CN104124710B - 一种基于功率预测的风电并网运行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于功率预测的风电并网运行控制方法，通过该方法，可以即时预测风力发电功率和获知电网信息，并根据气象信息、电网信息和电机状况，进行自适应地发电，在并网运行时，能降低对电网的冲击，可实现对电网的友好地交互工作。

Description

一种基于功率预测的风电并网运行控制方法

所属技术领域

本发明涉一种基于功率预测的风电并网运行控制方法，特别涉及一种基于发电功率和负载功率预测的风电并网运行控制方法。

背景技术

当前，风力发电是可再生能源开发利用中技术最成熟、最具开发规模和最具商业化发展前景的发电形式。由于其在减轻环境污染、调整能源结构、促进可持续发展等方面的突出作用，风力发电是本世纪重要的绿色能源，是煤炭等常规能源发电的重要替代能源之一。此外，风电和火电、水电及核电相比，建设周期短、见效快，建设一个大型风电场只需要不到一年的时间，因此风电一直是世界是增长最快的清洁能源，具有良好的发展前景。

在我国的一些区域电网中，风力发电已经成为主要的电力来源之一。包含大规模风电接入的电网在峰谷调节、频率控制、电压控制、最大限度的发挥储能效力等环节具有其自身特性，传统的调度自动化系统已经不能完全适应其调度运行的需要。由于风电等可再生能源自身具有波动性、间歇性、反调峰性、低可调度性等“不友好”的特点，对传统的“发电跟踪负荷”的电网调度方式提出了挑战。电源、电网和负荷三者间应进行协调互动，不仅有利于提高电力系统的能量和功率动态平衡能力，也有利于实现大电网资源优化配置和能源综合利用效率的提升，是智能电网的重要发展方向。

目前市场上的主要风机机型为双馈型和直驱型两种，其中双馈型风机占据市场的主导份额。双馈式风力发电机组在电网电压不平衡时的有功和无功功率支持能力，必须建立在能够通过控制使得双馈机组在电网电压不平衡时也能顺利输出有功和无功功率给定值的基础上。该双馈型风力发电机的并网过程主要分两步实现：第一步，启动变流器对双馈发电机进行励磁以调整双馈发电机定子侧电压相位、频率、幅值与电网电压相位、频率、幅值相一致；第二步，闭合并网接触器连通电网，实现并网过程。在第一步过程中，双馈发电机定子侧电压相位、频率、幅值与电网电压相位、频率、幅值可以调整到比较接近，但仍旧会有一些误差，因此在第二步过程中并网接触器闭合时会造成很大的冲击电流

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种基于功率预测的风电并网运行控制方法，通过该方法，可以即时预测风力发电功率和获知电网信息，并根据气象信息、电网信息和电机状况，进行自适应地发电，在并网运行时，能降低对电网的冲击，可实现对电网的友好地交互工作。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于功率预测的风电并网运行控制方法，该方法基于如下系统运行，该系统包括：

风力发电机，用于将风能转换成电能，其中该风力发电机采用双馈电机；

风力发电机电压、电流、转速采样模块，用于检测风力发电机运行时的电压、电流和转速；

气象信息采集模块，用于实时采集风力发电机周边气象信息；

刹车卸能模块，用于风力发电机失速时刹车减速；

储能模块，包括蓄电池组，用于在未并网时，储存电能；

微处理器，用于控制整个发电系统的运行；

并网电源逆变装置，其用于将风力发电机并网至电网，所述并网电源逆变装置包括：

整流模块，其可将风力发电机的电压整流为直流电压；

斩波模块，其可将所述直流电压斩波为方波电压；

正弦滤波模块，其可将所述方波电压滤波为正弦电压；

变压模块，其可将所述正弦电压变压后输出一个可输入电网的转换电压；

可控开关模块，其可导通或截止输入至电网的所述转换电压；

第一电压测量模块，其可测量电网的瞬时电压，并输出一个代表该瞬时电压的第一电压信号；

第二电压测量模块，其可测量所述转换电压的瞬时电压，并输出一个代表该瞬时电压的第二电压信号；

同期指示模块，其可分别接收电网的瞬时电压和所述转换电压的瞬时电压，且所述同期指示模块可输出一个代表电网的电压与所述转换电压同期的同期指示信号；和

驱动模块，其可接收所述微处理器发出的指令、所述第一电压信号、所述第二电压信号和所述同期指示信号，所述驱动模块可输出一个用于控制输出的所述方波电压的频率和脉冲宽度的驱动控制信号至所述斩波模块，且所述驱动模块可输出一个用于控制所述可控开关模块导通或截止的开关驱动信号至所述可控开关模块，以实现与电网的同步并网，并根据微处理器的指令输出功率；

