一种风电机组中长期有功协调控制的仿真模型和方法

摘要

本发明提供一种风电机组中长期有功协调控制的仿真模型和方法，仿真模型包括依次连接的输入信号接收模块、信号选择处理模块、工作点确定模块和选择执行模块；输入信号接收模块接收输入的风电机组的调度安排出力计划曲线和AGC实时调控指令信号；信号选择接收模块得到风电机组的目标出力；工作点确定模块确定风电机组的目标出力对应的转速；选择执行模块确定风电机组的运行区域，选择对风电机组进行桨距角控制或者有功功率控制。本发明提供的模型和方法，能够反映风电机组主动参与电力系统有功、频率的调整，及配合AGC和调度计划出力进行调峰的过程，为研究风电机组并网后的动态行为提供依据。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统仿真建模领域，具体涉及一种风电机组中长期有功协调控制的仿真 模型和方法。

背景技术

近年来，众多大型风电基地的建成投产，大规模风电并网运行，带来巨大经济效益的同 时，也改变了原有的电源结构，风电对电网的影响也越来越大，已不再局限于影响局部地区 电网的无功、电压等，而是上升到影响大电网频率稳定、有功平衡等。因此，电网对大规模 风电接入后的有功控制、调峰、调频等问题提出了更高的要求。

风电的有功功率控制有明确的要求：风电场必须具有功功率调节能力，并能根据电网调 度部门指令控制其有功功率输出；同时要求风电场安装有功功率控制系统，能够接收调度部 门远方发送的有功出力控制信号并自动执行，以此来限制风电场最大输出功率及功率变化率。 而风机厂家、调度部门等对风电机组的有功控制与AGC的协调控制能力也进行了开发和改 进，现在风电场已具备一定的有功调控能力，并可与电网AGC及调度安排计划相配合，主动 响应系统的调频、调峰等需求。

在实际工程中，对大规模风电场接入电网的动态行为进行仿真计算和分析时，仍然缺少 相应的风电机组的有功功率自动控制及风电场与电网AGC相配合的模型。仿真计算仅停留在 模拟风电出力的波动对电网的影响，以及故障暂态过程中风电自身的行为，而不能根据调度 安排计划及自动有功控制对风电机组出力的要求，将较长时间尺度内风电的响应过程模拟出 来。现有的研究也主要集中在风电的随机性和波动性对接入电网的影响，以及风电机组与 AGC的协调控制方法、调度安排风电出力的策略及风电场AGC控制模型等方面。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种适用于风电机组中长期有功协调控制的仿真模型 和方法，仿真模型包括依次连接的输入信号接收模块、信号选择处理模块、工作点确定模块 和选择执行模块；

所述输入信号接收模块接收输入的风电机组的调度安排出力计划曲线和AGC实时调控 指令信号；

所述信号选择接收模块根据所述调度安排出力计划曲线或者所述AGC实时调控指令信 号得到所述风电机组的目标出力P_i；

所述工作点确定模块根据所述风电机组的运行特性P-ω曲线确定所述风电机组的目标 出力P_i对应的转速ω_i；

所述选择执行模块根据所述风电机组的目标出力P_i和转速ω_i确定所述风电机组的运行区 域，根据所述风电机组的运行区域选择对所述风电机组进行桨距角控制或者有功功率控制。

本发明提供的第一优选实施例中：所述风电机组的调度安排的出力计划曲线是由调度部 门根据当前风电场运行情况，结合风功率预测和负荷预测情况，制定的在未来一段时间内的 风电出力曲线；

所述调度安排的出力计划中包含固定的长期安排出力计划和可变的短期调度出力计划；

制定的所述出力计划曲线形式包括：分段斜坡函数、正弦波函数或两者的合成曲线以及 离散的单点形式；

所述AGC实时调控指令信号包括：电网中AGC通过检测电网频率的偏移，自动对常规 机组及风电的出力进行实时调控的信号。

本发明提供的第二优选实施例中：所述信号选择接收模块包括与输入的计划出力曲线信 号相连的开关量K₁和与输入的AGC实时调控指令信号相连的开关量K₂；

所述信号选择接收模块根据所述调度安排出力计划曲线或者AGC实时调控指令信号得 到所述风电机组的目标出力P_i的方法为：

设置K₁=1时K₂=0或者K₁=0时K₂=1两种情况，通过输出P_i＝K₁*P_J+K₂*P_A得到所述风 电机组的目标出力P_i为所述调度安排出力计划的目标出力P_J或所述AGC实时调控指令中的 目标出力P_A。

