風電機組分頻段參與電力系統一次調頻方法技術方案

風電機組分頻段參與電力系統一次調頻方法，涉及風電機組參與電網一次調頻技術。目的是為了解決風電機組參與一次調頻時風場經濟性與調頻容量相矛盾的問題。本發明專利技術首先分別使用高通濾波器和低通濾波器將電網中的高頻信號和低頻信號分離出來，然后在風電機組中引入慣性控制環節和下垂控制環節，根據風電場當前的棄風情況設置運行模式，所述運行模式為最優功率跟蹤模式或次優功率跟蹤模式，最后分別計算兩種運行模式下的電磁功率參考值，將電磁功率參考值作用于轉子變流器，完成風電機組分頻段參與電力系統的一次調頻過程。本發明專利技術所述的方法實現了風電機組在不損失出力的同時，最大限度地參與電力系統的一次調頻，適用于風電機組的調頻。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及風電機組參與電網一次調頻技術。
技術介紹
風電并網運行是大規模開發風能的有效形式，但隨著風電裝機容量的不斷提升，原有的以火電、水電為主導的電源結構形式發生了改變，當風電滲透率大幅增高后，風電功率的波動性也對電網的頻率穩定和有功平衡帶來了一定的沖擊，若依然只將風電機組處理成負的負荷疊加到電網有功功率平衡關系中，會給火電機組帶來巨大的調頻壓力，不僅造成火電機組的頻繁啟停影響其使用壽命，也很大程度上限制了風電的進一步發展。目前風電機組參與電網一次調頻的控制策略主要分為三種：槳距角控制、慣性控制、減載控制。槳距角控制通過控制槳距角改變風能利用系數進而改變并網功率，由于槳距角的調整為機械動作，其調頻速度慢；慣性控制利用轉子轉動慣量參與調頻，在電網頻率波動時吸收或釋放轉子動能轉化為電磁功率，其調頻速度雖較槳距角控制快但其調頻容量有限；減載控制使風電機組運行在次優功率跟蹤曲線上，利用留出的有功余量參與一次調頻，其調頻容量大，但風電機組長期運行于減載狀態嚴重影響了風電場的經濟性。
技術實現思路
本專利技術的目的是為了解決風電機組參與一次調頻時風場經濟性與調頻容量相矛盾的問題，提出了考慮風電場經濟性的風電機組分頻段參與電力系統一次調頻方法。本專利技術所述的風電機組分頻段參與電力系統一次調頻方法包括以下步驟：步驟一、使用高通濾波器將電網中波動頻率高于的頻率偏差信號分離出來，記為ΔfHi；使用低通濾波器將電網中波動頻率低于的頻率偏差信號分離出來，記為ΔfLi，其中Hi為風電機組轉子慣性時間常數，下角標i表示第i臺風電機組，s表示傳遞函數；步驟二、在風電機組中引入慣性控制環節和下垂控制環節，所述慣性控制環節包括虛擬慣性環節，該虛擬慣性環節由微分環節和比例環節兩部分組成，其中比例環節的比例系數設置為2Hi；下垂控制環節的下垂系數Ri由式(1)確定；其中，△f為電網正常運行時所允許的最大頻率偏差，單位為p.u.；Pe1i為風電機組在當前風速下的最優功率，單位為p.u.；Pe2i為風電機組的減載運行功率，單位為p.u.；步驟三、根據風電場當前的棄風情況設置運行模式：設風電場中的第i臺風電機組當前風速下的最優功率為Pe1i，風電場中有n臺機組，風電場當前限定出力為Pout，則風電場當前的棄風量PΔ如式(2)所示：當PΔ≤0時，風電場中所有機組均運行在最優功率跟蹤模式下，稱其為工作模式一；當PΔ>0時，風電場中所有機組均減載運行在次優功率跟蹤模式下，稱其為工作模式二；步驟四、當風電機組處于工作模式一時，電磁功率參考值Prefi如式(8)所示：Prefi＝PMPPTi-ΔPHi(8)其中，PMPPTi為最優功率跟蹤曲線；當風電機組處于工作模式二時，電磁功率參考值Prefi如式(10)所示；Prefi＝Pdeli-(ΔPHi+ΔPLi)(10)電磁功率調整信號ΔPHi的獲取方法為：對于步驟一中分離出的波動頻率高于的信號ΔfHi，輸入步驟二中設置好的虛擬慣性環節，得到電磁功率調整信號△PHi，如式(6)所示：電磁功率調整信號ΔPLi的獲得方法為：對于步驟一中分離出的波動頻率低于的信號ΔfLi，將其輸入下垂控制環節，得到電磁功率調整信號ΔPLi，如式(7)所示：Pdeli為次優功率跟蹤參考值；步驟五、將電磁功率參考值Prefi作用于轉子變流器，完成一次調頻過程。