一种计及多种调频控制策略的双馈风机风电场调频容量评估方法与流程

本发明涉及一种风电场调频容量评估方法，尤其是涉及一种计及多种调频控制策略的双馈风机风电场调频容量评估方法。

背景技术：

随着电力系统风电接入规模的不断扩大，电力系统调度问题与运行压力日益凸显，系统调度部门不得不调度传统机组持有更多的调频容量来确保风电的顺利消纳。这一方面增加了传统机组的运行压力以及系统调度运行的复杂性，另一方面减少或抵消了风电并网带来的经济环保效益。随着风机控制技术的提高，风机一定程度上也能够参与系统调频，典型且较为成熟的风机调频控制策略有短时过载控制、降载运行等，其中，短时过载控制又包括低风速下的旋转动能释放策略和高风速下的变流器短时过载策略；降载运行又包括中风速下的超速控制和高风速下的桨距角控制等。

事实上，除了上述的风机层面的控制策略外，风电参与系统调频还将涉及到风场层面和系统层面。其中，风场层主要负责场内风机状态的监测与调控、状态信息的上传及系统调度信息的分配与传达；系统层面主要负责风电与传统机组间的协调调度。

目前，有关风电参与系统调频的研究仍然较多的集中于风机层面调频控制策略的研究。风机层面调频控制策略的研究有利于充分挖掘单机调频能力，但在系统中，往往风电场才是关注的对象，为此需要研究风电场整体调频容量的评估方法。近年来，风场层面的研究已经引起了部分学者的关注。已有学者提出了风电场虚拟惯性能力的评估方法，但上述方法仅仅考虑了单一的风机调频控制策略，未能充分发挥风机最大的调频能力，评估结果无疑是偏向保守的。为充分发挥风电参与系统的调频能力，得到更为准确的风电场调频容量评估方法，本发明公开了一种计及多种调频控制策略的双馈风机风电场调频容量评估方法。

技术实现要素：

为解决上述问题，本文发明提出了一种计及双馈风机多种调频控制策略的风电场调频容量评估方法，定量求取风电场所具备的调频容量。

本发明的技术方案采用如下步骤：

1)提出了一种按风速/控制策略一一对应的风电场调频容量评估流程；

2)模拟同一风电场内的风速差异性分布；

3)根据风速条件确定各种运行工况下双馈风机最佳的调频控制策略；

4)完成各种调频控制策略的数学建模；

5)建立计及多种调频控制策略的风电场调频容量评估模型。

所述的步骤1)中的风速/控制策略一一对应的风电场调频容量评估流程(图1为相应的流程图)为：

①获取风电场预测风速(平均风速)，为已知值；

②初步判断风电场是否有能力参与调频(切入风速以下，切出风速以上不参与调频)；

③根据预测风速和风速分布对风场内的风电机组进行划分；

④分别评估各组风电机组的调频容量；

⑤得到风电场总的调频容量。

所述的步骤2)中的模拟同一风电场内的风速差异性分布采用以下公式得到：

σ＝ui

其中，σ为风速分布的标准差；u表示平均风速；i表示湍流强度，通常为选定的一个常数；r表示风速的自相关系数；spec(n)为kaimal谱，用来刻画风速扰动；z表示距离地面的高度，此处可以认为是风机高度；ls为水平距离，此处可以认为是风机间隔；u1,u2分别表示风机参与系统调频的切入、切出风速；p(u1,u2)表示风速u1与风速u2的联合概率密度函数；e1,e2分别表示风机切入调频模式时风速的上下限；s1,s2分别表示风机退出调频模式时风速的上下限；风机切入调频时风速处于区间[e1,e2]，退出调频模式时风速处于[s1,s2]区间的概率为ζ。

所述的步骤3)中根据风速条件确定各种运行工况下双馈风机最佳的调频控制策略并完成各种调频控制策略的数学建模，其特征在于：划分低风速、中风速、高风速三个风速段并依次对应旋转动能释放、降载运行、变流器短时过载控制策略，如图2所示，其中低风速段与中风速段的中间风速vlow以及中风速段与高风速段的中间风速vhigh分别取为风机出力刚达到0.2p.u.以及1.0p.u.时的风速。分别评估各风速条件下相应控制策略所具备的调频容量，最终按风速分布概率加权求和获取风电场总的调频容量。

