CN102496966B - 一种风电场并网运行功率优化控制子站 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电场并网运行功率优化控制子站系统，所述子站系统由工作站、协调控制器和功率优化控制器组成。所述子站系统对风电场的第三方子系统的实时运行信息进行统一管理，在进行功率控制时满足“直采直控”和“数据同源”的要求。就有功功率控制而言，以调度指令为基础，辅以一次调频的有功变化量作为最终的有功指令。进行有功功率分配时，依据风功率预测系统提供的超短期预测数据在各个风电机组间进行分配，并可设置部分风电机组处于自由发电状态，从而为风功率预测子系统提供真实有效的模型校正数据。进行无功功率控制时，风电机组和无功补偿系统均参与无功功率的调节。

Description

一种风电场并网运行功率优化控制子站

技术领域

本发明属于电力系统发电技术领域，具体地涉及一种风电场并网运行功率优化控制子站的构成及实现方案。

背景技术

随着风电机组装机容量占总装机容量比例的不断提升，风电机组送往电网的功率的大幅度波动将会对电网的稳定运行带来更大的不利影响。实现对风电场的可观测性和可调控性是智能电网建设迫切需要解决的问题。

当前风电场中对于各个子系统信息缺乏统一的管理和融合。有功功率控制多由OPC通信网关机转发调度指令给风电机群监控系统来实现；无功功率控制多由动态无功补偿系统跟踪并网点电压和无功功率来实现。这种运行状况存在如下缺点：

1)风电场上送给调度中心的信息不全面，风电场的可观测性较差；

2)OPC通信网关机的通信可靠性和运行的稳定性都比较低；

3)功率控制子站与其他子系统之间只是简单的数据交互，未能充分利用其它子系统提供的信息来提升功率控制的性能，也不能为风功率预测系统提供真实有效的模型修正数据；

4)没能将风电场所有的无功源统一管理进行无功功率控制，导致风电机组这种低成本的无功源闲置；

5)电网调度端接收到的并网点电压和有功功率是由升压站监控系统提供的，而动态无功补偿系统的跟踪对象是自行采集的，不符合调度“数据同源”的要求；

6)缺乏有功功率紧急控制的措施，在与风机监控系统的通信中断后即失去控制能力，可靠性较低。

发明内容

为了解决现有技术中存在的以上问题，本发明公开了一种风电场并网运行功率优化控制子站系统的构成和实现方案。

本发明具体采用以下技术方案。

一种风电场并网运行功率优化控制子站系统，所述子站系统由1台工作站、1台协调控制器和1台功率优化控制器组成。其中协调控制器和功率优化控制器放置于电子设备间，工作站放置于监控室。子站系统特征在于：

所述协调控制器通过通信的方式获取风电场第三方子系统和调度中心的信息，然后将这些信息提供给工作站和功率优化控制器，其中所述风电场第三方子系统包括风功率预测系统、无功补偿系统、升压站监控系统和风电机群监控系统，所述协调控制器获取的风电场第三方子系统的信息包括风功率预测系统的超短期预测数据、无功补偿系统的无功功率裕度及运行模式、升压站并网点及各个集电线路处的电气数据及开关状态、风电机组的有功功率和无功功率及运行模式等等，获取的调度中心的信息包括调度中心对于风电场有功功率控制指令和调度中心对于风电场并网点的电压目标指令；

所述工作站为子站系统的人机接口，供风电场调度运行人员进行监控；

所述功率优化控制器运行功率优化控制逻辑，输出功率调节指令，经由协调控制器转发给风电机组和无功补偿系统；

所述工作站、协调控制器和功率优化控制器通过双冗余的以太网络进行数据交互；

功率优化控制器接收协调控制器转发的调度中心对于风电场有功功率控制指令后，计算一次调频的有功变化量，并将调度中心的控制指令和一次调频的有功变化量累加后作为风电场最终的有功功率控制指令，然后按照设定有功功率分配策略计算各个风电机组的目标有功功率作为各风电场的有功功率控制指令；

