本發(fā)明涉及鐵路接觸網(wǎng)檢測領(lǐng)域，具體地，涉及一種提高風電場接入電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的控制方法。

背景技術(shù)：

隨著大規(guī)模風電場接入電網(wǎng)運行，風電在電力系統(tǒng)所占比重逐漸增加，而風電自身所具有的間歇性和隨機性特點給電網(wǎng)帶來的穩(wěn)定性影響也隨之增大。為減少風電場并網(wǎng)對系統(tǒng)安全的影響，電網(wǎng)對風電場并網(wǎng)提出了嚴格的技術(shù)要求，而有功、頻率控制能力是其中重要的技術(shù)要求之一。

目前雙饋風電機組因其具有優(yōu)良的功率解耦控制能力，已成為大型風電場的主力機型。雙饋風電機組通常運行在最大功率跟蹤(maximumpowerpointtracking,mppt)模式下，其矢量控制策略使其機械和電磁耦合關(guān)系變?nèi)?，有功功率無法響應(yīng)系統(tǒng)頻率的變化。為了改善風電接入電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性，雙饋風電機組需提供長期額外有功支持，因此其必須留有一定額備用容量，即運行在減載模式下。實現(xiàn)雙饋風電機組減載運行主要有2種方法，變槳法和超速法。變槳法通過調(diào)節(jié)槳距角以調(diào)整功率系數(shù)，從而調(diào)整風電機組出力；超速法通過調(diào)整功率-轉(zhuǎn)速最優(yōu)曲線來控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過最優(yōu)轉(zhuǎn)速，從而減少有功出力，儲存有功備用。然而現(xiàn)有方法大都從機組角度分析風電并網(wǎng)的有功頻率控制問題，沒有從整個風電場角度出發(fā)，導(dǎo)致風電場接入電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性不足。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種提高風電場接入電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的控制方法，解決了現(xiàn)有方法大都從機組角度分析風電并網(wǎng)的有功頻率控制問題，沒有從整個風電場角度出發(fā)，導(dǎo)致風電場接入電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性不足的技術(shù)問題，實現(xiàn)了提高風電場對電力系統(tǒng)暫態(tài)頻率穩(wěn)定支持的技術(shù)效果。

風電場內(nèi)各風電機組風速差異很大，各風電機組的有功頻率調(diào)節(jié)能力及控制策略也不盡相同。例如，低風速區(qū)風電機組可通過超速法實現(xiàn)減載運行，而高風速區(qū)風電機組由于轉(zhuǎn)速已經(jīng)接近轉(zhuǎn)速上限，因此只能通過變槳來實現(xiàn)減載于運行。此外，還應(yīng)考慮有功頻率調(diào)節(jié)能力在各臺機組間的分配問題。

因此，本發(fā)明從整個風電場角度出發(fā)，將風電場內(nèi)風電機組按照風速進行分區(qū)，并分析了不同風速區(qū)內(nèi)風電機組在超速法下的有功調(diào)節(jié)能力，提出了一種提高雙饋風電場接入電網(wǎng)后系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的有功頻率分層控制方法。

本申請?zhí)峁┝艘环N提高風電場接入電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的控制方法，所述控制方法從三個層面進行控制，分別為：

電網(wǎng)調(diào)度層，對風電場的減載水平、頻率參數(shù)進行控制；

風電場控制層，對風電場電力生產(chǎn)進行整體控制，發(fā)送參考值到每個風電機組；

風電機組控制層，將風電機組按照風電場發(fā)送的參考值進行控制，控制風電機組響應(yīng)電網(wǎng)的頻率變化，提供電網(wǎng)動態(tài)頻率支持。

進一步的，將風電場內(nèi)風電機組按照風速進行分區(qū)，劃分為：低風速區(qū)、中風速區(qū)、高風速區(qū)；當在低風速區(qū)(v1≤v≤v2)和中風速區(qū)(v2≤v≤v3)時，利用超速法實現(xiàn)風力發(fā)電機組的減載運行，當在高風速區(qū)(v3≤v)時，利用變槳法實現(xiàn)風力發(fā)電機組的減載運行，通過超速法可實現(xiàn)的有功功率調(diào)節(jié)范圍，如下公式表示：

