CN115833184A - 基于能量管理系统功率精确控制的风电场一次调频方法 - Google Patents

基于能量管理系统功率精确控制的风电场一次调频方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于能量管理系统功率精确控制的风电场一次调频方法。在能量管理系统中增加一次调频控制和站内机组参与一次调频动态优先级评估两个模块，实现风电场一次调频精确控制，具体为：首先，根据风电场一次调频标准要求确定调差率、频率死区、频率调节上限和下限，进而获得有功—频率下垂特性曲线函数；其次，根据一次调频动态优先级顺序表选定参与调频的机组，并计算每台参与调频机组的有功功率指令值，分发给每台机组主控系统，控制机组参与一次调频；最后，根据每台参与调频机组的响应参数评估每台机组的优先级，并动态更新优先级列表。本发明实现了风电场参与电网一次调频功能，确保电力系统安全稳定运行。

Description

基于能量管理系统功率精确控制的风电场一次调频方法
技术领域
本发明涉及新能源发电技术领域，尤指风电场一次调频技术领域，具体涉及一种基于能量管理系统（EMS）功率精确控制的风电场一次调频方法。
背景技术
近年来，随着新能源场站不断接入系统，电网新能源装机容量占比逐渐增高，部分省级电网新能源装机容量超过火电装机容量，成为主力电源之一。与此同时，新能源大基地快速发展，特别是在我国“三北”地区，百万千瓦新能源基地通过特高压直流线路将清洁能源不断送到我国东部重负荷地区。然而，新能源出力受天气因素影响，具有一定随机性，而且几乎没有惯量，对电网频率支撑能力很小。当电网发生故障时，系统频率变化大，容易引发直流系统闭锁，送端电网出现大量有功功率剩余，受端电网出现大量有功功率缺额，进一步恶化送端和受端电网频率，导致新能源大面积脱网，引发大范围停电事故。为此，新能源场站参与电网一次调频对于电网至关重要。
目前，风电场一次调频控制方法主要包含有功功率-频率下垂控制和转子惯性控制等。对于转子惯性控制方法，利用释放转子动能的方式提供有功支撑，可以最大程度利用风能，但是支撑时间很有限，而且研究表明这种方法容易造成频率二次跌落。有功功率-频率下垂控制通过减载预留频率上调容量，这种方法会造成一定弃风，但是频率支撑时间很长，而且稳定，是目前被广泛采用的方法。新建或者改造新能源场站的一次调频，大多数采用该技术方案，即场站调频控制器在检测到风电场并网点频率变化后，根据有功—频率下垂特性曲线函数计算场站参与一次调频的有功功率增量，并输出到EMS系统，EMS系统根据既定策略将全场有功功率增量分发给每台机组的主控系统以控制每台机组的有功输出，进而达到参与一次调频的目的。
然而在对新能源场站一次调频能力测试时，仍然发现部分场站功率响应不达标的情况。这主要因为调频控制器计算出整场站调频功率增量，然后传送到EMS系统，整个调频过程中并不参与每台机组功率输出控制，而站内每台机组运行工况并不相同，而且功率响应能力也不同，因此会出现调频功率控制精度不足的问题。与此同时，额外配置调频控制器，投入成本较大。因此，一种控制精度高、成本低廉的风电场一次调频控制方法的研究亟待进一步开展。
发明内容
本发明结合丰富的新能源场站并网运行检测和分析经验，提供一种控制精度高、成本低廉的风电场参与电网一次调频方法，实现风电场参与电网一次调频功能，确保电力系统安全稳定运行。
本发明采用的技术方案包括以下步骤：
步骤1：在能量管理系统中增加一次调频控制模块和站内机组参与一次调频动态优先级评估模块；
步骤2：通过一次调频控制模块得到风电场一次调频动作目标功率P ord ；
步骤3：根据一次调频动态优先级顺序表选定参与调频的机组并计算每台参与调频机组的有功功率指令值P ordi ，分发给每台机组主控系统，主控系统控制机组参与一次调频；
步骤4：当风电场完成一次调频并且电网频率恢复到门槛值f d 内后，根据每台风电机组参与一次调频的综合评价值重新确定每台机组的优先级，并动态更新优先级顺序表；
