CN101672254B - 风电场及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种风电场，包括风机、箱式变电站、终端监控器及中央控制器，风机上设置有风机控制器，风机与终端监控器连接通讯，终端监控器与中央控制器无线连接通讯，箱式变电站中连接有充电/蓄电装置，充电/蓄电装置的输出端与风机连接，终端监控器采集箱式变电站与风机的相关信息并传输给中央控制器，中央控制器驱动风机控制器控制充电/蓄电装置对输出功率未达到输出要求的风机进行补给；上述的风电场及其控制方法采用中央控制器对风电场进行统一、集中管理控制，并驱动风机控制器控制充电/蓄电装置对输出功率未达到输出要求的风机进行补给，使风机的入网功率控制在规定范围内，并使风机的输出功率稳定，符合入网要求。

Description

风电场及其控制方法

【技术领域】

本发明涉及一种发电场，尤其是涉及一种风电场及其控制方法。

【背景技术】

传统所使用的风电场一般采用单机输出功率控制，风电场总体输出功率也只是单个风机输出功率机械相加，缺乏对整个风电场输出功率系统控制。风电场往往有几十上百台风机同时发电，风力特点是大小、方向不确定性，单机输出功率控制易造成整个风电场入网功率变化幅度大，电能质量不好，甚至造成输电网崩溃，所以进入输电网的电场的输出功率必须控制在一定的变化范围内，整个风电场的输出功率要求保持基本恒定。

【发明内容】

基于此，有必要提供一种输出功率稳定的风电场。

此外，还有必要提供一种能使风电场输出功率稳定的控制方法。

一种风电场，包括风机、箱式变电站、终端监控器及中央控制器，所述风机输出的电能经箱式变电站处理后输入到输电网，所述风机上设置有风机控制器，所述风机与终端监控器连接通讯，所述终端监控器与中央控制器连接通讯，所述箱式变电站中连接有充电/蓄电装置，所述充电/蓄电装置的输出端与风机连接，所述终端监控器采集箱式变电站与风机的信息并传输给中央控制器，所述中央控制器通过风机控制器控制充电/蓄电装置对输出功率未达到输出要求的风机进行补给，其中，所述中央控制器通过风机控制器控制预定区域上未达到要求的输出功率的风机进行补给，同时对预定区域上达到额定功率的风机输出一部分功率供给充电/蓄电装置，同时控制风机在所述预定区域上从所述未达到要求的输出功率至所述达到额定的输出功率为平滑或直线变化，所述中央控制器通过风机控制器控制小于所述预定区域上所述未达到要求的输出功率输入到充电/蓄电装置中。

优选的，所述风机包括可调方向角的风机转子、与风机转子连接的感应发电机、采集风机的风向及风速的风速计，所述风机转子包括可调桨距角的风机叶片及与风机叶片连接的轮毂，所述充电/蓄电装置与感应发电机连接并对感应发电机激励补给。

优选的，所述风机输出功率为关于方向角与桨距角的函数，所述风机进一步包括与风机转子连接对方向角进行控制的调向旋转装置及对桨距角进行控制的桨距角控制装置，所述中央控制器通过控制风机控制器驱动调向旋转装置及桨距角控制装置分别对方向角及桨距角进行调节而对风机输出功率进行调整，所述桨距角控制装置与调向旋转装置通过充电/蓄电装置进行供电。

优选的，所述中央控制器通过控制风机控制器驱动调向旋转装置及桨距角控制装置分别对方向角及桨距角进行调节时，若方向角及桨距角调整到未达到输出要求的预定区域内，所述中央控制器控制风机控制器驱动充电/蓄电装置对感应发电机进行激励补给直至达到输出要求进行输出；

若风机的方向角及桨距角调整到风机的输出功率达到或超过额定输出功率的预定区域内，所述中央控制器控制风机控制器将风机的一部分风能传输到充电/蓄电装置存储。

优选的，所述箱式变电站包括电压电流传感器、低压控制开关、逆变器、高压控制开关；所述充电/蓄电装置接入到所述感应发电机的输出方向上并通过设置站用变将箱式变电站中的交流电转换为充电/蓄电装置所使用的直流电，同时通过设置站用变控制开关对充电/蓄电装置是否进行充电进行控制。