功率优化控制器进行有功功率控制时采用通信软控和集电线路硬切的双重控制方式；

功率优化控制器接收协调控制器转发的调度中心对于风电场并网点的电压目标指令后，通过与升压站高压母线电压比较，计算出风电场应发的目标无功，并按照无功功率分配策略计算出风电机组和无功补偿系统的目标无功功率。

本发明的优点如下：

1)以嵌入式控制器构成功率优化控制子站的核心部件，内部双冗余通信网络，子站可靠性高。依据功能进行协调控制器和功率优化控制器的定位，扩展性好，有利于现场工程实施；

2)使风电场众多风电机组作为一个整体参与系统的一次调频，提升了风电场对于系统频率的支撑作用；

3)充分利用各个相关子系统的信息，衍生出了新的价值。对于风电机组的运行寿命、风功率预测系统的精度、功率调节控制的精度都有提升；

4)对于风电场的所有无功源进行统一管理，风电机组参与无功功率调节，增大了风电场的无功功率容量；

5)对于有功功率控制采用双重控制方案，确保风电场有功功率满足调度需求；

6)这样的设计和功能配置充分满足了友好型风电场在功率控制方面的需求，为大容量风电接入电力系统提供了很好的解决方案。

附图说明

图1是本发明的子站系统结构图；

图2是本发明的协调控制器的数据流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进一步说明。

如图1所示为本发明的风电场功率优化控制子站系统结构图。所述子站系统由1台工作站、1台协调控制器和1台功率优化控制器组成。工作站、协调控制器和功率优化控制器通过双冗余的电以太网络进行数据交互。其中协调控制器和功率优化控制器放置于电子设备间，工作站放置于监控室。

工作站为子站系统的人机接口，采用工控机，运行监控软件，供风电场调度运行人员进行监控和设置(例如设定某些风电机组处于自由发电运行状态)。协调控制器通过通信的方式获取风电场第三方子系统和调度中心的信息，然后将这些信息提供给工作站和功率优化控制器。

功率优化控制器运行功率优化控制逻辑，输出功率调节指令，经由协调控制器转发给风电机组和无功补偿系统。

功率优化控制器接收协调控制器转发的调度中心对于风电场有功功率控制指令后，计算一次调频的有功变化量，并将调度中心的控制指令和一次调频的有功变化量累加后作为风电场最终的有功功率控制指令，然后按照设定有功功率分配策略计算各个风电机组的目标有功功率作为各风电场的有功功率控制指令。

功率优化控制器接收协调控制器转发的调度中心对于风电场并网点的电压目标指令后，通过与升压站高压母线电压比较，计算出风电场应发的目标无功，并按照无功功率分配策略计算出风电机组和无功补偿系统的目标无功功率。

其中，风电场第三方子系统为升压站监控系统、风功率预测系统、无功补偿系统、风电机群监控系统。它们的主要功能简要介绍如下：

1)升压站监控系统：对于升压站的一次设备进行监控和保护，可为风电场功率优化控制子站提供风电场并网点的电气数据；

2)风功率预测系统：对于风电场风电机组的发电能力进行超短期和短期预测。风电场功率优化控制子站需要使用其提供的风电机组超短期预测数据；

3)无功补偿系统：根据接收到的命令控制无功补偿设备，发出对应的无功功率。

4)风电机群监控系统：对于风电机组进行统一的监控，可为风电场功率优化控制子站提供风电机组的实时运行信息并转发功率指令至风电机组。

协调控制器和功率优化控制器采用嵌入式控制器，电源模块采用双冗余配置。双电源模块同时运行，正常工作时互为冗余的电源模块处于均流状态；若一个电源模块损坏，则另一个电源模块满负荷输出，以保证装置的正常运行。功率优化控制器采用主CPU模块和备CPU模块双冗余配置方式，主CPU模块和备CPU模块同时运行相同应用逻辑，主CPU模块将数据点的状态定期同步传送给备CPU模块，当主CPU模块出现故障退出运行后，备CPU模块自动投入运行，达到无扰切换目的。这种配置方案提高了子站硬件整体的可靠性。

