CN116388231B - 一种基于频率与风速的风电集群聚合等值方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于频率与风速的风电集群聚合等值方法，所述方法包括：实时采集风电系统中每个调频单元的调频信息以及风速；基于所采集调频单元的频差对调频单元进行聚类分类，确定分类结果；基于所述分类结果和每类调频单元的实时检测风速对调频单元进行聚类分组，确定分组结果以及每个分组的控制策略；基于每个分组对应的控制策略进行功率等效，确定每个调频单元的实际出率进而聚合整个风电系统的实际出率，以基于所述聚合等效信息建立仿真分析模型。本发明对含多调频单元的调频参数与实时风速进行了更简洁的聚合等值，可实现对含高比例风能的电力系统进行准确的功率稳定分析，简便易行，具有较高的工程适用性。
Description
技术领域
本发明属于电力系统技术领域，涉及一种基于频率与风速的风电集群聚合等值方法。
背景技术
近年来，风电已经成为世界上发展最快的新能源发电方式。一个较大的风力发电厂可能包含数百个兆瓦大小的风力涡轮机，这些涡轮机通过复杂的收集系统相互连接。然而，现阶段研究对象普遍为单台风机，对于整座风电场和电网的相互作用机理仍然缺乏完整严密的数学分析，其原因在于大型风电场建模和仿真分析均面临“维数灾”的问题。由于表示所有单个风力涡轮机以进行仿真是不切实际的，因此需要简化的等效表示。随着风电入网水平的提高，风电集群的聚合等值也变得更加关键。
风电集群等值聚合方法一般分为单机等值和少量几台等值风机的风电集群聚合模型。当前风电集群的聚合等值大致分为如下3种：①建立详细模型，即对每台风机进行单独建模，相关学者在应用阻抗分析法研究直驱式风电场并网次／超同步振荡相互作用机理时，提出了风电场阻抗聚合方法，但是聚合阻抗模型阶数随风机台数成比例增加，甚至超过仿真平台节点数限制；②从风机数学模型出发，获得单机降阶模型，但缺点在于所得降阶数学模型不再具有风机的结构保持特征；③获得风电场的等值模型，即用 1 台或多台等值机来模拟整座风电场，然而现有等值方案仅从保持风电场电磁暂态特征出发，以风速等指标为分群特征，但该方法未拟合风电场调频信息，在对参数差异较小的同步机调频参数聚合时误差较小因而无法适用于频率调整后风电场的仿真分析。因此，多调频单元聚合是学科内的一个研究热点。
当机组间的运行差异不大，整个风电场内的风机可等值为单台机组，等值风机容量等于所有风电机组容量之和。如果不同机组间风速相差较大，等值的精度就会较差。当大型风电场内的风速分布不均匀或者风电机组型号不同时，多机等值模型优于单机 等值模型。风电场不同位置的风机运行于不同风速，由于风机在不同风速区间内控制策略不同，其对外功率特性也不同，即不同的控制区间内的风电机组不能较好地聚合。解决这一问题的方法是在不同的控制范围进行区间内的聚合。
因此，需要一种基于频率与风速的风电集群聚合等值方法，以适应直驱风机以及双馈风机在上述场景下的等值聚合。
发明内容
本发明提出一种基于频率与风速的风电集群聚合等值方法，以解决如何对计及频率与风速的风电集群聚合等值的问题。
本发明的一个方面，提供了一种基于频率与风速的风电集群聚合等值方法，所述方法包括：
实时采集风电系统中每个调频单元的调频信息以及风速；
基于所采集调频单元的频差对调频单元进行聚类分类，确定分类结果；
基于所述分类结果和每类调频单元的实时检测风速对调频单元进行聚类分组，确定分组结果以及每个分组的控制策略；
基于每个分组对应的控制策略进行功率等效，确定每个调频单元的实际出率进而聚合整个风电系统的实际出率，以基于所述聚合等效信息建立仿真分析模型。
优选地，所述调频单元的调频信息和风速包括 ：
风电系统因负荷波动以及尾流效应致使每个调频单元捕获的风能不一致而进行的一次调频频差、一次调频死区频率、每个调频单元的实时检测风速、适用于不同控制方式的风速区间、在不同控制方式下每个调频单元的调频出率与MPPT出率。
优选地，基于所采集调频单元的频差对调频单元进行聚类分类，包括：
对于调频单元i，若该调频单元满足，则因为一次调频范围过小，风机处于一次调频死区，则/>；
若，则将该风电场内的调频单元分类为/>，即：
若，则将该风电场内的调频单元分类为/>，即：
其中，为第i个调频单元的频差，（—fs，+ fs）为一次调频死区，，N为风电系统内调频单元的数量，/>为该风电系统内第i个调频单元的调频出率，/>、/>为对调频单元确定的聚类分类结果。
