CN111525616A - 风电场的控制系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例提供了一种风电场的控制系统和方法，涉及风电场技术领域。所述系统包括风电场管理平台、能量管理平台和交换机，风电场管理平台用于发出控制指令；能量管理平台用于根据所述控制指令，计算出功率补偿量分配；交换机用于根据所述功率补偿量分配，选择储能装置和风机进行补偿。该系统能够充分利用储能装置，结合风机自身的能力，完成风电场惯量和一次调频，以及无功电压控制的功能。

Description

风电场的控制系统和方法
技术领域
本发明涉及风电场技术领域，具体而言，涉及一种风电场的控制系统和方法。
背景技术
目前，随着电网中风电渗透率的不断增大，电力系统的稳定运行受到越来越大的挑战，因此，增加风力发电的虚拟惯性，以增大频率变化时的系统阻尼，成为必然趋势。
当前风电场或风电机组常规增加虚拟惯量的方法是：利用风机备用容量或者释放发电机转子的转动势能，对不平衡功率进行补偿，使得频率的波动能暂时性地减少。
在增加风电场频率响应的过程中，当电网频率处在控制死区fd-～fd+时，风机正常运行，但需要预留当前风速下指定容量的备用功率，这样不仅增加风机的成本，还增加变桨系统的负担。
发明内容
本发明的目的包括：充分利用储能装置，结合风机自身的能力，完成风电场惯量和一次调频，以及无功电压控制的功能。
本发明的实施例可以这样实现：
第一方面，本发明实施例提供一种风电场的控制系统，所述系统包括：
风电场管理平台，用于发出控制指令；
能量管理平台，用于根据所述控制指令，计算出功率补偿量分配；
交换机，用于根据所述功率补偿量分配，选择储能装置和风机进行补偿。
在可选的实施方式中，所述能量管理平台用于根据所述控制指令，进行功率补偿条件判断；并根据所述功率补偿条件判断，进行功率补偿量计算；并根据所述功率补偿量计算，计算出所述功率补偿量分配。
第二方面，本发明实施例提供一种风电场的控制方法，所述方法包括：
根据所述控制指令，计算出功率补偿量分配；
根据所述功率补偿量分配，选择储能装置和风机进行补偿。
在可选的实施方式中，所述根据所述控制指令，计算出功率补偿量分配的步骤，包括：
根据所述控制指令，进行功率补偿条件判断；
根据所述功率补偿条件判断，进行功率补偿量计算；
根据所述功率补偿量计算，计算出所述功率补偿量分配。
在可选的实施方式中，所述功率补偿量计算包括一次调频有功补偿量计算和惯量响应有功补偿量计算，所述控制指令包括电网频率偏差和约定门限值，所述根据所述功率补偿条件判断，进行功率补偿量计算的步骤，包括：
当所述电网频率偏差绝对值大于所述约定门限值时，则允许所述一次调频有功补偿量计算；
当所述电网频率变化率绝对值大于所述约定门限值，且所述电网频率偏差乘以所述电网频率变化率大于零时，则允许所述惯量响应有功补偿量计算。
在可选的实施方式中，所述一次调频有功补偿量计算的公式：
ΔP1＝(f-fn)*(-Kf)*(Pn/fn)
式中，ΔP1为一次调频有功补偿量，f为并网点频率，fn为电网额定频率，Kf为一次调频系数，Pn为风电场机组总额定有功。
在可选的实施方式中，所述惯量响应有功补偿量计算的公式：
ΔP2＝df/dt*(-Tj)*(Pn/fn)
式中，ΔP2为惯量响应有功补偿量，df/dt为电网频率变化率，Tj为风电场惯性时间常数，Pn为风电场机组总额定有功，fn为电网额定频率。
在可选的实施方式中，电网频率变化率df/dt的公式：
df/dt＝(fcurrent–flast)/T
式中，fcurrent为当前采样周期的电网频率，flast为上一个采样周期的电网频率，T为采样周期。
在可选的实施方式中，所述根据所述功率补偿量分配，选择储能装置和风机进行补偿的步骤，包括：
当ΔP1+ΔP2>0时，启动储能设备，释放有功；
当ΔP1+ΔP2<0时，计算当前风电机组总的输出有功，当所述风电机组总的输出有功小于有功补偿量的绝对值，则启动储能设备，释放有功；当所述风电机组总的输出有功大于有功补偿量的绝对值，则根据有功补偿量，让风机限功率运行。
在可选的实施方式中，所述功率补偿量计算包括无功补偿量计算，所述控制指令包括电压命令值U和并网点电压U取差值，所述根据所述控制指令，进行功率补偿条件判断的步骤，包括：
所述电压命令值U*与所述并网点电压U取差值；
