CN207977746U - 用于风机功率跌落补足的风机储能协调调频系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于风机功率跌落补足的风机储能协调调频系统，涉及风力发电技术领域。其中，电压采样装置对风力发电机变流器硬件电路的风力发电机输出电压进行采样，并输出到锁相环电路；锁相环电路对风力发电机输出电压进行锁相，生成并向VSG控制器输出系统频率信号；VSG控制器根据系统频率信号确定风力发电机调频功率信号和储能调频功率信号，分别输出到风力发电机变流器硬件电路和储能变流器硬件电路；风力发电机变流器硬件电路根据风力发电机调频功率信号确定调频后的风力发电机输出电压和风力发电机输出电流，并输出到外部电网；储能变流器硬件电路根据储能调频功率信号确定调频后的储能输出电压和储能输出电流，并输出到外部电网。

Description

用于风机功率跌落补足的风机储能协调调频系统

技术领域

本实用新型涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种用于风机功率跌落补足的风机储能协调调频系统。

背景技术

近年来，我国新能源发电发展迅猛，自2015年起，风力发电已经成为继煤电(火力发电)、水电后的第三大电源。与常规火力发电的同步发电机不同，风力发电机组通过变流器并网，输出有功功率与电网频率完全解耦。当系统由于直流闭锁、切机或负荷突变等原因导致系统频率发生变化时，风力发电机组不具备电网频率变化时的主动响应能力。随着风力发电机组在电网中渗透率的不断提高，当前迫切需要风力发电机组具备与传统同步发电机类似的调频能力。借鉴传统火力发电机组的运行经验，在风力发电技术中，虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator，简称VSG)技术被广泛应用，VSG技术通过对电力电子逆变器的控制，使逆变电源具有传统同步发电机的特性，因此风力发电领域中的风力发电机组大多采用VSG技术。

国内外针对风力发电机组的调频方法已经开展了部分研究。针对风力发电机组的调频方法，主要是通过调整机组控制策略利用其“隐含”的转子惯量响应系统频率变化。常见的方法主要包括：模拟惯量控制，频率下垂控制、转子转速控制、桨距角控制以及协调控制，具有良好的控制效果。

然而现有技术中的上述控制策略在协助风力发电机组进行功率支撑时，会影响风力发电机组的出力水平。现有技术方法会使风力发电机组偏离最大功率运行点，如果长期运行，则会大大降低风电场运营商的经济效益。而风电场一般配置适量的储能，利用其响应快速、灵活可控的特点，参与风电场的一次频率响应，可以减少风电场因提供一次调频而造成的弃风，但完全依赖配置储能来进行调频会导致风电场一次投资成本大大增加。可见，当前如何实现一种简易且成本相对较低的用于风机功率跌落补足的调频方法成为了一个亟待解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的实施例提供一种用于风机功率跌落补足的风机储能协调调频系统，以实现一种简易且成本相对较低的用于风机功率跌落补足的调频系统的问题。

为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种用于风机功率跌落补足的风机储能协调调频系统，包括电压采样装置、锁相环电路、VSG控制器、风力发电机变流器硬件电路和储能变流器硬件电路；

所述电压采样装置分别与所述风力发电机变流器硬件电路的输出端和所述锁相环电路的输入端连接；所述锁相环电路的输出端与所述VSG控制器的输入端连接；所述VSG控制器的第一输出端连接所述风力发电机变流器硬件电路的输入端；所述VSG控制器的第二输出端连接所述储能变流器硬件电路的输入端；所述风力发电机变流器硬件电路的输出端和所述储能变流器硬件电路的输出端连接外部电网；

所述电压采样装置对风力发电机变流器硬件电路的风力发电机输出电压进行采样，并输出到所述锁相环电路；

所述锁相环电路对所述风力发电机输出电压进行锁相，生成并向所述VSG控制器输出系统频率信号；

所述VSG控制器根据所述系统频率信号确定风力发电机调频功率信号和储能调频功率信号，并将风力发电机调频功率信号输出到所述风力发电机变流器硬件电路，将储能调频功率信号输出到所述储能变流器硬件电路；