优选地，基于所确定的分类结果以及每类调频单元的实时检测风速对调频单元进行聚类分组，确定分组结果以及每个分组的控制策略，包括：
在频率上升类别下：
，
，
，
，
；
在频率下降类别下：
，
，
，
，
；
其中，为调频单元的实时检测风速，/>为根据风速-转速曲线确定的风机最小运行风速，/>为根据风速-转速曲线确定的风机第一运行风速，/>为根据风速-转速曲线确定的风机第二运行风速，/>为根据风速-转速曲线确定的风机最大运行风速；
在频率上升类，/>为针对该调频单元在/>范围内所实施的第零控制策略，/>为针对该调频单元在该风速运行范围内所实施控制策略下的/>组风机调频出率；/>为针对该调频单元在/>范围内所实施的第一控制策略，/>为针对该调频单元在该风速运行范围内所实施控制策略下的/>组风机调频出率；/>为针对该调频单元在/>范围内所实施的第二控制策略，/>为针对该调频单元在该风速运行范围内所实施控制策略下的/>组风机调频出率；/>针对该调频单元在/>范围内所实施的第三控制策略，/>为针对该调频单元在该风速运行范围内所实施控制策略下的/>组风机调频出率；/>为针对该调频单元在/>范围内所实施的第四控制策略，/>为针对该调频单元在该风速运行范围内所实施控制策略下的/>组风机调频出率；
在频率下降类，/>为针对该调频单元在/>范围内所实施的第零控制策略，/>为针对该调频单元在该风速运行范围内所实施控制策略下的/>组风机调频出率；/>为针对该调频单元在/>围内所实施的第一控制策略，/>为针对该调频单元在该风速运行范围内所实施控制策略下的/>组风机调频出率；/>为针对该调频单元在/>范围内所实施的第二控制策略，/>为针对该调频单元在该风速运行范围内所实施控制策略下的/>组风机调频出率；/>针对该调频单元在/>范围内所实施的第三控制策略，/>为针对该调频单元在该风速运行范围内所实施控制策略下的/>组风机调频出率；/>为针对该调频单元在/>范围内所实施的第四控制策略，/>为针对该调频单元在该风速运行范围内所实施控制策略下的/>组风机调频出率。
优选地，基于每个分组对应的控制策略进行功率等效，确定每个调频单元的实际出率进而聚合整个风电系统的实际出率，以基于所述聚合等效信息建立仿真分析模型，包括：
其中，为该风电系统给电网输送的有功功率，/>为该风电系统在计及不同调频参数与不同风速下第i台调频单元对外输送的MPPT出率， />为该风电系统计及不同调频参数与不同风速下第i台调频单元的调频出率；
当，分类为/>时，
=/>
其中，为该风电系统中频率上升的调频单元的调频出率，/>为该风电系统频率上升的调频单元中/>组风机的调频出率，/>为该风电系统频率上升的调频单元中组风机的调频出率，/>为该风电系统频率上升的调频单元中/>组风机的调频出率，为该风电系统频率上升的调频单元中/>组风机的调频出率，/>为该风电系统频率上升的调频单元中/>组风机的调频出率；
当，分类/>
=/>；
其中，为该风电系统中频率下降的调频单元的调频出率，/>为该风电系统频率下降的调频单元中/>组风机的调频出率，/>为该风电系统频率下降的调频单元中组风机的调频出率，/>为该风电系统频率下降的调频单元中/>组风机的调频出率，为该风电系统频率下降的调频单元中/>组风机的调频出率，/>为该风电系统频率下降的调频单元中/>组风机的调频出率；
在计及不同调频参数与不同风速下该风电系统所有调频单元的调频出率：
；
。
本发明另一方面提供一种计算机可读存储介质，包括：
存储有计算机指令，该程序被处理器执行时实现说明书中任一项所述方法的步骤。
本发明还提供一种电子设备，包括：存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行说明书中所述的风机控制方法。
有益效果
本发明实时采集风电系统中每个调频单元的调频信息以及风速；基于所采集调频单元的频差对调频单元进行聚类分类，确定分类结果；基于所述分类结果和每类调频单元的实时检测风速对调频单元进行聚类分组，确定分组结果以及每个分组的控制策略；基于每个分组对应的控制策略进行系统功率等效，确定每个调频单元的实际出率进而聚合整个风电系统的实际出率，以基于所述聚合等效信息建立仿真分析模型。本发明对含多调频单元的调频参数与实时风速进行了更简洁的聚合等值，可实现对含高比例风能的电力系统进行准确的功率稳定分析，简便易行，具有较高的工程适用性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在没有实施创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中风电场聚合等值方法的流程图；
