CN111628524A - 一种风电场自动发电控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电场自动发电控制系统，包括：风电场数据采集模块，获取风电场功率数据并传输至电能分配模块；并网数据采集模块，获取并网侧数据并传输至功率控制模块；调度数据交换模块，接收功率调度指令并传输至功率控制模块，并上传若干个风机的功率数据；功率控制模块，依据功率调度指令和并网侧数据，得到风电场需要输出的有功功率；电能分配模块，通过功率分配模型对风电场需要输出的有功功率进行分配，得到每个风机的有功功率需求，并对应传输至风机。通过构建合理的数据传输通道，对风机群的运行信息与状态信息进行处理分析，并结合并网侧电网数据，对风电场中的功率可调风机进行控制，解决了电能波动对电网的影响，并实现了风电场机组平稳调控。

Description

一种风电场自动发电控制系统

技术领域

本发明涉及风力发电辅助设备技术领域，特别涉及一种风电场自动发电控制系统。

背景技术

随着经济的发展，人类社会对电能的需求量越来越大，风能作为一种可再生的清洁能源，得到越来越多人的认可，然而风电功率输出的特点为间歇性、多变化，大型风电场接入电网必然会面临电功率平稳调度问题，伴随风电场规模的扩大，风电装机容量不断提高，风电场对电网的影响逐渐显现，风电并网所带来的电压稳定性问题、暂态稳定性及频率稳定性问题都凸现出来。随着国家建立坚强型电网战略的逐步推进，对风电厂的调度管理系统需求应运而生，电网要求风电场必须配备能量管理系统即风电场自动发电控制(AGC)系统，用来控制风力发电机的出力，使风电场发电量做到可调可控。

由于国内风电技术起步较晚，风电场功率调节系统技术不成熟，尤其当风速变化剧烈时，对电网的冲击更为明显，原因是现有的能量管理系统往往没有考虑功率调整幅度对风机的冲击，导致当风速变化剧烈能量管理系统对风机调控时给机组带来巨大的冲击，使风机振动加剧、载荷增加，从而缩短机组寿命。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种风电场自动发电控制系统，通过构建合理的数据传输通道，对风电场风机群的运行信息与状态信息进行处理分析，并结合并网侧电网数据，对风电场中的功率可调风机进行控制，解决了风机接入电网后输出电能波动对电网的影响，并实现了风电场机组的平稳调控，满足了电网和机组的调控需求。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种风电场自动发电控制系统，包括：风电场数据采集模块、并网数据采集模块、调度数据交换模块、功率控制模块和电能分配模块；

所述风电场数据采集模块获取风电场功率数据并传输至所述电能分配模块；

所述并网数据采集模块获取并网侧数据并传输至所述功率控制模块，所述并网侧数据包括：并网侧有功功率和并网侧电网频率；

所述调度数据交换模块接收功率调度指令并传输至所述功率控制模块，并上传所述若干个风机的功率数据；

所述功率控制模块依据所述功率调度指令和所述并网侧数据，得到所述风电场需要输出的有功功率；

所述电能分配模块通过功率分配模型对所述风电场需要输出的有功功率进行分配，得到每个所述风机的有功功率需求，并对应传输至所述风机。

进一步地，所述风电场功率数据包括：功率可调风机台数、功率可调风机可用功率、功率不可调风机台数和功率不可调风机输出功率。

进一步地，所述电能分配模块分配给第j台功率可调风机的功率需求P_ref(j)为：

其中，P_avail(j)为第j台所述功率可调风机有功功率可调范围，P_TotalAvail为所述功率可调风机的有功功率总额，P_refout为所述功率调度指令的有功功率，P_TotalConst为所述功率不可调风机的有功功率总额，M为功率不可调风机台数，N为功率可调风机台数。

