CN101860042B - 风电场有功功率的协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风电场有功功率的协调控制方法，首先求得有功功率波动超额值，并与功率超标趋势作为逻辑控制器的输入，输出超额偏差值；然后与功率频率偏差值的差值作为PI控制器的输入，最后输出风电场电机有功参考值；本发明把单一的单机最大风能利用控制方法解环嵌入了风场整体协调控制，使得风机有可调度的裕度，从而最大限度的平抑风能的不稳定给电网造成的负荷波动，这种平抑作用将释放电网更多的空间，其有效输送负荷能力将得到提高；由于有功调解运算在预测风能的基础上，风机的自我保护也从被动调桨或解列式变为主动预防式，不但有效增加风机运行效率，也对减少对电网的冲击和对风机运行也起到了积极的保护。

Description

风电场有功功率的协调控制方法

技术领域

本发明涉及风电场有功功率的协调控制方法，属于风电场并网控制技术领域。

背景技术

风电场对系统频率的影响取决于风电场短路容量比，即风电场额定容量与该风电场与电力系统的连接点的短路容量之比。当短路比较大时，风电场输出有功功率的随机波动性对电网频率的影响会比较显著。目前国内风电场的风力发电机处在一种“自由运行”状态，其控制原则是风能利用最大化，其发出的有功功率完全由天气状况决定不受人工控制，由于风能的波动性所造成的风电机组的发电功率输出的波动性也非常大。大规模风场的接入系统，特别是区域性电网，其对系统频率等产生的影响将会变得严重。

发明内容

本发明的目的是提供一种风电场有功功率的协调控制方法，来协调风电机组所发的有功功率，实现整个风电场有功功率控制。

为实现上述目的，本发明的风电场有功功率的协调控制方法步骤如下：

(1)测量得到并网点有功功率测量值P_mea，根据负荷要求设定风电场并网点有功功率设定值P_ref，将有功功率测量值P_mea与有功功率设定值P_ref的差值记为有功功率偏差值ΔP′；

(2)风电场并网点频率测量值f_mea与给定目标频率f_ref进行比较，将所得差值的绝对值记为频率偏差Δf，当频率偏差Δf小于频差阈值时，频率偏差Δf计为0，则返回起点；当频率偏差Δf大于频差阈值时，进入Kd模块计算有功功率频率调整目标ΔP_f，ΔP_f＝Δf×S，其中，S是频率对有功功率的敏感度；

(3)将有功功率偏差值ΔP′与有功功率频率调整目标ΔP_f比较，数值大者记为偏差ΔP，偏差ΔP与设定死区阈值比较，偏差ΔP小于设定死区阈值时计为0，返回起点；偏差ΔP大于设定死区阈值时，则进入增量计算模块；

(4)在增量计算模块中，在给定调整时间内，先计算风电场有功功率的变化率

再设定调整周期T_adj，计算出调整时间内有功功率增量ΔP/T_adj，并作为PI调节模块的输入量；

(5)有功功率增量经过PI调节模块的PI调节和延时限幅模块的限幅和延时后，输出调整时间内的有功功率值P_refout，其中PI调节模块中PI调节控制器的调整幅度为β，

$P_{\mathrm{refout}}=\mathrm{\β}(\mathrm{\Δp}\left(t\right)+\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}\mathrm{\Δp}\left(t\right)\mathrm{dt})+P_{\mathrm{ref}},$

Δp(t)＝p_mea(t)-p_ref(t)，

p_mea(t)p_ref(t)分别为有功功率瞬时测量值，和与有功功率瞬时测量值对应的有功功率参考值，Δp(t)为有功功率瞬时测量值与有功功率参考值的偏差值，T为微积分常数，T越大积分作用越弱；