图2为本发明实施例中虚拟惯量控制框图；
图3为本发明实施例中一次调频下垂控制框图；
图4为本发明实施例中综合控制框图；
图5为本发明实施例中变桨减载控制框图；
图6为本发明实施例中风电仿真系统。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另有说明，此处使用的术语（包括科技术语）对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
如图1所示，本发明实施方式提供的基于频率与风速的风电集群聚合等值方法，首先实时采集风电场中每个调频单元的调频信息以及风速；其次基于所采集调频单元的频差对调频单元进行聚类分类，确定分类结果；然后基于所述分类结果和每类调频单元的实时检测风速对调频单元进行聚类分组，确定分组结果以及每个分组的控制策略；最后基于每个分组对应的控制策略进行功率等效，确定每个调频单元的实际出率进而聚合整个风电场的实际出率，以基于所述聚合等效信息建立仿真分析模型，对含风能的多调频单元的调频参数与实时风速进行了更简洁的聚合等值，可实现对含高比例风能的电力系统进行准确的功率稳定分析，在多时空尺度下聚合等值风电厂的功率特性，具有较高的工程适用性。
所述调频单元的调频信息和风速，包括 ：
风电系统因负荷波动以及尾流效应致使每个调频单元捕获的风能不一致而进行的一次调频频差、一次调频死区频率、每个调频单元的实时检测风速、适用于不同控制方式的风速区间、在不同控制方式下每个调频单元的调频出率与MPPT出率。
基于所采集调频单元的频差对调频单元进行聚类分类，包括：
对于调频单元i，若该调频单元满足，则因为一次调频范围过小，风机处于一次调频死区，则/>；
其中，为第i个调频单元的频差，（—fs，+ fs）为一次调频死区，在实际工程应用中，常取/>，N为风电系统内调频单元的数量，/>为该风电系统内第i个调频单元的调频出率，/>
若，则将该风电场内的调频单元分类为/>，即：
若，则将该风电场内的调频单元分类为/>，即：
基于所确定的分类结果以及每类调频单元的实时检测风速对调频单元进行聚类分组，确定分组结果以及每个分组的控制策略，包括：
在频率上升类别下：
，
，
，
，
；
其中，为调频单元的实时检测风速，/>=3m/s，为根据风速-转速曲线确定的风机最小运行风速，/>为根据风速-转速曲线确定的风机第一运行风速，/>为根据风速-转速曲线确定的风机第二运行风速，/>=25m/s，为根据风速-转速曲线确定的风机最大运行风速。
在频率上升类，/>为针对该调频单元在/>范围内所实施的第零控制策略，由于风速过小，出于转速保护策略，风机调频不动作，/>=0为针对该调频单元在该风速运行范围内所实施控制策略下的/>组风机调频出率。/>为针对该调频单元在范围内所实施的第一控制策略，由于此时风机转速相对较慢，根据文献指出，正常运行时，风机旋转的转子中有一定的动能，通过控制将其释放出来可以用于频率支撑，则此时/>利用风机储存的转子动能进行短时调频，采用虚拟惯量控制，如图2所示，为针对该调频单元在该风速运行范围内所实施控制策略下的/>组风机调频出率。为针对该调频单元在/>范围内所实施的第二控制策略，在此运行风速下，将频率的偏差值所对应的有功功率变化值，加入到风机最大功率点跟踪控制的有功功率参考值上，从而在转子侧控制形成新的有功功率参考值，这样就能让风机调整自身出力去响应系统的频率变化，即采用发电机组一次调频下垂控制，如图3所示，/>为针对该调频单元在该风速运行范围内所实施控制策略下的/>组风机调频出率。/>针对该调频单元在/>范围内所实施的第三控制策略，此时由于风速过大采取虚拟惯量控制结合一次调频下垂控制的综合控制方式，如图4，/>为针对该调频单元在该风速运行范围内所实施控制策略下的/>组风机调频出率。/>为针对该调频单元在/>范围内所实施的第四控制策略，由于风速过大，出于转速保护策略，风机调频不动作，/>=0为针对该调频单元在该风速运行范围内所实施控制策略下的/>组风机调频出率。
在频率下降类：
，
，
，
，
；
