一种风电场并网发电输出有功功率的控制方法

摘要

本发明涉及一种风电场并网发电输出有功功率的控制方法，属于风电场并网控制技术领域。本发明首先建立风电场当前可能发出的功率和为抑制波动需要放弃的波动功率的关系，求得需要抑制有功功率波动值；根据电网对不同风电场不同时段对波动幅值的要求，确定一阶低通滤波器的时间常数，确定采样间隔，进一步在时域中离散求得平抑参数；将风电场单机控制归纳为目标可调整的整体控制策略；得到适应于电网的可调控的有功功率目标值，风电场协调控制就可以根据目标值合理分配负荷，风机的自我保护也从被动调桨或解列式变为主动预防式，不但有效增加风机运行效率，也减少对电网的冲击，对风机运行起到了积极的保护。

说明书

技术领域

本发明涉及一种风电场并网发电输出有功功率的控制方法，属于风电场并网 控制技术领域。

背景技术

风电场并网容量对系统稳定的影响取决于风电场短路容量比，即风电场输 出容量与该风电场与当前电力系统运行方式下连接点的短路容量之比。当短路比 较大时，风电场输出有功功率的随机波动性对电网频率的影响会比较显著。目前 国内风电场的并网发电处在一种“经验式的人为干预”状态，缺乏针对不同状态 风电场并网发电的合理控制,其控制原则是风能并网功率等值于电网储备容量的 被动式调度方法.没有针对区域内风电场时空互补的有效机制的合理调度以达到 最大限度的利用风电功率.既缺少了对风电场的公平性,也降低了并网发电不同类 型发电企业的效益。

发明内容

本发明的目的是提供一种风电场并网发电输出有功功率的控制方法，用来 合理调度风电场并网发电输出稳定的有功功率，降低风电场并网发电由于风功 率波动对电网的干扰。

本发明为解决上述技术问题而提供了一种风电场并网发电输出有功功率的 控制方法，该控制方法的步骤如下：

1）根据风电机组自身设备测量叠加或者风功率预测系统得到风电场可发的 有功功率P_w；

2）根据当前电网旋转备用容量、稳定要求和负荷要求确定风电场注入电网 的有功功率P_out，

P_w＝P_out+P_res

其中，P_res为弃掉的风电有功功率；

3）根据电网对不同风电场不同时段对波动幅值的要求,确定一阶低通滤波器 的时间常数τ，使之满足：

$P_{\mathrm{res}}=\frac{\mathrm{\tau s}}{1+\mathrm{\tau s}}=K_1{P}_W$

$P_{\mathrm{out}}=\frac{1}{1+\mathrm{\tau s}}=K_2{P}_W$

其中为一阶高通滤波器，为一阶低通滤波器,τ为时间 常数,τ＝2πf_c，f_C为等值滤波器截止频率；

4）对风电场注入电网的有功功率P_out进行时域分析和离散整理后得到：

$P_{\mathrm{out}}^{\left(N\right)}={\mathrm{\alpha P}}_W^N+(1-\alpha )P_{\mathrm{out}}^{(N-1)}$

其中，为风电场第N时刻注入电网的有功功率，为第N时刻风场预 测功率，为前一时刻即时刻注入电网的有功功率，α为平抑参数，t为采样间隔；

5）根据步骤4）中得到的注入电网的有功功率目标值，风电场协调控制合理 分配负荷。

所述的步骤4）中得到的风电场注入电网的有功功率可进行以下调整，

设定标杆功率P_ref，即电网调度每间隔一定时间会给风电场下发发电计划值， 比较较注入电网的有功功率P_out和标杆功率P_ref，得出允许有功波动值δ，

$\delta =(1-K_2)\times 100\%=\left|\frac{P_{\mathrm{ref}}-P_{\mathrm{out}}}{P_{\mathrm{ref}}}\right|\times 100\%$

