一种风水互补主导调频的旋转备用优化配置方法

技术领域

本发明涉及电力发电技术领域，具体而言，涉及一种风水互补主导调 频的旋转备用优化配置方法。

背景技术

有很多地区在地域上同时蕴含着丰富的风能和水能，且两者在特性上 能很好地互补，季节互补性方面，夏季降水量增加，水电可以增大出力， 此时风速较小；冬季水库为枯水期，出力减小，此时风速较大，风电场输 出功率较大，此外，水电的季节性波动变化明显，在丰水期和枯水期河流 的流量相差很大，水电的日级波动很小，一般可以认为当日内水流量变化 很小；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，通过利用风电和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。

发明内容

本发明实施例在于提供一种风水互补主导调频的旋转备用优化配置方 法，其能够缓解上述问题。

为了缓解上述的问题；本发明实施例采取的技术方案如下：

本发明实施例提供的一种风水互补主导调频的旋转备用优化配置方法， 包括以下步骤：

a、建立旋转备用数学模型

a1、建立风电场出力及旋转备用容量数学模型

变速风电机组提供的旋转备用表示为：

式中，MPPT为最大功率点跟踪，P_mppt为给定风速下变速风电机组能够输>W为变速风电机组输出的实际有功功率，H为变速风电>r为变速风电机组实际运行>mppt为变速风电机组MPPT运行时对应的转速，(P_mppt-P_W)为变速风>为风机转子惯性动能提供的 旋转备用；

变速风电机组输出的实际有功功率计算公式为：

式中，ρ为空气密度，λ为风机叶尖速比，λ_i为人为定义的参量无实际>1～c₈为变速风电机组的参数；

设若干风机呈矩阵排列方式，各风机的型号相同，则第i行变速风电机 组吹出的实际风速V_i为：

式中，V₀为初始风速，即流经第1行变速风电机组的风速，k_w为尾迹>

a2、建立水电机组约束条件数学模型

水电机组的出力水平受机组技术出力限制为：

P_minj≤P_Gj≤P_maxj(4)

式中，P_Gj为水电机组j的有功功率，P_minj为水电机组j的最小技术出力，>maxj为水电机组j的最大技术出力；

旋转备用容量应满足：

式中，R_Gj为水电机组j配置的备用容量大小，R_maxj为水电机组j的最大>

水电机组j的一次调频备用容量R_Gj应满足：

式中，D_j为调差系数的倒数，为水电机组j在一次调频过程中的最 大功率；

频率偏差限制为：

Δf≥Δf_max(8)

式中，Δf_max为调频过程中允许的最大频率偏差；

b、建立电场枯水期/枯风期场景下的旋转备用容量数学模型

b1、建立枯水期数学模型

在枯水季节风能相对水能较丰富，优先考虑让变速风电机组多发电， 电力系统的旋转备用多靠水电机组提供，此场景下以风电场减载量最少为 优化目标，即

约束条件为：

ω_rmin≤ω_rdel,i≤ω_rmax(12)

β_min≤β_i≤β_max(13)

式中，N_G为水电机组台数，P_L为电力系统负荷，e为电力系统总功率>i为风电场第i行的变速风电机组数；

式(1)～(13)即为枯水期的旋转备用优化配置数学模型；

b2、建立枯风期数学模型

在枯风季节水能相对风能较丰富，优先考虑让水电机组多发电，电力 系统的旋转备用靠变速风电机组提供，此场景下以水电提供旋转备用量最 少为优化目标，即

约束条件为：

式中，d为弃风减载比例系数；

式(14)、(15)即为枯风期的旋转备用优化配置数学模型；

b3、模型求解

步骤b1中所述枯水期的旋转备用优化配置数学模型、步骤b2中所述 枯风期的旋转备用优化配置数学模型均为非线性模型，采用Matlab优化工 具箱中的Fmincon工具，对于Fmincon工具容易陷入局部最优的缺陷采取 随机变化初值、多次求解取最小值的方法进行模型求解。

在本发明实施例中，针对风电-水电联合运行电力系统分别在枯水期和 枯风期时的特性进行数学建模，枯水期以风电减载量最少为优化目标，枯 风期以水电提供旋转备用量最少为优化目标，将风机转子惯性动能考虑进 电力系统旋转备用，在不同负荷水平时，在满足频率指标的情况下对电力 系统各机组的出力及旋转备用进行优化配置，风电和水电在调频特性上的 互补性使电力系统的频率特性更稳定。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举本发明 实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需 要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些 实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是水电机组的出力及备用示意图；

图2是系统频率偏差Δf和机组j的一次调频备用的关系图；

图3是水轮机-风机系统等值模型示意图；

图4是在Matlab/Simulink中进行仿真并按优化结果运行的系统频率曲 线图；

图5是相对于图4按不同风电备用容量占备用容量比重运行的系统频 率曲线图；

图6是与图5相对应的变速风电机组和水电机组出力特性曲线图；

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本 发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描 述，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。 通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配 置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限 制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本 发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获 得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种风水互补主导调频的旋转备用优化配置方法， 按照以下内容实施。

