CN109378903A - 一种风电场能量管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风电场能量管理系统，包括站控层、现地层、远方控制，具有位于站控层与现地层之间作为间隔层的风电场电网接入控制系统和通信控制单元，所述风电场电网接入控制系统的核心是电网接入控制单元，其具有风电场并网控制程序、有功出力控制程序、无功出力控制程序、系统频率调节控制程序和电压调节控制程序。本发明具有比较强大的风电场接入电网的电力实时输出与运行控制功能，能够较好地与我国电网调度接口，有利于并网风电场与接入地区电网相互协调配合运行，并使风电场监控系统和变电站监控系统的数据信息能够共享和融合，利用两者的数据实现综合控制，有利于风电场的管理和运行。

Description

一种风电场能量管理系统
技术领域
本发明属于电网技术领域，涉及到一种风电场能量管理系统。
背景技术
近10年来，风力发电在全球以年增长率超过30％而成为发展最快的清洁能源。目前，风力发电的核心控制技术一直掌握在国外企业手中，风电场监控系统等核心控制技术尚未实现国产化，机组控制系统、风电场监控系统等相关控制产品完全依赖进口。随着风电场数量的增加和规模的扩大、风电场监控系统受制于人给风电场的运行管理带来的弊端也日趋明显。
目前，我国风电场多为大规模风电场集中接入电力系统，风电场的总容量一般有几十MW到几百MW，在建设风电场的同时，一般都要新建配套的变电站。变电站和风电场的监控都在一个监控室内，因此一个监控室会拥有一套变电站监控系统和若干套风电场监控系统，相互之间无法实现信息共享与融合，这给风电场的运行管理以及维护带来极大的不便。
发明内容
为解决上述问题，本发明一种风电场能量管理系统，能够克服现有风电场监控系统无法与我国的电网调度控制系统接口以及监控室内多套监控系统之间无法实现信息共享与融合的缺点，提供一种具有电网接入控制的风电场能量管理系统。
本发明具体为一种风电场能量管理系统，具有电网接入控制的风电场能量管理系统，包括站控层：SCADA服务器、操作员工作站、五防工作站、保护师工作站、管理工作站、风电预报工作站、Web服务器的控制部分，现地层：变电站测控保护系统、测风塔、风电机组的现地控制单元的控制部分，远方控制：远程工作站的控制部分，以及为系统所有设备提供统一时钟的GPS系统，具有位于站控层与现地层之间作为间隔层的风电场电网接入控制系统(简称WPGICs)和通信控制单元(简称CCU)，所述WPGICs的核心是电网接入控制单元(简称GICU)，其具有风电场并网控制程序、有功出力控制程序、无功出力控制程序、系统频率调节控制程序、和电压调节控制程序。
进一步的所述风电场并网控制程序包括以下步骤：
a、判断实时电网频率f是否满足风电场并网的频率要求：49Hz<f<51Hz，若满足进入步骤b，否则，停止风电场并网，
b、判断风电场接入点实时电压V是否满足风电场并网的电压要求：对于110kV系统，105kV<V<115kV，对于220kV系统，210kV<V<230kV，若满足进入步骤c，否则，停止风电场并网，
c、风电场按每分钟增加20％装机容量的速率逐步并网，达到当时最大可用有功出力的90％以上时，完成并网控制过程；
进一步的所述风电场有功出力控制程序包括以下步骤：
a、接受有功出力调控指令，若有功出力调控指令来自电网调度中心，置判断标志flag为0，若有功出力调控指令来自现地层，置判断标志flag为1，
b、根据设定的有功最大变化率λ，按式(1)计算每分钟的风电场实时有功出力P：
P＝Ppre+λ×Pmax (1)
