CN114552604B - 一种风电一次调频方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种风电一次调频方法及系统，包括：确定风机的理论可发有功功率，并按照理论可发有功功率值大小对风机进行排序；按照所述排序根据风机的理论可发有功功率依次设定风机的备用容量和减载率；当累计设定的风机的备用容量总和达到所有风机额定功率之和的0.06倍时，设定所述排序中剩余风机的减载率均为0，以减小风机的减载率；当风机频率下降变化超过死区，风电的一次调频指令指示风机需要增发有功功率时，按照所述排序依次投入备用容量，直至投入的备用容量满足一次调频指示的增发有功功率需求。本发明充分发掘风机的超发能力，实现了非一次调频期间风机减少预留有功出力，提高了经济效益，减低了风机机械部分的损耗。

Description

一种风电一次调频方法及系统

技术领域

本发明属于风电调频领域，更具体地，涉及一种风电一次调频方法及系统。

背景技术

随着电网中风电渗透率的大幅增加，大规模的风电场将并网投产，现有大部分风电场不具备一次调频能力，在替代常规水火电机组时进一步削弱了电网的一次调频能力，带给电网巨大调频压力的同时严重威胁电网的安全运行，故障扰动下的系统频率调节特性逐渐恶化。由此风电场具备一次调频能力至关重要。

现有的一次调频方法在调频策略应对频率下跌情况时，主要是预留风机出力作为调频备用容量，在并网点频率下跌时，调频备用容量将作为增发有功投入，这种策略会导致弃风、系统经济性变差，桨距角动作量也会变大，增大风机机械部分的损耗。所以当前风电减载调频尚未得到实际的推广和应用；应对频率升高情况时，就基本是平均分配功率指令，存在设备停机风险。为了在提高系统频率稳定的同时，提升新能源的利用率，必须在满足一次调频需求的同时，减少预留风机出力，合理分配风机调频指令，提升系统综合效益。

现有技术在预留有功备用时采取减载留备用的方法，降低了风能利用率。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种风电一次调频方法及系统，旨在解决现有风电一次调频方法弃风、经济性差和桨距角动作角度大造成机械损耗等问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种风电一次调频方法，包括如下步骤：

确定风机的理论可发有功功率，并按照理论可发有功功率值大小对风机进行排序；

按照所述排序根据风机的理论可发有功功率依次设定风机的备用容量和减载率；当风机理论可发有功功率大于A倍的风机额定功率时，设定其减载率为0，备用容量为(A-1)倍额定功率，A的取值范围为1.1到1.15之间；当风机理论可发有功功率在1.1倍额定功率到A倍额定功率之间时，设定其减载率0，备用容量为0.1倍额定功率；当风机理论可发有功功率在1.04倍额定功率到1.1倍额定功率之间时，设定其减载率为1.1倍额定功率与理论可发有功功率的差值，备用容量为0.1倍额定功率；当风机理论可发有功功率小于1.04倍额定功率时，设定其减载率为0.06倍额定功率，备用容量为0.06倍额定功率；所述备用容量指风机接收一次调频指令时可增发的有功功率，所述减载率指风机预留出力的有功功率；

当累计设定的风机的备用容量总和达到所有风机额定功率之和的0.06倍时，设定所述排序中剩余风机的减载率均为0，以减小风机的减载率；

当风机频率下降变化超过死区，风电的一次调频指令指示风机需要增发有功功率时，按照所述排序依次投入备用容量，直至投入的备用容量满足一次调频指示的增发有功功率需求。

在一个可选的示例中，该方法还包括如下步骤：

确定各个风机即将停机的功率值，若风机功率低于该值，风机将会停机；所述即将停机的功率值大于风机额定功率的20%，预留一定裕度，防止风机意外停机；

当风机频率增大变化超过死区，风电的一次调频指令指示风机需要减发有功功率时，确定一次调频指令指示的总减发功率；

计算全部风机不停机情况下的全部可减功率，将所述总减发功率与全部可减功率比较，若总减发功率大于全部可减功率，则将当前出力最小的一台风机停机，并在总减发功率内减去所停风机的功率，得到更新的总减发功率；