步骤5：当检测到并网点频率变化量超出调频死区[-f d，+f d]，返回步骤2。
所述步骤2）具体为：
通过一次调频控制模块检测风电场并网点的频率波动，根据下式计算得到风电场一次调频动作目标功率P ord ：
Figure SMS_1
其中，P ord 为风电场一次调频动作目标功率；f为电网实际频率；f d 为一次调频动作门槛值；P N 为额定功率；δ%为新能源场站一次调频调差率；P 0 为功率初值；
通过能量管理系统根据一次调频动作目标功率P ord 控制全场的有功功率，以实现风电场的一次调频控制。根据上式设置一次调频曲线，风电场通过给定的一次调频曲线，实现风电场一次调频功能。
所述步骤3）具体为：
3.1）根据风电场n台风电机组参与一次调频的优先级顺序表，选取一次调频综合评价值大于0.7的风电机组，设选取的数量为n sec，通过下式计算参与调频的每台机组的有功功率指令值p ordi 为：
Figure SMS_2
其中，P ord 为风电场一次调频动作目标功率；
3.2）将每台机组的有功功率指令值P ordi 发送至对应风电机组的主控系统，主控系统根据指令调节对应风电机组的有功功率，从而达到一次调频精确控制的目标。
所述的优先级顺序表为从高到低对所有风电机组的一次调频综合评价值进行排序的列表；其中，在初始的优先级顺序表中，每台机组初始的优先级均相同（每台机组综合评价值相同），即将风电场一次调频动作目标功率平均分配给每台机组。
所有风电机组的一次调频综合评价值通过步骤4.1）计算得到
所述步骤3中，当一次调频综合评价值大于0.7的风电机组数量不足总数的一半时，需发出告警。
所述步骤4具体为，通过站内机组参与一次调频动态优先级评估模块的评估结果，更新全场机组参与一次调频的优先级，并形成列表：
4.1）根据风电场各个风电机组参与一次调频的有功功率响应指标，计算每台风电机组的一次调频综合评价值△E i ：
Figure SMS_3
其中，k 1 ，k 2 ，k 3 ，k 4 分别为设定的评价系数，根据实际需求调整，根据经验，可分别取0.5，0.1，0.25，0.15；
△t hxi 为第i台机组响应迟滞时间标幺值，即从频率f越过风电场调频死区开始到有功功率可靠的向调频方向变化所需时间的标幺值，其中，有功功率变化为有功功率达到2%p ordi ；
△t hxi 的计算公式如下：
Figure SMS_4
其中，t hxi 为第i台机组响应迟滞时间；T为风电场参与电网一次调频的时间尺度，可取12s，具体实施中，经大量测试，在12s左右风电场一般均能够完成一次调频响应。
△t 0.9i 为第i台机组响应时间标幺值，即从频率f超出调频死区开始，至该台风电机组的有功功率调节量达到第i台机组的有功功率目标指令值p ordi 的90%所需时间的标幺值；
△t 0.9i 的计算公式如下：
Figure SMS_5
其中，t 0.9i 为第i台机组响应时间。
△p i 为第i台机组有功功率稳态调整偏差标幺值；
△p i 的计算公式如下：
Figure SMS_6
其中，p ordi 为第i台机组的有功功率目标指令值，p i 为第i台机组的实际有功功率，p N 为风电机组的容量。
σ i 为第i台机组的有功功率超调量；
σ i 的计算公式如下：
Figure SMS_7
其中，p max 为实际功率最大值。
4.2）根据步骤4.1）计算得到所有风电机组的一次调频综合评价值，从高到低对所有风电机组的一次调频综合评价值进行如下排序获得优先级列表，完成列表更新：
Figure SMS_8
其中，下标k,j,g,m均表示风电机组的编号。
本发明的有益效果：
申请人经过多年的行业经验和生产积累，结合丰富的新能源场站并网运行检测和分析经验，提供一种控制精度高、成本低廉的风电场参与电网一次调频方法。本发明采用能量管理系统（EMS）直接控制的技术方案，其优点在于能够直接根据站内每台机组情况精确控制有功功率输出，可以为新能源场、电网站带来显著经济效益。
