CN102414952B - 改善的频率控制 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制可操作地连接至供电网络的供电网络的基频的方法，所述方法包括以下步骤：确定相关供电网络的稳态和/或动态相关参数，以及在所述风力涡轮机设施的频率控制器中应用所确定的参数以改善所述供电网络的基频的频率控制。

Description

改善的频率控制

技术领域

本发明涉及一种用于改善连接至供电网络的诸如风力发电站的风力涡轮机设施的频率控制器特性的方法。根据本发明的方法涉及稳态和/或动态相关电网参数的确定。本发明还涉及一种能够执行前述方法的控制系统和风力涡轮机设施。

背景技术

已知，能够对诸如风力发电站的发电单元进行操作，以控制可操作地连接至发电单元的供电网络的基频。

为了以最佳的方式控制供电网络的基频，需要有关供电网络的稳态和动态特性的信息。

在EP1914419中提出了一种用于改变风能装置提供的有功功率的方法。EP1914419中提出的方法涉及到来自风能装置的注入有功功率的量是实际电网频率的函数。如段落[0031]或EP1914419中所公开的，有功功率的量P按照下述方式随着电网频率f而发生变化：

$P=K_1(f-f_N)+K_2\frac{\mathrm{df}}{\mathrm{dt}}$

其中，f是实际电网频率。f_N是标称电网频率，K₁和K₂是常数。常数K₁和K₂通常由配电器提供。因而，常数K₁和K₂完全是静态的，其值不考虑供电网络中发生的变化。本发明的实施例的目的在于提供一种应用有关供电网络的刚度(stiffness)和惯性的实际更新信息，以便以最佳的方式控制所述供电网络的基频的方法和系统。

发明内容

上述目的是通过就第一方面而言提供一种控制可操作地连接至风力涡轮机设施的供电网络的基频的方法实现的，所述方法包括以下步骤：

-确定可操作地连接至风力涡轮机设施的供电网络的稳态和/或动态相关参数，

-在风力涡轮机设施的频率控制器中应用所确定的参数，以及

-通过改变注入有功功率的量控制供电网络的基频。

应当对术语风力涡轮机设施作广义理解。因而，术语风力涡轮机设施旨在涵盖作为隔离的风力涡轮机工作的风力涡轮机或者按照小的群组工作的风力涡轮机、风力发电站或者这样的风力发电站的联合。

所述稳态相关参数可以与供电网络的刚度系数K_G相关。所述动态相关参数可以与供电网络的惯性系数M_G相关。

优选地，由来自风力发电站的有功功率变化ΔP_windplant确定刚度系数K_G和惯性系数M_G，如果风力发电站不能有效地使电网频率发生移动，那么作为替代可以采用由其他事件导出的其他有功功率变化ΔP_grid。所述的刚度系数K_G和惯性系数M_G的确定可以包括一个或多个参数的测量(例如有功功率和电网频率)，并伴随有一次或多次计算。在下文中将更加详细地公开有关K_G和M_G的确定的更多细节。

如前所述，确定稳态相关参数和动态相关参数的步骤涉及有功功率变化的确定。可以在公共耦合点测量有功功率变化为ΔP_windplant，或者可以由位于其他电网位置的传感器获得的一个或多个测量结果确定有功功率变化为ΔP_grid。确定稳态相关参数和动态相关参数的步骤还涉及公共耦合点处的频率变化Δf的确定。优选地，由公共耦合点处的测量结果确定Δf。

就第二方面而言，本发明涉及一种用于控制包括频率控制器的风力涡轮机设施的风力控制系统，其中，所述频率控制器的操作适于响应于相关供电网络所确定的稳态和/或动态相关参数而受到控制。

仍然应当对术语风力涡轮机设施作广义理解。因而，术语风力涡轮机设施旨在涵盖作为隔离的风力涡轮机工作的风力发电站或风力涡轮机、按照小的群组工作的风力涡轮机或者作为一个整体的几个风力发电站。

应当对术语风力控制系统作广义理解。因而，术语风力控制系统可以是单风力涡轮机级别上的控制器、风力发电站控制器或者监视控制和数据采集(SCADA)。

与本发明的第一方面类似，稳态相关参数可以与供电网络的刚度系数K_G相关。所述动态相关参数可以与供电网络的惯性系数M_G相关。在风力控制系统中应用所确定的K_G和M_G的值，以增强所述控制系统的性能。应用K_G和M_G以计算所需要的有功功率ΔP，在下文中将对此予以更为详细的说明。具体而言，应用K_G确定系统中所需的对消耗和需求进行平衡的有功功率偏移，而M_G则与频率变化的动态特性相关。