所述的步骤4)中根据风速条件确定各种运行工况下双馈风机最佳的调频控制策略并完成各种调频控制策略的数学建模具体如下：

①低风速段-短时过载(旋转动能释放)：

图3给出了短时过载控制下风机运行点变化示意图。稳态运行时，风机运行点为a点，此时风机输出的电功率与捕获的气动功率相等，为pe0。此时，要求风机以采用短时过载控制参与系统调频，风机运行点由a点移动至b点，风机输出的电功率较稳态运行时增加δp，这时风机捕获的气动功率小于输出的电功率，风机转速下降。即，在b→c段内，风机利用旋转部件的动能维持(pe0+δp)的有功输出，相应地，风机转速由ωa降至ωmin。此后若仍继续采用过载运行控制将导致风机失速，因此，风机在c点退出调频运行至d点，进入转速恢复阶段直至回到a点。

我们可以利用式将风机旋转部件储存的能够用以短时增加电功率输出的动能换算成特定调频时间下的调频功率：

其中，h为旋转部件转动惯量；t为要求风机以短时过载控制参与系统调频的时间；ωa为风机参与调频起始时转速；ωmin为风机退出调频时的转速，η为动能至电能的转换效率。由上式所知在旋转动能释放这种短时过载控制中，调频容量由参与调频时间及调频起始时转速决定。

②中风速段-降载运行：

降载运行控制策略中，转子转速控制改变的是风机功率跟踪曲线，即从mppt曲线变为降载曲线，而桨距角控制改变的是风机捕获的气动功率曲线，即从凸实线变为凸虚线(如图4所示)。从图4得知，单独采用转子转速控制，风机降载运行时稳态输出为pd，稳态功率损失为(pa-pd)；单独采用桨距角控制时，风机降载运行时的稳态输出为pc，稳态功率损失为(pa-pc)；综合利用转子转速控制及桨距角控制时，风机降载运行的稳态输出为pb，稳态功率损失为(pa-pb)。由此可见，综合利用调节功率跟踪曲线及调节桨距角的降载控制手段可以在保证风机相应调频备用要求的基础上减少风机稳态时的功率输出损失，本节建立相应的优化模型以期求取最佳的风机降载运行点。

以稳态运行下可预留的备用容量最大为目标函数：

maxpij

约束条件有：

功率平衡约束：

转子转速约束：

桨距角约束：0≤β≤β^max

降载比约束：0≤k≤k^max,(k＝(p^mppt-pb)/p^mppt)

其中，p^mppt表示双馈风机在最大功率跟踪模式下的有功功率输出；pb表示双馈风机在降载运行模式下的有功功率输出；η表示双馈风机机械功率到电功率的转换效率；h表示双馈风机旋转部件转动惯量；pm表示双馈风机捕获风能的功率(机械功率)；λ表示风机叶尖速比(λ＝ωr/v,ω为风机叶片角速度，r表示风机扫略半径，v表示风速)，cp(·)为风机固有参数；ρ为空气密度，标准指标下为1.293kg/m³；a表示风机叶片的扫略面积，为风机固有参数；ωr表示双馈风机转子转速，分别表示双馈风机转子转速可调节范围的最小值和最大值；β为风机桨距角，β^max为风机最大桨距角。

③高风速段-短时过载(变流器过载)：

高风速段，我们认为风机采用变流器短时过载这一控制策略参与系统调频，调频容量为：

式中，pm表示风机捕获的气动功率(机械功率)，计算方法如式：

prate表示风机额定功率；α是反映风机变流器过载能力的系数，通常α＝1.1～1.2。另外，变流器过载应满足下列条件：

t≤tmax

其中，t表示变流器短时过载时间；tmax为变流器在最大过载能力下所能持续的最长运行时间，通常tmax取10～20s。本文中tmax取10s，为了统一起见，低风速段旋转动能释放策略及中风速段降载运行策略中所涉及的时间常数t也取为10s。

所述的步骤5)中建立计及多种调频控制策略的风电场调频容量评估模型，具体为：

其中，pf表示风电场所具备的调频容量；n表示风场内风机数目，i表示风机风速类型(低速，中速，高速3种)，nr表示区间数目(如低风速又划分成多个子区间，子区间划分个数越多评估结果越精确)，ζij为风机处于i型风速第j区间的概率，pij为处于i型风速第j区间内的风机所具备的调频容量。

