CN107453411A - 一种风电场有功功率控制方法及其系统 - Google Patents

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    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/76—Power conversion electric or electronic aspects

Abstract

本发明之一的一种风电场有功功率控制系统，其与风电场监控系统(SCADA)系统及电网调度系统相互连接，该风电场有功功率控制系统由加法器、有功功率预调整模块、自适应调整控制器及功率分配模块、电网标准限制器组成，该系统可以满足电网调度对风电场有功控制能力的需求，又可实现风电场最大风电转换效率的控制目标，充分地利用风能，实现风力发电机群的协调控制。

Description

一种风电场有功功率控制方法及其系统
技术领域
本发明涉及风电场有功功率控制技术领域，尤其涉及一种风电场有功功率控制方法及其系统。
背景技术
随着常规能源的枯竭，可再生能源将成为未来的能源的重要组成部分。由于风能其储存量大又易于形成规模，并且风力发电技术相对成熟，因此，风能作为一种绿色能源在近几十年得到了广泛的开发和利用，也有希望成为未来不可替代的可再生资源之一。这一趋势给电力工业带来了新的机遇和新一轮的挑战，同时也给风电相关的仿真技术带来了新的要求，尤其是风力发电机组的模型仿真和控制技术相关方面的仿真研究，其仿真研究的范围更广、要求更高。
随着风电场装机容量的不断增大，实现风电场的可控运行将是风电场并网运行的发展趋势。在这种形势下，调度部门将采取强制措施，要求风电场参与系统的有功控制。那么，当风电场参与有功控制时，需要设计风电场如何将有功调度指令合理地分配到底层风电机组的算法，而如何有效地控制各风力发电机组的有功出力，在满足电网调度对风电场有功控制能力的需求时，制定既可保证单台风力发电机组安全稳定运行，又可实现风电场最大风电转换效率的控制目标，充分地利用风能，实现风力发电机群的协调控制方法是研究的主要课题。
发明内容
本发明的目的是针对上述背景技术存在的缺陷，提供一种风电场有功功率控制方法及其系统。
为实现上述目的，本发明之一一种风电场有功功率控制方法，其包括：
步骤S1：对电网下发调度指令PSet与风场实际有功功率PAct的进行差值计算并获取差值的绝对值|ΔP|，若|ΔP|小于调整阈值后便自适应调整时间t内的功率变化系数；同时将|ΔP|与有功控制死区P0比较，若|ΔP|在有功控制死区P0以内，则判定风电场处于正常发电状态，对风电场内的风力发电机组的当前运行状态不做改变，同时输出风电场有功功率控制指令，若ΔP|在有功控制死区P0之外，则将风电场实际有功功率PAct与进行比较风电场设定有功功率，其中PSet为风电场设定有功功率；
步骤S2：设定容差Upgrade，若风电场实际有功功率PAct小于或等于风电场设定有功功率PSet时，则进行风电场有功功率提升控制，
对风电场受控风力发电机组的累计设定有功功率PSet1与风电场受控风力发电机组的累计实际有功功率PAct1进行差值计算，若风电场累计设定有功功率PSet1与风电场受控风力发电机组的累计实际有功功率PAct1的差值在容差Upgrade范围以内，则进行风电场有功功率提升控制，从风力发电机组可提升功率队列中进行功率增量的分配，
若可提升功率达不到功率增量，便遍历停机队列，选择可供启动的风力发电机组；反之，若风电场累计设定有功功率PSet1与风电场受控风力发电机组的累计实际有功功率PAct1的差值在容差Upgrade 范围之外则不改变风力发电机组当前运行状态；
步骤S3：若风电场实际有功功率PAct大于风电场设定有功功率 PSet时，则进行风电场有功功率降低控制，从风力发电机组可降功率队列中进行功率减量的分配，若此时可降功率达不到功率减量，便遍历运行机组队列，选择停机；
