一种高海拔风场频率控制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种高海拔风场频率控制系统及方法，包括频率功率控制模块、简化电网模块、尾流模块、变桨控制模块、机械惯量模块、速度控制模块、发电机组模块、功率设定模块和粒子群算法模块，以及一种高海拔风场频率控制方法。本发明专利技术通过尾流模块优化风电机组偏航角度；通过变桨控制模块实时动态调节叶片角桨距，控制风力发电机组电机的转速变化范围；通过粒子群算法模块找到影响风电场的惯量、阻尼和辅助控制PID控制器的系数，获得最优功率储备值；结合机械惯量模块、速度控制模块和简化电网模型对发电机组进行联合控制，改善发电机组频率控制性能，进而提升高海拔地区风电机组调频期间频率响应效率。调频期间频率响应效率。调频期间频率响应效率。

【技术实现步骤摘要】
一种高海拔风场频率控制系统及方法


[0001]本专利技术涉及电力系统
，具体涉及一种高海拔风场频率控制系统及方法。

技术介绍

[0002]风电机组运行在限功率调频工况且有功出力大于20％Pn时，当测试点的频率偏差超过阈值(推荐
±
0.2Hz)，风电机组应能参与系统调频，支撑系统频率恢复。有多种方法可以控制系统频率，其中包含大量的风力发电场，其中一种是产生足够的功率储备。为了通过系统创建足够的功率储备，必须利用能够改变其输出功率的风电场。为实现风力发电场参与电网系统的频率控制，须在长时间内具备快速反应能力的动力储备。为了产生这种动力储备，风电场需要在降额状态下运行。降载运行超出发电机转速允许范围，即风力涡轮机的速度达到了超速区域。
[0003]通过对电网系统频率进行采样，使风力发电机组变流器对频率变化变得敏感，风电场变流器将可用的惯性量注入为5％至50％的条件下，通过最佳比例积分(PI)控制器可以实现频率响应的改善。通过对风力输出功率的下垂控制来实现功率储备，并将能量存储系统与其它电力系统中的风力发电机组进行协调控制，风电场参与将惯性维持在理想的速率，并且通过增加常规单位发电量。但是，风力发电机组仍以其最大输出速率运行，不参与对系统频率进行补充控制，仍然以最大输出功率值运行会阻碍风电场产生的额外惯性，并导致风电场发电场不会像补充频率控制那样参与稳态频率响应的控制。现有的风电场频率控制方法，没有考虑高海拔风电机组尾流相互作用对发电量的影响；调频期间，频率响应不及时，存在满负荷的不平衡问题。
[0004]如中国专利CN109327045A，公开日2019年2月12日，一种经柔性直流并网的大型风电场频率控制方法及装置，包括：在已有的逆变侧换流器控制方法上增设一个随交流电网频率变化的第一功率附加值，叠加到有功功率参考值上；在已有的整流侧换流器控制方法上增设一个随直流电压变化的频率附加值，叠加到输出交流频率上；在已有的风电机组控制方法上增设一个随交流电网频率变化的第二功率附加值，叠加到风电机组输出功率参考值上。该方案没有考虑高海拔风电机组尾流相互作用对发电量的影响；调频期间，频率响应不及时，存在满负荷的不平衡问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题是：目前的风电场频率控制方法由于高海拔地区空气密度较低导致调频期间频率响应不及时的技术问题。提出了一种能够提升高海拔地区风电机组调频期间频率响应效率的高海拔风场频率控制系统及方法。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案为：一种高海拔风场频率控制系统，包括频率功率控制模块、简化电网模块、尾流模块、变桨控制模块、机械惯量模块、速度控制模块、发电机组模块、功率设定模块和粒子群算法模块，所述功率设定模块分别与所述频率功率控制模块和所述粒子群算法模块连接，所述频率功率控制模块与所述简化电网模
块连接，所述粒子群算法模块与所述发电机组模块连接，机械惯量模块分别与所述尾流模块、所述变桨控制模块和所述速度控制模块连接，所述速度控制模块与所述发电机组模块连接，所述发电机组模块分别与所述机械惯量模块和所述简化电网模块连接。一种高海拔风场频率控制系统，通过功率设定模块设定不同情况下的有功功率变化值；通过频率功率控制模块对发电机组的输出频率和输出功率进行控制；通过尾流模块优化风电机组偏航角度；通过变桨控制模块实时动态调节叶片角桨距，控制风力发电机组电机的转速变化范围；通过粒子群算法模块找到影响风电场的惯量、阻尼和辅助控制PID控制器的系数，获得最优功率储备值；结合机械惯量模块、速度控制模块和简化电网模型对发电机组进行联合控制，改善发电机组频率控制性能，进而提升高海拔地区风电机组调频期间频率响应效率。
[0007]一种高海拔风场频率控制方法，利用上述控制系统，包括：通过功率设定模块设定不同情况下的有功功率变化值；通过频率功率控制模块对发电机组的输出频率和输出功率进行控制；通过尾流模块优化风电机组偏航角度；通过变桨控制模块实时动态调节叶片角桨距，控制风力发电机组电机的转速变化范围；通过粒子群算法模块找到影响风电场的惯量、阻尼和辅助控制PID控制器的系数，获得最优功率储备值；结合机械惯量模块、速度控制模块和简化电网模型对发电机组进行联合控制。