该基于功率预测的风电并网运行控制方法还包括自动发电量控制(AGC)协调模块，基于气象信息和电网信息，预测和控制风力发电机并网时的发电功率，该协调模块包括：

电网数据获取单元，可从电网调度中心实时读取电网量测数据；

电网数据分析单元，可对所述电网量测数据进行数据处理和质量判断，判断电网所处的控制区间；

发电功率协调单元，由实时发电计划获得基点，并计算电网调节需求，并按照协调控制策略进行调节功率分配，该发电功率协调单元与微处理器相连，并通过微处理器向并网电源逆变装置的驱动模块发出指令，以控制功率输出；

该方法包括如下步骤：

(1)获取步骤：由所述驱动模块获取所述转换电压的瞬时电压值得到一个子电压，由所述驱动模块获取所述转换电压的相位角得到一个子相位角，由所述驱动模块获取所述转换电压的频率得到一个子频率，由所述驱动模块获取电网电压的瞬时电压值得到一个母电压，由所述驱动模块获取电网电压的相位角得到一个母相位角，和由所述驱动模块获取电网电压的频率得到一个母频率；

(2)计算步骤：由所述驱动模块计算所述子电压与所述母电压之差得到一个电压差，由所述驱动模块计算所述子相位角与所述母相位角之差得到一个相位角差，由所述驱动模块计算所述子频率与所述母频率之差得到一个频率差；

(3)判断步骤：由所述驱动模块判断是否收到所述同期指示信号，由所述驱动模块比较所述频率差的绝对值与一个预设频率差，由所述驱动模块比较所述电压差与一个预设电压差，若所述转换电压与电网电压同期、所述频率差的绝对值小于所述预设频率差且所述电压差的绝对值小于所述预设电压差，则所述驱动模块控制所述可控开关模块，使得所述转换电压并网于所述电网，否则进入下一个步骤；

(4)调控步骤：所述驱动模块将所述相位角差通过PID运算得到一个目标频率，所述驱动模块调整所述子频率等于所述目标频率，且所述驱动模块调整所述子电压等于所述母电压，返回判断步骤；

(5)功率控制步骤：驱动模块根据微处理器的指令，实时控制斩波模块的占空比，以控制功率输出满足电网的需求。

优选的，所述功率控制步骤(5)，包括如下子步骤：

(51)微处理器同时收集来自风机电压、电流、转速采样模块、自动发电量控制(AGC)协调模块、和气象采集模块的电机运行状况信息、电网信息和气象信息；

(52)根据上述气象信息和电机运行状况信息，预测风力发电机的发电功率；

(53)根据预测风力发电机的发电功率和电网信息，确定电机发电计划曲线；

(54)微处理器按照所述电机发电计划曲线，通过控制驱动模块来控制并网发电功率。

优选的，所述电网信息包括：有功控制、无功电压控制指令，有功、无功/电压控制投退指令，以及对相关限值的设置指令。

优选的，所述气象信息包括：气象信息：风速、风向、温度、湿度、气压。

优选的，前述的步骤(54)中，微处理器进行风电场有功控制和调节，具体为：微处理器将自动发电量控制(AGC)协调模块的有功指令转化为驱动信号，驱动模块，由驱动模块控制斩波模块来控制控制风力发电机的有功出力。

优选的，所述协调控制策略包括紧急调节策略：当电网调节需求位于紧急区时，风力发电机立即参与调节，使电网尽快恢复到正常状态，其中参与调节表示该风力发电机与其它可调机组同时进行调节。

优选的，当电网调节需求位于紧急区时，风力发电机立即参与调节；如果不需要紧急调节，则判断是否需要次紧急向下调节。

优选的，当电网不需要次紧急向下调节时，则判断是否需要次紧急向上调节，如果需要调节，则风力发电机参与向上调节；如果不需要次紧急向上调节，继续判断是否需要正常向上调节。

