考虑风电功率注入的电网综合调频控制方法与流程

本发明涉及电网调频
技术领域：
，尤其涉及一种考虑风电功率注入的电网综合调频控制方法。
背景技术：
：随着全球经济发展对电力需求的快速增长和可持续发展的要求，风力发电技术顺势而生。风能作为一种可再生能源且绿色环保，利用风能发电有利于全球经济可持续发展。我国国土面积辽阔，风能资源丰富。在全球大力开发风力发电技术的大流下，我国的风电发电也迅速发展。我国局部地区电网的风电渗透率已经超过了20％。随着风电技术的日趋成熟，风电成本越来越低，我国并网大容量风电机组得到迅速发展，可以与传统的同步发电机组一起并网使用。然而，风电固有的随机性、间歇性和波动性的特点使得大容量风电场对电网的动态稳定、调频调压等方面都产生了显著的不利影响。例如，在DFIG(Double-FedInductionGenerator，双馈式感应发电机)中，DFIG的控制系统使其转速与电网频率解耦，导致转子旋转动能中的“隐含惯量”对接入电网的惯量几乎没有贡献，因而在一定程度上影响甚至恶化了电网的频率调节效应。当电网中的风电渗透率不断增大时，这些影响也会越来越明显，以至威胁到整个电网的安全运行。近年来，国内外学者对风机参与电网调频开展了大量研究并提出了许多控制措施。针对风力发电机的频率响应特性与传统同步发电机不同的问题，有文献对风机并网后电网的频率响应特性进行了仿真和分析，从转子磁链角度入手，提出通过控制DFIG转子磁链位置来控制转子转速的变化，从而控制风电机组的出力。另有文献在双馈感应风力发电机控制系统中引入频率响应环节，通过控制风机出力使得风机产生“模拟惯量H”，使风电场在一定程度上参与频率调节。指出用附加模拟惯量控制可能导致风力发电机失稳，提出了可调频风机与传统风机协调的频率控制方法。然而，以上研究给出的实际上是“模拟惯量H”对一次调频的控制，并没有考虑调频时风机利用率、弃风率、风速等动态因素的影响，上述研究中的风机一次调频往往只能进行短暂的调频支援。技术实现要素：为克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种考虑风电功率注入的电网综合调频控制方法。本发明方法通过分析风机参与调频的基本原理，建立描述风电场渗透率、参与调频风机所占比例以及风机的频率调节系数和利用率之间关系的数学模型，利用该数学模型建立风电场综合调频模型。本发明的调频方法在该综合调频模型的基础上，确定风机参与调频的最佳风速范围，通过选择最佳风速范围内和最佳风速范围附近的风机参与调频，能保证用最少的调频风机的数量和最小的弃风率获得较佳的调频效果，从而可以保证可调频风机提供持续的调频支援，大大改善了风机的调频效果。根据本发明实施例的第一方面，提供一种考虑风电功率注入的电网综合调频控制方法，包括：步骤1，通过建立描述风电场渗透率、参与调频的风电机组所占比例、风机的频率调节系数和利用率之间关系的数学模型，来建立风电场综合调频数学模型，其中，风电场渗透率为风电场总功率与电网中总负荷功率的比值，参与调频的风电机组所占比例为参与调频的风电机组功率与风电场总功率之比，风机的频率调节系数为风电机组调频出力变化量与电网频率和电网额定功率之间的偏差之比，风机的利用率为参与调频的风电机组实际功率与其最大功率之比；步骤2，确定不同的风电场渗透率下参与调频的风电机组所占最小比例，利用所述参与调频的风电机组所占最小比例来确定参与调频的风机数量m，m为大于1的整数；步骤3，测量风电机组中各个风机所接收到的风速；步骤4，根据该综合调频数学模型，在保证风机利用率和调频能力的基础上确定风机参与调频的最佳风速范围；步骤5，选择风速处于最佳风速范围内的风机参与调频；步骤6，如果选择参与调频的风机的数量小于m，则从风速不高于最佳风速范围内的风速的风机之中，按照风速依次减小的顺序选择风机参与调频；步骤7，如果选择参与调频的风机数量仍小于m，则从风速高于最佳风速范围内的风速的风机之中，按照风速依次增大的顺序选择风机参与调频。