CN104953616A - 一种用于风力发电场的黑启动系统及其供电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于风力发电厂的黑启动系统，包括风力发电机群、为黑启动系统的启动提供启动电源的储能电源、柔性交流输电装置以及总控机，风力发电群包含N个并联的风力发电机，每个风力发电机一端分别连接一出口断路器，所述出口断路器并联在风力发电厂的母线上，另一端连接对应的N个本地监控单元；柔性交流输电装置，并联在风力发电厂的母线上；总控机，通过信号总线分别与储能电源、柔性交流输电装置、本地监控单元进行实时的双向通信。还公开了用于风力发电厂黑启动的方法。本发明在风电场全部断电并不依赖外部电网的情况下，实现风电场的自启动，并能够根据实时风速条件，优化风机的启动顺序，从而达到黑启动过程经济和快速的效果。

Description

一种用于风力发电场的黑启动系统及其供电方法

技术领域

本发明涉及风力发电领域，具体涉及一种用于风力发电厂的黑启动系统及其供电方法。

背景技术

随着电网互联及远距离输电技术的不断发展，大容量机组、超高压设备、电力电子装置以及分布式发电技术等在电力系统中大量引入，加上电力系统规模的日益扩大，系统动态行为变得越来越复杂，运行条件要求更苛刻、更难预测，大大增加了由局部故障所引发电力灾难的风险。在电网发生大面积停电情况下，要求能够快速恢复电源，如果不能够在短时间之内恢复供电，将使国民经济遭受巨大损失。

黑启动(Black Start)是指整个系统因故障停电后，不依赖别的系统帮助，通过系统中具有自启动能力机组的启动带动无自启动能力的机组，逐渐扩大系统供电范围，最终实现整个系统恢复的过程。

黑启动的背景是系统全部停电或大面积停电，即系统处于严重事故状态，黑启动过程是恢复过程的一种极端情况，它将涉及系统运行过程中发电、输电和配电的各个环节。如何在系统大面积停电之后安全并快速地完成系统重建，一直以来都是电力工业亟待解决的关键问题，因此，黑启动技术的研究对于极端情况下的系统恢复具有重要的意义。

风力发电作为清洁可循环的新能源，我国一直在积极推广其应用。截止2014年12月，我国的风力发电总量达到6273万千瓦，排在首位；2、3位分别是美国(4691万千瓦)和德国(2991万千瓦)。因此研究风电场的黑启动系统对我国的环境和经济来说具有重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于风力发电场黑启动系统及其启动方法，可以在风电场全部断电并不依赖外部电网的情况下，实现风电场的自启动，即所谓风电场的黑启动，并能够根据实时风速条件，优化风机的启动顺序，从而达到黑启动过程经济和快速的效果。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于风力发电厂的黑启动系统，包括风力发电机群、为黑启动系统的启动提供启动电源的储能电源、柔性交流输电装置以及总控机，其中，

风力发电群包含N个并联的风力发电机，每个风力发电机一端分别连接一出口断路器，以控制电流回路通断，所述出口断路器并联在风力发电厂的母线上，另一端连接对应的N个本地监控单元；

柔性交流输电装置，并联在风力发电厂的母线上，为平抑风力发电厂的母线电压波动提供无功支撑；

总控机，通过信号总线分别与储能电源、柔性交流输电装置、本地监控单元进行实时的双向通信。

进一步地，所述本地监控单元包括：

交流采样板，用于采集风力发电机的出口电压、电流、频率以及风机位置的风速；

主控板，分析处理交流采样板采集到的风力发电机出口电压、电流、频率以及风机位置的风速，并发送控制信号给开入开出板；

开入开出板，即开关量输入输出板，开出板接收来自主控板的控制信号，将数字信号转换成物理的高低电平，用于驱动控制出口断路器的闭合；开入板接收断路器反馈的开合状态电平信息，将其转换成数字信号，发送给主控板，用于本地监控单元检测出口断路器的开合状态；

通信板，接收经主控板分析处理的数据并分别传输至总控机和人机接口板；

人机接口板，显示本地监控单元采集到的风机出口电压、风机出口电流、风机位置风速以及出口断路器和辅路断路器工作状态，并可对风机断路器进行直接手动紧急断开以及设置过压保护U_su、欠压保护U_sd、过流保护I_s的值。