所述差值作为比例积分控制器的给定，所述比例积分控制器输出无功补偿量ΔQ。
在可选的实施方式中，所述根据所述功率补偿量分配，选择储能装置和风机进行补偿的步骤，包括：
当所述无功补偿量小于风机总的无功容量时，则启动风机发无功；
当所述无功补偿量大于风机总的无功容量时，则启动风机和储能装置发无功。
在可选的实施方式中，所述风机总的无功容量的计算公式：
Qmax＝Qmax1+Qmax2+Qmax3+……+Qmaxn
式中，Qmaxn为第n台风机无功容量。
在可选的实施方式中，单台风机的最大无功的计算公式：
Qmax1＝(Sn2–P2)1/2
式中，Sn为风机额定容量，P为当前有功功率。
本发明实施例的有益效果包括：
1.利用调度设备，完成惯量响应、一次调频，以及无功电压控制的功能，同时计算出有功补偿和无功补偿的命令值，能量管理平台接收调度的有功补偿和无功补偿命令值，根据内部的分配机制，把有功补偿和无功补偿分配到风机和储能设备；
2.该系统具有并网友好性，有利于电网的频率稳定性和电压稳定性；
3.采用功能模块化设计，并集中于能量管理平台，有利于功能独立性和扩展性；
4.补偿功率的分配能够充分利用风机的有功和无功能力，并且尽量减少储能装备的充放电次数，有助于延长其寿命；
5.各个部件处于同一网络，有助于减小补偿功率的响应时间。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的风电场的控制系统的组成框图；
图2为图1中能量管理平台的工作流程图；
图3为风电场的控制方法的流程图；
图4为一次调频有功补偿量ΔP1的计算逻辑图；
图5为惯量响应有功补偿量ΔP2的计算逻辑图；
图6为无功补偿量ΔQ的计算逻辑图；
图7为有功补偿量的分配流程图；
图8为无功补偿量的分配流程图；
图9为无功补偿量ΔQ小于风机总的无功容量Qmax的条形图；
图10为无功补偿量ΔQ在t1时刻后大于风机总的无功容量Qmax的条形图。
图标：100-风电场的控制系统；110-风电场管理平台；120-能量管理平台；130-交换机；140-风机控制设备；150-储能控制设备。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
一方面，请参考图1，本实施例提供了一种风电场的控制系统100，系统包括风电场管理平台110、能量管理平台120和交换机130，风电场管理平台110、能量管理平台120和交换机130依次电连接，交换机130与多个风机控制设备140电连接、以及一个储能控制设备150电连接。风机控制设备140与风机电连接，用于控制风机的运行状态。储能控制设备150与储能设备电连接，用于控制储能设备的运行状态。各个部件处于同一网络，有助于减小补偿功率的响应时间。
风电场管理平台110用于发出控制指令；能量管理平台120用于根据控制指令，计算出功率补偿量分配；交换机130用于根据功率补偿量分配，选择储能装置和风机进行补偿。
请参阅图2，能量管理平台120接收风电场管理平台110的控制指令，并依次完成以下步骤：
S11：功率补偿条件判断；
S12：功率补偿量计算；
S13：功率补偿量分配。
这样，S11～S13中的每一个步骤可以各自设计一个功能模块进行处理，这样，功率补偿分模块进行处理，模块之间功能相互独立，通过数据相互联系，且在同一平台下完成。而且，采用功能模块化设计，并集中于能量管理平台120，有利于功能独立性和扩展性。
在其它实施例中，也可以采用AVC、调频装置加能量管理平台120完成一次调频、电压控制。
另一方面，请参阅图3，本实施例还提供基于上述系统的风电场的控制方法，包括以下步骤：
S21：根据控制指令，计算出功率补偿量分配。
其中，设定能量管理平台120依次进行功率补偿条件判断、功率补偿量计算以及功率补偿量分配。
功率补偿条件判断包括有功补偿条件判断和无功补偿条件判断。
有功补偿条件判断主要依据是电网频率偏差绝对值的大小、风机及储能装置运行状态，控制指令包括电网频率偏差和约定门限值。具体的，当电网频率偏差的绝对值大于约定门限值时，则允许一次调频有功补偿量计算；当电网频率变化率绝对值大于约定门限值，且电网频率偏差乘以电网频率变化率大于零时，则允许惯量响应有功补偿量计算。
无功补偿条件判断主要依据是电网电压偏差绝对值的大小、风机及储能装置运行状态等。