根据本发明的一个实施例，步骤1可以包括：步骤101，根据风电场参与一次调频的基本原理，建立风电场渗透率、电网频率和电网额定功率之间的偏差、参与调频的风电机组所占比例、负荷功率动态变化量之间关系的数学模型：设风电场总功率Pwt接入后，电网中同步发电机组的功率为PG，电网中总负荷功率为PL，则Pwt+PG＝Pwt+γPGN＝PL(1)式中，PGN为同步发电机组的额定容量，γ＝PG/PGN为同步发电机组的利用率，根据电网的频率一次调整特性，风电参与调频时若系统负荷功率动态变化量为ΔPL，则稳态情况下有：ΔPG+ΔPw-ΔPL＝KTΔf(2)式中，ΔPG和ΔPw分别为同步发电机组的调频出力变化量和风电机组的调频出力变化量，Δf为所述电网频率和电网额定频率之间的偏差，KT为电网的总频率调节系数，进一步得KT＝KG+KL+Kw(3)式中，KG、Kw和KL分别为同步发电机的频率调节系数、所述风机的频率调节系数和负荷的频率调节系数，单位均为MW/Hz，KG为同步发电机组的调频出力变化量ΔPG与电网频率和电网额定频率之间的偏差Δf之比，Kw为风电机组的调频出力变化量ΔPw与电网频率和电网额定频率之间的偏差Δf之比，KL为负荷功率动态变化量ΔPL与电网频率和电网额定频率之间的偏差Δf之比，定义所述风电场渗透率ξ为所述风电场总功率Pwt与所述总负荷功率PL的比值，ξ＝Pwt/PL(4)定义所述参与调频的风电机组所占比例η为参与调频的风电机组功率Pw与所述风电场总功率Pwt之比，即η＝Pw/Pwt(5)根据式(1)-(5)求出以及KG、Kw和KL分别为式中，fN为电网额定频率，σG和σw为同步发电机和风机的调差系数，KL*为负荷的频率调节系数的标幺值，为1.5％，进一步地，求出所述总频率调节系数KT的标幺值和以负荷功率为基值的总调差系数σT为：将式(3)和(7)代入式(8)，并整理得：式中，等号右边第1项表示同步发电机的频率调差作用，第2项表示风电并网且参与调频后对电网频率调差系数的影响，其大小不影响电网中同步发电机的频率调差作用，第3项表示负荷的频率调节系数的标幺值，风电机组的调频出力变化量ΔPw为当系统负荷发生动态变化ΔPL时，若要确保电网频率和电网额定频率之间的偏差的绝对值|Δf|≤0.2Hz，根据式(2)得ΔPw≥KTΔf-ΔPG+ΔPL＝(KT-KG)Δf+ΔPL(11)当同步发电机的频率调节系数KG和系统总频率调节系数KT恒定时，所述负荷功率动态变化量ΔPL将由风电机组的调频出力变化量ΔPw全部承担，设最大负荷动态变化率ε为ε＝ΔPL/PL(12)由式(10)-(11)看出，当所述风电场渗透率ξ一定时，根据所述负荷功率动态变化量ΔPL确定所述参与调频风电机组的最小比例η及相应情况下最大负荷动态变化率ε；步骤102，建立风机的综合调频能力数学模型，参与调频的风电机组功率Pw表达式为式中，ρ是空气密度，S是风轮掠过面积，CP是风能利用率，v是风速，定义风机的利用率β为参与调频的风电机组功率Pw与风电机组最大功率Pwm之比，即β＝Pw/Pwm(14)定义风机的功率储备系数Kp为风电机组的调频出力变化量ΔPw与风电机组最大功率Pwm之比，即式中，Kp取值范围为10％-20％，进一步地，由式(13)-(15)推出由式(10)知，当所述风电场渗透率ξ确定且风机全部参与调频时，可将其视为单个风电机组参与电网调频，即ξ为定值，η＝1，则将式(10)代入式(16)，整理得式(17)表明：在同一风速下，当电网频率与