風儲集群參與電力系統(tǒng)調(diào)頻調(diào)壓的協(xié)同控制方法
【專利摘要】一種風儲集群參與電力系統(tǒng)調(diào)頻調(diào)壓的協(xié)同控制方法，首先根據(jù)風電場運行工況、風速與電力系統(tǒng)調(diào)度給出的有功功率與無功功率容量備用要求，利用風電機組超速控制與槳距角控制，使風儲集群預留一部分有功功率與無功功率作為電力系統(tǒng)調(diào)頻調(diào)壓備用功率。當檢測到電力系統(tǒng)頻率或者電壓發(fā)生波動時，根據(jù)風儲集群狀態(tài)，確定風儲集群需要發(fā)出的有功功率及無功功率大小。最后，參考風電機組與儲能的容量限制，確定風電機組與儲能的最終出力情況。本發(fā)明可實現(xiàn)風儲集群參與系統(tǒng)頻率與電壓調(diào)節(jié)，在風電滲透率較高的電力系統(tǒng)中，能夠以較少的儲能容量配置，有效提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量。
【專利說明】風儲集群參與電力系統(tǒng)調(diào)頻調(diào)壓的協(xié)同控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種風電場友好接入電力系統(tǒng)的控制方法，特別涉及一種風儲集群參 與電力系統(tǒng)調(diào)頻調(diào)壓的協(xié)同控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國能源結(jié)構(gòu)的低碳化調(diào)整，風能等可再生能源在我國能源結(jié)構(gòu)中占有的比 重逐漸增大，可再生能源與電力系統(tǒng)間的相互作用的程度逐步加強。
[0003] 雖然風電等可再生能源能夠在一定程度上解決能源及環(huán)境問題，但是，當風電滲 透率較高時，風電的接入會對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來一定的影響。
[0004] 風電機組的原動力為風能，風能由于風的間歇性和隨機波動性使得風電機組的發(fā) 出的功率是間歇和波動的，這些波動性的風能接入系統(tǒng)會給電力系統(tǒng)帶來沖擊。同時，由于 風電機組為異步機，若不加以控制，在發(fā)出有功功率的同時，需要吸收一定的無功功率，不 利用系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定。當風電滲透率較低時，這些影響不明顯，隨著風電滲透率的提高，風 能對電力系統(tǒng)的影響逐漸增大，在給電力系統(tǒng)帶來經(jīng)濟效益的同時也給電網(wǎng)的運行造成了 一定的困難。在風電并網(wǎng)比重較大的電力系統(tǒng)中，由于風電場輸出功率具有不完全可控性 和預期性，會在一定程度上改變原有電力系統(tǒng)潮流分布、線路輸送功率及整個系統(tǒng)的慣量， 從而對電網(wǎng)的有功、無功功率平衡、頻率及電壓穩(wěn)定產(chǎn)生了影響。當風電并網(wǎng)運行時，特別 是獨立運行的小電網(wǎng)，電網(wǎng)建設相對薄弱，電網(wǎng)有功功率調(diào)節(jié)能力較小，風電并網(wǎng)帶來的電 網(wǎng)穩(wěn)定性問題更加明顯。因此，越來越多的電力公司要求風力發(fā)電至少能像常規(guī)發(fā)電廠一 樣提供輔助性服務。
[0005] 但是，風力發(fā)電由于容量及勵磁電流等限制，當系統(tǒng)給出功率需求時，僅利用風電 機組無法取得較好地調(diào)節(jié)效果。儲能裝置由于其靈活可控性，配合風電機組進行電力系統(tǒng) 電能質(zhì)量改善可以起到較好的效果。因此，為保證在風電滲透率逐步增高的情況下，滿足電 力系統(tǒng)電能質(zhì)量要求，急需找出一種風儲集群參與系統(tǒng)頻率、電壓調(diào)節(jié)的控制方法，以提高 電力系統(tǒng)經(jīng)濟性及可靠性。