本发明提供的第三优选实施例中：所述信号选择接收模块对所述目标出力P_i设定限幅值， 设定的上限P_max为所述风电机组额定有功功率，下限P_min为0或电网调度运行要求的最小出 力。

本发明提供的第四优选实施例中：所述风电机组的运行区域包括：起动区、最大风能追 踪区、恒转速区和恒功率区；

根据所述有功功率P_i及其对应的转速ω_i，判断所述风电机组的运行区域的方法为：

当未达到额定转速时，所述风电机组处于最大风能追踪区；

当转速达到额定转速，而功率未达到额定功率时，所述风电机组处于恒转速区；

所述选择执行模块选择桨距角控制模块或者有功功率控制模块两个中的一个对所述风电 机组进行控制，来达到对所述风电机组进行桨距角控制或者有功功率控制的目的；

所述选择执行模块包括与桨距角控制模块相连的开关量K₃和与有功功率控制模块相连 的开关量K₄，根据所述风电机组的运行区域选择对所述风电机组进行桨距角控制或者有功功 率控制的方法为：

如果所述风电机组处于所述最大风能追踪区，将开关量K₃置为0，K₄置为1，选择所述 有功功率控制模块控制所述风电机组；

如果所述风电机组处于所述恒转速区，将开关量K₃置为1、K₄置为0，选择所述桨距角 控制模块控制所述风电机组。

本发明提供的第五优选实施例中：所述风电机组处于所述最大风能追踪区时，将所述风 电机组目标出力对应的转速ω_i作为目标转速ω_X，通过调节所述风电机组的转速来控制功率的 变化，使所述风电机组转速按照所述目标转速ω_X变化；

所述风电机组处于所述恒转速区时，通过调节桨距角来控制功率的变化，维持转速恒定， 调节控制量为有功偏差ΔP_X，ΔP_X＝K₃*(P_i-P₀)，其中P₀为有功参考值。

本发明提供一种风电机组中长期有功协调控制的仿真方法，包括：

步骤S1，接收输入的风电机组的调度安排出力计划曲线和AGC实时调控指令信号，通 过所述调度安排出力计划曲线或者AGC实时调控指令信号得到所述风电机组的目标出力P_i；

步骤S2，根据风电机组的运行特性P-ω曲线确定所述风电机组的目标出力P_i对应的转 速ω_i；

步骤S3，根据所述风电机组的目标出力P_i和转速ω_i确定所述风电机组的运行区域，根据 所述风电机组的运行区域选择对所述风电机组进行桨距角控制或者有功功率控制

本发明提供的第七优选实施例中：所述步骤S1中，所述风电机组的调度安排的出力计划 曲线是由调度部门根据当前风电场运行情况，结合风功率预测和负荷预测情况，制定的在未 来一段时间内的风电出力曲线；

所述调度安排的出力计划中包含固定的长期安排出力计划和可变的短期调度出力计划；

制定的所述出力计划曲线形式包括：分段斜坡函数、正弦波函数或两者的合成曲线以及 离散的单点形式；

所述AGC实时调控指令信号包括：电网中AGC通过检测电网频率的偏移，自动对常规 机组及风电的出力进行实时调控的信号；

根据需要人为选择通过调度安排出力计划曲线或者AGC实时调控指令信号得到所述风 电机组的目标出力P_i，得到的所述风电机组的目标出力P_i为所述调度安排出力计划的风电机 组的目标出力P_J或者所述AGC实时调控指令中的风电机组的目标出力P_A。

本发明提供的第八优选实施例中：所述步骤S1中还包括对所述目标出力P_i设定限幅值， 设定的上限P_max为风电机组额定有功功率，下限P_min为0或电网调度运行要求的最小出力。