本專利技術根據風電場當前的棄風量來決定機組運行在最優功率跟蹤模式還是次優功率跟蹤模式，分別計算兩種不同模式下的電磁功率參考值Prefi，將電磁功率參考值Prefi作用于轉子變流器，實現一次調頻。該方法通過將電網頻率偏差信號分頻段處理的方式，使風電機組在最優功率跟蹤模式下對電網頻率偏差信號中的快變分量響應，在次優功率跟蹤模式下對電網頻率偏差信號中的快變分量與慢變分量均響應，使風電機組在保證自身出力的前提下最大限度地參與電網的一次調頻，改善電網的頻率質量。附圖說明圖1為本專利技術所述的風電機組分頻段參與電力系統一次調頻方法總體框圖；圖2為風電機組分頻段參與一次調頻控制框圖；圖3為風電機組運行原理圖；圖4為次優功率跟蹤曲線，圖中v1i、v2i和v3i表示不同風速下風機的功率-轉速曲線；圖5為有功備用減載控制原理圖，，曲線1、2、3和4表示不同風速下風機的功率-轉速曲線，其中曲線1的風速為11m/s，曲線2的風速為9m/s，曲線3的風速為7m/s，曲線4的風速為5m/s；圖6為實施方式二中的△fHi信號；圖7為某風聲200s內風速變化情況；圖8為風電聲最優出力；圖9為實施方式二中的△PHi信號；圖10為實測風速下的系統頻率偏差；圖11為實測風速下的風力機出力；圖12為實測風速下的風力機平均出力；圖13為實施方式三中的ΔfHi和ΔfLi信號；圖14為實施方式三中的ΔPHi和ΔPLi信號；圖15為實施方式三中的ΔPi信號；圖16為風速為105m/s時突減負荷2％風機參與調頻前后系統頻率偏差；圖17為風速為105m/s時突減負荷1％風機參與調頻前后系統頻率偏差；圖18為風速為105m/s時突增負荷1％風機參與調頻前后系統頻率偏差；圖19為風速為105m/s時突增負荷2％風機參與調頻前后系統頻率偏差。具體實施方式具體實施方式一：本實施方式所述的風電機組分頻段參與電力系統一次調頻方法包括以下步驟：步驟一：設計如圖2左側實線框中所示的高通濾波器將電網中波動頻率高于的頻率偏差信號分離出來，記為ΔfHi；設計如圖2左側虛線框中所示的低通濾波器將電網中波動頻率低于的頻率偏差信號分離出來，記為ΔfLi；其中Hi為風電機組轉子慣性時間常數，下角標i表示第i臺風電機組，s表示傳遞函數；步驟二：在風電機組中引入慣性控制環節和下垂控制環節，所述慣性控制環節包括虛擬慣性環節，該虛擬慣性環節由微分環節和比例環節兩部分組成，其中比例環節的比例系數設置為2Hi；下垂控制環節控制框圖如圖2中長點劃線部分所示，其下垂系數Ri由式(1)確定。其中，Δf為電網正常運行時所允許的最大頻率偏差，單位為p.u.；Pe1i為風電機組在當前風速下的最優功率，單位為p.u.；Pe2i為風電機組的減載運行功率，單位為p.u.。當風電機組未減載運行時Ri→∞，將下垂控制通道斷開。Pe2i的取值與風電場當前的棄風量有關，其整定方法和風電機組的運行模式判別在步驟三中說明；步驟三：根據風電場當前的棄風情況設置運行模式。設風電場中的第i臺風電機組當前風速下的最優功率為Pe1i，風電場中有n臺機組，風電場當前限定出力為Pout，則風電場當前的棄風量PΔ如式(2)所示。當PΔ≤0時，風電場中所有機組均運行在最優功率跟蹤模式下，稱其為工作模式一。在此工作模式下，風電機組始終按照最優功率跟蹤曲線運行。風電機組的運行原理如圖3所示，由當前轉子轉速ωrmeasi確定最優功率跟蹤參考值PMPPTi，與電磁功率調整總信號ΔPi疊加后得到電磁功率參考值Prefi，經由轉子側變流器作用后得到輸出電磁功率Pei，電磁轉矩Tei與機械轉矩Tmi的轉矩差使轉子動作。其中，實現最優功率跟蹤運行的方式是保持葉尖速比為最佳葉尖速比λMPPTi不變，從而保持風能利用系數為最大風能利用系數Cpmax不變。最優功率跟蹤模式下的PMPPTi確定方式如式(3)所示。其中，ρ本文檔來自技高網...