附图说明
图1为基于能量管理系统功率精确控制的风电场一次调频技术路线示意图；
图2为基于能量管理系统功率精确控制的风电场一次调频方法流程示意图；
图3为一次调频曲线；
图4为风电场机组一次调频响应频率阶跃扰动过程调节示意图；
图5为典型风电场一次调频频率阶跃测试结果；
图6为采用本发明方法后风电场一次调频频率阶跃测试结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明的基于能量管理系统功率精确控制的风电场一次调频方法对于任意配置能量管理平台的风电场均可实施应用，下面举例说明。
某风电场总装机容量为49.5MW，共安装33台双馈风电机组，单机容量1.5MW。风电场风力发电机组经35kV箱式变压器升压后，通过35kV集电线路接入35kV母线，35kV采用单母线分段接线。一期35kV母线Ⅰ段装设4回风电集电线路，配置1台9Mvar的动态无功补偿装置，通过1号主变升压至110kV。110kV线路采用单母线分段接线，风电场经1回110kV线路送至上级220kV变电站110kV侧并入电网。该场站初次一次调频改造方案为：在风电场内增加一个一次调频控制器，一次调频曲线如图3所示，该控制器按照调频策略将有功功率输出给能量管理系统，然后能量管理系统通过监控系统将调频指令再分发给每台机组主控系统。在测试风电场参与电网一次调频性能时，频率阶跃测试结果如图5所示，尽管满足一次调频调节要求，但是有功功率控制精度并不高，最大偏差可达到15%；此外，该风电场参与一次调频指令存在较为严重的波动，最大偏差为4.8%。
究其原因，当采用一次调频控制器外置方案时，对一次调频控制器与能量管理系统协调配合要求比较高，若一次调频控制器与能量管理系统配合不当，则会出现功率指令不稳定，控制精度不高的问题。与此同时，对于“老旧”风电机组，也可能存在有功功率调节特性变差的情况，因此也会导致一次调频控制精度低，甚至不能达标的问题。
如图1和图2所示，采用本发明的一种基于能量管理系统功率精确控制的风电场一次调频方法，即在能量管理系统内增加一次调频控制和站内机组参与一次调频动态优先级评估两个模块。
根据风电场各个风电机组参与一次调频的有功功率响应指标，具体含义参见图4，计算每台风电机组的一次调频综合评价值，详见表1；从高到低对所有风电机组的一次调频综合评价值进行排序获得优先级列表，完成列表更新，详见表2，一次调频综合评价值最高的机组的机组编号为9。
由综合评价结果表（表1和表2）可知，该风电场33台机组中32台机组参与一次调频性能良好，即n sec =32，则对于标准频率阶跃测试每台机组有功调节指令为：0.156MW。
风电场参与频率阶跃扰动测试结果见图6，有功功率控制最大偏差降低至6%；风电场参与一次调频指波动明显降低，最大偏差在2%之内。显著提升了风电场参与一次调频的控制精度。
Figure SMS_9
。

Claims (8)

1.一种基于能量管理系统功率精确控制的风电场一次调频方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在能量管理系统中增加一次调频控制模块和站内机组参与一次调频动态优先级评估模块；
步骤2：通过一次调频控制模块得到风电场一次调频动作目标功率P ord ；
步骤3：根据一次调频动态优先级顺序表选定参与调频的机组并计算每台参与调频机组的有功功率指令值P ordi ，分发给每台机组主控系统，主控系统控制机组参与一次调频；
步骤4：当风电场完成一次调频并且电网频率恢复到门槛值f d 内后，根据每台风电机组参与一次调频的综合评价值重新确定每台机组的优先级，并动态更新优先级顺序表；
步骤5：当检测到并网点频率变化量超出调频死区，返回步骤2。
2.根据权利要求1所述的基于能量管理系统功率精确控制的风电场一次调频方法，其特征在于，所述步骤2具体为：
