本发明属于电力系统稳定控制，具体涉及一种新能源高占比电力系统的风电站灵活调控方法与装置。
背景技术：
1、我国提出了2030年碳达峰、2060年碳中和的战略目标，并要求构建以新能源为主体的新型电力系统以实现这一目标。在新型电力系统中，一方面，作为具有零碳特征的风电等新能源发电占比将逐步增加，在局部范围内新能源发电装机容量甚至将超过相应负荷；另一方面，电网对高比例新能源的消纳和调控能力还需要进一步加强，以确保风电等新能源发电应发尽发。新能源发电与电网消纳能力之间的矛盾对新能源电源调度提出了很高的要求。对于新能源高占比(所谓的高占比是相对于传统电力系统而言的，风电、光伏等新能源电源在整个电力系统电源中的占比相对提高到某一较高的比例(例如30％))的新型电力系统，风电站调度既要满足高效的原则，即风电站所属风力发电机组应高效率地将风能转变为电能，同时还要满足灵活性的原则，即风电站能根据电力系统的调峰、调频等需求快速、灵活地调整自身出力。
2、如何高效、灵活的进行风电站调度是构建新型电力系统并使之安全稳定运行的关键技术问题。目前，风电站所属风力发电机组采用最大功率追踪机制，即在风速低于额定风速时通过变速运行以获取最大风能，在风速超过额定风速时通过桨距角控制以获取与机组额定功率对应的风能。风电站这种运行方式的优点是高效，缺点是灵活性不足，特别是当风电站在新型电力系统占比较高且系统中无其他调峰、调频资源时，极易导致风电站无法响应调频、增加或减少功率输出等电力调度指令，引发频率越限、电力难以实时平衡等问题，甚至引起电力系统失稳事故。迄今为止，电力调度机构对于新能源高占比的新型电力系统中如何高效、灵活的进行风电站调度方面正处于探索阶段，尚无有效的、成熟的、标准化的方法和技术手段。因此，为有效解决新能源高占比的新型电力系统中风电站调度问题，本发明提出了一种新能源高占比电力系统的风电站灵活调控方法，通过改变风电站所属风力发电机组的功率追踪机制，使之运行在最大功率点之下的某个预定功率点，在确保高效的同时储存了一定容量的可用于电力系统调频需求的备用功率，增强了风电站出力的灵活性，使风电站具备了实时频率响应、应对非预期负荷波动的能力。该方法为新能源高占比的新型电力系统中风电站调度提供了有效的方法和手段，有助于提升新型电力系统安全稳定控制水平。
技术实现思路
1、本发明的目的是解决现有技术存在的上述问题，提供一种新能源高占比电力系统的风电站灵活调控方法与装置。
2、为实现以上目的，本发明提供了以下技术方案：
3、一种新能源高占比电力系统的风电站灵活调控方法，分为以下步骤：
4、s1、获取风电站所属风力发电机组的状态数据，包括风力发电机组输出功率测量值、风力发电机组转速测量值、桨距角测量值。
5、设风电站所属风力发电机组的数量为n，风力发电机组的序号为i，第i台风力发电机组的状态数据集合gen_seti为：
6、gen_seti＝{pw,i,ωr,i,βi|i∈(1,2,…,n)}，
7、其中，pw,i为第i台风力发电机组输出功率测量值，ωr,i为第i台风力发电机组转速测量值，βi为第i台风力发电机组桨距角测量值。
8、s2、根据s1获取到的风电站所属风力发电机组的状态数据确定风力发电机组最优转速值。
9、由于风力发电机组输出功率与空气密度、叶片扫过的面积、等效风速、风电机组风能转换效率等密切相关，因此有：
10、
11、其中，ai为第i台风力发电机组叶片扫过的面积，cp,i为第i台风力发电机组风能转换效率系数，该系数是第i台风力发电机组叶尖速比λi和桨距角βi的非线性函数，ρi为第i台风力发电机处空气密度，veq,i为第i台风力发电机组等效风速。
12、则第i台风力发电机组风能转换效率系数cp,i为：
13、
14、由于风力发电机组风能转换效率系数cp,i是叶尖速比λi和桨距角βi的非线性函数，因此第i台风力发电机组叶尖速比λi为：
15、λi＝fi(cp,i,βi)，
16、其中，fi(·,·)表示第i台风力发电机组风能转换效率系数cp,i和桨距角βi到叶尖速比λi的映射关系，以下同。
17、设第i台风力发电机组风能转换效率系数cp,i的最大值为cpm,i，则第i台风力发电机组最优叶尖速比λr_opt,i为：