其中，v表示風速，v1為風電機組切入風速；v2為低風速區(qū)與中風速區(qū)的界限；v3表示中風速區(qū)與高風速區(qū)的界限。

進一步的，風電場控制層根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度層的減載運行水平要求及整個風電場的最大功率輸出，控制整個風電場輸入電網(wǎng)的有功功率，并測量公共連接點頻率，根據(jù)風電場下垂特性曲線，在系統(tǒng)頻率變化時，提高或減少整個風電場輸出有功功率，使風電場參與系統(tǒng)頻率控制。

進一步的，風電場控制層中的功率分配模塊根據(jù)風電場確定的有功輸出參考值以及有功調(diào)節(jié)范圍計算模塊確定的各個風電機組通過超速法可實現(xiàn)的有功調(diào)節(jié)范圍，按照分配算法確定各個風電機組的有功減載容量參考值；功率分配計算是在滿足電網(wǎng)調(diào)度層減載水平要求的前提下，首先充分利用風電場內(nèi)各風電機組的超速能力來實現(xiàn)減載運行，當超速法無法滿足減載水平要求時，再利用變槳法來調(diào)節(jié)；各風電機組減載容量參考值包括兩個部分，表示通過轉(zhuǎn)子超速實現(xiàn)的有功減載容量參考值，表示通過變槳實現(xiàn)的有功減載容量參考值。

進一步的，和計算如下：根據(jù)確定的風電場有功輸出參考值則風電場的減載容量用pmargin,i表示超速法下風電機組的有功調(diào)節(jié)容量，其等于風電機組最大可輸出功率減去超速法下最小輸出功率；

當即僅通過風電場內(nèi)低風速區(qū)和中風速區(qū)各風電機組的超速運行即可滿足減載運行水平要求；各風電機組的減載容量參考值計算如下：

當此時，中風速和高風速區(qū)的風電機組通過變槳調(diào)節(jié)來進一步減小功率輸出，以使整個風電場滿足減載水平要求，各風電機組的減載容量參考值計算如下：

進一步的，風電機組層控制策略為：各風力發(fā)電機組將風速的大小以及根據(jù)風力機最大功率曲線得到的風電機組最大輸出功率信息發(fā)送到風電場控制層；各風電機組根據(jù)風電場給定的有功減載容量參考值動作，響應(yīng)功率的變化；

槳距控制環(huán)節(jié)按最大轉(zhuǎn)速給定控制，當檢測到風力機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過最大轉(zhuǎn)速時，變槳距動作減小出力，保證風力機轉(zhuǎn)速不超過最大給定轉(zhuǎn)速；

功率控制環(huán)節(jié)按最優(yōu)功率輸出跟蹤控制；根據(jù)實際風力機組的參數(shù)可得到不同減載水平下風力機組的最優(yōu)功率-轉(zhuǎn)速曲線，制作三維表，通過三維表查表實現(xiàn)；三維表輸入為風電機組減載水平及測得風力機轉(zhuǎn)速其輸出與有功減載容量參考值疊加，再加上頻率慣性控制產(chǎn)生的功率調(diào)整量δpf，即可得到每個風力發(fā)電機組輸出功率參考值pref。

本申請?zhí)峁┑囊粋€或多個技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點：

風電場有功頻率控制是風電場接入電網(wǎng)運行的關(guān)鍵技術(shù)，在分析雙饋風力發(fā)電機組減載運行控制策略及超速法下雙饋風力發(fā)電機組的減載運行調(diào)節(jié)能力的基礎(chǔ)上，提出了提高雙饋風電場的有功調(diào)節(jié)能力及接入電網(wǎng)后系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的有功頻率分層控制方法。該方法根據(jù)不同風速區(qū)風電機組的減載運行調(diào)節(jié)能力差異，設(shè)計了風電場層分配策略及風電機組層控制策略，首先充分利用風電場內(nèi)風電機組的超速能力來實現(xiàn)減載運行，當超速法無法滿足減載水平要求時，再利用變槳法來調(diào)節(jié)，在滿足有功控制要求的前提下，盡可能提高風電場對電力系統(tǒng)暫態(tài)頻率穩(wěn)定的支持。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明實施例的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，并不構(gòu)成對本發(fā)明實施例的限定；

