CN116154876A - 风电场调频方法及调频系统 - Google Patents

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CN116154876A CN202310424018.3A CN202310424018A CN116154876A CN 116154876 A CN116154876 A CN 116154876A CN 202310424018 A CN202310424018 A CN 202310424018A CN 116154876 A CN116154876 A CN 116154876A
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张浩宇
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Abstract

本发明涉及电网频率调节技术领域，尤其涉及一种风电场调频方法及调频系统。一种风电场调频方法，包括初始化步骤、调频判断步骤、全场限幅步骤、功率分配步骤、向上调频步骤及向下调频步骤。本方案，通过释放风机转子动能为快速频率响应提供额外的功率来源，同时通过引入机组转动惯量的参数算出单个风机转子的可调裕度，避免转子转速恢复期间会造成频率二次跌落的问题；向下调频时，通过风机桨距调节与转子动能吸收调节相结合。

Description

风电场调频方法及调频系统
技术领域
本发明涉及电网频率调节技术领域，尤其涉及一种风电场调频方法及调频系统。
背景技术
有功频率调节是电力系统电力电量实时平衡的基础。根据时间尺度的不同，有功频率调节分为：快速频率响应（毫秒级-3s，下称FFR）、一次调频（3s-10min）、二次调频（10min-小时级，又称自动发电控制AGC）、电力系统经济运行（日、季度）。其中，快速频率响应（FFR）是近年来伴随着新能源、电力电子设备在电网中渗透率不断提高、电力系统等效惯量不断下降、扰动下电网频率变化率不断增大等新情况而出现的一种新的有功频率调节需求。FFR发生在一次调频之前，其目的是，在一次调频尚未来得及启动的极短时间尺度内，通过快速的功率控制，防止电网频率过快变化，为一次调频发挥作用争取时间，防止出现“一次调频还未来得及启动，系统便已经失稳”的极端故障情况。
对于风电场而言，目前主要有3种方法实现一次调频和快速频率响应（FFR）功能：(1)风机减载运行，指主动弃风预留功率，风机不运行在最大功率跟踪模式，留有一定的备用功率供调频使用，这种方法能够使得风电在参与系统调频时增发稳定的有功功率，但缺点是这种方法将造成持续性的弃风，会造成显著浪费，降低了经济性。(2)风电场配套储能提供额外功率，缺点是需要建设储能，增大风电场建设成本。(3)转子动能控制通过对风机转子动能的快速控制，短时间增发风机的有功功率帮助系统频率恢复，这种方法不需要持续性弃风、经济性好，但参与调频的作用时间短，且在退出调频后会有短暂的有功功率跌落现象。
如公开号为CN114447956A的发明申请（下称文献1）公开了一种多调频资源协同的耦合系统一次调频控制方法及系统，通过风机转子的动能释放为一次调频提供额外的功率来源。
然而，文献1的风电机组的调频还存在以下问题：控制风机转子参与向上调频后转子转速下降，向上调频过后的转子转速恢复期间会造成频率二次跌落问题。此外，文献1仅概念性提出利用风机转子动能释放来进行升功率频率调节，未能给出具体实现的技术方案，未提出全场调节功率在风电场中各台风机之间的分配方法。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足提供一种风电场调频方法及调频系统，旨在解决调频后造成频率二次跌落的问题。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种风电场调频方法，包括：
初始化步骤：获取单个风机转子的调频功率分配权值，根据机组转动惯量获取单个风机转子的可调裕度，根据单个风机转子的可调裕度得到全场风机转子动能可调裕度；
调频判断步骤：判断检测到的风电场并网点实时频率与额定频率之间的偏差值是否偏移出死区范围，若是，计算出风电场的总调频功率；
全场限幅步骤：将总调频功率与全场风机转子动能可调裕度进行比较，根据比较结果对全场风机转子动能可调裕度进行饱和限幅并输出限幅后的风电场总调频功率指令；
功率分配步骤：根据限幅后的风电场总调频功率指令和单个风机转子的调频功率分配权值得到单个风机的调频功率分配值；
向上调频步骤：判断总调频功率是否小于零，若是，单个风机转子释放动能以转化成与该风机的调频功率分配值相匹配的调频功率；
