一种风电场参与电网调频的有功功率控制方法

摘要

本发明公开了一种风电场参与电网调频的有功功率控制方法，根据风电机组的运行工况将风电机组分为临界机组、低风速区机组和高风速区机组，根据电网的实时频率偏差和风电场有功功率可调整值，对有功调度功率进行修正，得到风电场参与电网调频的有功功率修正值，然后根据风电机组的类型将有功功率修正值分配给各台类型的风电机组，各类风电机组按照一定顺序参与调频。本发明以风电场为对象，使之在一定频率偏差范围参与电网调频，并根据机组不同运行工况和风电机组有功可调整量，考虑调频量在机组间的合理分配的有功功率控制方法，使风电场可以快速响应，尽量减少电网频率偏差。

说明书

技术领域

本发明属于风电场有功功率控制技术领域，更为具体地讲，涉及一种风电 场参与电网调频的有功功率控制方法。

背景技术

频率是电网最重要的运行参数之一，影响着发供电设备以及用户的用电设 备本身的安全和效率。频率表征着电网有功功率的供求平衡关系，当总发电功 率大于总耗电功率，频率上升；反之，则下降。各种系统突发事件(如大型负荷 突然切入切出)会造成一定的频率变化。由于风电渗透水平逐渐增高，风电场具 有参与电网调频的辅助能力显得尤为重要。将风电场纳入电网调度体系，实现 风电场有功功率控制，并使之具备一定的辅助调频能力，是风电场并网运行的 发展需求，也是风电并网的电网规范要求。

目前国内外研究人员主要对风力发电机组参与电网调频展开了一系列探 讨，以风电场整体作为研究对象参与电网调频的讨论较少。即使是对于风电场 参与电网调频的研究，也多着眼于风电场与电网之间的功率传输控制，比较缺 乏对于风电场调频量在机组间的分配的讨论。目前风电场有功功率分配算法常 用的是平均分配算法，但这种分配方法有一个主要缺点是没有考虑风力发电机 组的工作状况、风力发电机组具备的发电能力等实际情况。然而如果不考虑机 组的运行工况，造成功率分配不当，会造成频率效果不佳或者降低输出功率的 稳定性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种风电场参与电网调频的 有功功率控制方法，使风电场快速响应，实现对电网频率偏差的调节。

为实现上述发明目的，本发明风电场参与电网调频的有功功率控制方法包 括以下步骤：

S1：如果风电机组运行参数达到预设的临界运行判定条件，则将该机组判 定为临界机组，统计所有临界机组的总有功功率输出P₁；在正常运行机组中，如 果风电机组的风机转速小于等于阈值，则将该机组判定为低风速区机组，统计 所有低风速区机组的有功功率输出P₂，如果风电机组的风机转速大于阈值，则 将该机组判定为高风速区机组，统计所有高风速区机组的总有功功率输出P₃；

S2：获得电网的实时频率偏差Δf和电网对风电场的有功调度功率P₀，其中 Δf＝f-f_N，f为电网实时频率，f_N为电网额定频率；

S3：如果|Δf|≤Δf_limt0，Δf_limt0表示频率偏差阈值，进入步骤S4，否则进入步骤 S5；

S4：各风电机组保持当前的有功功率输出不变；

S5：如果|Δf|＞Δf_limt1，Δf_limt1为电网允许的频率偏差，进入步骤S6，否则进入 步骤S7；

S6：根据以下公式计算风电场的有功功率修正值P_WFref：

$P_{WFref}=\left(\begin{array}{cc}{P}_{WF\min },& \Delta f>{\mathrm{\Delta f}}_{\lim t1}\\ P_{WFmax},& \Delta f<-{\mathrm{\Delta f}}_{\lim t1}\end{array}\right)$

其中，P_WFmin表示整个风电场的有功功率输出最小值，P_WFmax表示整个风电场 的有功功率输出最大值；

当P_WFref＝P_WFmin时，各台风电机组按照其有功功率输出最小值进行输出，当 P_WFref＝P_WFmax时，各台风电机组按照其有功功率最大值进行输出；