[0008]一种高海拔风场频率控制方法，利用上述控制系统，控制系统包括频率
‑
功率控制模块、变桨控制模块、尾流模块、机械惯量模块、速度控制模块、简化电网模块、功率设定模块和粒子群算法模块，实施步骤包括：基于高海拔风场尾流模型，采用优化风电机组偏航角度方法，下风向机组的尾流和风轮的轴向诱导均引导开，减少尾流相互作用来增加风电场的发电量；提出了一种新的风电场频率
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功率控制模型，通过功率设定确定不同情况下的有功功率变化值，允许部分和瞬时释放风力发电机组降额预留的动能，以便提供更早的频率支持，从而解决满负荷的不平衡问题；通过变桨控制模型实时动态调节叶片角桨距将风力发电机组电机转速限制在适当的值，解决调频期间风力发电机组的超速问题；制定由频率响应特性组成的多目标函数，通过PSO算法即粒子群算法模块找到影响风电场的惯量，阻尼和辅助控制PID控制器的系数，以获得足够的可用最优功率储备值；结合机械惯量模型、速度控制器、简化电网模型联合控制，改善了频率响应斜率和最小频率值和响应时间等频率控制性能，实现了风电场参与辅助频率控制，增强电网的惯性和阻尼，从而提高风电机组的渗透性。
[0009]作为优选，所述频率功率控制模块包括频率功率控制模型，所述频率功率控制模型中频率变化率R(％)计算表达式为：其中：f
NL
为空载频率；f
FL
为满载频率；f0为正常频率。频率
‑
功率控制模型中，旋转质量(风力发电机组)的惯性阻止了频率的快速变化。因此，为补偿发电机增加负载功率的辅助控制，提供了足够的时间。
[0010]频率
‑
功率控制模型由下垂控制、调速器、风电机组、辅助控制四部分组成，为了在两台或更多并列运行机组间而稳定地分担负荷，选择具有负荷增加时速度下降的特性的调
速器，传递函数表示为其中下垂控制和调速器共同组成带增益的比例控制器，R(％)为频率变化率表示如下：其中：f
NL
为空载频率；f
FL
为满载频率；f0为正常频率。
[0011]风力发电机组的转速和负载之间的关系可通过参考功率设定的方式改变，传递函数表示为
[0012]辅助控制通过添加一个复位或积分控制来实现的，该复位或积分控制作用于AGC单元调速器的负载参考设置，其目标是通过调整选定发电机的输出，将频率调节到指定的标称值，并使控制区域之间的交换功率保持在预定值。
[0013]作为优选，所述尾流模块包括尾流模型，所述尾流模型中功率系数C
p
和轴向诱导系数a
i
关系式如下：
[0014]受尾流影响的有效风速，由重叠面积尾流衰减系数c<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高海拔风场频率控制系统，其特征在于，包括频率功率控制模块(1)、简化电网模块(2)、尾流模块(3)、变桨控制模块(4)、机械惯量模块(5)、速度控制模块(6)、发电机组模块(7)、功率设定模块(8)和粒子群算法模块(9)，所述功率设定模块(8)分别与所述频率功率控制模块(1)和所述粒子群算法模块(9)连接，所述频率功率控制模块(1)与所述简化电网模块(2)连接，所述粒子群算法模块(9)与所述发电机组模块(7)连接，机械惯量模块(5)分别与所述尾流模块(3)、所述变桨控制模块(4)和所述速度控制模块(6)连接，所述速度控制模块(6)与所述发电机组模块(7)连接，所述发电机组模块(7)分别与所述机械惯量模块(5)和所述简化电网模块(2)连接。2.一种高海拔风场频率控制方法，利用如权利要求1所述的一种高海拔风场频率控制系统，其特征在于，包括：通过功率设定模块(8)设定不同情况下的有功功率变化值；通过频率功率控制模块(1)对发电机组的输出频率和输出功率进行控制；通过尾流模块(3)优化风电机组偏航角度；通过变桨控制模块(4)实时动态调节叶片角桨距，控制风力发电机组电机的转速变化范围；通过粒子群算法模块(9)找到影响风电场的惯量、阻尼和辅助控制PID控制器的系数，获得最优功率储备值；结合机械惯量模块(5)、速度控制模块(6)和简化电网模型对发电机组进行联合控制。3.根据权利要求2所述的一种高海拔风场频率控制方法，其特征在于，所述频率功率控制模块(1)包括频率功率控制模型，所述频率功率控制模型中频率变化率R(％)计算表达式为：其中：f
NL
为空载频率；f
FL
为满载频率；f0为正常频率。4.根据权利要求2或3所述的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：史晓鸣，柳黎明，宋晓阳，王建军，李芸，王红丹，
申请(专利权)人：浙江运达风电股份有限公司，
类型：发明
国别省市：