CN105356490B - 一种直流并联型风电场有功协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流并联型风电场有功协调控制方法，风场包括设有储能系统的直流风电机组；所述方法包括确定电网的有功调度指令，获取直流风电场内风电机组的运行状态，确定风电机组的可利用最大有功功率；确定储能系统的运行状态，确定直流风电场的运行状态；分析储能系统能否满足电网有功调度指令要求，从而确定直流风电机组的有功控制指令。保证风电机组发出的功率按照指定的功率指令变化，使风电场发出的功率满足电网调度的要求。本发明技术方案综合考虑电网需求、风电机组运行状态以及储能系统的工作状态，向各直流风电机组发送功率指令，通过调节各发电机和储能系统的输出功率，使得风电场输出的有功功率可在一定范围满足电网的需求。

Description

一种直流并联型风电场有功协调控制方法

技术领域

本发明涉及直流输电技术领域，更具体涉及一种直流并联型风电场有功协调控制方法。

背景技术

中国风电装机容量快速增长，在“建设大基地，融入大电网”的发展战略指导下，风电场呈现出规模化发展的趋势，单一风电场装机容量由几万千瓦增长到几十万，甚至上百万千瓦。目前,中国西北、华北、东北等地区建成的或在建的风电基地一般都采用交流集电、交流外送的方式完成风电基地的电力外送和消纳。这些方式都存在电压稳定性不高、配套无功支撑量大、继电保护非常复杂、新能源利用效率低下以及存在连锁故障的风险大和谐波污染严重等问题，尤其是在风电基地规模不断扩大的情况下，上述问题尤为突出。而直流汇集系统由于可以有效地解决交流汇集系统面临的无功、保护等问题，被认为是一种很具潜力的大型风电基地汇集方式。此外，在大规模风电集中并网的电力系统中，风力发电不同于常规发电的静态出力特性和动态响应特性，给电力系统供电的充裕性及运行的安全稳定性带来新的重大挑战。各种储能装置由于具有对功率和能量的时间迁移能力，是改善常规发电静态出力特性及风力发电动态响应特性的有效手段。因此，含有储能的直流风电场可为未来大规模风能的开发和利用提供一种新的选择。

已有研究表明经过对交流风电场和直流风电场的损耗以及能量的生产成本等进行比较后，可以看出在采用远距离大容量风电场进行生产和传输时，采用HVDC传输的直流风电场在成本、损耗和维护费用上要优于交流风电场。已有文献对储能系统应用于风电/光伏系统也进行了分析，研究表明储能系统可有效调节风电/光伏系统的出力，降低由于新能源的功率波动给电网造成的影响。已有研究对目前应用在风力发电中的储能的类型进行了较为全面的分析和比较，指明超级电容储能可有效平抑风电功率在短时间尺度上的波动。研究者们也对风电场的功率调度进行了相关研究，根据风电场中各个风电机组的风况以及电网调度指令的要求对风电场内各个风电机组进行功率分配，可在一定程度上调节风电场的出力。

综合以上对国内外研究现状的分析可知，目前针对风电场的功率协调控制研究主要集中在交流风电场，针对直流风电场的研究较少。

发明内容

本发明的目的是提供一种直流并联型风电场有功协调控制方法，综合考虑电网需求、风电机组运行状态以及风电机组储能系统的工作状态，向各直流风电机组发送功率指令，通过调节各发电机和储能系统的输出功率，使得风电场输出的有功功率可在一定范围满足电网的需求。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种直流并联型风电场有功协调控制方法，所述风场包括设有储能系统的直流风电机组；所述方法包括：

确定电网的有功调度指令，并获取直流风电场内每台风电机组的运行状态，从而确定风电机组的可利用最大有功功率；

确定储能系统的运行状态，从而确定直流风电场的运行状态；

根据电网的有功需求和风电场最大有功功率确定需要调节的有功功率；

所述需要调节的有功功率与储能系统容量比较，确定各个储能系统控制信号，并确定是否需要调节直流风电机组的有功功率；并生成直流风电机组的有功功率控制信号，完成有功功率控制。