计算剩余开机风机不停机情况下的更新全部可减功率，将所述更新的总减发功率与更新全部可减功率比较，并重复上述步骤，直至总减发功率不大于全部可减功率，或更新总减发功率不大于更新全部可减功率；

将最后一次计算得到的总减发功率按照各机组当前功率大小的比值分配。

在一个可选的示例中，当预留的裕度为风机额定功率的10%时，所述各个风机即将停机的功率值为风机额定功率的30%。

在一个可选的示例中，风电场的一次调频总指令

为：

当风机频率下降变化超过死区时，

；

当风机频率增大变化超过死区时，

；

式中：

为频率参考值；DB为频率死区；f为电网频率；

为调差率；

为风电场的额定功率。

第二方面，本发明提供了一种风电一次调频系统，包括：

理论有功排序单元，用于确定风机的理论可发有功功率，并按照理论可发有功功率值大小对风机进行排序；

减载率与备用容量设定单元，用于按照所述排序根据风机的理论可发有功功率依次设定风机的备用容量和减载率；当风机理论可发有功功率大于A倍的风机额定功率时，设定其减载率为0，备用容量为(A-1)倍额定功率，A的取值范围为1.1到1.15之间；当风机理论可发有功功率在1.1倍额定功率到A倍额定功率之间时，设定其减载率0，备用容量为0.1倍额定功率；当风机理论可发有功功率在1.04倍额定功率到1.1倍额定功率之间时，设定其减载率为1.1倍额定功率与理论可发有功功率的差值，备用容量为0.1倍额定功率；当风机理论可发有功功率小于1.04倍额定功率时，设定其减载率为0.06倍额定功率，备用容量为0.06倍额定功率；所述备用容量指风机接收一次调频指令时可增发的有功功率，所述减载率指风机预留出力的有功功率；以及当累计设定的风机的备用容量总和达到所有风机额定功率之和的0.06倍时，设定所述排序中剩余风机的减载率均为0，以减小风机的减载率；

一次调频单元，用于当风机频率下降变化超过死区，风电的一次调频指令指示风机需要增发有功功率时，按照所述排序依次投入备用容量，直至投入的备用容量满足一次调频指示的增发有功功率需求。

在一个可选的示例中，该系统还包括：

停机功率确定单元，用于确定各个风机即将停机的功率值，若风机功率低于该值，风机将会停机；所述即将停机的功率值大于风机额定功率的20%，预留一定裕度，防止风机意外停机；

所述一次调频单元，用于当风机频率增大变化超过死区，风电的一次调频指令指示风机需要减发有功功率时，确定一次调频指令指示的总减发功率；计算全部风机不停机情况下的全部可减功率，将所述总减发功率与全部可减功率比较，若总减发功率大于全部可减功率，则将当前出力最小的一台风机停机，并在总减发功率内减去所停风机的功率，得到更新的总减发功率；计算剩余开机风机不停机情况下的更新全部可减功率，将所述更新的总减发功率与更新全部可减功率比较，并重复上述步骤，直至总减发功率不大于全部可减功率，或更新总减发功率不大于更新全部可减功率；以及将最后一次计算得到的总减发功率按照各机组当前功率大小的比值分配。

在一个可选的示例中，当停机功率确定单元预留的裕度为风机额定功率的10%时，所述停机功率确定单元确定的各个风机即将停机的功率值为风机额定功率的30%。

在一个可选的示例中，风电场的一次调频总指令

为：

当风机频率下降变化超过死区时，

；

当风机频率增大变化超过死区时，

；

式中：

为频率参考值；DB为频率死区；f为电网频率；

为调差率；

为风电场的额定功率。

第三方面，本发明提供了一种风电一次调频系统，包括：存储器和处理器；所述存储器，用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现如上述第一方面提供的风电一次调频方法。