18、λr_opt,i＝fi(cpm,i,βi)，
19、第i台风力发电机组最优转速值ωr_opt,i为：
20、
21、其中，ri为第i台风力发电机组叶片半径。
22、s3、根据风力发电机组最优转速值和备用功率系数确定降功率运行下风力发电机组备用功率、风力发电机组参考转速值和风电站总备用功率。
23、s3-1、降功率运行下第i台风力发电机组备用功率pw_bak,i采用下式计算：
24、pw_bak,i＝pw,i*kbak,i，
25、其中kbak,i为降功率运行下第i台风力发电机组备用功率系数。
26、s3-2、降功率运行下第i台风力发电机组参考转速值ωr_ref,i采用以下步骤计算：
27、s3-2-1、确定降功率运行下第i台风力发电机组输出功率pw_out,i：
28、pw_out,i＝pw,i-pw_bak,i，
29、s3-2-2、确定降功率运行下第i台风力发电机组风能转换效率系数cp_out,i：
30、
31、s3-2-3、确定降功率运行下第i台风力发电机组叶尖速比λi_out：
32、λi_out＝fi(cp_out,i,βi_out)，
33、其中，βi_out为降功率运行下第i台风力发电机组桨距角。
34、s3-2-4、确定降功率运行下第i台风力发电机组参考转速值ωr_ref,i：
35、
36、s3-3、降功率运行下风电站总备用功率pw_bak为：
37、
38、s4、根据电力系统频率测量值和频率调整上下界确定风电站调频需求功率。
39、风电站调频需求功率δpw为：
40、
41、其中，f为电力系统频率测量值，fn,up和fn,low分别为频率调整的上界和下界(一般根据我国相关规则和标准确定：如《供电营业规则》规定对于装机容量在300万千瓦及以上的电力系统，频率调整的上界和下界分别为50.2和49.8；对于装机容量在300万千瓦以下的电力系统，频率调整的上界和下界分别为50.5和49.5)，当电力系统频率测量值介于频率调整的上界和下界之间时，风电站不响应频率调整，kup和kdown分别为频率上调整比例系数和频率下调整比例系数。当f<fn,low时，此时电力系统总发电功率小于总负荷功率，为维持频率在频率调整的下界内，风电站需要进入向上调频模式，增加风电站输出功率δpw；当f>fn,up时，此时电力系统总发电功率大于总负荷功率，为维持频率在频率调整的上界内，风电站需要进入向下调频模式，减少风电站输出功率δpw。
42、s5、在风电站向上调频模式下根据风电站调频需求功率确定向上调频运行下风力发电机组备用功率、风力发电机组参考转速值和风电站总备用功率。
43、s5-1、在风电站向上调频模式下，若降功率运行下风电站总备用功率pw_bak大于等于风电站调频需求功率δpw，则风电站能全部完成向上调频需求，完成的向上调频功率值为δpw；若降功率运行下风电站总备用功率pw_bak小于风电站调频需求功率δpw，则风电站不能全部完成向上调频需求，完成的向上调频功率值为pw_bak，未完成的向上调频功率值为|δpw-pw_bak|。
44、s5-2、根据向上调频调度优先级构建用于向上调频的降功率运行下风力发电机组待调度数据库。
45、将风电站所属风力发电机组赋予向上调频调度优先级pri，并按向上调频调度优先级pri由小到大排序构建用于向上调频的降功率运行下风力发电机组待调度数据库db1，数据库结构如下表所示：
46、
47、其中，si为向上调频运行下按优先级pri由小到大排序后风力发电机组序号，风力发电机组向上调频调度优先级pri满足：pri≤pri+1，pri越小表示具有更高的向上调频调度优先权，pw_bak,si为降功率运行下第si台风力发电机组备用功率，ωr_ref,si为降功率运行下第si台风力发电机组参考转速值。
48、s5-3、根据用于向上调频的降功率运行下风力发电机组待调度数据库db1，按照优先级由小到大顺序将δpw分配至各风力发电机组。
49、首先确定临界向上调频用风力发电机组序号i：
50、(1)对于风电站能全部完成向上调频需求情形，i采用下式计算：
51、mini
52、
53、则分配给风电站所属第si台风力发电机组向上调频需求功率δpw,si为：
