CN111525600A - 一种风电场参与***调频的一次调频调差系数计算方法 - Google Patents

一种风电场参与***调频的一次调频调差系数计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风电场参与***调频的一次调频调差系数计算方法，包括：在站间功率分配阶段根据风电场的时空分布特性，确定各风电场的调频备用容量，按比例分配调频功率；站内功率分配阶段基于尾流效应影响下风电场内风机间一次调频能力的差异性，制定风电场内各风机的超速减载控制或桨距角控制的一次调频系数，确定风电场内的功率分配原则；一次调频调差系数计算阶段基于风电场内各风机参与***一次调频时的调频系数，计算一定频率偏差下风电场参与一次调频时的调频功率，确定风电场的一次调频调差系数。与已有的风电场参与***调频策略相比，本发明方法可以充分利用风电场的调频能力，所确定的一次调频调差系数也能为实际工程提供指导。

Description

一种风电场参与***调频的一次调频调差系数计算方法
技术领域
本发明属于电力***频率稳定控制领域，涉及一种风电场参与***调频的一次调频调差系数计算方法。
背景技术
随着电网中风电渗透率的不断提升，***的频率稳定问题愈加显著。一方面，风电的大规模接入取代了***中部分传统发电机，降低了***固有的惯性，一定程度上降低了***应对扰动的能力；另一方面，风电自身的间歇性与不确定性加大了电力***源荷的不平衡性，***更易出现频率稳定问题。然而，有效控制风电场的输出，可以使风电场具备调频能力，为***一次调频作出贡献。
现有的研究主要集中在风电场的调频策略制定以及各种策略之间的协调配合，对考虑风电场内风机调频能力的差异性的研究还比较匮乏，并且也未涉及风电场参与***调频的一次调频调差系数的整定方法。
发明内容
为了减小大规模风电场接入对电力***频率稳定的影响，本发明提出一种风电场参与***调频的一次调频调差系数计算方法，以实现风电场一次调频调差系数的确定，从而充分利用风电场的一次调频能力。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种风电场参与***调频的一次调频调差系数计算方法，包括三个阶段：站间功率分配阶段、站内功率分配阶段、一次调频调差系数计算阶段；
所述站间功率分配阶段考虑各风电场调频备用容量的差异性，依据调频备用容量按比例在风电场间分配风电调频功率；
所述站内功率分配阶段基于尾流效应影响下风电场内风机间一次调频能力的差异性，确定不同风速区间下风机采用的一次调频方式为超速减载控制与桨距角控制，并制定风电场内各风机的超速减载控制或桨距角控制的一次调频系数，根据各风机的一次调频系数，实现风电场内调频功率的分配；
所述一次调频调差系数计算阶段基于风电场内各风机参与***一次调频时的调频系数，计算一定频率偏差下风电场参与一次调频时的调频功率，确定风电场的一次调频调差系数。
进一步的，所述站间功率分配阶段中风电调频功率通过下式进行计算分配：
Figure BDA0002492542690000021
式中，ΔPi为风电场i分配的调频功率，ΔP为各风电场总的调频功率，Pi为风电场i的有功输出，N为风电场的数量。
进一步的，所述站内功率分配阶段中超速减载控制的一次调频系数通过以下过程进行计算：
设风机初始减载d％运行，减载运行后风机的有功输出表示为：
Figure BDA0002492542690000022
式中，P1为风机超速减载前的有功输出，ρ为空气密度，Cpmax为风机风能利用系数，R为风轮半径，v为风机的实际输入风速；
利用超速减载控制进行调频，修正减载量d％，即：
Figure BDA0002492542690000023
式中，ΔP为风机参与调频的有功增发量；
当***频率恢复正常时，风机重新按照初始减载指令运行，另外，风机参与***调频时的有功增发量表示为：
ΔPi＝Δf*Kdi
Figure BDA0002492542690000024
式中，Δf为***频率偏差，Kdi为风机i的超速减载控制的调频系数，根据各风机的调频备用容量进行整定，Presi为风机i的调频备用容量，N为风机总台数，Kdmax为比例系数，按照***发生扰动后的频率最低点进行整定。