为针对该调频单元在/>范围内所实施的第零控制策略，由于风速过小，出于转速保护策略，风机调频不动作，/>=0为针对该调频单元在该风速运行范围内所实施控制策略下的/>组风机调频出率。/>为针对该调频单元在/>围内所实施的第一控制策略，由于此时风机转速相对较慢，根据文献指出，正常运行时，风机旋转的转子中有一定的动能，通过控制将其释放出来可以用于频率支撑，则此时/>利用风机储存的转子动能进行短时调频，采用虚拟惯量控制，如图2，/>为针对该调频单元在该风速运行范围内所实施控制策略下的/>组风机调频出率。/>为针对该调频单元在范围内所实施的第二控制策略，在此运行风速下，将频率的偏差值所对应的有功功率变化值，加入到风机最大功率点跟踪控制的有功功率参考值上，从而在转子侧控制形成新的有功功率参考值，这样就能让风机调整自身出力去响应系统的频率变化，即采用发电机组一次调频下垂控制，如图3，/>为针对该调频单元在该风速运行范围内所实施控制策略下的/>组风机调频出率。/>针对该调频单元在/>范围内所实施的第三控制策略，有相关文献指出，在风速较大时，仅适用于频率下降时才使用的变桨减载控制方式具有较好控制效果，因此/>采用变桨减载控制方式，如图5， />为针对该调频单元在该风速运行范围内所实施控制策略下的/>组风机调频出率。/>为针对该调频单元在/>范围内所实施的第四控制策略，由于风速过大，出于转速保护策略，风机调频不动作，/>=0为针对该调频单元在该风速运行范围内所实施控制策略下的/>组风机调频出率。
基于每个分组对应的控制策略进行功率等效，确定每个调频单元的实际出率进而聚合整个风电系统的实际出率，以基于所述聚合等效信息建立仿真分析模型，包括：
其中，为该风电系统给电网输送的有功功率，/>为该风电系统在计及不同调频参数与不同风速下第i台调频单元对外输送的MPPT出率， />为该风电系统计及不同调频参数与不同风速下第i台调频单元的调频出率；
当，分类为/>时，
=/>
其中，为该风电系统中频率上升的调频单元的调频出率，/>为该风电系统频率上升的调频单元中/>组风机的调频出率，/>为该风电系统频率上升的调频单元中组风机的调频出率，/>为该风电系统频率上升的调频单元中/>组风机的调频出率，为该风电系统频率上升的调频单元中/>组风机的调频出率，/>为该风电系统频率上升的调频单元中/>组风机的调频出率；
当，分类/>
=/>；
其中，为该风电系统中频率下降的调频单元的调频出率，/>为该风电系统频率下降的调频单元中/>组风机的调频出率，/>为该风电系统频率下降的调频单元中组风机的调频出率，/>为该风电系统频率下降的调频单元中/>组风机的调频出率，为该风电系统频率下降的调频单元中/>组风机的调频出率，/>为该风电系统频率下降的调频单元中/>组风机的调频出率；
在计及不同调频参数与不同风速下该风电系统所有调频单元的调频出率：
；
。
如图6，本发明实现了对含风能的多调频单元的调频参数与实时风速进行了更简洁的聚合等值，可实现对含高比例风能的电力系统进行准确的功率稳定分析，在多时空尺度下聚合等值风电厂的功率特性，具有较高的工程适用性。
本发明考虑风电系统调频单元在不同风速区间内实施不同的控制策略，分别考虑其输出的功率特性，使直驱风机及双馈风机在不同控制区间内能较好地聚合，在提高了等值精确度的同时简化了计算方法，使风电系统聚合等值方法的计算不再出现维数灾。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (6)
1.一种基于频率与风速的风电集群聚合等值方法，其特征在于，所述方法包括：
实时采集风电系统中每个调频单元的调频信息以及风速；
基于所采集调频单元的频差对调频单元进行聚类分类，确定分类结果；
基于所述分类结果和每类调频单元的实时检测风速对调频单元进行聚类分组，确定分组结果以及每个分组的控制策略；
基于每个分组对应的控制策略进行功率等效，确定每个调频单元的实际出率进而聚合整个风电系统的实际出率，以基于所述聚合等效信息建立仿真分析模型；
所述基于所确定的分类结果以及每类调频单元的实时检测风速对调频单元进行聚类分组，确定分组结果以及每个分组的控制策略，包括：
在频率上升类别下：
，
，
，
，
；
在频率下降类别下：
，
，
，
，
；
其中，为调频单元的实时检测风速，/>为根据风速-转速曲线确定的风机最小运行风速，/>为根据风速-转速曲线确定的风机第一运行风速，/>为根据风速-转速曲线确定的风机第二运行风速，/>为根据风速-转速曲线确定的风机最大运行风速；
