考虑备用灵活性的风机-水轮机一次调频控制方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑备用灵活性的风机

【技术实现步骤摘要】
考虑备用灵活性的风机
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水轮机一次调频控制方法


[0001]本专利技术属于电气工程领域，特别是涉及一种适用于风机
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水轮机联合调频系统的功率优化分配控制方法及系统。

技术介绍

[0002]在风电、水电等新能源大规模接入电网的背景下，如何利用新能源出力的互补特性提高电网的安全稳定性越来越受到重视。
[0003]电力系统调度中心(Transmission System Operators，TSOs)在负荷端与发电端功率失衡时一般要求传统火力调频电厂提供调频服务。然而由于近年来电力系统中有大量的风电、水电等新能源接入，可再生能源渗透率逐步提高，导致了电网的调控能力下降，风能等可再生能源的弱可控性和和波动性给电网的稳定运行造成越来越大的压力，风能在日内具有较高的不确定性，与此同时，由于风机转子机械速度和电网频率解耦，导致了系统转动惯量的降低。在季节互补性方面，水电出力季节性波动大但日内波动较小，相对于水电，风电的季节波动性小得多，但风电的小时级、日级波动较大，通过利用风电水电的互补性可以实现补偿风电的波动性。所以考虑风电和水电联合运行的系统对电力系统的稳定运行有重大的意义。如何有效利用风能和水能在调频响应时间以及机组出力上的互补特性，提高电网的安全稳定性，得到了越来越多的关注。
[0004]目前已经有一些研究试图根据风电机组的运行特性，采取一定的控制策略，使得风机获得类似传统机组的调频控制效果。例如，文献《变速风力发电机提供调频备用容量研究》(电力自动化设备，2010(08):75
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80.)公开的一种风机调频控制策略，它利用变速风力发电机快速功率控制能力主动提供一次调频备用容量。该策略通过风力发电机的卸载运行，即使在风速大范围变化，也能够确保一次调频备用容量。文献《结合超速备用和模拟惯性的双馈风机频率控制策略》(电网技术，2015(09):2385
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2391.)提出了一种结合超速备用和模拟惯性的双馈风机有功
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频率控制策略，该策略在超速点上实现模拟惯性控制而不是运行于最大功率跟踪点，使得风力机组具备长期调频能力并解决一般模拟惯性调频引起的频率二次跌落问题。还有一些研究考虑将不同的电厂之间建立协调控制机制，使得不同类型的新能源电厂能够联合参与频率控制。这些研究探讨了风机机组与电动汽车、储能电站等的联合运行机制，文献《Hybrid wind
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PV frequency control strategy under variable weather conditions in isolated power systems Sustainability》(2020，pp.1
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25)提出了一种光伏电站实时监测风机转速偏差，从而动态调整光伏出力功率，提升系统频率稳定性的控制策略。利用水轮机组提升高比例风机接入电力系统的频率稳定性也已经有过研究，文献《考虑水轮机水锤效应的电网频率变化的解析方法》(电网技术，2018，42(6))提出了基于水轮机调速器的延时模型，合理地简化了水轮机调速器系统，并推导了计及旋转备用及水锤效应的电网频率响应解析解，进一步分析了水锤效应对电网频率的影响。文献《A frequency regulation framework for hydro plants to mitigate wind penetration challenges IEEE Trans》(.Sustain.Energy，7(4)(2016)，pp.1583
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1591提
出了一种风机与水轮机的联合频率控制策略，除了频率偏差外，还排除了水轮机和变速风机频率响应的相互作用，以降低风电的波动性干扰。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在提出一种考虑备用灵活性的风机
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水轮机一次调频控制方法，利用设定的风机与水轮机组联合参与一次调频的控制策略，通过实时检测风机与水轮机转速确定合适的调频备用容量，在负荷突增时，风电机组首先快速提供调频备用容量，随后水轮机组提供稳定的功率支撑。
[0006]本专利技术利用以下技术方案实现：
[0007]一种考虑备用灵活性的风机
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水轮机一次调频控制方法，该方法包括以下步骤：
[0008]步骤1、建立发电机模型，包括分别建立风机控制模型与水轮机控制模型；
[0009]步骤1.1建立风机控制模型，包括以下参数：
[0010]风机的机械输出功率P
m
表示为：
[0011][0012]式中，ρ为空气密度，R为风轮半径，β为桨距角大小，V为实际风速，c1～c8为风电机组参数，ω
r
为风机转速，λ为叶尖速比。
[0013]轴系模型：风力机和风力发电机的惯性时间常数总和H
t
；
[0014]最大功率跟踪曲线输出信号p
*opt
标幺值表示为：
[0015][0016]步骤1.2、建立水轮机控制模型，表示为：
[0017][0018]式中，M为水轮机的转动惯量，ΔP
L
为扰动功率，R
T
为水头下降率，R
P
为永久下降率，D为水轮机的等效阻尼系数，T
G
为主伺服时间常数，ε为单位阶跃函数，T
w
为水流时间常数，s为Laplace算子，H(s)为水轮机水锤效应影响环节；
[0019]步骤2、设定考虑备用灵活性的联合一次调频控制策略：
[0020]首先根据风速和水轮机运转情况，确定合适的调频备用容量；在系统扰动初期，利用变速风力发电机快速功率控制能力提供一次调频快速备用容量，充分发挥其快速抑制频率变化率、减小频率最大偏差的优势，弥补常规水电和火电机组一次调频响应滞后时间长和水电机组水锤效应的固有缺陷，随后水电机组提供稳定的有功功率支撑，在扰动中后期，风机与水轮机组协调配合。
[0021]风机水轮机联合参与一次调频控制策略表达式为：
[0022](Ms+D)Δω
s
(s)＝P
m,G
+P
e,w
+P
line
‑
P
L (4)。
[0023][0024]与现有技术相比，本专利技术的考虑备用灵活性的风机
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水轮机一次调频控制方法1)可以快速有效地实现不同负荷突增量下的频率控制；2)避免了风电机组转速恢复带来的频率二次跌落，同时也降低了水轮机组的水锤效应，提高了区域电力系统的稳定性。
附图说明
[0025]图1为本专利技术的风机控制模型示意图；
[0026]图2为本专利技术的水轮机控制模型示意图；
[0027]图3为风机最大功率跟踪曲线图；
[0028]图4为风电机组调频备用策略示意图；
[0029]图5为为风机水轮机联合参与一次调频控制策略示意图；<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑备用灵活性的风机
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水轮机一次调频控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1、建立发电机模型，包括分别建立风机控制模型与水轮机控制模型；步骤1.1建立风机控制模型，包括以下参数：风机的机械输出功率P
m
表示为：式中，ρ为空气密度，R为风轮半径，β为桨距角大小，V为实际风速，c1～c8为风电机组参数，ω
r
为风机转速，λ为叶尖速比。轴系模型：风力机和风力发电机的惯性时间常数总和H
t
；最大功率跟踪曲线输出信号p
*opt
标幺值表示为：步骤1.2、建立水轮机控制模型，表示为：式中，M为水轮机的转动惯量，ΔP
L
为扰动功率，R
T
为水头下降率，R
P
为永久下降率，D为水轮机的等效阻尼系数，T
G...

【专利技术属性】
技术研发人员：桂前进，谢大为，王磊，何怡燕，张明，黄莉莉，王中冠，郭力，刘嘉琛，
申请(专利权)人：国网安徽省电力有限公司国家电网有限公司天津大学，
类型：发明
国别省市：