一种风电场群的频率协调控制方法及系统与流程

本发明涉及电力系统自动化技术领域，具体涉及一种风电场群的频率协调控制方法及系统。

背景技术：

随着风力发电等新能源的大规模快速发展，电力系统对其参与一次调频提出了相关要求，一次调频是指电网的频率一旦偏离额定值时，电网中机组的控制系统就自动地控制机组有功功率的增减，限制电网频率变化，使电网频率维持稳定的自动控制过程。因此，当电网频率升高时，一次调频功能要求机组快速减负荷，反之，机组快速增负荷。需要风电机组等新能源机组参与电网快速频率响应，从而提升大电网频率的安全水平。

目前，风电参与一次调频的形式有多种，例如：可以采用风电场加装储能装置的措施，依靠储能装置提供对电网频率的支撑；也可以通过改造风电机组的控制系统实现调频；还可以通过在风电场的功率控制系统上附加调频功能实现调频等。发明人发现通过对风电场功率控制系统改造实现调频的方式存在：当电网出现频率偏差即超出调频死区时，该风电场内所有的风电机组都动作；另外通过风电机组自身改造实现调频的方式存在当电网出现频率偏差即超出调频死区时，也需要所有的风电机组都动作；但是实际上根据扰动或故障的不同大小，调频所需的功率大小是不同的，并非所有的扰动或故障都会需要很大的调频功率。因为风电机组参与调频需要变桨控制等机械环节，而风电机组频繁动作会不同程度地造成机器磨损，导致风电机组的使用寿命减少。另外风电机组参与调频速度很快，目前风电场参与调频也可以做到速度很快(例如：500ms内完成调节过程)，一次调频过程一般持续10-60秒，所以根据目前的新技术，发明人提出可以在更大范围内实现调频控制过程，并且实现大范围的协调优化，避免更多的风电场或风电机组频繁动作。

技术实现要素：

为了解决现有技术中所存在的问题，本发明提供了一种风电场群的频率协调控制方法，包括：

获取风电场群内调频功率缺额，以及所述风电场群内所有风电场在当前时刻的有功出力和未来各时段的功率预测出力；

基于所述风电场群内所有风电场在当前时刻的有功出力和未来各时段的功率预测出力，确定所述风电场群内所有风电场参与调频的优先序列；

基于所述调频功率缺额从所述优先序列中选择参与调频的风电场，并为每个参与调频的风电场分配调频功率。

优选的，所述基于所述风电场群内所有风电场在当前时刻的有功出力和未来各时段的功率预测出力，确定所述风电场群内所有风电场参与调频的优先序列，包括：

基于各风电场当前时刻的有功出力和未来各时段的功率预测出力，构造各风电场的风电出力序列；

对每个风电场的风电出力序列基于最小二乘法进行拟合，获得各风电场当前时刻的拟合曲线斜率；

基于各风电场当前时刻的拟合曲线斜率和为各风电场设定的优先级，确定所述风电场群内参与向上调频时的增发风电场优先序列和参与向下调频时的减发风电场优先序列。

优选的，所述基于各风电场当前时刻的拟合曲线斜率和为各风电场设定的优先级，确定所述风电场群内参与向上调频时的增发风电场优先序列和参与向下调频时的减发风电场优先序列，包括：

将风电场当前时刻的拟合曲线斜率>0的所有风电场，按照各风电场响应时间和调节速率进行降序排列，获得所述风电场群内参与向上调频时的增发风电场优先序列；

将风电场当前时刻的拟合曲线斜率<0的所有风电场，按照各风电场响应时间和调节速率进行降序排列，获得所述风电场群内参与向下调频时的减发风电场优先序列。

优选的，所述将风电场当前时刻的拟合曲线斜率>0的所有风电场，按照各风电场响应时间和调节速率进行降序排列，获得所述风电场群内参与向上调频时的增发风电场优先序列，还包括：