所述风力发电机变流器硬件电路根据所述风力发电机调频功率信号确定调频后的风力发电机输出电压和风力发电机输出电流，并输出到所述外部电网；

所述储能变流器硬件电路根据所述储能调频功率信号确定调频后的储能输出电压和储能输出电流，并输出到所述外部电网。

进一步的，该用于风机功率跌落补足的风机储能协调调频系统还包括信号发生器电路；所述信号发生器电路的输出端与所述锁相环电路和VSG控制器连接。

具体的，所述锁相环电路包括第一累加器电路、比例积分环节电路、第二累加器电路、积分器电路和派克变换电路；

所述派克变换电路的第一输入端连接所述电压采样装置，以接收风力发电机输出电压；所述派克变换电路的第二输入端连接所述积分器电路的输出端，以接收系统频率电角度；所述派克变换电路的输出端输出交轴电压信号至所述第一累加器电路；

所述第一累加器电路还接收信号发生器电路输出的置零信号，进行累加处理后输出到所述比例积分环节电路的输入端；

所述比例积分环节电路的输出端输出系统频率变化量信号到所述第二累加器电路；

所述第二累加器电路还接收信号发生器电路输出的系统额定频率信号，进行累加处理后形成系统频率信号，并输出到所述积分器电路的输入端和所述VSG控制器的输入端。

具体的，所述VSG控制器包括第三累加器电路、第一乘法器电路、第一微分器电路、第二乘法器电路、第四累加器电路、第一延时闭锁电路、第五累加器电路、第三乘法器电路、第二微分器电路、第四乘法器电路、第六累加器电路和第二延时闭锁电路；

所述第三累加器电路接收所述系统频率信号和信号发生器电路输出的系统额定频率信号，进行累加处理后输出到所述第一乘法器电路和第一微分器电路；所述第一乘法器电路的输出信号输出到所述第四累加器电路；所述第一微分器电路的输出信号输出到所述第二乘法器电路；所述第二乘法器电路的输出信号输出到所述第四累加器电路；所述第四累加器电路的输出信号输出到所述第一延时闭锁电路，产生风力发电机调频功率信号并输出到所述风力发电机变流器硬件电路；

所述第五累加器电路接收所述系统频率信号和信号发生器电路输出的系统额定频率信号，进行累加处理后输出到所述第三乘法器电路和第二微分器电路；所述第三乘法器电路的输出信号输出到所述第六累加器电路；所述第二微分器电路的输出信号输出到所述第四乘法器电路；所述第四乘法器电路的输出信号输出到所述第六累加器电路；所述第六累加器电路的输出信号输出到所述第二延时闭锁电路，产生储能调频功率信号并输出到所述储能变流器硬件电路。

此外，所述电压采样装置为电压互感器。

本实用新型实施例提供的用于风机功率跌落补足的风机储能协调调频系统，能够充分利用风力发电机转子惯量的调频能力，并利用储能来进行辅助调频，相比于单独采用风力发电机转子惯量调频，可大幅提高风电场的调频能力，相比于单独利用储能调频，又可减少储能的配置容量，节约风电场投入成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中单独采用风力发电机转子惯量调频时的系统频率特性示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种用于风机功率跌落补足的风机储能协调调频系统的结构示意图一；

图3为本实用新型实施例提供的一种用于风机功率跌落补足的风机储能协调调频系统的结构示意图二；

图4为本实用新型实施例中的电容及开关器件电路示意图；

图5为本实用新型实施例中的一频率特性曲线示意图；

图6为本实用新型实施例中的一出力情况示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

值得说明的是，发明人在实现本实用新型实施例时发现，现有技术均未同时考虑利用风力发电机转子惯量和储能为风电场提供一次调频能力，如后续本实用新型实施例通过采用风力发电机转子惯量和储能协调调频方式，相比于单独采用风力发电机转子惯量调频，可大幅提高风电场的调频能力，相比于单独利用储能调频，可节约风电场投入成本。