圖1是不同風速下雙饋風電機組的功率—轉(zhuǎn)速特性曲線示意圖；

圖2是風電場層控制策略示意圖；

圖3是風電機組層控制策略示意圖；

圖4是不同減載水平下風力機組的最優(yōu)功率-轉(zhuǎn)速曲線示意圖；

圖5是仿真系統(tǒng)示意圖；

圖6是頻率動態(tài)響應(yīng)示意圖；

圖7是wt1動態(tài)響應(yīng)示意圖；

圖8是wt2動態(tài)響應(yīng)示意圖；

圖9是wt3動態(tài)響應(yīng)示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明提供了一種提高風電場接入電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的控制方法，解決了現(xiàn)有方法大都從機組角度分析風電并網(wǎng)的有功頻率控制問題，沒有從整個風電場角度出發(fā)，導(dǎo)致風電場接入電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性不足的技術(shù)問題，實現(xiàn)了提高風電場對電力系統(tǒng)暫態(tài)頻率穩(wěn)定支持的技術(shù)效果。

為了能夠更清楚地理解本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點，下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進行進一步的詳細描述。需要說明的是，在相互不沖突的情況下，本申請的實施例及實施例中的特征可以相互組合。

在下面的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是，本發(fā)明還可以采用其他不同于在此描述范圍內(nèi)的其他方式來實施，因此，本發(fā)明的保護范圍并不受下面公開的具體實施例的限制。

為了提高風電場接入電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性，現(xiàn)在電網(wǎng)越來越多的要求風電機組能像傳統(tǒng)同步發(fā)電機組一樣參與系統(tǒng)有功頻率調(diào)整，則風電機組也必須留有部分備用容量，即運行在減載模式下。

利用超速法及變槳法都可實現(xiàn)風力發(fā)電機組的減載運行，其中變槳法通過變槳距調(diào)節(jié)來實現(xiàn)，響應(yīng)速度慢，且存在機械磨損。而超速法基于交流變頻控制技術(shù)，其控制速度遠比槳距控制快，且轉(zhuǎn)子存儲動能的釋放，可以在電網(wǎng)頻率變化初期時給予快速功率支持，提高系統(tǒng)的暫態(tài)頻率穩(wěn)定性。但超速法僅能單獨應(yīng)用于低風速的工況，這是因為在高風速情況下，風電機組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速已接近甚至等于機組的最大轉(zhuǎn)速上限，無法實現(xiàn)超速減載。

對于風電場內(nèi)的風電機組，要在滿足減載水平要求的前提下，盡可能提高其對系統(tǒng)暫態(tài)頻率穩(wěn)定的支持。為此，對于風電場內(nèi)的風電機組，要首先充分利用風電機組的超速能力來實現(xiàn)減載運行，當超速法無法滿足減載水平要求時，再利用變槳法來調(diào)節(jié)。

超速法下雙饋風力發(fā)電機組的減載運行調(diào)節(jié)能力：

圖1所示為不同風速下雙饋風電機組的功率—轉(zhuǎn)速特性曲線。不同風速下雙饋風電機組的最大出力可根據(jù)最大功率跟蹤曲線abcd計算得出。而雙饋風電機組的最小出力，理論上通過超速法，在轉(zhuǎn)速不超過最大轉(zhuǎn)速情況下，風機功率輸出可調(diào)為零。如圖所示在低風速v1下，可調(diào)整到a″點，此時相當于空載運行。但實際上為了保證風力發(fā)電機組安全穩(wěn)定運行，必須保留一定的最小出力，這里最小出力按10％的額定功率取值。圖1中曲線a′b′即為按10％的額定功率運行曲線。則在低風速下風力發(fā)電機組的功率調(diào)節(jié)范圍，可計算如下：