进一步地，所述风电场数据采集模块对所述若干个风机的功率数据进行滤波处理，并滤波后的所述功率数据传递至所述电能分配模块。

进一步地，所述滤波后的所述功率数据y(n)为：

y(n)＝K_fy(n-1)+(1-K_f)x(n)，

其中，K_f为滤波系数，x(n)为第n次滤波输入值，y(n-1)为第n-1次滤波输出值。

进一步地，所述功率控制模块通过所述功率调度指令和所述并网侧数据得到有功功率偏差ΔP_ref1为：

ΔP_ref1＝(P_ref-P_pcc)+K_fp(f_ref-f_pcc)，

其中，P_ref为调度指令参考有功功率，P_pcc为并网侧有功功率，K_fp为系统调频系数，f_ref为调度指令参考频率，f_pcc为并网侧电网频率。

进一步地，所述功率控制模块还对所述有功功率差值进行迟滞控制，即

其中，ΔP_ref为有功功率的变化值，ΔP_threshold为有功功率的变化阈值。

进一步地，所述风电场数据采集模块通过modbus规约与所述风机进行数据交换。

进一步地，所述调度数据交换模块通过TCP104协议接收所述功率调度指令和发送所述若干个风机的功率数据。

进一步地，所述功率控制模块还对其输出的所述有功功率差值进行斜坡限幅处理，所述斜坡限幅处理为在每一采样周期内对所述有功功率差值的变化进行幅度限制，所述每一采样周期中所述风电场需要调节的所述功率幅度值ΔP_refout1为：

其中，ΔP_{max_refout}为所述有功功率差值最大限制阈值，ΔP_{min_refout}为所述有功功率差值最小限制阈值，ΔP_refout为未对所述风电场有功功率差值进行斜坡限幅前的功率调节幅度值，ΔP_refout＝P_refout-P_current，P_current为所述风电场当前功率；

和/或

所述功率控制还对所述风电场需要输出的有功功率进行给定限幅处理，给定限幅处理后的所述风电场有功功率的输出值P_refout2为：

其中，P_refout1＝P_current+ΔP_refout1，P_current为所述风场当前功率，P_{min_refout}为当前采样周期所述风电场最终需要输出的有功功率的最小限制值，P_{max_refout}为当前采样周期风机最终需要输出的有功功率的最大限制值，P_refout1为未对功率输出做幅值限制前风电场输出的有功功率。

本发明实施例的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

通过构建合理的数据传输通道，对风电场风机群的运行信息与状态信息进行处理分析，并结合并网侧电网数据，对风电场中的功率可调风机进行控制，并对功率控制模块的输出进行斜坡限幅处理和给定限幅处理，解决了风机接入电网后输出电能波动对电网的影响，并实现了风电场机组的平稳调控，满足了电网和机组的调控需求。

附图说明

图1是本发明实施例提供的风电场自动发电控制系统控制流程图；

图2是本发明实施例提供的风电场自动发电控制系统功率控制结构图；

图3是本发明实施例提供的风电场自动发电控制系统功率计算示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

图1是本发明实施例提供的风电场自动发电控制系统控制流程图。

图2是本发明实施例提供的风电场自动发电控制系统功率控制结构图。

图3是本发明实施例提供的风电场自动发电控制系统功率计算示意图。

请参照图1、图2和图3，本发明实施例提供一种风电场自动发电控制系统，包括：风电场数据采集模块、并网数据采集模块、调度数据交换模块、功率控制模块和电能分配模块；风电场数据采集模块获取若干个风机的功率数据并传输至电能分配模块；并网数据采集模块获取并网侧数据并传输至功率控制模块，并网侧数据包括：并网侧有功功率和并网侧电网频率；调度数据交换模块接收功率调度指令并传输至功率控制模块，并上传若干个风机的功率数据；功率控制模块依据功率调度指令和并网侧数据，得到风电场需要输出的有功功率；电能分配模块通过功率分配模型对风电场需要输出的有功功率进行分配，得到每个风机的有功功率需求，并对应传输至风机。

上述技术方案简单可靠，适应性高，使得风电场功率输出更加平稳，能够适应建立坚强型电网的需求，解决风电场风机接入电网后风能输出波动对电网的影响。相对于可调功率平均分配到每一台可调风机，本技术方案可以避免风机机位原因引起的风速差异，造成部分风机输出能力达不到要求而导致控制性能变差的问题。

具体的，风电场功率数据包括：功率可调风机台数、功率可调风机可用功率、功率不可调风机台数和功率不可调风机输出功率。风电场数据采集模块对风机的功率数据进行滤波处理后，传输至电能分配模块。此外，风电场数据采集模块获取数据的周期控制在3s内。

