一种风电参与电力系统调频的控制方法及其系统与流程

本发明涉及风力发电技术领域，更具体地，涉及一种风电参与电力系统调频的控制方法及其系统。

背景技术：

截止到2015年底，全球风电新增装机容量已达63.013GW，世界风电总装机容量已经突破430GW，电网中风电渗透率不断提高，给电力系统频率调节带来了新的问题。利用变频器控制的风电机组，若不附加控制将不能参与系统频率调整；风电机组通常在最大功率点(Maximum Power Point,MPP)运行，无法提供有功备用，不具备像同步机一样的调频能力，不能保证系统的安全稳定运行。

目前，关于风电参与系统调频的控制策略学者们进行了大量的研究。主要的控制策略有转子动能控制和功率备用控制。转子动能控制通过控制转子转速，释放旋转转子中的动能来支持系统频率。其具体的实现方法有虚拟惯性控制、下垂控制和综合惯性控制。功率备用控制通过桨距角控制或者超速控制使风电机组减载运行，留出备用用于参与系统频率调整。转子动能控制响应速度快，但只能在动态过程中提供频率支撑，持续时间短，对大的负荷扰动无法提供足够的支撑，同时转速在恢复过程中容易造成频率的二次降低；桨距角控制能够提供一次频率备用，但需要频繁的改变桨距角，会加剧机械部分的磨损，减小风机的使用寿命；对于超速控制，风速很高的情况下无法实现超速控制，同时降额运行与经济性相矛盾。

技术实现要素：

为了解决上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明提供一种风电参与电力系统调频的控制方法及其系统。

本发明所提供的一种风电参与电力系统调频的控制方法，所述方法包括利用转子动能控制和蓄电池储能系统调控所述电力系统的频率。

优选地，转子动能控制与蓄电池储能系统并联于所述电力系统的同一母线处，共同来调控所述电力系统的频率。

优选地，所述转子动能控制采用下垂控制和虚拟惯性控制调控所述电力系统的频率。

优选地，所述转子动能控制采用下垂控制和虚拟惯性控制调控所述电力系统的频率的具体步骤为：

基于系统频率偏差，利用所述下垂控制得到ΔP₁；

基于系统频率变化率，利用所述虚拟惯性控制得到ΔP₂；

以获得所述风电系统的额外的有功参考信号ΔP，且ΔP＝ΔP₁+ΔP₂。

优选地，所述转子动能控制调控频率在0～ΔP_max范围内波动的所述电力系统，所述蓄电池储能系统调控频率在0～ΔP_max范围外波动的所述电力系统，其中，ΔP_max为ΔP的最大值。

优选地，所述蓄电池储能系统通过线路并入所述电力系统中；所述蓄电池储能系统包括：多个蓄电池经过并联和/或串联形成的蓄电池组、变流器和变压器。

优选地，所述蓄电池采用内阻等值模型，所述模型包括一个理想的电压源E₀和一个等效内阻r，两者的关系满足下式：

其中，V₀为蓄电池的端电压，I为流过所述蓄电池的电流值。

优选地，所述蓄电池储能系统还包括PQ控制模块，利用所述蓄电池储能系统调控系统频率的具体步骤为：

基于并网处的电压、频率、有功功率和无功功率，利用PQ控制模块控制所述变流器，调节所述电力系统的频率。

优选地，利用所述蓄电池储能系统调控所述电力系统的频率的具体步骤还包括：

基于并网处的频率，使用下垂控制策略调整所述频率。

优选地，所述蓄电池储能系统还包括PI调节器，利用所述蓄电池储能系统调控系统频率的具体步骤为：

将风电场出口处母线输出的有功功率与参考有功功率的差值经过PI调节器产生d轴参考电流信号；

将风电场出口处母线输出的电压与参考电压的差值经过PI调节器产生q轴参考电流信号；

基于所述d轴参考电流信号和所述q轴参考电流信号，控制所述变流器输出的交流电压幅值和相位，控制所述蓄电储能系统输出的有功功率，从而调控所述电力系统的输出频率。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种风电参与电力系统调频的控制系统，所述控制系统包括转子动能控制模块和蓄电池储能系统。

