CN116260161B - 一种考虑风速时空差异的风电场一次调频及惯性控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种考虑风速时空差异的风电场一次调频及惯性控制方法,首先,考虑风资源随时间的波动性和不确定性,在风电场功率高精度预测的基础上,对风电场机组运行的平均转子转速进行预测;然后,基于预测功率和发电因子,根据模糊控制规则动态调整风电场一次调频参数,同时根据平均转速得到未来时刻的惯性控制参数;最后,考虑尾流效应导致的风资源在风电场内部空间分布的差异性,对风电机组参与一次调频及惯性控制附加的调频功率进行计算。本发明克服风资源在时间上的不确定性和空间分布上的差异性,在充分发挥风电场调频能力的同时,使风电场能够更精准和更有效的参与一次调频和惯性控制。
Description
技术领域
本发明属于新能源发电技术领域,具体涉及一种考虑风速时空差异的风电场一次调频及惯性控制方法。
背景技术
传统电力系统以同步机提供系统阻尼和暂态支撑,新能源厂站以自保为主,但当新能源大量接入成为主力电源后,新能源必须提供系统主动支撑能力。风电机组目前可用的频率主动支撑途径有一次调频和惯性控制,但风力资源在时间上具有较大的波动和不确定性,造成风电场的一次调频和惯性控制效果不理想,同时由于风电场内部尾流效应的存在,上游风电机组会影响下游机组的风速,造成风电场内各风电机组的运行状态不同,转子转速和调频能力存在明显差异。
在考虑风速时空特性的情况下,实现风电场调频控制是构建以新能源为主体新型电力系统面临的迫切问题,现有研究中,主要采用减载备用和安装储能来解决此类问题,但是减载备用由于风速的波动性,风速波动影响备用容量的可信度,并且会损失相当一部分的风能,经济性差,而安装储能则需要较大的投资成本,公布号为CN112636374A的中国专利涉及一种用于风电场站的一次调频和虚拟惯量响应控制策略及装置,其通过控制风电场站中配置了集中式风轮储能阵列系统的充放电来参与电网一次调频和虚拟惯量响应,对风电机组进行改造并安装储能系统投资较大,并且没有考虑风速的时空分布差异问题;公布号为CN114566981A的中国专利则涉及一种基于数据预测的风电场一次调频控制策略,在建立均匀分布的风向监测装置,对风速和风电机组功率进行预测的基础上,结合改进的DEH和CSS对风电场进行一次调频控制,重心落在风电功率的预测上;专利号CN108361590A出了一种基于时空尺度的风电场调度控制策略,将风电场划分为多个区域,对每个区域的风速、风向等参数进行实时监测和预测,根据风电场内不同位置的风速特性和机组响应特点,进行多尺度的调度控制,该方案主要依赖对风电分区域的风速、风向监测和预测。
发明内容
本发明的目的是为了解决风资源在时间上的不确定性以及空间分布上的差异性导致风电场的调频能力与实际调频不匹配,并进一步导致其调频能力无法得到有效发挥的问题,提出一种考虑风速时空差异的风电场一次调频及惯性控制方法。
一种考虑风速时空差异的风电场一次调频及惯性控制方法,该方法主要包括以下步骤:
步骤1:考虑风速随时间的波动性和不确定性,在风电场功率高精度预测的基础上,对风电场各个时段的平均转子转速进行预测,并不断更新,结合风电场发电计划,得到风电场的发电因子;
步骤2:根据功率预测数据和发电因子,采用模糊控制器滚动调整预测时段风电场的一次调频参数,再根据相邻时段的一次调频参数大小,计算两个时段内每个时刻的一次调频参数;
步骤3:基于预测的风电场平均转子转速和风电场的等效惯性时间常数,计算预测时段的惯性控制参数,再根据相邻时段的惯性控制参数大小,计算两个时段内每个时刻的惯性控制参数;
步骤4:根据电力系统频率变化,决定风电场站是否参与调频,并根据得到一次调频参数、惯性控制参数、机组运行转子转速以及频率变化情况计算场站内机组附加的调频功率。
具体的,风电场的功率预测可以基于现有功率预测技术能力,通过现场实测数据、数字天气预报数据激光测风雷达等对风电场的功率进行高精度预测,并在一定预测时域内对未来时段的预测功率进行不断更新。
进一步的,基于预测的功率对风电场各个时段的平均转子转速进行预测,其由风电场的预测功率和场站内风电机组的最大功率跟踪曲线模型得到,即在特定功率下,风电机组存在一个最优运行转速,而在转速恒定区和功率恒定区运行的机组的转子转速为额定转速。