式中，Ppre为前一分钟的风电场实时有功出力，Pmax为风电场的最大有功出力，当风电场装机容量Pins<30MW时，λ·Prmax≤6MW/min，当30MW≤Pins≤150MW时，λ·Prmax≤Pins/5，当Pins>150MW时，λ·Prmax≤30MW/min，
c、当flag＝0，进入步骤d，当flag＝1，按式(2)对风电场有功实时出力进行校验
P≤0.9Pava (2)
式中，Pava为风电场可用最大有功出力，若满足式(2)，进入步骤d，否则，退出控制，
d、将得到的风电场实时有功出力按风电机组容量比例分配到每台风电机组，进行有功调控，完成一次风电场有功出力控制，
e、对调控后的风电场实时有功出力进行采样，若满足有功出力调控指令的要求，退出控制，等待下一个调控指令，否则，回到步骤b；
进一步的所述风电场无功出力控制程序包括以下步骤：
a、设定风电场无功出力值，
b、将无功出力值按风电机组容量比例分配到每台风电机组，进行无功调控；
进一步的所述风电场系统频率调节控制程序包括以下步骤：
a、判断实时电网频率f是否满足电网运行的合格频率要求：49.5Hz<f<50.2Hz，若满足，进入步骤e，若不满足，进入步骤b，
b、根据设定的有功最大变化率λ，计算每分钟的风电场实时有功出力，若47Hz<f<49.5Hz，按式(1)增加风电场有功出力至P：
P＝Ppre+λ×Pmax (1)
式中，Ppre为前一分钟的风电场实时有功出力，Pmax为风电场的最大有功出力，当风电场装机容量Pins<30MW时，λ·Prmax≤6MW/min，当30MW≤Pins≤150MW时，λ·Prmax≤Pins/5，当Pins>150MW时，λ·Prmax≤30MW/min，
若50.2Hz<f<51Hz，按式(3)降低风电场有功出力至P：
若f<47Hz或f>51Hz，风电场每分钟减少40％实时有功出力，
c、判断风电场有功出力P是否满足风电场运行要求，若P>Pmax或P<Pmin，则风电场有功出力P修正为：
式中，Pmin为风电场最小有功出力，
d、将得到的风电场实时有功出力按风电机组容量比例分配到每台风电机组，进行有功调控，完成一次风电场系统频率调节控制，
e、设控制延时，通过判断控制延时触发下一次控制，回到步骤a；
进一步的所述风电场电压调节控制程序包括以下步骤：
a、设标准电压参考值Vref为1.0p.u.，读取风电场接入点实时电压V，若满足0.9Vref≤V≤1.1Vref条件，风电场不进行电压无功控制，仍按当前的无功出力运行，设无功调节标志nCount＝0，若不满足上述条件，进入步骤b，
b、当nCount＝0，进入步骤e，否则进入步骤c，
c、按式(5)计算电压变化值ΔV：
ΔV＝Vk+1-Vk (5)
式中，Vk+1为第k+1次无功调控后的实时电压值，Vk为第k次无功调控后的实时电压值，
d、判断无功调整后的系统电压变化趋势，若ΔV/Vk>0.1，修正风电场无功分级调整量ΔQstep为0.9ΔQstep，进入步骤e，否则，当V>Vref并且ΔV>0时，修正ΔQstep为1.2～1.4ΔQstep，当V<Vref并且ΔV<0时，修正ΔQstep为1.2～1.4ΔQstep，除上述三种情况外，ΔQstep维持原值不变，
e、根据式(6)分级调整风电场的实时无功出力
Q′＝Q+ΔQstep (6)
式中，Q′为调整后的风电场无功出力，Q为当前风电场无功出力，ΔQstep为风电场无功分级调整量，可选为风电场无功容量的10％～50％，
f、判断调整后的风电场无功出力Q′是否满足风电场运行要求，若Q′>Qmax或Q′<Qmin，则风电场无功出力Q修正为：
式中，Qmax和Qmin分别为风电场无功出力最大值和最小值，
g、将得到的风电场实时无功出力按风电机组容量比例分配到每台风电机组，进行无功调控，nCount+1，完成一次风电场电压调节控制，
