考虑源-荷功率随机波动特性的双馈风力发电机组一次频率平滑调节方法技术

本发明专利技术公开了属于新能源技术领域的一种考虑源

【技术实现步骤摘要】
考虑源-荷功率随机波动特性的双馈风力发电机组一次频率平滑调节方法


[0001]本专利技术属于新能源
，具体涉及一种适合双馈风电机组在全工况下考虑源-荷功率随机波动特性的一次频率平滑调节方法。

技术介绍

[0002]根据国际能源机构公布的数据，自2009年以来风电在能源结构中的占比逐年增加，平均每年增长0.44％，2017年，风力发电占全球能源需求量的5.6％，风电渗透率具有持续增长趋势。目前双馈感应风力发电机(DFIG)装机容量约占90％的市场份额，是当今的主流机型。由于传统DFIG采用最大功率跟踪运行方式，其机组的转速与电网频率无关，即机组的出力不响应电网频率的波动。
[0003]国内外针对风电机组的频率响应开展了较多研究，提出了一些成熟控制方法以满足电网友好型风电场的建设需求。为提高风力发电系统的惯量支撑和频率响应能力，提出通过桨距角控制来预留适当的旋转备用容量，当系统频率变化时，通过桨距角调节来相应改变机组出力，参与系统调频，然而，桨距角调整速度比较慢，降低了正常工况下的风能利用率，风机机械部件的频繁动作增加了维修风险和维护成本。另外，有提出双馈发电机超速减载运行控制的方法，调整了最大功率跟踪曲线，使得风机运行在次优功率曲线上，以此来获得一定备用容量，通过有功/频率下垂控制特性，实时响应系统一次调频，但超速控制在频率升高扰动下，转速在超速点的基础上增大，易达到限值，降低风能利用率的同时也减小了功率的实际可调节深度，在必要时还需启用桨距角调节来进一步减小输出功率，不利于变桨控制系统安全、可靠的运行。针对上述问题，在此基础上又提出了超速与变桨结合的协调控制方案，虽然在一定程度上改善风电机组整体性能和一次调频特性，但以上方法均未考虑到DFIG自身发电效益，降低风能利用率。故如何配置风电机组的调节机制来缓解发电效益和系统稳定性之间的关系是目前亟待解决的问题。
[0004]目前风力发电集中并网点高压侧普遍出现频率、电压波动幅度增大现象，而风电场内部或并网点变压器中低压侧的频率波动幅度更大，超过一次调频动作阈值(0.033Hz)的情形频繁出现。以华北电网某35kV母线为例，一天内该地区电网正常运行工况下频率波动范围在
±
0.04Hz以内，频率日越过火电机组调频死区
±
0.033Hz的总次数为1670次，为保持系统频率在一个较小的波动范围内，区域电网内调频电源需要频繁地投入一次调频功能。故为提高系统频率品质，针对风电机组实际输出功率波动数据，从平滑系统频率角度出发提出相应风电功率波动平抑目标的研究甚少，有的研究在于兼顾国网规定的风电波动限值提出风电功率波动平抑指标，但是仅从源端风电功率波动入手，并无考虑风电功率波动对系统频率产生的影响而提出的平抑风功率波动指标对系统频率平滑无参考性依据；另外还有研究了风电功率波动对系统频率产生的影响，但并无针对风电实际输出功率波动数据，从风机平滑系统频率波动的角度出发，提出相应的风电功率波动产生系统频率波动问题并平滑频率的具体解决方法。
[0005]已知储能装置已广泛应用于风电场，目前有研究提出了一种在储能技术的依托下对风电场的虚拟惯量进行补偿的策略，还有采用限转矩策略控制双馈风电机组参与调频，同时利用安装在风机母线出口处的蓄电池装置，弥补限转矩控制产生的频率二次跌落。也有分析了风电机组基于转子惯量、预留备用和配置储能3种调频方案的技术经济性，充分利用风机转子惯量以减少配置储能容量，提出一种风储协调的调频控制策略。还有提出在风电场并网侧采用飞轮储能装置联合调频控制策略，结合同步发电机调频特性，对电网进行联合调频控制。但针对储能装置参与风电场一次调频策略研究中，大多采用风电场集中式储能方案，其安全可靠性风险往往大于分布式模式，故提高单台风电机组的致稳性和抗扰性，使其具备一次调频能力显得尤为重要。故有研究提出在双馈风电机组直流母线上并联电池储能装置参与系统调频，但该储能装置充放电循环次数较低，功率密度较小并不完全适用于投入频繁的一次调频。另外还有研究则结合超级电容器可循环次数多，寿命周期长，短时间内功率密度大等优势，在双馈风电机组直流母线上并联配置储能装置为机组提供惯量支撑，但所需容量较大，充放电所需频率调节次数较多，影响储能系统寿命，经济成本较高。