本发明提供的第九优选实施例中：所述步骤S3中所述风电机组的运行区域包括起动区、 最大风能追踪区、恒转速区和恒功率区；

所述步骤S3中根据有功功率P_i及其对应的转速ω_i，判断该风电机组的运行区域的方法 为：

当未达到额定转速时，所述风电机组处于最大风能追踪区；

当转速达到额定转速，而功率未达到额定功率时，所述风电机组处于恒转速区；

所述步骤S3中根据所述风电机组的运行区域选择对所述风电机组进行桨距角控制或者 有功功率控制的方法为：

所述风电机组处于最大风能追踪区时，将所述风电机组目标出力对应的转速作为目标转 速，通过调节所述风电机组的转速来控制功率的变化，使风电机组转速按照目标值ω_X变化， ω_X＝ω_i。

所述风电机组处于恒转速区时，通过调节桨距角来控制功率的变化，维持转速恒定，调 节控制量为有功偏差ΔP_X，ΔP_X＝K₃*(P_i-P₀)，其中P₀为有功参考值。

本发明提供的一种风电机组中长期有功协调控制的仿真模型和方法的有益效果包括：

1、本发明提供的一种风电机组中长期有功协调控制的仿真模型和方法，针对现有技术中 对风电的仿真主要集中在风电场的随机性和波动性对电网的影响，缺少对单台风电机组的有 功协调控制仿真，提供一种风电机组有功协调控制的仿真模型和方法，将调度安排出力计划 和AGC实时调控指令配合使用选择得到风电机组的目标计划值，根据该风电机组的目标计划 值选择控制风电机组的转速和桨距角来实现有功出力的调节，使风电机组的有功出力较好地 按照既定的功率目标变化。能够反映风电机组主动参与电力系统有功、频率的调整，及配合 AGC和调度计划出力进行调峰的过程，为研究风电机组并网后的动态行为提供的依据。

2、该仿真模型和方法特别适用于风电机组的中长期有功协调控制，其时间尺度较长（一 般数分钟至几小时），可以反映风电机组出力的快速变化及较长时间的慢速变化过程；同时 模型也支持时间尺度较短的暂态过程。

3、仿真模型用简单、通用的模块实现了模型的输入、合成、判断、选择、置位及输出等 过程，可灵活地根据工程实际、调度要求及研究的需要，定义目标出力曲线，控制风电机组 的有功功率按既定的目标变化。

4、在对风电机组有功控制过程的仿真中，以风机自身运行特性及电网的要求作为限制条 件，使仿真更真实地反映了实际工程中风电机组的运行和调控情况。

附图说明

如图1所示为本发明提供的一种风电机组中长期有功协调控制的仿真模型的结构示意 图；

如图2所示为本发明提供的一种风电机组中长期有功协调控制的仿真模型的实施例的结 构示意图；

如图3所示为调度安排出力计划的不同波动曲线模拟图；

如图4所示为变速恒频风电机组关于P-v的运行区域示意图；

如图5所示为变速恒频风电机组关于P-ω的运行区域示意图；

如图6所示为将有功偏差ΔP_X控制量输出到桨距角控制模块的实施例的示意图；

如图7所示为将转速定值ω_X的控制量输出到有功功率控制模块的实施例的示意图；

如图8所示为本发明提供一种风电机组中长期有功协调控制的仿真方法的流程图。

具体实施方式

下面根据附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

本发明提供一种风电机组中长期有功协调控制的仿真模型和方法，仿真模型的结构示意 图如图1所示，由图1可知，该仿真模型包括依次连接的输入信号接收模块、信号选择处理 模块、工作点确定模块和选择执行模块。

输入信号接收模块接收输入的该风电机组的调度安排出力计划曲线和AGC实时调控指 令信号。

信号选择接收模块根据调度安排出力计划曲线或者AGC实时调控指令信号得到风电机 组的目标出力P_i，该选择的结果可以根据需要人为设置。

工作点确定模块根据该风电机组的运行特性P-ω曲线确定该风电机组的目标出力P_i对 应的转速ω_i。

选择执行模块根据风电机组的目标出力P_i和转速ω_i确定该风电机组的运行区域，根据风 电机组的运行区域选择对该风电机组进行桨距角控制或者有功功率控制。

实施例一：

本发明提供的实施例一为一种风电机组中长期有功协调控制的仿真模型的实施例，如图2 所示为本发明提供的一种风电机组中长期有功协调控制的仿真模型的实施例的结构示意图。

在该实施例一中，接收输入的风电机组的调度安排的出力计划曲线是由调度部门根据当 前风电场运行情况（包括风速、风电机组出力等），并结合风功率预测和负荷预测情况，制 定在未来一段时间内的风电出力曲线，该调度安排出力计划中既包含固定的长期安排出力计 划（以风电出力年计划和日计划为参考），又包含可变的短期调度出力计划。该制定的出力 计划曲线形式如图3所示，包括：分段斜坡函数、正弦波函数或两者的合成曲线；另外还有离 散的单点形式，即指定不同时间点出力的具体数值。