未来时段风电场的一次调频及惯性控制参数的大小,一次调频及惯性控制参数主要有预测功率和平均转子转速得到,其分辨率和滚动更新的时间尺度与功率预测一致。
所述步骤1中的发电因子由预测功率和风电场的发电计划数据得到,发电计划一般由调度机构下发,当发电计划大于或等于预测功率时,也就是说需要风电场运行在最大功率跟踪状态时,取,当发电计划小于预测功率时,发电因子由两者差值得到,可表示为:
,
式中,为发电因子,/>为时段/>的预测功率、/>为时段/>的计划发电功率,为额定功率。
进一步的,由预测功率和发电因子经模糊控制器得到一次调频参数得到,模糊控制器的输入量为预测功率和发电因子/>,其中输入量/>要根据其额定容量进行归一化处理,模糊论域范围为[0-1]。
输出量为一次调频参数,其调整的主要原则为:/>随/>的增大先增大后减小,随/>的增大而增大。
同时,惯性控制参数有预测的平均转子转速和风电场惯性时间常数得到,其与平均转子转速以及风电场惯性时间常数成正比,可以表示为;,式中,/>为时段/>预测的风电场平均转子转速,/>为时段/>的惯性控制参数,/>为风电场的等效惯性时间常数,/>为额定转速,/>为惯性控制的换算系数,可根据并网和风电场运行实际要求进行调整。
进一步的,根据相邻时段参数的大小,计算每个时刻的参数。
具体的,根据相邻时段的一次调频参数大小,计算每个时刻的一次调频参数,假设两个相邻时段为和/>,那么/>和/>之间的一次调频参数的计算公式为:
,
式中,为时刻/>一次调频参数,/>表示时段/>的中点时刻,/>表示时段/>的中点时刻,/>、/>分别表示/>和/>时段的一次调频参数,/>每个时段的时间间隔。
根据相邻时段惯性控制参数大小,计算每个时刻的惯性控制参数,其计算公式为:,式中,/>为时刻/>惯性控制参数,/>、分别表示/>和/>时段的惯性控制参数。
进一步的,当频率偏差超过一定范围时,风电场参与一次调频和惯性控制,根据当前时刻的参数大小计算风电机组附加的调频功率,场站内风电机组参与调频的附加功率可以表示为:,
式中,机组/>参与一次调频和惯性控制的附加功率,/>为时刻/>机组/>的转子转速,/>、/>分别为最大和最小转速,最大转速一般为机组的额定转速,最小转速则选择避免机组失速停机而设置最小运行转速,/>为电力系统频率,/>则为电力系统频率偏差。
有益效果:该方法考虑风力发电在时间上的不确定性和波动性,基于高精度的功率预测,利用模糊控制规则和转子转速预测来动态更新未来时刻的一次调频参数和惯性控制参数,可以使风电场可以根据其调频能力参与一次调频和惯性控制,在充分发挥风电场调频能力、支撑电力系统频率恢复的同时,避免场站过度参与调频,并进一步考虑风电场的尾流效应造成的机组运行状态差异,而引入实时转速这一变量得到机组的调频附加功率,使调频能力大的机组出力更多,并避免机组过度释放能量造成失速停机。
附图说明
图1为本发明步骤图。
图2为本发明方法控制框图。
图3为本发明实施例时间尺度示意图。
图4为本发明实施例一次调频参数及惯性控制参数变化示意图。
具体实施方式
以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述,实施例仅用于说明本发明。
如图1所示,本发明公开了一种考虑风力时空差异的风电场一次调频及惯性控制方法,包括以下步骤:
步骤1:考虑风速随时间的波动性和不确定性,在风电场功率高精度预测的基础上,对风电场各个时段的平均转子转速进行预测,并不断更新,结合风电场发电计划,得到风电场的发电因子。该步骤考虑风力发电在时间上的不确定性,基于高精度的功率预测技术得到风电场的平均转子转速以及发电因子,对风电场调频能力进行评估的同时,为以下步骤中一次调频参数和惯性控制参数的确定提供参考。
步骤2:根据功率预测数据和发电因子,采用模糊控制器滚动调整预测时段风电场的一次调频参数,再根据相邻时段的一次调频参数大小,计算两个时段内每个时刻的一次调频参数。该步骤基于模糊控制规则可以得到未来预测时段中每个时刻的一次调频参数,可以使调频能力大的风电场发挥更大的调频作用,并避免在调频能力低的风电场中,风电机组在调频过程中出现失速停机的情况,根据相邻时段的参数大小,计算每个时刻的一次调频参数的方式可以避免调频功率的大幅波动,以免对机组造成损伤。