进一步的，Kdmax整定的原则为在***频率最低点时，各风机的调频备用容量全部得到利用。
进一步的，所述站内功率分配阶段中桨距角控制的一次调频系数通过以下过程进行计算：
风机的输出表示为：
Figure BDA0002492542690000025
式中，ρ为空气密度，Cp为风能利用系数，R为风轮半径，v为风机输入风速；
其中，
Figure BDA0002492542690000026
式中，λ为风机叶尖速比，β为风机桨距角；
桨距角控制通过下式实现：
Δβ＝ki*(f-50)+βoff
式中，f为***频率，βoff为风机减载的桨距角补偿量，根据特定叶尖速比下风机风能利用系数与桨距角之间的关系确定，ki为桨距角控制的调频系数。
进一步的，ki整定的原则为在***频率最低点时，各风机的调频备用容量全部得到利用。
进一步的，所述一次调频调差系数计算阶段中一次调频调差系数通过下式计算：
Figure BDA0002492542690000031
式中，Δf为***频率偏差，Kdi为风机i的超速减载控制的调频系数，N为风机总台数，ΔPi为风电场内各台风机的调频功率，ΔPi1、ΔPi2分别为超速减载控制与桨距角控制的调频功率，αi为风机i的桨距角与风能利用系数间的一次系数，ki为风机i的桨距角控制的调频系数，ρ为空气密度，R为风轮半径，v为风机输入风速。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
本发明方法能够实现风电场间以及风电场内风机参与***调频时调频功率的合理分配，充分利用风电场的调频能力，提高电力***的频率稳定。所确定的一次调频调差系数能够为实际工程提供指导。
附图说明
图1为验证本发明方法的风电场接入***示意图。
图2为采用本发明方法后***的频率曲线。
图3为采用本发明方法后风电场内各风机的有功输出。
图4为本发明方法实现流程图。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
图1为风电场接入***示意图，风电场1、2分别包含6台风机，每台风机额定容量为3MW，两个风电场的额定容量均为18MW，风机的切入风速、额定风速、切出风速分别为4m/s，11.4m/s，20m/s。
风机总的额定容量为36MW，***负荷90MW，发电机最大有功出力100MW，为实现风电场参与***频率控制，采用在5s时***有功负荷增加10％，以制造***功率缺额。
本发明提供一种电场参与***调频的一次调频调差系数计算方法，其流程如图4所示，包括三个阶段：站间功率分配阶段、站内功率分配阶段、一次调频调差系数计算阶段。
(1)站间功率分配阶段
风电调频功率在风电场间的分配需要考虑各风电场调频备用容量的差异性，依据调频备用容量按比例进行分配，具体为：
Figure BDA0002492542690000041
式中，ΔPi为风电场i分配的调频功率，ΔP为各风电场总的调频功率，Pi为风电场i的有功输出，N为风电场的数量。
在图1所示的***中，初始输入风速为11.5m/s，考虑到尾流效应的影响，各风机初始的有功输出如下表所示：
表1风电场不参与调频时各风机的有功输出
Figure BDA0002492542690000042
风电场1的有功总输出为17.89MW，风电场2的有功总输出为15.78MW，风电场的有功备用容量正比于风电场的有功输出，风电调频功率在风电场间的分配需要考虑各风电场调频备用容量的差异性，依照有功备用容量按比例进行分配。
(2)站内功率分配阶段
在站内功率分配阶段，基于尾流效应影响下风电场内风机间一次调频能力的差异性，确定不同风速区间下风机采用的一次调频方式(超速减载控制与桨距角控制)，并制定风电场内各风机的超速减载控制或桨距角控制的一次调频系数，并根据各风机的一次调频系数，实现风电场内调频功率的分配。
这一阶段主要涉及超速减载控制与桨距角控制的一次调频系数的整定，具体为：
对于超速减载控制，设风机初始减载d％运行，减载运行后风机的有功输出可以表示为：
Figure BDA0002492542690000043
式中，P1为风机超速减载前的有功输出，ρ为空气密度，Cpmax为风机风能利用系数，R为风轮半径，v为风机的实际输入风速。