电网额定功率之间的偏差一定时，风机的调差系数σw越大，风机的利用率β越大，即风机的调频能力与风机利用率成反比，为了使参与调频风电机组在保证调频能力的基础上尽量发挥风机的最大利用效率，对不同风速下参与调频风力发电机的综合调频系数K作如下定义：K＝α1Kw(η,ξ)+α2β(18)式中，Kw为与风电场调频比例η和风电场的渗透率ξ相关的频率调节系数，见式(7)，α1、α2为可优化的实数，α1、α2根据电网具体情况来确定，如果需要保证电网中风机的调频能力，α1所占比例较大，如果需要保证电网中风机的利用率，则α2所占比例较大。根据本发明的一个实施例，步骤2包括：通过将风速不断升高至风机可接受的最大风速，调整参与调频的风电机组所占比例，使电网频率保持在限定范围以内，来确定所述参与调频的风电机组所占最小比例。根据本发明的一个实施例，步骤4包括，步骤401，在给定风速下，将风电机组接入系统，增大负荷功率，使电网频率相比于电网额定频率下降0.2Hz，测量风机有功出力；步骤402，同一系统中，将风电机组换为参与调频风电机组，测量负荷功率变化相同情况下电网频率与电网额定频率之间的偏差的最大值和风机参与调频前的有功出力；步骤403，结合步骤101、步骤102中的公式和以上测量值，得到给定风速下所述参与调频风机的频率调节系数Kw及所述利用率β；步骤404，改变风速，执行步骤401至步骤403，从而得到不同风速下参与调频风机的频率调节系数Kw及利用率β。根据本发明的一个实施例，步骤4还包括：步骤405，根据不同风速下的所述参与调频风机的频率调节系数Kw及所述利用率β，所述参与调频风电机组所占最小比例，基于公式(18)确定不同风速下的风机的所述综合调频系数K；步骤406，根据不同风速下的风机的所述综合调频系数K和所述利用率β，在保证风机的所述利用率β和综合调频能力的基础上确定风机参与调频的所述最佳风速范围。根据本发明的一个实施例，考虑风电功率注入的电网综合调频控制方法，还包括对参与调频的风电机组进行调频控制，具体为：转子转速控制，通过对参与调频的风机的转子转速进行调速，来调节电网的频率；模拟惯量控制，通过调整风电机组控制策略，使风电机组模拟同步发电机的频率响应特性参与电网调频；下垂控制，风电机组通过模拟同步发电机调速器的动作原理，来调节电网的频率；转速保护控制，当风机被过度调频导致转子转速低于最低转速时，将电网的额外有功功率变化量设置为0，使得被过度调频的风机不参与调频；功率判定控制，当参与调频的风机的功率超过风机所提供的备用功率时，将电网的额外有功功率变化量设置为最大值，使得超过风机所提供的备用功率的风机不参与调频；桨距角控制，当参与调频的风机风速高于额定值时，不参与调频。综上所述，本发明的实施例提供了一种考虑风电功率注入的电网综合调频控制方法，包括：步骤1，通过建立描述风电场渗透率、参与调频的风电机组所占比例、风机的频率调节系数和利用率之间关系的数学模型，来建立风电场综合调频数学模型，其中，所述风电场渗透率为风电场总功率与电网中总负荷功率的比值，所述参与调频的风电机组所占比例为参与调频的风电机组功率与风电场总功率之比，所述风机的频率调节系数为风电机组调频出力变化量与电网频率和电网额定频率之间的偏差之比，风机的所述利用率为参与调频的风电机组功率与风电机组最大功率之比；步骤2，确定不同的风电场渗透率下参与调频的风电机组所占最小比例，利用所述参与调频的风电机组所占最小比例来确定参与调频的风机数量m，m为大于1的整数；步骤3，测量风电机组中各个风机所接收到的风速；步骤4，根据所述综合调频数学模型，在保证风机的所述利用率和调频能力的基础上确定风机参与调频的最佳风速范围；步骤5，选择风速处于所述最佳风速范围内的风机参与调频；步骤6，如果选择参与调频的风机的数量小于m，则从风速不高于所述最佳风速范围内的风速的风机之中，按照风速依次减小的顺序选择风机参与调频；步骤7，如果选择参与调频的风机数量仍小于m，则从风速高于所述最佳风速范围内的风速的风机之中，按照风速依次增大的顺序选择风机参与调频。