向下调频步骤：判断总调频功率是否大于零，若是，根据单个风机的调频功率分配值，对应调节该风机桨距以降低风机转子转速，直至所述偏差值回到死区范围。
作为本发明进一步的方案，初始化步骤还包括：单个风机转子的可调裕度包括单机可调升功率裕度，单机可调升功率裕度利用公式一得到，全场风机转子动能可调裕度利用公式二得到；
公式一：
Figure SMS_1
；
公式二：
Figure SMS_2
；
公式中，
Figure SMS_4
为第
Figure SMS_7
台风机的单机可调升功率裕度，
Figure SMS_10
为第
Figure SMS_5
台风机的测量转速，
Figure SMS_8
为第
Figure SMS_11
台风机的最小转速，
Figure SMS_12
为惯量响应及延时时间，
Figure SMS_3
为机组转动惯量，
Figure SMS_6
为机组状态相关常数，
Figure SMS_9
为全场转子动能释放可调裕度。
作为本发明进一步的方案，初始化步骤还包括：全场风机转子动能可调裕度包括全场转子动能释放可调裕度；调频功率分配权值包括升功率分配权值和降功率分配权值，升功率分配权值利用公式二和公式三得到，降功率分配权值利用公式四得到；
公式二：
Figure SMS_13
；
公式三：
Figure SMS_14
；
公式四：
Figure SMS_15
；
公式中，
Figure SMS_18
为第
Figure SMS_19
台风机的单机可调升功率裕度，
Figure SMS_22
为全场转子动能释放可调裕度，
Figure SMS_17
为第
Figure SMS_21
台风机的升功率分配权值，
Figure SMS_23
为第
Figure SMS_24
台风机的实时输出功率，
Figure SMS_16
为第
Figure SMS_20
台风机的降功率分配权值。
作为本发明进一步的方案，全场限幅步骤为：利用公式五对总调频功率进行饱和限幅并输出限幅后的风电场总调频功率指令；
公式五：
Figure SMS_25
；
公式中，
Figure SMS_27
为风电场的总调频功率，
Figure SMS_29
为限幅后的风电场总调频功率指令，
Figure SMS_31
为全场转子动能释放可调裕度，
Figure SMS_28
为全场升功率限幅值，
Figure SMS_30
为全场降功率限幅值，
Figure SMS_32
为
Figure SMS_33
和
Figure SMS_26
二者的较小值。
作为本发明进一步的方案，功率分配步骤还包括：调频功率分配值包括上调功率分配值和下调功率分配值；若总调频功率小于零，利用公式二、公式三和公式六得到上调功率分配值；若总调频功率大于零，利用公式四和公式七得到下调功率分配值；
公式二：
Figure SMS_34
；
公式三：
Figure SMS_35
；
公式四：
Figure SMS_36
；
公式六：
Figure SMS_37
；
公式七：
Figure SMS_38
；
公式中，
Figure SMS_42
为第
Figure SMS_44
台风机的单机可调升功率裕度，
Figure SMS_48
为全场转子动能释放可调裕度，
Figure SMS_40
为第
Figure SMS_46
台风机的升功率分配权值，
Figure SMS_50
为第
Figure SMS_52
台风机的实时输出功率，
Figure SMS_39
为第
Figure SMS_45
台风机的降功率分配权值，
Figure SMS_49
为限幅后的风电场总调频功率指令，
Figure SMS_51
为第
Figure SMS_41
台风机的上调功率分配值，
Figure SMS_43
为第
Figure SMS_47
台风机的下调功率分配值。
作为本发明进一步的方案，向上调频步骤还包括：若总调频功率不大于零，风机转子释放动能以转化成与该风机的上调功率分配值相匹配的调频功率；
向下调频步骤还包括：若总调频功率大于零，根据单个风机的下调频功率分配值，对应调节该风机桨距以降低风机转子转速，直至所述偏差值回到死区范围。
作为本发明进一步的方案，调频判断步骤之前一步骤或初始化步骤之前还包括：
频率计算步骤：通过系统额定功率和监测到的系统实时频率之间作差得到频率偏差值，基于频率偏差值得到风电场的总调频功率。
作为本发明进一步的方案，调频判断步骤为：判断检测到的风电场并网点实时频率与额定频率之间的偏差值是否偏移出死区范围，若是，执行调频计算步骤，并判断该总调频功率大于零或小于零。
本发明还提供了另一技术方案：一种风电场调频系统，包括：
初始化模块，用于利用公式一得到单机可调升功率裕度，利用公式二得到全场风机转子动能可调裕度，