S7：根据以下公式计算风电场的有功功率修正值P_WFref：

$P_{WFref}=\left(\begin{array}{cc}{P}_{WF\min },& P_0+K\Delta f<P_{WF\min }\\ P_0+K\Delta f,& P_0+K\Delta f\in [P_{WF\min },P_{WF\max }]\\ R_{WF\max },& P_0+K\Delta f>P_{WF\max }\end{array}\right)$

其中，K表示修正系数，是根据实际需要预设的负常数；

然后按照根据以下方法进行有功功率分配：

S7.1：如果f＞f_N，进入步骤S7.2，否则进入步骤S7.4；

S7.2：如果P_WFref≥P_WFout，P_WFout＝P₁+P₂+P₃，各风电机组保持当前的有功功率 输出不变，否则进入步骤S7.3；

S7.3：计算有功功率输出降低值ΔP＝P_WFout-P_WFref，如果P₁≥ΔP，将临界机组 停机，其他机组保持原来运行状态继续正常运行；如果P₁＜ΔP，先将临界机组停 机，计算低风速区机组的有功功率输出降低值ΔP₂＝ΔP-P₁，如果ΔP₂≤ΔP_2total，ΔP_2total 表示低风速区机组所能降低的最大功率值，将有功功率输出降低值ΔP₂分配给低 风速区机组的各台风电机组；如果ΔP₂＞ΔP_2total，各台风电机组按照其有功功率最 小值进行输出，计算高风速区机组的有功功率输出降低值为ΔP₃＝ΔP₂-ΔP_2total，如 果ΔP₃≤ΔP_3total，ΔP_3total表示高风速区机组所能降低的最大功率值，将有功功率输 出降低值ΔP₃分配给高风速区机组的各台风电机组，否则高风速区机组中各台风 电机组按照其有功功率最小值进行输出；

S7.4：如果P_WFref≤P_WFout，各风电机组保持当前的有功功率输出不变，否则进 入步骤S7.5；

S7.5：计算有功功率输出升高值ΔP′＝P_WFref-P_WFout，如果ΔP′≤ΔP′_2total，ΔP′_2total表 示低风速区机组所能升高的最大功率值，将有功功率输出升高值ΔP′分配给低风 速区机组的各台风电机组；如果ΔP′＞ΔP′_2total，各台风电机组按照其有功功率最大 值进行输出，计算高风速区机组的有功功率升高值为ΔP′₃＝ΔP′-ΔP′_2total，如果 ΔP′₃≤ΔP′_3total，ΔP′_3total表示高风速区机组所能升高的最大功率值，将有功功率输出升 高值ΔP₃′分配给高风速区机组的各台风电机组，否则高风速区机组中各台风电机 组按照其有功功率输出最大值进行输出。

本发明风电场参与电网调频的有功功率控制方法，根据风电机组的运行工 况将风电机组分为临界机组、低风速区机组和高风速区机组，根据电网的实时 频率偏差和风电场有功功率可调整值，对有功调度功率进行修正，得到风电场 参与电网调频的有功功率修正值，然后根据风电机组的类型将有功功率修正值 分配给各台类型的风电机组，各类风电机组按照一定顺序参与调频。本发明以 风电场为对象，使之在一定频率偏差范围参与电网调频，并根据机组不同运行 工况和风电机组有功可调整量，考虑调频量在机组间的合理分配的有功功率控 制方法，使风电场可以快速响应，尽量减少电网频率偏差。

附图说明

图1是本发明风电场参与电网调频的有功功率控制方法的具体实施方式流 程图；

图2是调频模式II下有功功率分配流程图；

图3是负荷突减7MW的电网频率偏差效果对比图；

图4是负荷突减7MW的风电场有功输出变化效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员 更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和 设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