结合本发明的第一方面讨论的来确定所述供电网络的刚度系数K_G和惯性系数M_G。

所述风力控制系统还可以适于控制可操作地连接至相关供电网络的若干电负载。所述电负载可以根据例如各种预测，例如，天气预报、负载预测等，根据要求与供电网络连接或断开。因而，所述控制系统可以作为负载调度管理器和/或作为局部地区监控器工作。

就第三方面而言，本发明涉及一种控制可操作地连接至供电网络的若干风力涡轮机的控制器，所述控制器是根据所述供电网络的动态确定的稳态和/或动态相关参数配置的，并且适于控制可操作地连接至所述供电网络的若干电负载。

与本发明的第一和第二方面类似，所述稳态相关参数和动态相关参数可以分别与所述供电网络的刚度系数K_G和惯性系数M_G相关。在所述控制器中应用所确定的K_G和M_G的值，以增强所述控制器的性能。

结合本发明的第一方面讨论的来确定所述供电网络的刚度系数K_G和惯性系数M_G。

所述控制器可以适于根据例如各种预测，例如，天气预报、负载预测等，按照要求使电负载与供电网络连接和/或断开。因而，所述控制器可以作为负载调度管理器和/或作为局部地区监控器工作。

就第四方面而言，本发明涉及一种风力涡轮机设施，其包括根据本发明的第二方面的风力控制系统。

就第五方面而言，本发明涉及一种用于确定可操作地连接至风力涡轮机设施的供电网络的稳态电网参数K_G的方法，所述方法包括使所提供的有功功率水平改变预定量ΔP，以及测量响应于此产生的频率变化Δf的步骤。

因而，通过使注入到电网的有功功率改变预定量以及测量所产生的频率变化，可以确定稳态电网参数K_G，该参数又被称为电网的刚度。

就第六方面而言，本发明涉及一种用于确定可操作地连接至风力涡轮机设施的供电网络的动态电网参数M_G的方法，所述方法包括使所提供的有功功率水平改变预定量ΔP，以及测量响应于此产生的频率变化速率Δf/Δt的步骤。

因而，通过使注入到电网的有功功率改变预定量以及测量所产生的频率变化速率，可以确定所述动态电网参数M_G，该参数又被称为电网的惯性。

有利地，可以动态地，即，按照预定的时间间隔确定供电网络的刚度系数K_G和惯性系数M_G。这样的预定时间间隔可以为10分钟左右。因而，每10分钟确定供电网络的刚度系数K_G和惯性系数M_G，并且可以就此将其应用到风力涡轮机设施控制系统中。通过这种方式，可以将有关电网刚度和电网惯性的信息提供给风力涡轮机设施控制器。

在根据第五和第六方面的方法中，可以使所提供的有功功率水平提高预定量ΔP。或者，可以使所提供的有功功率水平下降预定量ΔP。

可以通过改变风力涡轮机设施本身输出的有功功率而改变所提供的有功功率水平。作为替代或者作为与之结合的方案，可以通过改变可操作地连接至供电网络的其他发电单元输出的有功功率而改变所提供的有功功率水平。这样的其他发电单元可以包括处于远程位置的发电单元，例如处于远程位置的风力涡轮机、处于远程位置的风力发电站、处于远程位置的风力发电站的联合、处于远程位置的传统发电站或者甚至其组合。

就第七方面而言，本发明涉及一种用于对风力涡轮机设施的控制单元进行配置的方法，所述方法包括以下步骤：

-确定可操作地连接至风力涡轮机设施的供电网络的稳态和/或动态相关参数，以及

-在风力涡轮机设施的控制单元中应用所确定的参数。

可以根据第五和第六方面的方法确定所述稳态和动态相关参数。

附图说明

现在将参考图1更加详细地解释本发明，图1示出了怎样确定电网刚度和电网惯性，以及接下来怎样将其应用到风力涡轮机设施控制器内。

尽管本发明容许存在各种修改和替代形式，但是通过举例的方式公开了具体的实施例。然而，应当理解，本发明并非旨在限定于所公开的特定形式。相反，本发明旨在涵盖所有落在由权利要求界定的本发明的精神和范围内的修改、等价方案和替代方案。