技术实现思路

[0006]结合上述存在的问题，有必要将双馈风电机组的一次频率调节策略进行改进，本专利技术综合考虑源-荷功率随机波动提出双馈风电机组一次频率平滑调节方法。根据数次统计的风电场一次大风气象周期内的风电功率波动历史数据，选取一组典型大风气象周期的风电功率波动数据为例，实时采样不同时间尺度下的频率平均值作为一次调频时间内的频率平滑目标值，采用实时采样n点滚动平均算法制定能够平滑频率变化的平抑目标曲线，确定最佳时间尺度下的频率平滑指标，采用概率统计法对实际风电输出功率与采用此平滑频率控制策略后的输出功率做差，以累计概率密度达到0.9以上为实现平滑频率为目标，得到最优时间尺度下超级电容器的额定功率，以风电机组实际输出功率与不同时间尺度下平滑目标后风机输出功率所围成的各面积的概率密度进行统计计算，得到最优时间尺度下的超级电容器额定容量。
[0007]本专利技术所提出的控制策略是在最大功率跟踪模式的基础上进行改进，若风速减小或负荷增大时，可通过并联在直流母线上的超级电容器提供备用容量参与系统一次调频，实现双馈风电机组在不损失发电效益的基础上提高一次频率平滑调节效果；若风速增大或负荷减小时，分别根据虚拟惯性控制和虚拟下垂控制得到的附加功率叠加在最大功率跟踪模式上以双馈风电机组变功率点跟踪实现一次调频技术，实现双馈发电机在全工况下具有一次频率调节平滑能力。
附图说明
[0008]图1为考虑源-荷功率波动特性的双馈风力发电机组一次频率平滑调节原理框图
[0009]图2为DFIG储能配置原理图。
[0010]图3为不同时间尺度选取下储能额定功率概率统计图
[0011]图4为不同时间尺度选取下储能容量累计概率统计图
[0012]图5为不同时间尺度下频率平滑效果对比图
和风速增加时风机需要减小的输出功率ΔP2做差。当总功率ΔP小于0时(第3种情况)，采用变功率点跟踪控制；当功率ΔP大于0时(第5种情况)，采用超级电容储能控制技术实现本文所提一次频率调节平滑控制。(5)综上所述，针对负荷与风速同时波动的不确定性，本文通过上述6种情况进行控制分析，在情况1、2和3下双馈风电机组采用变功率点跟踪控制，在情况4、5和6下采用超级电容器控制，最后根据实际功率输出通过选择上述两种方式(7和8)实现风电机组在全工况下的一次频率调节平滑控制，提高风电机组发电效益的同时大大提升系统一次频率平滑调节效果。
[0014]附图2即为DFIG一次调频配置方案图，超级电容器经过双向DC/DC变换器与双馈风电机组的直流侧母线电容相连接。双馈风电机组的转子侧与网侧变流器可维持原有的控制方式，网侧变流器的作用是维持直流母线电容电压的稳定，故超级电容储能装置的放电功率通过网侧变流器直接流本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种全工况下考虑源-荷功率随机波动特性的双馈风电机组一次频率平滑调节方法，其特征在于，根据数次统计的风电场一次大风气象周期(七天)内的风电功率波动历史数据，选取一组典型风电场大风气象周期的风电功率波动数据为例，实时采样不同分钟级时间尺度下风电功率波动的系统频率，求得对应时间尺度下的频率平均值作为一次调频时间内的频率平滑目标值，采用实时采样n点滚动平均算法制定能够平滑频率变化的平抑目标曲线，确定最佳时间尺度下的频率平滑指标。2.一种全工况下考虑源-荷功率随机波动特性的双馈风电机组一次频率平滑调节方法，其特征在于，通过探索数次统计的风电场一次大风气象周期中的典型风电功率而引起系统并网点频率波动数据规律，在达到较好频率平滑效果的同时优化储能配置。根据不同时间尺度下的频率平均值作为该时间尺度下的一次调频平滑目标，采用概率统计法对实际风电输出功率与采用此平滑频率控制策略后的风机输出功率做差，以累计概率密度达到...

【专利技术属性】
技术研发人员：颜湘武，崔森，李铁成，
申请(专利权)人：国网河北省电力有限公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：