54、
55、其中，j为整数，取值从1到(i-1)。
56、向上调频运行下第si台风力发电机组备用功率p′w_bak,si为：
57、
58、向上调频运行下第si台风力发电机组参考转速值ω′r_ref,si为：
59、
60、其中，备用功率(pw_bak,si-δpw,si)对应的风力发电机组转速值ω*计算过程如下：
61、首先计算第si台风力发电机组风能转换效率系数cp,si：
62、
63、其中，pw,si，asi，ρsi和veq,si分别为第si台风力发电机组输出功率测量值、第si台风力发电机组叶片扫过的面积、第si台风力发电机处空气密度和第si台风力发电机组等效风速。
64、然后计算第si台风力发电机组叶尖速比λsi：
65、λsi＝fsi(cp,si,βsi)，
66、其中，βsi表示第si台风力发电机组的桨距角。
67、因此，备用功率(pw_bak,si-δpw,si)对应的风力发电机组转速值ω*为：
68、
69、其中，rsi为第si台风力发电机组叶片半径。
70、按优先级pri由小到大排序构建向上调频运行下风力发电机组调度数据库db1_up，数据库结构如下表所示：
71、
72、其中，ωr_opt,si为第si台风力发电机组最优转速值。
73、风电站能全部完成向上调频需求情形下的向上调频运行下风电站总备用功率为：
74、
75、(2)对于风电站不能全部完成向上调频需求情形，向上调频运行下风力发电机组调度数据库db1_up'结构如下表所示：
76、
77、风电站不能全部完成向上调频需求情形下的向上调频运行下风电站总备用功率p′bak_2为：
78、
79、根据和的值，电力调度机构进行新的电力系统向上调频任务在风电站之间的分配。显然，为0表示在上一次调频任务时风电站不能全部完成向上调频需求，目前风电站已无向上调频备用功率，将不参与新的电力系统向上调频任务分配。
80、s6、在风电站向下调频模式下根据风电站调频需求功率确定向下调频运行下风力发电机组备用功率、风力发电机组参考转速值和风电站总备用功率。
81、s6-1、在风电站向下调频模式下，若降功率运行下风电站总备用功率pw_bak与风电站调频需求功率δpw之和小于等于降功率运行下风电站总备用功率最大值pw_bak,max，则风电站能全部完成向下调频需求，完成的向下调频功率值为δpw；若降功率运行下风电站总备用功率pw_bak与风电站调频需求功率δpw之和大于降功率运行下风电站总备用功率最大值pw_bak,max，则风电站不能全部完成向下调频需求，完成的向下调频功率值为δpw，未完成的向下调频功率值为|pw_bak,max-δpw|。
82、s6-2、在风电站向下调频模式下，根据向下调频调度优先级构建用于向下调频的降功率运行下风力发电机组待调度数据库。
83、将风电站所属风力发电机组赋予向下调频调度优先级pr′i，并按向下调频调度优先级pr′i由小到大排序构建用于向下调频的降功率运行下风力发电机组待调度数据库db2，数据库结构如下表所示：
84、
85、其中，li为向下调频运行下按优先级pr′i由小到大排序后风力发电机组序号，风力发电机组向下调频调度优先级pr′i满足：pr′i≤pr′i+1，pr′i越小表示具有更高的向下调频调度优先权，pw_bak,li为降功率运行下第li台风力发电机组备用功率，ωr_ref,li为降功率运行下第li台风力发电机组参考转速值。
86、s6-3、用于向下调频的降功率运行下风力发电机组待调度数据库db2，按照优先级由小到大顺序将δpw分配至各风力发电机组。
87、首先确定临界向下调频用风力发电机组序号i′：
88、(1)对于风电站能全部完成向下调频需求情形，i′采用下式计算：
89、mini′
90、
91、其中，pw_bak,li,max为降功率运行下第li台风力发电机组备用功率最大值，降功率运行下风电站总备用功率最大值pw_bak,max等于则分配给风电站所属第li台风力发电机组向下调频需求功率δpw,li为：
92、
93、向下调频运行下第li台风力发电机组备用功率p′w_bak,li为：
94、
95、向下调频运行下第li台风力发电机组参考转速值ω′r_ref,li为：