在频率上升类，/>为针对该调频单元在/>范围内所实施的第零控制策略，为针对该调频单元在该风速运行范围内所实施控制策略下的/>组风机调频出率；为针对该调频单元在/>范围内所实施的第一控制策略，/>为针对该调频单元在该风速运行范围内所实施控制策略下的/>组风机调频出率；/>为针对该调频单元在/>范围内所实施的第二控制策略，/>为针对该调频单元在该风速运行范围内所实施控制策略下的/>组风机调频出率；/>针对该调频单元在/>范围内所实施的第三控制策略，/>为针对该调频单元在该风速运行范围内所实施控制策略下的/>组风机调频出率；/>为针对该调频单元在/>范围内所实施的第四控制策略，/>为针对该调频单元在该风速运行范围内所实施控制策略下的/>组风机调频出率；
在频率下降类，/>为针对该调频单元在/>范围内所实施的第零控制策略，为针对该调频单元在该风速运行范围内所实施控制策略下的/>组风机调频出率；为针对该调频单元在/>围内所实施的第一控制策略，/>为针对该调频单元在该风速运行范围内所实施控制策略下的/>组风机调频出率；/>为针对该调频单元在/>范围内所实施的第二控制策略，/>为针对该调频单元在该风速运行范围内所实施控制策略下的/>组风机调频出率；/>针对该调频单元在/>范围内所实施的第三控制策略，/>为针对该调频单元在该风速运行范围内所实施控制策略下的/>组风机调频出率；/>为针对该调频单元在/>范围内所实施的第四控制策略，为针对该调频单元在该风速运行范围内所实施控制策略下的/>组风机调频出率。
2.根据权利要求1所述的一种基于频率与风速的风电集群聚合等值方法，其特征在于，所述调频单元的调频信息和风速包括 ：风电系统因负荷波动以及尾流效应致使每个调频单元捕获的风能不一致而进行的一次调频频差、一次调频死区频率、每个调频单元的实时检测风速、适用于不同控制方式的风速区间、在不同控制方式下每个调频单元的调频出率与MPPT出率。
3.根据权利要求1所述的一种基于频率与风速的风电集群聚合等值方法，其特征在于，所述基于所采集调频单元的频差对调频单元进行聚类分类，确定分类结果，包括：
对于调频单元i，若该调频单元满足，则因为一次调频范围过小，风机处于一次调频死区，则/>；
若，则将风电场内的调频单元分类为/>，即：
；
若，则将风电场内的调频单元分类为/>，即：
；
其中，为第i个调频单元的频差，（—fs，+ fs）为一次调频死区，/>，N为风电系统内调频单元的数量，/>为该风电系统内第i个调频单元的调频出率，/>、/>为对调频单元确定的聚类分类结果。
4.根据权利要求1所述的一种基于频率与风速的风电集群聚合等值方法，其特征在于，基于每个分组对应的控制策略进行功率等效，确定每个调频单元的实际出率进而聚合整个风电系统的实际出率，以基于所述聚合等效信息建立仿真分析模型，包括：
；
其中，为该风电系统给电网输送的有功功率，/>为该风电系统在计及不同调频参数与不同风速下第i台调频单元对外输送的MPPT出率， />为该风电系统计及不同调频参数与不同风速下第i台调频单元的调频出率；
当，分类为/>时，
；
其中，为该风电系统中频率上升的调频单元的调频出率，/>为该风电系统频率上升的调频单元中/>组风机的调频出率，/>为该风电系统频率上升的调频单元中/>组风机的调频出率，/>为该风电系统频率上升的调频单元中/>组风机的调频出率，/>为该风电系统频率上升的调频单元中/>组风机的调频出率，/>为该风电系统频率上升的调频单元中/>组风机的调频出率；
当，分类为/>时，
；
其中，为该风电系统中频率下降的调频单元的调频出率，/>为该风电系统频率下降的调频单元中/>组风机的调频出率，/>为该风电系统频率下降的调频单元中/>组风机的调频出率，/>为该风电系统频率下降的调频单元中/>组风机的调频出率，/>为该风电系统频率下降的调频单元中/>组风机的调频出率，/>为该风电系统频率下降的调频单元中/>组风机的调频出率；
在计及不同调频参数与不同风速下该风电系统所有调频单元的调频出率：
；
。
5.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-4中任一项所述方法的步骤。
6.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行如权利要求1-4 任一项所述方法。
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