本发明提供的基于功率预测的风电并网运行控制方法具有如下优点：(1)可以基于实时获取的气象信息、风力发电机运行状况、电网实时运行信息，设定风力发电机并网运行参数，提高风能使用率。(2)并网电源逆变装置和自动发电量控制(AGC)协调模块的配合使用，在提高发电效率的同时，还可以降低并网时对电网的冲击。

附图说明

图1示出了本发明的一种基于功率预测的风电并网运行系统的框图；

图2示出了图1中系统中的并网电压逆变装置和自动发电量控制(AGC)协调模块的具体组成；

图3示出了本发明的一种基于功率预测的风电并网运行方法的流程图。

具体实施方式

图1是示出了根据本发明的基于功率预测的风电并网运行控制方法的框图，该基于发电功率和负载功率预测的风电并网运行控制方法包括：风力发电机7，用于将风能转换成电能，其中该风力发电机采用双馈电机；风机电压、电流、转速采样模块9，用于检测电机运行时的电压、电流和转速；刹车卸能模块7，用于电机失速时刹车减速；储能模块5，包括蓄电池组，用于在未并网时，储存电能，在并网运行时可以将电能输入电网1，在风力发电机启动时，可以用于辅助电机启动；气象信息采集模块8，用于实时采集风力发电机周边气象信息，所述气象信息包括风速、风向、温度、湿度、气压；微处理器4，用于控制整个发电系统的运行；并网电源逆变装置2，其用于将风力发电机并网至电网；自动发电量控制(AGC)协调模块3，用于预测和控制风力发电机并网时的发电功率。

参见图2，所述并网电压逆变装置包括：整流模块21，其可将风力发电机的电压整流为直流电压，输送给储能模块或给斩波模块22；斩波模块22，其可将所述直流电压斩波为方波电压；正弦滤波模块23，其可将所述方波电压滤波为正弦电压；变压模块25，其可将所述正弦电压变压后输出一个可输入电网的转换电压，变压模块优选变压器；可控开关模块24，其可导通或截止输入至电网的所述转换电压。

所述并网电压逆变装置还包括：

第一电压测量模块29，其可测量电网1的瞬时电压，并输出一个代表该瞬时电压的第一电压信号。

第二电压测量模块26，其可测量所述转换电压的瞬时电压，并输出一个代表该瞬时电压的第二电压信号。

同期指示模块28，其可分别输入电网1的瞬时电压和所述转换电压的瞬时电压，且所述同期指示模块28可输出一个代表电网1的电压与所述转换电压同期的同期指示信号。

驱动模块27，其可输入所述微处理器4发出的指令、所述第一电压信号、所述第二电压信号和所述同期指示信号，所述驱动模块可输出一个用于控制输出的所述方波电压的频率和脉冲宽度的驱动控制信号至所述斩波模块22，且所述驱动模块27可输出一个用于控制所述可控开关模块24导通或截止的开关驱动信号至所述可控开关模块24，以实现与电网1的同步并网，并根据微处理器4的指令输出功率。

参见图2，该基于发电功率和负载功率预测的风电并网运行控制方法还包括自动发电量控制(AGC)协调模块3，基于气象信息和电网信息，预测和控制风力发电机9并网时的发电功率，所述电网信息包括有功控制、无功电压控制指令，有功、无功/电压控制投退指令，以及对相关限值的设置指令，该模块包括：

电网数据获取单元31，可从电网调度中心实时读取电网量测数据；

电网数据分析单元32，可对所述电网量测数据进行数据处理和质量判断，判断电网所处的控制区间；

发电功率协调单元33，由实时发电计划获得基点，并计算电网调节需求，并按照协调控制策略进行调节功率分配，该发电功率协调单元与微处理器相连，并通过微处理器4向并网电源逆变装置2的驱动模块27发出指令，以控制功率输出。

所述协调控制策略包括紧急调节策略：当电网1调节需求位于紧急区时，风力发电机9立即参与调节，使电网1尽快恢复到正常状态，其中参与调节表示该风力发电机9与其它可调机组同时进行调节。