由此可见，考虑风电功率注入的电网综合调频控制方法通过分析风机参与调频的基本原理，建立描述风电场渗透率、参与调频风机所占比例以及风机的频率调节系数和利用率之间关系的数学模型，并提出了相应的参与调频风机模型和风机参与调频的控制方法。本发明通过建立风机综合调频模型和基于该综合调频模型对风机参与调频进行控制，能保证用最少的调频风机的数量和最小的弃风率获得较佳的调频效果，从而可以保证可调频风机提供持续的调频支援，大大改善了风机的调频效果。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。附图说明此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是根据本发明的一个实施例的考虑风电功率注入的电网综合调频控制方法的流程示意图；图2是根据本发明的一个实施例的图1的步骤1的流程示意图；图3是根据本发明的一个实施例的图1的步骤4的流程示意图；图4是根据本发明的一个实施例的超速法控制原理图；图5是根据本发明的一个实施例的风机参与调频的控制模型传递函数框图；图6是根据本发明的一个实施例的桨距角控制模型传递函数框图；图7是根据本发明的一个实施例的云南部分地区电网地理接线图；图8是根据本发明的一个实施例的风速波形图；图9是根据本发明的一个实施例的不同风机渗透率下电网频率响应曲线图；图10是根据本发明的一个实施例的风机参与调频后的电网频率响应曲线图；图11是根据本发明的一个实施例的4机2区域电网模型结构图；图12是根据本发明的一个实施例的风机的等值调频系数Kw、综合调频系数K和风能利用系数β的图；图13是根据本发明的一个实施例的10m/s风速下电网频率对比图；图14是根据本发明的一个实施例的10m/s风速下有功功率对比图。具体实施方式这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。图1是根据本发明的一个实施例的考虑风电功率注入的电网综合调频控制方法的流程示意图。如图1所示，考虑风电功率注入的电网综合调频控制方法可以包括如下步骤：步骤1，通过建立描述风电场渗透率、参与调频的风电机组所占比例、风机的频率调节系数和利用率之间关系的数学模型，来建立风电场综合调频数学模型，其中，所述风电场渗透率为风电场总功率与电网中总负荷功率的比值，所述参与调频的风电机组所占比例为参与调频的风电机组功率与风电场总功率之比，所述风机的频率调节系数为风电机组调频出力变化量与电网频率和电网额定频率之间的偏差之比，风机的所述利用率为参与调频的风电机组功率与风电机组最大功率之比；步骤2，确定不同的风电场渗透率下参与调频的风电机组所占最小比例，利用所述参与调频的风电机组所占最小比例来确定参与调频的风机数量m，m为大于1的整数；步骤3，测量风电机组中各个风机所接收到的风速；步骤4，根据所述综合调频数学模型，在保证风机的所述利用率和调频能力的基础上确定风机参与调频的最佳风速范围；步骤5，选择风速处于所述最佳风速范围内的风机参与调频；步骤6，如果选择参与调频的风机的数量小于m，则从风速不高于所述最佳风速范围内的风速的风机之中，按照风速依次减小的顺序选择风机参与调频；步骤7，如果选择参与调频的风机数量仍小于m，则从风速高于所述最佳风速范围内的风速的风机之中，按照风速依次增大的顺序选择风机参与调频。图2是根据本发明的一个实施例的图1的步骤1的流程示意图。