所述直流风电机组运行状态包括直流风电机组的风速、有功输出值、基于当前风速的最大有功输出值以及有功调节范围。

所述储能系统工作状态包括储能系统可吸收的有功功率值和可发出的有功功率值。

根据查表法，利用最优转速查出对应的风电机组可利用的最大有功功率P_eimax，故风电场可输出的最大有功功率P_emax为：

其中，N表示并联风电机组个数。

根据测得的第i个风电机组的风速v_wi确定对应的最优转速ω_iopt。

为了满足电网的有功需求P_d，P_d和风电场最大有功功率P_emax之间的差值P_essd，需通过风电场储能系统吸收或补偿的有功功率为：

P_essd＝P_emax-P_d。

储能系统的存储能力取决于其容量C_cap以及电压V_essi；在正常运行状态下，V_essi∈(V_imin,V_imax)，其中，V_imin和V_imax分别表示最小和最大运行电压；储能系统和风电机组之间交换的最大功率P_essimax表示为：

P_essimax＝±C_capV_essi|V_essi’|_max

其中，|V_essi’|_max表示储能系统最大电压变化率，正号表示储能系统补偿风电机组直流母线上不足的功率，负号表示储能系统存储直流母线上多余的功率，若风电机组接收到的功率指令大于机侧整流器输出的功率，则P_essimax为正值；若风电机组接收到的功率指令小于机侧整流器输出的功率，则P_essimax为负值；储能系统须工作在V_essi∈[V_imin,V_imax]的条件下，否则储能系统将不能参与风电机组的功率调节。

当P_essimax确定之后，储能系统和风电机组之间可交换的总最大功率为P_essmax：

当P_essmax满足有功指令和风电场可用功率之间的差值P_essd，即|P_essd|≤|P_essmax|时，各直流风电机组的功率指令表示为P_ei*：

P_ei*＝P_eimax-a_i·P_essd

其中，系数a_i表示为：

a_i＝P_essimax·P_essmax ^-1

且a₁,a₂,a₃,...,a_N之和为1。

当|P_essd|＞|P_essmax|时，只调节储能系统不能满足风电场功率调度的需求，此时对风电机组的发电功率进行调节；若P_essd＞0，储能系统吸收有功功率，此时所有发电机发出的有功功率之和的参考值P_e*为：

P_e*＝P_d+P_essmax

各直流风电机组输出的有功功率参考值：

P_ei*＝b_iP_eimax-P_essimax

其中，系数b_i表示为：

b_i＝P_e*·P_emax ^-1

各风电机组在收到风电场控制中心的功率指令后，控制机侧整流器降低发电机的出力，且控制风力机的变桨系统增大叶片的桨距角，减小风力机吸收的风能，降低风力机和机侧整流器之间的功率不平衡度。

若P_essd＜0，则电网所需的功率大于发电机和储能系统所能提供的功率之和；此时风电机组进行最大风能追踪，储能系统向直流母线提供有功功率，且发电机和储能系统发出的功率之和不能超过直流风电机组DC/DC变换器的最大容量；电力系统调度机构进行功率调度时，会结合风电的功率预测进行，考虑风电场在风速波动情况下的发电能力，避免|P_essd|＞|P_essmax|时，P_essd＜0的情况出现；由于风电场采用直流集电系统并考虑到简化控制，故机侧整流器的q轴电流参考值设为0。和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果

1、本发明技术方案大大降低了风电场功率波动对电网的影响，；

2、本发明技术方案为风电场运行提供技术支撑；

3、本发明技术方案减少了弃风，实现了风能的高效利用；

4、本发明技术方案保证电力系统供电的充裕性及运行的安全稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例的方法实现流程图；

图2为本发明实施例的方法控制具体流程图；

图3为本发明实施例的算例直流风电场示意图；

图4为本发明实施例的1号风电机组风速变化曲线示意图；

图5为本发明实施例的1号风电机组指令及功率变化曲线示意图；

图6为本发明实施例的1号风电机组储能系统充放电功率曲线示意图；

图7为本发明实施例的电网调度指令与风电场输出功率曲线示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。