步骤3:基于预测的风电场平均转子转速和风电场的等效惯性时间常数,计算预测时段的惯性控制参数,再根据相邻时段的惯性控制参数大小,计算两个时段内每个时刻的惯性控制参数。该步骤根据预测的平均转速得到惯量控制参数,使得转速大得风电场站承担更多的惯性作用。
步骤4:根据电力系统频率变化情况,决定风电场场站是否参与一次调频和惯性控制,并根据得到一次调频参数、惯性控制参数、机组运行转子转速以及频率变化情况计算场站内机组附加的调频功率。该步骤考虑风电场的尾流效应造成的机组运行状态差异,计算得到各风电机组的调频附加功率,而引入实时转速这一变量得到,可以使调频能力大的机组的附加功率更大,并可以避免机组过度释放能量造成失速停机。
图2表示本发明方法控制框图,风电场高精度功率预测基于现有功率预测的技术能力,通过现场实测数据、激光风速测量雷达和数字天气预报数据等结合功率预测模型得到,发电计划则由电网调度机构下达,平均转子转速由风电场的预测功率和风力机的数学模型得到。
首先,对风电场预测时域内的平均转子转速进行预测,其由风电场的预测功率和场站内风电机组的最大功率跟踪曲线数学模型得到,即在特定功率下,风电机组存在一个最优运行转速,而在转速恒定区和功率恒定区运行的机组的转子转速为额定转速。
进一步的,由预测功率和风电场的发电计划数据得到发电因子,当发电计划大于预测功率,也就是说需要风电场运行在最大功率跟踪状态时,取/>,当发电计划小于预测功率时,发电因子由两者差值得到,可表示为:
其中,、/>分别为时段/>预测功率和计划发电功率,/>为额定功率。
预测功率和发电因子经模糊控制器可以得到时段的一次调频参数/>,也就是说模糊控制器的输入量为预测功率/>和发电因子/>,输出量为/>,调整的主要原则为:/>随/>的增大先增大后减小,随/>的增大而增大。
其中输入量要根据其额定容量进行归一化处理,模糊论域范围为[0-1]。
进一步的,本实施例设置的模糊控制器中,包含7个模糊子集,即VS(非常小)、MS(中小)、S(小)、M(中)、L(大)、ML(中大)、VL(非常大),/>同样包含Z(零)、VS(非常小)、S(小)、M(中)、L(大)、VL(非常大)6个模糊子集,输出量同样包括7个模糊集即VS(非常小)、MS(中小)、S(小)、M(中)、L(大)、ML(中大)、VL(非常大)。
优选的,输出量的隶属度函数如下表所示:
上表中,/表示相关情况不存在。
所述步骤3中惯性控制参数与预测的平均转子转速以及风电场惯性时间常数成正比,可以表示为;,式中,/>为时段/>惯性控制参数,/>为时段/>预测的风电场平均转子转速,/>为风电场的等效惯性时间常数,/>为额定转速,/>为换算系数,可根据并网和风电场运行实际要求进行调整。
如图3所示,假设风电场功率预测的分辨率为1min级,基于现有功率预测能力对未来时段的预测功率进行不断更新,预测时域为15min,每5min滚动修正未来15min内风电场的预测功率,并同时预测风电场的平均转子转速。
进一步的,一次调频及惯性控制参数的分辨率和滚动滚更新的时间尺度与功率预测的分辨率一致。
图4表示本发明实施例一次调频参数及惯性控制参数变化示意图,每个时刻的一次调频参数根据相邻时段的参数大小计算的得到,如在时段和/>之间的一次调频参数的计算公式为:/>
式中,为时刻/>一次调频参数,/>,/>分别表示时段/>、/>中点时刻,/>、分别表示/>和/>时段的一次调频参数,/>每个时段的时间间隔,其与一次调频参数的分辨率一致,本实施例为1min。
同样,根据相邻时段和/>的惯性控制参数的大小,计算每个时刻的惯性控制参数,其计算公式为:/>,式中,/>为时刻/>惯性控制参数,/>、/>分别表示/>和/>时段的惯性控制参数。
进一步的,当频率偏差超过一定范围时,如±0.033Hz时,风电场参与一次调频和惯性控制,根据得到的和/>参数大小,计算风电机组附加的调频功率,场站内风电机组参与调频的附加功率可以表示为:/>
式中,机组/>参与一次调频和惯性控制的附加功率,/>为时刻/>机组/>的转子转速,/>、/>分别为最大和最小转速,最大转速一般为机组的额定转速,最小转速则选择避免机组失速停机而设置最小运行转速,/>为电力系统频率,/>则为电力系统频率偏差。
上述附加的调频功率与当前机组的发电功率指令叠加作为总的功率参考值,风电机组则跟踪这一参考值输出有功功率。