此外，如图3所示，ΔP1和ΔP2的计算过程如下：

ΔP1＝P_ref-P_pcc，

ΔP2＝f_ref-f_pcc。

在本发明实施例中，电能分配模块分配给第j台功率可调风机的功率需求P_ref(j)为：

其中，P_avail(j)为第j台功率可调风机有功功率可调范围，P_TotalAvail为功率可调风机的有功功率总额，P_refout为功率调度指令的有功功率，P_TotalConst为功率不可调风机的有功功率总额，M为功率不可调风机台数，N为功率可调风机台数。

为了克服风机发电量低于最小调整值、风机调节的通信故障及风电场设立的特定不可调整标杆风机等原因，风机分为可调风机和不可调风机，不可调风机不能接受控制命令，但可调风机和不可调风机的输出功率总和为调度需求值。

可选的，风电场数据采集模块对若干个风机的功率数据进行滤波处理，并滤波后的功率数据传递至电能分配模块。

进一步地，第n次滤波后的功率数据y(n)为：

y(n)＝K_fy(n-1)+(1-K_f)x(n)

其中，K_f为滤波系数，x(n)为第n次滤波输入值，y(n-1)为第n-1次滤波输出值。

具体的，功率控制模块通过功率调度指令和并网侧数据得到有功功率偏差ΔP_ref1可为：

ΔP_ref1＝(P_ref-P_pcc)+K_fp(f_ref-f_pcc)，

其中，P_ref为调度指令参考有功功率，P_pcc为并网侧有功功率，K_fp系统调频系数，f_ref调度指令参考频率，f_pcc并网侧电网频率。功率控制模块包括上述ACE计算的过程。

功率控制模块可对有功功率差值进行迟滞控制，即

其中，ΔP_ref为有功功率的变化值，ΔP_threshold为有功功率的变化阈值。

为解决稳态情况下微小扰动导致频繁动作与系统处于动态情况下稳态误差之间的矛盾，在对功率分配之前设置迟滞函数。上述函数在稳态情况下，表现为死区特性；当输入小幅波动时不影响输出，输出为零。功率小幅波动引起频繁动作。当功率波动超过死区阈值时，死区特性消失。在动态调节过程中，迟滞的死区特性消失，即为了使调节结果等于调度值，取消因死区特性导致的静态误差。当调节结果等于调度命令时，死区特性重新起作用。风电场数据采集模块作为主站通过modbus规约与风机进行数据交换，获取风机功率数据。

调度数据交换模块作为TCP104协议的从站，通过TCP104协议接收功率调度指令和发送若干个风机的功率数据。此外，调度数据交换模块还接收TCP104协议调试后台的调控，并将所有变量提供给调试后台，且采用命令优先的原则，使性能达到最优。

在本发明实施例的一个实施方式中，功率控制模块为中的PI控制可表示为：

对上式进行离散化处理可得：

其中，T为离散化采样周期，K_p比例控制系数，T_I为积分控制系数。

在具体实施例中，对上式做抗积分饱和处理，并且偏差大于一定值时不计算积分项。

可选的，功率控制模块还对其输出的有功功率差值进行斜坡限幅处理。

具体的，斜坡限幅处理为在每一采样周期内对有功功率差值的变化进行幅度限制，每一采样周期输出的有功功率差值ΔP_refout1为：

其中，ΔP_{max_refout}为有功功率差值最大限制阈值，ΔP_{min_refout}为有功功率差值最小限制阈值，ΔP_refout为有功功率差值在每一采样周期输出变化幅度值。

可选的，功率控制还对风电场需要输出的有功功率进行给定限幅处理，给定限幅处理后的有功功率的实际值P_refout2为：

其中，P_refout1＝P_current+ΔP_refout1，P_current为风机当前有功功率，P_{min_refout}为不可调风机预测功率值，P_{max_refout}为风电场总预测功率值，P_refout2为最终风电场需要输出的有功功率，P_refout1为未对功率输出做幅值限制前风电场输出的有功功率。

本发明实施例旨在保护一种风电场自动发电控制系统，包括：具备风电场数据采集模块、并网数据采集模块、调度数据交换模块、功率控制模块和电能分配模块；风电场数据采集模块获取若干个风机的功率数据并传输至电能分配模块；并网数据采集模块获取并网侧数据并传输至功率控制模块，并网侧数据包括：并网侧有功功率和并网侧电网频率；调度数据交换模块接收功率调度指令并传输至功率控制模块，并上传若干个风机的功率数据；功率控制模块依据功率调度指令和并网侧数据，得到风电场输出的有功功率；电能分配模块通过功率分配模型对风电场输出的有功功率进行分配，得到每个风机的有功功率需求，并对应传输至风机。上述技术方案具体如下效果：