(6)将风电场实时区域预测风功率P_W1、P_W2…P_Wn，经过求和模块后，将求和总量与风电场输出总功率P_refout比较，输出风电场输出总功率P_refout， $P_{\mathrm{refout}}=K_{W1}{P}_{W1}+K_{W2}{P}_{W2}+...=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{K}_{\mathrm{Wi}}{P}_{\mathrm{Wi}},$ 其中n为可调区域数，K为功率区域调解分配系数，当P_W1+P_W2...≥P_refout时， $K=K_{W1}+K_{W2}+...=\frac{P_{W1}}{P_{\mathrm{ref}}}+\frac{P_{W2}}{P_{\mathrm{ref}}}+...,$ K_Wi为区域调整系数， $K_{\mathrm{Wi}}=\frac{P_{\mathrm{Wi}}}{P_{\mathrm{refout}}};$

当P_W1+P_W2+...＜P_ref时，K_i＝1；所有风机按最大方式；

(7)将风电场输出总功率值P_refout输入功率分配模块，转换成等风功率区域的功率调整指令P_refout-1＝K_W1P_W1、P_refout-2＝K_W2P_W2...向所属区域发送输入功率参考值，改变其相应有功功率输出；

(8)在发出调浆指令并经过调整周期T_adj后，再次比较偏差ΔP和设定死区阈值，如果偏差ΔP小于设定死区阈值，则本次调整周期结束；如果ΔP大于设定死区阈值，则再次返回调整周期直至结果收敛。

进一步的，所述步骤(1)中有功功率偏差值ΔP′是有功功率测量值P_mea经过延时模块后与有功功率设定值P_ref的差值。

进一步的，所述步骤(2)中频率对有功功率的敏感度

进一步的，所述步骤(7)中整个风电场输出总功率P_refout转换成等功率区域风机的输入功率参考值P_refout-i，是采用等功率机群控制方式，根据风电场中风电机组排列位置和风速状况，把风电机组划分为若干群，同一机群采用相同的控制方式。

进一步的，所述步骤(7)中当P_W1+P_W2+...＜P_refout时，K_Wi＝1，此时所有风机按最大方式即风桨在最大迎风面状态，运行输出总功率值P_refout＝P_W1+P_W2+...。

对于同一等功率机群，若有n台风机，P_refout-总为该机群总的有功功率输出参考值，P_refout-i为每台风机的输入功率参考值，则风电场该机群输出功率参考值P_refout-总与每台风机的输入功率参考值P_refout-i(i＝1，2，...，n)之间的转换关系为：

P_refout-总＝P_Wi， $P_{\mathrm{refout}}=K_{W1}{P}_{W1}+K_{W2}{P}_{W2}+...=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{K}_{\mathrm{Wi}}{P}_{\mathrm{Wi}}.$

风电场按实时等功率机群控制，每一个机群为一个调节系数，输出相同的功率。

本发明求得偏差ΔP，以及功率超标趋势

后，将调整周期内的有功功率波动超额值ΔP/T并将其作为PI的输入，并经过延时限幅模块后输出新的有功功率目标值P_refout，再与风功率预测总量值比较后，得出风电场输出总功率P_refout，并按照相应的区域调整系数，向所述区域发送输入功率参考值，改变其相应有功功率输出。本协调控制方法在控制过程中，既保证允许最多的风机运行，又实现功率自动控制的目的，综合考虑风电场各台风机的运行状况以及各种制约因素，根据调度指令自动调节风电场风机的有功输出、协调控制，形成对风机有功功率的智能协调控制。本发明把单一的单机最大风能利用控制方法解环嵌入了风场整体协调控制，使得风机具有了可调度的裕度，风机不再呈自由状态向电网输送功率，从而最大限度的平抑风能的不稳定给电网造成的负荷波动，这种平抑作用将释放电网更多的空间，其有效输送负荷能力将得到提高；同时，由于有功调解运算在预测风能的基础上，风机的自我保护也将从被动调桨或解列式变为主动预防式，不但可有效增加风机运行效率，也将对减少对电网的冲击和对风机运行也起到了积极的保护。本发明改变风电机组各自为主的闭环调节情况，从电网的角度将风电场中的各个独立机组视为一个可协调节整体的部件，调动各机组可调功能平抑风能不稳定所带来的风电场有功功率输出不稳定。