当存在多个风电场的响应时间和调节速率相同时，分别基于所述多个风电场的装机容量和当前时刻的有功出力计算各风电场当前时刻的负荷率；

基于所述负荷率按照升序排序，确定所述多个响应时间和调节速率相同的风电场的优先级。

优选的，所述将风电场当前时刻的拟合曲线斜率<0的所有风电场，按照各风电场响应时间和调节速率进行降序排列，获得所述风电场群内参与向下调频时的减发风电场优先序列，还包括：

当存在多个风电场的响应时间和调节速率相同时，分别基于所述多个风电场的装机容量和当前时刻的有功出力计算各风电场当前时刻的负荷率；

基于所述负荷率按照降序排序，确定所述多个响应时间和调节速率相同的风电场的优先级。

优选的，所述基于所述风电场群内所有风电场在当前时刻的有功出力和未来各时段的功率预测出力，确定所述风电场群内所有风电场参与调频的优先序列之后，还包括：

基于每个风电场的安全稳定约束边界分别获得增发风电场优先序列中风电场群的总可增发功率，以及减发风电场优先序列中风电场群的总可减发功率。

优选的，所述基于所述调频功率缺额从所述优先序列中选择参与调频的风电场，并为每个参与调频的风电场分配调频功率，包括：

当所述调频功率缺额>0且所述调频功率缺额≥总的可增发功率时，则从增发风电场优先序列中选择任一风电场参与调频，且所述风电场的调频功率增发额为所述风电场的最大增发功率；

当所述调频功率缺额>0且所述调频功率缺额<总的可增发功率时,则从增发风电场优先序列中由先到后选取多个风电场参与调频，并基于各风电场的最大增发功率为每个风电场分配调频功率增发额；

当所述调频功率缺额<0且所述调频功率缺额的绝对值≥总的可减发功率时,则从减发风电场优先序列中选择任一风电场参与调频，且所述风电场的调频功率减发额为所述风电场的最大减发功率；

当所述调频功率缺额<0且所述调频功率缺额的绝对值<总的可减发功率时,则从减发风电场优先序列中由先到后选取多个风电场参与调频，并基于各风电场的最大减发功率为每个风电场分配调频功率减发额。

优选的，所述从增发风电场优先序列中由先到后选取多个风电场参与调频，包括：

将多个风电场中的最后一个风电场作为冗余裕量，并使其余风电场的最大增发功率之和≥所述调频功率缺额。

优选的，所述从减发风电场优先序列中由先到后选取多个风电场参与调频，包括：

在多个风电场中的最后一个风电场作为冗余裕量，并使其余风电场的最大减发功率之和≥所述调频功率缺额。

优选的，按下式为每个参与调频的风电场分配调频功率：

式中：δpi：为每个参与调频的风电场i分配的调频功率；δpi^max+：最大增发功率；δpi^max-：最大减发功率；δp：调频功率缺额；总的可增发功率；总的可减发功率；m：增发风电场优先序列中风电场的个数；q：从增发风电场优先序列中由先到后选取参与调频的风电场个数；s：减发风电场优先序列中风电场的个数；h：从减发风电场优先序列中由先到后选取参与调频的风电场个数。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种风电场群的频率协调控制系统，包括：

获取模块，用于获取风电场群内调频功率缺额，以及所述风电场群内所有风电场在当前时刻的有功出力和未来各时段的功率预测出力；

处理模块，用于基于所述风电场群内所有风电场在当前时刻的有功出力和未来各时段的功率预测出力，确定所述风电场群内所有风电场参与调频的优先序列；

控制模块，用于基于所述调频功率缺额从所述优先序列中选择参与调频的风电场，并为每个参与调频的风电场分配调频功率。

优选的，所述控制模块具体用于：

当所述调频功率缺额>0且所述调频功率缺额≥总的可增发功率时，则从增发风电场优先序列中选择任一风电场参与调频，且所述风电场的调频功率增发额为所述风电场的最大增发功率；

