一种避免频率二次跌落的风电场频率响应控制方法及系统与流程

本发明属于新能源发电，具体涉及一种避免频率二次跌落的风电场频率响应控制方法及系统。

背景技术：

1、2030年，我国风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上，由于风力发电系统通常采用最大功率跟踪控制模式运行，输出的有功功率与系统频率解耦，缺乏频率主动支撑能力。随着风电并网规模的不断扩大，系统的惯性和频率调节能力会逐渐减弱，进而导致电力系统的频率稳定性下降。因此，许多国家开始要求风电场必须具有惯性响应和一次调频能力，风电参与频率响应也成为提高以新能源为主体新型电力系统频率稳定性的重要解决方案。

2、风电机组转子具有惯性，当系统频率跌落时，可以通过释放机组的转子动能参与频率响应，进而实现对频率的主动支撑，而在释放转子动能的过程中，转子转速会逐渐降低，当风电机组退出频率响应状态后，需要恢复转子转速至最大功率跟踪状态运行，此时需要吸收能量，可能导致电网出现频率二次跌落，甚至可能出现比频率的一次跌落更为严重的情况。

3、频率二次跌落问题是风电场频率响应控制面临的重要问题，现有研究中，专利号cn202210810391.8的中国专利涉及了一种考虑频率二次跌落抑制的风储联合系统调频控制方法及装置，通过风储有序协调和互补配合，在保证系统频率稳定的大前提下，减小频率二次跌落，但是利用储能设备解决频率二次跌落问题，投资成本大。专利号cn202210932460.2中国专利涉及一种考虑风电参与调频的系统频率二次跌落事件预测方法，其主要根据风电机组的运行风速和所采取的调频方式，对频率二次跌落时间进行预测，并没有涉及避免二次跌落的方法。专利号cn202111676288.0公开了一种计及频率两次跌落的风电机组调频参数优化方法主要从优化调频参数的角度抑制频率二次跌落，但作用有限。

技术实现思路

1、本发明针对风电场参与频率响应后，由于转子转速恢复时需要吸收能量可能导致的频率二次跌落问题，提供一种避免频率二次跌落的风电场频率响应控制方法及系统，所述方法及系统可以在实现风电场对电力系统频率主动支撑的同时，避免频率二次跌落的出现，该方法包括以下步骤：

2、步骤1：风电场频率响应控制系统根据机组的运行状态对风电场内各机组的频率响应能力进行评估，并根据频率响应能力的大小将风电机组分成高、低两个不同集群，高能力机组用于提供频率支撑，减小频率跌落，低能力机组则用于防止频率二次跌落；

3、步骤2：当检测到场站并网点频率偏差超过一定范围时，高能力组的机组马上参与频率响应，风电场频率响应控制系统根据频率响应能力的大小对参与频率响应的机组的附加的有功功率进行分配；

4、步骤3：高能力组中的机组在频率响应过程中，如果其输出的有功功率小于此时捕获的机械功率时，该机组退出频率响应；当电力系统频率恢复至死区范围内时，风电场频率响应结束，参与频率响应的机组按频率响应能力大小，分批次退出调频；

5、步骤4：当风电场频率响应未结束时，退出频率相响应的高能力机组以低于退出频率响应时刻的有功功率运行，并采用分阶段的方法恢复转子转速，每退出一台，风电场频率响应控制系统按频率响应能力的大小从大到小的顺序，依次在小频率响应能力组中开启一台参与频率响应，并重新分配功率。

6、所述风电场频率响应控制系统可以实时采集场站内风电机组运行状态信息和电力系统频率变化，根据现有的综合惯量控制方法得到风电场频率响应功率需求，并根据机组的实时运行状态计算分配各机组的频率响应功率。

7、风电场频率响应控制系统包括：

8、频率测量模块，用于测量电力系统频率偏差和频率变化率；

9、信息采集模块，用于采集风电场内风电机组的实时运行状态，包括风电机组的运行转速、输出功率等，风速等；

10、能力评估模块，用于对风电机组的频率响应能力进行实时评估，并进行分组；

11、响应决策模块，用于对风电场和各风电机组是否参与频率响应进行决策，并计算各风电机组的频率响应指令；

12、实时通信模块，用于与风电场内各机组、agc、scada系统以及调度中心等进行实时通信，接收机组状态信息和调控指令，并向场站内风电机组发送调频功率指令，所述实时通信模块分别与频率测量模块、信息采集模块、能力评估模块和响应决策模块连接；

