CN104410105A - 基于直流母线网状结构的智能风电场控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于直流母线网状结构的智能风电场控制方法，该方法包括风电机组直流母线电压控制和风电场能量控制两个部分。针对永磁风力发电机组全功率变流器，将每台机组的变流器直流母线与周围机组直流母线并联，形成网格直流母线风电场，增强母线电压的稳定性，提高机组的抗扰动能力。本发明解决了大规模风电场并网时对电网冲击大、引起功率波动、电网故障引起直流母线波动、风电机组在风资源较好季节弃频繁风、大型市外直流负荷供电、等问题，实现了风资源有效利用，相比在电网侧增加大容量储能系统节省了成本。

Description

基于直流母线网状结构的智能风电场控制方法

技术领域：

本发明属于风电场技术领域，具体涉及一种基于直流母线网状结构的智能风电场控制方法。

背景技术：目前风电场内为有效合理利用风资源，风电机组排布具有规律性，且成网状结构。对于永磁发电机组采用全功率背靠背式变流器，单台永磁发电机首先经过机侧变流器整流，中间为电容，然后通过网侧变流器及变压器集中输送至电网。

由于风能的不稳定性，导致大规模风电场并入电网时功率波动极大，对风电场冲击较大，导致弃风严重、谐波污染、风电无法并网等一系列问题，而在风电场采用大容量储能系统还需配置大容量逆变器等设备，耗资巨大。另外当电网侧出现电压、频率波动较大等故障时，对风电机组不脱网并辅助电网恢复正常运行提出了严峻的考验。因此研究一种兼顾风机侧和电网侧的可靠技术对智能风电场的发展具有重要意义。

现有对于风电场能量管理方法的研究主要侧重于对电网侧大功率储能控制系统及风功率预测的研究。具体介绍如下：

中国专利201110439894.0“储能系统平抑风电功率波动的控制方法”，在风电场并联大规模储能系统。采集风电功率数据、风储合成出力数据和储能系统的荷电状态SOC数据输入平抑控制模块，在平抑控制模块中以1分钟风电最大有功功率变化限值为目标控制储能系统出力。其不足在于成本太高，控制复杂。单纯依靠平抑控制模块平抑风功率波动，响应较慢，可靠性得不到保障。

中国专利201110445897.5“基于中央控制系统的储能型风电场”，应用能量管理系统利用储能系统的快速响应能力及充放电状态的快速切换能力，实现抑制分钟级的风电场输出功率短期波动功能、平滑风电场的有功功率输出，不能使预测功率值进行修正，不利于电网调度管理。电池储能系统将一直处于充或放电工作状态，不利于延长电池使用寿命。而且通信复杂，投资成本较大。

随着智能风电场的发展及电网友好型风电场建设需求，急需一种控制简单、运行可靠、低成本的智能风电场控制方法。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种基于直流母线网状结构的智能风电场控制方法，其解决风电场功率波动、对电网冲击较大、风资源较好时风电场弃风现象严重、电网故障时母线电压波动以及给风电场业主及电力系统调度部门带来的一系列难题。

技术方案：本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种基于直流母线网状结构的智能风电场控制方法，其特征在于：所述的控制方法基于风电场各机组之间并联直流母线电容，形成网格直流母线风电场，在该结构的任意节点增加适量电池储能系统，且每条连接线之间设有电信号控制断路器，设计智能风电场能量管理系统，电网调度根据风电场短时平均风功率预测值发送风电场出力指令，控制系统根据指令向各机组与储能系统分别发送功率指令，通过构建的直流储能系统平滑风电场出力曲线，满足电网调度出力需求，并根据风电场实际出力情况及时修正风电场短时平均风功率预测值，电池储能系统根据预测功率波动提前调整直流母线电压。

步骤如下：

(1)将智能型风电场所有机组的变流器直流母线电压相互连接，并在任意节点连接储能系统，形成大型的风电场直流母线系统，其中储能系统包括蓄电池组，DC-DC变换器和BMS电能管理系统，BMS系统只接受来自风电场电能管理系统指令，指令包括充电、放电和直流母线电压参考值；