附图说明

图1是本发明有功功率协调控制系统的原理框图；

图2是本发明风电场有功功率控制逻辑框图；

图3是本发明风电场有功功率协调控制流程图。

具体实施方式

本发明的控制系统原理框图如图1所示，风电场变电站SCADA系统从调度接到负荷指令，该负荷指令由调度根据风电场长期预测(年测)并结合本时段负荷下达。调度指令一般在风电场风能预测(月测)30％-60％范围内。变电站SCADA系统将指令下发给风电场协调控制系统，风电场协调控制系统根据由风电场SCADA系统上传的风电场风能(10秒内测)适时参数，按风能裕量大小对处于不同位置(风机位置是指等风能线所圈定的范围)的风电机组分别下达调节指令。

结合图2、图3说明本发明的风电场有功功率的协调控制方法，步骤如下：

(1)测量得到并网点有功功率测量值P_mea，根据负荷要求设定风电场并网点有功功率设定值P_ref，将有功功率测量值P_mea经过延时模块1后与有功功率设定值P_ref的差值记为有功功率偏差值ΔP′；

(2)风电场并网点频率测量值f_mea与给定目标频率f_ref进行比较，将所得差值的绝对值记为频率偏差Δf，当频率偏差Δf小于频差阈值时，频率偏差Δf计为0，则返回起点；当频率偏差Δf大于频差阈值时，进入Kd模块2计算有功功率频率调整目标ΔP_f，ΔP_f＝Δf×S，其中，

是频率对有功功率的敏感度，与风电场所处电网位置和电网当时运行方式有关，可从电网调度常年统计数据获得；

(3)将有功功率偏差值ΔP′与有功功率频率调整目标ΔP_f比较，数值大者记为偏差ΔP，偏差ΔP与设定死区阈值比较，偏差ΔP小于设定死区阈值时计为0，返回起点；偏差ΔP大于设定死区阈值时，则进入增量计算模块3；

(4)在增量计算模块3中，在给定调整时间内，先计算风电场有功功率的变化率

再设定调整周期T_adj，计算出调整时间内有功功率增量ΔP/T_adj，并作为PI调节模块4的输入量；

(5)有功功率增量经过PI调节模块4的PI调节和延时限幅模块5的限幅和延时后，输出调整时间内的有功功率值P_refout，其中PI调节模块4中PI调节控制器的调整幅度为β，

$P_{\mathrm{refout}}=\mathrm{\β}(\mathrm{\Δp}\left(t\right)+\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}\mathrm{\Δp}\left(t\right)\mathrm{dt})+P_{\mathrm{ref}},$

Δp(t)＝p_mea(t)-p_ref(t)，

p_mea(t)和p_ref(t)分别为有功功率瞬时测量值，和与有功功率瞬时测量值对应的有功功率参考值，Δp(t)为有功功率瞬时测量值与有功功率参考值的偏差值，T为微积分常数，T越大积分作用越弱；

(6)将风电场实时区域预测风功率P_W1、P_W2…P_Wn，经过求和模块6后，将求和总量与有功功率值P_refout比较，输出风电场输出总功率P_refout， $P_{\mathrm{refout}}=K_{W1}{P}_{W1}+K_{W2}{P}_{W2}+...=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{K}_{\mathrm{Wi}}{P}_{\mathrm{Wi}},$ 其中n为可调区域数，K为功率区域调解分配系数，当P_W1+P_W2...≥P_refout时， $K=K_{W1}+K_{W2}+...=\frac{P_{W1}}{P_{\mathrm{ref}}}+\frac{P_{W2}}{P_{\mathrm{ref}}}+...,$ K_Wi为区域调整系数， $K_{\mathrm{Wi}}=\frac{P_{\mathrm{Wi}}}{P_{\mathrm{refout}}};$