1、建立旋转备用数学模型

1.1风电场出力及旋转备用容量模型

电力系统由于功率或负荷波动导致系统频率变化后的一次调频时间范 围内，对系统中各机组的出力及旋转备用容量进行优化分配。风电的波动 特性导致系统调频压力增大，为了让风电场能参与系统频率调节，让风电 场中的机组按比例减载运行以提供旋转备用。一次调频时间尺度范围内的 风电场提供的旋转备用包括变速风电机组的减载量和机组转子内的惯性动 能。

变速风电机组提供的旋转备用表示为：

式中，MPPT为最大功率点跟踪，P_mppt为给定风速下变速风电机组能够输>W为变速风电机组输出的实际有功功率，H为变速风电>r为变速风电机组实际运行>mppt为变速风电机组MPPT运行时对应的转速，(P_mppt-P_W)为变速风>为风机转子惯性动能提供的 旋转备用。

变速风电机组输出的实际有功功率计算公式为：

式中，ρ为空气密度，λ为风机叶尖速比，λ_i为人为定义的参量无实际>1～c₈为变速风电机组的参数；

风电场中流经各变速风电机组的风速受塔楼阴影及尾流效应的影响， 假定风电场中安装某同一型号的双馈风机，并按照M行N列的阵列排布(风 的方向垂直行沿列方向)，则第i行变速风电机组吹出的实际风速V_i为：

式中，V₀为初始风速，即流经第1行变速风电机组的风速，k_w为尾迹>

1.2、制定水电机组约束条件

水电机组的出力及备用示意图如图1所示。

水电机组的出力水平受机组技术出力限制为：

P_minj≤P_Gj≤P_maxj(4)

式中，P_Gj为水电机组j的有功功率，P_minj为水电机组j的最小技术出力，>maxj为水电机组j的最大技术出力。

旋转备用容量应满足：

式中，R_Gj为水电机组j配置的备用容量大小，R_maxj为水电机组j的最大>

水电机组j的一次调频备用容量R_Gj应满足：

式中，D_j为调差系数的倒数，为水电机组j在一次调频过程中的最 大功率；

频率偏差限制为：

Δf≥Δf_max(8)

式中，Δf_max为调频过程中允许的最大频率偏差；

2、建立电场枯水期/枯风期场景下的旋转备用容量数学模型

2.1、枯水期模型

在枯水季节风能相对水能较丰富，优先考虑让变速风电机组多发电， 电力系统的旋转备用多靠水电机组提供，此场景下以风电场减载量最少为 优化目标，即

约束条件为：

ω_rmin≤ω_rdel,i≤ω_rmax(12)

β_min≤β_i≤β_max(13)

式中，N_G为水电机组台数，P_L为电力系统负荷，e为电力系统总功率>i为风电场第i行的变速风电机组数；

式(1)～(13)即为枯水期的旋转备用优化配置数学模型。

2.2、枯风期模型

枯风季节风电场的风速普遍较小，而由于风电水电的季节性互补特性， 此时水电相对丰富，在这种情形下考虑尽量使水电机组多发电，变速风电 机组尽可能提供旋转备用。目标函数考虑水电机组提供旋转备用最小：

约束条件为：

式中，d为弃风减载比例系数。

式(14)、(15)即为枯风期的旋转备用优化配置数学模型。当电力负荷 水平较低时，旋转备用全由变速风电机组提供，水电机组主要负责出力。

2.3、模型求解

上述枯水期的旋转备用优化配置数学模型、枯风期的旋转备用优化配 置数学模型均为非线性模型，采用Matlab优化工具箱中的Fmincon工具， 对于Fmincon工具容易陷入局部最优的缺陷采取随机变化初值、多次求解 取最小值的方法进行模型求解。

下面以以4个水电机组和一个包含40台1.5MW并网风力发电机组(5 行8列的阵列)的风电场组成的电力系统为例，分析研究上述优化模型(只 考虑频率下降的情况)，水电机组参数见表1，变速风电机组参数参考文献 [10]：额定电压U_N＝690V；发电机时间常数H＝3.64s；齿轮箱变比G＝57，>rmax＝1.2p.u.；最小允许转速>rmin＝0.7p.u.；最大风能利用系数Cp_max＝0.4382，最优叶尖速比λ_opt＝6.3235，>wcutin＝3.5m/s，额定风速V_wrate＝11.6m/s，切出>wcutout＝22m/s，桨距角变化范围0°～60°。同一行的8个风机等效为一>

表1水电机组参数

本实施例设置的情景中，情景1～4分别为重负荷/枯水期、重负荷/枯风 期、轻负荷/枯水期及轻负荷/枯风期，负荷占比为系统承担的负荷占该系统 最大出力的比例。枯风期的自由风速取9m/s，枯水期的自由风速取12m/s。 负荷功率波动量取置信度为p＝99.99％时的波动置信区间的边界值，系统额 定频率为50Hz，允许的静态频率偏差为-0.2Hz，水电机组的调差系数统一 设定为4％。待求变量为P_Gj、R_Gj、ω_deli、β_i。实施例设置的4种情景具体如>