实施例1：

本例的发明提供一种直流并联型风电场有功协调控制方法，所述风场包括设有储能系统的直流风电机组；所述方法包括如图1所示：

(1)风电场有功控制中心确定电网有功调度指令，获取各台直流风电机组的运行状态，以及储能系统的运行状态，从而确定直流风电场的运行状态。

(2)直流风电场有功控制中心分析储能系统能否满足电网有功调度指令要求，从而确定直流风电机组的有功控制指令。保证各台风电机组发出的功率按照指定的功率指令变化，使整个风电场发出的功率满足电网调度的要求。

进一步，(1)中所述“直流风电机组运行状态”，由于本发明中直流风电机组只是参与功率调节，因此运行状态是指当前直流风电机组的有功输出和有功调节能力，例如直流风电机组的风速、有功输出值和基于当前风速的最大有功输出值以及可能的有功调节范围。所述“储能系统工作状态”是指，储能系统可吸收的有功功率值和可发出的有功功率值。(2)中所述“储能系统能否满足电网有功调度指令要求”，是指电网调度部要求风电场降低有功输出时，储能系统可吸收的有功功率值是否大于等于风电场输出功率与电网有功调度指令之差；电网调度部要求风电场提高有功输出时，储能系统可发出的有功功率值是否大于等于电网有功调度指令与风电场输出功率之差。

该控制方法综合考虑电网需求、风电机组运行状态以及风电机组储能系统的工作状态，向各直流风电机组发送功率指令，通过调节各发电机和储能系统的输出功率，使得风电场输出的有功功率可在一定范围满足电网的需求。含储能系统的直流并联型风电场有功功率控制方法流程图如附图2所示，包括如下步骤：

(1)风电场有功控制中心确定电网有功调度指令，获取各台直流风电机组的运行状态，以及储能系统的运行状态，从而确定直流风电场的运行状态。

直流风电场有功协调控制方法需要综合考虑电网调度指令以及各个风电机组的运行状态以及储能系统的状态，以生成各个风电机组和储能系统的有功控制参考信号。本发明为了更清楚的说明储能系统的控制方法，以超级电容型储能装置为例进行描述和仿真验证。

首先，控制方法需要分别确定电网调度指令P_d、第i个(i＝1,2,3,...,N,N表示并联风电机组个数，下同)风电机组的风速v_wi和超级电容器组的电压V_essi。其次，根据测得的风速v_wi确定对应的最优转速ω_iopt。根据查表法，利用算出的最优转速查出对应的风电机组可利用的最大有功功率P_eimax，故风电场可输出的最大有功功率：

为了满足电网的有功需求P_d，P_d和风电场最大有功功率P_emax之间的差值P_essd，即为需由风电场储能系统吸收或补偿的有功功率。

P_essd＝P_emax-P_d<3>；

另一方面，超级电容型储能系统的存储能力取决于其容量C_cap以及电压V_essi。在正常运行状态下，V_essi∈(V_imin,V_imax)，其中V_imin和V_imax分别表示最小和最大运行电压。储能系统和风电机组之间可交换的最大功率P_essimax可表示为：

P_essimax＝±C_capV_essi|V_essi’|_max<4>；

其中|V_essi’|_max表示超级电容器组最大电压变化率，其与超级电容器组工作电流限制有关。公式中，正号表示储能系统补偿风电机组直流母线上不足的功率，负号表示储能系统存储直流母线上多余的功率。符号的确定依赖于风电机组功率指令和机侧整流器实际输出功率之间的差值，若风电机组接收到的功率指令大于机侧整流器输出的功率，则P_essimax为正值；若风电机组接收到的功率指令小于机侧整流器输出的功率，则P_essimax为负值。此外，储能系统必须工作在V_essi∈[V_imin,V_imax]的条件下，否则储能系统将不能参与风电机组的功率调节。

(2)直流风电场有功控制中心分析储能系统能否满足电网有功调度指令要求，从而确定直流风电机组的有功控制指令。保证各台风电机组发出的功率按照指定的功率指令变化，使整个风电场发出的功率满足电网调度的要求。

