一种新能源发电场有功控制方法及控制系统与流程

本发明涉及一种用于新能源发电场进行有功控制的方法，还涉及进行新能源发电场有功控制的系统。

背景技术：

电网频率是电能质量的三大指标之一，确保电网频率稳定及电网频率合格是电网调度运行的重要任务之一。调频作为电力系统的一项重要环节，目的是调节发电端有功功率及时跟随负荷变化，确保电力系统的频率稳定。

随着风电、光伏等新能源发电场站的快速发展，其在电网总装机容量中的占比日益提高，新能源发电场站对电网的支撑特性越来越受到关注，其行业发展趋势之一就是发展新能源发电场站类似火电发电厂的电网支撑特性，其中包括对电网的主动调频能力。

当前，新能源发电场的调频主要依靠区域电网调度根据区域控制误差(ACE)来分配各发电场的有功功率限值来实现二次调频。这种调频方式存在的缺陷是：新能源发电场仅仅被动地接受电网调度的调频指令，无法根据发电场自身的状况主动调节发电功率，不能充分发挥发电场自身的调频能力。此外，调频的精度和响应时间也无法得到充分保证。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题之一是，提供一种新能源发电场有功控制方法，克服现有技术无法实现新能源发电场主动调频，不能充分发挥新能源发电场自身调频能力的缺陷。

本发明要解决的技术问题之二是，提供一种新能源发电场有功控制系统，克服现有技术无法实现新能源发电场主动调频，不能充分发挥新能源发电场自身调频能力的缺陷。

本发明解决其技术问题之一所采用的技术方案是：提供一种新能源发电场有功控制方法，包括如下步骤：

SP1、接受所接入电网调度部门的有功功率指令，根据该指令确定发电场有功功率给定的基本值P₀；获得接入电网测量频率f，根据该接入电网测量频率f和电网基准频率f₀计算电网频率偏差量Δf，根据该电网频率偏差量Δf确定发电场有功功率给定的补偿值ΔP；

SP2、将发电场有功功率给定的基本值和补偿值相加，获得发电场有功功率给定的综合值p_d；

SP3、根据该综合值p_d，结合发电场当前可发有功功率上限，确定发电场的有功功率实际设定值P_s；

SP4、将该有功功率实际设定值P_s分配到发电场的每个发电单元。

在本发明的新能源发电场有功控制方法中，所述接入电网测量频率f的获得包括：测量电网接入点电压，通过计算获得接入电网测量频率f；或接受其他设备检测到的发电场电网接入点的测量频率。

在本发明的新能源发电场有功控制方法中，所述获得接入电网测量频率f，根据该接入电网测量频率f和电网基准频率f₀计算电网频率偏差量Δf，根据该电网频率偏差量Δf确定发电场有功功率给定的补偿值ΔP包括如下步骤：

A1、获得接入电网测量频率f；

A2、计算所接入电网测量频率f与电网基准频率f₀之间的偏差量Δf＝f-f₀；

A3、采用所接入电网频率偏差量Δf确定发电场有功功率给定的补偿值ΔP；设定接入电网频率偏差量门槛下限Δf₁和接入电网频率偏差量门槛上限Δf₂；当Δf₁≤Δf≤Δf₂，ΔP＝0；当Δf＜Δf₁，ΔP＝-k_pΔf或ΔP＝-k_p(Δf-Δf1)；当Δf＞Δf₂，ΔP＝-k_pΔf或ΔP＝-k_p(Δf-Δf2)；其中k_p为系数。

在本发明的新能源发电场有功控制方法中，所述获得接入电网测量频率f，根据该接入电网测量频率f和电网基准频率f₀计算电网频率偏差量Δf，根据该电网频率偏差量Δf确定发电场有功功率给定的补偿值ΔP包括如下步骤：

A1、获得接入电网测量频率f；

A2、计算所接入电网测量频率f与电网基准频率f₀之间的偏差量Δf＝f-f₀，计算所接入电网测量频率f的变化率

A3、采用所接入电网频率偏差量Δf和变化率确定发电场有功功率给定的补偿值ΔP；设定接入电网频率偏差量门槛下限Δf₁和接入电网频率偏差量门其中k_p,k_d为系数。