[0006] 中國專利201210477712. 3公開了一種風儲集群控制方法，將風電機組的轉(zhuǎn)子慣 性響應、超速控制和變槳控制協(xié)調(diào)起來產(chǎn)生一定的有功備用，主動響應系統(tǒng)頻率的變化，同 時，從備用容量可信度的角度出發(fā)，配置一定的儲能彌補風電機組自身備用容量的不足及 變化，但該專利主要是針對風儲集群對系統(tǒng)頻率的響應，沒有考慮電壓響應的問題，而電壓 響應需要對風電機組和儲能的控制系統(tǒng)進行較大的調(diào)整，而且要協(xié)調(diào)與頻率響應控制系統(tǒng) 的關(guān)系。中國專利CN101931241A公開了風電場并網(wǎng)協(xié)調(diào)控制方法，利用風電機組轉(zhuǎn)子參與 系統(tǒng)調(diào)頻，儲能系統(tǒng)與變槳通過一階慣性濾波器進行協(xié)調(diào)的頻率控制方法，以及通過調(diào)度 直接向風電場下達指定無功出力指標的電壓控制方法，其不足之處在于未充分考慮風電場 有功功率及無功功率輸出時的協(xié)調(diào)，同時，未充分發(fā)揮儲能裝置靈活可控的特點。在風電滲 透率較高的電力系統(tǒng)中，電力系統(tǒng)出現(xiàn)頻率及電壓變化時，要求風儲集群對電力系統(tǒng)穩(wěn)定 性和電能質(zhì)量的實時性較強，必須根據(jù)電力系統(tǒng)的實時狀態(tài)，充分考慮到風儲集群的調(diào)節(jié) 能力，才能保證電力系統(tǒng)的可靠與經(jīng)濟運行。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中只考慮風電場只參與頻率調(diào)節(jié)的有功功率輸出 控制，以及有功功率輸出和無功功率輸出之間缺乏協(xié)調(diào)的問題，針對風電場高滲透率下的 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和電能質(zhì)量問題，提出一種風儲集群參與電力系統(tǒng)頻率電壓調(diào)節(jié)的協(xié)調(diào)控 制方法。本發(fā)明可實現(xiàn)風電機組和儲能裝置主動參與電力系統(tǒng)頻率和電壓的調(diào)節(jié)，進一步 提高風電的接入和消納能力。
[0008] 本發(fā)明通過檢測風電接入側(cè)電力系統(tǒng)的頻率和電壓偏差及其變化率、風速，以及 根據(jù)調(diào)度指令，按照風電機組慣性響應控制、超速控制、槳距角控制和儲能裝置控制等方 式，令風電機組與儲能裝置輸出特定的有功功率，依據(jù)風速和各控制方式的可用能力協(xié)調(diào) 風電機組慣性響應控制、超速控制、槳距角控制和儲能裝置控制等控制方式；同時，通過調(diào) 節(jié)風電機組并網(wǎng)側(cè)變流器和轉(zhuǎn)子勵磁電流、儲能裝置等方式實現(xiàn)無功功率輸出，依據(jù)風速 和各控制方式的可用能力協(xié)調(diào)無功功率輸出；依據(jù)風速、風儲集群狀態(tài)、電力系統(tǒng)狀態(tài)和調(diào) 度指令等協(xié)調(diào)有功功率和無功功率的輸出。
[0009] 本發(fā)明可以在風電高滲透情況下，使風電機組友好接入電網(wǎng)，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn) 定性和電能質(zhì)量；當電力系統(tǒng)出現(xiàn)頻率或電壓變化時，使風儲集群主動提供一定的有功與 無功功率支撐，主動參與對電網(wǎng)頻率和電壓的調(diào)節(jié)。