功率补偿量计算包括有功补偿量计算和无功补偿量计算，有功补偿量等于一次调频有功补偿量ΔP1加上惯量响应有功补偿量ΔP2。这样，利用调度设备，完成惯量响应、一次调频，以及无功电压控制的功能，同时计算出有功补偿和无功补偿的命令值。
其中，请参阅图4，图4中Δf为电网频率偏差、即电网实际频率减去额定频率。一次调频有功补偿量计算的公式：
ΔP1＝(f-fn)*(-Kf)*(Pn/fn)
式中，ΔP1为一次调频有功补偿量，f为并网点频率、可由风电机组的变流器计算得到，fn为电网额定频率、根据实际电网的额定运行频率确定，Kf为一次调频系数、为一常量、根据电网实际情况而定或依据相关并网标准的推荐值，Pn为风电场机组总额定有功、由风机生产厂家给出。
请参阅图5，惯量响应有功补偿量计算的公式：
ΔP2＝df/dt*(-Tj)*(Pn/fn)
式中，ΔP2为惯量响应有功补偿量，df/dt为电网频率变化率，Tj为风电场惯性时间常数、表征风电场模拟同步发电机惯性时间常数的特征参数、可依据相关并网标准的推荐值，Pn为风电场机组总额定有功，fn为电网额定频率。
电网频率变化率df/dt的公式：
df/dt＝(fcurrent–flast)/T
式中，fcurrent为当前采样周期的电网频率，flast为上一个采样周期的电网频率，T为采样周期。
请参阅图6，无功补偿量计算包括：电压命令值U*与并网点电压U取差值，其中，控制指令包括电压命令值U和并网点电压U取差值。电压命令值U*为可接受电网调度的指令，当没有电网调度的指令时，由本地确定。并网点电压U由风电场并网点电压测量装置得到；差值作为比例积分控制器的给定，比例积分控制器输出无功补偿量ΔQ。比例积分控制器也可以是电压环PI控制器。
S22：根据功率补偿量分配，选择储能装置和风机进行补偿。
具体的，功率补偿量分配包括有功补偿量分配和无功补偿量分配。这样，能量管理平台接收调度的有功补偿和无功补偿命令值，根据内部的分配机制，把有功补偿和无功补偿分配到风机和储能设备。并且补偿功率的分配能够充分利用风机的有功和无功能力，并且尽量减少储能装备的充放电次数，有助于延长其寿命。
请参阅图7，有功补偿量分配，首先进行S221：判断ΔP1+ΔP2是否大于0。
当ΔP1+ΔP2>0时，也就是说，需要发出有功补偿量来响应频率的变化时，则进行S222：启动储能设备，释放有功。
当ΔP1+ΔP2<0时，则进行S223：计算当前风电机组总的输出有功。
在S222之后，则进行S224：判断风机总有功是否满足补偿条件。
当风电机组总的输出有功小于有功补偿量的绝对值，即风机总有功无法满足补偿条件，则返回S222。
当风电机组总的输出有功大于有功补偿量的绝对值，即风机总有功满足补偿条件，则进行S225：根据有功补偿量，让风机限功率运行。
请参阅图8，无功补偿量分配，先执行S231：核算风机总的无功容量，风机总的无功容量的计算公式：
Qmax＝Qmax1+Qmax2+Qmax3+……+Qmaxn
式中，Qmaxn为第n台风机无功容量。
其中，单台风机的最大无功的计算公式：
Qmax1＝(Sn2–P2)1/2
式中，Sn为风机额定容量，P为当前有功功率、由风机变流器计算得到。
根据上述电压控制无功补偿量ΔQ的计算，以电压偏差小于0，即无功补偿量ΔQ大于0为例，进行描述：
S232：判断无功补偿量是否大于风机总的无功容量。
请参阅图9，当无功补偿量小于风机总的无功容量时，则进行S233：启动风机发无功。
请参阅图10，无功补偿量ΔQ在上升过程中在t1时刻后大于风机总的无功容量Qmax，则在t1时刻之前由风机发无功，在t1时刻之后，无功补偿量ΔQ大于风机总的无功容量Qmax，则进行S234：启动风机和储能装置发无功。
这样，频率响应的有功补偿量和电压控制的无功补偿量的分配方法，根据补偿量的不同，选择储能装置或风机。
本实施例提供的风电场的控制系统和方法的有益效果包括：
1.利用调度设备，完成惯量响应、一次调频，以及无功电压控制的功能，同时计算出有功补偿和无功补偿的命令值，能量管理平台接收调度的有功补偿和无功补偿命令值，根据内部的分配机制，把有功补偿和无功补偿分配到风机和储能设备；
2.该系统具有并网友好性，有利于电网的频率稳定性和电压稳定性；
3.采用功能模块化设计，并集中于能量管理平台，有利于功能独立性和扩展性；
4.补偿功率的分配能够充分利用风机的有功和无功能力，并且尽量减少储能装备的充放电次数，有助于延长其寿命；