【技術保護點】
風電機組分頻段參與電力系統一次調頻方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟一、使用高通濾波器將電網中波動頻率高于的頻率偏差信號分離出來，記為ΔfHi；使用低通濾波器將電網中波動頻率低于的頻率偏差信號分離出來，記為ΔfLi，其中Hi為風電機組轉子慣性時間常數，下角標i表示第i臺風電機組，s表示傳遞函數；步驟二、在風電機組中引入慣性控制環節和下垂控制環節，所述慣性控制環節包括虛擬慣性環節，該虛擬慣性環節由微分環節和比例環節兩部分組成，其中比例環節的比例系數設置為2Hi；下垂控制環節的下垂系數Ri由式(1)確定；Ri=ΔfPe1i-Pe2i---(1))]]>其中，Δf為電網正常運行時所允許的最大頻率偏差，單位為p.u.；Pe1i為風電機組在當前風速下的最優功率，單位為p.u.；Pe2i為風電機組的減載運行功率，單位為p.u.；步驟三、根據風電場當前的棄風情況設置運行模式：設風電場中的第i臺風電機組當前風速下的最優功率為Pe1i，風電場中有n臺機組，風電場當前限定出力為Pout，則風電場當前的棄風量PΔ如式(2)所示：PΔ=Σi=1nPe1i-Pout---(2)]]>當PΔ≤0時，風電場中所有機組均運行在最優功率跟蹤模式下，稱其為工作模式一；當PΔ>0時，風電場中所有機組均減載運行在次優功率跟蹤模式下，稱其為工作模式二；步驟四、當風電機組處于工作模式一時，電磁功率參考值Prefi如式(8)所示：Prefi＝PMPPTi?ΔPHi???(8)其中，PMPPTi為最優功率跟蹤曲線；當風電機組處于工作模式二時，電磁功率參考值Prefi如式(10)所示；Prefi＝Pdeli?(ΔPHi+ΔPLi)???(10)電磁功率調整信號ΔPHi的獲取方法為：對于步驟一中分離出的波動頻率高于的信號ΔfHi，輸入步驟二中設置好的虛擬慣性環節，得到電磁功率調整信號ΔPHi，如式(6)所示：ΔPHi=2Hid(ΔfHi)dt---(6)]]>電磁功率調整信號ΔPLi的獲得方法為：對于步驟一中分離出的波動頻率低于的信號ΔfLi，將其輸入下垂控制環節，得到電磁功率調整信號ΔPLi，如式(7)所示：ΔPLi=ΔfLiRi---(7)]]>Pdeli為次優功率跟蹤參考值；步驟五、將電磁功率參考值Prefi作用于轉子變流器，完成一次調頻過程。...

【技術特征摘要】
1.風電機組分頻段參與電力系統一次調頻方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟一、使用高通濾波器將電網中波動頻率高于的頻率偏差信號分離出來，記為ΔfHi；使用低通濾波器將電網中波動頻率低于的頻率偏差信號分離出來，記為ΔfLi，其中Hi為風電機組轉子慣性時間常數，下角標i表示第i臺風電機組，s表示傳遞函數；步驟二、在風電機組中引入慣性控制環節和下垂控制環節，所述慣性控制環節包括虛擬慣性環節，該虛擬慣性環節由微分環節和比例環節兩部分組成，其中比例環節的比例系數設置為2Hi；下垂控制環節的下垂系數Ri由式(1)確定；Ri=ΔfPe1i-Pe2i---(1))]]>其中，Δf為電網正常運行時所允許的最大頻率偏差，單位為p.u.；Pe1i為風電機組在當前風速下的最優功率，單位為p.u.；Pe2i為風電機組的減載運行功率，單位為p.u.；步驟三、根據風電場當前的棄風情況設置運行模式：設風電場中的第i臺風電機組當前風速下的最優功率為Pe1i，風電場中有n臺機組，風電場當前限定出力為Pout，則風電場當前的棄風量PΔ如式(2)所示：PΔ=Σi=1nPe1i-Pout---(2)]]>當PΔ≤0時，風電場中所有機組均運行在最優功率跟蹤模式下，稱其為工作模式一；當PΔ>0時，風電場中所有機組均減載運行在次優功率跟蹤模式下，稱其為工作模式二；步驟四、當風電機組處于工作模式一時，電磁功率參考值Prefi如...

【專利技術屬性】
技術研發人員：郭鈺鋒，馬欣彤，王琦，張童童，陳寧，錢敏慧，
申請(專利權)人：哈爾濱工業大學，國家電網公司，江蘇省電力公司，中國電力科學研究院，
類型：發明
國別省市：黑龍江;23