[0010] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明風儲集群參與電力系統(tǒng)調(diào)頻調(diào)壓的協(xié)同控制策略步驟如 下：
[0011] (1)采集電力系統(tǒng)頻率、電壓信息及風電場風速信息，同時根據(jù)電力系統(tǒng)調(diào)度指 令，形成風電場調(diào)頻、調(diào)壓備用容量需求；
[0012] (2)根據(jù)風速和風電場調(diào)頻、調(diào)壓備用容量需求，利用風電機組的超速控制與槳距 角控制，確定各臺風電機組的初始有功功率、無功功率出力及初始轉(zhuǎn)速、初始槳距角，以及 儲能裝置的荷電狀態(tài)；
[0013] (3)根據(jù)電力系統(tǒng)實時的頻率偏差及其變化率信息，確定電力系統(tǒng)目前的調(diào)頻需 求；根據(jù)電力系統(tǒng)實時的電壓偏差及其變化率信息，確定電力系統(tǒng)目前的調(diào)壓需求；
[0014] (4)根據(jù)風電機組出力狀況，確定風電機組和儲能裝置需要發(fā)出的有功功率與無 功功率大?。?br> [0015] (5)結(jié)合風電機組容量、勵磁電流限制及電力系統(tǒng)實時電氣狀態(tài)，確定風電機組有 功功率與無功功率出力參考值；
[0016] (6)結(jié)合儲能裝置容量限制及電力系統(tǒng)實時電氣狀態(tài)，確定儲能裝置的有功功率 與無功功率出力參考值；
[0017] (7)將風電機組有功功率及無功功率出力參考值轉(zhuǎn)換為風電機組轉(zhuǎn)速、槳距角、勵 磁電流等參數(shù)輸入給風電機組，使風電機組完成對電力系統(tǒng)頻率及電壓的調(diào)節(jié)；
[0018] (8)將儲能裝置的有功功率及無功功率出力參考值輸入給儲能裝置，使儲能裝置 完成對電力系統(tǒng)頻率及電壓的調(diào)節(jié)；
[0019] (9)完成對電力系統(tǒng)頻率和電壓的調(diào)節(jié)后，按照步驟（1)、步驟⑵恢復風電機組 和儲能裝置調(diào)頻調(diào)壓備用容量。
[0020] 進一步的，所述步驟（1)中，電力系統(tǒng)調(diào)度指令是指電力系統(tǒng)調(diào)度方根據(jù)電力系 統(tǒng)調(diào)頻需求與風速信息所確定的風電場各臺風電機組預留d%的有功功率作為調(diào)頻備用容 量需求，d為5% -10%。該調(diào)頻備用容量需求由風電機組超速控制與槳距角控制提供。
[0021] 進一步的，所述步驟（2)中，各臺風電機組的初始轉(zhuǎn)速的確定與風速有關(guān)，根據(jù)風 電機組有功功率輸出能力與電力系統(tǒng)調(diào)頻備用需求，將風速劃分為啟動風速段、低風速段、 中風速段和高風速段4部分。其中，啟動風速段為切入風速到門檻風速，啟動風速段風電機 組有功功率輸出能力較小，轉(zhuǎn)速變化對風電機組有功功率輸出影響不大；低風速段上限為 利用超速控制可提供全部電力系統(tǒng)調(diào)頻備用需求的風速；高風速段下限為采用最大功率點 跟蹤時，風電機組轉(zhuǎn)速達到最大轉(zhuǎn)速時的風速；對應不同風速，風電機組的初始轉(zhuǎn)速不同， 初始轉(zhuǎn)速ω與風速關(guān)系滿足：
[0022]

【權(quán)利要求】