具体实施方式

现在将更加详细地解释本发明。从最宽的角度来看，本发明涉及一种通过确定供电网络的稳态和/或动态相关参数以及将所确定的参数应用到控制器内而控制可操作地连接至风力涡轮机设备的供电网络的基频的方法。

如前所述，应当对术语风力涡轮机设施作广义理解。因而，术语风力涡轮机设施旨在涵盖作为隔离的风力涡轮机工作的风力涡轮机或者按照小的群组工作的风力涡轮机、风力发电站或者这样的风力发电站的组合。

如图1所示，以及下文中更加详细的解释所述，本发明的一个方面涉及使提供给电网的有功功率改变(增加或降低)给定量ΔP，接下来测量响应于此的绝对频率变化Δf和/或频率变化速率Δf/Δt。

应当指出，单个风力涡轮机无法使刚性供电网络的基频发生偏移。但是，单个风力涡轮机也许能够使弱隔离的供电网络的基频发生偏移。

为了执行本发明，必须确定下述参数：

1.公共耦合点处的频率变化Δf_grid

2.由远程电网事件诱发的有功功率变化ΔP_grid

3.公共耦合点处的有功功率变化(这也可能是控制器诱发的)ΔP_windplant

将有关ΔP_grid的信息从处于远程电网位置的电网传感器提供给风力涡轮机设施控制器。通过适当的通信网络提供所述信息。

可以通过下述方式描述供电网络的有关频率和有功功率流量的性能的特征：

$M_G\frac{\mathrm{\Δf}}{\mathrm{\Δt}}+K_G\mathrm{\Δf}=-\mathrm{\ΔP}$

其中，K_G和M_G分别表示供电网络的刚度和惯性。

因而，供电网络的稳态相关参数(电网的刚度)为K_G，而供电网络的动态相关参数(电网的惯性)为M_G。

下面的项涉及总的频率变化，从现在起将其称为稳态项：

K_GΔf＝-ΔP

因而，在理想情况下，通过使有功功率改变预定量ΔP，并测量响应于此产生的频率变化Δf来确定K_G。为了确定总的有功功率变化，可以任选测量不同电网位置处的P。

类似地，下面的项涉及频率变化速率，从现在起将其称为动态项：

$M_G\frac{\mathrm{\Δf}}{\mathrm{\Δt}}=-\mathrm{\ΔP}$

因而，在理想情况下，通过使有功功率改变预定量ΔP，并测量响应于此的频率变化速率Δf/ΔP确定M_G。另外，为了确定总的有功功率变化，仍然可以任选测量不同电网位置处的P。

有功功率的变化ΔP可以是提供给供电网络的总有功功率水平的提高或降低。所述的总的有功功率水平是通过几个发电单元，例如，隔离风力涡轮机、风力发电站乃至传统发电站提供的。

有功功率的变化(正或负)可以是由风力涡轮机设施本身导致的。作为替代或者作为与之结合的方案，所述有功功率变化可以是由处于远程位置的发电单元引起的，例如，所述发电单元可以是处于远程位置的风力涡轮机、处于远程位置的风力发电站、处于远程位置的风力发电站的联合、处于远程位置的传统发电站乃至其组合。

如果有功功率变化是由处于远程位置的发电单元引起的，那么通过适当的通信网络将有关有功功率变化的水平ΔP的信息连同Δf和/或Δf/Δt的本地和/或远程测量结果一起提供给风力涡轮机设施控制器。当ΔP、Δf和/或Δf/ΔP已知时，能够计算出电网刚度K_G和电网惯性M_G，并由风力涡轮机设施控制器应用，参照图1。

如果所述计算的基础是公共耦合点处的有功功率变化，那么ΔP等于ΔP_windplant。类似地，如果计算的基础是由远程网络事件诱发的有功功率变化，那么ΔP等于ΔP_grid。

如图1所示，在控制器中应用所确定的K_G和M_G的值，以改善频率控制。可以动态确定K_G和M_G的值，例如，每10分钟确定一次。通常10分钟的时间跨度就足够了，因为电网的配置不会发生如此频繁地变化。或者或此外，可以采用针对电网频率水平的设置来触发K_G和M_G的更新。如果所预测的Δf大于某些预定设置，那么可以采用风力发电站生成的实际的短期功率预测限制控制器要求的最大功率值。