步骤S4：由功率分配模块通过风电场监控系统向风力发电机组下发有功功率控制指令。
本发明之二一种风电场有功功率控制系统，其与风电场监控系统(SCADA)系统及电网调度系统相互连接，其特征在于：该风电场有功功率控制系统由加法器、有功功率预调整模块、自适应调整控制器及功率分配模块、电网标准限制器组成。
电网标准限制器作用是要求功率提升与功率降低均需满足电网标准对风电场调整时间t内全场有功功率变化限制，调整时间t 为1分钟和10分钟内的全场有功功率变化。
加法器用于通过SCADA系统获取风力发电机组运行数据。
有功功率预调整模块用于判断电网调度系统下发的有功指令与风电场全场实际有功功率出力的差值ΔP是否超出有功控制死区P0的范围，若超出有功控制死区P0，则有功功率预调整量为电网下发有功指令与风电场全场实际有功功率出力的差值；若未超出有功控制死区P0，则有功功率预调整量为0，即不调整有功。
自适应调整控制器用于当电网调度系统下发有功指令与风电场全场实际有功出功率力的差值的绝对值|ΔP|在调整阈值内时，便自适应调整1分钟内有功功率变化系数；同时，对风力发电机组因为风速影响导致有功功率出力飘离设定有功功率的风力发电机组有功死区时，自适应对风力发电机组实施校正控制，最终计算得到当前分配周期全场有功功率调整量ΔP。
功率分配模块用于根据有功可能出力多的风力发电机组所分担的有功多的原则，将自适应调整控制器计算的有功功率调整量ΔP 按比例进行分配到风电场中的各风力发电机组。
综上所述，本发明一种风电场有功功率控制方法及其控制系统通过判断电网下发有功指令与风电场实际有功出力的差值超出了有功控制死区时，对风力发电机组群进行有功协调控制；当各风力发电机组因为风速影响导致出力飘离设定功率的风力发电机组有功死区时，实时对风力发电机组实施校正控制，同时，采用自适应调整时间t内有功功率变化系数控制策略，减小了风电场全场有功功率的波动；通过采集到的风速数据计算风力发电机组的预测最优期望功率，根据有功可能出力多的机组所分担的有功多的原则，按各台最优期望功率在风电场总的最优期望功率中所占比例进行有功功率分配；并且可以满足电网调度对风电场有功控制能力的需求，又可实现风电场最大风电转换效率的控制目标，充分地利用风能，实现风力发电机群的协调控制。
附图说明
图1为本发明一种风电场有功功率控制方法工作机制流程示意图。
图2为本发明一种风电场有功功率控制系统结构示意图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及效果，以下兹例举实施例并配合附图详予说明。
请参阅图1，本发明一种风电场有功功率控制方法，风电场有功功率控制系统通过判断电网下发有功指令与风电场实际有功出力的差值，进行相应的有功功率控制状态，有功功率控制状态包括：升功率状态、降功率状态和正常发电状态，同时当风力发电机组因为风速影响导致出力飘离设定功率的风力发电机组有功死区时，自适应对风力发电机组实施校正控制，具体的控制方法如下：
步骤S1：对电网下发调度指令PSet与风场实际有功功率PAct的进行差值计算并获取差值的绝对值|ΔP|，若|ΔP|小于调整阈值后便自适应调整时间t内的功率变化系数；同时将|ΔP|与有功控制死区P0比较，若|ΔP|在有功控制死区P0以内，则判定风电场处于正常发电状态，对风电场内的风力发电机组的当前运行状态不做改变，同时输出风电场有功功率控制指令，若ΔP|在有功控制死区P0之外，则将风电场实际有功功率PAct与进行比较风电场设定有功功率，其中PSet为风电场设定有功功率；
步骤S2：设定容差Upgrade，若风电场实际有功功率PAct小于或等于风电场设定有功功率PSet时，则进行风电场有功功率提升控制，