5.各个部件处于同一网络，有助于减小补偿功率的响应时间。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (13)

1.一种风电场的控制系统，其特征在于，所述系统包括：
风电场管理平台(110)，用于发出控制指令；
能量管理平台(120)，用于根据所述控制指令，计算出功率补偿量分配；
交换机(130)，用于根据所述功率补偿量分配，选择储能装置和风机进行补偿。
2.根据权利要求1所述的风电场的控制系统，其特征在于，所述能量管理平台用于根据所述控制指令，进行功率补偿条件判断；并根据所述功率补偿条件判断，进行功率补偿量计算；并根据所述功率补偿量计算，计算出所述功率补偿量分配。
3.一种风电场的控制方法，其特征在于，所述方法包括：
根据控制指令，计算出功率补偿量分配；
根据所述功率补偿量分配，选择储能装置和风机进行补偿。
4.根据权利要求3所述的风电场的控制方法，其特征在于，所述根据所述控制指令，计算出功率补偿量分配的步骤，包括：
根据所述控制指令，进行功率补偿条件判断；
根据所述功率补偿条件判断，进行功率补偿量计算；
根据所述功率补偿量计算，计算出所述功率补偿量分配。
5.根据权利要求4所述的风电场的控制方法，其特征在于，所述功率补偿量计算包括一次调频有功补偿量计算和惯量响应有功补偿量计算，所述控制指令包括电网频率偏差和约定门限值，所述根据所述功率补偿条件判断，进行功率补偿量计算的步骤，包括：
当所述电网频率偏差的绝对值大于所述约定门限值时，则允许所述一次调频有功补偿量计算；
当电网频率变化率绝对值大于所述约定门限值，且所述电网频率偏差乘以所述电网频率变化率大于零时，则允许所述惯量响应有功补偿量计算。
6.根据权利要求5所述的风电场的控制方法，其特征在于，所述一次调频有功补偿量计算的公式：
ΔP1＝(f-fn)*(-Kf)*(Pn/fn)
式中，ΔP1为一次调频有功补偿量，f为并网点频率，fn为电网额定频率，Kf为一次调频系数，Pn为风电场机组总额定有功。
7.根据权利要求6所述的风电场的控制方法，其特征在于，所述惯量响应有功补偿量计算的公式：
ΔP2＝df/dt*(-Tj)*(Pn/fn)
式中，ΔP2为惯量响应有功补偿量，df/dt为电网频率变化率，Tj为风电场惯性时间常数，Pn为风电场机组总额定有功，fn为电网额定频率。
8.根据权利要求7所述的风电场的控制方法，其特征在于，电网频率变化率df/dt的公式：
df/dt＝(fcurrent–flast)/T
式中，fcurrent为当前采样周期的电网频率，flast为上一个采样周期的电网频率，T为采样周期。
9.根据权利要求7所述的风电场的控制方法，其特征在于，所述根据所述功率补偿量分配，选择储能装置和风机进行补偿的步骤，包括：
当ΔP1+ΔP2>0时，启动储能设备，释放有功；
当ΔP1+ΔP2<0时，计算当前风电机组总的输出有功，当所述风电机组总的输出有功小于有功补偿量的绝对值，则启动储能设备，释放有功；当所述风电机组总的输出有功大于有功补偿量的绝对值，则根据有功补偿量，让风机限功率运行。
10.根据权利要求3所述的风电场的控制方法，其特征在于，所述功率补偿量计算包括无功补偿量计算，所述控制指令包括电压命令值U和并网点电压U取差值，所述根据所述控制指令，进行功率补偿条件判断的步骤，包括：
所述电压命令值U*与所述并网点电压U取差值；
所述差值作为比例积分控制器的给定，所述比例积分控制器输出无功补偿量ΔQ。
11.根据权利要求10所述的风电场的控制方法，其特征在于，所述根据所述功率补偿量分配，选择储能装置和风机进行补偿的步骤，包括：
当所述无功补偿量小于风机总的无功容量时，则启动风机发无功；
当所述无功补偿量大于风机总的无功容量时，则启动风机和储能装置发无功。
12.根据权利要求11所述的风电场的控制方法，其特征在于，所述风机总的无功容量的计算公式：
Qmax＝Qmax1+Qmax2+Qmax3+……+Qmaxn
式中，Qmaxn为第n台风机无功容量。
13.根据权利要求12所述的风电场的控制方法，其特征在于，单台风机的最大无功的计算公式：
Qmax1＝(Sn2–P2)1/2
式中，Sn为风机额定容量，P为当前有功功率。
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