在本发明的新能源发电场有功控制方法中，在步骤A3之后，包括步骤：

A4、对发电场有功功率给定的补偿值ΔP进行限幅处理。

在本发明的新能源发电场有功控制方法中，所述发电场当前可发有功功率上限根据接受来自发电场内各发电单元的状态参数确定，包括：

B1、获取发电场内各发电单元的可发有功功率最大值P′_icap、当前运行状态；

B2、根据各发电单元的当前运行状态确定各发电单元的可发有功功率上限：当所述发电单元的当前运行状态为发电运行时，该发电单元的可发有功功率上限P_icap＝P′_icap；当所述发电单元的当前运行状态为停机时，该发电单元的可发有功功率上限P_icap＝0；

B3、根据各发电单元的可发有功功率上限确定发电场当前可发有功功率上限为n为发电场的发电单元数量。

在本发明的新能源发电场有功控制方法中，所述发电场的有功功率实际设定值P_s按如下方式设定：当发电场的有功功率给定综合值p_d≤发电场当前可发功率的上限p_cap，发电场的有功功率实际设定值P_s＝P_d；当发电场的有功功率给定综合值p_d＞发电场当前可发功率的上限p_cap，发电场的有功功率实际设定值P_s＝P_cap。

在本发明的新能源发电场有功控制方法中，将所述有功功率实际设定值P_s按如下方式分配到发电场的每个发电单元：各发电单元按各自可发有功功率上限占发电场当前可发有功功率上限的比例来分配发电场的有功功率实际设定值，发电单元i的有功功率设定分配值

本发明解决其技术问题之二所采用的技术方案是：构造一种新能源发电场有功控制系统，包括：

基本值及补偿值计算模块：用于接受所接入电网调度部门的有功功率指令，根据该指令确定发电场有功功率给定的基本值P₀；用于获得接入电网测量频率f，根据该接入电网测量频率f和电网基准频率f₀计算电网频率偏差量Δf，根据该电网频率偏差量Δf确定发电场有功功率给定的补偿值ΔP；

综合值计算模块：用于将发电场有功功率给定的基本值和补偿值相加，获得发电场有功功率给定的综合值p_d；

设定值计算模块：用于根据该综合值p_d，结合发电场当前可发有功功率上限，确定发电场的有功功率实际设定值P_s；

设定值分配模块：用于将该有功功率实际设定值P_s分配到发电场的每个发电单元。

在本发明的新能源发电场有功控制系统中，所述基本值及补偿值计算模块包括：

获取子模块，用于获得接入电网测量频率f；

频率计算子模块，用于计算所接入电网测量频率f与电网基准频率f₀之间的偏差量Δf＝f-f₀；

补偿值确定子模块，采用所接入电网频率的偏差量Δf确定发电场有功功率给定的补偿值ΔP；设定接入电网频率偏差量门槛下限Δf₁和接入电网频率偏差量门槛上限Δf₂，当Δf₁≤Δf≤Δf₂，ΔP＝0；当Δf＜Δf₁，ΔP＝-k_pΔf或ΔP＝-k_p(Δf-Δf1)；当Δf＞Δf₂，ΔP＝-k_pΔf或ΔP＝-k_p(Δf-Δf2)；其中k_p为系数；

限幅子模块，用于对发电场有功功率给定的补偿值ΔP进行限幅处理。

在本发明的新能源发电场有功控制系统中，所述基本值及补偿值计算模块包括：

获取子模块，用于获得接入电网测量频率f；

频率计算子模块，用于计算所接入电网测量频率f与电网基准频率f₀之间的偏差量Δf＝f-f₀，计算所接入电网测量频率f的变化率

补偿值确定子模块，采用所接入电网频率偏差量Δf和变化率确定发电场有功功率给定的补偿值ΔP；设定接入电网频率偏差量门槛下限Δf₁和接入电网频率偏差量门槛上限Δf₂；当Δf₁≤Δf≤Δf₂，ΔP＝0；当Δf＜Δf₁，或当Δf＞Δf₂，或其中k_p,k_d为系数；