如图2所示，根据本发明的一个实施例，步骤1可以包括如下步骤：步骤101，根据风电场参与一次调频的基本原理，建立所述风电场渗透率、电网频率和电网额定频率之间的偏差、所述参与调频的风电机组所占比例、负荷功率动态变化量之间关系的数学模型：设风电场总功率Pwt接入后，电网中同步发电机组的功率为PG，电网中总负荷功率为PL，则Pwt+PG＝Pwt+γPGN＝PL(1)式中，PGN为同步发电机组的额定容量，γ＝PG/PGN为同步发电机组的利用率，根据电网的频率一次调整特性，风电参与调频时若系统负荷功率动态变化量为ΔPL，则稳态情况下有：ΔPG+ΔPw-ΔPL＝KTΔf(2)式中，ΔPG和ΔPw分别为同步发电机组的调频出力变化量和风电机组的调频出力变化量，Δf为所述电网频率和电网额定频率之间的偏差，KT为电网的总频率调节系数，进一步得KT＝KG+KL+Kw(3)式中，KG、Kw和KL分别为同步发电机的频率调节系数、所述风机的频率调节系数和负荷的频率调节系数，单位均为MW/Hz，KG为同步发电机组的调频出力变化量ΔPG与电网频率和电网额定频率之间的偏差Δf之比，Kw为风电机组的调频出力变化量ΔPw与电网频率和电网额定频率之间的偏差Δf之比，KL为负荷功率动态变化量ΔPL与电网频率和电网额定频率之间的偏差Δf之比，定义所述风电场渗透率ξ为所述风电场总功率Pwt与所述总负荷功率PL的比值，ξ＝Pwt/PL(4)定义所述参与调频的风电机组所占比例η为参与调频的风电机组功率Pw与所述风电场总功率Pwt之比，即η＝Pw/Pwt(5)根据式(1)-(5)求出以及KG、Kw和KL分别为式中，fN为电网额定频率，σG和σw为同步发电机和风机的调差系数，KL*为负荷的频率调节系数的标幺值，为1.5％，进一步地，求出所述总频率调节系数KT的标幺值和以负荷功率为基值的总调差系数σT为：将式(3)和(7)代入式(8)，并整理得：式中，等号右边第1项表示同步发电机的频率调差作用，第2项表示风电并网且参与调频后对电网频率调差系数的影响，其大小不影响电网中同步发电机的频率调差作用，第3项表示负荷的频率调节系数的标幺值，风电机组的调频出力变化量ΔPw为当系统负荷发生动态变化ΔPL时，若要确保电网频率和电网额定频率之间的偏差的绝对值|Δf|≤0.2Hz，根据式(2)得ΔPw≥KTΔf-ΔPG+ΔPL＝(KT-KG)Δf+ΔPL(11)当同步发电机的频率调节系数KG和系统总频率调节系数KT恒定时，所述负荷功率动态变化量ΔPL将由风电机组的调频出力变化量ΔPw全部承担，设最大负荷动态变化率ε为ε＝ΔPL/PL(12)由式(10)-(11)看出，当所述风电场渗透率ξ一定时，根据所述负荷功率动态变化量ΔPL确定所述参与调频风电机组的最小比例η及相应情况下最大负荷动态变化率ε；步骤102，建立风机的综合调频能力数学模型，参与调频的风电机组功率Pw表达式为式中，ρ是空气密度，S是风轮掠过面积，CP是风能利用率，v是风速，定义风机的利用率β为参与调频的风电机组功率Pw与风电机组最大功率Pwm之比，即β＝Pw/Pwm(14)定义风机的功率储备系数Kp为风电机组的调频出力变化量ΔPw与风电机组最大功率Pwm之比，即式中，Kp取值范围为10％-20％，进一步地，由式(13)-(15)推出由式(10)知，当所述风电场渗透率ξ确定且风机全部参与调频时，可将其视为单个风电机组参与电网调频，即ξ为定值，η＝1，则将式(10)代入式(16)，整理得式(17)表明：在同一风速下，当电网频率与电网额定功率之间的偏差一定时，风机的调差系数σw越大，风机的利用率β越大，即风机的调频能力与风机利用率成反比，为了使参与调频风电机组在保证调频能力的基础上尽量发挥风机的最大利用效率，对不同风速下参与调频风力发电机的综合调频系数K作如下定义：K＝α1Kw(η,ξ)+α2β(18)式中，Kw为与风电场调频比例η和风电场的渗透率ξ相关的频率调节系数，见式(7)，α1、α2为可优化的实数，α1、α2根据电网具体情况来确定，如果需要保证电网中风机的调频能力，α1所占比例较大，如果需要保证电网中风机的利用率，则α2所占比例较大。