图1是本发明风电场参与电网调频的有功功率控制方法的具体实施方式流 程图。如图1所示，本发明风电场参与电网调频的有功功率控制方法的具体步 骤包括：

S101：风电机组分类：

由于风电场中各风电机组运行的工况不一样，有功功率调整量也各不相同， 考虑其增加或降低有功输出的能力和响应速度的特点，本发明将风电机组按照 运行工况进行分类，然后再将有功功率修正值P_WFref分配到各类机组，各类机组 按一定顺序参与到调频中。

本发明按风电机组实际运行中的典型工况，将风电场内所有风电机组分为 三类：

临界机组：临界机组存在温度较高或机组振动超出安全范围等问题，处于 临界运行状态，几乎没有升降功率能力，如果风电场运行维护状况良好，该类 机组数量一般较少。设置临界运行判定条件，例如温度阈值或机组振动阈值等， 如果风电机组运行参数达到临界运行判定条件，则将该机组判定为临界机组， 统计所有临界机组的总有功功率输出P₁。

低风速区机组：对于正常运行的机组，可以按照其风机转速分为低风速区 机组和高风速区机组。低风速区机组可以通过控制风机转速，减小或增大风机 吸收的风能，低风速区机组主要通过电气结构调速以达到有功控制，动作快、 惯性时间常数小，可以快速响应电网需求。因此，如果风电机组的风机转速小 于等于阈值，则将该机组判定为低风速区机组，统计所有低风速区机组的有功 功率输出P₂。

高风速区机组：该类风电机组处于恒功率区，由于此区域想改变输出功率 是通过控制桨距角实现，机械结构惯性时间常数较大，响应慢。如果风电机组 的风机转速大于阈值，则将该机组判定为高风速区机组，统计所有高风速区机 组的总有功功率输出P₃。

S102：获取电网参数：

获得电网的实时频率偏差Δf和电网对风电场的有功调度功率P₀，其中 Δf＝f-f_N，f为电网实时频率，f_N为电网额定频率。

本发明需要根据电网的实时频率偏差Δf和风电场有功功率可调整值，对有 功调度功率P₀进行修正，得到风电场参与电网调频的有功功率修正值P_WFref，然 后再根据机组类型进行分配。

S103：判断是否|Δf|≤Δf_limt0，Δf_limt0表示频率偏差阈值，用于规定不参与调频 的允许范围，根据实际情况由人为给定；如果|Δf|≤Δf_limt0，则风电场不参与调频， 进入不动作模式，即进入步骤S104，否则说明|Δf|＞Δf_limt0，需要进行调频，进入 步骤S105。

S104：采用不动作模式：

在不动作模式下，由于频率波动不大，总发电功率和总耗电功率相差不大， 因此为了减少风电机组的调节频率，风电场不参与调频，那么每个风电机组的 输出功率均与上一时刻相同，即保持不变。

S105：进一步判断是否|Δf|＞Δf_limt1，其中Δf_limt1为电网允许的频率偏差，根据 目前的国家标准可得Δf_limt1＝0.2Hz。如果是，进入步骤S106，否则进入步骤S107。

S106：采用调频模式Ⅰ：

根据以下公式计算风电场的有功功率修正值P_WFref：

$P_{WFref}=\left(\begin{array}{cc}{P}_{WF\min },& \Delta f>{\mathrm{\Delta f}}_{\lim t1}\\ P_{WFmax},& \Delta f<-{\mathrm{\Delta f}}_{\lim t1}\end{array}\right)$

其中，P_WFmin表示整个风电场的有功功率输出最小值，P_WFmax表示整个风电场 的有功功率输出最大值。

在调频模式Ⅰ中，由于频率偏差较大，有功功率修正值P_WFref是风电场的极 限值，此时各台机组也只能采用其极限值来进行工作，从而尽量帮助电网进行 频率恢复。也就是说，当P_WFref＝P_WFmin时，各台风电机组按照其有功功率输出最 小值进行输出，当P_WFref＝P_WFmax时，各台风电机组按照其有功功率最大值进行输 出。

S107：采用调频模式II：

根据以下公式计算风电场的有功功率修正值P_WFref：

$P_{WFref}=\left(\begin{array}{cc}{P}_{WF\min },& P_0+K\Delta f<P_{WF\min }\\ P_0+K\Delta f,& P_0+K\Delta f\in [P_{WF\min },P_{WF\max }]\\ R_{WF\max },& P_0+K\Delta f>P_{WF\max }\end{array}\right)$