协调控制器通过电以太网、IEC60870-5-104规约与调度中心进行数据交互，数据点表如下：

协调控制器通过RS232口、DL/T451-1991(部颁CDT)规约与升压站监控系统进行数据交互，数据点表如下：

协调控制器通过RS485口、Modbus RTU规约与无功补偿系统进行数据交互，数据点表如下：

协调控制器通过电以太网、Modbus TCP规约与风电机群监控系统进行数据交互，数据点表如下：

协调控制器通过电以太网、Modbus TCP规约与风功率预测系统进行数据交互，数据点表如下：

功率优化控制器以协调控制器转发的调度中心和第三方子系统的相关信息为基础，进行功率优化控制。

图2所示为协调控制器的数据流程。

功率优化控制器进行有功功率控制的计算方法如下：

1)对并网点频率进行监控，当实际频率超出调频死区时，启动一次调频有功变化量计算，一次调频有功变化量计算公式为：

ΔP_f＝K_FΔf

$K_F=0.05\frac{P}{f_n}$

其中Δf为系统实际频率和额定频率之间的偏差，K_F为调频系数，P为风电场的实发功率总和，f_n为额定频率。

2)将调度中心的控制指令和一次调频的有功变化量累加后要进行限幅操作，其上限为风电场的当前气候条件下的最大发电能力，下限为风电场所有风电机组最小运行功率总和。限幅后的有功功率值即为风电场最终的有功功率控制指令。

3)将前面计算的风电场最终的有功功率控制指令与并网点的实发有功功率做差，该差值与风电机群的实发有功功率相加即为风电机群的有功功率指令。

在本发明的具体实施例中，有功功率分配策略至少包括以下内容：

a)对于指定的处于自由发电的风电机组(用于为风功率预测系统提供真实有效的反校数据)，其有功功率指令为风电机组当前气候条件下的最大发电能力；

b)对于其余的风电机组，以超短期风功率预测数据作为风电机组的当前有效有功功率容量，采用等比例的方法计算风电机组的有功功率指令。

功率优化控制器将上述计算结果通过协调控制器转发给风电机群监控系统，从而实现了通信软控的方式。当协调控制器与风电机组通信中断，风电场并网点有功功率超出调度中心的目标指令并持续10分钟时，功率优化控制器依据升压站监控系统提供的电气数据选择跳开对应集电线路的开关，实现限功率操作。

无功功率的控制策略有恒功率因数法和恒电压法。其中恒功率因数法以并网点的功率因数为控制目标，根据风电场的并网点有功功率和功率因数指令计算得到风电场的无功功率目标值。恒电压法以并网点的电压为控制目标，根据输出线路的参数计算得到风电场的无功功率目标值。风电场的无功功率在无功源之间进行分配时可以采用等比例法和相似裕度法。

在本发明中，功率优化控制器进行无功功率控制的的控制策略优选如下：

1)将调度中心下发的电压指令折算为无功功率指令；

2)将无功功率指令与并网点的实发无功功率做差，该差值与所有无功源(风电机组和无功补偿系统)的实发无功功率相加即为无功源的无功功率指令；

3)无功功率指令在无功源之间进行分配时采用相似裕度法，即当需要增加无功功率时，使所有无功源的无功运行点距离其无功上限的距离有相同的百分比；当需要减少无功功率时，使所有无功源的无功运行点距离其无功下限的距离有相同的百分比。

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种风电场并网运行功率优化控制子站系统，所述子站系统由1台工作站、1台协调控制器和1台功率优化控制器组成；其中协调控制器和功率优化控制器放置于电子设备间，工作站放置于监控室，子站系统特征在于：

所述协调控制器通过通信的方式获取风电场第三方子系统和调度中心的信息，然后将这些信息提供给工作站和功率优化控制器，其中所述风电场第三方子系统包括风功率预测系统、无功补偿系统、升压站监控系统和风电机群监控系统，所述协调控制器获取的风电场第三方子系统的信息包括风功率预测系统的超短期预测数据、无功补偿系统的无功功率裕度及运行模式、升压站并网点及各个集电线路处的电气数据及开关状态、风电机组的有功功率和无功功率及运行模式，获取的调度中心的信息包括调度中心对于风电场有功功率控制指令和调度中心对于风电场并网点的电压目标指令；