优选地，所述控制系统还包括风电机组，其中，所述转子动能控制模块设于所述风电机组内部；所述风电机组与所述蓄电池储能系统各自经过变压器并联于同一母线处。

优选地，所述控制系统还包括变频器控制系统，所述变频器控制系统用于输出经所述转子动能控制模块控制后的出入有功信号。

优选地，蓄电池储能系统通过线路并入所述电力系统中；所述蓄电池储能系统包括：多个蓄电池经过并联和/或串联形成的蓄电池组、变流器和变压器。

本申请提出的风电参与电力系统调频的控制方法及系统，基于转子动能控制和蓄电池储能系统共同作用，能够利用蓄电池储能系统快速吐纳能量的能力，抑制频率波动，减小系统的稳态频率偏差，提高动态频率响应能力。蓄电池储能系统弥补了转子动能控制的不足；同时转子动能控制能够充分发挥了风机本身的调频能力，充分利用了风能，减小了储能系统的配置容量，提高了风场运行的经济性。即使系统风电渗透率较高，较大的负荷扰动的情况下，该控制方法也能够发挥较好的作用效果，能够维持系统频率稳定。本发明的方法及系统增强了电力系统的惯性，减缓了系统负荷扰动引起的频率波动过程。

附图说明

图1为根据本发明一个优选实施例中转子动能控制原理图；

图2为根据本发明一个优选实施例中蓄电池储能系统的模型图；

图3为根据本发明一个优选实施例中蓄电池储能系统的控制框架结构图；

图4为根据本发明一个优选实施例中蓄电池储能系统的频率控制框图；

图5为根据本发明一个优选实施例中蓄电池储能系统的控制框图；

图6为根据本发明实施例1仿真系统模型图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明所提供了一种风电参与电力系统调频的控制方法，该方法包括利用转子动能控制和蓄电池储能系统调控电力系统频率。

本发明创新地将转子动能控制和蓄电池储能系统结合来调控有风电参与调频的电力系统的频率，其中，使用转子动能控制可以充分利用风场自身的调节作用，也保证了风场的经济运行；蓄电池储能系统响应速度快、规模灵活、能量密度大、易维护、寿命长，正好可以弥补转子动能控制策略的不足，可以极大地改善系统频率响应特性。

在本发明中，转子动能控制模块与蓄电池储能系统并联于同一母线处，共同来调控电力系统频率。

在风电参与的电力系统中，通常含有风电机组，将转子动能控制模块设于风电机组中，风电机组与蓄电池储能系统各自经过变压器并联于同一母线处，来实现共同调控电力系统频率。

在本发明中，风电机组优选为双馈风电机组。

其中，转子动能控制通过控制转子转速，释放旋转转子中的动能来支持系统频率，其具体的实现方法有虚拟惯性控制、下垂控制和综合惯性控制。在本发明中，较优选地选用综合惯性控制(包括下垂控制和虚拟惯性控制)来支持系统频率，即调控系统频率。

在该电力系统中还包括变频器控制系统，用于输出经转子动能控制后的出入有功信号。

当整个系统有外部干扰时，即在系统频率降低的时候，转子动能控制强行使风电参与的系统中风机转子转速减小，风机转子动能转化为电能，用于支持系统频率；在系统频率升高的时候，转子动能控制使风机转子转速增大，风机转子吸收能量，抑制系统频率的上升。

为了充分发挥虚拟惯性控制和下垂控制的优势，在一个具体实施例中，优选将系统频率偏差和频率变化率引入电力系统的风电机组有功功率控制环，如图1所示，即，转子动能控制采用下垂控制和虚拟惯性控制调控系统频率的具体步骤为：基于系统频率偏差，利用所述下垂控制得到ΔP₁；基于系统频率变化率，利用所述虚拟惯性控制得到ΔP₂；以获得所述风电系统的额外的有功参考信号ΔP，且ΔP＝ΔP₁+ΔP₂。即，