其中，K表示修正系数，是根据实际需要预设的负常数。

在调频模式II中，需要根据电网实时频率f来选择不同的有功功率分配策 略。图2是调频模式II下有功功率分配流程图。如图2所示，调频模式II下有 功功率分配的具体步骤为：

S201：判断是否f＞f_N，如果是，说明电网频率升高，需要减小风电机组的 有功功率输出，进入步骤S202，否则说明电网频率降低，需要增加风电机组的 有功功率输出，进入步骤S204。

S202：判断是否P_WFref≥P_WFout，P_WFout＝P₁+P₂+P₃，如果是，说明当时有功功率 输出已经有助力于频率降低，各风电机组保持当前的有功功率输出不变，即不 作任何操作，否则进入步骤S203。

S203：降低机组有功功率输出：

各台风电机组降低有功功率输出以配合电网调频，需要降低的有功功率输 出为ΔP＝P_WFout-P_WFref。

为了尽可能的减少机组的频繁动作，根据步骤S101中分类得到的三类机组 的特点，按照临界机组、低风速区机组、高风速区机组的顺序依次参考有功输 出控制。其具体过程为：

如果P₁≥ΔP，那么临界机组停机即可以满足调频要求，因此将临界机组停机， 其他机组保持原来运行状态继续正常运行。

但临界机组的数量一般都很少，一般情况下很难满足要求，因此当P₁＜ΔP时， 除了将临界机组停机外，还需要另外两类机组的参与。由于低风速区机组，在 减少吸收风能完成降低输出功率的任务后，可以通过迅速调节转速回到原来的 运行状态，则优先采用低风速区机组进行调频。

计算低风速区机组的有功功率输出降低值ΔP₂＝ΔP-P₁，将ΔP₂与ΔP_2total进行比 较，ΔP_2total表示低风速区机组所能降低的最大功率值，也就是当前有功功率输出 值与有功功率最小值之间的差值。如果ΔP₂≤ΔP_2total，说明低风速区机组参与后就 能满足调频要求，低风速区机组的有功功率下降值为ΔP₂，将有功功率输出降低 值ΔP₂分配给低风速区机组的各台风电机组。

如果ΔP₂＞ΔP_2total，则说明低风速区机组也不足以满足要求，还需要高风速区 区机组参与，此时低风速区机组中各台风电机组按照其有功功率最小值进行输 出，计算高风速区机组的有功功率输出降低值ΔP₃＝ΔP₂-ΔP_2total，如果ΔP₃≤ΔP_3total， 说明高风速区机组参与后就能满足调频要求，将有功功率输出降低值ΔP₃分配给 高风速区机组的各台风电机组。如果ΔP₃＞ΔP_3total，此时高风速区机组中各台风电 机组按照其有功功率最小值进行输出，此时有功功率调节量已经达到风电场极 限。

将有功功率输出降低值分配到各台风电机组的分配方法可以根据需要进行 选择，考虑单台机组当前在本类机组中的出力比例，本实施例中所采用的分配 公式为：

${\mathrm{\Delta P}}_{ij}=\frac{{\mathrm{\Delta P}}_i}{P_i}{P}_{Wijout}$

其中，ΔPi_j表示第i类机组中第j台风电机组的有功功率输出降低值，由于本 发明中只有低风速区机组和高风速机组存在输出功率降低量分配，因此i＝2,3， j＝1,2,…,N_i，N_i表示第i类机组中的风电机组数量。P_Wijout表示第i类机组中第j台 风电机组当前有功功率输出。

也就是说，在本实施例所采用的有功功率降低量分配中，当某台风电机组 所占本类机组的有功功率输出比例(即P_Wijout/P_i)大，即出力比例越大，所需降 低的功率比例就越大，反之出力比例越小，所需降低的功率比例也就越小。

