CN109617146A - 一种风力发电机并网中无功功率调度精度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种风力发电机并网中无功功率调度精度控制方法，其采取的工艺措施是：主控系统向变流器下发无功功率指令值、并检测风机并网出口处的无功功率值，主控系统将检测到的风机并网出口处的无功功率值实时反馈给变流器，变流器将主控系统反馈的并网出口处的无功功率值与接收到的无功功率指令值进行作差，以此获得辅助变压器低压侧负荷的无功功率补偿值，按照获得的无功功率补偿值，在变流器和主控系统的一个通信周期内，动态修正当前变流器注入无功功率的输入指令值，使主控系统所检测到的并网出口处的无功功率值和主控系统所注入给变流器的无功功率指令值精确、可靠地保持一致，简单易行地实现风力发电机在并网中的无功功率调度的精确控制。

Description

一种风力发电机并网中无功功率调度精度控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电机并网调度运行的管理控制技术，具体是一种风力发电机在并网中的无功功率调度精度的控制方法。

背景技术

用电设备（例如配电变压器、电动机等）的交变磁场建立是通过无功功率的电功率实现的，如何向用电设备准确、可靠地提供无功功率直接影响着用电设备的降损节能和收效。

风能作为一种清洁的、可再生的能源受到世界各国的广泛关注，已成为重点开发的能源之一。近些年来，利用风能发电的技术发展十分迅速，新增装机容量也再不断增加，随之而来的风电并网要求也逐渐引起了人们的重视。根据风力发电场的调度运行规程，需要对风力发电机的并网进行无功功率的调度控制，即PPM （风场能量管理系统）利用主控系统对风力发电机在并网中的无功功率进行调度控制。

参见图1所示，利用主控系统对风力发电机在并网中的无功功率进行调度控制，是通过在并网断路器前段进线处（即风机并网出口处）设置的主控系统对无功功率检测点的检测而实现的，其具体控制措施是：当变流器收到主控系统下发的无功功率指令时，通过调节变流器注入无功功率，尽量使得主控系统所检测到的无功功率值（即风机并网出口处的实际无功功率）和主控系统所下发（设定）的无功功率指令值趋于一致。

然而，在此利用主控系统对风力发电机并网中的无功功率进行调度控制时，主控系统在风机并网出口处所检测到的无功功率源头主要有两部分，一部分为变流器注入的无功功率值，另一部分为辅助变压器低压侧的负荷所产生的无功功率值。由此可以看出，由于变流器测量点和主控系统测量点的不一致，使得变流器检测量只有变流器注入的无功功率值，并没有检测到辅助变压器低压侧的负荷所产生的无功功率值，但是主控系统所检测到的无功功率检测量是变流器注入的无功功率值和辅助变压器低压侧负荷的无功功值之和，即风机并网出口的实际无功功率值。因而，此种利用主控系统对风力发电机并网中的无功功率进行调度控制的技术，当变流器收到主控系统的无功功率指令时，是无法对辅助变压器低压侧负荷所产生的无功功率进行精确补偿的，这也就无法使主控系统所检测到的并网出口处的无功功率值和主控系统所注入给变流器的无功功率指令值精确、可靠地保持一致，直接影响了偿辅助变压器和变流器的降损节能和收效。

发明内容

本发明的技术目的在于：针对上述利用主控系统对风力发电机并网中的无功功率进行调度控制的特殊性和现有调度精度控制技术的不足，提供一种能够使主控系统所检测到的并网出口处的无功功率值和主控系统所注入给变流器的无功功率指令值精确、可靠地保持一致，且简单易行的风力发电机并网中无功功率调度精度控制方法。

本发明实现其技术目的所采用的技术方案是，一种风力发电机并网中无功功率调度精度控制方法，所述控制方法采取的工艺措施是：主控系统向变流器下发无功功率指令值、并检测风机并网出口处的无功功率值，主控系统将检测到的风机并网出口处的无功功率值实时反馈给变流器，变流器将主控系统反馈的并网出口处的无功功率值与接收到的无功功率指令值进行作差，以此获得辅助变压器低压侧负荷的无功功率补偿值，按照获得的无功功率补偿值，在变流器和主控系统的一个通信周期内，动态修正当前变流器注入无功功率的输入指令值，使主控系统所检测到的并网出口处的无功功率值和主控系统所注入给变流器的无功功率指令值保持一致，实现风力发电机在并网中的无功功率调度的精确控制。