当P_W1+P_W2+...＜P_ref时，K_i＝1；

(7)将风电场输出总功率值P_refout输入功率分配模块7，转换成等风功率区域的功率调整指令P_refout-1＝K_W1P_W1、P_refout-2＝K_W2P_W2...向所属区域发送输入功率参考值，改变其相应有功功率输出，当P_W1+P_W2+...＜P_refout时，K_Wi＝1，此时所有风机按最大方式即风桨在最大迎风面状态，运行输出总功率值P_refout＝P_w1+P_W2+...；

(8)在发出调浆指令并经过调整周期T_adj后，再次比较偏差ΔP和设定死区阈值，如果偏差ΔP小于设定死区阈值，则本次调整周期结束；如果ΔP大于设定死区阈值，则再次返回调整周期直至结果收敛。

步骤(7)中整个风电场输出总功率P_refout转换成等功率区域风机的输入功率参考值P_refout-i，是采用等功率机群控制方式，根据风电场中风电机组排列位置和风速状况，把风电机组划分为若干群，同一机群采用相同的控制方式。

风电场按实时等功率机群控制，每一个机群为一个调节系数，输出相同的功率。需参与有功功率调整的风机是处于实时等功率风能区域的风机机群，如果风电场中各台风电机组型号相同，并且处于相同的运行状态，则整个风电场的特性就与单机特性基本一致，各台机组可以采用相同的控制策略。如果风电场机组类型不一致，或风电场分布范围较广，那么各台风电机组将处于不同的运行状态。在这种情况下可以采用机群控制的方法，具体而言就是根据风电场中风电机组排列位置和风速状况，把风电机组划分为若干群，同一机群可以采用相同的控制策略。

结合风电场风机的部署情况、分群情况以及风机本省的运行工况，基本原则是同一机群可满足调节要求的，本次只在本机群内进行调节，下一轮调节周期内再按照轮流值班的原则对其他机群进行调节。

对于同一等功率机群，若有n台风机，P_refout-总为该机群总的有功功率输出参考值，P_refout-i为每台风机的输入功率参考值，则风电场该机群输出功率参考值P_refout-总与每台风机的输入功率参考值P_refout-i(i＝1，2，...，n)之间的转换关系为：

P_refout-总＝P_Wi， $P_{\mathrm{refout}}=K_{W1}{P}_{W1}+K_{W2}{P}_{W2}+...=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{K}_{\mathrm{Wi}}{P}_{\mathrm{Wi}}.$

Claims (7)

1.一种风电场有功功率的协调控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

（1）测量得到并网点有功功率测量值P_mea，根据负荷要求设定风电场并网点有功功率设定值P_ref，将有功功率测量值P_mea与有功功率设定值P_ref的差值记为有功功率偏差值ΔP′；

（2）风电场并网点频率测量值f_mea与给定目标频率f_ref进行比较，将所得差值的绝对值记为频率偏差Δf，当频率偏差Δf小于频率偏差阈值时，频率偏差Δf计为0，则返回起点；当频率偏差Δf大于频率偏差阈值时，进入Kd模块计算有功功率频率调整目标ΔP_f，ΔP_f＝Δf×S，其中，S是频率对有功功率的敏感度；

（3）将有功功率偏差值ΔP′与有功功率频率调整目标ΔP_f比较，数值大者记为偏差ΔP，偏差ΔP与设定死区阈值比较，偏差ΔP小于设定死区阈值时计为0，返回起点；偏差ΔP大于设定死区阈值时，则进入增量计算模块；

（4）在增量计算模块中，在给定调整时间内，先计算风电场有功功率的变化率

再设定调整周期T_adj,计算出调整时间内有功功率增量ΔP/T_adj，并作为PI调节模块的输入量；

（5）有功功率增量经过PI调节模块的PI调节和延时限幅模块的限幅和延时后，输出调整时间内的风电场输出总功率P_refout，其中PI调节模块中PI调节控制器的调整幅度为β,