对风电场受控风力发电机组的累计设定有功功率PSet1与风电场受控风力发电机组的累计实际有功功率PAct1进行差值计算，若风电场累计设定有功功率PSet1与风电场受控风力发电机组的累计实际有功功率PAct1的差值在容差Upgrade范围以内，则进行风电场有功功率提升控制，从风力发电机组可提升功率队列中进行功率增量的分配，
若可提升功率达不到功率增量，便遍历停机队列，选择可供启动的风力发电机组；反之，若风电场累计设定有功功率PSet1与风电场受控风力发电机组的累计实际有功功率PAct1的差值在容差Upgrade 范围之外则不改变风力发电机组当前运行状态；
步骤S3：若风电场实际有功功率PAct大于风电场设定有功功率 PSet时，则进行风电场有功功率降低控制，从风力发电机组可降功率队列中进行功率减量的分配，若此时可降功率达不到功率减量，便遍历运行机组队列，选择停机；
步骤S4：由功率分配模块通过风电场监控系统向风力发电机组下发有功功率控制指令。
其中，步骤2和步骤3中需通过电网标准限制器判断功率提升与功率降低均需满足电网标准对风电场调整时间t内的全场有功功率变化要求。
其中，步骤S1中的时间t根据风电场的具体情况进行设定，本发明具体实施例中，调整时间t为全场有功功率1分钟变化和10 分钟变化。
步骤S1中的有功控制死区P0的设定根据风电场装机容量进行设定。
电网标准限制器分别建立时间长度区间为1分钟和10分钟全场有功功率变化的监测机制，判断在时间长度区间1分钟或10分钟内，风电场全场有功功率变化超出限定值，该限定值小于电网标准相应1分钟或者10分钟设定限值，则在当前有功功率控制周期将有功功率预调整量设置为0，即当前有功功率控制周期不继续进行有功功率调整；否则，在当前有功功率控制周期不对有功功率预调整量做修正；风电场全场有功功率变化超出限定值为的电网标准相应1分钟或者10分钟设定限值的90％。
执行功率提升控制时，有功功率分配方法
在进行风电场有功功率分配时，根据预测的有功功率出力多的风力发电机组所分担的有功功率多的原则，按比例进行分配。
有功功率提升控制方法
在可提升有功功率的风力发电机组队列中，增加各风力发电机组的发电计划，将电网下发调度指令PSet与风电场实际有功功率PAct的差值△P根据预测的有功功率出力多的风力发电机组所分担的有功功率多的原则，按比例进行分配，若该风力发电机组计划值超过自身的运行容量，则将超出部分分给其他风力发电机组，该功率提升控制方法包括：
步骤21：计算并获取进行有功功率提升控制时的第i台风力发电机组设定有功功率P_Set(i)的方法，即记录各风力发电机组期望出力P_Exp(i)，计算各风力发电机组累加期望出力，第i台风力发电机组设定有功功率P_Set(i)为：
步骤22：若该第i台风力发电机组设定有功功率P_Set(i)大于上限有功功率P_upLimit(i)时，则P_Set(i)＝P_upLimit(i)，并将多余部分协调分配到其他风力发电机组；
步骤23：若该风力发电机组设定功率小于下限有功功率 P_lowLimit(i)时，则P_Set(i)＝P_lowLimit(i)；
步骤24：若该第i台风力发电机组设定功率P_Set(i)与实际功率 P_act(i)差值大于风力发电机组有功死区值Windturbine_error时，则自适应调整有功设定值P_Set(i)＝P_act(i)+Windturbine_error，并将多余部分协调分配到其他风力发电机组；
步骤25：遍历各风力发电机组，循环进行步骤21、步骤22、步骤23及步骤24的控制。
执行功率降低控制时，有功功率分配方法
在可降低有功功率的风力发电机组队列中，根据预测的有功功率可能出力多的风力发电机组所降低的有功少的原则，按比例分配。
有功功率降低控制方法
该功率降低控制方法包括：
步骤31：算并获取进行有功功率降低控制时的各第i台风力发电机组设定有功功率P_Set(i)，即记录各风力发电机组期望出力 P_Exp(i)，第i台风力发电机组实际有功功率输出记为P_act(i)，计算各风力发电机组累加期望出力，第i台风力发电机组设定有功功率 P_Set(i)为：