10％p^opt≤p≤p^opt

隨著風速增大，如圖1當風速到達v2風速時，在此風速下通過轉(zhuǎn)子超速，剛好在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速到達時，輸出功率減小到10％p^opt，如圖中b′點所示。風速繼續(xù)增大，其功率輸出通過超速法調(diào)節(jié)的范圍越來越小，可計算如下：

其中，由ω＝ωmax,β＝0以及給定風速v可求得。

隨著風速繼續(xù)增大，如圖當風速到達v3風速時，在最大功率點c點，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速剛好到達此時已無法通過轉(zhuǎn)子超速實現(xiàn)功率減載運行，在v3及以上風速只有通過變槳來實現(xiàn)功率的減載。

綜上所述，雙饋風力發(fā)電機組在不同風速范圍內(nèi)，其通過超速法可具有不同減載運行能力。當雙饋風力發(fā)電機組分別處于低風速區(qū)(v1≤v≤v2)、中風速區(qū)(v2≤v≤v3)、高風速區(qū)(v3≤v)時，其通過超速法可實現(xiàn)的有功功率調(diào)節(jié)范圍，如下公式表示：

上式中，低風速與中風速的界限v2可如下求得：

如圖1所示，當風機通過轉(zhuǎn)子超速運行于b′點時，減載運行輸出功率p^subopt＝10％p^opt，帶入公式：

令上式中則上式中只有1位未知數(shù)v，可通計算求得風速v2。

中風速與高風速的界限v3，可通過如下公式求得：

式中λopt為最優(yōu)葉尖速比。

提高風電場接入電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的有功頻率分層控制方法：

基于上節(jié)分析雙饋風力發(fā)電機組在超速法下具有的減載運行調(diào)節(jié)能力的基礎(chǔ)上，本發(fā)明提出的提高風電場接入電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的有功頻率分層控制方法如圖2所示。整個控制方案分為三層：電網(wǎng)調(diào)度層，決定風電場的減載水平、頻率參數(shù)等；風電場控制層，控制整個風電場電力生產(chǎn)，發(fā)送參考值到每個風電機組；風電機組控制層，確保風電機組按照風電場發(fā)送的參考控制，并能快速響應(yīng)電網(wǎng)的頻率變化，提供電網(wǎng)動態(tài)頻率支持。

風電場控制層：

風電場控制層根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度層的減載運行水平要求及整個風電場的最大功率輸出，控制整個風電場輸入電網(wǎng)的有功功率，并測量公共連接點頻率，根據(jù)風電場下垂特性曲線，在系統(tǒng)頻率變化時，提高或減少整個風電場輸出有功功率，從而使風電場像常規(guī)發(fā)電廠一樣參與系統(tǒng)頻率控制。

功率分配模塊根據(jù)風電場確定的有功輸出參考值以及有功調(diào)節(jié)范圍計算模塊確定的各個風電機組通過超速法可實現(xiàn)的有功調(diào)節(jié)范圍，按照分配算法確定各個風電機組的有功減載容量參考值。功率分配算法計算的原則是在滿足電網(wǎng)調(diào)度層減載水平要求的前提下，首先充分利用風電場內(nèi)各風電機組的超速能力來實現(xiàn)減載運行，盡可能提高風電場對系統(tǒng)暫態(tài)頻率穩(wěn)定的支持，當超速法無法滿足減載水平要求時，再利用變槳法來調(diào)節(jié)。其減載容量參考值包括兩個部分，表示通過轉(zhuǎn)子超速實現(xiàn)的有功減載容量參考值，表示通過變槳實現(xiàn)的有功減載容量參考值。

和計算如下：根據(jù)確定的風電場有功輸出參考值則風電場的減載容量用pmargin,i表示超速法下風電機組的有功調(diào)節(jié)容量，其等于風電機組最大可輸出功率減去超速法下最小輸出功率。

當即僅通過風電場內(nèi)低風速區(qū)和中風速區(qū)各風電機組的超速運行即可滿足減載運行水平要求，此時僅處于低風速區(qū)和中風速區(qū)各風電機組參與減載控制，而高風速區(qū)風電機組按最大功率曲線控制不參與減載控制。各風電機組的減載容量參考值計算如下：