$P_{\mathrm{refout}}=\mathrm{\β}(\mathrm{\Δp}\left(t\right)+\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}\mathrm{\Δp}\left(t\right)\mathrm{dt})+P_{\mathrm{ref}},$

ΔP(t)＝p_mea(t)-p_ref(t)，

p_mea(t)和p_ref(t)分别为有功功率瞬时测量值，和与有功功率瞬时测量值对应的有功功率参考值，T为微积分常数，T越大积分作用越弱；

（6）将风电场实时区域预测风功率P_W1、P_W2…P_Wn，经过求和模块后，将求和总量与风电场输出总功率P_refout比较，当P_W1+P_W2...≥P_refout时，输出风电场输出总功率P_refout，

$P_{\mathrm{refout}}=K_{W1}{P}_{W1}+K_{W2}{P}_{W2}+...=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{K}_{\mathrm{Wi}}{P}_{\mathrm{Wi}},$ 其中n为可调区域数，K为功率区域

调解分配系数，

$K=K_{W1}+K_{W2}+...=\frac{P_{W1}}{P_{\mathrm{ref}}}+\frac{P_{W2}}{P_{\mathrm{ref}}}+...,$ K_Wi为区域调整系数，

当P_W1+P_W2+...＜P_ref时，K_i＝1；所有风机按最大方式；

（7）将风电场输出总功率值P_refout输入功率分配模块，转换成等功率区域的功率调整指令P_refout-1＝K_W1P_W1、P_refout-2＝K_W2P_W2...向所属区域发送输入功率参考值，改变其相应有功功率输出；

（8）在发出调浆指令并经过调整周期T_adj后，再次比较偏差ΔP和设定死区阈值，如果偏差ΔP小于设定死区阈值，则本次调整周期结束；如果ΔP大于设定死区阈值，则再次返回调整周期直至结果收敛。

2.根据权利要求1所述的风电场有功功率的协调控制方法，其特征在于：所述步骤（1）中有功功率偏差值ΔP′是有功功率测量值P_mea经过延时模块后与有功功率设定值P_ref的差值。

3.根据权利要求1或2所述的风电场有功功率的协调控制方法，其特征在于：所述步骤（2）中频率对有功功率的敏感度

4.根据权利要求3所述的风电场有功功率的协调控制方法，其特征在于：所述步骤（7）中整个风电场输出总功率P_refout转换成等功率区域风机的输入功率参考值P_refout-i，是采用等功率机群控制方式，根据风电场中风电机组排列位置和风速状况，把风电机组划分为若干群，同一机群采用相同的控制方式。

5.根据权利要求4所述的风电场有功功率的协调控制方法，其特征在于：所述步骤（7）中当P_W1+P_W2+...＜P_refout时，K_Wi＝1，此时所有风机按最大方式即风桨在最大迎风面状态，运行输出总功率值P_refout＝P_W1+P_W2+...。

6.根据权利要求5所述的风电场有功功率的协调控制方法，其特征在于：对于同一等功率机群，若有n台风机，P_refout-总为该机群总的有功功率输出参考值，P_refout-i为每台风机的输入功率参考值，则风电场该机群总的有功功率输出参考值P_refout-总与每台风机的输入功率参考值P_refout-i之间的转换关系为：

P_refout-总＝P_Wi， $P_{\mathrm{refout}}=K_{W1}{P}_{W1}+K_{W2}{P}_{W2}+...=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{K}_{\mathrm{Wi}}{P}_{\mathrm{Wi}},$ 其中i=1，2，…，n。

7.根据权利要求6所述的风电场有功功率协调控制方法，其特征在于，风电场按实时等功率机群控制，每一个机群为一个调节系数，输出相同的功率。

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