所述工作站为子站系统的人机接口，供风电场调度运行人员进行监控；

所述功率优化控制器运行功率优化控制逻辑，输出功率调节指令，经由协调控制器转发给风电机组和无功补偿系统；

所述工作站、协调控制器和功率优化控制器通过双冗余的以太网络进行数据交互；

所述功率优化控制器接收协调控制器转发的调度中心对于风电场有功功率控制指令后，计算一次调频的有功变化量，并将调度中心的控制指令和一次调频的有功变化量累加后作为风电场最终的有功功率控制指令，然后按照设定有功功率分配策略计算各个风电机组的目标有功功率作为各风电场的有功功率控制指令；

功率优化控制器进行有功功率控制时采用通信软控和集电线路硬切的双重控制方式；

功率优化控制器接收协调控制器转发的调度中心对于风电场并网点的电压目标指令后，通过与升压站高压母线电压比较，计算出风电场应发的目标无功，并按照无功功率分配策略计算出风电机组和无功补偿系统的目标无功功率。

2.根据权利要求1所述的风电场并网运行功率优化控制子站系统，其特征在于：

协调控制器和功率优化控制器均为嵌入式控制器；

协调控制器和功率优化控制器的电源模块采用双电源冗余方式配置，双电源模块同时运行，正常工作时互为冗余的电源模块处于均流状态，若其中一个电源模块损坏，则另一个电源模块担负整个协调控制器或功率优化控制器的供电；

功率优化控制器采用主CPU模块和备CPU模块双冗余配置方式，主CPU模块和备CPU模块同时运行相同应用逻辑，主CPU模块将数据定期同步传送给备CPU模块，当主CPU模块出现故障退出运行后，备CPU模块自动投入运行。

3.根据权利要求1所述的风电场并网运行功率优化控制子站系统，其特征在于：

所述功率优化控制器接收协调控制器转发的风电场并网点频率信息，对频率进行监控，当实际频率超出调频死区时，启动一次调频有功变化量计算；

一次调频有功变化量计算公式为：

ΔP_f=K_F△f

$K_F=0.05\frac{P}{f_n}$

其中△P_f为一次调频有功变化量，△f为风电场并网点实际频率和额定频率之间的偏差，K_F为调频系数，P为风电场的实发功率总和，f_n为额定频率；

调度中心的控制指令和一次调频的有功变化量累加后作为风电场最终的有功功率控制指令，但其上限为风电场的当前气候条件下的最大发电能力，下限为风电场所有风电机组最小运行功率总和。

4.根据权利要求3所述的风电场并网运行功率优化控制子站系统，其特征在于：

有功功率分配策略至少包括以下内容：对于指定的处于自由发电的风电机组、即用于为风功率预测系统提供真实有效的反校数据的风电机组，其目标有功功率为该风电机组当前气候条件下的最大发电能力；

对于其余的风电机组，以超短期风功率预测数据作为风电机组的当前有效有功功率容量，采用等比例的方法计算各风电机组的目标有功功率。

5.根据权利要求1或4所述的风电场并网运行功率优化控制子站系统，其特征在于：

所述功率优化控制器对风电场对风电场各机组进行有功功率控制时，以通信软控为主要手段，以集电线路硬切为后备手段；

即当所述功率优化控制器与风电场各机组通信正常时，由功率优化控制器向风电机组下发并执行各风电机组有功功率控制指令来实现对有功功率的精确控制；

当协调控制器与风电机组通信中断，功率优化控制器用硬接线直接控制集电线路断路器的分合。

6.根据权利要求1所述的风电场并网运行功率优化控制子站系统，其特征在于：

所述无功功率分配策略优选为相似裕度法，即当需要增加无功功率时，使所有无功源的无功运行点距离其无功上限的距离有相同的百分比；当需要减少无功功率时，使所有无功源的无功运行点距离其无功下限的距离有相同的百分比。

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