P_essimax确定之后，风电场储能系统和风电机组之间可交换的总最大功率：

当P_essmax可以满足有功指令和风电场可用功率之间的差值P_essd，即|P_essd|≤|P_essmax|时，各直流风电机组的功率指令可表示为：

P_ei*＝P_eimax-a_i·P_essd<6>；

其中，系数a_i表示为：

a_i＝P_essimax·P_essmax ^-1<7>；

且a₁,a₂,a₃,...,a_N之和为1。

当|P_essd|＞|P_essmax|时，只调节储能系统不能完全满足风电场功率调度的需求，此时应考虑对风电机组的发电功率进行调节。若P_essd＞0，风电机组的储能系统吸收有功功率，此时所有发电机发出的有功功率之和的参考值P_e*为：

P_e*＝P_d+P_essmax<8>；

各直流风电机组输出的有功功率参考值：

P_ei*＝b_iP_eimax-P_essimax<9>；

其中系数b_i表示为：

b_i＝P_e*·P_emax ^-1<10>；

各风电机组在收到风电场控制中心的功率指令后，一方面控制机侧整流器降低发电机的出力，另一方面控制风力机的变桨系统增大叶片的桨距角，减小风力机吸收的风能，降低风力机和机侧整流器之间的功率不平衡度。

若P_essd＜0，则电网所需的功率大于发电机和储能系统所能提供的功率之和。此时风电机组应进行最大风能追踪，储能系统向直流母线提供有功功率，且发电机和储能系统发出的功率之和不能超过直流风电机组DC/DC变换器的最大容量。一般情况下，系统进行功率调度时，会结合风电的功率预测进行，考虑风电场在风速波动情况下的发电能力，应尽量避免|P_essd|＞|P_essmax|时，P_essd＜0的情况出现。由于风电场采用直流集电系统并考虑到简化控制，故机侧整流器的q轴电流参考值设为0。

下面结合一个仿真算例对本发明实现的控制方法做进一步说明。

仿真算例系统的风电场如附图3所示。直流风电机组容量为2.5MW，额定风速13.2m/s，风电机组直流母线电压为2kV，风电机组DC/DC变换器输出电压为20kV，共有6台风电机组并联连接到DC/DC变换站上，经DC/DC变换站升压之后采用HVDC传输方式输送到并网点处，整个风电场额定容量为15MW。汇集系统直流母线电压由DC/DC变换站控制。风电机组所用储能系统设计成可连续提供20％的永磁同步发电机额定功率60s，且储能系统的最大充放电功率设定为±0.7MW。

设定各台风电机组的风速均在在13m/s±2m/s内波动，且风电机组之间风速均不相同，以模拟实际风电场风速变化，如附图4所示为1号风电机组的风速曲线。

附图5中显示了1号风电机组接收到的有功指令P_e1*、风电机组实际输出的有功功率P_e1以及发电机输出的有功功率P_ac1随时间的变化情况。从图中可以看到，风速的波动会造成发电机输出功率变化，风电机组的输出功率可以较好地跟随风电机组输出功率参考值变化。在图中所示，有功指令P_e1*和有功功率P_e1的曲线重合。附图6显示了1号风电机组储能系统的充放电功率。

各个直流风电机组输出功率之和等于P_out，如附图7所示，电网调度指令P_d和直流风电场输出功率P_out随时间变化。由图可知，在一定的功率范围内，P_out可满足P_d的变化需求，实现了本发明提出的控制方法。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员尽管参照上述实施例应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种直流并联型风电场有功协调控制方法，所述风电场包括设有储能系统的直流风电机组；其特征在于：所述方法包括：

确定电网的有功调度指令，并获取直流风电场内每台风电机组的运行状态，从而确定风电机组的可利用最大有功功率；

确定储能系统的运行状态，从而确定直流风电场的运行状态；

根据电网的有功需求和风电场最大有功功率确定需要调节的有功功率；

所述需要调节的有功功率与储能系统容量比较，确定各个储能系统控制信号，并确定是否需要调节直流风电机组的有功功率；并生成直流风电机组的有功功率控制信号，完成有功功率控制；