96、
97、其中，备用功率pw_bak,li,max对应的风力发电机组转速值ωr_max,li计算过程如下：
98、首先计算第li台风力发电机组风能转换效率系数cp,li：
99、
100、其中，pw,li，ali，ρli和veq,li分别为第li台风力发电机组输出功率测量值、第li台风力发电机组叶片扫过的面积、第li台风力发电机处空气密度和第li台风力发电机组等效风速。
101、然后计算第li台风力发电机组叶尖速比λli：
102、λli＝fli(cp,li,βli)，
103、其中，βli表示第li台风力发电机组的桨距角。
104、因此，备用功率pw_bak,li,max对应的风力发电机组转速值ωr_max,li为：
105、
106、其中，rli为第li台风力发电机组叶片半径。备用功率对应的风力发电机组转速值为ω*′。
107、按优先级pr′i由小到大排序构建向下调频运行下风力发电机组调度数据库db2_down，数据库结构如下表所示：
108、
109、风电站能全部完成向下调频需求情形下的向下调频运行下风电站总备用功率为：
110、p″w_bak_1＝pw_bak+δpw。
111、(2)对于风电站不能全部完成向下调频需求情形，向下调频运行下风力发电机组调度数据库db2_down'结构如下表所示：
112、
113、风电站不能全部完成向下调频需求情形下的向下调频运行下风电站总备用功率p″w_bak_2为：
114、
115、根据p″w_bak_1和p″w_bak_2的值，电力调度机构进行新的电力系统调频任务在风电站之间的分配。显然，p″w_bak_2为表示在上一次向下调频任务时风电站不能全部完成向下调频需求，目前风电站已无向下调频备用功率，将不参与新的电力系统向下调频任务分配。
116、s7、根据向上和向下调频运行下风力发电机组参考转速值和风力发电机组转速测量值，确定转速偏差，经转速控制产生用于转子侧变频器控制的功率参考值。
117、s7-1、在向上调频运行下，设第si台风力发电机组转速偏差为δωr,si，则有
118、δωr,si＝ωr,si-ω′r_ref,si，
119、其中，ωr,si为第si台风力发电机组转速测量值。
120、第si台风力发电机组的用于转子侧变频器控制的功率参考值为：
121、
122、其中，kp,si和tp,si分别为第si台风力发电机转速控制的比例系数和积分系数。
123、s7-2、在向下调频运行下，设第li台风力发电机组转速偏差为δωr,li，则有
124、δωr,li＝ωr,li-ω′r_ref,li
125、其中，ωr,li为第li台风力发电机组转速测量值。
126、第li台风力发电机组的用于转子侧变频器控制的功率参考值为：
127、
128、其中，kp,li和tp,li分别为第li台风力发电机转速控制的比例系数和积分系数；
129、无论是向上调频运行还是向下调频运行，根据转速偏差以及风力发电机转速控制的比例系数和积分系数，就可以确定用于转子侧变频器控制的功率参考值，从而使得风力发电机按照此功率参考值运行，实现了在电力系统频率测量值和频率调整上下界已知的条件下对风电站进行灵活调控。
130、本发明还提供一种新能源高占比电力系统的风电站灵活调控装置，包括基础数据提取模块、风力发电机组降功率运行模块、风力发电机组调频运行模块、风力发电机组转速控制模块、系统输出模块；
131、所述基础数据提取模块用于获取风电站所属风力发电机组的状态数据，包括风力发电机组输出功率测量值、风力发电机组转速测量值、桨距角测量值；
132、所述风力发电机组降功率运行模块用于根据风力发电机组最优转速值和备用功率系数确定降功率运行下风力发电机组备用功率、风力发电机组参考转速值和风电站总备用功率；
133、所述风力发电机组调频运行模块用于：1.根据电力系统频率测量值和频率调整上下界确定风电站调频需求功率；2.在风电站向上调频模式下根据风电站调频需求功率确定向上调频运行下风力发电机组备用功率、风力发电机组参考转速值和风电站总备用功率；3.在风电站向下调频模式下根据风电站调频需求功率确定向下调频运行下风力发电机组备用功率、风力发电机组参考转速值和风电站总备用功率。