当所述调频功率缺额>0且所述调频功率缺额<总的可增发功率时,则从增发风电场优先序列中由先到后选取多个风电场参与调频，并基于各风电场的最大增发功率为每个风电场分配调频功率增发额；

当所述调频功率缺额<0且所述调频功率缺额的绝对值≥总的可减发功率时,则从减发风电场优先序列中选择任一风电场参与调频，且所述风电场的调频功率减发额为所述风电场的最大减发功率；

当所述调频功率缺额<0且所述调频功率缺额的绝对值<总的可减发功率时,则从减发风电场优先序列中由先到后选取多个风电场参与调频，并基于各风电场的最大减发功率为每个风电场分配调频功率减发额。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的技术方案，获取风电场群内调频功率缺额，以及所述风电场群内所有风电场在当前时刻的有功出力和未来各时段的功率预测出力；基于所述风电场群内所有风电场在当前时刻的有功出力和未来各时段的功率预测出力，确定所述风电场群内所有风电场参与调频的优先序列；基于所述调频功率缺额从所述优先序列中选择参与调频的风电场，并为每个参与调频的风电场分配调频功率。当需要调频时，通过本技术方案可以从风电场群中确定参与调频的风电场，避免所有的风电场都参与调频，减少了风电场中风电机组的机械磨损，延长了风电机组的使用寿命，同时提高调频控制的协调性和一致性。

附图说明

图1为本发明提供的一种风电场群的频率协调控制方法流程图；

图2为本发明中空间尺度的风电机组-风电场-风电场群-集群的分层递阶调频结构示意图；

图3为本发明中风电机组-风电场-风电场群-集群的多层递阶综合调频方案框架示意图；

图4为本发明实施例中调频功率的优化协调分配策略详细流程图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。

实施例1：

如图1所示，本发明提供一种风电场群的频率协调控制方法，包括：

s1获取风电场群内调频功率缺额，以及所述风电场群内所有风电场在当前时刻的有功出力和未来各时段的功率预测出力；

s2基于所述风电场群内所有风电场在当前时刻的有功出力和未来各时段的功率预测出力，确定所述风电场群内所有风电场参与调频的优先序列；

s3基于所述调频功率缺额从所述优先序列中选择参与调频的风电场，并为每个参与调频的风电场分配调频功率。

本发明实施例提供的技术方案在风电场群这个层面实现一次调频，根据风电场群内所有风电场在当前时刻的有功出力和未来各时段的功率预测出力，对风电场群内所有风电场参与调频的顺序进行排序，避免所有风电场都参与调频，一方面可以提高调频控制的协调性和一致性，另一方面可以减少相关风电场因调频导致的机械磨损和寿命降低。

本实施例通过下列实例对该技术方案进行具体解释：

步骤1：如图2所示将地理位置接近、风力特性相似、接入同一并网点等的风电场进行聚合形成风电场群，进一步把风电场群聚合成集群，从空间尺度上建立起风电机组-风电场-风电场群-风电集群的分层递阶结构，如图3所示在此基础上给出风电机组/风电场/风电场群/风电集群分层递阶的综合频率协调控制方案框架。

通过采用风电机组-风电场-风电场群-风电集群的天然物理分布结构，为实现集群的频率协调控制提供了契机。

本实施例通过图4说明一种风电场群的频率协调控制方法的具体步骤：

步骤2：获取风电场群中所有风电场的基础数据，包括：

步骤2-1：获取集群调度中心下发的调频功率差额为δp：δp＞0则需增发，δp＜0则需减发；

步骤2-2：设风电场群a＝{a1,a2,…,an}，获取风电场ai的装机容量(即有功功率额定值)piⁿ，i＝1,2,…,n；

步骤2-3：根据风电功率预测系统，获取风电场ai的当前时刻k的有功出力pi(k)以及未来3min的功率预测出力pi^pre(k+1),pi^pre(k+2),pi^pre(k+3)，i＝1,2,…,n。