另外，适用于中长期动态仿真的时间一般在数分钟到几小时，对于时间尺度更长的仿真 一般不考虑，因此使用的调度安排计划出力也不宜规定太长的时间范围，因此风电的年度出 力计划和日出力计划只用作安排出力计划的参考（见图3中的虚线）。

而AGC实时调控指令信号包括：电网中AGC通过检测电网频率的偏移，自动对常规机 组及风电的出力进行实时调控的信号。现有的中长期动态仿真程序中，已建立了实用的AGC 模型，可以将仿真模拟的AGC指令信号作为风电机组有功协调控制仿真模型的输入量。

根据输入信号接收模块接收到的调度安排出力计划曲线和AGC实时调控指令信号，可以 得到调度安排出力计划的风电机组的目标出力P_J和AGC实时调控指令中的风电机组的目标 出力P_A。

信号选择接收模块包括与输入的计划出力曲线信号相连的开关量K₁和与输入的AGC实 时调控指令信号相连的开关量K₂。信号选择接收模块根据调度安排出力计划曲线或者AGC 实时调控指令信号得到风电机组的目标出力P_i的方法为：

设置K₁=1时K₂=0或者K₁=0时K₂=1两种情况，通过输出P_i＝K₁*P_J+K₂*P_A得到该风电 机组的目标出力P_i为调度安排出力计划的目标出力P_J或AGC实时调控指令中的目标出力 P_A。

优选的，由于风电机组长期运行在额定功率以下，并受到风速、电网运行状态及调度要 求的影响，该信号选择接收模块还可以对目标出力P_i设定限幅值，其设定的上限P_max为风电 机组额定有功功率，下限P_min为0或电网调度运行要求的最小出力。

每个风电机组都有各自的运行特性P-ω曲线，该P-ω曲线可以从风电机组本身出厂参 数或者运行过程的数据得到。

工作点确定模块对目标出力P_i在P-ω曲线上找到对应的转速ω_i，从而确定风电机组的 运行状态，即其所处的运行区域。如图4和图5所示分别为变速恒频风电机组关于P-v和 P-ω的运行区域示意图，由图4和图5可知，变速恒频风电机组的运行状态分为四个区域来 实施控制：起动区、最大风能追踪区、恒转速区和恒功率区。

图4和图5中，AB段是起动区，通过变桨矩控制调节机组的转速，使其保持恒定或在一 个允许的范围内变化，在定子电压满足并网条件时进行并网操作；而DE段是恒功率区，风 电机组达到额定功率，处于恒转速恒功率运行状态，在图5的P-ω曲线上表现为同一运行点 D、E。这两个区域由于无法根据目标出力控制风电机组转速和功率的变化，所以不考虑。

根据有功功率及其对应的转速，判断当未达到额定转速时，风电机组处于最大风能追踪 区，即BC段，风电机组定桨距变速运行，因此可以将目标出力对应的转速作为目标转速， 来控制风电机组转速的变化；当转速达到额定转速，而功率未达到额定功率时，风电机组处 于恒转速区，即CD段，风电机组固定在最大转速上变桨矩运行，因此可以通过桨距角控制 系统调节风电机组出力的变化。

选择执行模块选择桨距角控制模块或者有功功率控制模块两个中的一个对风电机组进行 控制，来达到对风电机组进行桨距角控制或者有功功率控制的目的。具体的，选择执行模块 包括与桨距角控制模块相连的开关量K₃和与有功功率控制模块相连的开关量K₄：

如果风电机组处于最大风能追踪区，是定桨矩、变转速运行状态，控制系统保持桨距角 不变，通过调节机组的转速来控制功率的变化，因此选择有功功率控制模块，此时将开关量K₃置为0，K₄置为1；