一种用于风力发电场的黑启动系统的供电方法，包括：

步骤1.风力发电厂停电时，总控机发送黑启动命令：读取分析储能电源上传的储能电压、电流及可用储量，并根据储能电源的电压-容量特性，预估储能电源出力，以确定启动的风力发电机数量；

步骤2.总控机读取并分析本地监控单元通过信号总线上传的风力发电机实时运行参数，包括风机位置的风速、出口电压、电流、频率、出口断路器和辅路断路器的开合状态，根据风机位置和风速大小，确定启动的风机优先顺序；

步骤3.当总控机确定风机的启动数量和启动顺序后，总控机向启动优先级在前的风机发送启动命令，使该风机的辅路断路器闭合，采集风机出口电压U，根据风机固有的U-P(电压-功率)特性确定该风机的有功出力P，并计算已启动的风机总功率P_Σ，当P_Σ>P_N时即已启动的风机总功率达到能够启动单台风机的最小启动功率P_N时，使出口断路器闭合，从而该风机启动成功，开始向风电场母线供电，进而向未启动风机提供启动电源。否则继续用储能电源启动其他风机。以此类推，直到所有风机都成功启动，风电场黑启动过程结束。

优先级的确定基本原则为：入风口位置处的风机优先，风速较高的优先；

本地监控单元还具有对风机的保护功能，主要通过对风机出口参数进行实时分析，判断其是否出现过压、欠压、过流等问题。当风机出口电压U>U_su，即风机出口电压高于设定的上限电压时，风机过压输出，危害风电场母线，要及时断开出口断路器；当U<U_sd,即风机出口电压低于设定的下限电压时，风机负载过重，若继续输出会损坏风机，要及时断开出口断路器；当I>I_s，即风机出口电流过大，风机负载过重，会对风机造成不可恢复性损坏，也要及时断开出口断路器。过压U_su、欠压U_sd、过流I_s均为人机接口板可以设定的值。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

1、可以不使用外部系统供电进行风电场的单独启动，避免对电网的依赖，解决在外电网无电的情况下，风电场因其辅路不能工作而导致的风机无法启动的问题。

2、通过对已启动的风机出力和风机位置实时风速的检测和判断，优化风机的启动数量和顺序，提高风电场启动过程的经济性和快速性。其中经济性是指充分利用已启动风机的出力，以已启动的风机带未启动的风机，依次启动，从而减少储能电源的消耗；快速性是指相比与风电场分批同时启动过程，本系统通过对已启动风机出力的准确计算，确定下一步同时启动的风机数量，实现1台已启动风机带动多台待启动风机，多台已启动风机带动更多台待启动风机的扩散式启动。

附图说明

图1是本发明的风电场黑启动系统的系统框图；

图2是本发明的本地监控单元的结构框图；

图3是本发明的黑启动系统供电方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

一种用于风力发电厂的黑启动系统，包括风力发电机群、为黑启动系统的启动提供启动电源的储能电源、柔性交流输电装置以及总控机，其中，

风力发电群包含N个并联的风力发电机，每个风力发电机一端分别连接一出口断路器，以控制电流回路通断，所述出口断路器并联在风力发电厂的母线上，另一端连接对应的N个本地监控单元；

柔性交流输电装置，并联在风力发电厂的母线上，为平抑风力发电厂的母线电压波动提供无功支撑；

总控机，通过信号总线分别与储能电源、柔性交流输电装置、本地监控单元进行实时的双向通信。

进一步地，所述本地监控单元包括：

交流采样板，用于采集风力发电机的出口电压、电流、频率以及风机位置的风速；

主控板，接收交流采样板采集到的风力发电机出口电压、电流、频率以及风机位置的风速，并发送控制信号给开入开出板；

开入开出板，即开关量输入输出板，开出板接收来自主控板的控制信号，将数字信号转换成物理的高低电平，用于驱动控制出口断路器的闭合；开入板接收断路器反馈的开合状态电平信息，将其转换成数字信号，发送给主控板，用于本地监控单元检测出口断路器的开合状态；

通信板，接收经主控板分析处理的数据并分别传输至总控机和人机接口板；

人机接口板，显示本地监控单元采集到的风机出口电压、风机出口电流、风机位置风速以及出口断路器和辅路断路器工作状态，并可对风机断路器进行直接手动紧急断开以及设置过压保护U_su、欠压保护U_sd、过流保护I_s的值。