为了体现本实用新型实施例的效果，在描述本实用新型实施例所采用的具体实施方式之前，首先来说明单独采用风力发电机转子惯量调频和单独利用储能调频的缺陷：

如图1所示，其提供了单独采用风力发电机转子惯量调频时的系统频率特性，可以发现，单独采用风力发电机转子惯量调频时，相比于风力发电机不调频的情况，改善效果不明显。

另外，如下表1所示，在单独采用储能进行调频时，一个100MW风电场需要支付的一次投资成本具大。

表1单独采用储能进行调频的成本表

基于以上缺陷，本实用新型实施例提出一种用于风机功率跌落补足的风机储能协调调频系统，该系统利用风力发电机和储能进行协调调频，可以明显改善高渗透电网的频率特性，同时，该系统还可充分发挥风力发电机转子惯量调频能力，减少储能的配置容量，可节约风电场的一次投资成本。其具体实施方式如下：

如图2所示，本实用新型实施例提供一种用于风机功率跌落补足的风机储能协调调频系统10，包括电压采样装置11、锁相环电路12、VSG控制器13、风力发电机变流器硬件电路14和储能变流器硬件电路15。该电压采样装置11可以采用电压互感器。

电压采样装置11分别与风力发电机变流器硬件电路14的输出端和锁相环电路12的输入端连接；锁相环电路12的输出端与VSG控制器13的输入端连接；VSG控制器13的第一输出端连接风力发电机变流器硬件电路14的输入端；VSG控制器13的第二输出端连接储能变流器硬件电路15的输入端；风力发电机变流器硬件电路14的输出端和储能变流器硬件电路15的输出端连接外部电网20。

电压采样装置11对风力发电机变流器硬件电路14的风力发电机输出电压进行采样，并输出到锁相环电路12。

锁相环电路12对风力发电机输出电压进行锁相，生成并向VSG控制器13输出系统频率信号。

VSG控制器13根据系统频率信号确定风力发电机调频功率信号和储能调频功率信号，并将风力发电机调频功率信号输出到风力发电机变流器硬件电路14，将储能调频功率信号输出到储能变流器硬件电路15。

风力发电机变流器硬件电路14根据风力发电机调频功率信号确定调频后的风力发电机输出电压和风力发电机输出电流，并输出到外部电网20。

储能变流器硬件电路15根据储能调频功率信号确定调频后的储能输出电压和储能输出电流，并输出到外部电网20。

进一步的，如图3所示，该用于风机功率跌落补足的风机储能协调调频系统10还包括信号发生器电路16。所述信号发生器电路16的输出端与所述锁相环电路12和VSG控制器13连接。

具体的，如图3所示，所述锁相环电路12包括第一累加器电路120、比例积分环节电路121、第二累加器电路122、积分器电路123和派克变换电路124。

该派克变换电路124的第一输入端连接所述电压采样装置11，以接收风力发电机输出电压；所述派克变换电路124的第二输入端连接所述积分器电路123的输出端，以接收系统频率电角度；所述派克变换电路124的输出端输出交轴电压信号至所述第一累加器电路120。

所述第一累加器电路120还接收信号发生器电路16输出的置零信号，进行累加处理后输出到所述比例积分环节电路121的输入端。

所述比例积分环节电路121的输出端输出系统频率变化量信号到所述第二累加器电路122。

所述第二累加器电路122还接收信号发生器电路16输出的系统额定频率信号(一般为50Hz频率信号，即工频)，进行累加处理后形成系统频率信号，并输出到所述积分器电路123的输入端和所述VSG控制器13的输入端。

具体的，如图3所示，所述VSG控制器13包括第三累加器电路130、第一乘法器电路131、第一微分器电路132、第二乘法器电路133、第四累加器电路134、第一延时闭锁电路135、第五累加器电路136、第三乘法器电路137、第二微分器电路138、第四乘法器电路139、第六累加器电路1310和第二延时闭锁电路1311。

