风储集群参与电力系统调频调压的协同控制方法
【专利摘要】一种风储集群参与电力系统调频调压的协同控制方法，首先根据风电场运行工况、风速与电力系统调度给出的有功功率与无功功率容量备用要求，利用风电机组超速控制与桨距角控制，使风储集群预留一部分有功功率与无功功率作为电力系统调频调压备用功率。当检测到电力系统频率或者电压发生波动时，根据风储集群状态，确定风储集群需要发出的有功功率及无功功率大小。最后，参考风电机组与储能的容量限制，确定风电机组与储能的最终出力情况。本发明可实现风储集群参与系统频率与电压调节，在风电渗透率较高的电力系统中，能够以较少的储能容量配置，有效提高电力系统的稳定性和电能质量。
【专利说明】风储集群参与电力系统调频调压的协同控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种风电场友好接入电力系统的控制方法，特别涉及一种风储集群参 与电力系统调频调压的协同控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着我国能源结构的低碳化调整，风能等可再生能源在我国能源结构中占有的比 重逐渐增大，可再生能源与电力系统间的相互作用的程度逐步加强。
[0003] 虽然风电等可再生能源能够在一定程度上解决能源及环境问题，但是，当风电渗 透率较高时，风电的接入会对电力系统的安全稳定运行带来一定的影响。
[0004] 风电机组的原动力为风能，风能由于风的间歇性和随机波动性使得风电机组的发 出的功率是间歇和波动的，这些波动性的风能接入系统会给电力系统带来冲击。同时，由于 风电机组为异步机，若不加以控制，在发出有功功率的同时，需要吸收一定的无功功率，不 利用系统的电压稳定。当风电渗透率较低时，这些影响不明显，随着风电渗透率的提高，风 能对电力系统的影响逐渐增大，在给电力系统带来经济效益的同时也给电网的运行造成了 一定的困难。在风电并网比重较大的电力系统中，由于风电场输出功率具有不完全可控性 和预期性，会在一定程度上改变原有电力系统潮流分布、线路输送功率及整个系统的惯量， 从而对电网的有功、无功功率平衡、频率及电压稳定产生了影响。当风电并网运行时，特别 是独立运行的小电网，电网建设相对薄弱，电网有功功率调节能力较小，风电并网带来的电 网稳定性问题更加明显。因此，越来越多的电力公司要求风力发电至少能像常规发电厂一 样提供辅助性服务。
[0005] 但是，风力发电由于容量及励磁电流等限制，当系统给出功率需求时，仅利用风电 机组无法取得较好地调节效果。储能装置由于其灵活可控性，配合风电机组进行电力系统 电能质量改善可以起到较好的效果。因此，为保证在风电渗透率逐步增高的情况下，满足电 力系统电能质量要求，急需找出一种风储集群参与系统频率、电压调节的控制方法，以提高 电力系统经济性及可靠性。
[0006] 中国专利201210477712. 3公开了一种风储集群控制方法，将风电机组的转子惯 性响应、超速控制和变桨控制协调起来产生一定的有功备用，主动响应系统频率的变化，同 时，从备用容量可信度的角度出发，配置一定的储能弥补风电机组自身备用容量的不足及 变化，但该专利主要是针对风储集群对系统频率的响应，没有考虑电压响应的问题，而电压 响应需要对风电机组和储能的控制系统进行较大的调整，而且要协调与频率响应控制系统 的关系。中国专利CN101931241A公开了风电场并网协调控制方法，利用风电机组转子参与 系统调频，储能系统与变桨通过一阶惯性滤波器进行协调的频率控制方法，以及通过调度 直接向风电场下达指定无功出力指标的电压控制方法，其不足之处在于未充分考虑风电场 有功功率及无功功率输出时的协调，同时，未充分发挥储能装置灵活可控的特点。在风电渗 透率较高的电力系统中，电力系统出现频率及电压变化时，要求风储集群对电力系统稳定 性和电能质量的实时性较强，必须根据电力系统的实时状态，充分考虑到风储集群的调节 能力，才能保证电力系统的可靠与经济运行。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是克服现有技术中只考虑风电场只参与频率调节的有功功率输出 控制，以及有功功率输出和无功功率输出之间缺乏协调的问题，针对风电场高渗透率下的 电力系统稳定性和电能质量问题，提出一种风储集群参与电力系统频率电压调节的协调控 制方法。本发明可实现风电机组和储能装置主动参与电力系统频率和电压的调节，进一步 提高风电的接入和消纳能力。