本发明的有益效果是：

本发明旨在立足风场这一层面对风机的调频能力予以定量评价，能够有效建立风机层面有功控制能力与系统调度层面的联系。相应的评估结果可以作为系统调度或风电场储能容量配置的有力参考依据。

附图说明

图1风电场调频容量评估流程图

图2根据风速范围形成的复合控制策略

图3短时过载风机运行点变化示意图

图4转速控制及桨距角控制协同作用原理图

图5风电场布局示意图

图6风机参数

图7风速与输出功率对照表

图8风速联合概率分布

图9风电场调频容量来源分层柱状图

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明方法包括以下步骤：

1)提出了一种按风速/控制策略一一对应的风电场调频容量评估流程；

2)模拟同一风电场内的风速差异性分布；

3)根据风速条件确定各种运行工况下双馈风机最佳的调频控制策略；

4)并完成各种调频控制策略的数学建模；

5)建立计及多种调频控制策略的风电场调频容量评估模型。

所述的步骤1)中的风速/控制策略一一对应的风电场调频容量评估流程(图1为相应的流程图)为：

①获取风电场预测风速(平均风速)，为已知值；

②初步判断风电场是否有能力参与调频(切入风速以下，切出风速以上不参与调频)；

③根据预测风速和风速分布对风场内的风电机组进行划分；

④分别评估各组风电机组的调频容量；

⑤得到风电场总的调频容量。

所述的步骤2)中的模拟同一风电场内的风速差异性分布采用以下公式得到：

σ＝ui

其中，σ为风速分布的标准差；u表示平均风速；i表示湍流强度，通常为选定的一个常数；r表示风速的自相关系数；spec(n)为kaimal谱，用来刻画风速扰动；z表示距离地面的高度，此处可以认为是风机高度；ls为水平距离，此处可以认为是风机间隔；u1,u2分别表示风机参与系统调频的切入、切出风速；p(u1,u2)表示风速u1与风速u2的联合概率密度函数；e1,e2分别表示风机切入调频模式时风速的上下限；s1,s2分别表示风机退出调频模式时风速的上下限；风机切入调频时风速处于区间[e1,e2]，退出调频模式时风速处于[s1,s2]区间的概率为ζ。

所述的步骤3)中根据风速条件确定各种运行工况下双馈风机最佳的调频控制策略并完成各种调频控制策略的数学建模，其特征在于：划分低风速、中风速、高风速三个风速段并依次对应旋转动能释放、降载运行、变流器短时过载控制策略，如图2所示，其中低风速段与中风速段的中间风速vlow以及中风速段与高风速段的中间风速vhigh分别取为风机出力刚达到0.2p.u.以及1.0p.u.时的风速。分别评估各风速条件下相应控制策略所具备的调频容量，最终按风速分布概率加权求和获取风电场总的调频容量。

所述的步骤4)中根据风速条件确定各种运行工况下双馈风机最佳的调频控制策略并完成各种调频控制策略的数学建模具体如下：

①低风速段-短时过载(旋转动能释放)：

图3给出了短时过载控制下风机运行点变化示意图。稳态运行时，风机运行点为a点，此时风机输出的电功率与捕获的气动功率相等，为pe0。此时，要求风机以采用短时过载控制参与系统调频，风机运行点由a点移动至b点，风机输出的电功率较稳态运行时增加δp，这时风机捕获的气动功率小于输出的电功率，风机转速下降。即，在b→c段内，风机利用旋转部件的动能维持(pe0+δp)的有功输出，相应地，风机转速由ωa降至ωmin。此后若仍继续采用过载运行控制将导致风机失速，因此，风机在c点退出调频运行至d点，进入转速恢复阶段直至回到a点。

我们可以利用式将风机旋转部件储存的能够用以短时增加电功率输出的动能换算成特定调频时间下的调频功率：

其中，h为旋转部件转动惯量；t为要求风机以短时过载控制参与系统调频的时间；ωa为风机参与调频起始时转速；ωmin为风机退出调频时的转速，η为动能至电能的转换效率。由上式所知在旋转动能释放这种短时过载控制中，调频容量由参与调频时间及调频起始时转速决定。