显然，在降低机组有功功率输出时，第i类机组中第j台风电机组调整后的 有功功率输出修正值P_Wijref＝P_Wijout-ΔP_ij。

S204：判断是否P_WFref≤P_WFout，如果是，说明当时有功功率输出已经有助力于 频率升高，各风电机组保持当前的有功功率输出不变，即不作任何操作，否则 进入步骤S205。

S205：升高机组有功功率输出：

各台风电机组升高有功功率输出以配合电网调频，需要升高的有功输出为 ΔP′＝P_WFref-P_WFout。

由于临界机组运行工况不适合增加有功出力，高风速区机组一般运行于恒 定功率区，即使有的机组降功率运行，留有的有功出力余量也较少，并且区域 想改变输出功率是通过控制桨距角实现，机械结构惯性时间常数较大，响应较 慢，所以不是增加有功出力的首选机组，则以低风速区机组率先参与调频，增 加有功出力。其具体过程为：

将ΔP′与ΔP′_2total进行比较，ΔP′_2total表示低风速区机组所能升高的最大功率值， 也就是当前有功功率输出值与有功功率输出最大值之间的差值。如果 ΔP′≤ΔP′_2total，说明低风速区机组进行调节就能满足调频要求，将有功功率输出升 高值ΔP′分配给低风速区机组的各台风电机组。

如果ΔP′₂＞ΔP′_2total，则说明低风速区机组也不足以满足要求，还需要高风速区 区机组参与，此时低风速区机组中各台风电机组按照其有功功率输出最大值进 行输出，计算高风速区机组的有功功率输出升高值ΔP′₃＝ΔP′-ΔP′_2total，如果 ΔP′₃≤ΔP′_3total，ΔP′_3total表示高风速区机组所能升高的最大功率值，说明高风速区机组 参与后就能满足调频要求，将有功功率输出升高值ΔP′₃分配给高风速区机组的各 台风电机组。如果ΔP′₃＞ΔP′_3total，此时高风速区机组中各台风电机组按照其有功功 率输出最大值进行输出，此时有功功率调节量已经达到风电场极限。

同样地，考虑单台机组当前在本类机组中的出力比例，本实施例中所采用 的有功功率输出升高值的分配公式为：

${\mathrm{\Delta P}}_{ij}^{\prime }=\frac{{\mathrm{\Delta P}}_i^{\prime }}{P_i}{P}_{Wijout}$

其中，ΔP′_ij表示第i类机组中第j台风电机组的有功功率输出升高值。

显然，在升高机组有功功率输出时，第i类机组中第j台风电机组调整后的 有功功率输出修正值P_Wijref＝P_Wijout+ΔP′_ij。

实施例

为了说明本发明的技术效果，将本发明的有功功率控制方法应用于一个拥 有15台风电机组，每台容量为1.5MW的风电场进行仿真验证。假设一开始电 网调度值与风电场有功输出值相等，并与负荷平衡，设置有功功率调度值 P₀＝15MW，负荷功率P_L＝15MW。令调频模式Ⅰ中修正系数K＝-50。以20s时负 荷突减7MW为例说明本发明方法的有效性。

图3是负荷突减7MW的电网频率偏差效果对比图。如图3所示，如果不采 用本发明方法，当负荷突减7MW时，电网频率偏差Δf会上升至0.14Hz，而若 风电场按本发明的方法参与调频，则Δf会在短时间内恢复至0.04Hz。

图4是负荷突减7MW的风电场有功输出变化效果图。如图4所示，为了参 与电网调频，首先临界机组完全切出，然而因为并不能满足调频需求，接着第 低风速区机组参与到调频中来，其总功率从8.1MW降至4.5MW，即所有低风速 区的风电机组降功率至有功功率输出最小值运行点，但仍不能满足修正的有功 参考值，此时高风速区机组也降功率运行，总功率从6.5MW降至5.48MW。

根据图3和图4可以看出，本发明通过设置有功功率，从而有效地实现了 对电网频率的稳定性调节。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域 的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对 本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定 的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发 明创造均在保护之列。