13、数据存储模块，用于数据存储，且与实时通信模块连接；

14、人机交互模块，用于数据展示、参数及控制指令输入等，且与实时通信模块连接。

15、详细的，风电场频率响应控制系统根据测量到的频率信息生成风电场的调频需求，调频需求根据频率变化率和频率偏差得到，表达式为：

16、上式中，p响应为风电场参与频率响应的附加功率，f为电力系统频率，δf为电力系统频率偏差，k1、k2为系数。

17、风电机组的频率响应能力由风电场频率响应控制系统中的能力评估模块实时评估得出，风电机组频率响应能力评估表达式如下式所示：

18、

19、上式中，fsci表示机组i频率响应能力，ωr,i表示机组i转子转速，ωmax、ωmin分别表示转子转速的最大值和最小值，pn表示机组额定容量，p0,i为机组频率响应开始时的有功功率。

20、进一步的，根据频率响应能力的大小将风电机组进行排序，并将风电机组分成高能力和低能力两组。

21、响应决策模块对风电场和各风电机组是否参与频率响应进行决策，并计算各风电机组的频率响应指令，当系统频率偏差|δf|≤a时，风电场不参与频率响应，风电机组以最大功率跟踪模式运行，其中，a可以根据实际需要进行设置。

22、当系统频率偏差满足|δf|＞a时，风电场高频率响应能力组参与频率响应对系统频率进行支撑。

23、进一步的，根据机组频率响应能力的大小，对参与频率响应的机组的有功功率进行分配，各机组的有功功率指令可以表示为：其中，pref,i为风电机组i有功功率指令，δpref,i为附加的有功功率，kopt表示机组最优功率系数，n表示参与频率响应的机组台数。

24、高频率响应能力组中的机组在频率支撑过程中，其有功功率增量由风电场频率响应控制系统进行分配，并随频率和频率响应能力的变化而变化。

25、如果其输出的有功功率小于风电机组捕获的风功率，该机组退出频率响应状态。

26、进一步的，当风电机组退出调频时，风电机组分阶段恢复转子转速，包括以低于退出频率响应时功率运行和沿最优功率曲线运行两阶段，机组的有功功率指令取两部分的最大值，表示为：式中，pend,i表示机组i退出调频时刻的有功功率，b为退出调频时刻有功功率指令降低的幅度。

27、进一步的，当参与频率响应的机组发生变化，频率响应控制系统根据处于频率响应状态的机组的数目和频率响应能力，对每个机组承担的频率响应功率增量进行重新分配，分配方式与步骤2一致，即按照频率响应能力的大小进行分配。

28、当频率偏差恢复至死区范围，即|δf|≤a时，风电场退出频率响应，参与频率响应的机组按风电场退出频率响应时的机组频率响应能力大小，按风电场退出频率响应时刻的机组频率响应能力大小将机组分批，并从小到大分批次退出频率响应，时间间隔为秒级，时间间隔可根据实际需要进行调整。

29、进一步的，分批次退出的机组有功功率指令可表示为：其中c为功率降低的幅度。

30、所述风电场频率响应控制系统的硬件结构主要包括频率测量设备、信息采集装置、通信接口与通信总线、中央处理器、数据库服务器以及显示器等，支持iec61850、modbus、iec104、gb131等多种通讯协议，频率采样周期不大于100ms，频率测量分辨率不大于0.003hz。有益效果：在以新能源为主体的新型电力系统中，要求风电具备类似于同步机组的电网频率主动支撑能力逐渐迫切。本发明针对风电场利用转子动能参与频率响应后可能出现的频率二次跌落问题，提供一种避免频率二次跌落的风电场频率响应控制方法及系统，所述方法和系统能够在实现对机组频率响应能力评估的基础上，采用分组的方式分别解决支撑频率恢复和减小频率二次跌落的问题，实现了根据机组频率响应能力对风电场频率响应需求功率的分配，并且对风电机组退出频率响应的时刻、次序及退出调频后有功功率指令进行设计，可以在实现风电场快速参与频率响应和有效支撑电力系统频率恢复的同时，从多个层面避免频率二次跌落的出现。