另外，根据本发明的一个实施例，步骤2可以包括：通过将风速不断升高至风机可接受的最大风速，调整参与调频风电机组所占比例，使电网频率在限定范围以内，来确定参与调频的风电机组所占最小比例。图3是根据本发明的一个实施例的图1的步骤4的流程示意图。如图3所示，根据本发明的一个实施例，步骤4可以包括确定风机处于不同风速的频率调节系数Kw及利用率β，具体为：步骤401，在给定风速下，将风电机组接入系统，增大负荷功率，使电网频率相比于电网额定频率下降0.2Hz，测量风机有功出力。步骤402，同一系统中，将风电机组换为参与调频风电机组，测量负荷功率变化相同情况下电网频率与电网额定频率之间的偏差的最大值和风机参与调频前的有功出力。步骤403，结合步骤101、步骤102中的公式和以上测量值，得到给定风速下所述参与调频风机的频率调节系数Kw及所述利用率β。步骤404，改变风速，执行步骤401至步骤403，从而得到不同风速下参与调频风机的频率调节系数Kw及利用率β。根据本发明的一个实施例，如图3所示，步骤4还可以包括：步骤405，根据不同风速下的所述参与调频风机的频率调节系数Kw及所述利用率β，所述参与调频风电机组所占最小比例，基于公式(18)确定不同风速下的风机的所述综合调频系数K。步骤406，根据不同风速下的风机的所述综合调频系数K和所述利用率β，在保证风机的所述利用率β和综合调频能力的基础上确定风机参与调频的所述最佳风速范围。根据本发明的一个实施例，考虑风电功率注入的电网综合调频控制方法，还包括对参与调频的风电机组进行调频控制，如图5和图6所示，具体为：转子转速控制，通过对参与调频的风机的转子转速进行调速，来调节电网的频率；模拟惯量控制，通过调整风电机组控制策略，使风电机组模拟同步发电机的频率响应特性参与电网调频；下垂控制，风电机组通过模拟同步发电机调速器的动作原理，来调节电网的频率；转速保护控制，当风机被过度调频导致转子转速低于最低转速时，将电网的额外有功功率变化量设置为0，使得被过度调频的风机不参与调频；功率判定控制，当参与调频的风机的功率超过风机所提供的备用功率时，将电网的额外有功功率变化量设置为最大值，使得超过风机所提供的备用功率的风机不参与调频；桨距角控制，当参与调频的风机风速高于额定值时，不参与调频。下面结合图4至图6对本发明的电网综合调频控制方法的应用原理作简单的描述。图4是根据本发明的一个实施例的超速法控制原理图。图中根据风机的运行特性得到不同风速时定桨距控制下输出功率PT与转速ω的关系，连接不同风速下的最大功率点可得到最佳功率Popt曲线(MPPT曲线)。设风速为v1时风电机组稳定运行于图2中A点，当风速突然减小为v2瞬间，系统有功减小，频率降低；由于机组巨大的机械惯性使转速仍保持在ωw1处不会突变；此时风机输出功率已由A点的PA突变为风速为v2上B点对应的PB，而发电机的电磁功率保持为PA，轴上多余的机械功率释放迫使机组转速下降，风机输出机械功率沿曲线BC上升。为了使系统频率升高，提高输出功率，则需要调节转差角速度，使风机参考速度为ωw2。当多余的机械功率释放完后，风机重新平衡于点C，风机输出功率保持为PC，频率上升。风速增加时控制方法类似，如图中的点E、D、F所示。根据风电参与调频的原理，本文设计了完整的频率控制模型如图5所示。