第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如上述第一方面提供的风电一次调频方法。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供一种风电一次调频方法及系统，在不影响设备正常运行的情况下，充分发掘风机的超发能力，并通过算法针对每台风机的一次调频指令进行优化，实现了非一次调频期间风机减少预留有功出力，甚至工作在额定功率，提高了风电场一次调频功能的经济型，减少了风机桨距角的动作量，降低了风机机械部分的损耗。

附图说明

图1是本发明实施例提供的风电一次调频方法流程图；

图2是本发明实施例提供的风电一次调频系统架构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明适用于独立于自动发电控制系统（AGC系统）与风电场能量管理系统之外的一次调频系统。通过对能量管理系统中风机相关信息与风电场并网点频率进行分析处理，输出每台风机的一次调频指令，实现少预留、多发电、快调频的目的。

图1是本发明实施例提供的风电一次调频方法流程图；如图1所示，该方法包括如下步骤：

S101，确定风机的理论可发有功功率，并按照理论可发有功功率值大小对风机进行排序；

S102，按照所述排序根据风机的理论可发有功功率依次设定风机的备用容量和减载率；当风机理论可发有功功率大于A倍的风机额定功率时，设定其减载率为0，备用容量为(A-1)倍额定功率，A的取值范围为1.1到1.15之间；当风机理论可发有功功率在1.1倍额定功率到A倍额定功率之间时，设定其减载率0，备用容量为0.1倍额定功率；当风机理论可发有功功率在1.04倍额定功率到1.1倍额定功率之间时，设定其减载率为1.1倍额定功率与理论可发有功功率的差值，备用容量为0.1倍额定功率；当风机理论可发有功功率小于1.04倍额定功率时，设定其减载率为0.06倍额定功率，备用容量为0.06倍额定功率；所述备用容量指风机接收一次调频指令时可增发的有功功率，所述减载率指风机预留出力的有功功率；

S103，当累计设定的风机的备用容量总和达到所有风机额定功率之和的0.06倍时，设定所述排序中剩余风机的减载率均为0，以减小风机的减载率；

S104，当风机频率下降变化超过死区，风电的一次调频指令指示风机需要增发有功功率时，按照所述排序依次投入备用容量，直至投入的备用容量满足一次调频指示的增发有功功率需求。

在一个可选的示例中，该方法还包括如下步骤：

确定各个风机即将停机的功率值，若风机功率低于该值，风机将会停机；所述即将停机的功率值大于风机额定功率的20%，预留一定裕度，防止风机意外停机；

当风机频率增大变化超过死区，风电的一次调频指令指示风机需要减发有功功率时，确定一次调频指令指示的总减发功率；

计算全部风机不停机情况下的全部可减功率，将所述总减发功率与全部可减功率比较，若总减发功率大于全部可减功率，则将当前出力最小的一台风机停机，并在总减发功率内减去所停风机的功率，得到更新的总减发功率；

计算剩余开机风机不停机情况下的更新全部可减功率，将所述更新的总减发功率与更新全部可减功率比较，并重复上述步骤，直至总减发功率不大于全部可减功率，或更新总减发功率不大于更新全部可减功率；

将最后一次计算得到的总减发功率按照各机组当前功率大小的比值分配。

在一个具体的实施例中，整个方法分为以下几步：首先对风机理论可发有功进行从大到小排序，根据从能量管理系统中获取的风机理论可发有功计算风机的备用容量与减载率。其中备用容量指接收一次调频指令时可增发的有功功率，减载率指预留风机出力的有功功率。这里备用指令的计算策略为，利用风机变流器的合理过载能力，通过控制使风机的实际可发有功上限从额定功率Pn提升至A*Pn（即A倍额定功率，其中A的取值范围为[1.1,1.15]。根据风机理论可发功率对风机进行分为以下四类：风机理论可发有功大于A*Pn时，其减载率为0，备用容量为(A-1)*Pn；理论可发有功的范围为[1.1,A]时，其减载率0，备用容量为0.1Pn；理论可发有功的范围为[1.04,1.1]时，其减载率为（1.1Pn-该台风机理论可发有功），备用容量为0.1Pn；理论可发有功小于1.04Pn时，其减载率为0.06Pn，备用容量为0.06Pn。基于风场总备用需求，按风机理论可发有功排序从大到小计算备用容量和对应的减载率，当总备用容量符合国标要求的6%总场站额定有功时，剩余风机的减载率均为0，以达到风电场总备用容量符合预定指标，减少了预留风机出力。总备用容量达到需求后，剩余减载率为0，增加了风电场整体的发电量，提升了经济效益。