所述第三累加器电路130接收所述系统频率信号和信号发生器电路16输出的系统额定频率信号，进行累加处理后输出到所述第一乘法器电路131和第一微分器电路132；所述第一乘法器电路131的输出信号输出到所述第四累加器电路134；所述第一微分器电路132的输出信号输出到所述第二乘法器电路133；所述第二乘法器电路133的输出信号输出到所述第四累加器电路134；所述第四累加器电路134的输出信号输出到所述第一延时闭锁电路135，产生风力发电机调频功率信号并输出到所述风力发电机变流器硬件电路14。

所述第五累加器电路136接收所述系统频率信号和信号发生器电路16输出的系统额定频率信号，进行累加处理后输出到所述第三乘法器电路137和第二微分器电路138；所述第三乘法器电路137的输出信号输出到所述第六累加器电路1310；所述第二微分器电路138的输出信号输出到所述第四乘法器电路139；所述第四乘法器电路139的输出信号输出到所述第六累加器电路1310；所述第六累加器电路1310的输出信号输出到所述第二延时闭锁电路1311，产生储能调频功率信号并输出到所述储能变流器硬件电路15。

另外，在上述风力发电机变流器硬件电路14根据风力发电机调频功率信号确定调频后的风力发电机输出电压和风力发电机输出电流，并输出到外部电网20，以及，储能变流器硬件电路15根据储能调频功率信号确定调频后的储能输出电压和储能输出电流，并输出到外部电网20的过程中，确定调频后的风力发电机输出电压和风力发电机输出电流和确定调频后的储能输出电压和储能输出电流的方式均可以采用如图4所示的电容及开关器件电路实现，通过风力发电机调频功率信号或储能调频功率信号输入到开关器件Q₁至Q₆的a、b、c、a’、b’、c’端，使得开关器件Q₁至Q₆产生通断变化，从而由电容Vdc最后输出到三相的电压和电流会存在变化，从而实现了调频过程。

本实用新型实施例提供的用于风机功率跌落补足的风机储能协调调频系统，能够充分利用风力发电机转子惯量的调频能力，并利用储能来进行辅助调频，相比于单独采用风力发电机转子惯量调频，可大幅提高风电场的调频能力，相比于单独利用储能调频，又可减少储能的配置容量，节约风电场投入成本。

为了说明本实用新型实施例的效果，下面列举一个本实用新型实施例的具体应用实例：

在风电装机占比为20％的电网中，施加5％系统容量的负荷扰动，仅储能调频时和采用本实用新型实施例的风力发电机和储能协调调频时，系统的频率特性如图5所示。

采用本实用新型实施例的风储协调方式的调频效果，和储能单独调频方式的调频效果基本一致。

两种方式的频率最低值均为49.81Hz，频率稳态值均为49.878Hz，相比不调频的系统频率，系统频率最低点抬升了41％，频率稳态值抬升了20％，明显改善了系统频率特性。

另外，如图6所示为仅储能调频和本实用新型实施例的风储协调调频这两种方式的出力情况。可见，在调频过程中，风力发电机支撑10s，支撑过程中同时进行一次调频和惯性支撑，10s时风力发电机退出调频后采用固定值恢复，固定值略小于机械功率，保证风机转速恢复。储能在风力发电机退出调频后开始进行支撑，支撑出力包括三部分，分别为一次调频，惯量和风力发电机为了恢复转速而减少的出力。本实用新型实施例中的风储协调的调频效果与储能单独调频时基本一致。

风速为8m/s的工况下，与储能单独调频方式相比，采用本实用新型实施例的风储协调调频的方式(储能为风力发电机补坑)时，储能出力相对平滑，出力的峰值较小。采用储能单独调频时需要配置8％风场容量的储能，采用本实用新型实施例的风储协调调频时仅需要配置5.7％风场容量的储能，相对于储能单独调频时需要配置的储能来讲节约了28％。

本实用新型中应用了具体实施例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (5)