作为优选方案之一，所述主控系统将检测到的风机并网出口处的无功功率值实时反馈给变流器，是以在CANopen通信协议中增加主控系统将检测到的无功功率值传送给变流器的方式而实现，所述主控系统将检测到的风机并网出口处的无功功率值实时反馈给变流器作为变流器注入无功功率的信号反馈点。

作为优选方案之一，所述变流器将主控系统反馈的并网出口处的无功功率值与接收到的无功功率指令值按下式进行作差：

∆Q_偏差1=Q_主控检测-Q^* _主控设定；

其中，∆Q_偏差1为无功功率偏差值；

Q_主控检测为主控系统的电量检测模块输出的检测到的无功功率值；

Q^* _主控设定为主控系统下发给变流器的无功功率指令值。

作为优选方案之一，所述无功功率补偿值的获得是将变流器作差所得的偏差值依次引入PID调节器和动态速率限制器进行调节处理而实现。

进一步的，所述PID调节器的差分方程计算式如下：

Y(k)= Y(k-1)+ ki*Ts*E(k-1)+kp*E(k)；

式中，Y[k]为当前值输出；

Y[k-1]为上次输出值；

E[k]为当前值输入；

E[k-1]为上次输入值；

ki为比例系数，可调；

Ts为变流器采样周期，可调；

kp为积分系数，可调。

进一步的，所述动态速率限制器的差分方程计算式如下：

Y[k]=Y[k-1]+(E[k]-E[k-1])；

或者Y[k]=Y[k-1]+∆Q偏差max*Ts；

或者Y[k]=Y[k-1]+∆Q偏差min*Ts；

式中，Y[k]为当前值输出；

Y[k-1]为上次输出值；

E[k]为当前值输入；

E[k-1]为上次输入值；

∆Q偏差max为无功功率偏差值在单位时间内上升速率的上限值，可调；

∆Q偏差min为无功功率偏差值在单位时间内上升速率的下限值，可调；

Ts为变流器采样周期，可调。

作为优选方案之一，所述在变流器和主控系统的一个通信周期内，动态修正当前变流器注入无功功率的输入指令值，是按下式进行修正：

Q^* _{变流器修正}=Q^* _主控设定+∆Q_偏差2；

式中，Q^* _{变流器修正}为当前变流器接收到的主控系统注入无功功率的输入指令值；

Q^* _主控设定为主控系统下发给变流器的无功功率指令值；

∆Q_偏差2为无功功率补偿值。

本发明的有益技术效果是：

1. 本发明在利用主控系统对风力发电机并网中的无功功率进行调度控制的基础上，将主控系统所检测到的风机并网出口处的无功功率值实时反馈给变流器，由变流器将主控系统反馈的并网出口处的无功功率值与接收到的无功功率指令值进行作差而获得辅助变压器低压侧负荷的无功功率补偿值，从而按照该无功功率补偿值，在变流器和主控系统的一个通信周期内动态修正当前变流器注入无功功率的输入指令值，使主控系统所检测到的并网出口处的无功功率值和主控系统所注入给变流器的无功功率指令值精确、可靠地保持一致，简单易行地实现风力发电机在并网中的无功功率调度的精确控制，以使辅助变压器和变流器有效地降损节能并确保收效；本发明具有广泛的适应性，不受风力发电机的容量和机型等条件的限制，可在不同工况环境下适用，其不仅可以适应于新风力发电机的并网，还可以适应于已服役风力发电机的并网升级改造，有效满足了风力发电场调度运行规程的技术要求；

2. 本发明是通过对CANopen通信协议的修改，而使主控系统将检测到的风机并网出口处的无功功率值实时反馈给变流器，其无需额外增加硬件设施和软件系统，亦不会影响风力发电机的正常运行，经济实用；

3. 本发明通过将变流器作差所得的偏差值依次引入PID调节器和动态速率限制器进行调节处理而获得无功功率补偿值，使得在变流器和主控系统的一个通信周期内，能够平滑地动态修正当前变流器注入无功功率的输入指令值，确保主控系统所检测到的并网出口处的无功功率值和主控系统所注入给变流器的无功功率指令值能够平顺、精确、稳定、可靠地保持一致。