公式一：
Figure SMS_53
；
公式二：
Figure SMS_54
；
公式中，
Figure SMS_56
为第
Figure SMS_58
台风机的单机可调升功率裕度，
Figure SMS_61
为第
Figure SMS_57
台风机的测量转速，
Figure SMS_59
为第
Figure SMS_62
台风机的最小转速，
Figure SMS_64
为惯量响应及延时时间，
Figure SMS_55
为机组转动惯量，
Figure SMS_60
为机组状态相关常数，
Figure SMS_63
为全场转子动能释放可调裕度；
调频判断模块，用于判断检测到的风电场并网点实时频率与额定频率之间的偏差值是否偏移出死区范围，若是，计算出风电场的总调频功率；
全场限幅模块，用于将总调频功率与全场风机转子动能可调裕度进行比较，根据比较结果对全场风机转子动能可调裕度进行饱和限幅并输出限幅后的风电场总调频功率指令；
功率分配模块，用于根据限幅后的风电场总调频功率指令和调频功率分配权值得到单个风机的调频功率分配值；
向上调频模块：用于判断总调频功率是否小于零，若是，单个风机转子释放动能以转化成与该风机的调频功率分配值相匹配的调频功率；
以及
向下调频模块：用于判断总调频功率是否大于零，若是，根据单个风机的调频功率分配值，对应调节该风机桨距以降低风机转子转速，直至所述偏差值回到死区范围。
作为本发明进一步的方案，该风电场调频系统还包括：
主变模块，用于风电场中的风机组群与电网之间交换有功与无功功率，输出三相CT、PT信号；
执行模块，内置有用于执行前述中任意一项所述的风电场调频方法的算法，执行模块用于接入主变模块的三相CT、PT信号，经该算法计算后，向风电场中的每台风机下发相匹配的调频功率分配值。
本发明还提供了另一技术方案：一种电子设备，包括：
一个或多个处理器；
用于存储可执行指令的存储器；
其中，所述一个或多个处理器被配置为调用所述存储器存储的可执行指令，以执行前述中任意一项所述的风电场调频方法。
本发明还提供了另一技术方案：一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现前述中任意一项所述的风电场调频方法。
本发明的有益效果：
本方案中，提出一种风电场调频方法。一方面，在功率分配步骤中 ，给出了全场调节功率在风电场中各台风机之间的分配方法。另一方面，通过释放风机转子动能为快速频率响应提供额外的功率来源，同时通过引入机组转动惯量的参数算出单个风机转子的可调裕度，使得风机转子的转速与风机转子的可调裕度值相配，防止风机转子的转速下降超出范围，从而避免转子转速恢复期间会造成频率二次跌落的问题，即：只要风机转子的转速下降不低于下限值，转子转速恢复期间就能够有效避免产生频率二次跌落；向下调频时，通过风机桨距调节。
附图说明
图1为本发明的风电场调频方法的流程示意图。
图2为本发明计算出风电场的总调频功率的示意图。
图3为本发明在全场限幅步骤中对总调频功率进行饱和限幅的示意图。
图4为本发明的风电场调频系统的示意图。
图5为本发明的实施案例一中，为频率阶跃至50.20Hz，应用本发明技术产品有功功率响应波形示意图。
图6为本发明的实施案例一中，为频率阶跃至49.80Hz，应用本发明技术产品有功功率响应波形示意图。
图7为本发明的实施案例二中，应用本发明专利的产品实际录波结果—频率采样测量结果的示意图。
图8为本发明的实施案例二中，应用本发明专利的产品实际录波结果—一次调频启动信号的示意图。
图9为本发明的实施案例二中，应用本发明专利的产品实际录波结果—风机实际有功功率的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细的描述。
如图1~9所示，在本发明实施例中提供了一种风电场调频方法，包括：初始化步骤、调频判断步骤、全场限幅步骤、功率分配步骤、向上调频步骤及向下调频步骤。其中：
初始化步骤：获取单个风机转子的调频功率分配权值，根据机组转动惯量获取单个风机转子的可调裕度，根据单个风机转子的可调裕度得到全场风机转子动能可调裕度；
调频判断步骤：判断检测到的风电场并网点实时频率与额定频率之间的偏差值是否偏移出死区范围，若是，计算出风电场的总调频功率；
全场限幅步骤：将总调频功率与全场风机转子动能可调裕度进行比较，根据比较结果对全场风机转子动能可调裕度进行饱和限幅并输出限幅后的风电场总调频功率指令；
功率分配步骤：根据限幅后的风电场总调频功率指令和单个风机转子的调频功率分配权值得到单个风机的调频功率分配值；
向上调频步骤：判断总调频功率是否小于零，若是，单个风机转子释放动能以转化成与该风机的调频功率分配值相匹配的调频功率；