优选的，所述风机控制器分别与电压电流传感器、低压控制开关、逆变器、高压控制开关、站用变控制开关、充电/蓄电装置连接并接收电压电流传感器采集的功率信息、低压控制开关与高压控制开关及站用变控制开关的开合状态信号、逆变器的温度信号、充电/蓄电装置的充电状态及是否饱和信号并通过所述终端监控器将所接收的信号传送至所述中央控制器进行集中管理，同时中央控制器通过风机控制器对低压控制开关与高压控制开关及站用变控制开关的开合、充电/蓄电装置的充电与否、DC/AC转换器是否对所述风机感应发电机进行激励补给进行控制；所述终端监控器与中央控制器直接通过基站进行无线通讯。

优选的，所述风机设置有多个，所述风机划分为不同的风机单元，所述风机单元中至少包括一个风机，所述中央控制器检测到风机单元输出的功率没有达到要求则控制风机控制器对输出功率较小风机的方向角及桨距角进行调整直至调整到最佳状态，且中央控制器控制风机控制器从输出功率最小的风机开始调整，直至风机单元输出的功率达到输出要求。

优选的，所述中央控制器检测到风机单元输出的功率超过额定功率则控制风机控制器调整超负荷的风机的方向角及桨距角直至调整到最佳状态，同时将超过额定功率的风机的一部分风能传输到充电/蓄电装置进行存储。

一种风电场的控制方法，包括如下步骤：

采集风机的方向角及桨距角、风机的风向及风速、电流电压；

根据电流电压判断风机的输出功率是否达到输出要求，若未达到输出要求则调整风机的方向角及桨距角直至达到最佳状态；

若风机的方向角及桨距角调整到未达到输出要求的预定区域内，则控制对风机进行激励补给直至达到输出要求进行输出；

若风机的方向角及桨距角调整到风机的输出功率达到或超过额定输出功率的预定区域内，控制将风机的一部分风能存储；

同时控制风机的输出功率在在预定未达到输出要求的区域范围至预定的达到额定输出功率的区域范围中平滑或直线上升变化。

上述的风电场采用中央控制器对风电场进行统一、集中管理控制，并驱动风机控制器控制充电/蓄电装置对的输出功率未达到输出要求的风机进行补给，使风机的入网功率控制在规定范围内，并使风机的输出功率稳定，符合入网要求。

上述的风电场的控制方法对未达到输出要求的预定区域内的风机进行激励补给直至达到输出要求进行输出，使风机的输出功率稳定，符合入网要求。

【附图说明】

图1为本发明的风电场一实施例的结构示意图；

图2为本发明一实施例的风机的结构示意图；

图3为本发明的风电场一实施例的风机的控制系统的示意图；

图4为本发明的风电场一实施例的箱式变控制系统的示意图；

图5为本发明的风电场另一实施例的结构示意图；

图6为本发明的风电场一实施例的输出功率的曲线变化示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本实施例进行进一步的说明。

如图1所示，本实施例的风电场包括风机1、箱式变电站2、终端监控器3及中央控制器4。风机1与终端监控器3之间采用无线或光纤通讯。

如图2至图3所示，风机1包括风机本体10、风机转子12、桨距角控制装置13、感应发电机14、风速计15、调向旋转控制装置16、风机控制器17。

风机转子12包括风机叶片120与轮毂122。风机叶片120与风机转子12的旋转面形成的夹角为桨距角β。桨距角β的大小直接影响风机转子12接收风能的多少。风机转子12与风向所形成的角度为方向角α。调向旋转控制装置16与风机转子12连接并控制风机转子12与风向的方向角α。方向角α影响风机转子12所接收风能的大小。

风机转子12所接收风能大小由桨距角β及方向角α决定。风机控制器17控制风机1的输出功率。同时风机控制器17对桨距角控制装置13及调向旋转控制装置16进行控制，通过桨距角控制装置13及调向旋转控制装置16分别对桨距角β及方向角α进行调整。