1. 一種風儲集群參與電力系統(tǒng)調(diào)頻調(diào)壓的協(xié)同控制方法，其特征在于，該協(xié)同控制方 法步驟如下： (1) 采集電力系統(tǒng)頻率、電壓信息及風電場風速信息，同時根據(jù)電力系統(tǒng)調(diào)度指令，形 成風電場調(diào)頻、調(diào)壓備用容量需求； (2) 根據(jù)風速和風電場調(diào)頻、調(diào)壓備用容量需求，利用風電機組的超速控制與槳距角控 制，確定各臺風電機組的初始有功功率、無功功率出力、初始轉(zhuǎn)速、初始槳距角，以及儲能裝 置的荷電狀態(tài)； (3) 根據(jù)電力系統(tǒng)實時的頻率偏差及其變化率信息，確定電力系統(tǒng)目前的調(diào)頻需求； 根據(jù)電力系統(tǒng)實時的電壓偏差及其變化率信息，確定電力系統(tǒng)目前的調(diào)壓需求； (4) 根據(jù)風電機組出力狀況，確定風電機組和儲能裝置需要發(fā)出的有功功率與無功功 率大?。? (5) 結(jié)合風電機組容量、勵磁電流限制及系統(tǒng)實時電氣狀態(tài)，確定風電機組有功功率與 無功功率出力參考值； (6) 結(jié)合儲能容量限制及電力系統(tǒng)實時電氣狀態(tài)，確定儲能裝置的有功功率與無功功 率出力參考值； (7) 將風電機組輸出有功功率及無功功率參考值轉(zhuǎn)換為風電機組轉(zhuǎn)速、槳距角、勵磁電 流等參數(shù)輸入給風電機組，使風電機組完成對電力系統(tǒng)頻率及電壓的調(diào)節(jié)； (8) 將儲能裝置的有功功率及無功功率出力參考值輸入給儲能裝置，使儲能裝置完成 對電力系統(tǒng)頻率及電壓的調(diào)節(jié)； (9) 完成對電力系統(tǒng)頻率和電壓的調(diào)節(jié)后，按照步驟（1)和步驟（2)恢復風電機組和儲 能裝置調(diào)頻調(diào)壓備用容量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的風儲集群參與電力系統(tǒng)調(diào)頻調(diào)壓的協(xié)同控制方法，其特征 在于，所述步驟（1)中電力系統(tǒng)調(diào)度指令是指電力系統(tǒng)調(diào)度方根據(jù)電力系統(tǒng)調(diào)頻需求與 風速信息所確定的風電場各臺風電機組預留d%的有功功率作為調(diào)頻備用容量需求，d為 5% -10% ;該調(diào)頻備用容量需求由風電機組超速控制與槳距角控制提供。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的風儲集群參與電力系統(tǒng)調(diào)頻調(diào)壓的協(xié)同控制方法，其特征在 于，所述步驟（2)各臺風電機組的初始轉(zhuǎn)速的確定與風速有關(guān)，根據(jù)風電機組有功功率輸 出能力與電力系統(tǒng)調(diào)頻備用需求，將風速劃分為啟動風速段、低風速段、中風速段和高風速 段4部分；其中，啟動風速段為切入風速到門檻風速，啟動風速段風電機組有功功率輸出能 力較小，轉(zhuǎn)速變化對風電機組有功功率輸出影響不大；低風速段上限為利用超速控制可提 供全部電力系統(tǒng)調(diào)頻備用需求的風速；高風速段下限為采用最大功率點跟蹤時，風電機組 轉(zhuǎn)速達到最大轉(zhuǎn)速時的風速；對應不同風速，風電機組的初始轉(zhuǎn)速不同，初始轉(zhuǎn)速《與風 速關(guān)系滿足：
式中，Rw為風電機組半徑，A為風電機組按照最大功率點跟蹤控制時得到的葉尖速比， 入'為風電機組按照預留d%的有功功率作為調(diào)頻備用容量需求時得到的葉尖速比，Vws為 檢測到的風電機組風速，為啟動風速段的最大風速，Viin為中風速段的最小風速。