其中，K₁、K₂分别为虚拟惯性控制系数和下垂控制系数，为频率变化率，Δf为频率偏差。

如图1所示，f为系统频率，f_r为参考频率。其中参考频率是指在系统未受干扰稳定运行时的频率，通常为电网运行时的额定频率。系统频率偏差经过下垂控制环节形成ΔP₁，系统频率变化率经过虚拟惯性控制环节形成ΔP₂，二者之和ΔP为额外的有功参考信号。根据最大风力跟踪曲线，得到在该转速下的最大有功功率参考值P_MPPT，P_MPPT与额外的有功参考信号ΔP共同构成变频器控制系统功率参考值P_ref，见图1。其中，图1中的变频器控制系统指整个电力系统的变频器。当在控制整个电力系统频率变化时，在电力系统中装有变频器，转子动能控制设在风电机组内，风电机组与蓄电池储能系统各自经过变压器并联于同一母线处，变频器设在母线处，用于输出转子动能控制的出入有功信号。

在本发明的一个实施例中，转子动能控制调控频率在0～ΔP_max范围内波动的电力系统，所述蓄电池调控频率在0～ΔP_max范围外波动的电力系统。即对负荷在0～ΔP_max范围内，使用转子动能控制提供频率支撑，从而调控电力系统频率。对负荷在超过上述范围时，使用蓄电池储能系统提供频率支撑，调控系统频率。其中，ΔP_max为ΔP的最大值。

本发明的转子动能控制与蓄电池储能系统并联于同一母线处。当系统发生负荷扰动时，转子动能控制立刻作用，当转子动能控制不足以支撑时，即在0～|ΔP_max|范围外时，储能系统将会发生作用。

上述控制可以通过蓄电池储能系统的死区设置来实现。当频率变化位于死区之内时，只有转子动能控制作用；当越过死区时，转子动能无法满足系统调频需求，此时蓄电池储能系统就会发生作用。

在本发明中，蓄电池蓄能系统可以包括多个蓄电池经过并联和/或串联形成的蓄电池组、变流器和变压器。其中，蓄电池储能系统通过线路并入电力系统中。本发明的多个指2个或2个以上。

其中，每个蓄电池可以采用内阻等值模型，所述模型包括一个理想的电压源E₀和一个等效内阻r，两者的关系满足下式：

在上述公式中，V₀为蓄电池的端电压，I为流过所述蓄电池的电流值。

将上述简化的蓄电池经过并、串联后形成蓄电池组，再依次经过变流器、变压器和线路并入电力系统中，构成蓄电池储能系统，如图2所示。

在本发明中，为了更加充分发挥风电机组的作用，蓄电池储能系统还可以包括PQ控制模块，本发明可以基于并网处的电压、频率、有功功率和无功功率，利用PQ控制模块控制蓄电池储能系统中的变流器，从而调节电力系统的频率。

如图3所示，经测量装置测得蓄电池储能系统并网处的电压、频率、有功功率和无功功率，均经过PQ控制模块对蓄电流储能系统的变流器进行控制，从而参与系统的频率调节。

为了能更快地的做出响应的调整，针对测量得到的并网处的频率，还可以使用下垂控制策略，该策略模拟同步发电机的一次调频的功-频静态特性曲线，将系统实际频率f与参考频率f₀(参考频率为电力系统正常运行时的频率值)的偏差df经过死区形成蓄电池储能系统的有功参考信号f_dead，再乘以功-频系数得到蓄电池储能系统的有功参考值P_ref，即使蓄电池储能系统能够根据系统的频率变化，做出相应的调整，支撑系统频率，如图4所示。