1.一种用于风机功率跌落补足的风机储能协调调频系统，其特征在于，包括电压采样装置、锁相环电路、VSG控制器、风力发电机变流器硬件电路和储能变流器硬件电路；

所述电压采样装置分别与所述风力发电机变流器硬件电路的输出端和所述锁相环电路的输入端连接；所述锁相环电路的输出端与所述VSG控制器的输入端连接；所述VSG控制器的第一输出端连接所述风力发电机变流器硬件电路的输入端；所述VSG控制器的第二输出端连接所述储能变流器硬件电路的输入端；所述风力发电机变流器硬件电路的输出端和所述储能变流器硬件电路的输出端连接外部电网；

所述电压采样装置对风力发电机变流器硬件电路的风力发电机输出电压进行采样，并输出到所述锁相环电路；

所述锁相环电路对所述风力发电机输出电压进行锁相，生成并向所述VSG控制器输出系统频率信号；

所述VSG控制器根据所述系统频率信号确定风力发电机调频功率信号和储能调频功率信号，并将风力发电机调频功率信号输出到所述风力发电机变流器硬件电路，将储能调频功率信号输出到所述储能变流器硬件电路；

所述风力发电机变流器硬件电路根据所述风力发电机调频功率信号确定调频后的风力发电机输出电压和风力发电机输出电流，并输出到所述外部电网；

所述储能变流器硬件电路根据所述储能调频功率信号确定调频后的储能输出电压和储能输出电流，并输出到所述外部电网。

2.根据权利要求1所述的用于风机功率跌落补足的风机储能协调调频系统，其特征在于，还包括信号发生器电路；所述信号发生器电路的输出端与所述锁相环电路和VSG控制器连接。

3.根据权利要求2所述的用于风机功率跌落补足的风机储能协调调频系统，其特征在于，所述锁相环电路包括第一累加器电路、比例积分环节电路、第二累加器电路、积分器电路和派克变换电路；

所述派克变换电路的第一输入端连接所述电压采样装置，以接收风力发电机输出电压；所述派克变换电路的第二输入端连接所述积分器电路的输出端，以接收系统频率电角度；所述派克变换电路的输出端输出交轴电压信号至所述第一累加器电路；

所述第一累加器电路还接收信号发生器电路输出的置零信号，进行累加处理后输出到所述比例积分环节电路的输入端；

所述比例积分环节电路的输出端输出系统频率变化量信号到所述第二累加器电路；

所述第二累加器电路还接收信号发生器电路输出的系统额定频率信号，进行累加处理后形成系统频率信号，并输出到所述积分器电路的输入端和所述VSG控制器的输入端。

4.根据权利要求3所述的用于风机功率跌落补足的风机储能协调调频系统，其特征在于，所述VSG控制器包括第三累加器电路、第一乘法器电路、第一微分器电路、第二乘法器电路、第四累加器电路、第一延时闭锁电路、第五累加器电路、第三乘法器电路、第二微分器电路、第四乘法器电路、第六累加器电路和第二延时闭锁电路；

所述第三累加器电路接收所述系统频率信号和信号发生器电路输出的系统额定频率信号，进行累加处理后输出到所述第一乘法器电路和第一微分器电路；所述第一乘法器电路的输出信号输出到所述第四累加器电路；所述第一微分器电路的输出信号输出到所述第二乘法器电路；所述第二乘法器电路的输出信号输出到所述第四累加器电路；所述第四累加器电路的输出信号输出到所述第一延时闭锁电路，产生风力发电机调频功率信号并输出到所述风力发电机变流器硬件电路；

所述第五累加器电路接收所述系统频率信号和信号发生器电路输出的系统额定频率信号，进行累加处理后输出到所述第三乘法器电路和第二微分器电路；所述第三乘法器电路的输出信号输出到所述第六累加器电路；所述第二微分器电路的输出信号输出到所述第四乘法器电路；所述第四乘法器电路的输出信号输出到所述第六累加器电路；所述第六累加器电路的输出信号输出到所述第二延时闭锁电路，产生储能调频功率信号并输出到所述储能变流器硬件电路。

5.根据权利要求1-4任一项所述的用于风机功率跌落补足的风机储能协调调频系统，其特征在于，所述电压采样装置为电压互感器。