利用超速减载控制进行调频时，实际上就是在修正减载量d％，即：
Figure BDA0002492542690000051
式中，ΔP为风机参与调频的有功增发量。
当***频率恢复正常时，风机重新按照初始减载指令运行，另外，风机参与***调频时的有功增发量可以表示为：
ΔPi＝Δf*Kdi
Figure BDA0002492542690000052
式中，Δf为***频率偏差，Kdi为风机i的超速减载控制的调频系数，根据各风机的调频备用容量进行整定，Presi为风机i的调频备用容量，N为风机总台数，Kdmax为比例系数，按照***发生扰动后的频率最低点进行整定，整定的原则为在***频率最低点时，各风机的调频备用容量全部得到利用。
对于桨距角控制，风机的输出可以表示为：
Figure BDA0002492542690000053
式中，ρ为空气密度，Cp为风能利用系数，与风机叶尖速比和桨距角有关，R为风轮半径，v为风机输入风速。
其中，
Figure BDA0002492542690000054
式中，λ为风机叶尖速比，β为风机桨距角。
从式中可以看出，对于固定的叶尖速比，风能利用系数为桨距角β的一次函数，因此通过调节桨距角即可调节风机的有功输出。
桨距角控制前，需对风机进行减载，桨距角控制时的降载方式是增加桨距角，使风机运行点偏离最大功率跟踪点，释放出一部分功率来进行频率控制，桨距角控制的具体实现方式如下：
Δβ＝ki*(f-50)+βoff
式中，f为***频率，βoff为风机减载的桨距角补偿量，可根据特定叶尖速比下风机风能利用系数与桨距角之间的关系确定，ki为桨距角控制的调频系数，整定的原则为在***频率最低点时，各风机的调频备用容量全部得到利用。
在该场景下，风电场采用超速减载调频与桨距角调频协调方式，由各排风机的输入风速可知，风机1～6、11、12、21、22采用桨距角控制，风机13、23采用超速控制，采用上述方法计算得到各风机的超速减载控制或桨距角控制的一次调频系数如下表所示：
表2风电场参与***调频时各风机的桨距角控制调频系数
Figure BDA0002492542690000061
表3风电场参与***调频时各风机的超速控制调频系数
Figure BDA0002492542690000062
根据上表确定的桨距角控制调频系数以及超速减载控制调频系数，对风电场参与***调频进行仿真分析，风电场参与调频后***的频率曲线如图2所示，风电场能够在***发生扰动时给予一定的功率支撑，***频率最低点fmin＝49.1978Hz，而风电场不参与调频时***频率的最低点为49.0345Hz，频率提升了0.1633Hz，本发明所提的方法有利于***频率稳定。表5显示了该场景下风电场参与***调频时各风机的调频备用容量，结合表2可知，对于备用容量较大的风机，其桨距角控制调频系数也相应较大，且表6计算得到的风电场一次调频调差系数也与风电场的调频备用容量呈正相关。因此，本发明所提方法考虑了各风机调频能力的差异性，与传统风电场调频方法相比，能够充分利用风电场的调频能力。另外，各风机的有功输出如下表所示，风机参与调频时有功输出的变化如图3所示。
表4风电场参与***调频时各风机的有功输出
Figure BDA0002492542690000063
表5风电场参与***调频时各风机的调频备用容量
Figure BDA0002492542690000064
(3)一次调频调差系数计算阶段
利用风电场内各风机参与***一次调频时的调频系数，计算一定频率偏差下风电场参与一次调频时的调频功率，计算风电场的一次调频调差系数，具体计算方法为：
Figure BDA0002492542690000071
式中，Δf为***频率偏差，Kdi为风机i的超速减载控制的调频系数，由上述分析已然得到，N为风机总台数，ΔPi为风电场内各台风机的调频功率，ΔPi1、ΔPi2分别为超速减载控制与桨距角控制的调频功率，αi为风机i的桨距角与风能利用系数间的一次系数，ki为风机i的桨距角控制的调频系数，ρ为空气密度，R为风轮半径，v为风机输入风速。
用上述方法计算得到图1所示***中风电场1、2的一次调频调差系数如下表所示：
表6风电场参与***调频时各风电场的一次调频调差系数