以上是本发明的优选实施方式而已,当然不能以此来限定本发明之权利范围,应当指出,对于本技术领域的技术人员来说,不付出创造性劳动对本发明技术方案的修改或者等同替换,都不脱离本发明技术方案的保护范围。
Claims (8)
1.一种考虑风速时空差异的风电场一次调频及惯性控制方法,其特征在于,该方法包括:
步骤1:考虑风速随时间的波动性和不确定性,在风电场功率高精度预测的基础上,对风电场各个时段的平均转子转速进行预测,并不断更新,结合风电场发电计划,得到风电场的发电因子;
步骤2:根据功率预测数据和发电因子,采用模糊控制器滚动调整预测时段风电场的一次调频参数,再根据相邻时段的一次调频参数大小,计算两个时段内每个时刻的一次调频参数;
步骤3:基于预测的风电场平均转子转速和风电场的等效惯性时间常数,计算预测时段的惯性控制参数,再根据相邻时段的惯性控制参数大小,计算两个时段内每个时刻的惯性控制参数;
步骤4:根据电力系统频率变化,决定风电场站是否参与调频,并根据得到一次调频参数、惯性控制参数、机组运行转子转速以及频率变化情况计算场站内机组附加的调频功率;
其中,发电因子由预测功率和风电场的发电计划数据得到,当发电计划大于或等于预测功率时,风电场需要运行在最大功率跟踪状态,取 ,而当发电计划小于预测功率时,发电因子由两者差值得到,可表示为:
,
式中,为发电因子,/>、/>分别为时段/>的预测功率和计划发电功率,/>为额定功率。
2.根据权利要求1所述一种考虑风速时空差异的风电场一次调频及惯性控制方法,其特征在于,风电场功率预测的分辨率最小为分钟级,其通过现场实测、激光雷达测风以及数字天气预报,基于现有功率预测技术能力对未来时段的预测功率进行预测和滚动更新,在此基础上,滚动修正预测时域内风电场的一次调频及惯性控制参数的大小,一次调频及惯性控制参数的分辨率和滚动更新的时间尺度与功率预测一致。
3.根据权利要求1所述一种考虑风速时空差异的风电场一次调频及惯性控制方法,其特征在于,所述步骤2中一次调频参数由预测功率和发电因子经模糊控制器得到,即模糊控制器的输入量为预测功率和发电因子/>,输出量为一次调频参数/>,模糊控制的主要原则为:/>随/>的增大先增大后减小,随/>的增大而增大。
4.根据权利要求1所述一种考虑风速时空差异的风电场一次调频及惯性控制方法,其特征在于,所述步骤1中平均转子转速由风电场的预测功率和场站内风电机组的最大功率跟踪曲线模型得到。
5.根据权利要求1所述一种考虑风速时空差异的风电场一次调频及惯性控制方法,其特征在于,所述步骤3中惯性控制参数与预测的平均转子转速以及风电场等效惯性时间常数成正比,可表示为:,式中,/>为时段/>惯性控制参数,/>为风电场的等效惯性时间常数,/>为额定转速,/>为时段/>预测的风电场平均转子转速,/>为惯性控制的换算系数。
6.根据权利要求5所述一种考虑风速时空差异的风电场一次调频及惯性控制方法,其特征在于,所述步骤2中,根据相邻时段的一次调频参数大小,计算每个时刻的一次调频参数,计算公式为:
,
式中,和/>表示相邻的两个时段,/>为时刻/>的一次调频参数,/>表示时段/>的中点时刻,/>表示时段/>的中点时刻,/>、/>分别表示/>和/>时段的一次调频参数,/>为每个时段的时间间隔。
7.根据权利要求6所述一种考虑风速时空差异的风电场一次调频及惯性控制方法,其特征在于,所述步骤3中,根据相邻时段的惯性控制参数大小,计算每个时刻的惯性控制参数,其计算公式为:,
式中,为时刻/>惯性控制参数,/>、/>分别表示/>和/>时段的惯性控制参数。
8.根据权利要求7所述一种考虑风速时空差异的风电场一次调频及惯性控制方法,其特征在于,所述步骤4中,当频率偏差超过一定范围时,风电场参与一次调频和惯性控制,场站内风电机组参与调频的附加功率可以表示为:
,
式中,为机组/>参与一次调频和惯性控制的附加功率,/>为时刻/>机组/>的转子转速,/>、/>分别为最大和最小转速,/>为电力系统频率,/>则为电力系统频率偏差。
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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