步骤32：若该风力发电机组设定有功功率大于上限有功功率 P_upLimit(i)时，则P_Set(i)＝P_upLimit(i)，并将多余部分协调分配到其他风力发电机组；
步骤33：若该风力发电机组设定功率小于下限功率P_lowLimit(i) 时，则P_Set(i)＝P_lowLimit(i)；
步骤34：遍历各风力发电机组，循环进行步骤31、步骤32及步骤33的控制。
本发明一种风电场有功功率控制系统，其与风电场监控系统 (SCADA)系统及电网调度系统相互连接，该风电场有功功率控制系统由加法器、有功功率预调整模块、自适应调整控制器及功率分配模块、电网标准限制器组成。
电网标准限制器作用是要求功率提升与功率降低均需满足电网标准对风电场调整时间t内全场有功功率变化限制，调整时间t 为1分钟和10分钟内的全场有功功率变化。
电网标准限制器分别建立时间长度区间为1分钟和10分钟全场有功功率变化的监测机制，判断在时间长度区间1分钟或10分钟内，风电场全场有功功率变化超出限定值，该限定值小于电网标准相应1分钟或者10分钟设定限值，则在当前有功功率控制周期将有功功率预调整量设置为0，即当前有功功率控制周期不继续进行有功功率调整；否则，在当前有功功率控制周期不对有功功率预调整量做修正。在具体实施例中，风电场全场有功功率变化超出限定值为的电网标准相应1分钟或者10分钟设定限值的90％。
加法器用于通过SCADA系统获取风力发电机组运行数据。
有功功率预调整模块用于判断电网调度系统下发的有功指令与风电场全场实际有功功率出力的差值ΔP是否超出有功控制死区 P0的范围，若超出有功控制死区P0，则有功功率预调整量为电网下发有功指令与风电场全场实际有功功率出力的差值；若未超出有功控制死区P0，则有功功率预调整量为0，即不调整有功。
自适应调整控制器用于当电网调度系统下发有功指令与风电场全场实际有功出功率力的差值的绝对值|ΔP|在调整阈值内时，便自适应调整1分钟内有功功率变化系数；同时，对风力发电机组因为风速影响导致有功功率出力飘离设定有功功率的风力发电机组有功死区时，自适应对风力发电机组实施校正控制，最终计算得到当前分配周期全场有功功率调整量ΔP。调整阈值由风电场装机容量确定，一般取风电场装机容量的5％。
功率分配模块用于根据有功可能出力多的风力发电机组所分担的有功多的原则，将自适应调整控制器计算的有功功率调整量ΔP 按比例进行分配到风电场中的各风力发电机组。
本发明一种风电场有功功率控制方法及其控制系统通过判断电网下发有功指令与风电场实际有功出力的差值超出了有功控制死区时，对风力发电机组群进行有功协调控制；当各风力发电机组因为风速影响导致出力飘离设定功率的风力发电机组有功死区时，实时对风力发电机组实施校正控制，同时，采用自适应调整时间t 内有功功率变化系数控制策略，减小了风电场全场有功功率的波动；通过采集到的风速数据计算风力发电机组的预测最优期望功率，根据有功可能出力多的机组所分担的有功多的原则，按各台最优期望功率在风电场总的最优期望功率中所占比例进行有功功率分配。
本发明一种风电场有功功率控制方法及其系统可以满足电网调度对风电场有功控制能力的需求，又可实现风电场最大风电转换效率的控制目标，充分地利用风能，实现风力发电机群的协调控制。
以上所述的技术方案仅为本发明的较佳实施例，任何在本发明基础上所作的等效变换或替换都包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种风电场有功功率控制方法，其包括：
步骤S1：对电网下发调度指令PSet与风场实际有功功率PAct的进行差值计算并获取差值的绝对值|ΔP|，若|ΔP|小于调整阈值后便自适应调整时间t内的功率变化系数；同时将|ΔP|与有功控制死区P0比较，若|ΔP|在有功控制死区P0以内，则判定风电场处于正常发电状态，对风电场内的风力发电机组的当前运行状态不做改变，同时输出风电场有功功率控制指令，若ΔP|在有功控制死区P0之外，则将风电场实际有功功率PAct与进行比较风电场设定有功功率，其中PSet为风电场设定有功功率；