限幅子模块，用于对发电场有功功率给定的补偿值ΔP进行限幅处理。

在本发明的新能源发电场有功控制系统中，所述设定值计算模块还用于获取发电场内各发电单元的可发有功功率最大值P′_icap、当前运行状态；根据各发电单元的当前运行状态确定各发电单元的可发有功功率上限：当所述发电单元的当前运行状态为发电运行时，该发电单元的可发有功功率上限P_icap＝P′_icap；当所述发电单元的当前运行状态为停机时，该发电单元的可发有功功率上限P_icap＝0；根据各发电单元的可发有功功率上限确定发电场当前的可发有功功率上限为n为发电场的发电单元数量。

实施本发明的新能源发电场有功控制方法及控制系统，与现有技术比较，其有益效果是：

1.本发明在接受电网调度的调频指令的基础上，结合发电场当前可发有功功率上限确定发电场的有功功率实际设定值，并分配至发电场各发电单元，充分发挥发电场自身的调频能力；

2.响应时间快，根据电网频率的偏差量对有功功率给定的基本值给予补偿，调频精度大大提高。

附图说明

图1是本发明新能源发电场有功控制方法的基本流程图。

图2是本发明新能源发电场有功控制方法的控制框图1。

图3是本发明新能源发电场有功控制方法的控制框图2。

图4是本发明新能源发电场有功控制系统的基本组成图。

图5是本发明新能源发电场有功控制系统一种实施例风电场有功功率控制的拓扑图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

本发明所述的新能源发电场包括但不限于风力发电场、光伏发电场、潮汐发电场等利用无污染能源、可永久使用、功率输出波动频繁的发电场。

如图1、图2所示，本发明的新能源发电场有功控制方法包括如下步骤：

第一步，接受所接入电网调度部门的有功功率指令，根据该指令确定发电场有功功率给定的基本值P₀，获得接入电网测量频率f，计算发电场的有功功率给定的补偿值ΔP。本实施例中，具体是根据所接入电网测量频率f的波动情况确定发电场有功功率给定的补偿值ΔP。

其中，接入电网测量频率f为自主检测发电场电网接入点频率(一般通过测量电网接入点电压，然后通过计算获得接入电网测量频率f)，或接受其他设备检测到的发电场电网接入点的频率。

根据所接入电网测量频率f的波动情况确定发电场有功功率给定的补偿值ΔP的方法包括但不限于如下：

(1)计算所接入电网的测量频率f与电网基准频率f₀之间的偏差量Δf＝f-f₀，计算所接入电网的频率f的变化率其中，电网基准频率f₀的数值可以预先设定，也可以从有功功率指令中获取。

(2)采用所接入电网频率偏差量Δf和变化率确定发电场有功功率给定的补偿值ΔP；设定接入电网频率偏差量门槛下限Δf₁和接入电网频率偏差量门槛上限Δf₂；当Δf₁≤Δf≤Δf₂，ΔP＝0；当Δf＜Δf₁，当Δf＞Δf₂，其中k_p,k_d为系数，一般都大于1，根据发电场容量以及介入电网情况进行配置；一般取Δf₁小于0，Δf₂大于0，根据发电场容量以及介入电网情况进行配置实际数值。

(3)对发电场有功功率给定的补偿值ΔP进行限幅处理。限幅处理一般是通过设定一个经验值，使补偿值小于经验值，从而使补偿值在一个合理范围内。

第二步，将发电场有功功率给定的基本值和补偿值相加，获得发电场有功功率给定的综合值p_d。

第三步，根据该综合值p_d，结合发电场当前可发有功功率上限P_cap，确定发电场的有功功率实际设定值P_s。

其中，发电场当前可发有功功率上限根据接受来自发电场内各发电单元的状态参数，采用如下步骤确定：

(1)获取发电场内各发电单元的可发有功功率最大值P′_icap、当前运行状态。

(2)当发电单元的当前运行状态为发电运行时，该发电单元的可发有功功率上限P_icap＝P′_icap；当发电单元的当前运行状态为停机时，该发电单元的可发有功功率上限P_icap＝0。