设定波动阈值θ，如果允许有功波动值δ的偏差的绝对值大于ε，即 |δ-θ|＞ε，则再次返回调整周期直至结果收敛，如果允许有功波动值δ的偏差的 绝对值小于或等于ε，即|δ-θ|≤ε，则结束本次调整，其中ε为足够小。

所述的调整后所对应的弃掉的风电有功功率能够合理量化得到，

风电场可发的有功功率通过风电场协调控制装置应用一阶低通滤波原理，控 制注入电网有功功率，而被合理的弃掉的风电有功功率，则为风电场协调控制装 置在时间上的积分，其在S域中的表达式如下所示：

$P_{\mathrm{dis}}=\frac{1}{s}{P}_{\mathrm{dis}}\left(s\right)=\frac{1}{s}\frac{\mathrm{\tau s}}{1+\mathrm{\tau s}}{P}_W\left(s\right)=\frac{\tau }{1+\mathrm{\tau s}}{P}_W\left(s\right)$

变换到时间域中的表达式为

$P_{\mathrm{dis}}\left(t\right)=e^{-t/\tau }\times P_W\left(t\right)={\int }_0^t{e}^{-t/\tau }{P}_W(t-u)\mathrm{du}$

式中：P_dis为风电场弃掉的风电有功功率在S域中的变量；P_dis(t)为风电场风 电场弃掉的风电有功功率在时间域中的变量。

所述的弃掉的风电有功功率P_res可以用于制热，置换为同等功率的电热功率。

所述的弃掉的风电有功功率P_res可以用于电站蓄电池充电，用于电站储能和 自用。

本发明的有益效果是:本发明通过建立风电场当前可能发出的功率和为抑 制波动需要放弃的波动功率的关系，求得需要抑制有功功率波动值；根据电网 对不同风电场不同时段对波动幅值的要求，确定一阶低通滤波器的时间常数,确 定采样间隔，进一步在时域中离散求得平抑参数，从而提供了一种把风电场单 机控制归纳为目标可调整的整体控制策略；由于有了适应于电网的可调控的有 功功率目标值,风电场协调控制就可以根据目标值合理分配负荷,风机的自我保 护也从被动调桨或解列式变为主动预防式，不但有效增加风机运行效率，也对 减少对电网的冲击和对风机运行也起到了积极的保护。

附图说明

图1是本发明的风电场并网发电输出有功功率的控制方法的原理框图；

图2是本发明的风电场并网发电输出有功功率的控制方法的逻辑框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

本发明的控制系统原理框图如图1所示，风电场远动设备从调度接到负荷指 令，该负荷指令由调度根据风电场上报功率计划并结合本时段电网能够吸纳的风 电功率下达。远动设备将指令下发给风电场功率协调控制系统，风电场协调控制 系统按可调制风功率对处于不同位置（风机位置是指等风能线所圈定的范围）的 风电机组分别下达调节指令，发出风功率于暂态缓冲器，暂态缓冲器是由电容组 成的风功率储能设备。

结合图1、图2说明本发明的风电场有功功率的协调控制方法，步骤如下：

1.风电场根据风电机组自身设备测量叠加或者风功率专用设备预测得到风 电场可发有功功率P_W，可发有功功率P_W放置在暂态缓冲器；

2.暂态缓冲器由交-直-交功率逆变器组成，其中直流部分的电容可以起到功 率突变的缓冲作用，当检测到直流电容电压升高时，超出部分按下述方法进行调 制；

3.电网调度根据当前电网储备容量和稳定要求、负荷确定风电场注入电网的 有功功率Pout，由（1）式风电场注入电网的有功功率：

P_W＝P_OUT+P_res                               （1）

其中，P_res为弃掉的风电有功功率：

$P_{\mathrm{res}}=\frac{\mathrm{\tau s}}{1+\mathrm{\tau s}}{P}_W=K_1{P}_W---\left(2\right)$