134、所述风力发电机组转速控制模块用于：1.根据向上和向下调频运行下风力发电机组参考转速值和风力发电机组转速测量值，确定转速偏差；2.根据转速偏差以及风力发电机转速控制的比例系数和积分系数，确定用于转子侧变频器控制的功率参考值。
135、所述系统输出模块用于根据风电站综合调控需要，输出风力发电机组的状态数据、风力发电机组降功率运行数据、风力发电机组调频运行数据、风力发电机组转速控制数据。
136、上述一种新能源高占比电力系统的风电站灵活调控装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。
137、上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
138、与现有技术相比，本发明的有益效果为：
139、本发明一种新能源高占比电力系统的风电站灵活调控方法与装置，首先根据风力发电机组的状态数据、风力发电机组最优转速值和备用功率系数确定降功率运行下风力发电机组备用功率、风力发电机组参考转速值和风电站总备用功率，使风力发电机组运行在最大功率点之下的某个预定功率点，从而使得风电站具备了一定的备用容量；然后根据风电站调频需求功率和风力发电机组调频优先级确定调频运行下风力发电机组备用功率、风力发电机组参考转速值和风电站总备用功率，使风力发电机组能根据调频优先级响应电力调度的调频需求，从而使得风电站具备了有序调频能力。该方法为新能源高占比的新型电力系统中风电站调度提供了有效的方法和手段，有助于解决新型电力系统中新能源发电波动性和随机性致电力系统难以调控的难题。本发明的有益效果显著突出，体现在：一是突破了风力发电机组最大功率跟踪控制的禁锢，提出了风力发电机组可以不运行在最大功率点处，而是运行在最大功率点之下的某个预定功率点，在确保高效的同时储存了一定容量的、可用于电力系统调频需求的备用功率，增强了风电站出力的灵活性；二是根据风电站调频需求功率和风力发电机组调频优先级确定调频运行下风力发电机组备用功率、风力发电机组参考转速值和风电站总备用功率，经转速控制产生用于转子侧变频器控制的功率参考值，使风电站具备了实时频率响应、应对非预期负荷波动的能力，并且调频优先级的设计使得风力发电机组能有序参与调频(如运行年限过久的风力发电机组给予更低优先权、正在检修的风力发电机组不给予优先级等)，以此方式提高了风力发电机组响应调频的可靠性，降低了新型电力系统中新能源发电波动性和随机性的不利影响，有助于提升新型电力系统安全稳定控制水平；三是对于新能源占比越高的新型电力系统，尤其是风电占比越高的新型电力系统，本发明有益效果更为突出，这是因为新能源占比越高，新能源发电波动性和随机性就更明显，采用常规方法进行电力系统调控就越难，而风电占比越高的新型电力系统使得能降功率运行的风力发电机组越多，抵御新能源发电波动性和随机性的能力反而越强，因此采用本发明更有助于提升新型电力系统安全稳定控制水平。
1.一种新能源高占比电力系统的风电站灵活调控方法，其特征在于，该方法分为以下步骤：
2.一种根据权利要求2所述新能源高占比电力系统的风电站灵活调控方法，其特征在于：s4中，频率调整的上界和下界fn,up和fn,low根据我国相关规则和标准确定如下：对于装机容量在300万千瓦及以上的电力系统，频率调整的上界和下界分别为50.2和49.8；对于装机容量在300万千瓦以下的电力系统，频率调整的上界和下界分别为50.5和49.5。
3.一种根据权利要求1或2所述方法的新能源高占比电力系统的风电站灵活调控装置，其特征在于：包括基础数据提取模块、风力发电机组降功率运行模块、风力发电机组调频运行模块、风力发电机组转速控制模块、系统输出模块；
4.一种根据权利要求3所述的新能源高占比电力系统的风电站灵活调控装置，其特征在于：所述装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。
5.一种根据权利要求3所述的新能源高占比电力系统的风电站灵活调控装置，其特征在于：所述装置中的各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
