的数量；WF_j是为第j组风机所分配的系数。

风电场内不同风电机组风速的波动范围依据统计数据得出。为了处理方便，并保证一定的裕度，本发明取1m/s的变化量，将不同风速下的机组分为j组。考虑到不同风速下风电机组调频能力的差异，将j组风机的权重系数分别设置为1～j，使高风速下的风电机组承担更多的减载功率。如果风电场中风机的风速不在j组的范围内，则需对低风速风机进行桨距角控制以满足减载要求。

在限功率模式下风电场中风机的参考功率为：

式中：P_d0为风电机组限功率运行情况下的初始功率；K_p为下垂系数；K_d为虚拟惯性控制系数。

进一步地，如果能够使减载风电机组在调频结束后运行在最大功率追踪点，则可以释放全部备用功率。下垂系数K_p进行整定方法如下：

风电参与调频的系统转子运动方程为：

式中：ΔP_m为同步发电机的功率增量；ΔP_L为系统功率扰动值；ΔP_wf为风电场的调频功率增量；H和D分别为电力系统的惯量和阻尼系数。

系统频率达到新的稳态后，假定风电机组将所有备用功率用于系统调频，则风机提供的功率增量为ΔP，此时有

可以推得各风机下垂系数为：

式中，ΔP_d为第n组风机单机的减载功率，R为调差系数，K_m为机械功率增益。在扰动发生后的瞬间测量系统的频率变化率，同时结合测量到的发电机频率，以及已知的惯性常数，可以在扰动发生后通过在线的方式获取系统功率不平衡量ΔP_L。

进一步地，惯性控制系数整定方式如下：稳态情况下，风电机组运行在超速减载模式，系统频率下降初期，惯性系数设置为K_d0，快速释放转子动能以增大系统的等效惯量；在系统频率上升阶段，将K_d置零，避负

项为负值对风机功率增量的干扰。此时，下垂控制发挥主要作用，加快系统频率的恢复过程。

低风速下的风电机组通过超速控制能够存储大量的旋转动能，风速越低，K_d初始值取值越大，以通过超速备用来存储更多的转子动能。由于桨距角控制的执行机构为机械部分，响应速度较慢，无法快速响应系统频率变化，且高速风机自身运行在最大转速点，无旋转动能储备，因此采用变桨控制的风机Kd初始值取值不随风速变化。

本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现本发明所述风电场一次调频控制方法的步骤。

本发明风电场一次调频控制方法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，本发明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。本发明风电场一次调频控制方法如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

基于这样的理解，在示例性实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于该计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读存储介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。其中，所述计算机存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或数据存储设备，包括但不限于磁性存储器(例如软盘、硬盘、磁带、磁光盘(MO)等)、光学存储器(例如CD、DVD、BD、HVD等)、以及半导体存储器(例如ROM、EPROM、EEPROM、非易失性存储器(NANDFLASH)、固态硬盘(SSD))等。

在示例性实施例中，还提供计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述风电场一次调频控制方法的步骤。处理器可能是中央处理单元(CentralProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignalProcessor、DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。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公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种风电场一次调频控制方法，其特征在于，包括：

S1：风机正常运行在最大功率点运行模式时，按照当前风速的最大功率运行，风机无备用功率；当电网下发调度指令时，风机进行减载，预留备用功率；

S2：根据当前风速下最大功率点输出功率与调度指令下发的减载功率计算得到风电场需要的减载功率；

S3：计算当前风速下风电机组的最大减载功率，并与风电场需要的减载功率进行比较；若当前风速下风电机组的最大减载功率大于风电场需要的减载功率，执行超速控制策略，优先减载低风速等级的风机，剩余高风速等级风机保持最大功率点运行模式；若当前风速下风电机组的最大减载功率小于风电场需要的减载功率，执行超速控制与桨距角控制结合的策略，低风速等级的风机通过超速控制减载，高风速等级风机通过桨距角控制减载；

S4：对减载风机的下垂系数和虚拟惯性控制系数进行整定，使减载风机运行在最大功率点。

2.根据权利要求1所述的风电场一次调频控制方法，其特征在于，S2具体为：风电场最大功率点输出功率为P₁，调度指令下发的减载功率为P₂，则风电场需要的减载功率为ΔP＝P₁-P₂。

3.根据权利要求2所述的风电场一次调频控制方法，其特征在于，S3中，当前风速下风电机组的最大减载功率

ΔP_di为第i台风机的超速最大减载功率。

4.根据权利要求3所述的风电场一次调频控制方法，其特征在于，S3中，当前风速下风电机组的最大减载功率ΔP_∑大于风电场需要的减载功率ΔP时，将风电场内的风机按风速从低到高排序，则风机的减载功率为：

式中，ΔP_dei为第i台风机的减载功率，n₁为风电场内的风机按风速从低到高排序并满足公式

的编号。

5.根据权利要求3所述的风电场一次调频控制方法，其特征在于，S3中，当前风速下风电机组的最大减载功率ΔP_∑大于风电场需要的减载功率ΔP时，高风速等级风机的减载量根据风速进行分配：

式中，ΔP_dj是各台风机根据风速分组后计算得到的减载量；n_j表示风机的数量；WF_j是为第j组风机所分配的系数。

6.根据权利要求5所述的风电场一次调频控制方法，其特征在于，对风电场内的风机按照1m/s的风速变化量分为j组，并根据风速由低到高将j组风机的权重系数分别设置为1～j。

7.根据权利要求1所述的风电场一次调频控制方法，其特征在于，S4具体为：

在限功率模式下风电场中风机的参考功率为

式中：P_do为风电机组限功率运行情况下的初始功率；K_p为下垂系数；K_d为虚拟惯性控制系数；Δf为稳态频率偏差；

下垂系数K_p整定：

风电参与调频的系统转子运动方程为：

式中：ΔP_m为同步发电机的功率增量；ΔP_L为系统功率扰动值；ΔP_wf为风电场的调频功率增量；H为电力系统的惯量；D为电力系统的阻尼系数；

系统频率达到新的稳态后，假定风电机组将所有备用功率用于系统调频，则风机提供的功率增量为ΔP，此时有

各风机下垂系数为：

式中，ΔP_d为第n组风机单机的减载功率，R为调差系数，K_m为机械功率增益；

虚拟惯性控制系数K_d整定：稳态情况下，风机进行超速减载；系统频率下降初期，虚拟惯性控制系数设置为预设值，快速释放转子动能以增大系统的等效惯量；在系统频率上升阶段，将K_d置零，避免

项为负值对风机功率增量的干扰。

8.根据权利要求7所述的风电场一次调频控制方法，其特征在于，在扰动发生后的瞬间测量系统的频率变化率，同时结合测量到的发电机频率以及已知的惯性常数，在扰动发生后通过在线的方式获取系统功率扰动值ΔP_L。

9.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至8任一项所述的风电场一次调频控制方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至8任一项所述的风电场一次调频控制方法的步骤。

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