该模型主要包括5个部分，即：(1)转子转速控制模块；(2)模拟惯量控制模块；(3)下垂控制模块；(4)转速保护及功率判定模块；(5)桨距角控制模块。图3中，转速保护的目的是避免风机过度调频而导致转子转速低于最小值ωmin，当转速降至ωmin时，电网需将额外有功ΔPf设置为0，使其不再参与电网调频。功率判定模块是避免参与调频的功率Pf’超过风机所提供的备用功率ΔP。当Pf’达到最大值ΔPmax时，电网将额外有功ΔPf设置为ΔPmax，也不再参与调频。桨距角控制模块主要用于风速高于额定值的情况，其模型如图6所示。具体地，关于转子转速控制，通过对参与调频的风机的转子转速进行调速，来调节电网的频率。关于模拟惯量控制，传统的风电机组按照追踪最大功率点(MPPT)运行的方式发电，其转子转速与电网频率是解耦的，不能像同步发电机一样参与电网调频。而为了使风电机组具备频率响应能力，参与电网调频，通过调整风电机组控制策略，使风电机组模拟同步发电机的频率响应特性参与电网调频。本发明通过将风电机组通过模拟同步发电机转动惯量特性参与电网频率调整，风电机组可模拟常规同步发电机惯量特性运行。关于下垂控制，电力系统有功功率缺失会引起系统频率下降，促使同步发电机组转速下降，调速器动作，从而增加同步发电机组有功出力。这种同步发电机组输出功率随系统频率下降而增加的特性称为同步发电机组的频率下垂特性。风电机组的下垂控制是指风电机组模拟同步发电机调速器的动作原理，来进行调频。关于转速保护控制，当风机被过度调频导致转子转速低于最低转速时，将电网的额外有功功率变化量设置为0，使得被过度调频的风机不参与调频；关于功率判定控制，当参与调频的风机的功率超过风机所提供的备用功率时，将电网的额外有功功率变化量设置为最大值，使得超过风机所提供的备用功率的风机不参与调频；关于桨距角控制，当参与调频的风机风速高于额定值时，不参与调频。下面结合图7至图14的仿真结果对本发明的应用效果作详细的说明。通过仿真来验证方法的正确性。本发明以云南某片区的部分电网为例，图7为电网主要接线图。其中，罗平山、马鞍和大龙潭为风电场，容量分别为48.75(39×1.25)MW、49.5(33×1.5)MW、49.5(33×1.5)MW，螺丝湾、兰坪、龙底和雪邦山为水电站，容量分别为200MW、70MW、10MW、15MW。可见风电装机容量将近150MW，占总容量的25％左右，在该片区渗透率相对较大。将3个风电场的所有风机各自等效为一个风力发电机，可得到3个等值的风电机组，令等值风电机组的输入风速如图8所示。1、不同渗透率风电对电网频率影响图9是根据本发明的一个实施例的不同风机渗透率下电网频率响应曲线图。设t＝70s时，节点6的负荷突然增大。为验证风电渗透率的增加对电网频率的影响，在总负荷及总出力不变的情况下，对风电渗透率分别为10％、20％、30％的3种情况下做仿真研究，得到电网的频率响应曲线如图9所示。可以看出，低风速下的阵风对电网频率影响越大，频率恢复得越慢，电网频率受随机风速影响的波动也越大。风速较高时，风电机组在60s-70s时有功功率即可达最大值，系统的总出力相等。因此，由于风机不参与调频，风电渗透率越大，电网惯性越小，不利于电网的一次调频能力。2、可参与调频的风电机组代替传统的风电机组将上述的可参与调频的风电机组代替传统的风电机组，比较风机渗透率为20％时的电网频率变化特性如图10所示。图10是根据本发明的一个实施例的风机参与调频后的电网频率响应曲线图。可以看出，风机参与调频后有效地减小了电网频率的变化率以及频率的稳态误差，且削弱了随机风速对频率的影响，但因风机需要一定的功率储备，故在负荷增大前的利用率略有下降。本发明另外在Matlab/Simulink中建立了4机2区域电网模型如图11所示。