每个通讯周期采集相关信息，分析处理并计算得到各台风机的备用容量和减载率并发送。

根据采样得到的风电场并网点频率，判断是否进行一次调频，判断依据为：

如满足上述调节则进行一次调频，计算一次调频有功需求。如下图公式，得到风电场一次调频总指令。

一次调频总指令类似于同步机，当频率变化越过死区时，一次调频通过有功-频率下垂特性曲线函数实现，即风电场的一次调频总指令

为：

时，

；

时，

；

式中：

为频率参考值（国内为50Hz）；DB为频率死区；f为电网频率；

为调差率；

为风电场的额定功率，这里根据电网频率变化的大小决定风电场参与调频的程度。

具体地，当频率变化超过死区时，进入一次调频状态，分为两种情况：

频率增大变化超过死区（见上文判断依据），风电场一次调频总指令为负值，需要减发有功。计算全部风机不停机情况下的可减功率，即累加所有风机当前实际有功减去即将停机功率的值（风机出力低于20%Pn风机会停机，这里用30%Pn作为即将停机功率，预留10%裕度，防止意外停机），比较一次调频总指令与不停机情况下的可减功率，若一次调频总指令大于可减功率，则停当前出力最小的一台风机。之后再进行新一轮的重复比较，直至不停机可减功率大于一次调频总指令，接下来将剩余减发功率按照各机组当前功率大小的比值分配。由于之前计算不停机可减功率的时候以30%Pn作为分界线，距离20%Pn还有10%的裕度，所以分配之后不会有风机实时功率低于20%，避免意外停机，减少停机台数，也避免单一机组桨距角过大动作。

频率下降变化超过死区，风电场一次调频总指令为正值，需要增发有功。按照风机理论可发有功排序依次投入备用容量（如排序第一位的风机备用容量为5MW，第二位的备用容量为4MW，第三位备用容量为4MW，第四位的备用容量为4MW调频总指令为15MW，则前三位的风机备用容量全部投入，第四位投入2MW）直至满足调频总指令需求。

得出风电场各台风机的一次调频指令后下发给风电场能量管理系统执行，以实现调频需求。每个通讯周期采集相关信息，分析处理并计算得到各台风机的调频指令并发送。

在一个更为具体的实施例中，选取60台额定容量为1.5MW风机的风电场模型，使用实际风场24小时的数据进行仿真对比，对比本发明与预留有功出力的一次调频方法风电场发电量，发电量多出3.59万千瓦时，发电量增加3.58%。

图2是本发明实施例提供的风电一次调频系统架构图，如图2所示，包括：

理论有功排序单元210，用于确定风机的理论可发有功功率，并按照理论可发有功功率值大小对风机进行排序；

减载率与备用容量设定单元220，用于按照所述排序根据风机的理论可发有功功率依次设定风机的备用容量和减载率；当风机理论可发有功功率大于A倍的风机额定功率时，设定其减载率为0，备用容量为(A-1)倍额定功率，A的取值范围为1.1到1.15之间；当风机理论可发有功功率在1.1倍额定功率到A倍额定功率之间时，设定其减载率0，备用容量为0.1倍额定功率；当风机理论可发有功功率在1.04倍额定功率到1.1倍额定功率之间时，设定其减载率为1.1倍额定功率与理论可发有功功率的差值，备用容量为0.1倍额定功率；当风机理论可发有功功率小于1.04倍额定功率时，设定其减载率为0.06倍额定功率，备用容量为0.06倍额定功率；所述备用容量指风机接收一次调频指令时可增发的有功功率，所述减载率指风机预留出力的有功功率；以及当累计设定的风机的备用容量总和达到所有风机额定功率之和的0.06倍时，设定所述排序中剩余风机的减载率均为0，以减小风机的减载率；

