增强风电场在关键事件期间对电网支持能力的系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及增强风电场在关键事件期间对电网支持能力的系统及方法，其考虑风机的尾流效应，使部分风电场整体运行于最大功率模式或根据负荷需求运行于卸载模式，优化风电场有功出力同时留有一定的有功备用裕度。在卸载模式下使风电场无功能力最大化，提高风电场对电网电压的电压支撑能力。给控制器分配参考值，在满足风电场最大无功能力的同时，减少风机模式切换过程中变桨调节对风机机械装置的磨损。生成基于电网导则和系统约束的最大有功功率支撑的控制器参数查找表，提高风电场在电压穿越期间对电网频率的支撑能力。本方法是基于控制器参数查找表实现的，因此对于特定的风电厂，仅需进行一次计算生成控制器参数查找表即可。仅需进行一次计算生成控制器参数查找表即可。仅需进行一次计算生成控制器参数查找表即可。

【技术实现步骤摘要】
增强风电场在关键事件期间对电网支持能力的系统及方法


[0001]本专利技术属于风力发电有功输出控制
，涉及一种风电场在故障期间对电网电压和频率的主动支撑方法，具体为一种增强风电场在关键事件期间对电网支持能力的系统及方法。

技术介绍

[0002]随着风力发电在电网中的渗透率不断增加，提高电网接纳风电的能力，一方面需提高电网调控能力，另一方面也需要提高风电自身的调节能力。风电场自身具备频率和电压支撑能力，是“电网友好型”风电场的重要特征之一。
[0003]为提高风电场的出力效率，目前普遍采用单机最大风能捕获方案，通过调节风电机组的桨距角、转速以得到最佳风能利用系数，使单个机组最大限度捕获风能。但由于尾流效应的影响，风电场中上风向机组获取风能后，下风向机组的输入风速将降低。风电场所有风电机组若都按最大风能捕获的方式运行，会造成上风向机组捕获风能过大，风速随尾流传播方向递减，下风向机组输入的风速损失较大，难以实现风电场出力效率最大化。因此，有必要协调各机组捕获的风能，从而调节风电场内尾流分布，改善机组间气动耦合，从风电场层面提高风能利用率。
[0004]作为并网风电场主流机型的变速风电机组，虽然可以通过换流器调节风电场输出的有功、无功功率，跟踪最大功率点轨迹，提高风能利用率，但是为实现最大风能捕获，风力机转速和电网频率之间不再存在耦合关系，也使得风电机组无法响应电网频率变化。针对风电场参与系统频率调整，许多国家正在研究使部分风电机组减载运行，例如西班牙在电网导则中明确规定，风电机组必须具有1.5％的频率备用裕度。减载的优势在于：在不切机的情况下，为系统留有部分备用，节约了常规设备的投资成本；能够对系统的频率实时响应，保障了电网频率稳定性。
[0005]在高比例新能源电力系统中，风电机组在电网发生故障时保持运行并向系统提供支撑的能力逐渐受到重视。目前的研究方法主要针对低电压穿越期间风电机组如何提供无功出力以支撑电网电压。而由于风电机组低电压穿越期间一般采用无功优先控制，有功出力受限。同时，故障切除后其有功功率按给定的较慢的速率恢复，以避免机组荷载突然大幅增加。可见该过程中系统将受到持续且非阶跃的有功缺额影响，而且当不参与系统调频的风电机组的渗透率越高时，电压穿越期间的频率稳定性问题越严重。
[0006]综上，亟需提出了一种新的协调控制方法，一方面从风电场层面优化风能利用率，另一方面提升风电机组在电压穿越期间对电网的频率支撑能力。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于解决现有技术的不足，提供一种增强风电场在关键事件期间对电网支持能力的系统及方法。
[0008]本专利技术解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
[0009]增强风电场在关键事件期间对电网支持能力的系统，其特征在于：包括风电场层面优化模块及电网支撑模块，
[0010]所述的风电场层面优化模块根据风电场的稳态有功需求，确定风电场运行于最大功率模式或减载模式，并为风机控制器分配最优的控制器参考值；
[0011]在最大功率模式下，本风电场层面优化模块考虑风机之间的尾流效应，生成每台风机的控制器参数，使风电场整体有功输出值达到峰值；
[0012]在减载模式下，本风电场层面优化模块同样考虑风机之间的尾流效应，使风电场功率输出满足负荷需求的同时最大化风电场的无功能力，并最大化转子中存储的动能和最小化模式切换时的桨距角变化量；
[0013]本风电场层面优化模块主要用于优化风电场在非故障期间的运行情况，从而使风电场具有有功和无功储备，而风电场能否在电网故障期间提供安全合规的电压和频率支撑依赖于电网支撑模块对故障期间风机功率参考值的约束；
[0014]所述电网支撑模块根据风场的无功容量曲线生成一组电网支撑约束条件，这些约束条件为风电场在高/低电压穿越期间提供一次频率响应的有功功率支撑极限值；在故障期间内，通过下垂控制对电网的频率进行支撑，而下垂控制的功率参考值必须在此极限值范围内，才能使得风电场的电压支撑能力和电网的运行限制不会受到影响，电网支撑模块中频率支撑的能量最终来源即为优化模块中存储在转子中的动能。
[0015]增强风电场在关键事件期间对电网支持能力的方法，其特征在于：包括如下步骤：
[0016]步骤1，根据Jensen模型，得到计及风机尾流效应的风机输出功率P
i
；
[0017]步骤2，根据步骤1中计及尾流效应的风机输出功率求解风电场在最大功率运行模式下的优化目标函数，对于不同风速进行优化，以获得每台风机在最大功率模式下的风能利用系数