该电网由4台额定功率为900MW的同步发电机组成，在母线5处接入1台等值额定容量为300×1.5MW的风电机组WF，L1和L2分别为两区域的电网负荷，负荷总容量为3000MW。1、分析不同渗透率下风机所占比例以及风机的综合调频能力，首先给定如下假设条件：1)稳定运行时风速为风机可接受的最小风速；2)电网频率保持在50Hz，频率偏差不超过±0.2Hz；3)所有类型风机输入风速保持一致。2、不同渗透率下风机所占比例尽管风电参与电网调频关注的是发电侧频率稳定问题，但负荷侧的负荷频率调节效应也通过系数KL予以考虑，见式(7)。为了使风电能够参与电网调频且尽量充分利用风力发电，并获得不同风电渗透率下可调频风机所占的最小比例，采用的具体方法如下：1)将风速不断升高至风机可接受的最大风速，调整可调频风机所占比例，使电网频率在限定范围以内，从而确定可调频风机所占最小比例η；2)电网运行稳定后，在t＝35s时令负荷L1突增300MW，在不超过频率限定范围内，确定电网所能承受的最大负荷变化率ε。设定步长为5％，使风电在电网中的渗透率不断增大，得到不同渗透率下可调频风机所占比例如下面的表一。表一：渗透率ξ(％)风机比例η(％)负荷变化率ε(％)54.36.941016.510.091528.613.562040.217.282555.421.963076.828.89可见，随着渗透率ξ的增加，需要增加可调频风机所占比例η才能有效控制电网的频率波动，且负荷变化率ε随之增大，与实际情况相符。不过，可调频风机比例η过大会也会减小风电的利用率。3、不同风速下风机的综合调频能力利用图11所示模型，在负荷突变相同的情况下，利用步骤102的方法分别研究可调频风机从最小风速6m/s到最大风速15m/s的等值调频系数Kw及风机利用系数β，如图12所示。针对本文例子，为保证风机的调频能力，通过综合考虑，给出了式(22)中系数α1＝2和α2＝1，得到不同风速下可调频风力发电机的综合调频系数K如图12。风机为传统风机及可调频风机2种情况下得出的频率及功率变化曲线如图13和14，其中Δf1、Δf2分别为风机参与和不参与调频时的频率变化量。图12的曲线说明，等值调频系数Kw随风速的增大而增大，风速为12m/s即风机额定风速时，Kw达到最大值；风机利用率β随着风速增大而减小，在风速为13m/s时β达到最小值。当风机处于额定风速以上运行时，通过桨距角控制释放风能，可使各参数基本保持不变。在风速为10-12m/s的范围内，可调频风机的综合调频能力和风机利用率较高，因此，选定10-12m/s为最佳风速范围。由风机利用率β得，风速在10-12m/s的范围内弃风率保持在5％-35％以内，符合当前弃风的标准。因此，应使风电场中在10-12m/s下运行的风电机组优先参与调频。综上所述，考虑风电功率注入的电网综合调频控制方法通过分析风机参与调频的基本原理，建立描述风电场渗透率、参与调频风机所占比例以及风机的频率调节系数和利用率之间关系的数学模型，并提出了相应的参与调频风机模型和风机参与调频的方法。本发明通过建立风机综合调频模型和基于该综合调频模型对风机参与调频进行控制，本发明的调频方法在该综合调频模型的基础上，确定风机参与调频的最佳风速范围，通过选择最佳风速范围内和最佳风速范围附近的风机参与调频，能保证用最少的调频风机的数量和最小的弃风率获得较佳的调频效果，从而可以保证可调频风机提供持续的调频支援，大大改善了风机的调频效果。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本
技术领域：
中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。当前第1页1 2 3