步骤3：通过优化分组得到风电场优先序列，包括：

步骤3-1：构造风电场ai的风电出力序列

[pi(k),pi^pre(k+1),pi^pre(k+2),pi^pre(k+3)]，i＝1,2,…,n。

步骤3-2：依据最小二乘法对风电出力序列进行拟合，得到风电场ai当前时刻k的拟合曲线斜率若说明该风电场ai短时有升功率趋势；若说明该风电场ai短时有降功率的趋势，i＝1,2,…,n。

步骤3-3：计算风电场ai当前时刻k的负荷率：

式中：δi(k)为风电场ai在当前时刻k的负荷率；pi(k)为风电场ai的当前时刻k的有功出力；piⁿ为风电场ai的装机容量。

步骤3-4：依据响应时间t0.9和调节速率tv两个调频指标，给出风电场的优先级划分，具体如表1所示：

表1风电场优先级划分

步骤3-5：选取拟合曲线斜率的风电场，按照优先级从高到低排序，当优先级相同时则进一步按照负荷率δi(k)从低到高排序形成增发优先序列，记为a⁺＝{a1,a2,…,am}，显然m≤n。同时，选取拟合曲线斜率的风电场，按照优先级从高到低排序，当优先级相同时则进一步按照负荷率δi(k)从高到低排序形成减发优先序列，记为显然s≤n。

本发明实施例根据性能指标对风电场群内的风电场进行排序，让性能优的风电场优先参与调频，避免所有风电场参与调频，可以减少相关风电场因调频导致的机械磨损和寿命降低。

步骤4：计算最大增发/减发功率：δpi^max+、δpi^max-、包括：

针对增发优先序列a⁺＝{a1,a2,…,am}，ai的最大增发功率如下式所示：

δpi^max+＝min{pi^pre(k+1)-pi(k),0.1piⁿ}(i＝1,2,…,m)

风电场群a的总可增发功率，按下式计算：

针对减发优先序列的最大减发功率：

δpi^max-＝min{pi(k)-pi^pre(k+1),0.1piⁿ}(i＝1,2,…,s)

风电场群a的总可减发功率如下式所示：

考虑到安全运行，本实施例设置风电场ai的最大可增发/减发有功出力应不超过0.1piⁿ。

步骤5：为参与调频的风电场分配调频功率，具体步骤如下：

步骤5-1：如果δp＞0，则需增发功率，此时选取增发优先序列a⁺＝{a1,a2,…,am}，具体分配策略如下：

步骤5-1-1：若则风电场ai的调频功率增发额δpi分配为δpi＝δpi^max+，i＝1,2,…,m；

步骤5-1-2：若则从a⁺＝{a1,a2,…,am}中从前到后依次选取q+1个风电场(q+1≤m)，并使得前q个风电场满足

而第q+1个风电场作为冗余裕量以应对预测误差引起的可能的增发功率缺额。

此时，风电场ai的调频功率增发额δpi分配为：

步骤5-2：若δp＜0，则需减发功率，此时选取减发优先序列具体分配策略如下：

步骤5-2-1：若则风电场的调频功率减发额δpi分配为δpi＝δpi^max-，i＝1,2,…,s；

步骤5-2-2：若则从中从前到后依次选取q+1个风电场(q+1≤s)，并使得前q个风电场满足

而第q+1个风电场作为冗余裕量以应对预测误差引起的可能的减发功率缺额。

此时，风电场的调频功率减发额δpi分配为

通过本发明提供的技术方案实现了对不同类型风电调频资源的集中优化协调，有利于实现系统整体调频控制的安全性和经济性协调，并实现了大规模风电参与电网调频对电力系统频率稳定性的支撑作用。