向下调频步骤：判断总调频功率是否大于零，若是，根据单个风机的调频功率分配值，对应调节该风机桨距以降低风机转子转速，直至所述偏差值回到死区范围。
本方案中，提出一种风电场调频方法。一方面，在功率分配步骤中 ，给出了全场调节功率在风电场中各台风机之间的分配方法。另一方面，通过释放风机转子动能为快速频率响应提供额外的功率来源，同时通过引入机组转动惯量的参数算出单个风机转子的可调裕度，使得风机转子的转速与风机转子的可调裕度值相配，防止风机转子的转速下降超出范围，从而避免转子转速恢复期间会造成频率二次跌落的问题，即：只要风机转子的转速下降不低于下限值，转子转速恢复期间就能够有效避免产生频率二次跌落；向下调频时，通过风机桨距调节。
在一个实施例中，初始化步骤还包括：单个风机转子的可调裕度包括单机可调升功率裕度，单机可调升功率裕度利用公式一得到，全场风机转子动能可调裕度利用公式二得到；
公式一：
Figure SMS_65
；
公式二：
Figure SMS_66
；
公式中，
Figure SMS_68
为第
Figure SMS_72
台风机的单机可调升功率裕度，
Figure SMS_75
为第
Figure SMS_70
台风机的测量转速，
Figure SMS_73
为第
Figure SMS_76
台风机的最小转速，
Figure SMS_78
为惯量响应及延时时间，
Figure SMS_67
为机组转动惯量，
Figure SMS_71
为机组状态相关常数，
Figure SMS_74
为全场转子动能释放可调裕度。
Figure SMS_77
为机组状态相关常数，其值根据风电机组所处状态的不同而不同，分为调节备用状态、自由发电状态、调节启动状态。
Figure SMS_69
的值根据具体实施例中所需要的FFR持续时间进行设定，一般不超过5秒。具体地，根据各台机组的转动惯量、工作状态和转子转速，计算出每台风机的转子动能释放可调裕度。进而，可以实用地计算得到当前运行状态下，每台风机的转子动能释放可调裕度。在不影响风机正常发电运行前提下，支撑风机在满发状态（已经捕获到所有可捕获的风能并全部用于发电）下进一步暂态地提高输出功率，以响应一次调频向上调节（升功率调节）。
在另一个实施例中，初始化步骤还包括：全场风机转子动能可调裕度包括全场转子动能释放可调裕度；调频功率分配权值包括升功率分配权值和降功率分配权值，升功率分配权值利用公式二和公式三得到，降功率分配权值利用公式四得到；
公式二：
Figure SMS_79
；
公式三：
Figure SMS_80
；
公式四：
Figure SMS_81
；
公式中，
Figure SMS_83
为第
Figure SMS_87
台风机的单机可调升功率裕度，
Figure SMS_88
为全场转子动能释放可调裕度，
Figure SMS_84
为第
Figure SMS_86
台风机的升功率分配权值，
Figure SMS_89
为第
Figure SMS_90
台风机的实时输出功率，
Figure SMS_82
为第
Figure SMS_85
台风机的降功率分配权值。具体地，根据计算得到的全场转子动能释放可调裕度，动态地调整升功率调节的全场输出功率上限值。进而，避免触发由于风机转子转速下降过多、过快导致的频率二次跌落问题，同时确保风电场在一次调频过程中保持安全稳定运行。
在又一个实施例中，全场限幅步骤为：利用公式五对总调频功率进行饱和限幅并输出限幅后的风电场总调频功率指令；
公式五：
Figure SMS_91
；
公式中，
Figure SMS_93
为风电场的总调频功率，
Figure SMS_96
为限幅后的风电场总调频功率指令，
Figure SMS_99
为全场转子动能释放可调裕度，
Figure SMS_94
为全场升功率限幅值，
Figure SMS_95
为全场降功率限幅值，
Figure SMS_98
为
Figure SMS_101
和
Figure SMS_92
二者的较小值。如图3所示，
Figure SMS_97
经过公式五进行饱和限幅后输出
Figure SMS_100
。进而，确保风电场保持安全稳定运行。
在再一个实施例中，功率分配步骤还包括：调频功率分配值包括上调功率分配值和下调功率分配值；若总调频功率小于零，利用公式二、公式三和公式六得到上调功率分配值；若总调频功率大于零，利用公式四和公式七得到下调功率分配值；
公式二：
Figure SMS_102
；
公式三：
Figure SMS_103
；
公式四：
Figure SMS_104
；
公式六：
Figure SMS_105
；
公式七：
Figure SMS_106
；
公式中，
Figure SMS_108
为第