一次调频单元230，用于当风机频率下降变化超过死区，风电的一次调频指令指示风机需要增发有功功率时，按照所述排序依次投入备用容量，直至投入的备用容量满足一次调频指示的增发有功功率需求。

停机功率确定单元240，用于确定各个风机即将停机的功率值，若风机功率低于该值，风机将会停机；所述即将停机的功率值大于风机额定功率的20%，预留一定裕度，防止风机意外停机；

所述一次调频单元230，用于当风机频率增大变化超过死区，风电的一次调频指令指示风机需要减发有功功率时，确定一次调频指令指示的总减发功率；计算全部风机不停机情况下的全部可减功率，将所述总减发功率与全部可减功率比较，若总减发功率大于全部可减功率，则将当前出力最小的一台风机停机，并在总减发功率内减去所停风机的功率，得到更新的总减发功率；计算剩余开机风机不停机情况下的更新全部可减功率，将所述更新的总减发功率与更新全部可减功率比较，并重复上述步骤，直至总减发功率不大于全部可减功率，或更新总减发功率不大于更新全部可减功率；以及将最后一次计算得到的总减发功率按照各机组当前功率大小的比值分配。

可以理解的是，图2中各个单元的详细功能实现可参见前述方法实施例中的介绍，在此不做赘述。

更具体地，本发明另一个实施例提供的风电一次调频系统，包括：存储器和处理器；存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于当执行计算机程序时，实现本发明上述实施例提供的风电一次调频方法。

进一步地，本发明还提供一种计算机可读存储介质，存储介质上存储有计算机程序，当计算机程序被处理器执行时，实现本发明上述实施例提供的风电一次调频方法。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种风电一次调频方法，其特征在于，包括如下步骤：

确定风机的理论可发有功功率，并按照理论可发有功功率值大小对风机进行排序；

按照所述排序根据风机的理论可发有功功率依次设定风机的备用容量和减载率；当风机理论可发有功功率大于A倍的风机额定功率时，设定其减载率为0，备用容量为(A-1)倍额定功率，A的取值范围为1.1到1.15之间；当风机理论可发有功功率在1.1倍额定功率到A倍额定功率之间时，设定其减载率0，备用容量为0.1倍额定功率；当风机理论可发有功功率在1.04倍额定功率到1.1倍额定功率之间时，设定其减载率为1.1倍额定功率与理论可发有功功率的差值，备用容量为0.1倍额定功率；当风机理论可发有功功率小于1.04倍额定功率时，设定其减载率为0.06倍额定功率，备用容量为0.06倍额定功率；所述备用容量指风机接收一次调频指令时可增发的有功功率，所述备用容量的计算策略为：利用风机变流器的合理过载能力，通过控制使风机的实际可发有功上限从额定功率Pn提升至A*Pn，所述减载率指风机预留出力的有功功率；

当累计设定的风机的备用容量总和达到所有风机额定功率之和的0.06倍时，设定所述排序中剩余风机的减载率均为0，以减小风机的减载率；

当风机频率下降变化超过死区，风电的一次调频指令指示风机需要增发有功功率时，按照所述排序依次投入备用容量，直至投入的备用容量满足一次调频指示的增发有功功率需求。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：

确定各个风机即将停机的功率值，若风机功率低于该值，风机将会停机；所述即将停机的功率值大于风机额定功率的20%，预留一定裕度，防止风机意外停机；

当风机频率增大变化超过死区，风电的一次调频指令指示风机需要减发有功功率时，确定一次调频指令指示的总减发功率；

计算全部风机不停机情况下的全部可减功率，将所述总减发功率与全部可减功率比较，若总减发功率大于全部可减功率，则将当前出力最小的一台风机停机，并在总减发功率内减去所停风机的功率，得到更新的总减发功率；