步骤S2：设定容差Upgrade，若风电场实际有功功率PAct小于或等于风电场设定有功功率PSet时，则进行风电场有功功率提升控制，
对风电场受控风力发电机组的累计设定有功功率PSet1与风电场受控风力发电机组的累计实际有功功率PAct1进行差值计算，若风电场累计设定有功功率PSet1与风电场受控风力发电机组的累计实际有功功率PAct1的差值在容差Upgrade范围以内，则进行风电场有功功率提升控制，从风力发电机组可提升功率队列中进行功率增量的分配，
若可提升功率达不到功率增量，便遍历停机队列，选择可供启动的风力发电机组；反之，若风电场累计设定有功功率PSet1与风电场受控风力发电机组的累计实际有功功率PAct1的差值在容差Upgrade范围之外则不改变风力发电机组当前运行状态；
步骤S3：若风电场实际有功功率PAct大于风电场设定有功功率PSet时，则进行风电场有功功率降低控制，从风力发电机组可降功率队列中进行功率减量的分配，若此时可降功率达不到功率减量，便遍历运行机组队列，选择停机；
步骤S4：由功率分配模块通过风电场监控系统向风力发电机组下发有功功率控制指令。
2.如权利要求1所述的一种风电场有功功率控制方法，其特征在于：步骤2和步骤3中需通过电网标准限制器判断功率提升与功率降低均需满足电网标准对风电场调整时间t内的全场有功功率变化要求。
3.如权利要求2所述的一种风电场有功功率控制方法，其特征在于：调整时间t为全场有功功率1分钟变化和10分钟变化。
4.如权利要求1所述的一种风电场有功功率控制方法，其特征在于：步骤S1中的有功控制死区P0的设定根据风电场装机容量进行设定。
5.如权利要求2所述的一种风电场有功功率控制方法，其特征在于：电网标准限制器分别建立时间长度区间为1分钟和10分钟全场有功功率变化的监测机制，判断在时间长度区间1分钟或10分钟内，风电场全场有功功率变化超出限定值，该限定值小于电网标准相应1分钟或者10分钟设定限值，则在当前有功功率控制周期将有功功率预调整量设置为0，即当前有功功率控制周期不继续进行有功功率调整；否则，在当前有功功率控制周期不对有功功率预调整量做修正；风电场全场有功功率变化超出限定值为的电网标准相应1分钟或者10分钟设定限值的90％。
6.如权利要求1所述的一种风电场有功功率控制方法，其特征在于：执行功率提升控制时，在进行风电场有功功率分配时，根据预测的有功功率出力多的风力发电机组所分担的有功功率多的原则，按比例进行分配。
7.如权利要求6所述的一种风电场有功功率控制方法，其特征在于：该有功功率提升控制方法包括：
步骤21：计算并获取第i台风力发电机组设定有功功率P_Set(i)；
步骤22：若该第i台风力发电机组设定有功功率P_Set(i)大于上限有功功率P_upLimit(i)时，则P_Set(i)＝P_upLimit(i)，并将多余部分协调分配到其他风力发电机组；
步骤23：若该风力发电机组设定功率小于下限有功功率P_lowLimit(i)时，则P_Set(i)＝P_lowLimit(i)；
步骤24：若该第i台风力发电机组设定功率P_Set(i)与实际功率P_act(i)差值大于风力发电机组有功功率死区值Windturbine_error时，则自适应调整有功设定值P_Set(i)＝P_act(i)+Windturbine_error，并将多余部分协调分配到其他风力发电机组；
步骤25：遍历各风力发电机组，循环进行步骤21、步骤22、步骤23及步骤24的控制。
8.如权利要求1所述的一种风电场有功功率控制方法，其特征在于：计算并获取进行有功功率提升控制时的第i台风力发电机组设定有功功率P_Set(i)的方法，即通过记录各风力发电机组期望出力P_Exp(i)，计算各风力发电机组累加期望出力，第i台风力发电机组设定有功功率P_Set(i)为：