情景1：枯水期，负荷值为90MW，负荷波动量为9.907MW(σ₂^*＝2.5％)，>

情景2：枯风期，负荷值为70MW，负荷波动量为7.3945MW(σ₂^*＝2.5％)，>

情景3：枯水期，负荷值为60MW，负荷波动量为9.3954MW(σ₂^*＝3.5％)，>

情景4：枯风期，负荷值为40MW，负荷波动量为6.174MW(σ₂^*＝3.5％)，>

采用本发明的旋转备用优化配置数学模型，具体求得的优化结果如表 2～表5所示。

表2水电机组优化出力

表3变速风电机组优化转子转速配置

表4水电机组优化备用

表5变速风电机组优化桨矩角配置

对上述优化结果进行如下分析：

由表2的优化结果可见，在枯水期风能相对比较充足，算例设置的风 速为12m/s，在此风速下超速减载可提供的旋转备用十分有限，需要对变速 风电机组的桨距角进行调节，枯水期以风电场减载量最少作为优化目标， 但由于水电机组旋转备用相关约束的限制，根据式(6)、式(7)可得优化配置 后的水电机组相关情况如表6～7所示，重负荷时系统频率偏差要大于0.683 Hz(轻负荷时系统频率偏差要大于0.8Hz)时才能释放水电机组的全部旋转 备用，水电机组的备用不足以弥补负荷功率波动，此时风电场需要提供一 定量的备用，风电场提供的备用由超速减载和释放转子惯性动能提供，在 12m/s的自由风速场景下释放惯性动能可以提供0.3915MW功率，经过优化 配置，重负荷时风电场减载率为1.32％，轻负荷时减载率为2.05％，惯性动 能的释放降低了风电场0.68％的减载率。

表6约束条件下水电机组配置(重负荷)

表7约束条件下水电机组配置(轻负荷)

枯风期场景下水能相对充足，优化配置策略考虑尽量让水电机组出力， 变速风电机组主要承担提供旋转备用的角色。枯风期场景设置的自由风速 为9m/s，为了避免过度弃风将风电场出力的减载量限制在15％以内，经过 优化配置，在系统重负荷运行状态下，风电场减载运行提供3.6602MW旋 转备用，变速风电机组可以通过释放转子惯性动能为系统提供3.1672MW 备用，水电机组只需提供0.567MW备用便可满足系统旋转备用需求。在轻 负荷情况下，风电场在允许的减载范围内超速减载运行，无须调节桨距角， 减载量和转子惯性动能提供的备用量足够满足此情形下需求的旋转备用， 水电机组不再需要提供旋转备用。

通过在Matlab/Simulink中建立仿真模型，并且将如表2～表5的数据代 入模型中进行仿真，负荷功率波动设置在60s，仿真结果如图4所示。

在枯风期轻负荷场景相比较重负荷场景，由于没有水电机组参与调频， 系统频率不受水锤效应影响，频率偏差维持在安全的区间内。其它3种场 景虽然系统频率短时处于安全区间外，但迅速能恢复到安全的频率区间。 经过仿真验证，本发明所述风水互补主导调频的旋转备用优化配置方法可 行。

在上述仿真模型的基础上，还设置了一组在同一工况下的仿真，负荷 功率波动发生在60s处，仿真结果如图5～6所示，曲线2相比曲线1，在旋 转备用容量配置上的区别为曲线2中旋转备用容量有53.37％由风电提供而 曲线1的旋转备用全部由水电机组提供，风电参与调频之后结果表明曲线2 的调频特性更好。激活备用时风电和水电机组的出力特性如图6所示，因 为变速风电机组调频特性快的优点与水电机组水锤效应之间有很好的互补特性，所以风水互补主导调频的系统具有很好的研究意义。

通过上述实施例，可得出如下结论：

1)本发明所述风水互补主导调频的旋转备用优化配置方法，在满足系 统频率指标的条件下，能够使系统在不同风水枯丰期时季节优势能源的旋 转备用需求量最小；

2)风水互补主导调频具有快速、稳定的调频特性，如上述实施例中将 4组优化配置结果代入水轮机-风机等值系统模型中，得到的系统频率都能 在负荷扰动发生后的30s内恢复到安全阈值(-0.2Hz)之内，仿真结果表明 该旋转备用优化配置方法可行；

3)风电的快速响应特性刚好能够补偿水电水锤效应带来的频率恶化， 如在上述仿真模型中配置不同风电旋转备用占比的旋转备用，结果表明有 风电提供旋转备用后系统频率下跌幅度比只有水电提供备用时小，系统频 率波动更小，系统频率更稳定，从而说明了风水互补主导调频的实用价值。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于 本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精 神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。