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的風儲集群參與電力系統(tǒng)調(diào)頻調(diào)壓的協(xié)同控制方法，其特征在 于，所述步驟（2)根據(jù)風速和風電場調(diào)頻、調(diào)壓備用容量需求，利用風電機組的超速控制與 槳距角控制，確定各臺風電機組的初始有功功率、無功功率出力、初始轉(zhuǎn)速、初始槳距角，以 及儲能裝置的荷電狀態(tài)；其中風電場的調(diào)頻備用容量需求與各臺風電機組的初始有功功率 出力、初始轉(zhuǎn)速、初始槳距角以及儲能裝置荷電狀態(tài)有關(guān)，風電場的調(diào)壓備用容量需求與各 臺風電機組的初始無功功率出力有關(guān)； 風電場調(diào)頻備用容量需求由各臺風電機組的超速控制與槳距角控制共同提供，在確定 超速控制和槳距角控制分別承擔的風電場調(diào)頻備用容量需求后，可得到對應于該風電場調(diào) 頻備用容量需求的風電機組的初始轉(zhuǎn)速和初始槳距角，并由風電機組的初始轉(zhuǎn)速和初始槳 距角控制風電機組發(fā)出初始有功功率；當風速處于啟動風速段時，風電機組采用最大功率 點跟蹤控制，忽略風電場調(diào)頻備用容量需求；在低風速段時，電力系統(tǒng)調(diào)度要求風電機組預 留的風電場調(diào)頻備用功率全部由風電機組的超速控制提供；在中風速段，調(diào)頻備用功率優(yōu) 先由風電機組的超速控制提供，不足部分利用風電機組的槳距角控制提供；在高風速段，風 電機組采用恒轉(zhuǎn)速控制，調(diào)頻備用功率均由風電機組的槳距角控制提供； 風電場調(diào)壓備用容量需求與各臺風電機組可調(diào)節(jié)的無功功率裕度有關(guān)，各臺風電機組 可調(diào)節(jié)的無功功率裕度由各臺風電機組有功功率出力與各臺風電機組視在功率共同決定， 滿足：
式中，為各臺風電機組可調(diào)節(jié)的無功功率裕度，s為各臺風電機組視在功率，P為各 臺風電機組有功功率出力； 當根據(jù)風電場調(diào)頻備用容量需求確定風電場初始有功功率出力后，可得到對應于該有 功功率出力的風電場初始無功功率出力；儲能裝置荷電狀態(tài)與風速有關(guān)，當風速處于啟動 風速段與低風速段時，應令儲能裝置荷電狀態(tài)處于較高水平，當風速處于中風速段與高風 速段時，適當減小儲能裝置荷電狀態(tài)水平。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的風儲集群參與電力系統(tǒng)調(diào)頻調(diào)壓的協(xié)同控制方法，其特征在 于，所述步驟（3)中確定電力系統(tǒng)調(diào)頻需求的方式為：確定電力系統(tǒng)調(diào)頻需求時，依據(jù)電力 系統(tǒng)頻率偏差及其變化率，通過慣性控制和下垂控制方法實現(xiàn)：
式中，AP為電力系統(tǒng)調(diào)頻需要的有功功率，Af為電力系統(tǒng)實時頻率與額定頻率之 差，Kpf為調(diào)頻下垂控制系數(shù)，Kdf為調(diào)頻慣性控制系數(shù)； 確定電力系統(tǒng)調(diào)壓需求的方式為依據(jù)電力系統(tǒng)電壓偏差，通過下垂控制方法實現(xiàn)： AQ = KAU 式中，AQ為電力系統(tǒng)調(diào)壓需要的無功功率，AU為電力系統(tǒng)實時電壓與額定電壓之 差，K為調(diào)壓下垂控制系數(shù)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的風儲集群參與電力系統(tǒng)調(diào)頻調(diào)壓的協(xié)同控制方法，其特征在 于，所述步驟（4)中風電機組和儲能裝置需要發(fā)出的有功功率與無功功率由風電機組的實 時狀態(tài)及系統(tǒng)功率需求決定；風電機組需要發(fā)出的有功功率、無功功率由風電機組初始有 功功率、無功功率與根據(jù)電力系統(tǒng)有功功率、無功功率需求和風電機組實時狀態(tài)要求風電 機組增發(fā)的有功功率、無功功率加和而成；儲能裝置需要發(fā)出的有功功率、無功功率由電力 系統(tǒng)有功功率、無功功率需求和風電機組增發(fā)的有功功率、無功功率相減得到。