作为一种选择，K_G和M_G可以是由用户从查找表中引入的。可以根据其选择各种外部条件，例如，时间、风力、有功功率生成和电压电平。

此外，可以将风力发电站的控制器配置为控制附近区域内的各种类型的负载。这样的负载可以是诸如住宅消耗的静态负载和/或诸如电动机的动态负载。可以顺应(例如)天气预报、负载预测等的要求使这样的各种类型的负载与供电网络连接或断开。通过这种方式，可以使所述控制器作为负载调度管理器和/或作为局部地区监控器工作，局部地区监控包括涉及来自其他电网位置的有功功率数据的处理的任务。

Claims (16)

1.一种用于控制可操作地连接至风力涡轮机设施的供电网络的基频的方法，所述方法包括以下步骤：

-按照预定的时间间隔确定可操作地连接至所述风力涡轮机设施的所述供电网络的稳态和/或动态相关参数，

-在所述风力涡轮机设施的频率控制器中应用所确定的参数，以及

-通过改变注入的有功功率的量来控制供电网络的所述基频，

其中，通过使所述有功功率改变预定量ΔP，并测量响应于此产生的频率变化Δf来确定所述稳态相关参数，并且其中，通过使所述有功功率改变预定量ΔP，并测量响应于此的频率变化速率Δf/Δt来确定所述动态相关参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述稳态相关参数与所述供电网络的刚度系数相关。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述动态相关参数与所述供电网络的惯性系数相关。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述稳态相关参数和所述动态相关参数的步骤涉及有功功率变化的确定。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，在公共耦合点执行所述有功功率变化的确定。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述稳态相关参数和所述动态相关参数的步骤涉及公共耦合点处的频率变化的确定。

7.一种用于控制包括频率控制器的风力涡轮机设施的风力控制系统，其中，所述频率控制器的操作适于响应于按照预定的时间间隔确定的相关供电网络的稳态和/或动态相关参数而受到控制，

其中，通过使有功功率改变预定量ΔP，并测量响应于此产生的频率变化Δf来确定所述稳态相关参数，并且其中，通过使所述有功功率改变预定量ΔP，并测量响应于此的频率变化速率Δf/Δt来确定所述动态相关参数。

8.根据权利要求7所述的风力控制系统，其中，所确定的稳态相关参数与所述供电网络的刚度系数相关。

9.根据权利要求7或8所述的风力控制系统，其中，所确定的动态相关参数与所述供电网络的惯性系数相关。

10.根据权利要求7所述的风力控制系统，其中，由有功功率变化来确定所述稳态相关参数和所述动态相关参数。

11.根据权利要求10所述的风力控制系统，其中，在公共耦合点处执行有功功率变化的确定。

12.根据权利要求7所述的风力控制系统，其中，由公共耦合点处的频率变化来确定所述稳态相关参数和所述动态相关参数。

13.根据权利要求7所述的风力控制系统，还适于控制可操作地连接至相关供电网络的若干电负载。

14.一种风力涡轮机设施，其包括根据权利要求7-13中的任一项所述的风力控制系统。

15.一种用于控制可操作地连接至供电网络的若干风力涡轮机的控制器，所述控制器是根据按照预定的时间间隔确定的所述供电网络的稳态和/或动态相关参数配置的，并且适于控制可操作地连接至所述供电网络的若干电负载，

其中，通过使有功功率改变预定量ΔP，并测量响应于此产生的频率变化Δf来确定所述稳态相关参数，并且其中，通过使所述有功功率改变预定量ΔP，并测量响应于此的频率变化速率Δf/Δt来确定所述动态相关参数。

16.一种用于配置风力涡轮机设施的控制单元的方法，所述方法包括以下步骤：

-按照预定的时间间隔确定可操作地连接至所述风力涡轮机设施的供电网络的稳态和/或动态相关参数，以及

-在所述风力涡轮机设施的控制单元中应用所确定的参数，

其中，通过使有功功率改变预定量ΔP，并测量响应于此产生的频率变化Δf来确定所述稳态相关参数，并且其中，通过使所述有功功率改变预定量ΔP，并测量响应于此的频率变化速率Δf/Δt来确定所述动态相关参数。