[0008] 本发明通过检测风电接入侧电力系统的频率和电压偏差及其变化率、风速，以及 根据调度指令，按照风电机组惯性响应控制、超速控制、桨距角控制和储能装置控制等方 式，令风电机组与储能装置输出特定的有功功率，依据风速和各控制方式的可用能力协调 风电机组惯性响应控制、超速控制、桨距角控制和储能装置控制等控制方式；同时，通过调 节风电机组并网侧变流器和转子励磁电流、储能装置等方式实现无功功率输出，依据风速 和各控制方式的可用能力协调无功功率输出；依据风速、风储集群状态、电力系统状态和调 度指令等协调有功功率和无功功率的输出。
[0009] 本发明可以在风电高渗透情况下，使风电机组友好接入电网，提高电力系统的稳 定性和电能质量；当电力系统出现频率或电压变化时，使风储集群主动提供一定的有功与 无功功率支撑，主动参与对电网频率和电压的调节。
[0010] 为实现上述目的，本发明风储集群参与电力系统调频调压的协同控制策略步骤如 下：
[0011] (1)采集电力系统频率、电压信息及风电场风速信息，同时根据电力系统调度指 令，形成风电场调频、调压备用容量需求；
[0012] (2)根据风速和风电场调频、调压备用容量需求，利用风电机组的超速控制与桨距 角控制，确定各台风电机组的初始有功功率、无功功率出力及初始转速、初始桨距角，以及 储能装置的荷电状态；
[0013] (3)根据电力系统实时的频率偏差及其变化率信息，确定电力系统目前的调频需 求；根据电力系统实时的电压偏差及其变化率信息，确定电力系统目前的调压需求；
[0014] (4)根据风电机组出力状况，确定风电机组和储能装置需要发出的有功功率与无 功功率大小；
[0015] (5)结合风电机组容量、励磁电流限制及电力系统实时电气状态，确定风电机组有 功功率与无功功率出力参考值；
[0016] (6)结合储能装置容量限制及电力系统实时电气状态，确定储能装置的有功功率 与无功功率出力参考值；
[0017] (7)将风电机组有功功率及无功功率出力参考值转换为风电机组转速、桨距角、励 磁电流等参数输入给风电机组，使风电机组完成对电力系统频率及电压的调节；
[0018] (8)将储能装置的有功功率及无功功率出力参考值输入给储能装置，使储能装置 完成对电力系统频率及电压的调节；
[0019] (9)完成对电力系统频率和电压的调节后，按照步骤（1)、步骤⑵恢复风电机组 和储能装置调频调压备用容量。
[0020] 进一步的，所述步骤（1)中，电力系统调度指令是指电力系统调度方根据电力系 统调频需求与风速信息所确定的风电场各台风电机组预留d%的有功功率作为调频备用容 量需求，d为5% -10%。该调频备用容量需求由风电机组超速控制与桨距角控制提供。
[0021] 进一步的，所述步骤（2)中，各台风电机组的初始转速的确定与风速有关，根据风 电机组有功功率输出能力与电力系统调频备用需求，将风速划分为启动风速段、低风速段、 中风速段和高风速段4部分。其中，启动风速段为切入风速到门槛风速，启动风速段风电机 组有功功率输出能力较小，转速变化对风电机组有功功率输出影响不大；低风速段上限为 利用超速控制可提供全部电力系统调频备用需求的风速；高风速段下限为采用最大功率点 跟踪时，风电机组转速达到最大转速时的风速；对应不同风速，风电机组的初始转速不同， 初始转速ω与风速关系满足：
[0022]
【权利要求】