(2)利用风电场机组直流功率控制器控制单台机组网侧变换器运行，不考虑该机组机侧变换器部分，利用控制器通过接收风电场能量管理系统功率指令，测量该机组直流母线电压，调整单台机组的母线电压给定值，增大或减小机组逆变器输出功率，形成功率闭环系统；

(3)单台机组机侧出现故障时，可及时切除机侧部分，网侧部分继续向电网输送电能，网侧出现故障时，可及时切除网侧部分，机侧部分继续向直流电容输送电能；

(4)利用风电场能量管理系统通过风电场风功率预测信息和电网调度指令，给定各机组的输出功率指令和BMS充、放电指令，控制母线上的直流功率潮流与能量存储，满足电网调度的功率要求；

(5)系统根据风电场风功率预测信息和电网调度预测信息计算直流母线电压将会产生的变化波动幅度，并发送给BMS系统直流母线电压参考值提前调整母线电压，进一步提高了安全裕度；

(6)利用风电场电能管理系统根据风电场实际出力与调度指令的偏差不断修正风功率预测值，并将修正值及时发送电网调度，电网调度及时作出相应调整，使得风电场和配电网运行不断优化；

(7)风电场直流母线电容得到充分加强，风电场整体运行的可靠性得到强大支撑，不仅平衡了电网与风力机的随机波动，而且在网侧变换器运行时增加了安全备份，并能够在电网故障时强有力地支撑电网；

(8)智能风电场通过直流母线的能量存储控制优化整体出力，实现电网友好型风电场，使得风资源得到充分利用，并能够直接为当地直流负荷供电。

所述智能风电场网状结构包括以下步骤：

将风电场内部所有永磁发电机组变流器的直流母线的正负端与周围机组的母线并联，并且每条并联线之间设置电控的断路器，在机组故障或者维修时断开，此命令由机组、风电场能量管理系统以及手动断开；

形成直流母线网状机构之后，在网状结构的任意节点增加合理容量电池储能系统，设计电池组电压等级与直流母线电压相等，并与网状母线相连，电池组由电池管理系统控制充放电过程，在网状结构中设计可调节电压等级的直流负荷接口，随时供直流负荷使用；

通过将各机组之间的全功率变流器电容并联，形成风电场直流系统大电容，结合电池储能系统，对整个系统的机侧、网侧扰动提供巨大的支撑作用，提高系统稳定性，减少储能容量；

所述风电机组的直流功率控制包括以下步骤：

采集直流母线进入该机组网侧逆变器的电流信号，并发送到直流功率控制器；

利用直流功率控制器收到直流电流信号i_dc，结合电压测量值u_dc计算其输入逆变器的功率P_dc，根据上层场级控制系统功率信号P_dcref与该逆变器实际功率值相比较，经过控制器得出网侧逆变器的直流母线电压参考值u_dcref，对u_dcref的变化斜坡进行限幅，并发送给网侧逆变器直流电压参考值如下式：

u_dcref＝k_pdc(P_dcref-u_dc*i_dc)+k_idc∫(P_dcref-u_dc*i_dc)dt

在电网无故障情况下，当储存在直流母线电容的能量不断增加时，迫使直流母线电压增大到保护值时，各机组自动按照原最大功率控制策略输出，不影响变流器的原有控制策略，保证系统安全稳定运行；

风电场场级能量管理包括以下步骤：

根据短时预测功率计算出风电场预测平均功率参考值，并发送至电力部门供能量调度控制使用，测量风电场风电机组总出力变化量，对风电场出力进行优化；

所述风电场电池储能管理系统包括以下步骤：

电池储能系统采用蓄电池组经过DC-DC变换，控制电池的冲放电过程，由风电场能量管理系统发送给储能管理系统指令控制；

根据电网反馈信息与风电场风功率预测信息计算得到能量不平衡将导致母线电压波动，通过储能系统提前将母线电压抬高或者降低，以及时适应机侧、网侧对直流母线的干扰。

风电机组的直流功率控制中，当单台机组的网侧逆变器出现故障时，可停止网侧使能运行，机侧整流器继续工作；

当单台机组的其他部分出现故障必须停机或者机组需要检修时，断开机组与周围机组的母线连接。

风电场场级能量管理包括以下步骤中当风电场出力高于调度给定值时，分别对各机组下达功率命令参考值，使风机吸收多余功率储存到电池系统；如果电池能量已满，暂时由整体电容承受；当超越设定保护值时，各机组功率给定命令切换到机组额定直流母线电压参考值，并及时修正预测平均功率参考值；