當此時，僅通過風電場內(nèi)低風速區(qū)和中風速區(qū)各風電機組的超速運行無法滿足減載運行水平要求，這就需要中風速和高風速區(qū)的風電機組通過變槳調(diào)節(jié)來進一步減小功率輸出，以使整個風電場滿足減載水平要求，各風電機組的減載容量參考值計算如下：

風力發(fā)電機組控制層：

風電機組層控制策略如圖3所示。各風力發(fā)電機組將風速的大小以及根據(jù)風力機最大功率曲線得到的風電機組最大輸出功率信息發(fā)送到風電場控制層。各風電機組根據(jù)風電場給定的有功減載容量參考值快速動作，響應(yīng)功率的變化。

槳距控制環(huán)節(jié)按最大轉(zhuǎn)速給定控制，當檢測到風力機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過最大轉(zhuǎn)速時，變槳距動作減小出力，保證風力機轉(zhuǎn)速不超過最大給定轉(zhuǎn)速。

功率控制環(huán)節(jié)按最優(yōu)功率輸出跟蹤控制，其可通過二維查表實現(xiàn)。根據(jù)實際風力機組的參數(shù)可得到不同減載水平下風力機組的最優(yōu)功率-轉(zhuǎn)速曲線，如圖4所示。二維表輸入為風電機組減載水平及測得風力機轉(zhuǎn)速其輸出與有功減載容量參考值疊加，再加上頻率慣性控制產(chǎn)生的功率調(diào)整量δpf，即可得到每個風力發(fā)電機組輸出功率參考值pref。

為了驗證本文提出的控制方法，利用matlab/simulink建立了如圖5所示的仿真系統(tǒng)。g1為常規(guī)同步發(fā)電機組容量為9mw，g2為由3臺1.5mw雙饋風電機組構(gòu)成的風電場，經(jīng)變壓器t2、20km架空線路z12和變壓器t1后和g1相連。l1、l2、l3為系統(tǒng)負荷，分別為2.5mw/0.5mvar、2mw/0.5mvar,0.7mw/0mvar。三臺風電機組的風速分別為8m/s，10m/s，14m/s，分別處于低風速區(qū)，中風速區(qū)，高風速區(qū)。

初始時，風電場按d％＝30％減載運行，恒定負荷l3斷開，t＝5s時，將負荷l3投入。系統(tǒng)頻率及各風電機組的動態(tài)響應(yīng)過程如圖6-9所示。從圖6可以看出，與mppt控制策略相比，本文提出的減載協(xié)調(diào)控制方法提高了系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。從圖7、圖8和圖9可以看出，負荷l3投入后各雙饋風力發(fā)電機組釋放了備用容量。其中wt1和wt2雙饋風電機組通過降低轉(zhuǎn)速，快速釋放轉(zhuǎn)子存儲的動能，提高系統(tǒng)的暫態(tài)頻率穩(wěn)定性。

上述本申請實施例中的技術(shù)方案，至少具有如下的技術(shù)效果或優(yōu)點：

風電場有功頻率控制是風電場接入電網(wǎng)運行的關(guān)鍵技術(shù)，在分析雙饋風力發(fā)電機組減載運行控制策略及超速法下雙饋風力發(fā)電機組的減載運行調(diào)節(jié)能力的基礎(chǔ)上，提出了提高雙饋風電場的有功調(diào)節(jié)能力及接入電網(wǎng)后系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的有功頻率分層控制方法。該方法根據(jù)不同風速區(qū)風電機組的減載運行調(diào)節(jié)能力差異，設(shè)計了風電場層分配策略及風電機組層控制策略，首先充分利用風電場內(nèi)風電機組的超速能力來實現(xiàn)減載運行，當超速法無法滿足減載水平要求時，再利用變槳法來調(diào)節(jié)，在滿足有功控制要求的前提下，盡可能提高風電場對電力系統(tǒng)暫態(tài)頻率穩(wěn)定的支持。

盡管已描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員一旦得知了基本創(chuàng)造性概念，則可對這些實施例作出另外的變更和修改。所以，所附權(quán)利要求意欲解釋為包括優(yōu)選實施例以及落入本發(fā)明范圍的所有變更和修改。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。