[发明专利]一种基于风机集群的多时空分层综合调频控制系统

权利要求书

1.一种基于风机集群的多时空分层综合调频控制系统,其特征在于：包括场站层、集群控制层、风机调频功率分配层；针对每一层均进行优化设计；

S1、场站层

火电机组用于惯量响应的能量，主要来源于储存在其转子中的旋转动能E_K，可表示为：

通常惯性时间常数H被用来表示火电机组惯量的大小，其可以表示：

式中：S_N为发电机的额定容量；

类比式(2)可得到风电场虚拟惯量H_W：

式中：n为风电场中风机数量；△E_opi为第i台风机旋转动能，S_W-N为风电场总额定容量；其中，

式中：△E_op为风机转子侧总功率，P_A为调频前功率跟踪点功率；P_e(t)为输出电磁功率，P_w(t)为输入机械功率；△E_k为转子总释放动能，J为机组总转动惯量，△E_loss为转速降低导致的转子额外损失的风能；t_on和t_off分别为调频起始和惯量退出时刻；

将式(4)-(6)代入(3)可得风电场惯量常数与转速ω的关系式如下：

1)根据风电场实际所处风速，先将风机按照风速聚类到同一组，且同一组中风机分配相同控制变量；同时为保证风机不会因为转速过低而导致切机事故，风机转子转速最低值保持在0.7pu以上；将风速7m/s以上的风机按每间隔1m/s分为一组；

2)均匀分配不同风速阶段的风机数量，通过改变风电场尾流效应实现在不同风速下风机数量的均匀控制；

3)当检测到系统频率发生波动时，高、低风速机组保持MPPT运行模式，中风速区域风机迅速响应，提供惯量响应；当惯量响应判别环节检测到中风速风机，|△ω|4*10-7或df/dt＝0时，惯量环节结束，中风速风机退出调频系统，进入转速恢复阶段，系统进入一次调频阶段；此时，高风速机组进入调频模式，通过浆距角调节，提供中风速风机退出时所需功率和一次调频功率；若风电场中，高风速风机数量不足时，该部分功率由火电机组提供；

S2.集群控制层

根据尾流效应原理，假设r₀为风机叶片旋转区域半径，x为上游风机与下游风机沿风方向的纵向距离，d为横向距离，A₀为风机叶片旋转区域，即风速影响区域；A_s为遮挡区域，即上游风机对下游风机影响的有效区域；半径r_i为尾流膨胀效应半径；根据式(8)可知，随着尾流膨胀效应角度α和或纵向距离的增大，r_i将增大，影响面积增大；

r_i＝r₀+x*tanα,(0°≤α≤45°) (8)；

考虑尾流效应的第j个下游区域风速为：

其中，

式中：C_Ti是第i台风机的风能利用系数，由叶尖速比λ和浆距角β决定；其受上游风机工作状态影响；

选择风机工作状态作为集群聚类指标，采用k-means聚类算法进行集群；

S3.风机调频功率分配层

以火电机组作为稳定、持久有功增发电源，以风电场作为快速、暂态辅助有功增发电源；风电场调频有功增发量为：

此时，风电场输出功率为：

P_wind＝ΔP_wind+P_wind-0 (17)；

式中:P_{wind_0}为风电场稳态时的输出功率，△P_{wind_max}为风电场最大增发功率，△P_t为火电机组增发后系统缺额功率；

风机捕获的机械功率P_m表示为：

P_m＝0.5ρπC_P(λ,β)R²v³ (18)；

式中：ρ为空气密度；R为风轮半径；λ为叶尖速比；β为风机桨距角；C_P(λ，β)为风能利用系数；

式中：ω为风电机组转速；n为齿轮箱变比；

现阶段风机主要采用减载模式来提供调频功率，当风机在不同风速下以减载系数d％运行，则风机所提供的调频功率为：

根据式(20)可知：单机调频输出功率与所处风速有关，为简化计算，对于各集群内的单机进行平均分配。