CN101498926A - 具有分层递阶结构的大型风电机组优化控制系统 - Google Patents

Abstract

具有分层递阶结构的大型风电机组优化控制系统包括风电场级的数据分析与策略制定单元，负责处理信息量需求大，运算任务复杂的功能，同时协调各个风电机组之间的配合，使风电场整体效能最佳；机组级的协调控制与故障诊断单元，负责机组内部各种事务的处理，同时协调机组内部各回路之间的配合，使本机组整体效能最佳，以求合理、高效地完成风电场级的数据分析与策略制定单元给风电机组分配的任务；回路级的执行机构控制单元，为各回路所制定的具体动作要求，保证各种执行机构如马达、泵、阀、开关等正确、精确地运行。本系统解决了大型风力发电机组控制系统中存在的硬件资源利用不充分、信息资源利用率较低和各种功能协调度不高的问题。

Description

具有分层递阶结构的大型风电机组优化控制系统

技术领域

本发明涉及大型风力发电机组的控制方法，特别涉及对风电场内部的多个风力发电机组进行自上而下的统一协调优化控制的方法。

技术背景

近年来，随着风电规模和单机容量的逐步增加，大型风力发电机组的需要控制的内容越来越多、控制程序也越来越复杂、需要传输与处理的数据量更是成倍增长：比如为使一套典型的兆瓦级大型风力发电机组高效、可靠、稳定的运行，往往就需要涉及变桨距控制、偏航控制、油液控制、变流器控制、启停控制、安全保护控制、故障诊断、机组监测、电网监测、运行策略制定、风能预测、维修维护和应急救援等问题。上述各种功能在响应速度、运算处理时间、智能化程度、硬件需求和所需数据量方面有很大差别，在同层面运行所有系统的话不仅代价很大，而且性能也不理想，更增加了管理的难度和维护的复杂性。

发明内容

鉴于目前现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有分层递阶结构的大型风电机组优化控制系统，解决了大型风力发电机组控制系统中存在的硬件资源利用不充分、信息资源利用率较低和各种功能协调度不高的问题。

为达到上述目的，本发明所述的一种具有分层递阶结构的大型风电机组优化控制系统，其技术方案是这样实现的：

分层递阶结构的大型风电机组优化控制系统将传统风电场管理系统分为三级，分别为风电场级、机组级和回路级，具体的包括风电场级的数据分析与策略制定单元、机组级的协调控制与故障诊断单元及回路级的执行机构控制单元等三个单元。

风电场级的数据分析与策略制定单元是分层递阶结构的大型风电机组优化控制系统的最顶层，建立于风电场中央服务器上，服务于所有风力发电机，机组级的协调控制与故障诊断单元是分层递阶结构的大型风电机组优化控制系统的中间层，建立于各个风力发电机组内部，回路级的执行机构控制单元，是整个系统的最底层，建立于风力发电机组内部各回路。

其中风电场级的数据分析与策略制定单元主要负责处理数据信息，同时协调各个风电机组之间的配合。它包含五个子单元，分别是：电能质量控制单元，主要接收当前风电场实际输出电量中的电压、电流、功率因数和谐波水平信息，根据电网的调度要求或人工指示，控制集中无功补偿制的实施并指导风电场内各个风电机组输出功率中无功功率的参考值，使有功功率与无功功率做到按需可控；设备维护策略单元，主要接收设备维护方面的历史数据和机组级的协调控制与故障诊断单元中在线故障诊断单元所提供的实时数据，根据各部件的失效模型，对风电场内各个风电机组中各个部件的可靠性给出评价与预测，建立备品备件策略，并指导场级控制策略单元的相关决策；场级控制策略单元，主要接收机风电场当地气象信息、电网的相关要求和风电场当前运营状态，根据风电场数学模型，并通盘考虑电场历史运营信息、设备维护策略单元和短时风能预测单元的处理结果，对风电场内各个机组的运行状态进行调整并给出其当前应发出电量的参考值；短时风能预测单元接收当前风电场周边风力状况信息和其它气象信息，根据专家知识库以及历史风力状况与气象信息，在留出裕度的基础上，预测短时间内风电场周边的风力大小与相应的风电场总发电量；安全应急策略单元接收当前风力与天气信息、电网状态信息、突发事故报警信息、机组级的协调控制与故障诊断单元中在线故障诊断系统单元的故障诊断信息和人工巡查的报告信息，向风电场内部各个风力发电机组发送具有最高优先权的脱离电网、停机和降低使用率命令。