(3)发电场当前的可发有功功率上限为：n为发电场的发电单元数量。

发电场的有功功率实际设定值P_s按如下方式设定：

当发电场的有功功率给定综合值p_d≤发电场当前可发功率的上限p_cap，发电场的有功功率实际设定值P_s＝P_d。

当发电场的有功功率给定综合值p_d＞发电场当前可发功率的上限p_cap，发电场的有功功率实际设定值P_s＝P_cap。

第四步，将该有功功率实际设定值P_s分配到发电场的每个发电单元。

将有功功率实际设定值P_s按如下方式分配到发电场的每个发电单元：

各发电单元按各自可发有功功率上限占发电场总可发有功功率的比例来分配发电场的有功功率实际设定值，发电单元i的有功功率设定分配值

如图3所示，上述实施例中的第二步中根据所接入电网测量频率f的波动情况确定发电场有功功率给定的补偿值ΔP的另一种方法如下：

(1)计算所接入电网的测量频率f与电网基准频率f₀之间的偏差量Δf＝f-f₀，其中，电网基准频率f₀的数值可以预先设定，也可以从有功功率指令中获取。

(2)采用所接入电网频率偏差量Δf确定发电场有功功率给定的补偿值ΔP；设定接入电网频率偏差量门槛下限Δf₁和接入电网频率偏差量门槛上限Δf₂；当Δf₁≤Δf≤Δf₂，ΔP＝0；当Δf＜Δf₁，ΔP＝-k_pΔf；当Δf＞Δf₂，ΔP＝-k_pΔf；其中k_p为系数，一般都大于1，根据发电场容量以及介入电网情况进行配置；一般取Δf₁小于0，Δf₂大于0，根据发电场容量以及介入电网情况进行配置实际数值；

(3)对发电场有功功率给定的补偿值ΔP进行限幅处理。限幅处理一般是通过设定一个经验值，使补偿值小于经验值，从而使补偿值在一个合理范围内。

本发明实施方式中，采用所接入电网频率偏差量Δf和变化率确定发电场有功功率给定的补偿值ΔP的方式控制响应性更好。而单纯采用所接入电网频率偏差量Δf确定发电场有功功率给定的补偿值ΔP的方式则更简单。

如图4所示，本发明的新能源发电场有功控制系统20包括基本值及补偿值计算模块21、综合值计算模块22、设定值计算模块23和设定值分配模块24。其中：

基本值及补偿值计算模块21用于接受所接入电网调度部门的有功功率指令，根据该指令确定发电场有功功率给定的基本值P₀；用于获得接入电网测量频率f，根据该测量频率f和电网基准频率f₀计算电网频率偏差量Δf，根据该电网频率偏差量Δf确定发电场有功功率给定的补偿值ΔP。

综合值计算模块22用于将发电场有功功率给定的基本值和补偿值相加，获得发电场有功功率给定的综合值p_d。

设定值计算模块23用于根据该综合值p_d，结合发电场当前可发有功功率上限，确定发电场的有功功率实际设定值P_s。

设定值分配模块24用于将该有功功率实际设定值P_s分配到发电场的每个发电单元。

新能源发电场有功控制系统20通过电网调度通讯单元10接受来自电网调度部门的有功功率指令作为发电场有功功率给定的基本值。

发电场发电单元的通讯单元30连接新能源发电场有功控制系统20与同一发电场各发电单元40并完成数据发送和接收。

以下再用一个具体实施例说明本发明的新能源发电场有功控制系统。

如图5所示是本发明新能源发电场有功控制系统在风电场有功功率控制的拓扑图。

风电场的发电单元为可控有功功率的风力发电机组，每台风电机组经箱变将690V升压至35kV风电场线路电压，在风电场升压站，由主变压器将35kV升压至110kV并连接至外部输电电网，风电场的电网并入点取主变压器的110kV高压侧。