通过一次调频控制模块检测风电场并网点的频率波动，然后根据下式计算得到风电场一次调频动作目标功率P ord ：
Figure QLYQS_1
；
其中，P ord 为风电场一次调频动作目标功率；f为电网实际频率；f d 为一次调频动作门槛值；P N 为额定功率；δ%为新能源场站一次调频调差率；P 0 为功率初值。
3.根据权利要求1所述的基于能量管理系统功率精确控制的风电场一次调频方法，其特征在于，所述步骤3具体为：
3.1）根据风电场n台风电机组参与一次调频的优先级顺序表，选取一次调频综合评价值大于0.7的风电机组，设选取的数量为n sec，通过下式计算参与调频的每台机组的有功功率指令值p ordi 为：
Figure QLYQS_2
；
其中，P ord 为风电场一次调频动作目标功率；
3.2）将每台机组的有功功率指令值p ordi 发送至对应风电机组的主控系统，主控系统根据指令调节对应风电机组的有功功率，从而达到一次调频精确控制的目标。
4.根据权利要求3所述的基于能量管理系统功率精确控制的风电场一次调频方法，其特征在于，所述的优先级顺序表为从高到低对所有风电机组的一次调频综合评价值进行排序的列表；其中，在初始的优先级顺序表中，每台机组初始的优先级均相同，即将风电场一次调频动作目标功率平均分配给每台机组。
5.根据权利要求3所述的基于能量管理系统功率精确控制的风电场一次调频方法，其特征在于，所述步骤3中，当一次调频综合评价值大于0.7的风电机组数量不足总数的一半时，需发出告警。
6.根据权利要求1所述的基于能量管理系统功率精确控制的风电场一次调频方法，其特征在于，所述步骤4具体为，通过站内机组参与一次调频动态优先级评估模块的评估结果，更新全场机组参与一次调频的优先级，并形成列表：
4.1）根据风电场各个风电机组参与一次调频的有功功率响应指标，计算每台风电机组的一次调频综合评价值△E i ：
Figure QLYQS_3
；
其中，k 1 ，k 2 ，k 3 ，k 4 分别为设定的评价系数；
△t hxi 为第i台机组响应迟滞时间标幺值，即从频率f越过风电场调频死区开始到有功功率向调频方向变化所需时间的标幺值，其中，有功功率变化为有功功率达到2%p ordi ；
△t 0.9i 为第i台机组响应时间标幺值，即从频率f超出调频死区开始，至该台风电机组的有功功率调节量达到第i台机组的有功功率目标指令值p ordi 的90%所需时间的标幺值；
△p i 为第i台机组有功功率稳态调整偏差标幺值；
σ i 为第i台机组的有功功率超调量；
4.2）根据步骤4.1）计算得到所有风电机组的一次调频综合评价值，从高到低对所有风电机组的一次调频综合评价值进行如下排序获得优先级列表，完成列表更新：
Figure QLYQS_4
；
其中，下标k,j,g,m均表示风电机组的编号。
7.根据权利要求6所述的基于能量管理系统功率精确控制的风电场一次调频方法，其特征在于，所述有功功率响应指标包括△t hxi 、△t 0.9i 、△p i 、σ i ：
△t hxi 的计算公式如下：
Figure QLYQS_5
；
其中，t hxi 为第i台机组响应迟滞时间，T为风电场参与电网一次调频的时间尺度；
△t 0.9i 的计算公式如下：
Figure QLYQS_6
；
其中，t 0.9i 为第i台机组响应时间；
△p i 的计算公式如下：
Figure QLYQS_7
；
其中，p ordi 为第i台机组的有功功率目标指令值，p i 为第i台机组的实际有功功率，p N 为风电机组的容量；
σ i 的计算公式如下：
Figure QLYQS_8
；
其中，p max 为实际功率最大值。
8.根据权利要求1或6所述的基于能量管理系统功率精确控制的风电场一次调频方法，其特征在于，所述调频死区为[-f d，+f d]，f d为一次调频动作门槛值。
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