机组级的协调控制与故障诊断单元主要负责风力发电机组内部各种事务的处理，同时协调机组内部各回路之间的配合。它包含两个子单元，分别是：在线故障诊断单元，主要接收机组内部各种传感器的相关数据，根据专家知识库以及人工判断，对机组发生的各种故障进行报警并能给出相应的处理意见，在遇到重大紧急事故时更能下达紧急停机命令；优化协调控制系统单元，主要接收回路级的执行机构控制单元所给出的各执行机构的运行情况、人机接口的信息、风电场级的数据分析与策略制定单元传送的信息、微观风力状况和机组实际发电功率，通过优化与协调，以满足给定的发电量指标为基础，制定回路级的执行机构控制单元中各个回路控制器的在线整定优化值和各回路执行机构的动作要求。

回路级的执行机构控制单元负责按照机组级的协调控制与故障诊断单元为各回路所制定的具体动作要求，保证各种执行机构(如马达、泵、筏、开关等)正确、精确地运行。它包含四个子单元，分别是：偏航控制回路单元，主要接收偏航角度参考曲线、解缆缠绕信息和控制器参数在线整定优化值，按照机组级的协调控制与故障诊断单元中的优化协调控制单元给定的控制器的在线整定优化值和各回路执行机构的动作要求，来控制偏航执行机构，以达到调整偏航角度、方向和圈数的目的；变桨距控制回路单元，主要接收变桨距角度优化曲线、紧急收桨信息和控制器参数在线整定优化值，按照机组级的协调控制与故障单元中的优化协调控制单元给定的控制器的在线整定优化值和各回路执行机构的动作要求，来控制变桨距执行机构，以达到调整桨距角的目的；变流器控制回路单元，主要接收电网状况信息、当前实际发电量信息和控制器参数在线整定优化值，按照机组级的协调控制与故障诊断单元中的优化协调控制单元给定的控制器的在线整定优化值和各回路执行机构的动作要求，来控制电力变流器，以达到调整频率、有功功率输出和无功功率输出的目的；安全控制回路单元，主要接收机组级的协调控制与故障诊断单元中在线故障诊断单元所提供的处理意见，来控制各种油液系统的工作以及机组的启动、停止和紧急停止。

分层递阶结构的大型风电机组优化控制系统的通讯连接为：风电场级的数据分析与策略制定单元与机组级的协调控制与故障诊断单元之间采用光纤实现数据实时传递，机组级的协调控制与故障诊断单元与回路级的执行机构控制单元之间采用光纤或工业总线实现双向数据实时传递。

附图说明

图1实施方式流程图。

具体实施方式

当风电场决定开始发电时1，首先“风电场级的数据分析与策略制定单元”中的“短时风能预测单元”给出当前风电场最大发电量的参考值2，当接到电网要求开始发电时3，由“场级控制策略单元”根据各机组的实际情况将任务分解为各个风力发电机组应发电量的参考值5，若没接到电网要求则不发电4。当“机组级的协调控制与故障诊断单元”接到本机应发电量的参考值后，若本机组满足开机条件6，“优化协调控制单元”基于此值决定机组各回路执行机构的动作要求(主要包括变桨距角度、偏航角度、油液系统工作状态、变流器工作状态、安全系统工作状态)，并根据具体执行情况更改各回路控制器的在线整定优化值。当“回路级的执行机构控制单元”中的“偏航控制回路单元”、“变桨距控制回路单元”、“变流器控制回路单元”和“安全控制回路单元”收到相应的动作要求和控制参数时8，即直接对相应的马达、泵、筏和开关等物理执行机构进行控制。若本机不满足开机条件，则回报“场级控制策略单元”7，令其重新为各个风力发电机组分配发电量参考值。全系统各种命令层层分解下传，各种反馈信息层层整合上报。