风速计15相对设于整个风机本体10的顶部，用于测定风机1的风向及风速。

风速计15测得风机1的风向及风速信号、风机转子12的桨距角β信号及方向角α信号都传输给风机控制器17进行处理并通过终端监控器3传输给中央控制器4。

风机控制器17与桨距角控制装置13、感应发电机14、风速计15、调向旋转控制装置16连接，接收风速计15的风向及风速信号、桨距角控制装置所反应的风机转子12的桨距角β信号、调向旋转控制装置16的方向信号及所反映的方向角α信号、感应电机14的转速信号等信息通过终端监控器3传输给中央控制器4。中央控制器4通过风机控制器17发出桨距角β指令、方向角α指令分别控制桨距角控制装置13、调向旋转控制装置16分别对桨距角β、方向角α进行调整。

桨距角β指令用于控制桨距角β控制装置，使风机转子12达到所需的桨距角。方向角α指令控制调向旋转控制装置调整风机转子12达到所需的迎风方向角。

风机控制器17还发出开关状态指令及补偿指令。开关状态指令用于控制箱式变电站2中各开关的分合。补偿指令用于控制箱式变电站2中感应发电机的补偿电能。

风机转子12接收风能转化为机械能并通过转轴传递给感应发电机14，感应发电机14把机械能转化为电能。

本实施方式中感应发电机14为双馈变速风力电机系统。感应发电机14中由定子产生的功率直接接入箱式变电站2，转子产生的功率通过变流器5接入箱式变电站2。转子产生的交流电为功率、频率不断变化的交流电，变流器5把转子产生变频交流电转化为输电网能接收的恒频交流电。箱式变电站2把感应发电机14产生的低压电转化为输电网所需的高压电。感应发电机14的功率输出端连接有充电/蓄电装置27。

如图3至图4所示，箱式变电站2同时提供给风机控制器17、桨距角控制装置13、调向旋转控制装置16等所需电能。

箱式变电站2包括电压/电流传感器20、低压控制开关22、逆变器23、高压控制开关24、站用变控制开关25、站用变26、充电/蓄电装置27、DC/AC转换器28。

感应发电机14输出的交流电通过低压控制开关22进入低压柜并经逆变器23变压后进入高压柜，通过高压控制开关24控制输出到输电网。

箱式变电站2中在进入低压柜之前接入充电/蓄电装置27，并通过站用变控制开关25控制感应发电机14输出的交流电进入站用变26，从而对充电/蓄电装置27是否进行充电进行控制。

充电/蓄电装置27输出一部分直流电供给给调向旋转控制装置16、桨距角控制装置13及风机控制器17，同时输出一部分电源经过DC/AC转换器28转换成交流电后供给感应发电机14进行激励补充。

箱式变电站2中的信息传输给风机控制器17进行处理或控制。电压/电流传感器20采集的电压/电流信号、各个开关的分合状态信号、逆变器23的温度信号、充电/蓄电装置27充电状态及饱和度信号、DC/AC转换器28状态信号等传输给风机控制器17。风机控制器17将所接收风机的功率、频率、速度信号及箱式变电站中的功率、频率信号通过终端监控器3传输给中央控制器4。

同时中央控制器4通过风机控制器17对箱式变电站2中的各个开关(如低压控制开关22、高压控制开关24、站用变控制开关25)、充电/蓄电装置27、DC/AC转换器28进行控制调配。风机控制器17发出控制指令对各开关的开合、充电/蓄电装置27的充电与否、DC/AC转换器28是否给风机感应发电机14进行激励补给进行控制。

终端监控器3接收风机控制器17所传输过来的风速计15测得风机的风向及风速信号、风机转子12的桨距角β信号及方向角α信号、箱式变电站2的设备信号及控制信号(如电力线路上的电流/电压(I/V)信号、各个开关信号等)进行现场监控，并将所接收的信息上传至中央控制器4。终端监控器3与中央控制器4进行无线通讯。本实施例中终端监控器3与中央控制器4之间采用基站通讯方式，当然也可采用其他通讯方式。