实施例2：

基于同一种发明构思，本发明还提供了一种风电场群的频率协调控制系统，包括：

获取模块，用于获取风电场群内调频功率缺额，以及所述风电场群内所有风电场在当前时刻的有功出力和未来各时段的功率预测出力；

处理模块，用于基于所述风电场群内所有风电场在当前时刻的有功出力和未来各时段的功率预测出力，确定所述风电场群内所有风电场参与调频的优先序列；

控制模块，用于基于所述调频功率缺额从所述优先序列中选择参与调频的风电场，并为每个参与调频的风电场分配调频功率。

实施例中，所述处理模块，包括：

构造序列子模块，用于基于各风电场当前时刻的有功出力和未来各时段的功率预测出力，构造各风电场的风电出力序列；

拟合子模块，用于对每个风电场的风电出力序列基于最小二乘法进行拟合，获得各风电场当前时刻的拟合曲线斜率；

分组排序子模块，用于基于各风电场当前时刻的拟合曲线斜率和为各风电场设定的优先级，确定所述风电场群内参与向上调频时的增发风电场优先序列和参与向下调频时的减发风电场优先序列。

实施例中，所述分组排序子模块，包括：

增发序列单元，用于将风电场当前时刻的拟合曲线斜率>0的所有风电场，按照各风电场响应时间和调节速率进行降序排列，获得所述风电场群内参与向上调频时的增发风电场优先序列；

减发序列单元，用于将风电场当前时刻的拟合曲线斜率<0的所有风电场，按照各风电场响应时间和调节速率进行降序排列，获得所述风电场群内参与向下调频时的减发风电场优先序列。

实施例中，所述增发序列单元还用于：

当存在多个风电场的响应时间和调节速率相同时，分别基于所述多个风电场的装机容量和当前时刻的有功出力计算各风电场当前时刻的负荷率；

基于所述负荷率按照升序排序，确定所述多个响应时间和调节速率相同的风电场的优先级。

实施例中，所述减发序列单元还用于：

当存在多个风电场的响应时间和调节速率相同时，分别基于所述多个风电场的装机容量和当前时刻的有功出力计算各风电场当前时刻的负荷率；

基于所述负荷率按照降序排序，确定所述多个响应时间和调节速率相同的风电场的优先级。

实施例中，执行完所述处理模块之后调用计算模块，所述计算模块具体用于：

基于每个风电场的安全稳定约束边界分别获得增发风电场优先序列中风电场群的总可增发功率，以及减发风电场优先序列中风电场群的总可减发功率。

实施例中，所述控制模块具体用于：

当所述调频功率缺额>0且所述调频功率缺额≥总的可增发功率时，则从增发风电场优先序列中选择任一风电场参与调频，且所述风电场的调频功率增发额为所述风电场的最大增发功率；

当所述调频功率缺额>0且所述调频功率缺额<总的可增发功率时,则从增发风电场优先序列中由先到后选取多个风电场参与调频，并基于各风电场的最大增发功率为每个风电场分配调频功率增发额；

当所述调频功率缺额<0且所述调频功率缺额的绝对值≥总的可减发功率时,则从减发风电场优先序列中选择任一风电场参与调频，且所述风电场的调频功率减发额为所述风电场的最大减发功率；

当所述调频功率缺额<0且所述调频功率缺额的绝对值<总的可减发功率时,则从减发风电场优先序列中由先到后选取多个风电场参与调频，并基于各风电场的最大减发功率为每个风电场分配调频功率减发额。

实施例中，按下式为每个参与调频的风电场分配调频功率：

式中：δpi：为每个参与调频的风电场i分配的调频功率；δpi^max+：最大增发功率；δpi^max-：最大减发功率；δp：调频功率缺额；总的可增发功率；总的可减发功率；m：增发风电场优先序列中风电场的个数；q：从增发风电场优先序列中由先到后选取参与调频的风电场个数；s：减发风电场优先序列中风电场的个数；h：从减发风电场优先序列中由先到后选取参与调频的风电场个数。

显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。