一种用于风力发电场的黑启动系统的供电方法，包括：

步骤1.风力发电厂停电时，总控机发送黑启动命令：读取分析储能电源上传的储能电压、电流及可用储量，并根据储能电源的电压-容量特性，预估储能电源出力，以确定启动的风力发电机数量；

步骤2.总控机读取并分析本地监控单元通过信号总线上传的风力发电机实时运行参数，包括风机位置的风速、出口电压、电流、频率、出口断路器和辅路断路器的开合状态，根据风机位置和风速大小，确定启动的风机优先顺序；

步骤3.当总控机确定风机的启动数量和启动顺序后，总控机向启动优先级在前的风机发送启动命令，使该风机的辅路断路器闭合，采集风机出口电压U，根据风机固有的U-P(电压-功率)特性确定该风机的有功出力P，并计算已启动的风机总功率P_Σ，当P_Σ>P_N时即已启动的风机总功率达到能够启动单台风机的最小启动功率P_N时，使出口断路器闭合，从而该风机启动成功，开始向风电场母线供电，进而向未启动风机提供启动电源。否则继续用储能电源启动其他风机。以此类推，直到所有风机都成功启动，风电场黑启动过程结束。

优先级的确定基本原则为：入风口位置处的风机优先，风速较高的优先。

如图1所示的风电场黑启动系统，实线为电能传输线，虚线为信号传输线。该系统包括风力发电机群、储能电源、FACTS装置、总控机、本地监控单元。总控机通过信号总线分别与各个本地监控单元、储能电源、FACTS装置进行信息的实时双向通信。其中：

总控机为具有上位机功能的计算机，执行优化算法和向本地监控单元发送命令，是整个系统软件的核心。

本地监控单元，是本系统检测和控制的硬件核心，其能够检测风机出口电压、电流、频率、风机位置的风速并实时上传至总控机，并接收和执行来自总控机的命令。

本地监控单元的结构如图2所示，其由主控板、交流采样板、通信板、人机接口板、开入开出板构成。其中：

主控板，采用STM32单片机，为本地监控单元的数据分析处理中心。

交流采样板用于将风机出口的电压、电流等模拟量转化成数字量，并传送给主控板进行分析。

开入开出板，即开关量输入输出板，开入用于检测断路器的开合状态，开出用于控制断路器的闭合。

断路器,是控制电流回路通断的电气装置，本发明系统用到三种断路器，分别定义为辅路断路器、出口断路器和并网断路器。其中辅路断路器控制风机辅路供电电源的通断，出口断路器控制风机输出电能断开和并联到风电场母线，并网断路器控制风电场母线的并网和离网。

通信板主要用于通信，即将主控板分析处理后的结果发送出去。包括对外通信和与人机接口板通信。

人机接口板，即采用触摸显示屏，显示本地监控单元的工作状态，并可进行人为参数设置。

本地监控单元还具有对风机的保护功能，主要通过对风机出口参数进行实时分析，判断其是否出现过压、欠压、过流等问题。当风机出口电压U>U_su，即风机出口电压高于设定的上限电压时，风机过压输出，危害风电场母线，要及时断开出口断路器；当U<U_sd,即风机出口电压低于设定的下限电压时，风机负载过重，若继续输出会损坏风机，要及时断开出口断路器；当I>I_s，即风机出口电流过大，风机负载过重，会对风机造成不可恢复性损坏，也要及时断开出口断路器。过压U_su、欠压U_sd、过流I_s均为人机接口板可以设定的值。

风机：双馈感应交流风力发电机，出口经自带的箱式变压器升至35KV。风机的辅路是指风力发电机的辅助电路，包括控制回路、偏航、变桨，若其无法供电，则风机无法启动。

风速传感器：通过风速传感器检测各个风机位置的实时风速和风向。

储能电源：风力发电机的出力受风速的波动而波动，其电能质量将受到影响。通过储能电源，提供实时的无功补偿，从而能够平抑风力发电机出力，提高电能质量。

FACTS：(Flexible Alternative Current Transmission Systems)柔性交流输电系统，是综合电力电子技术、微处理和微电子技术、通信技术和控制技术而形成的用于灵活快速控制交流输电的新技术。下面的SVC和SVG就是FACTS技术中的两种装置。