当风电场出力低于调度给定值时，分别对各机组下达功率命令参考值，增大各逆变器功率给定值并进行功率优化分配，不足功率由电池系统补充；当电池系统不足以补充时，风电场出力减少，并及时修正预测平均功率参考值；

对于各机组的功率优化分配方法，在风电场非满功率运行时，采用离并网点近的逆变器多发功率，离并网点远的逆变器少发或者不发功率，这样可减少产生电能在场内的线路损耗；

当电网出现低压故障时，根据国家相关标准规定，减少向电网有功输出，增大无功输出，辅助电网电压恢复；

修正风电场预测平均功率参考值后，发送到电力调度部门进行配电网级的能量优化管理。

优点及效果：

本发明提供一种基于直流母线网状结构的智能风电场控制方法，该方法包括风电机组直流母线电压控制和风电场能量控制两个部分。针对永磁风力发电机组全功率变流器，将每台机组的变流器直流母线与周围机组直流母线并联，形成网格直流母线风电场，增强母线电压的稳定性，提高机组的抗扰动能力。在网格任意节点增加适量电池储能系统，与诸多电容器并联形成较大的储能系统，并在电池储能系统下引出可调直流电压等级接口，供任意直流负荷使用。在单台机组中设计直流母线功率控制器，合理控制每台机组的功率输出量。在风电场场级控制系统提供能量管理方法，及时修正风电场功率预测值，合理分配功率潮流配合电力系统削峰填谷。本发明解决了大规模风电场并网时对电网冲击大、引起功率波动、电网故障引起直流母线波动、风电机组在风资源较好季节弃频繁风、大型市外直流负荷供电、等问题，实现了风资源有效利用，相比在电网侧增加大容量储能系统节省了成本。

附图说明：

图1为机组级、风电场级、电网级三级控制说明图；

图2为整个风电场机组变流器直流母线电容的排布说明图；

图3为场级能量管理系统流程说明图。

具体实施方式：下面结合附图对本发明做进一步的描述：

本发明提供一种基于直流母线网状结构的智能风电场控制方法，所述的控制方法基于风电场各机组之间并联直流母线电容，形成网格直流母线风电场，在该结构的任意节点增加适量电池储能系统，且每条连接线之间设有电信号控制断路器，设计智能风电场能量管理系统，电网调度根据风电场短时平均风功率预测值发送风电场出力指令，控制系统根据指令向各机组与储能系统分别发送功率指令，通过构建的直流储能系统平滑风电场出力曲线，满足电网调度出力需求，并根据风电场实际出力情况及时修正风电场短时平均风功率预测值，电池储能系统根据预测功率波动提前调整直流母线电压。

具体步骤：(1)将智能型风电场所有机组的变流器直流母线电压相互连接，并在任意节点连接储能系统，形成大型的风电场直流母线系统，其中储能系统包括蓄电池组，DC-DC变换器和BMS电能管理系统，BMS系统只接受来自风电场电能管理系统指令，指令包括充电、放电和直流母线电压参考值；

(2)利用风电场机组直流功率控制器控制单台机组网侧变换器运行，不考虑该机组机侧变换器部分，利用控制器通过接收风电场能量管理系统功率指令，测量该机组直流母线电压，调整单台机组的母线电压给定值，增大或减小机组逆变器输出功率，形成功率闭环系统；