Figure SMS_112
台风机的单机可调升功率裕度，
Figure SMS_116
为全场转子动能释放可调裕度，
Figure SMS_110
为第
Figure SMS_114
台风机的升功率分配权值，
Figure SMS_119
为第
Figure SMS_120
台风机的实时输出功率，
Figure SMS_107
为第
Figure SMS_111
台风机的降功率分配权值，
Figure SMS_115
为限幅后的风电场总调频功率指令，
Figure SMS_118
为第
Figure SMS_109
台风机的上调功率分配值，
Figure SMS_113
为第
Figure SMS_117
台风机的下调功率分配值。具体地，根据各台风机的转子动能释放可调裕度及其实时输出功率，确定各台风机的功率分配系数，将全场调频功率指令，动态地、优化地分配给每一台风机执行。进而，能够最大化利用风电场中每台风机的转子动能释放潜力，在执行给定的全场调频功率时，能够降低整个风电场由于各台风机偏离最优发电转速（MPPT工作点）带来的负面影响。
在另一实施例中，向上调频步骤还包括：若总调频功率不大于零，风机转子释放动能以转化成与该风机的上调功率分配值相匹配的调频功率；
向下调频步骤还包括：若总调频功率大于零，根据单个风机的下调频功率分配值，对应调节该风机桨距以降低风机转子转速，直至所述偏差值回到死区范围。
在另一实施例中，调频判断步骤之前一步骤或初始化步骤之前还包括：
频率计算步骤：通过系统额定功率和监测到的系统实时频率之间作差得到频率偏差值，基于频率偏差值得到风电场的总调频功率。进而，如图2所示，
Figure SMS_121
为设定的额定频率，
Figure SMS_122
为测量得到的系统频率，二者作差得到频率偏差值；频率偏差值经过死区环节后，分为两路增益通道，一路为比例增益，另一路为微分增益，每一路增益通道都需要经过各自的信号滤波器和增益系数；然后，将两路增益得到的结果相加，即得到风电场的总调频功率
Figure SMS_123
。
在另一实施例中，调频判断步骤为：判断检测到的风电场并网点实时频率与额定频率之间的偏差值是否偏移出死区范围，若是，执行调频计算步骤，并判断该总调频功率大于零或小于零。
另一种实施例，一种风电场调频系统，包括：初始化模块、调频判断模块、全场限幅模块、功率分配模块、向上调频模块以及向下调频模块。其中：
初始化模块，用于利用公式一得到单机可调升功率裕度，利用公式二得到全场风机转子动能可调裕度，
公式一：
Figure SMS_124
；
公式二：
Figure SMS_125
；
公式中，
Figure SMS_127
为第
Figure SMS_132
台风机的单机可调升功率裕度，
Figure SMS_135
为第
Figure SMS_126
台风机的测量转速，
Figure SMS_129
为第
Figure SMS_130
台风机的最小转速，
Figure SMS_133
为惯量响应及延时时间，
Figure SMS_128
为机组转动惯量，
Figure SMS_131
为机组状态相关常数，
Figure SMS_134
为全场转子动能释放可调裕度；
调频判断模块，用于判断检测到的风电场并网点实时频率与额定频率之间的偏差值是否偏移出死区范围，若是，计算出风电场的总调频功率；
全场限幅模块，用于将总调频功率与全场风机转子动能可调裕度进行比较，根据比较结果对全场风机转子动能可调裕度进行饱和限幅并输出限幅后的风电场总调频功率指令；
功率分配模块，用于根据限幅后的风电场总调频功率指令和调频功率分配权值得到单个风机的调频功率分配值；
向上调频模块：用于判断总调频功率是否小于零，若是，单个风机转子释放动能以转化成与该风机的调频功率分配值相匹配的调频功率；
以及
向下调频模块：用于判断总调频功率是否大于零，若是，根据单个风机的调频功率分配值，对应调节该风机桨距以降低风机转子转速，直至所述偏差值回到死区范围。
在另一实施例中，该风电场调频系统还包括：
主变模块，用于风电场中的风机组群与电网之间交换有功与无功功率，输出三相CT、PT信号；
执行模块，内置有用于执行前述中任意一项所述的风电场调频方法的算法，执行模块用于接入主变模块的三相CT、PT信号，经该算法计算后，向风电场中的每台风机下发相匹配的调频功率分配值。
另一种实施例，一种电子设备，包括：
一个或多个处理器；
用于存储可执行指令的存储器；
其中，所述一个或多个处理器被配置为调用所述存储器存储的可执行指令，以执行前述中任意一项所述的风电场调频方法。
另一种实施例，一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现前述中任意一项所述的风电场调频方法。