计算剩余开机风机不停机情况下的更新全部可减功率，将所述更新的总减发功率与更新全部可减功率比较，并重复上述步骤，直至总减发功率不大于全部可减功率，或更新总减发功率不大于更新全部可减功率；

将最后一次计算得到的总减发功率按照各机组当前功率大小的比值分配。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当预留的裕度为风机额定功率的10%时，所述各个风机即将停机的功率值为风机额定功率的30%。

4.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，风电场的一次调频总指令

为：

当风机频率下降变化超过死区时，

；

当风机频率增大变化超过死区时，

；

式中：

为频率参考值；DB为频率死区；f为电网频率；

为调差率；

为风电场的额定功率。

5.一种风电一次调频系统，其特征在于，包括：

理论有功排序单元，用于确定风机的理论可发有功功率，并按照理论可发有功功率值大小对风机进行排序；

减载率与备用容量设定单元，用于按照所述排序根据风机的理论可发有功功率依次设定风机的备用容量和减载率；当风机理论可发有功功率大于A倍的风机额定功率时，设定其减载率为0，备用容量为(A-1)倍额定功率，A的取值范围为1.1到1.15之间；当风机理论可发有功功率在1.1倍额定功率到A倍额定功率之间时，设定其减载率0，备用容量为0.1倍额定功率；当风机理论可发有功功率在1.04倍额定功率到1.1倍额定功率之间时，设定其减载率为1.1倍额定功率与理论可发有功功率的差值，备用容量为0.1倍额定功率；当风机理论可发有功功率小于1.04倍额定功率时，设定其减载率为0.06倍额定功率，备用容量为0.06倍额定功率；所述备用容量指风机接收一次调频指令时可增发的有功功率，所述备用容量的计算策略为：利用风机变流器的合理过载能力，通过控制使风机的实际可发有功上限从额定功率Pn提升至A*Pn，所述减载率指风机预留出力的有功功率；以及当累计设定的风机的备用容量总和达到所有风机额定功率之和的0.06倍时，设定所述排序中剩余风机的减载率均为0，以减小风机的减载率；

一次调频单元，用于当风机频率下降变化超过死区，风电的一次调频指令指示风机需要增发有功功率时，按照所述排序依次投入备用容量，直至投入的备用容量满足一次调频指示的增发有功功率需求。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，还包括：

停机功率确定单元，用于确定各个风机即将停机的功率值，若风机功率低于该值，风机将会停机；所述即将停机的功率值大于风机额定功率的20%，预留一定裕度，防止风机意外停机；

所述一次调频单元，用于当风机频率增大变化超过死区，风电的一次调频指令指示风机需要减发有功功率时，确定一次调频指令指示的总减发功率；计算全部风机不停机情况下的全部可减功率，将所述总减发功率与全部可减功率比较，若总减发功率大于全部可减功率，则将当前出力最小的一台风机停机，并在总减发功率内减去所停风机的功率，得到更新的总减发功率；计算剩余开机风机不停机情况下的更新全部可减功率，将所述更新的总减发功率与更新全部可减功率比较，并重复上述步骤，直至总减发功率不大于全部可减功率，或更新总减发功率不大于更新全部可减功率；以及将最后一次计算得到的总减发功率按照各机组当前功率大小的比值分配。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，当停机功率确定单元预留的裕度为风机额定功率的10%时，所述停机功率确定单元确定的各个风机即将停机的功率值为风机额定功率的30%。

8.根据权利要求5至7任一项所述的系统，其特征在于，所述一次调频单元输出的风电场的一次调频总指令

为：

当风机频率下降变化超过死区时，

；

当风机频率增大变化超过死区时，

；

式中：

为频率参考值；DB为频率死区；f为电网频率；

为调差率；

为风电场的额定功率。

9.一种风电一次调频系统，其特征在于，包括：存储器和处理器；所述存储器，用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现如权利要求1-4任一项所述的风电一次调频方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1-4任一项所述的风电一次调频方法。

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