h、设控制延时，通过判断控制延时触发下一次控制，回到步骤a。
进一步的所述通信控制单元(CCU)包括系统配置组态和调试仿真功能、友善的嵌入式彩色图形界面、顺序控制和逻辑闭锁控制功能、各种测控装置的通信和控制、国内外各种保护控制设备的通信和控制、规约转换模块、数据库管理模块以及远方诊断和维护服务功能。
本发明的有益效果如下：本发明为风电场能量管理系统提供了风电场电网接入控制系统(WPGICs)，具有比较强大的风电场接入电网的电力实时输出与运行控制功能，能够较好地与我国电网调度接口，将风电场的运行数据发送到电网调度系统，并从调度系统接收电网的调度指令，根据电网调度中心的要求、地区电网运行的需求和风电场的工况进行电力实时输出与运行控制，能够在风电场级对风电场的实时出力进行统一规划，有利于并网风电场与接入地区电网相互协调配合运行。
本发明的电网接入控制单元(GICU)和通信控制单元(CCU)，作为站控层与现地层之间的间隔层，使风电场监控系统和变电站监控系统的数据信息能够共享和融合，利用两者的数据实现综合控制，有利于风电场的管理和运行。
附图说明
图1为发明一种风电场能量管理系统的组成框图；
图2为发明电网接入控制的风电场能量管理系统的构成示意图；
图3为发明作为间隔层的风电场电网接入控制系统的有功出力控制流程图；
图4为发明作为间隔层的风电场电网接入控制系统的频率控制流程图；
图5为发明作为间隔层的风电场电网接入控制系统的电压控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图对发明一种风电场能量管理系统具体实施方式做详细阐述。
如图1所示，本发明具有电网接入控制的风电场能量管理系统(WEMS)的作为间隔层的风电场电网接入控制系统具有风电场并网控制程序、有功出力控制程序、无功出力控制程序、系统频率调节控制程序和电压调节控制程序。
如图2所示，实例中，本发明具有电网接入控制的风电场能量管理系统(WEMS)中还具有风电场操作员培训系统，位于站控层计算机监控网络的软件体系，负责对风电场的运行状态进行仿真模拟，用于对风电场运行管理人员进行相关的技能培训。
实例一：本发明具有电网接入控制的风电场能量管理系统(WEMS)用于风电场的并网控制程序。
该并网风电场总有功容量为100MW，无功容量为±33.5MVA，由67台单机有功容量为1.5MW、无功容量为±0.5MVA的双馈异步风电机组构成，经接入线路接入110kV系统，并网期间风速条件能够满足风电场出力满发要求。
测量实时电网频率f为50Hz，满足风电场并网的频率要求，再提取风电场接入点的实时电压为112kV，符合风电场并网的电压要求。由于两个并网条件均满足，此时，风电场按每分钟增加20％装机容量的速率并网，第4分钟时，风电场并网容量达到80MW，低于达到当时最大可用有功出力100MW的90％，继续增加出力，至第5分钟风电场并网容量达100MW，已达到当时最大可用有功出力的100％，完成并网控制过程。
实例二：如图3所示，本发明具有电网接入控制的风电场能量管理系统(WEMS)用于风电场有功出力控制程序。
该并网风电场总有功容量为100MW，无功容量为±33.5MVA，由67台单机有功容量为1.5MW、无功容量为±0.5MVA的双馈异步风电机组构成，风电场初始有功出力为60MW，每台风电机组的初始有功出力为0.89MW，每分钟最大有功变化率为额定有功容量的2％。风速变化使风电场的有功出力增加到70MW，由于最大有功变化率的限制，风电场将逐步调整其有功出力，根据式(1)得风电场有功出力每分钟调整2MW，即每台风电机组每分钟调整有功出力0.03MW。这样，经过5分钟的调控，风电场可以将有功出力调整到70MW，完成风速变化要求的有功调整量，此时，每台风电机组的有功出力为1.045MW。