如果风电机组处于恒转速区，风电机组已达到最高转速，由控制系统调节桨距角来控制 功率的变化，维持转速恒定，因此选择桨距角控制模块，此时将开关量K₃置为1、K₄置为0。

选择的有功控制执行模块不同，其模型需要的控制量也不同。若选择桨距角控制模块， 其控制有功变化的控制量为有功偏差ΔP_X，计算ΔP_X＝K₃*(P_i-P₀)，其中P₀为有功参考值； 若选择有功功率控制模块，其控制量为转速定值ω_X，使转速按照既定的目标变化，计算 ω_X＝K₄*ω_i。

将控制量输出到相应的桨距角控制模块或者有功功率控制模块时，需注意该模块控制量 的注入点，由具体的模型所决定，如图6和图7所示分别为将有功偏差ΔP_X或转速定值ω_X的 控制量输出到桨距角控制模块或者有功功率控制模块的实施例的示意图。

另外，在处理输入信号时，目标出力P_i是经过限幅后的值，与初始的调度安排计划和AGC 指令信号可能有差距，因此需要将目标出力P_i与AGC指令信号P_A的偏差ΔP_A＝P_i-P_A返回系 统，用以AGC对下一步的指令进行修正。

本发明提供一种风电机组中长期有功协调控制的仿真方法，如图8所示为该方法的流程 图，由图8可知，该方法包括：

步骤S1，接收输入的风电机组的调度安排出力计划曲线和AGC实时调控指令信号，通 过该调度安排出力计划曲线或者AGC实时调控指令信号得到该风电机组的目标出力P_i。

步骤S2，根据风电机组的运行特性P-ω曲线确定该风电机组的目标出力P_i对应的转速 ω_i。

步骤S3，根据风电机组的目标出力P_i和转速ω_i确定该风电机组的运行区域，根据该风电 机组的运行区域选择对该风电机组进行桨距角控制或者有功功率控制。

实施例二：

本发明提供的实施例二为一种风电机组中长期有功协调控制的仿真方法的实施例，在该 实施例二中，步骤S1中的调度安排出力计划曲线是由调度部分根据当前风电场运行情况（包 括风速、风电机组出力等），并结合风功率预测和负荷预测情况，制定在未来一段时间内的 风电出力曲线。该调度安排出力计划中包含固定的长期安排出力（以风电出力年计划和日计 划为参考）和可变的短期调度计划。调度安排出力计划曲线的形式包括分段斜坡函数、正弦 波函数或两者的合成曲线以及离散的单点形式。

步骤S1中的AGC实时调控指令信号包括：电网中AGC通过检测电网频率的偏移，自 动对常规机组及风电的出力进行实时调控的信号。

步骤S1中可以根据需要人为选择是通过调度安排出力计划曲线还是AGC实时调控指令 信号得到该风电机组的目标出力P_i，得到的风电机组的目标出力P_i为调度安排出力计划的风 电机组的目标出力P_J或者AGC实时调控指令中的风电机组的目标出力P_A。

优选的，步骤S1中还可以对目标出力P_i设定限幅值，其设定的上限P_max为风电机组额定 有功功率，下限P_min为0或电网调度运行要求的最小出力。

步骤S3中风电机组的运行区域包括起动区、最大风能追踪区、恒转速区和恒功率区。

步骤S3中根据有功功率P_i及其对应的转速ω_i，判断该风电机组的运行区域的方法为：

当未达到额定转速时，风电机组处于最大风能追踪区；

当转速达到额定转速，而功率未达到额定功率时，风电机组处于恒转速区。

步骤S3中根据该风电机组的运行区域选择对该风电机组进行桨距角控制或者有功功率 控制的方法为：

风电机组处于最大风能追踪区时，将风电机组目标出力对应的转速作为目标转速，通过 调节风电机组的转速来控制功率的变化，使风电机组转速按照目标值ω_X变化，ω_X＝ω_i。

风电机组处于恒转速区时，通过调节桨距角来控制功率的变化，维持转速恒定，调节控 制量为有功偏差ΔP_X，ΔP_X＝K₃*(P_i-P₀)，其中P₀为有功参考值。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照 上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本 发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等 同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。