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的風儲集群參與電力系統(tǒng)調(diào)頻調(diào)壓的協(xié)同控制方法，其特征在 于，所述步驟（5)和步驟（6)中電力系統(tǒng)實時電氣狀態(tài)根據(jù)實時檢測得到的電力系統(tǒng)頻率 偏差與電壓偏差劃分； 電力系統(tǒng)的頻率偏差劃分為F1-F4四種情況，分別為： Fl:f ^ 50. 5Hz, F2:50Hz ^ f < 50. 5Hz, F3:48. 5Hz ^ f < 50Hz, F4:f < 48. 5Hz 式中，變量f指檢測到的電力系統(tǒng)實時頻率； 電力系統(tǒng)的電壓偏差劃分為U1-U4四種情況，分別為： U1:U ^ I. 3Uref, U2:1. OUref ^ U < I. 3Uref, U3:0. 8Uref ^ U < I. OUref, U4:U < 0. 8Uref式中，變量Uref指電力系統(tǒng)額定電壓，U指檢測到的電力系統(tǒng)實時電壓； 根據(jù)所述的電力系統(tǒng)的頻率偏差與電壓偏差，將電力系統(tǒng)的實時電氣狀態(tài)分為以下16 種： 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 對上述各種電力系統(tǒng)實時電氣狀態(tài)，所確定的風電機組有功功率與無功功率調(diào)節(jié)方法 如下： 對于電氣狀態(tài)TI-T4，優(yōu)先利用風儲集群進行電力系統(tǒng)有功功率調(diào)節(jié)；對于電氣狀態(tài) T5-T12,在滿足風儲集群容量限制情況下，根據(jù)電力系統(tǒng)對有功功率和無功功率的需求，按 比例完成電力系統(tǒng)有功功率與無功功率調(diào)節(jié)；對于電氣狀態(tài)T13-T16,優(yōu)先利用風儲集群 進行電力系統(tǒng)無功功率調(diào)節(jié)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的風儲集群參與電力系統(tǒng)調(diào)頻調(diào)壓的協(xié)同控制方法，其特征在 于，所述步驟（7)中將有功功率與無功功率參考值轉(zhuǎn)換為槳距角、轉(zhuǎn)速、勵磁電流等信息輸 送給風電機組，利用風電機組自身及網(wǎng)側(cè)變流器等控制，使風電機組發(fā)出需要的有功功率 與無功功率。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的風儲集群參與電力系統(tǒng)調(diào)頻調(diào)壓的協(xié)同控制方法，其特征在 于，對于風儲集群有功功率的分配，優(yōu)先利用風電機組自身的有功備用容量，當風電機組自 身的有功備用容量不足時，再利用儲能裝置彌補有功功率出力的不足；對于風儲集群無功 功率的分配，優(yōu)先利用風電機組自身的無功備用容量，當風電機組自身的無功備用容量不 足時，再利用儲能裝置彌補無功功率出力的不足。
【文檔編號】H02J3/00GK104333037SQ201410602832
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年11月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月2日
【發(fā)明者】唐西勝, 高超, 師長立, 苗福豐, 吳濤, 李善穎, 鄧春, 邢海瀛 申請人:中國科學院電工研究所, 國家電網(wǎng)公司, 華北電力科學研究院有限責任公司, 華北電網(wǎng)有限公司