实例三：本发明具有电网接入控制的风电场能量管理系统(WEMS)用于风电场无功出力控制程序。
该并网风电场总有功容量为100MW，无功容量为±33.5MVA，由67台单机有功容量为1.5MW、无功容量为±0.5MVA的双馈异步风电机组构成，风电场初始无功出力为0。此时，人工设定风电场无功出力值为20MVA，则无功出力控制程序将该值按机组容量比例分配到各风电机组，即每台风电机组调整无功出力0.3MVA，这样即可满足无功出力的要求。
实例四：如图4所示，本发明具有电网接入控制的风电场能量管理系统(WEMS)用于风电场系统频率调节控制程序。
该并网风电场总有功容量为100MW，无功容量为±33.5MVA，由67台单机有功容量为1.5MW、无功容量为±0.5MVA的双馈异步风电机组构成，风电场初始有功出力为80MW，每台风电机组有功出力为1.19MW。此外，由于频率为系统全局量，即系统各处频率相同，故可以根据风电场出口变电站实测的频率作为系统频率量。采用如图5所示的频率控制步骤进行控制。首先，测得系统频率为50.9Hz，在50.2Hz～51Hz之间，频率出现异常，需要风电场调整有功出力对系统进行支持；其次，由WGPICs从电网调度中心或运行操作员处提取每分钟最大有功变化率为20MW；由于按照式(3)中的上式，求得风电场每分钟的有功出力变化为22.4MW，大于20MW，故取为20MW；此时风电场的有功出力降低至60MW，将20MW的有功出力调整量按风电机组容量比例分配到各台风电机组后为每台风电机组降低0.3MW，调整后每台风电机组的有功出力为0.89MW，由于风电场所连接的主电网内的调频机组也参与调频，经过一次有功调控后，系统频率恢复到50.5Hz。经1s延时后，风电场出口变电站的实测系统频率为50.4Hz，仍然异常，重复上述步骤进行风电场有功出力的调节。此时，按照式(3)中的上式，求得风电场每分钟的有功出力变化4.8MW，此时风电场的有功出力降至55.2MW，将4.8MW的有功出力调整量按风电机组容量比例分配到各台风电机组后每台风电机组降低0.07MW，调整后每台风电机组的有功出力为0.82MW，再配合主电网的调频，系统频率恢复至50.1Hz，在正常范围内。采用发明的风电场能量管理系统，能够充分兼顾系统运行的特殊需求，积极参与系统调频。
实例五：如图5所示，本发明具有电网接入控制的风电场能量管理系统(WEMS)用于风电场电压调节控制程序。
该并网风电场总有功容量为100MW，无功容量为±33.5MVA，由67台单机有功容量为1.5MW、无功容量为±0.5MVA的双馈异步风电机组构成，风电场初始按恒单位功率因数方式运行，无功出力为0，每台风电机组的初始无功出力也为0，风电场的每步无功调整量为5MVA。此外，由于电压为局部量，即无功的调节只能在很小的局部区域内对电压产生影响，故风电场的无功调节只兼顾风电场接入地区局部电网的电压影响，具体控制时，选择风电场接入变电站低压侧电压作为控制对象，采用如图5所示的频率控制步骤进行控制。首先，读取风电场接入变电站的实测电压为0.85p.u.，超出允许运行电压范围，此时置nCount为0，根据式(6)计算得风电场调整无功出力5MVA，调整后的风电场无功出力为5MVA，每台风电机组的无功出力调整0.075MVA，调整后每台风电机组的无功出力为0.075MVA。调整后，延时0.1s，再次测得风电场接入变电站低压侧电压为0.875p.u.，仍然超出允许运行电压范围，此时置nCount为1，根据式(6)计算得风电场再次调整无功出力5MVA，调整后的风电场无功出力为10MVA，每台风电机组的无功出力调整0.075MVA，调整后每台风电机组的无功出力为0.15MVA。