[0018]步骤3，根据步骤1中计及尾流效应的风机输出功率求解风电场在卸载模式下的优化目标函数，对于不同的风速和电场负载率进行组合重复优化，以获得每台风机的在卸载模式下的风能利用系数
[0019]步骤4，将步骤2中的最大功率模式下的风能利用系数和步骤3中卸载模式下的风能利用系数转化为最优的控制器参考值，从而生成桨距角参考值和转子转速参考值的控制器参数查找表；
[0020]步骤5，根据风场的无功容量曲线生成一组电网最大有功支撑极限值；
[0021]步骤6，风机在步骤5的有功支撑极限值范围内，通过下垂控制为电网提供电压穿越期间的一次调频的同时不影响风场无功能力。
[0022]而且，根据Jensen模型，当考虑风机的尾流效应时，每台风机的切入风速可以表示为：
[0023][0024]其中，v
wind,i
为风机i接受的风速，v
j
为无遮挡风速，α为轴向干扰系数，D
j
为风机j的
转子直径，A
ji
为风机i在风机j上的遮挡面积于风机j的扫过面积之比，x
ji
为风机j和i之间的直径距离，k为衰减常数，n为风机数量；
[0025]则步骤1中，考虑尾流效应的每台风机的输出功率可以表示为：
[0026][0027]λ＝K
b
ω/v
wind
[0028]其中，ρ
ar
为风机功率常数，C
p
为风能利用系数，β为桨距角，λ为叶尖速比，v
wind
为切入风速，K
b
为常数，ω为转子转速。
[0029]而且，步骤2中计及尾流效应的风电场在最大功率运行模式下的优化目标函数为：
[0030][0031]其中，P
i
为每台风机在不同风速下的输出功率，
[0032]根据如下公式，将最大功率模式下的风机输出功率转化为风机的风能利用系数：
[0033][0034]其中，ρ
ar
风机功率常数，v
wind
为切入风速，即为最大功率模式下风机的风能利用系数。
[0035]而且，步骤3中计及尾流效应的风电场在卸载模式下的优化目标函数为：
[0036]1)
[0037]2)min||[L ΔC
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.增强风电场在关键事件期间对电网支持能力的系统，其特征在于：包括风电场层面优化模块及电网支撑模块，所述风电场层面优化模块用于优化风电场在非故障期间的运行情况，从而使风电场具有有功和无功储备，而风电场能否在电网故障期间提供安全合规的电压和频率支撑依赖于电网支撑模块对故障期间风机功率参考值的约束；所述电网支撑模块根据风场的无功容量曲线生成一组电网支撑约束条件，这些约束条件为风电场在高/低电压穿越期间提供一次频率响应的有功功率支撑极限值；在故障期间内，通过下垂控制对电网的频率进行支撑，而下垂控制的功率参考值必须在此极限值范围内，才能使得风电场的电压支撑能力和电网的运行限制不会受到影响，电网支撑模块中频率支撑的能量最终来源即为优化模块中存储在转子中的动能。2.增强风电场在关键事件期间对电网支持能力的方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1，根据Jensen模型，得到计及风机尾流效应的风机输出功率P
i
；步骤2，根据步骤1中计及尾流效应的风机输出功率求解风电场在最大功率运行模式下的优化目标函数，对于不同风速进行优化，以获得每台风机在最大功率模式下的风能利用系数步骤3，根据步骤1中计及尾流效应的风机输出功率求解风电场在卸载模式下的优化目标函数，对于不同的风速和电场负载率进行组合重复优化，以获得每台风机的在卸载模式下的风能利用系数步骤4，将步骤2中的最大功率模式下的风能利用系数和步骤3中卸载模式下的风能利用系数转化为最优的控制器参考值，从而生成桨距角参考值和转子转速参考值的控制器参数查找表；步骤5，根据风场的无功容量曲线生成一组电网最大有功支撑极限值；步骤6，风机在步骤5的有功支撑极限值范围内，通过下垂控制为电网提供电压穿越期间的一次调频的同时不影响风场无功能力。3.根据权利要求2所述的增强风电场在关键事件期间对电网支持能力的方法，其特征在于：根据Jensen模型，当考虑风机的尾流效应时，每台风机的切入风速可以表示为：其中，v
wind,i
为风机i接受的风速，v
j
为无遮挡风速，α为轴向干扰系数，D
j
为风机j的转子直径，A
ji
为风机i在风机j上的遮挡面积于风机j的扫过面积之比，x
ji
为风机j和i之间的直径距离，k为衰减常数，n为风机数量；则步骤1中，考虑尾流效应的每台风机的输出功率可以表示为：λ＝K
b
ω/v
wind
其中，ρ
ar
为风机功率常数，C
p
为风能利用系数，β为桨距角，λ为叶尖速比，v
wind
为切入风
速，K
b
为常数，ω为转子转速。4.根据权利要求2所述的增强风电场在关键事件期间对电网支持能力的方法，其特征在于：步骤2中计及尾流效应的风电场在最大功率运行模式下的优化目标函数为：其中，P
i
为每台风机在不同风速下的输出功率，根据如下公式，将最大功率模式下的风机输出功率转化为风机的风能利用系数：其中，ρ
ar
风机功率常数，v
wind
为切入风速，即为最大功率模式下风机的风能利用系数。5.根据权利要求2所述的增强风电场在关键事件期间对电网支持能力的方法，其特征在于：步骤3中计及尾流效应的风电场在卸载模式下的优化目标函数为：1)2)min||[L ΔC
pi L]||其中，为风机i的最大无...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁炅，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：