(3)单台机组机侧出现故障时，可及时切除机侧部分，网侧部分继续向电网输送电能，网侧出现故障时，可及时切除网侧部分，机侧部分继续向直流电容输送电能；

(4)利用风电场能量管理系统通过风电场风功率预测信息和电网调度指令，给定各机组的输出功率指令和BMS充、放电指令，控制母线上的直流功率潮流与能量存储，满足电网调度的功率要求；

(5)系统根据风电场风功率预测信息和电网调度预测信息计算直流母线电压将会产生的变化波动幅度，并发送给BMS系统直流母线电压参考值提前调整母线电压，进一步提高了安全裕度；

(6)利用风电场电能管理系统根据风电场实际出力与调度指令的偏差不断修正风功率预测值，并将修正值及时发送电网调度，电网调度及时作出相应调整，使得风电场和配电网运行不断优化；

(7)风电场直流母线电容得到充分加强，风电场整体运行的可靠性得到强大支撑，不仅平衡了电网与风力机的随机波动，而且在网侧变换器运行时增加了安全备份，并能够在电网故障时强有力地支撑电网；

(8)智能风电场通过直流母线的能量存储控制优化整体出力，实现电网友好型风电场，使得风资源得到充分利用，并能够直接为当地直流负荷供电。

本申请将风电场内部所有机组的直流母线并联连接，成网状结构，并在网状结构中增加适量储能系统。在每台机组与周围机组的母线连接点都有电信号控制断路器，电信号由机组和风电场控制系统发出，在单台机组故障或者维护时断开与系统的连接。设计了单台机组的直流功率控制器，对单台机组网侧逆变器的输出功率进行控制。提出了风电场各个机组之间以及与储能系统之间的能量管理方法。

所述智能风电场网状结构包括以下步骤：

将风电场内部所有永磁发电机组变流器的直流母线的正负端与周围机组的母线并联，并且每条并联线之间设置电控的断路器，在机组故障或者维修时可断开，此命令可由机组、风电场能量管理系统以及手动断开；

形成直流母线网状机构之后，在网状结构的任意节点增加合理容量电池储能系统，设计电池组电压等级与直流母线电压相等，并与网状母线相连，电池组由电池管理系统控制充放电过程，在网状结构中设计任意可调节电压等级的直流负荷接口，可随时供直流负荷使用，如电动汽车等；

通过将各机组之间的全功率变流器电容并联，形成风电场直流系统大电容，结合电池储能系统，对整个系统的机侧、网侧扰动提供了巨大的支撑作用，提高了系统稳定性，减少了储能容量；

所述风电机组的直流功率控制器包括以下步骤：

采集直流母线进入该机组网侧逆变器的电流信号，并发送到直流功率控制器；

利用直流功率控制器收到直流电流信号i_dc，结合电压测量值u_dc可计算其输入逆变器的功率P_dc，根据上层场级控制系统功率信号P_dcref与该逆变器实际功率值相比较，经过控制器得出网侧逆变器的直流母线电压参考值u_dcref，对u_dcref的变化斜坡进行限幅，并发送给网侧逆变器直流电压参考值如下式：

u_dcref＝k_pdc(P_dcref-u_dc*i_dc)+k_idc∫(P_dcref-u_dc*i_dc)dt

在电网无故障情况下，当储存在直流母线电容的能量不断增加时，迫使直流母线电压增大到保护值时，各机组自动按照原最大功率控制策略输出，不影响变流器的原有控制策略，保证系统安全稳定运行；

当单台机组的网侧逆变器出现故障时，可停止网侧使能运行，机侧整流器继续工作。

当单台机组的其他部分出现故障必须停机或者机组需要检修时，断开机组与周围机组的母线连接。

风电场场级能量管理系统包括以下步骤：

根据短时预测功率计算出风电场预测平均功率参考值，并发送至电力部门供能量调度控制使用，测量风电场风电机组总出力变化量，对风电场出力进行优化；

当风电场出力高于调度给定值时，分别对各机组下达功率命令参考值，使风机吸收多余功率储存到电池系统；如果电池能量已满，暂时由整体电容承受；当超越设定保护值时，各机组功率给定命令切换到机组额定直流母线电压参考值，并及时修正预测平均功率参考值；