所述直流风电机组运行状态包括直流风电机组的风速、有功输出值、基于当前风速的最大有功输出值以及有功调节范围；

根据查表法，利用最优转速查出对应的风电机组可利用的最大有功功率P_eimax，故风电场可输出的最大有功功率P_emax为：

其中，N表示并联风电机组个数；

为了满足电网的有功需求P_d，P_d和风电场最大有功功率P_emax之间的差值P_essd，即，需通过风电场储能系统吸收或补偿的有功功率，为：

P_essd＝P_emax-P_d；

储能系统的存储能力取决于其容量C_cap以及电压V_essi；在正常运行状态下，V_essi∈(V_imin,V_imax)，其中，V_imin和V_imax分别表示最小和最大运行电压；储能系统和风电机组之间交换的最大功率P_essimax表示为：

P_essimax＝±C_capV_essi|V_essi’|_max

其中，|V_essi’|_max表示储能系统最大电压变化率，正号表示储能系统补偿风电机组直流母线上不足的功率，负号表示储能系统存储直流母线上多余的功率，若风电机组接收到的功率指令大于机侧整流器输出的功率，则P_essimax为正值；若风电机组接收到的功率指令小于机侧整流器输出的功率，则P_essimax为负值；储能系统须工作在V_essi∈[V_imin,V_imax]的条件下，否则储能系统将不能参与风电机组的功率调节；

当P_essimax确定之后，储能系统和风电机组之间可交换的总最大功率为P_essmax：

当P_essmax满足有功指令和风电场可用功率之间的差值P_essd，即|P_essd|≤|P_essmax|时，各直流风电机组的功率指令表示为P_ei*：

P_ei*＝P_eimax-a_i·P_essd

其中，系数a_i表示为：

a_i＝P_essimax·P_essmax ^-1

且a₁,a₂,a₃,...,a_N之和为1；

直流风电机组容量为2.5MW，额定风速13.2m/s，风电机组直流母线电压为2kV，风电机组DC/DC变换器输出电压为20kV，共有6台风电机组并联连接到DC/DC变换站上，经DC/DC变换站升压之后采用HVDC传输方式输送到并网点处，整个风电场额定容量为15MW。汇集系统直流母线电压由DC/DC变换站控制。风电机组所用储能系统设计成可连续提供20％的永磁同步发电机额定功率60s，且储能系统的最大充放电功率设定为±0.7MW。

2.如权利要求1所述的一种直流并联型风电场有功协调控制方法，其特征在于：所述储能系统工作状态包括储能系统可吸收的有功功率值和可发出的有功功率值。

3.如权利要求1所述的一种直流并联型风电场有功协调控制方法，其特征在于：根据测得的第i个风电机组的风速v_wi确定对应的最优转速ω_iopt。

4.如权利要求1所述的一种直流并联型风电场有功协调控制方法，其特征在于：当|P_essd|＞|P_essmax|时，只调节储能系统不能满足风电场功率调度的需求，此时对风电机组的发电功率进行调节；若P_essd＞0，储能系统吸收有功功率，此时所有发电机发出的有功功率之和的参考值P_e*为：

P_e*＝P_d+P_essmax

各直流风电机组输出的有功功率参考值：

P_ei*＝b_iP_eimax-P_essimax

其中，系数b_i表示为：

b_i＝P_e*·P_emax ^-1

各风电机组在收到风电场控制中心的功率指令后，控制机侧整流器降低发电机的出力，且控制风力机的变桨系统增大叶片的桨距角，减小风力机吸收的风能，降低风力机和机侧整流器之间的功率不平衡度。

5.如权利要求4所述的一种直流并联型风电场有功协调控制方法，其特征在于：若P_essd＜0，则电网所需的功率大于发电机和储能系统所能提供的功率之和；此时风电机组进行最大风能追踪，储能系统向直流母线提供有功功率，且发电机和储能系统发出的功率之和不能超过直流风电机组DC/DC变换器的最大容量；电力系统调度机构进行功率调度时，会结合风电的功率预测进行，考虑风电场在风速波动情况下的发电能力，避免|P_essd|＞|P_essmax|时，P_essd＜0的情况出现。