Figure BDA0002492542690000072
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种风电场参与***调频的一次调频调差系数计算方法，其特征在于，包括三个阶段：站间功率分配阶段、站内功率分配阶段、一次调频调差系数计算阶段；
所述站间功率分配阶段考虑各风电场调频备用容量的差异性，依据调频备用容量按比例在风电场间分配风电调频功率；
所述站内功率分配阶段基于尾流效应影响下风电场内风机间一次调频能力的差异性，确定不同风速区间下风机采用的一次调频方式为超速减载控制与桨距角控制，并制定风电场内各风机的超速减载控制或桨距角控制的一次调频系数，根据各风机的一次调频系数，实现风电场内调频功率的分配；
所述一次调频调差系数计算阶段基于风电场内各风机参与***一次调频时的调频系数，计算一定频率偏差下风电场参与一次调频时的调频功率，确定风电场的一次调频调差系数。
2.根据权利要求1所述的风电场参与***调频的一次调频调差系数计算方法，其特征在于，所述站间功率分配阶段中风电调频功率通过下式进行计算分配：
Figure FDA0002492542680000011
式中，ΔPi为风电场i分配的调频功率，ΔP为各风电场总的调频功率，Pi为风电场i的有功输出，N为风电场的数量。
3.根据权利要求1所述的风电场参与***调频的一次调频调差系数计算方法，其特征在于，所述站内功率分配阶段中超速减载控制的一次调频系数通过以下过程进行计算：
设风机初始减载d％运行，减载运行后风机的有功输出表示为：
Figure FDA0002492542680000012
式中，P1为风机超速减载前的有功输出，ρ为空气密度，Cpmax为风机风能利用系数，R为风轮半径，v为风机的实际输入风速；
利用超速减载控制进行调频，修正减载量d％，即：
Figure FDA0002492542680000013
式中，ΔP为风机参与调频的有功增发量；
当***频率恢复正常时，风机重新按照初始减载指令运行，另外，风机参与***调频时的有功增发量表示为：
ΔPi＝Δf*Kdi
Figure FDA0002492542680000014
式中，Δf为***频率偏差，Kdi为风机i的超速减载控制的调频系数，根据各风机的调频备用容量进行整定，Presi为风机i的调频备用容量，N为风机总台数，Kdmax为比例系数，按照***发生扰动后的频率最低点进行整定。
4.根据权利要求3所述的风电场参与***调频的一次调频调差系数计算方法，其特征在于，Kdmax整定的原则为在***频率最低点时，各风机的调频备用容量全部得到利用。
5.根据权利要求1所述的风电场参与***调频的一次调频调差系数计算方法，其特征在于，所述站内功率分配阶段中桨距角控制的一次调频系数通过以下过程进行计算：
风机的输出表示为：
Figure FDA0002492542680000021
式中，ρ为空气密度，Cp为风能利用系数，R为风轮半径，v为风机输入风速；
其中，
Figure FDA0002492542680000022
式中，λ为风机叶尖速比，β为风机桨距角；
桨距角控制通过下式实现：
Δβ＝ki*(f-50)+βoff
式中，f为***频率，βoff为风机减载的桨距角补偿量，根据特定叶尖速比下风机风能利用系数与桨距角之间的关系确定，ki为桨距角控制的调频系数。
6.根据权利要求4所述的风电场参与***调频的一次调频调差系数计算方法，其特征在于，ki整定的原则为在***频率最低点时，各风机的调频备用容量全部得到利用。
7.根据权利要求1所述的风电场参与***调频的一次调频调差系数计算方法，其特征在于，所述一次调频调差系数计算阶段中一次调频调差系数通过下式计算：
Figure FDA0002492542680000023
式中，Δf为***频率偏差，Kdi为风机i的超速减载控制的调频系数，N为风机总台数，ΔPi为风电场内各台风机的调频功率，ΔPi1、ΔPi2分别为超速减载控制与桨距角控制的调频功率，αi为风机i的桨距角与风能利用系数间的一次系数，ki为风机i的桨距角控制的调频系数，ρ为空气密度，R为风轮半径，v为风机输入风速。
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