“机组级的协调控制与故障诊断单元”中的“在线故障诊断单元”收集机组各部件的原始运行数据9，并对各个部件做出基本的“仍可使用”或“已损坏坏”两种判断，并将各种信息上传10。“风电场级的数据分析与策略制定单元”中的“设备维护策略单元”在收到“在线故障诊断单元”传来的信息后10，通过与以往历史信息、其它同类机组情况和失效模型的对比，计算出各个风力发电机组中各部件的可靠度数值，并加以评估和预测，最终以此指导“场级控制策略单元”的发电量分配13、14和风电场的各种维修维护活动与备品备件策略15。

“风电场级的数据分析与策略制定单元”中的“安全应急策略单元”对风电场内部各个风力发电机组有最优先控制权，可以排他性的命令“风电场级的数据分析与策略制定单元”中的“优化协调控制单元”12，以实现对各个风力发电机组的启动、停机、紧急停机和降低使用率控制。

“风电场级的数据分析与策略制定单元”中的“电能质量控制单元”，负责按照电网无功功率的要求，集中对各个风力发电风电场所发出的电能进行无功补偿，并指导“优化协调控制单元”的发电量分配11。

Claims (9)

1、具有分层递阶结构的大型风电机组优化控制系统，其分为三级，分别为电场级、机组级和回路级，具体包含风电场级的数据分析与策略制定单元、机组级的协调控制与故障诊断单元及回路级的执行机构控制单元等三个单元。

2、根据权利要求1所述的具有分层递阶结构的大型风电机组优化控制系统，其特征在于风电场级的数据分析与策略制定单元包含电能质量控制单元、设备维护策略单元、场级控制策略单元、短时风能预测单元和安全应急策略单元。

3、根据权利要求1所述的具有分层递阶结构的大型风电机组优化控制系统，其特征在于机组级的协调控制与故障诊断单元包含在线故障诊断单元和优化协调控制单元。

4、根据权利要求1所述的具有分层递阶结构的大型风电机组优化控制系统，其特征在于回路级的执行机构控制单元包含偏航控制回路单元、变桨距控制回路单元、变流器控制回路单元和安全控制回路单元。

5、根据权利要求1所述的具有分层递阶结构的大型风电机组优化控制系统，其特征在于风电场级的数据分析与策略制定单元与机组级的协调控制与故障诊断单元之间采用光纤实现数据实时传递，机组级的协调控制与故障诊断单元与回路级的执行机构控制单元之间采用光纤或工业总线实现双向数据实时传递。

6、根据权利要求1所述的具有分层递阶结构的大型风电机组优化控制系统，其特征在于风电场级的数据分析与策略制定单元向机组级的协调控制与故障诊断单元传送的数据包括当前、预测宏观风况，应发参考电量，风机运行状态信息，安全与维护信息，应急管理信息及反而不见可靠性评价。

7、根据权利要求1所述的具有分层递阶结构的大型风电机组优化控制系统，其特征在于机组级的协调控制与故障诊断单元向风电场级的数据分析与策略制定单元传送的数据包括机组整体运行状态，风机实际产生功率及故障诊断信息。

8、根据权利要求1所述的具有分层递阶结构的大型风电机组优化控制系统，其特征在于机组级的协调控制与故障诊断单元向回路级的执行机构控制单元传送的数据包括各回路控制器参数，各回路执行机构动作要求，启动、停止和紧急停止命令，给定功率参考值及在线诊断系统的报警。

9、根据权利要求1所述的具有分层递阶结构的大型风电机组优化控制系统，其特征在于回路级的执行机构控制单元向机组级的协调控制与故障诊断单元传送的数据包括发电机状态，传动、变速部件状态，偏航状态，变浆状态，变流器状态，油液系统状态，本机气象仪信息及机舱环境信息。

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