当电网1调节需求位于紧急区时，风力发电机9立即参与调节；如果不需要紧急调节，则判断是否需要次紧急向下调节。

当电网1不需要次紧急向下调节时，则判断是否需要次紧急向上调节，如果需要调节，则风力发电机9参与向上调节；如果不需要次紧急向上调节，继续判断是否需要正常向上调节。

所述并网电源逆变装置2的并网控制方法包括如下步骤：

(1)获取步骤：由所述驱动模块27获取所述转换电压的瞬时电压值得到一个子电压，由所述驱动模块27获取所述转换电压的相位角得到一个子相位角，由所述驱动模块27获取所述转换电压的频率得到一个子频率，由所述驱动模块27获取电网电压的瞬时电压值得到一个母电压，由所述驱动模块27获取电网电压的相位角得到一个母相位角，和由所述驱动模块27获取电网电压的频率得到一个母频率；

(2)计算步骤：由所述驱动模块27计算所述子电压与所述母电压之差得到一个电压差，由所述驱动模块27计算所述子相位角与所述母相位角之差得到一个相位角差，由所述驱动模块27计算所述子频率与所述母频率之差得到一个频率差；

(3)判断步骤：由所述驱动模块27判断是否收到所述同期指示信号，由所述驱动模块27比较所述频率差的绝对值与一个预设频率差，由所述驱动模块27比较所述电压差与一个预设电压差，若所述转换电压与电网电压同期、所述频率差的绝对值小于所述预设频率差且所述电压差的绝对值小于所述预设电压差，则所述驱动模块27控制所述可控开关模块27，使得所述转换电压并网于所述电网，否则进入下一个步骤；

(4)调控步骤：所述驱动模块27将所述相位角差通过PID运算得到一个目标频率，所述驱动模块27调整所述子频率等于所述目标频率，且所述驱动模块27调整所述子电压等于所述母电压，返回判断步骤；

(5)功率控制步骤：驱动模块27根据微处理器4的指令，实时控制斩波模块的占空比，以控制功率输出满足电网的需求。

其中所述功率控制步骤(5)，包括如下子步骤：

(51)微处理器同时收集来自风机电压、电流、转速采样模块、自动发电量控制(AGC)协调模块、和气象采集模块的电机运行状况信息、电网信息和气象信息；

(52)根据上述气象信息和电机运行状况信息，预测风力发电机的发电功率；

(53)根据预测风力发电机的发电功率和电网信息，确定电机发电计划曲线；

(54)微处理器按照所述风电场发电计划曲线，通过控制驱动模块来控制并网发电功率。

前述的步骤(54)中，微处理器进行风电场有功控制和调节，具体为：微处理器将自动发电量控制(AGC)协调模块的有功指令转化为驱动信号，驱动模块，由驱动模块控制斩波模块来控制控制风力发电机的有功出力。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于功率预测的风电并网运行控制方法，该方法基于如下系统运行，该系统包括：

风力发电机，用于将风能转换成电能，其中该风力发电机采用双馈电机；

风力发电机电压、电流、转速采样模块，用于检测风力发电机运行时的电压、电流和转速；

气象信息采集模块，用于实时采集风力发电机周边气象信息；

刹车卸能模块，用于风力发电机失速时刹车减速；

储能模块，包括蓄电池组，用于在未并网时，储存电能；

微处理器，用于控制整个发电系统的运行；

并网电源逆变装置，其用于将风力发电机并网至电网，所述并网电源逆变装置包括：

整流模块，其可将风力发电机的电压整流为直流电压；

斩波模块，其可将所述直流电压斩波为方波电压；

正弦滤波模块，其可将所述方波电压滤波为正弦电压；

变压模块，其可将所述正弦电压变压后输出一个可输入电网的转换电压；

可控开关模块，其可导通或截止输入至电网的所述转换电压；

第一电压测量模块，其可测量电网的瞬时电压，并输出一个代表该瞬时电压的第一电压信号；

第二电压测量模块，其可测量所述转换电压的瞬时电压，并输出一个代表该瞬时电压的第二电压信号；

同期指示模块，其可分别接收电网的瞬时电压和所述转换电压的瞬时电压，且所述同期指示模块可输出一个代表电网的电压与所述转换电压同期的同期指示信号；和

驱动模块，其可接收所述微处理器发出的指令、所述第一电压信号、所述第二电压信号和所述同期指示信号，所述驱动模块可输出一个用于控制输出的所述方波电压的频率和脉冲宽度的驱动控制信号至所述斩波模块，且所述驱动模块可输出一个用于控制所述可控开关模块导通或截止的开关驱动信号至所述可控开关模块，以实现与电网的同步并网，并根据微处理器的指令输出功率；