本案中，针对高比例新能源电力系统缺乏一次调频及快速频率响应（FFR）资源、风力发电一次调频及FFR的弃风备用或配置储能方案成本较高、利用风机转子动能进行FFR缺乏可实际落地的工程技术方法等问题，提出一种风电场调频方法及调频系统。其目的是，通过合理利用风机转子动能的释放与吸收，在无需增加硬件设备投资的情况下，实现低成本的风力发电FFR能力，同时使得风电场具备有条件的一次调频能力，使得风电场满足最新国标GB/T 19963.1-2021的要求，具备可靠的电网频率稳定支撑能力，促进高比例新能源渗透下的电力系统建设。
本发明提出的风电场调频系统，客观上包含一次调频与FFR功能。其基本原理是，利用风机变流器的毫秒级响应时间实现风电场有功出力对并网点频率变化的快速响应。其中，FFR的功率来源为风机自身转子动能的控制；一次调频分为向上与向下调节两种情况。向下调节时，一次调频通过变桨弃风降低出力实现。向上调节时，仅当风机原本处于出力限制状态时具备一次调频能力。当风机原本处于满发状态时，系统仅能提供短时间FFR，而不具备向上一次调频能力。如下表1所示：
表1 风电调频能量来源
Figure SMS_136
本发明提出的风电场调频方法及调频系统，是在原有的风电场二次控制保护系统（包括AGC、AVC、EMS、SCADA、风电功率预测等）的基础上附加的一套独立的控制系统。采用变流器电磁功率控制和变桨距控制配合的方案。FFR和一次调频所需要的调节功率首先由变流器电磁功率控制实现快速动作，变桨距控制环节收到风机的一次调频功率控制目标，根据整机控制要求自行跟踪控制。
风电场调频系统工作流程如下：系统实时检测并网点的频率值，当检测到并网点频率偏移出死区后，快速调频模块将根据系统中设定好的参数及并网点频率偏移量对新能源电场有功出力变化的需求量进行计算，并计算出场内每台风机有功出力变化目标值，实现风电场的有功/频率控制功能。
风电场调频系统结构图如图4所示。风电场中的风机组群经过风电场主变与电网交换有功（P）与无功（Q）功率。风电场快速调频系统的主要硬件设备包括鼠标键盘、并网点测控设备、专用服务器以及交换机。风电场快速调频系统内嵌的软件算法用于执行前述中任意一项所述的风电场调频方法，从风电场主变高压侧读取三相CT、PT信号，从风机组群读取各台风机的实时运行状态信息，经过计算后，向各台风机下发功率变化指令值（即调频设定值或单个风机的调频功率分配值）。
对比现有技术的特点，本发明提出的一种风电场调频方法及调频系统，还有以下优点和积极效果：1.成本低。无需弃风预留功率或额外建设储能等硬件设备。2.考虑到在风电场满发下具备向上一次调频的需要，也可以仅用较小容量的储能（减少投资成本），配合风机转子动能释放提供的能量，进行向上一次调频协同控制。3.响应速度快，风机有功出力以毫秒级响应并网点频率测量值的变化。4.有效满足风电场站降低电网一次调频考核费用的需求。5.无需改造原有的风电场二次控保系统，可实现低成本改造、快速部署。
为更清晰表述本发明提出的风电场调频方法，将结合上文进行实施例的解释。
实施案例一。
以下为某具备33台1.5MW风力发电机组，共49.5MW的风电场，进行快速调频改造的实施案例一：
【1】 风电场和风电机组基本信息.
额定容量：49.5MW；海拔高度：1380m~1440m；风电机组类型：双馈；额定风速：10.8m/s；轮毂高度：80m；风轮直径：82.6m。
【2】 频率阶跃扰动.
分别在20%-30%限功率、20%-30%不限功率、50%-90%限功率、50%-90%不限功率工况下阶跃扰动，场站在阶跃扰动情况下的响应特性如表1-1 所示：
表1- 1参数指标
Figure SMS_137
具体地，如图5所示，为频率阶跃至50.20Hz，应用本发明技术产品有功功率响应波形。如图6所示，为频率阶跃至49.80Hz，应用本发明技术产品有功功率响应波形。
【3】 实际频率扰动.
实际网频扰动分别在20%-30%负荷、50%-90%负荷限功率工况下的电网频率扰动信号，场站在模拟电网实际频率扰动情况下的特性如表1-2 所示：
表1- 2
Figure SMS_138
实施案例二。
以下为某具备93台1.5MW风力发电机组，共139.5MW的风电场，进行快速调频改造的实施案例二：
【1】风电场和风电机组基本信息.
额定容量：139.5MW；风电机组类型：双馈；额定风速：10.8m/s；轮毂高度：80m；风轮直径：82.6m。
【2】风电场调频系统定值.
风电场调频系统定值.
根据当地电网状况，在该风电场设置调频系统的定值如下表2-1所示：
表2-1风电场调频系统定值
Figure SMS_139
【3】电网实测频率扰动波形.
低负荷预留容量.