附图说明

图1是风力发电机全功率变流器配电原理图。

图2是本发明的控制逻辑图。

图3是本发明中的无功功率补偿值经PID调节器和动态速率限制器进行调节处理而获取的图解过程示意图。

具体实施方式

本发明涉及风力发电机并网调度运行的管理控制技术，具体是一种风力发电机并网中的无功功率调度精度的控制方法，下面结合说明书附图-即图、图2和图3对本发明的技术方案做进一步的详细描述。在此需要特别说明的是，本发明的附图仅是示意性的，其为了清楚本发明的技术目的已经简化了不必要的细节，以避免模糊了本发明贡献于现有技术的技术方案。

本发明的风力发电机并网中无功功率调度精度控制方法，是在利用主控系统对风力发电机并网中的无功功率进行调度控制的基础上而实现的，参见图1所示，在风力发电机的并网中，并网断路器前段进线处设置有主控系统对风机并网出口处的无功功率进行检测的检测点。

本发明所采取的工艺措施包括如下几项前提条件：

1. 修改风力发电机的CANopen通信协议，在CANopen通信协议中增加主控系统能够将所检测到的无功功率值传送给变流器的功能。

2. 给变流器赋予能够将主控系统反馈的并网出口处的无功功率值与接收到的无功功率指令值进行作差的功能；变流器将主控系统反馈的并网出口处的无功功率值与接收到的无功功率指令值按下式进行作差：

∆Q_偏差1=Q_主控检测-Q^* _主控设定；

其中，∆Q_偏差1为无功功率偏差值；

Q_主控检测为主控系统的电量检测模块输出的检测到的无功功率值；

Q^* _主控设定为主控系统下发给变流器的无功功率指令值。

3. 将变流器作差所得的偏差值依次引入风力发电机的PID调节器和动态速率限制器内，通过PID调节器和动态速率限制器对引入的偏差值依次进行调节处理，从而获得无功功率补偿值，参见图3所示；

上述PID调节器的差分方程计算式如下：

Y(k)= Y(k-1)+ ki*Ts*E(k-1)+kp*E(k)；

式中，Y[k]为当前值输出；

Y[k-1]为上次输出值；

E[k]为当前值输入；

E[k-1]为上次输入值；

ki为比例系数，可调；

Ts为变流器采样周期，可调；

kp为积分系数，可调；

上述动态速率限制器的差分方程计算式如下：

Y[k]=Y[k-1]+(E[k]-E[k-1])；

或者Y[k]=Y[k-1]+∆Q偏差max*Ts；

或者Y[k]=Y[k-1]+∆Q偏差min*Ts；

式中，Y[k]为当前值输出；

Y[k-1]为上次输出值；

E[k]为当前值输入；

E[k-1]为上次输入值；

∆Q偏差max为无功功率偏差值在单位时间内上升速率的上限值，可调；

∆Q偏差min为无功功率偏差值在单位时间内上升速率的下限值，可调；

Ts为变流器采样周期，可调。

参见图2所示，基于上述几项前提条件，本发明所采取的工艺措施是：

-主控系统向变流器下发无功功率指令值、并检测风机并网出口处的无功功率值；

-变流器按下式接收主控系统下发的无功功率指令值：

Q^* _{变流器设定}=K*Q^* _主控设定；

式中，Q^* _{变流器设定}为变流器接收到的主控系统的无功功率指令值；

K为变流器的无功功率给定系数，可调；

Q^* _主控设定为主控系统下发给变流器的无功功率指令值；

-主控系统的电量检测模块检测当前风力发电机并网出口处的无功功率值；主控系统将检测到的风机并网出口处的无功功率值实时反馈给变流器，主控系统将检测到的风机并网出口处的无功功率值实时反馈给变流器作为变流器注入无功功率的信号反馈点；

-变流器将主控系统反馈的并网出口处的无功功率值与接收到的无功功率指令值进行作差；

-将变流器作差所得的偏差值依次引入PID调节器和动态速率限制器进行调节处理，从而以此获得辅助变压器低压侧负荷的无功功率补偿值；

-按照获得的无功功率补偿值，在变流器和主控系统的一个通信周期内，按下式平滑地动态修正当前变流器注入无功功率的输入指令值：

Q^* _{变流器修正}=Q^* _主控设定+∆Q_偏差2；

式中，Q^* _{变流器修正}为当前变流器接收到的主控系统注入无功功率的输入指令值；

Q^* _主控设定为主控系统下发给变流器的无功功率指令值；

∆Q_偏差2为无功功率补偿值；

依序循环以上各工艺措施，以此使主控系统所检测到的并网出口处的无功功率值和主控系统所注入给变流器的无功功率指令值精确、可靠地保持一致，实现风力发电机在并网中的无功功率调度的精确控制。