当风电场出力低于调度给定值时，分别对各机组下达功率命令参考值，增大各逆变器功率给定值并进行功率优化分配，不足功率由电池系统补充。当电池系统不足以补充时，风电场出力减少，并及时修正预测平均功率参考值；

对于各机组的功率优化分配方法，在风电场非满功率运行时，采用离并网点近的逆变器多发功率，离并网点远的逆变器少发或者不发功率，这样可减少产生电能在场内的线路损耗。

当电网出现低压故障时，根据国家相关标准规定，减少向电网有功输出，增大无功输出，辅助电网电压恢复。

修正风电场预测平均功率参考值后，发送到电力调度部门进行配电网级的能量优化管理。

所述风电场电池储能管理系统包括以下步骤：

电池储能系统采用蓄电池组经过DC-DC变换，控制电池的冲放电过程，由风电场能量管理系统发送给储能管理系统指令控制，主要作用是储存能量，稳定直流母线电压。在风电场出力大于电网需求时，将能量储存，在风电场出力小于电网需求时，将能量释放。

根据电网反馈信息与风电场风功率预测信息计算得到能量不平衡将导致母线电压波动，可通过储能系统提前将母线电压抬高或者降低，以及时适应机侧、网侧对直流母线的干扰。这样，不仅增大了瞬间平衡功率的裕度，而且避免电池瞬间电流过大，延长电池寿命。

Claims (5)

1.一种基于直流母线网状结构的智能风电场控制方法，其特征在于：所述的控制方法基于风电场各机组之间并联直流母线电容，形成网格直流母线风电场，在该结构的任意节点增加适量电池储能系统，且每条连接线之间设有电信号控制断路器，设计智能风电场能量管理系统，电网调度根据风电场短时平均风功率预测值发送风电场出力指令，控制系统根据指令向各机组与储能系统分别发送功率指令，通过构建的直流储能系统平滑风电场出力曲线，满足电网调度出力需求，并根据风电场实际出力情况及时修正风电场短时平均风功率预测值，电池储能系统根据预测功率波动提前调整直流母线电压。

2.根据权利要求1所述的基于直流母线网状结构的智能风电场控制方法，其特征在于：步骤如下：

(1)将智能型风电场所有机组的变流器直流母线电压相互连接，并在任意节点连接储能系统，形成大型的风电场直流母线系统，其中储能系统包括蓄电池组，DC-DC变换器和BMS电能管理系统，BMS系统只接受来自风电场电能管理系统指令，指令包括充电、放电和直流母线电压参考值；

(2)利用风电场机组直流功率控制器控制单台机组网侧变换器运行，不考虑该机组机侧变换器部分，利用控制器通过接收风电场能量管理系统功率指令，测量该机组直流母线电压，调整单台机组的母线电压给定值，增大或减小机组逆变器输出功率，形成功率闭环系统；

(3)单台机组机侧出现故障时，可及时切除机侧部分，网侧部分继续向电网输送电能，网侧出现故障时，可及时切除网侧部分，机侧部分继续向直流电容输送电能；

(4)利用风电场能量管理系统通过风电场风功率预测信息和电网调度指令，给定各机组的输出功率指令和BMS充、放电指令，控制母线上的直流功率潮流与能量存储，满足电网调度的功率要求；

(5)系统根据风电场风功率预测信息和电网调度预测信息计算直流母线电压将会产生的变化波动幅度，并发送给BMS系统直流母线电压参考值提前调整母线电压，进一步提高了安全裕度；

(6)利用风电场电能管理系统根据风电场实际出力与调度指令的偏差不断修正风功率预测值，并将修正值及时发送电网调度，电网调度及时作出相应调整，使得风电场和配电网运行不断优化；

(7)风电场直流母线电容得到充分加强，风电场整体运行的可靠性得到强大支撑，不仅平衡了电网与风力机的随机波动，而且在网侧变换器运行时增加了安全备份，并能够在电网故障时强有力地支撑电网；