调整后，延时0.1s，测得风电场接入变电站低压侧电压为0.872p.u.，超出允许运行电压范围，此时置nCount为2，根据式(5)计算得ΔV<0，说明实时电压低于上次调控后的电压，无功调整量不足，电压继续恶化，则修正每步无功出力调整量为7MVA，调整后的风电场无功出力为17MVA，每台风电机组调整无功出力0.104MVA，调整后每台风电机组的无功出力为0.254MVA。调整后，延时0.1s，测得风电场接入变电站低压侧电压为0.894p.u.，略低于允许运行电压的下限，置nCount为3，根据式(5)计算得ΔV>0，说明实时电压高于上次调控的电压，电压正在逐步改良，风电场继续调整无功出力7MVA，调整后的风电场无功出力为24MVA，每台风电机组调整无功出力0.104MVA，调整后每台风电机组的无功出力为0.358MVA。调整后，经过0.1s的延时，风电场接入变电站低压侧实测电压为0.921p.u.，恢复到正常电压范围。
最后应该说明的是，结合上述实施例仅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应当理解到，本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。

Claims (7)

1.一种风电场能量管理系统，包括站控层：SCADA服务器、操作员工作站、五防工作站、保护师工作站、管理工作站、风电预报工作站、Web服务器的控制部分，现地层：变电站测控保护系统、测风塔、风电机组的现地控制单元的控制部分，远方控制：远程工作站的控制部分，以及为系统所有设备提供统一时钟的GPS系统，其特征在于，具有位于站控层与现地层之间作为间隔层的风电场电网接入控制系统和通信控制单元，所述风电场电网接入控制系统的核心是电网接入控制单元，其具有风电场并网控制程序、有功出力控制程序、无功出力控制程序、系统频率调节控制程序和电压调节控制程序。
2.根据权利要求1所述的一种风电场能量管理系统，其特征在于，所述风电场并网控制程序包括以下步骤：
a、判断实时电网频率f是否满足风电场并网的频率要求：49Hz<f<51Hz，若满足进入步骤b，否则，停止风电场并网；
b、判断风电场接入点实时电压V是否满足风电场并网的电压要求：对于110kV系统，105kV<V<115kV，对于220kV系统，210kV<V<230kV，若满足进入步骤c，否则，停止风电场并网；
c、风电场按每分钟增加20％装机容量的速率逐步并网，达到当时最大可用有功出力的90％以上时，完成并网控制过程。
3.根据权利要求1所述的一种风电场能量管理系统，其特征在于，所述风电场有功出力控制程序包括以下步骤：
a、接受有功出力调控指令，若有功出力调控指令来自电网调度中心，置判断标志flag为0，若有功出力调控指令来自现地层，置判断标志flag为1；
b、根据设定的有功最大变化率λ，按式(1)计算每分钟的风电场实时有功出力P：
P＝Ppre+λ×Pmax (1)
式中，Ppre为前一分钟的风电场实时有功出力，Pmax为风电场的最大有功出力，当风电场装机容量Pins<30MW时，λ·Prmax≤6MW/min，当30MW≤Pins≤150MW时，λ·Prmax≤Pins/5，当Pins>150MW时，λ·Prmax≤30MW/min；
c、当flag＝0，进入步骤d，当flag＝1，按式(2)对风电场有功实时出力进行校验
P≤0.9Pava (2)
式中，Pava为风电场可用最大有功出力，若满足式(2)，进入步骤d，否则，退出控制；
d、将得到的风电场实时有功出力按风电机组容量比例分配到每台风电机组，进行有功调控，完成一次风电场有功出力控制；