当电力系统频率发生变化时，储能系统的有功参考值发生相应的变化，经过变流器控制后，储能系统相应的输出或者吸收有功，对系统频率进行频率支撑。

在实施例中，变流器以蓄电池储能系统出口处母线输出的有功功率和电压作为控制信号，将其与参考值进行比较后形成控制风电场有功功率解耦控制、无功功率解耦控制的控制信号，如图5所示。其中P_in、V_in分别为风电场出口处(即蓄电池储能系统出口处)母线输出的有功功率和电压，P_ref、V_ref为有功功率参考信号和电压参考信号，即在负荷扰动发生前的并网母线处的功率值和电压值。P_in与参考有功功率P_ref的差值dp经过一个惯性环节再经过PI调节器产生d轴参考电流信号I_{d_ref}；实际电压V_in与参考电压V_ref的电压偏差dv一边经过惯性环节和死区，一边经过积分环节共同作用产生q轴参考电流信号I_{q_ref}进而对变流器输出的交流电压幅值和相位进行控制，从而控制储能系统输出的有功功率。

基于本发明的方法，在实施例中还提供了一种风电参与电力系统调频的控制系统，该系统包括转子动能控制模块和蓄电池储能系统。

其中，该系统包括风电机组，所述转子动能控制模块设于风机内部；风电机组与蓄电池储能系统各自经过变压器并联于同一母线处。

其中，所述控制系统还包括变频器控制系统，所述变频器控制系统用于输出经所述转子动能控制模块控制后的出入有功信号。

其中，所述蓄电池储能系统还包括死区的设置，当系统频率的变化值位于死区之内时，转子动能控制调控电力系统频率；当系统频率的变化值越过死区时，蓄电池储能系统调控电力系统频率。

其中，蓄电池储能系统包括多个蓄电池经过并联和/或串联形成的蓄电池组、变流器和变压器；蓄电池储能系统通过线路并入电力系统中。

其中，可以将蓄电池组、变流器和变压器依次并入电力系统中构成本发明的蓄电池储能系统。

单个蓄电池优选为采用内阻等值模型的蓄电池。

在蓄电池储能系统中还包括电压测量模块、频率测量模块、PQ测量模块、PQ控制模块。其中，电压测量模块用于测量并网处的电压，频率测量模块用于测量并网处的频率，PQ测量模块用于测量并网处的有功功率和并网处的无功功率，PQ控制模块用于根据电压、频率、有功功率和无功功率对变流器进行控制，从而参与系统的频率调节。

在蓄电池储能系统中还包括频率控制模块，用于使用下垂控制策略调整频率。

在蓄电池储能系统中还包括PI调节器，用于根据风电场出口处母线输出的有功功率与参考有功功率的差值产生d轴参考电流信号和根据风电场出口处母线输出的电压与参考电压的差值产生q轴参考电流信号。

实施例1

仿真研究采用的是经典的4机2区域系统，如图6所示。该系统含有11个节点，含有转子动能控制的风场和蓄电池储能系统分别经过变压器并入B₂号母线上，蓄电池储能系统的配置容量为30MVA，风场为200MW(2MW×100)，风速恒为8m/s。G₁、G₂、G₃的容量均为800MW且配备了调速器和电力系统稳定器。系统负荷L₁，L₂大小分别为1600MW，900MW；L₀为扰动负荷。整个仿真过程持续15s，在5s时刻系统负荷发生扰动。仿真对比了无频率控制、转子动能控制、蓄电池储能系统以及二者联合控制的频率响应特性。

在5s时刻系统负荷发生5％扰动，系统的频率会降低，经过一段时间后会再次稳定。以5％的负荷扰动为例，无控制作用下，系统的最大频率偏差为0.17062Hz，经过转子动动控制之后，最大频率偏差为0.15900Hz，提高了0.01162Hz；在蓄电池储能系统的作用下，最大频率偏差为0.12691Hz，提升了0.04371Hz；两种控制方式的联合作用下，最大频率偏差为0.11778Hz，提高了0.05284Hz。这说明了转子动能控制联合储能系统控制策略的有效性，同时证明联合控制能够进一步提升最低点的频率，减小最大频率偏差，提高频率稳定性。综上所述，利用转子动能控制和蓄电池储能系统结合的方式能够改善在负荷扰动时系统频率的动态响应特性。其中两者结合的方式作用效果明显优于蓄电池储能系统单独作用和转子动能控制单独作用。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。