调频过程中，在210s 附近进入调频动作死区后继续振荡至超出频率死区；
下文同理，不再累述。
具体地，如图7所示，为应用本发明专利的产品实际录波结果—频率采样测量结果。如图8所示，为应用本发明专利的产品实际录波结果—一次调频启动信号。如图9所示，为应用本发明专利的产品实际录波结果—风机实际有功功率。
结论。
根据上述两个实施案例的内容，可以得到低负荷和高负荷下电网实测频率扰动波形的结论如下：
第一，从连续变化量调频的功率调节量分析，风电场站级一次调频程序能够根据自身所采集的频率信息进行调频，功率调节方向与频率变化方向符合预期，满足一次调频要求。
第二，当系统频率超出死区时，调频程序能够正确发出全场功率调节指令，且实际发出的功率调节量与理论计算值相符，调频持续时间取决于高频超出死区持续时间。
第三，全场实际的调频容量与调频系统限幅值相关；全场各台机组的实际调频容量在不考虑机组出力不到20%而不参与调频的情况时，实际调频容量能够最大限度地程度地接近理论计算容量。
第四，风电场通过全站调频协调控制，对出力较大的机组充分利用其调频能力，以弥补不具备调频能力机组的调频功率“差额”，该情况充分显示站级调频系统协调功能的重要性；与此同时，单机对调频系统调频指令的响应存在时间滞后现象，导致机组的实际功率响应与并网频率之间存在“时间差”，该现象导致全站的总有功功率响应与并网点频率之间也存在一定的“时间差”。
第五，从实测电网频率扰动变化量调频的调节量过程分析，频率变化量越大，导致的功率调节量也越大。
综上所述可知本发明乃具有以上所述的优良特性，得以令其在使用上，增进以往技术中所未有的效能而具有实用性，成为一极具实用价值的产品。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种风电场调频方法，其特征在于，包括：
初始化步骤：获取单个风机转子的调频功率分配权值，根据机组转动惯量获取单个风机转子的可调裕度，根据单个风机转子的可调裕度得到全场风机转子动能可调裕度；
调频判断步骤：判断检测到的风电场并网点实时频率与额定频率之间的偏差值是否偏移出死区范围，若是，计算出风电场的总调频功率；
全场限幅步骤：将总调频功率与全场风机转子动能可调裕度进行比较，根据比较结果对全场风机转子动能可调裕度进行饱和限幅并输出限幅后的风电场总调频功率指令；
功率分配步骤：根据限幅后的风电场总调频功率指令和单个风机转子的调频功率分配权值得到单个风机的调频功率分配值；
向上调频步骤：判断总调频功率是否小于零，若是，单个风机转子释放动能以转化成与该风机的调频功率分配值相匹配的调频功率；
向下调频步骤：判断总调频功率是否大于零，若是，根据单个风机的调频功率分配值，对应调节该风机桨距以降低风机转子转速，直至所述偏差值回到死区范围。
2.根据权利要求1所述的风电场调频方法，其特征在于，初始化步骤还包括：单个风机转子的可调裕度包括单机可调升功率裕度，单机可调升功率裕度利用公式一得到，全场风机转子动能可调裕度利用公式二得到；
公式一：
Figure QLYQS_1
；
公式二：
Figure QLYQS_2
；
公式中，
Figure QLYQS_5
为第
Figure QLYQS_8
台风机的单机可调升功率裕度，
Figure QLYQS_9
为第
Figure QLYQS_4
台风机的测量转速，
Figure QLYQS_7
为第
Figure QLYQS_11
台风机的最小转速，
Figure QLYQS_12
为惯量响应及延时时间，
Figure QLYQS_3
为机组转动惯量，
Figure QLYQS_6
为机组状态相关常数，
Figure QLYQS_10
为全场转子动能释放可调裕度。
3.根据权利要求2所述的风电场调频方法，其特征在于，初始化步骤还包括：全场风机转子动能可调裕度包括全场转子动能释放可调裕度；调频功率分配权值包括升功率分配权值和降功率分配权值，升功率分配权值利用公式二和公式三得到，降功率分配权值利用公式四得到；
公式二：
Figure QLYQS_13
；
公式三：
Figure QLYQS_14
；
公式四：
Figure QLYQS_15
；
公式中，
Figure QLYQS_17
为第
Figure QLYQS_21
台风机的单机可调升功率裕度，
Figure QLYQS_23
为全场转子动能释放可调裕度，
Figure QLYQS_16
为第
Figure QLYQS_19
台风机的升功率分配权值，
Figure QLYQS_22
为第
Figure QLYQS_24
台风机的实时输出功率，
Figure QLYQS_18
为第
Figure QLYQS_20
台风机的降功率分配权值。
4.根据权利要求2所述的风电场调频方法，其特征在于，全场限幅步骤为：利用公式五对总调频功率进行饱和限幅并输出限幅后的风电场总调频功率指令；
公式五：
Figure QLYQS_25
；
公式中，