中央控制器4本实施例中采用中央计算机及装载在中央计算机中的软件进行实现。中央控制器4对风电场进行集中管理、控制。根据接收的信息确定各风机输出功率，同时驱动控制风机控制器17发出各种指令对整个风电场进行管理、调控。

中央控制器4根据接收风机的感应发电机14输出的功率，控制风机控制器17对桨距角β及方向角α进行调控，同时参照风机1所在地的风向及风机1的风向对风机1的方向角α进行调整。

中央控制器4根据所接收的信息控制风机控制器17发出方向角α指令、桨距角β指令、开关状态指令、补偿指令。

功率P是关于桨距角β及方向角α的函数P＝Kβ^mαⁿ(m≥1，n≥1)。本实施例中将m、n都取1进行说明即P＝Kβ·α。

如图6所示，本实施例中的风电场输出功率的曲线变化示意图。图中P_输表示整个风电场总输出功率。P_输处在P1至P2之间为风电场输出电力到输电网中，输电网所允许接收的风电场输出电力的功率波动范围。

曲线1表示没有中央控制器4控制下，风电场输出功率P_输的曲线，从图形中可看出输出功率变化范围大。一般不是所有的输出功率都接入输电网。只有当β·α≥c时输出功率才接入，当β·α＜c时风电场并没有输出功率，不加控制的话只能白白浪费风能，当β·α≥d时风电场输出功率达到最大及风电场额定输出功率P_额。

曲线2表示风电场输出功率通过中央控制器4进行处理控制后的风电场的输出功率P_输的曲线图。当β·α在a处时功率为P0为启动感应发电机14的最小功率。P_输在β·α＜b时，风电场不输出功率电力到输电网6，此时中央控制器4通过风机控制器17控制断开低压控制开关22，闭合站用变控制开关25，感应发电机14输出的交流电进过闭合站用变控制开关25进入站用变26，通过站用变26将交流电转变为直流电对充电/蓄电装置27进行充电，从而风机1的输出功率转化为充电/蓄电装置27的化学能。

当β·α≥b时，风电场开始输出功率，当β·α在b-c区间，风机1实际上的输出功率不能达到输出要求，这时中央控制器4通过风机控制器17控制启动DC/AC转换器28，充电/蓄电装置27通过DC/AC转换器28把化学能转化为电能供给风机1的感应发电机14激励，补给激励功率以达到所要求的输出功率。

当中央控制器4接收到的桨距角β信号及方向角α信号d≤β·α≤e时，风电场的输出功率达到额定的输出功率，为使输出功率平缓稳定，中央控制器4对额定输出功率β·α点进行延迟控制。中央控制器4通过风机控制器17控制闭合站用变控制开关25，感应发电机14输出的交流电进过闭合站用变控制开关25进入站用变26，通过站用变26将交流电转变为直流电对充电/蓄电装置27进行充电，此时将感应发电机14输出的一部分电能由充电/蓄电装置27转化为化学能储存起来。

当β·α≥e时，风电场的输出功率达到为额定的输出功率。经中央控制器4处理控制后输出功率所要求的β·α范围变大了，输出功率的变化也平缓了。

输出功率可以由下式算出。

P＝Kβα(P：风机的输出功率、β：桨距角、α：方向角、K：功率系数)

P_输＝{P₁+P₁+...P_N+P_1激励+P_2激励+...P_N激励}

＝K{β₁α₁+β₂α₂+...β_Nα_N}+P_总激励

(P_输：风电场总输出功率、P_敬励：风机的激励功率)

本实施例中通过增加P_总激励从而增大总输出功率达到功率最大化。通过预设P_输的起始点及延迟输出功率的输出点β·α，使风电场的输出功率平缓稳定。

如图5所示，本实施例中，可将风机1划分为若干的风机单元进行控制处理。风机单元根据实际情况进行划分，所包括的风机1数目根据需要进行设置。中央控制器4对风机单元整体的输出功率进行控制。每个风机1信息及每个风机单元的信息都通过风机控制器17传输给中央控制器4。