1. 一种风储集群参与电力系统调频调压的协同控制方法，其特征在于，该协同控制方 法步骤如下： (1) 采集电力系统频率、电压信息及风电场风速信息，同时根据电力系统调度指令，形 成风电场调频、调压备用容量需求； (2) 根据风速和风电场调频、调压备用容量需求，利用风电机组的超速控制与桨距角控 制，确定各台风电机组的初始有功功率、无功功率出力、初始转速、初始桨距角，以及储能装 置的荷电状态； (3) 根据电力系统实时的频率偏差及其变化率信息，确定电力系统目前的调频需求； 根据电力系统实时的电压偏差及其变化率信息，确定电力系统目前的调压需求； (4) 根据风电机组出力状况，确定风电机组和储能装置需要发出的有功功率与无功功 率大小； (5) 结合风电机组容量、励磁电流限制及系统实时电气状态，确定风电机组有功功率与 无功功率出力参考值； (6) 结合储能容量限制及电力系统实时电气状态，确定储能装置的有功功率与无功功 率出力参考值； (7) 将风电机组输出有功功率及无功功率参考值转换为风电机组转速、桨距角、励磁电 流等参数输入给风电机组，使风电机组完成对电力系统频率及电压的调节； (8) 将储能装置的有功功率及无功功率出力参考值输入给储能装置，使储能装置完成 对电力系统频率及电压的调节； (9) 完成对电力系统频率和电压的调节后，按照步骤（1)和步骤（2)恢复风电机组和储 能装置调频调压备用容量。
2. 根据权利要求1所述的风储集群参与电力系统调频调压的协同控制方法，其特征 在于，所述步骤（1)中电力系统调度指令是指电力系统调度方根据电力系统调频需求与 风速信息所确定的风电场各台风电机组预留d%的有功功率作为调频备用容量需求，d为 5% -10% ;该调频备用容量需求由风电机组超速控制与桨距角控制提供。
3. 根据权利要求1所述的风储集群参与电力系统调频调压的协同控制方法，其特征在 于，所述步骤（2)各台风电机组的初始转速的确定与风速有关，根据风电机组有功功率输 出能力与电力系统调频备用需求，将风速划分为启动风速段、低风速段、中风速段和高风速 段4部分；其中，启动风速段为切入风速到门槛风速，启动风速段风电机组有功功率输出能 力较小，转速变化对风电机组有功功率输出影响不大；低风速段上限为利用超速控制可提 供全部电力系统调频备用需求的风速；高风速段下限为采用最大功率点跟踪时，风电机组 转速达到最大转速时的风速；对应不同风速，风电机组的初始转速不同，初始转速《与风 速关系满足：
式中，Rw为风电机组半径，A为风电机组按照最大功率点跟踪控制时得到的叶尖速比， 入'为风电机组按照预留d%的有功功率作为调频备用容量需求时得到的叶尖速比，Vws为 检测到的风电机组风速，为启动风速段的最大风速，Viin为中风速段的最小风速。
4. 根据权利要求1所述的风储集群参与电力系统调频调压的协同控制方法，其特征在 于，所述步骤（2)根据风速和风电场调频、调压备用容量需求，利用风电机组的超速控制与 桨距角控制，确定各台风电机组的初始有功功率、无功功率出力、初始转速、初始桨距角，以 及储能装置的荷电状态；其中风电场的调频备用容量需求与各台风电机组的初始有功功率 出力、初始转速、初始桨距角以及储能装置荷电状态有关，风电场的调压备用容量需求与各 台风电机组的初始无功功率出力有关； 风电场调频备用容量需求由各台风电机组的超速控制与桨距角控制共同提供，在确定 超速控制和桨距角控制分别承担的风电场调频备用容量需求后，可得到对应于该风电场调 频备用容量需求的风电机组的初始转速和初始桨距角，并由风电机组的初始转速和初始桨 距角控制风电机组发出初始有功功率；当风速处于启动风速段时，风电机组采用最大功率 点跟踪控制，忽略风电场调频备用容量需求；在低风速段时，电力系统调度要求风电机组预 留的风电场调频备用功率全部由风电机组的超速控制提供；在中风速段，调频备用功率优 先由风电机组的超速控制提供，不足部分利用风电机组的桨距角控制提供；在高风速段，风 电机组采用恒转速控制，调频备用功率均由风电机组的桨距角控制提供； 风电场调压备用容量需求与各台风电机组可调节的无功功率裕度有关，各台风电机组 可调节的无功功率裕度由各台风电机组有功功率出力与各台风电机组视在功率共同决定， 满足：
式中，为各台风电机组可调节的无功功率裕度，s为各台风电机组视在功率，P为各 台风电机组有功功率出力； 当根据风电场调频备用容量需求确定风电场初始有功功率出力后，可得到对应于该有 功功率出力的风电场初始无功功率出力；储能装置荷电状态与风速有关，当风速处于启动 风速段与低风速段时，应令储能装置荷电状态处于较高水平，当风速处于中风速段与高风 速段时，适当减小储能装置荷电状态水平。