②中风速段-降载运行：

降载运行控制策略中，转子转速控制改变的是风机功率跟踪曲线，即从mppt曲线变为降载曲线，而桨距角控制改变的是风机捕获的气动功率曲线，即从凸实线变为凸虚线(如图4所示)。从图4得知，单独采用转子转速控制，风机降载运行时稳态输出为pd，稳态功率损失为(pa-pd)；单独采用桨距角控制时，风机降载运行时的稳态输出为pc，稳态功率损失为(pa-pc)；综合利用转子转速控制及桨距角控制时，风机降载运行的稳态输出为pb，稳态功率损失为(pa-pb)。由此可见，综合利用调节功率跟踪曲线及调节桨距角的降载控制手段可以在保证风机相应调频备用要求的基础上减少风机稳态时的功率输出损失，本节建立相应的优化模型以期求取最佳的风机降载运行点。

以稳态运行下可预留的备用容量最大为目标函数：

maxpij

其中，

约束条件有：

0≤β≤β^max

0≤k≤k^max,(k＝(p^mppt-pb)/p^mppt)

约束条件依次为：功率平衡约束、转子转速约束、桨距角约束、降载比约束。

③高风速段-短时过载(变流器过载)：

高风速段，我们认为风机采用变流器短时过载这一控制策略参与系统调频，调频容量为：

式中，pm表示风机捕获的气动功率(机械功率)，计算方法如式：

prate表示风机额定功率；α是反映风机变流器过载能力的系数，通常α＝1.1～1.2。另外，变流器过载应满足下列条件：

t≤tmax

其中，t表示变流器短时过载时间；tmax为变流器在最大过载能力下所能持续的最长运行时间，通常tmax取10～20s。本文中tmax取10s，为了统一起见，低风速段旋转动能释放策略及中风速段降载运行策略中所涉及的时间常数t也取为10s。

所述的步骤5)中建立计及多种调频控制策略的风电场调频容量评估模型，具体为：

其中，pf表示风电场所具备的调频容量；n表示风场内风机数目，i表示风机风速类型(低速，中速，高速3种)，nr表示区间数目(如低风速又划分成多个子区间，子区间划分个数越多评估结果越精确)，ζij为风机处于i型风速第j区间的概率，pij为处于i型风速第j区间内的风机所具备的调频容量。

采用本发明方法进行风电场调频容量评估能够较为准确的获悉相应风速条件下风电场参与系统调频的能力，有利于建立风机层面有功控制能力与系统调度层面的联系。相应的评估结果可以作为系统调度或风电场储能容量配置的有力参考依据。

本发明的具体实施例如下：

我们采用所提方法对所示风电场进行调频容量评估。图5所示风电场中共有风机100台，风场整体呈矩形排布，风机轮毂高度为80m，各风机间距均为500m，风机机型为上海电气公司生产的w2000-87型机组，图6给出了具体的风机参数。图7给出了风机正常状态下风速与输出功率的对应关系。

采用本发明方法对实施例进行仿真计算，结果如下：

图8给出了四种预测风速下风场风速联合概率分布计算结果，可以直观地看到某预测风速下风场内任一风机参与系统调频时处于某起始风速和终止风速区间的概率。从图8可以看出，风场内风机参与系统调频时的起始风速和终止风速较大概率地落在预测风速附近，除此之外，仍有少量风机偏离预测风速较多，但概率较小。在此基础上，我们可以进一步评估各风速段内各风机所具备的调频容量。

图9给出了风电场调频容量分层柱状图。从图9中可以看出，风电场所具备的调频容量基本与其预测风速呈较严格的正相关关系：预测风速越高，风电场所具备的调频容量越大。然而，在不同风速段风电场调频容量的产生方式不尽相同。在低风速阶段，风电场主要依靠旋转动能释放这一策略参与调频，在预测风速为6-7m/s时，该策略的调频能力达到顶峰；在中风速段，即预测风速为8-12m/s时，风电场主要依靠事先降载运行这一策略参与调频；在高风速段，即预测风速在12m/s以上时，风电场主要通过变流器短时过载来参与调频，在此风速段内风电场调频容量随预测风速的增加而增加，直至变流器达到变流器过载能力的极限后不再变化。在预测风速为14m/s时调频容量有所下降，这是因为采用降载运行策略参与系统调频的风机由于风速过高，能够保证风机稳定的降载运行裕度减小，通过降载运行能够提供的调频容量已经非常有限。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。