其中，P_lastSet(i)为该第i台风力发电机组上一周期设定的有功功率。
9.如权利要求8所述的一种风电场有功功率控制方法，其特征在于：执行功率降低控制时，在可降低有功功率的风力发电机组队列中，根据预测的有功功率可能出力多的风力发电机组所降低的有功少的原则，按比例分配。
10.如权利要求9所述的一种风电场有功功率控制方法，其特征在于：
步骤31：计算并获取进行有功功率降低控制时的各第i台风力发电机组设定有功功率P_Set(i)；
步骤32：若该风力发电机组设定有功功率大于上限有功功率P_upLimit(i)时，则P_Set(i)＝P_upLimit(i)，并将多余部分协调分配到其他风力发电机组；
步骤33：若该风力发电机组设定功率小于下限功率P_lowLimit(i)时，则P_Set(i)＝P_lowLimit(i)；
步骤34：遍历各风力发电机组，循环进行步骤31、步骤32及步骤33的控制。
11.如权利要求6-10所述的一种风电场有功功率控制方法，其特征在于：计算并获取各第i台风力发电机组设定有功功率P_Set(i)的方法，即记录各风力发电机组期望出力P_Exp(i)，第i台风力发电机组实际有功功率输出记为P_act(i)，计算各风力发电机组累加期望出力，第i台风力发电机组设定有功功率P_Set(i)为：
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12.一种风电场有功功率控制系统，其与风电场监控系统(SCADA)系统及电网调度系统相互连接，其特征在于：该风电场有功功率控制系统由加法器、有功功率预调整模块、自适应调整控制器及功率分配模块、电网标准限制器组成；
电网标准限制器作用是要求功率提升与功率降低均需满足电网标准对风电场调整时间t内全场有功功率变化限制，调整时间t为1分钟和10分钟内的全场有功功率变化；
加法器用于通过SCADA系统获取风力发电机组运行数据；
有功功率预调整模块用于判断电网调度系统下发的有功指令与风电场全场实际有功功率出力的差值ΔP是否超出有功控制死区P0的范围，若超出有功控制死区P0，则有功功率预调整量为电网下发有功指令与风电场全场实际有功功率出力的差值；若未超出有功控制死区P0，则有功功率预调整量为0，即不调整有功；
自适应调整控制器用于当电网调度系统下发有功指令与风电场全场实际有功出功率力的差值的绝对值|ΔP|在调整阈值内时，便自适应调整1分钟内有功功率变化系数；同时，对风力发电机组因为风速影响导致有功功率出力飘离设定有功功率的风力发电机组有功死区时，自适应对风力发电机组实施校正控制，最终计算得到当前分配周期全场有功功率调整量ΔP；
功率分配模块用于根据有功可能出力多的风力发电机组所分担的有功多的原则，将自适应调整控制器计算的有功功率调整量ΔP按比例进行分配到风电场中的各风力发电机组。
13.如权利要求12所述的一种风电场有功功率控制系统，其特征在于：电网标准限制器分别建立时间长度区间为1分钟和10分钟全场有功功率变化的监测机制，判断在时间长度区间1分钟或10分钟内，风电场全场有功功率变化超出限定值，该限定值小于电网标准相应1分钟或者10分钟设定限值，则在当前有功功率控制周期将有功功率预调整量设置为0，即当前有功功率控制周期不继续进行有功功率调整；否则，在当前有功功率控制周期不对有功功率预调整量做修正。
14.如权利要求12所述的一种风电场有功功率控制系统，其特征在于：风电场全场有功功率变化超出限定值为的电网标准相应1分钟或者10分钟设定限值的90％。
15.如权利要求12所述的一种风电场有功功率控制系统，其特征在于：调整阈值由风电场装机容量确定，取风电场装机容量的5％。
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