有功控制系统通过电网调度通讯单元通讯，接续获取电网调度部门下发的有功功率指令，作为发电场有功功率给定的基本值P₀。

有功控制系统中的发电场电网接入点频率测量单元通过测量风电场的110kV电网并入点频率，得到频率输入f'。

有功控制系统通过发电场发电单元通讯单元，读取风电场的各风电机组当前的运行状态和可发有功功率上限P'_icap。

有功控制系统通过电网调度通讯单元通讯，接续获取电网调度部门下发的有功功率指令，作为发电场有功功率给定的基本值P₀。

有功控制系统中的发电场有功功率基本值及补偿值计算模块根据电网频率计算有功功率给定补偿值；发电场有功功率综合值计算模块将电网调度下发的有功功率给定基本值和补偿值相加得到有功功率给定综合值；发电场有功功率实际设定值计算模块结合发电场当前可发有功功率上限，确定发电场的有功功率实际设定值；发电场有功功率实际设定值分配模块将该实际设定值分配到每个发电单元，具体包括：

基本值及补偿值计算模块根据所获得的电网频率f'确定发电场的有功功率给定的补偿值，包括如下步骤：

(1)获取子模块，用于将采集的电网频率f'经过一介惯性滤波，得到测量频率f；电网频率f'滤波可以采用包括但不限于可以为一阶滤波、平均值滤波或者加权滤波等。在其它实施方式中，也可以省略滤波，直接将采集的电网频率f'作为测量频率f输出。

(2)频率计算子模块，用于计算所接入电网的测量频率f与电网基准频率f₀之间的偏差量Δf＝f-f₀；计算所接入电网的频率f的变化率

(3)补偿值确定子模块，采用所接入电网的频率的偏差量Δf和变化率确定发电场有功功率给定的补偿值ΔP，包括：

(3.1)设定接入电网频率偏差量门槛下限Δf₁和接入电网频率偏差量门槛上限Δf₂,当所接入电网的频率的偏差量Δf在门槛上下限范围内，即Δf₁≤Δf≤Δf₂时，发电场有功功率给定的补偿值ΔP取零；

(3.2)当Δf＜Δf₁，当Δf＞Δf₂，其中k_p,k_d为系数；

其他实施方式中，补偿值确定子模块也可以仅采用所接入电网的频率的偏差量Δf确定发电场有功功率给定的补偿值ΔP，具体为：设定接入电网频率偏差量门槛下限Δf₁和接入电网频率偏差量门槛上限Δf₂；当Δf₁≤Δf≤Δf₂，ΔP＝0；当Δf＜Δf₁，ΔP＝-k_pΔf；当Δf＞Δf₂，ΔP＝-k_pΔf；其中k_p为系数，一般都大于1，根据发电场容量以及介入电网情况进行配置；一般取Δf₁小于0，Δf₂大于0，根据发电场容量以及介入电网情况进行配置实际数值。

(4)限幅子模块，用于对发电场有功功率给定的补偿值ΔP进行限幅处理。

综合值计算模块计算风电场有功功率给定综合值P_d＝P₀+ΔP。

设定值计算模块还用于获取发电场内各发电单元的可发有功功率最大值P′_icap、当前运行状态；根据各发电单元的当前运行状态确定各发电单元的可发有功功率上限P_cap。具体为：

(1)确定单台风电机组的可发有功功率上限，通过以下方式确定：

(1.1)当风电机组的当前运行状态为发电运行时，本发电单元的可发有功功率上限P_icap＝P′_icap；

(1.2)当风电机组的当前运行状态为停机时，本风电机组的可发有功功率上限P_icap＝0；

(2)风电场发电场可发有功功率上限n为风电场风电机组数量。

设定值计算模块根据风电场的有功功率给定综合值P_d和当前可发功率的上限P_cap，确定发电场的有功功率设定值P_s，包括：

(1)当发电场的有功功率给定综合值p_d≤发电场当前可发功率的上限p_cap，发电场的有功功率实际设定值P_s＝P_d；

(2)当发电场的有功功率给定综合值p_d＞发电场当前可发功率的上限p_cap，发电场的有功功率实际设定值P_s＝P_cap。

设定值分配模块按如下方式分配：各风电机组按各自可发有功功率上限占风电场总可发有功功率的比例来分配风电场的有功功率实际设定值，风电机组i的有功功率设定值

最后，有功控制系统通过发电场发电单元通讯单元将风电场的各风电机组有功功率设定值P_is下发至各台风电机组。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。