(8)智能风电场通过直流母线的能量存储控制优化整体出力，实现电网友好型风电场，使得风资源得到充分利用，并能够直接为当地直流负荷供电。

3.根据权利要求2所述的基于直流母线网状结构的智能风电场控制方法，其特征在于：

所述智能风电场网状结构包括以下步骤：

将风电场内部所有永磁发电机组变流器的直流母线的正负端与周围机组的母线并联，并且每条并联线之间设置电控的断路器，在机组故障或者维修时断开，此命令由机组、风电场能量管理系统以及手动断开；

形成直流母线网状机构之后，在网状结构的任意节点增加合理容量电池储能系统，设计电池组电压等级与直流母线电压相等，并与网状母线相连，电池组由电池管理系统控制充放电过程，在网状结构中设计可调节电压等级的直流负荷接口，随时供直流负荷使用；

通过将各机组之间的全功率变流器电容并联，形成风电场直流系统大电容，结合电池储能系统，对整个系统的机侧、网侧扰动提供巨大的支撑作用，提高系统稳定性，减少储能容量；

所述风电机组的直流功率控制包括以下步骤：

采集直流母线进入该机组网侧逆变器的电流信号，并发送到直流功率控制器；

利用直流功率控制器收到直流电流信号i_dc，结合电压测量值u_dc计算其输入逆变器的功率P_dc，根据上层场级控制系统功率信号P_dcref与该逆变器实际功率值相比较，经过控制器得出网侧逆变器的直流母线电压参考值u_dcref，对u_dcref的变化斜坡进行限幅，并发送给网侧逆变器直流电压参考值如下式：

u_dcref＝k_pdc(P_dcref-u_dc*i_dc)+k_idc∫(P_dcref-u_dc*i_dc)dt

在电网无故障情况下，当储存在直流母线电容的能量不断增加时，迫使直流母线电压增大到保护值时，各机组自动按照原最大功率控制策略输出，不影响变流器的原有控制策略，保证系统安全稳定运行；

风电场场级能量管理包括以下步骤：

根据短时预测功率计算出风电场预测平均功率参考值，并发送至电力部门供能量调度控制使用，测量风电场风电机组总出力变化量，对风电场出力进行优化；

所述风电场电池储能管理系统包括以下步骤：

电池储能系统采用蓄电池组经过DC-DC变换，控制电池的冲放电过程，由风电场能量管理系统发送给储能管理系统指令控制；

根据电网反馈信息与风电场风功率预测信息计算得到能量不平衡将导致母线电压波动，通过储能系统提前将母线电压抬高或者降低，以及时适应机侧、网侧对直流母线的干扰。

4.根据权利要求3所述的基于直流母线网状结构的智能风电场控制方法，其特征在于：风电机组的直流功率控制中，当单台机组的网侧逆变器出现故障时，可停止网侧使能运行，机侧整流器继续工作；

当单台机组的其他部分出现故障必须停机或者机组需要检修时，断开机组与周围机组的母线连接。

5.根据权利要求4所述的基于直流母线网状结构的智能风电场控制方法，其特征在于：风电场场级能量管理包括以下步骤中当风电场出力高于调度给定值时，分别对各机组下达功率命令参考值，使风机吸收多余功率储存到电池系统；如果电池能量已满，暂时由整体电容承受；当超越设定保护值时，各机组功率给定命令切换到机组额定直流母线电压参考值，并及时修正预测平均功率参考值；

当风电场出力低于调度给定值时，分别对各机组下达功率命令参考值，增大各逆变器功率给定值并进行功率优化分配，不足功率由电池系统补充；当电池系统不足以补充时，风电场出力减少，并及时修正预测平均功率参考值；

对于各机组的功率优化分配方法，在风电场非满功率运行时，采用离并网点近的逆变器多发功率，离并网点远的逆变器少发或者不发功率，这样可减少产生电能在场内的线路损耗；

当电网出现低压故障时，根据国家相关标准规定，减少向电网有功输出，增大无功输出，辅助电网电压恢复；

修正风电场预测平均功率参考值后，发送到电力调度部门进行配电网级的能量优化管理。