该基于功率预测的风电并网运行控制方法还包括自动发电量控制(AGC)协调模块，基于气象信息和电网信息，预测和控制风力发电机并网时的发电功率，该协调模块包括：

电网数据获取单元，可从电网调度中心实时读取电网量测数据；

电网数据分析单元，可对所述电网量测数据进行数据处理和质量判断，判断电网所处的控制区间；

发电功率协调单元，由实时发电计划获得基点，并计算电网调节需求，并按照协调控制策略进行调节功率分配，该发电功率协调单元与微处理器相连，并通过微处理器向并网电源逆变装置的驱动模块发出指令，以控制功率输出；

该方法包括如下步骤：

(1)获取步骤：由所述驱动模块获取所述转换电压的瞬时电压值得到一个子电压，由所述驱动模块获取所述转换电压的相位角得到一个子相位角，由所述驱动模块获取所述转换电压的频率得到一个子频率，由所述驱动模块获取电网电压的瞬时电压值得到一个母电压，由所述驱动模块获取电网电压的相位角得到一个母相位角，和由所述驱动模块获取电网电压的频率得到一个母频率；

(2)计算步骤：由所述驱动模块计算所述子电压与所述母电压之差得到一个电压差，由所述驱动模块计算所述子相位角与所述母相位角之差得到一个相位角差，由所述驱动模块计算所述子频率与所述母频率之差得到一个频率差；

(3)判断步骤：由所述驱动模块判断是否收到所述同期指示信号，由所述驱动模块比较所述频率差的绝对值与一个预设频率差，由所述驱动模块比较所述电压差与一个预设电压差，若所述转换电压与电网电压同期、所述频率差的绝对值小于所述预设频率差且所述电压差的绝对值小于所述预设电压差，则所述驱动模块控制所述可控开关模块，使得所述转换电压并网于所述电网，否则进入下一个步骤；

(4)调控步骤：所述驱动模块将所述相位角差通过PID运算得到一个目标频率，所述驱动模块调整所述子频率等于所述目标频率，且所述驱动模块调整所述子电压等于所述母电压，返回判断步骤；

(5)功率控制步骤：驱动模块根据微处理器的指令，实时控制斩波模块的占空比，以控制功率输出满足电网的需求。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述功率控制步骤(5)，包括如下子步骤：

(51)微处理器同时收集来自风机电压、电流、转速采样模块、自动发电量控制(AGC)协调模块、和气象采集模块的电机运行状况信息、电网信息和气象信息；

(52)根据上述气象信息和电机运行状况信息，预测风力发电机的发电功率；

(53)根据预测风力发电机的发电功率和电网信息，确定电机发电计划曲线；

(54)微处理器按照所述电机发电计划曲线，通过控制驱动模块来控制并网发电功率。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述电网信息包括：有功控制、无功电压控制指令，有功、无功/电压控制投退指令，以及对相关限值的设置指令。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述气象信息包括：气象信息：风速、风向、温度、湿度、气压。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，前述的步骤(54)中，微处理器进行风电场有功控制和调节，具体为：微处理器将自动发电量控制(AGC)协调模块的有功指令转化为驱动信号，驱动模块，由驱动模块控制斩波模块来控制控制风力发电机的有功出力。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述协调控制策略包括紧急调节策略：当电网调节需求位于紧急区时，风力发电机立即参与调节，使电网尽快恢复到正常状态，其中参与调节表示该风力发电机与其它可调机组同时进行调节。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当电网调节需求位于紧急区时，风力发电机立即参与调节；如果不需要紧急调节，则判断是否需要次紧急向下调节。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当电网不需要次紧急向下调节时，则判断是否需要次紧急向上调节，如果需要调节，则风力发电机参与向上调节；如果不需要次紧急向上调节，继续判断是否需要正常向上调节。