风机控制器17接收中央控制器4的启动指令开始工作，风机控制器17将风速计15测得风机的风向及风速信号、风机转子12的桨距角β信号及方向角α信号、箱式变电站2的电力线路上的电流/电压(I/V)信号、各个开关信号、逆变器23的温度信号、充电/蓄电装置27及DC/AC转换器28的状态信号通过终端监控器3传输给中央控制器4。

中央控制器4通过风机控制器17控制关闭低压控制开关22。中央控制器4根据电压/电流传感器20采集的电压/电流信号对风机单元的输出功率进行控制。

若某一风机单元如风机单元A的输出功率没有达到输出要求时，则调整风机单元A中输出功率较小的风机且从输出功率最小的风机开始调节。

中央控制器4通过风机控制器17对输出功率最小的风机进行调整控制。风机控制器17控制调向旋转控制装置16根据风速计15测得风机的风向及风速信号、风机转子12的桨距角β信号，参照当时风机所在地的风向对方向角α进行调整，直至调整到风机单元A的输出功率达到所要求的输出功率或将输出功率最小的风机调整到最佳状态。若将输出功率最小的风机调整到最佳状态时，风机单元A的输出功率仍未达到所要求的输出功率，则继续对已调整后的风机单元A中输出功率最小的风机进行调节。以此类推，直至调节到风机单元A的输出功率达到所要求的输出功率。

若某一风机单元如风机单元B的输出功率超过额定输出功率，且终端监控器3监控到风机单元B中某一风机的输出功率超出的风机的预设负荷，则调整风机单元B中超负荷的风机。中央控制器4通过风机控制器17调整超负荷的风机的方向角α及桨距角β，同时控制闭合站用变控制开关25，感应发电机14输出的超过额定输出功率的一部分交流电通过闭合站用变控制开关25进入站用变26，通过站用变26将交流电转变为直流电对充电/蓄电装置27进行充电。

若终端监控器3检测到逆变器23的温度过高，则中央控制器4通过风机控制器17对输出功率超过额定输出功率的风机单元进行调整，且调整顺序从输出功率最大的风机开始调整，直至逆变器23的温度恢复到预设值或以下。

上述的风电场的控制方法，包括如下步骤：

采集风机的方向角及桨距角、风机的风向及风速、电流电压；

根据电流电压判断风机的输出功率是否达到输出要求，若未达到输出要求则调整风机的方向角及桨距角直至达到最佳状态；

若风机的方向角及桨距角调整到未达到输出要求的预定区域内(即β·α在b-c区间)，则控制对风机进行激励补给直至达到输出要求进行输出；

若风机的方向角及桨距角调整到风机的输出功率达到或超过额定输出功率的预定区域内(即d≤β·α≤e)，控制将风机的一部分风能存储；

同时控制风机的输出功率在在预定未达到输出要求的区域范围至预定的达到额定输出功率的区域范围中平滑或直线上升变化。

若风机的方向角及桨距角未调整达到上述的未达到输出要求的预定区域内(即a≤β·α≤b)则控制风机控制器将风机的一部分风能传输到充电/蓄电装置存储。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种风电场，包括风机、箱式变电站、终端监控器及中央控制器，所述风机输出的电能经箱式变电站处理后输入到输电网，其特征在于：所述风机上设置有风机控制器，所述风机与终端监控器连接通讯，所述终端监控器与中央控制器连接通讯，所述箱式变电站中连接有充电/蓄电装置，所述充电/蓄电装置的输出端与风机连接，所述终端监控器采集箱式变电站与风机的信息并传输给中央控制器，所述中央控制器通过风机控制器控制充电/蓄电装置对输出功率未达到输出要求的风机进行补给，其中，所述中央控制器通过风机控制器控制预定区域上未达到要求的输出功率的风机进行补给，同时对预定区域上达到额定功率的风机输出一部分功率供给充电/蓄电装置，同时控制风机在所述预定区域上从所述未达到要求的输出功率至所述达到额定的输出功率为平滑或直线变化，所述中央控制器通过风机控制器控制小于所述预定区域上所述未达到要求的输出功率输入到充电/蓄电装置中。