$P_{\mathrm{out}}=\frac{1}{1+\mathrm{\tau s}}{P}_W=K_2{P}_W---\left(3\right)$

式中为一阶高通滤波器，为一阶低通滤波器。τ为时间 常数,τ＝2πf_c，f_c为等值滤波器截止频率。

τ的设计必须能够有效的平抑风电功率波动，因此，τ的取值越大平抑效果 越显著，允许导通的频率分量越低，因而注入电网的有功功率变化率也越小，使 得整个功率输出更为平滑。

4.根据一阶低通滤波原理，对公式（3）进行时域分析得到：

P_W＝τP′_out+P_out                  （4）

其中：P′_out为P_out的微分，设t为控制采样间隔，则离散化后有

$P_W^{\left(N\right)}=\tau \frac{P_{\mathrm{out}}^{\left(N\right)}-P_{\mathrm{out}}^{(N-1)}}{t}+P_{\mathrm{out}}^{\left(N\right)}---\left(5\right)$

整理可得：$P_{\mathrm{out}}^{\left(N\right)}=\frac{t}{\tau +t}{P}_W^{\left(N\right)}+\frac{\tau }{\tau +t}{P}_{\mathrm{out}}^{(N-1)}---\left(6\right)$

令则式（6）可表述为：

$P_{\mathrm{out}}^{\left(N\right)}={\mathrm{\alpha P}}_W^N+(1-\alpha )P_{\mathrm{out}}^{(N-1)}---\left(7\right)$

风电场第N时刻注入电网的有功功率P_out与当前风场预测功率P_w，前N-1时 刻的注入功率以及平抑参数α有关。

5对由步骤4中得到的注入电网的有功功率P_out进行调整，其具体的调整过程 如下：

设置一标杆功率P_ref（给定值），即电网调度每间隔一定时间会给风电场下发 发电计划值，比较注入电网的有功功率P_out和标杆功率P_ref（给定值），得出允许有 功波动值δ：

$\delta =(1-K_2)\times 100\%=\left|\frac{P_{\mathrm{ref}}-P_{\mathrm{out}}}{P_{\mathrm{ref}}}\right|\times 100\%---\left(8\right)$

注入电网的有功功率仍然含有低频分量，在满足风电接入电力系统的标准的 前提下，也就是满足允许有功波动值δ，这些低频波动分量可通过相应的调峰机 组进行平抑，即当前电网的旋转备用容量，

设定波动阈值θ，如果允许有功波动值δ的偏差的绝对值大于ε，即 |δ-θ|＞ε，则再次返回调整周期直至结果收敛；如果允许有功波动值δ的偏差的 绝对值小于或等于ε，即|δ-θ|≤ε，则结束本次调整，其中ε为足够小。简单的 说，该过程就是循环对P_out做调整，直至逼近P_ref。

6.调整后所对应的弃风功率能够合理量化得到

风电场可发的有功功率通过风电场协调控制装置采用低通滤波原理，控制注 入上网有功功率，而被合理的弃掉的风电有功功率，则为风电场协调控制装置在 时间上的积分，其在S域中的表达式如下所示：

$P_{\mathrm{dis}}=\frac{1}{s}{P}_{\mathrm{dis}}\left(s\right)=\frac{1}{s}\frac{\mathrm{\tau s}}{1+\mathrm{\tau s}}{P}_W\left(s\right)=\frac{\tau }{1+\mathrm{\tau s}}{P}_W\left(s\right)---\left(9\right)$

变换到时间域中的表达式为

$P_{\mathrm{dis}}\left(t\right)=e^{-t/\tau }\times P_W\left(t\right)={\int }_0^t{e}^{-t/\tau }{P}_W(t-u)\mathrm{du}---\left(10\right)$

弃掉的风电有功功率可以用于制热，制热由于热惯性较大对于电源稳定要求 不高，可以置换同等功率的电热功率，弃掉的风电有功功率也可以用于电站蓄电 池充电，用于电站储能和自用。

τ的设计必须能够有效的平抑风电功率波动，因此，τ的取值越大平抑效果 越显著，允许导通的频率分量越低，因而注入电网的功率变化率也越小，使得整 个功率输出更为平滑。