SVC：(Static Var Compensator)静止无功补偿器，是一种采用与输电网络并联以实现动态的感应或无功功率补偿。其主要作用是控制输电线路和系统结点上的电压质量和无功功率。

SVG：(Static Var Generator)静止无功发生器，又称高压动态无功补偿发生装置，或静止同步补偿器。是指由自换相的电力半导体桥式变流器来进行动态无功补偿的装置。SVG是目前无功功率控制领域内的最佳方案。相对于传统的调相机、电容器电抗器、以晶闸管控制电抗器TCR为主要代表的传统SVC等方式，SVG有着无可比拟的优势。

当风电场处于全黑状态即并网断路器断开状态且入风口的环境风速大于风机的最低启动风速时，总控机开始黑启动系统，通过控制程序，确定风机的启动数量和启动顺序。总控机向启动优先级在前(前面已补充)的风机发送命令，使该风机的辅路断路器闭合。检测到风力发电机的出口电压达到35KV时，总控机发送命令，使出口断路器闭合，从而该风机启动成功，开始向风电场母线供电。

当有风机启动后，其出力可以为其他未启动的风机辅路供电，由总控机确定启动数量和顺序。以此类推，可以经济和快速地启动整个风电场。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于风力发电厂的黑启动系统，包括风力发电机群、为黑启动系统的启动提供启动电源的储能电源、柔性交流输电装置以及总控机，其中，

风力发电群包含N个并联的风力发电机，每个风力发电机一端分别连接一出口断路器，以控制电流回路通断，所述出口断路器并联在风力发电厂的母线上，另一端连接对应的N个本地监控单元；

柔性交流输电装置，并联在风力发电厂的母线上，为平抑风力发电厂的母线电压波动提供无功支撑；

总控机，通过信号总线分别与储能电源、柔性交流输电装置、本地监控单元进行实时的双向通信。

2.如权利要求1所述的用于风力发电厂的黑启动系统，其特征在于，所述本地监控单元包括：

交流采样板，用于采集风力发电机的出口电压、电流、频率以及风机位置的风速；

主控板，分析处理交流采样板采集到的风力发电机出口电压、电流、频率以及风机位置的风速，并发送控制信号给开入开出板；

开入开出板，即开关量输入输出板，开出板接收来自主控板的控制信号，将数字信号转换成物理的高低电平，用于驱动控制出口断路器和辅路断路器的闭合；开入板接收断路器反馈的开合状态电平信息，将其转换成数字信号，发送给主控板，用于本地监控单元检测出口断路器的开合状态；

通信板，接收经主控板分析处理的数据并分别通过相应的通信协议传输至总控机和人机接口板；

人机接口板，显示本地监控单元采集到的风机出口电压、风机出口电流、风机位置风速以及出口断路器和辅路断路器工作状态，并可对风机断路器进行直接手动紧急断开以及设置过压保护U_su、欠压保护U_sd、过流保护I_s的值。

3.一种用于风力发电场的黑启动系统的供电方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1.风力发电厂停电时，总控机发送黑启动命令：读取分析储能电源上传的储能电压、电流及可用储量，并根据储能电源的电压-容量特性，预估储能电源出力，以确定启动的风力发电机数量；

步骤2.总控机读取并分析本地监控单元通过信号总线上传的风力发电机实时运行参数，包括风机位置的风速、出口电压、电流、频率、出口断路器的开合状态，根据风机位置和风速大小，确定启动的风机优先顺序；

步骤3.当总控机确定风机的启动数量和启动顺序后，总控机向启动优先级在前的风机发送启动命令，使该风机的辅路断路器闭合，采集风机出口电压U，根据风机固有的电压-功率特性确定该风机的有功出力P，并计算已启动的风机总功率P_Σ，当P_Σ>P_N时即已启动的风机总功率达到能够启动单台风机的最小启动功率P_N时，使出口断路器闭合，从而该风机启动成功，开始向风电场母线供电，进而向未启动风机提供启动电源；否则继续用储能电源启动其他风机，以此类推，直至所有风机都成功启动，风电场黑启动过程结束。

4.一种用于风力发电场的黑启动系统的供电方法，其特征在于，所述步骤2中优先级的确定基本原则为：入风口位置处的风机优先，风速较高的优先。