以上具体技术方案仅用以说明本发明，而非对其限制；尽管参照上述具体技术方案对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：本发明依然可以对上述具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换（例如，主控系统将所检测到的无功功率值传送给变流器的功能通过其它常规通信方式实现等），而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的精神和范围。

Claims (7)

1.一种风力发电机并网中无功功率调度精度控制方法，其特征在于，所述控制方法采取的工艺措施是：主控系统向变流器下发无功功率指令值、并检测风机并网出口处的无功功率值，主控系统将检测到的风机并网出口处的无功功率值实时反馈给变流器，变流器将主控系统反馈的并网出口处的无功功率值与接收到的无功功率指令值进行作差，以此获得辅助变压器低压侧负荷的无功功率补偿值，按照获得的无功功率补偿值，在变流器和主控系统的一个通信周期内，动态修正当前变流器注入无功功率的输入指令值，使主控系统所检测到的并网出口处的无功功率值和主控系统所注入给变流器的无功功率指令值保持一致，实现风力发电机在并网中的无功功率调度的精确控制。

2.根据权利要求1所述风力发电机并网中无功功率调度精度控制方法，其特征在于，所述主控系统将检测到的风机并网出口处的无功功率值实时反馈给变流器，是以在CANopen通信协议中增加主控系统将检测到的无功功率值传送给变流器的方式而实现，所述主控系统将检测到的风机并网出口处的无功功率值实时反馈给变流器作为变流器注入无功功率的信号反馈点。

3.根据权利要求1所述风力发电机并网中无功功率调度精度控制方法，其特征在于，所述变流器将主控系统反馈的并网出口处的无功功率值与接收到的无功功率指令值按下式进行作差：

∆Q_偏差1=Q_主控检测-Q^* _主控设定；

其中，∆Q_偏差1为无功功率偏差值；

Q_主控检测为主控系统的电量检测模块输出的检测到的无功功率值；

Q^* _主控设定为主控系统下发给变流器的无功功率指令值。

4.根据权利要求1所述风力发电机并网中无功功率调度精度控制方法，其特征在于，所述无功功率补偿值的获得是将变流器作差所得的偏差值依次引入PID调节器和动态速率限制器进行调节处理而实现。

5.根据权利要求4所述风力发电机并网中无功功率调度精度控制方法，其特征在于，所述PID调节器的差分方程计算式如下：

Y(k)= Y(k-1)+ ki*Ts*E(k-1)+kp*E(k)；

式中，Y[k]为当前值输出；

Y[k-1]为上次输出值；

E[k]为当前值输入；

E[k-1]为上次输入值；

ki为比例系数，可调；

Ts为变流器采样周期，可调；

kp为积分系数，可调。

6.根据权利要求4所述风力发电机并网中无功功率调度精度控制方法，其特征在于，所述动态速率限制器的差分方程计算式如下：

Y[k]=Y[k-1]+(E[k]-E[k-1])；

或者Y[k]=Y[k-1]+∆Q偏差max*Ts；

或者Y[k]=Y[k-1]+∆Q偏差min*Ts；

式中，Y[k]为当前值输出；

Y[k-1]为上次输出值；

E[k]为当前值输入；

E[k-1]为上次输入值；

∆Q偏差max为无功功率偏差值在单位时间内上升速率的上限值，可调；

∆Q偏差min为无功功率偏差值在单位时间内上升速率的下限值，可调；

Ts为变流器采样周期，可调。

7.根据权利要求1所述风力发电机并网中无功功率调度精度控制方法，其特征在于，所述在变流器和主控系统的一个通信周期内，动态修正当前变流器注入无功功率的输入指令值，是按下式进行修正：

Q^* _{变流器修正}=Q^* _主控设定+∆Q_偏差2；

式中，Q^* _{变流器修正}为当前变流器接收到的主控系统注入无功功率的输入指令值；

Q^* _主控设定为主控系统下发给变流器的无功功率指令值；

∆Q_偏差2为无功功率补偿值。