e、对调控后的风电场实时有功出力进行采样，若满足有功出力调控指令的要求，退出控制，等待下一个调控指令，否则，回到步骤b。
4.根据权利要求1所述的一种风电场能量管理系统，其特征在于，所述风电场无功出力控制程序包括以下步骤：
a、设定风电场无功出力值；
b、将无功出力值按风电机组容量比例分配到每台风电机组，进行无功调控。
5.根据权利要求1所述的一种风电场能量管理系统，其特征在于，所述风电场系统频率调节控制程序包括以下步骤：
a、判断实时电网频率f是否满足电网运行的合格频率要求：49.5Hz<f<50.2Hz，若满足，进入步骤e，若不满足，进入步骤b；
b、根据设定的有功最大变化率λ，计算每分钟的风电场实时有功出力，若47Hz<f<49.5Hz，按式(1)增加风电场有功出力至P：
P＝Ppre+λ×Pmax (1)
式中，Ppre为前一分钟的风电场实时有功出力，Pmax为风电场的最大有功出力，当风电场装机容量Pins<30MW时，λ·Prmax≤6MW/min，当30MW≤Pins≤150MW时，λ·Prmax≤Pins/5，当Pins>150MW时，λ·Prmax≤30MW/min，
若50.2Hz<f<51Hz，按式(3)降低风电场有功出力至P：
若f<47Hz或f>51Hz，风电场每分钟减少40％实时有功出力；
c、判断风电场有功出力P是否满足风电场运行要求，若P>Pmax或P<Pmin，则风电场有功出力P修正为：
式中，Pmin为风电场最小有功出力；
d、将得到的风电场实时有功出力按风电机组容量比例分配到每台风电机组，进行有功调控，完成一次风电场系统频率调节控制；
e、设控制延时，通过判断控制延时触发下一次控制，回到步骤a。
6.根据权利要求1所述的一种风电场能量管理系统，其特征在于，所述风电场电压调节控制程序包括以下步骤：
a、设标准电压参考值Vref为1.0p.u.，读取风电场接入点实时电压V，若满足0.9Vref≤V≤1.1Vref条件，风电场不进行电压无功控制，仍按当前的无功出力运行，设无功调节标志nCount＝0，若不满足上述条件，进入步骤b；
b、当nCount＝0，进入步骤e，否则进入步骤c；
c、按式(5)计算电压变化值ΔV：
ΔV＝Vk+1-Vk (5)
式中，Vk+1为第k+1次无功调控后的实时电压值，Vk为第k次无功调控后的实时电压值；
d、判断无功调整后的系统电压变化趋势，若ΔV/Vk>0.1，修正风电场无功分级调整量ΔQstep为0.9ΔQstep，进入步骤e，否则，当V>Vref并且ΔV>0时，修正ΔQstep为1.2～1.4ΔQstep，当V<Vref并且ΔV<0时，修正ΔQstep为1.2～1.4ΔQstep，除上述三种情况外，ΔQstep维持原值不变；
e、根据式(6)分级调整风电场的实时无功出力
Q′＝Q+ΔQstep (6)
式中，Q′为调整后的风电场无功出力，Q为当前风电场无功出力，ΔQstep为风电场无功分级调整量，可选为风电场无功容量的10％～50％；
f、判断调整后的风电场无功出力Q′是否满足风电场运行要求，若Q′>Qmax或Q′<Qmin，则风电场无功出力Q修正为：
式中，Qmax和Qmin分别为风电场无功出力最大值和最小值；
g、将得到的风电场实时无功出力按风电机组容量比例分配到每台风电机组，进行无功调控，nCount+1，完成一次风电场电压调节控制；
h、设控制延时，通过判断控制延时触发下一次控制，回到步骤a。
7.根据权利要求1所述的一种风电场能量管理系统，其特征在于，具有风电场操作员培训系统，该系统为位于站控层计算机监控网络的软件体系，负责对风电场的运行状态进行仿真模拟。
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