2.如权利要求1所述的风电场，其特征在于：所述风机包括可调方向角的风机转子、与风机转子连接的感应发电机、采集风机的风向及风速的风速计，所述风机转子包括可调桨距角的风机叶片及与风机叶片连接的轮毂，所述充电/蓄电装置与感应发电机连接并对感应发电机激励补给。

3.如权利要求2所述的风电场，其特征在于：所述风机输出功率为关于方向角与桨距角的函数，所述风机进一步包括与风机转子连接对方向角进行控制的调向旋转装置及对桨距角进行控制的桨距角控制装置，所述中央控制器通过控制风机控制器驱动调向旋转装置及桨距角控制装置分别对方向角及桨距角进行调节而对风机输出功率进行调整，所述桨距角控制装置与调向旋转装置通过充电/蓄电装置进行供电。

4.如权利要求3所述的风电场，其特征在于：所述中央控制器通过控制风机控制器驱动调向旋转装置及桨距角控制装置分别对方向角及桨距角进行调节时，若方向角及桨距角调整到未达到输出要求的预定区域内，所述中央控制器控制风机控制器驱动充电/蓄电装置对感应发电机进行激励补给直至达到输出要求进行输出；

若风机的方向角及桨距角调整到风机的输出功率达到或超过额定输出功率的预定区域内，所述中央控制器控制风机控制器将风机的一部分风能传输到充电/蓄电装置存储。

5.如权利要求4所述的风电场，其特征在于：所述箱式变电站包括电压电流传感器、低压控制开关、逆变器、高压控制开关；所述充电/蓄电装置接入到所述感应发电机的输出方向上并通过设置站用变将箱式变电站中的交流电转换为充电/蓄电装置所使用的直流电，同时通过设置站用变控制开关对充电/蓄电装置是否进行充电进行控制。

6.如权利要求5所述的风电场，其特征在于：所述风机控制器分别与电压电流传感器、低压控制开关、逆变器、高压控制开关、站用变控制开关、充电/蓄电装置连接并接收电压电流传感器采集的电压电流信息、低压控制开关与高压控制开关及站用变控制开关的开合状态信号、逆变器的温度信号、充电/蓄电装置的充电状态及是否饱和信号并通过所述终端监控器将所接收的信号传送至所述中央控制器进行集中管理，同时中央控制器通过风机控制器对低压控制开关与高压控制开关及站用变控制开关的开合、充电/蓄电装置的充电与否、DC/AC转换器是否对所述风机感应发电机进行激励补给进行控制；所述终端监控器与中央控制器直接通过基站进行无线通讯。

7.如权利要求6所述的风电场，其特征在于：所述风机设置有多个，所述风机划分为不同的风机单元，所述风机单元中至少包括一个风机，所述中央控制器检测到风机单元输出的功率没有达到要求则控制风机控制器对输出功率较小风机的方向角及桨距角进行调整直至调整到最佳状态，且中央控制器控制风机控制器从输出功率最小的风机开始调整，直至风机单元输出的功率达到输出要求。

8.如权利要求7所述的风电场，其特征在于：所述中央控制器检测到风机单元输出的功率超过额定功率则控制风机控制器调整超负荷的风机的方向角及桨距角直至调整到最佳状态，同时将超过额定功率的风机的一部分风能传输到充电/蓄电装置进行存储。

9.一种风电场的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

采集风机的方向角及桨距角、风机的风向及风速、电流电压；

根据电流电压判断风机的输出功率是否达到输出要求，若未达到输出要求则调整风机的方向角及桨距角直至达到最佳状态；

若风机的方向角及桨距角调整到未达到输出要求的预定区域内，则控制对风机进行激励补给直至达到输出要求进行输出；

若风机的方向角及桨距角调整到风机的输出功率达到或超过额定输出功率的预定区域内，控制将风机的一部分风能存储；

同时控制风机的输出功率在在预定未达到输出要求的区域范围至预定的达到额定输出功率的区域范围中平滑或直线上升变化。

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