5. 根据权利要求1所述的风储集群参与电力系统调频调压的协同控制方法，其特征在 于，所述步骤（3)中确定电力系统调频需求的方式为：确定电力系统调频需求时，依据电力 系统频率偏差及其变化率，通过惯性控制和下垂控制方法实现：
式中，AP为电力系统调频需要的有功功率，Af为电力系统实时频率与额定频率之 差，Kpf为调频下垂控制系数，Kdf为调频惯性控制系数； 确定电力系统调压需求的方式为依据电力系统电压偏差，通过下垂控制方法实现： AQ = KAU 式中，AQ为电力系统调压需要的无功功率，AU为电力系统实时电压与额定电压之 差，K为调压下垂控制系数。
6. 根据权利要求1所述的风储集群参与电力系统调频调压的协同控制方法，其特征在 于，所述步骤（4)中风电机组和储能装置需要发出的有功功率与无功功率由风电机组的实 时状态及系统功率需求决定；风电机组需要发出的有功功率、无功功率由风电机组初始有 功功率、无功功率与根据电力系统有功功率、无功功率需求和风电机组实时状态要求风电 机组增发的有功功率、无功功率加和而成；储能装置需要发出的有功功率、无功功率由电力 系统有功功率、无功功率需求和风电机组增发的有功功率、无功功率相减得到。
7. 根据权利要求1所述的风储集群参与电力系统调频调压的协同控制方法，其特征在 于，所述步骤（5)和步骤（6)中电力系统实时电气状态根据实时检测得到的电力系统频率 偏差与电压偏差划分； 电力系统的频率偏差划分为F1-F4四种情况，分别为： Fl:f ^ 50. 5Hz, F2:50Hz ^ f < 50. 5Hz, F3:48. 5Hz ^ f < 50Hz, F4:f < 48. 5Hz 式中，变量f指检测到的电力系统实时频率； 电力系统的电压偏差划分为U1-U4四种情况，分别为： U1:U ^ I. 3Uref, U2:1. OUref ^ U < I. 3Uref, U3:0. 8Uref ^ U < I. OUref, U4:U < 0. 8Uref式中，变量Uref指电力系统额定电压，U指检测到的电力系统实时电压； 根据所述的电力系统的频率偏差与电压偏差，将电力系统的实时电气状态分为以下16 种： F4 n U3 = Tl F3 n U3 = T5 F4 n U4 = T9 F3 n Ul = T13 F4 n U2 = T2 F3 n U2 = T6 F4 n Ul = TlO F3 n U4 = T14 Fl n U3 = T3 F2 n U3 = T7 Fl n U4 = Tll F2 n Ul = T15 Fl n U2 = T4 F2 n U2 = T8 Fl n Ul = T12 F2 n U4 = T16 对上述各种电力系统实时电气状态，所确定的风电机组有功功率与无功功率调节方法 如下： 对于电气状态TI-T4，优先利用风储集群进行电力系统有功功率调节；对于电气状态 T5-T12,在满足风储集群容量限制情况下，根据电力系统对有功功率和无功功率的需求，按 比例完成电力系统有功功率与无功功率调节；对于电气状态T13-T16,优先利用风储集群 进行电力系统无功功率调节。
8. 根据权利要求1所述的风储集群参与电力系统调频调压的协同控制方法，其特征在 于，所述步骤（7)中将有功功率与无功功率参考值转换为桨距角、转速、励磁电流等信息输 送给风电机组，利用风电机组自身及网侧变流器等控制，使风电机组发出需要的有功功率 与无功功率。
9. 根据权利要求1所述的风储集群参与电力系统调频调压的协同控制方法，其特征在 于，对于风储集群有功功率的分配，优先利用风电机组自身的有功备用容量，当风电机组自 身的有功备用容量不足时，再利用储能装置弥补有功功率出力的不足；对于风储集群无功 功率的分配，优先利用风电机组自身的无功备用容量，当风电机组自身的无功备用容量不 足时，再利用储能装置弥补无功功率出力的不足。
【文档编号】H02J3/00GK104333037SQ201410602832
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年11月2日 优先权日:2014年11月2日
【发明者】唐西胜, 高超, 师长立, 苗福丰, 吴涛, 李善颖, 邓春, 邢海瀛 申请人:中国科学院电工研究所, 国家电网公司, 华北电力科学研究院有限责任公司, 华北电网有限公司