Figure QLYQS_27
为风电场的总调频功率，
Figure QLYQS_29
为限幅后的风电场总调频功率指令，
Figure QLYQS_31
为全场转子动能释放可调裕度，
Figure QLYQS_28
为全场升功率限幅值，
Figure QLYQS_30
为全场降功率限幅值，
Figure QLYQS_32
为
Figure QLYQS_33
和
Figure QLYQS_26
二者的较小值。
5.根据权利要求4所述的风电场调频方法，其特征在于，功率分配步骤还包括：调频功率分配值包括上调功率分配值和下调功率分配值；若总调频功率小于零，利用公式二、公式三和公式六得到上调功率分配值；若总调频功率大于零，利用公式四和公式七得到下调功率分配值；
公式二：
Figure QLYQS_34
；
公式三：
Figure QLYQS_35
；
公式四：
Figure QLYQS_36
；
公式六：
Figure QLYQS_37
；
公式七：
Figure QLYQS_38
；
公式中，
Figure QLYQS_40
为第
Figure QLYQS_43
台风机的单机可调升功率裕度，
Figure QLYQS_47
为全场转子动能释放可调裕度，
Figure QLYQS_42
为第
Figure QLYQS_44
台风机的升功率分配权值，
Figure QLYQS_48
为第
Figure QLYQS_51
台风机的实时输出功率，
Figure QLYQS_39
为第
Figure QLYQS_46
台风机的降功率分配权值，
Figure QLYQS_50
为限幅后的风电场总调频功率指令，
Figure QLYQS_52
为第
Figure QLYQS_41
台风机的上调功率分配值，
Figure QLYQS_45
为第
Figure QLYQS_49
台风机的下调功率分配值。
6.根据权利要求5所述的风电场调频方法，其特征在于，向上调频步骤还包括：若总调频功率不大于零，风机转子释放动能以转化成与该风机的上调功率分配值相匹配的调频功率；
向下调频步骤还包括：若总调频功率大于零，根据单个风机的下调频功率分配值，对应调节该风机桨距以降低风机转子转速，直至所述偏差值回到死区范围。
7.根据权利要求1所述的风电场调频方法，其特征在于，调频判断步骤之前一步骤或初始化步骤之前还包括：
频率计算步骤：通过系统额定功率和监测到的系统实时频率之间作差得到频率偏差值，基于频率偏差值得到风电场的总调频功率。
8.根据权利要求7所述的风电场调频方法，其特征在于，调频判断步骤为：判断检测到的风电场并网点实时频率与额定频率之间的偏差值是否偏移出死区范围，若是，执行调频计算步骤，并判断该总调频功率大于零或小于零。
9.一种风电场调频系统，其特征在于，包括：
初始化模块，用于利用公式一得到单机可调升功率裕度，利用公式二得到全场风机转子动能可调裕度，
公式一：
Figure QLYQS_53
，
公式二：
Figure QLYQS_54
，
公式中，
Figure QLYQS_56
为第
Figure QLYQS_59
台风机的单机可调升功率裕度，
Figure QLYQS_62
为第
Figure QLYQS_57
台风机的测量转速，
Figure QLYQS_58
为第
Figure QLYQS_61
台风机的最小转速，
Figure QLYQS_64
为惯量响应及延时时间，
Figure QLYQS_55
为机组转动惯量，
Figure QLYQS_60
为机组状态相关常数，
Figure QLYQS_63
为全场转子动能释放可调裕度；
调频判断模块，用于判断检测到的风电场并网点实时频率与额定频率之间的偏差值是否偏移出死区范围，若是，计算出风电场的总调频功率；
全场限幅模块，用于将总调频功率与全场风机转子动能可调裕度进行比较，根据比较结果对全场风机转子动能可调裕度进行饱和限幅并输出限幅后的风电场总调频功率指令；
功率分配模块，用于根据限幅后的风电场总调频功率指令和调频功率分配权值得到单个风机的调频功率分配值；
向上调频模块：用于判断总调频功率是否小于零，若是，单个风机转子释放动能以转化成与该风机的调频功率分配值相匹配的调频功率；
以及
向下调频模块：用于判断总调频功率是否大于零，若是，根据单个风机的调频功率分配值，对应调节该风机桨距以降低风机转子转速，直至所述偏差值回到死区范围。
10.根据权利要求9所述的风电场调频系统，其特征在于，该风电场调频系统还包括：
主变模块，用于风电场中的风机组群与电网之间交换有功与无功功率，输出三相CT、PT信号；
执行模块，内置有用于执行权利要求1至8中任意一项所述的风电场调频方法的算法，执行模块用于接入主变模块的三相CT、PT信号，经该算法计算后，向风电场中的每台风机下发相匹配的调频功率分配值。
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