通过构建合理的数据传输通道，对风电场风机群的运行信息与状态信息进行处理分析，并结合并网侧电网数据，对风电场中的功率可调风机进行控制，并对功率控制模块的输出进行斜坡限幅处理和给定限幅处理，解决了风机接入电网后输出电能波动对电网的影响，并实现了风电场机组的平稳调控，减少了风机的振动，延长了风机的寿命，满足了电网和机组的调控需求。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种风电场自动发电控制系统，其特征在于，包括：风电场数据采集模块、并网数据采集模块、调度数据交换模块、功率控制模块和电能分配模块；

所述风电场数据采集模块获取风电场功率数据并传输至所述电能分配模块；

所述并网数据采集模块获取并网侧数据并传输至所述功率控制模块，所述并网侧数据包括：并网侧有功功率和并网侧电网频率；

所述调度数据交换模块接收功率调度指令并传输至所述功率控制模块，并上传所述若干个风机的功率数据；

所述功率控制模块依据所述功率调度指令和所述并网侧数据，得到风电场需要输出的有功功率；

所述电能分配模块通过功率分配模型对所述风电场需要输出的有功功率进行分配，得到每个所述风机的有功功率需求，并对应传输至所述风机。

2.根据权利要求1所述的风电场自动发电控制系统，其特征在于，

所述风电场功率数据包括：功率可调风机台数、功率可调风机可用功率、功率不可调风机台数和功率不可调风机输出功率。

3.根据权利要求2所述的风电场自动发电控制系统，其特征在于，所述电能分配模块分配给第j台功率可调风机的功率需求P_ref(j)为：

其中，P_avail(j)为第j台所述功率可调风机有功功率可调范围，P_TotalAvail为所述功率可调风机的有功功率总额，P_refout为所述功率调度指令的有功功率，P_TotalConst为所述功率不可调风机的有功功率总额，M为功率不可调风机台数，N为功率可调风机台数。

4.根据权利要求1所述的风电场自动发电控制系统，其特征在于，

所述风电场数据采集模块对所述若干个风机的功率数据进行滤波处理，并滤波后的所述功率数据传递至所述电能分配模块。

5.根据权利要求4所述的风电场自动发电控制系统，其特征在于，

所述滤波后的所述功率数据y(n)为：

y(n)＝K_fy(n-1)+(1-K_f)x(n)，

其中，K_f为滤波系数，x(n)为第n次滤波输入值，y(n-1)为第n-1次滤波输出值。

6.根据权利要求1所述的风电场自动发电控制系统，其特征在于，

所述功率控制模块通过所述功率调度指令和所述并网侧数据得到有功功率偏差ΔP_ref1为：

ΔP_ref1＝(P_ref-P_pcc)+K_fp(f_ref-f_pcc)，

其中，P_ref为调度指令参考有功功率，P_pcc为并网侧有功功率，K_fp为系统调频系数，f_ref为调度指令参考频率，f_pcc为并网侧电网频率。

7.根据权利要求6所述的风电场自动发电控制系统，其特征在于，

所述功率控制模块可对所述有功功率差值进行迟滞控制，即

其中，ΔP_ref为有功功率的变化值，ΔP_threshold为有功功率的变化阈值。

8.根据权利要求1所述的风电场自动发电控制系统，其特征在于，

所述风电场数据采集模块通过modbus规约与所述风机进行数据交换。

9.根据权利要求1所述的风电场自动发电控制系统，其特征在于，

所述调度数据交换模块通过TCP104协议接收所述功率调度指令和发送所述若干个风机的功率数据。

10.根据权利要求6所述的风电场自动发电控制系统，其特征在于，

所述功率控制模块还对其输出的所述有功功率差值进行斜坡限幅处理，所述斜坡限幅处理为在每一采样周期内对所述有功功率差值的变化进行幅度限制，所述每一采样周期中所述风电场需要调节的所述功率幅度值ΔP_refout1为：

其中，ΔP_{max_refout}为所述有功功率差值最大限制阈值，ΔP_{min_refout}为所述有功功率差值最小限制阈值，ΔP_refout为未对所述风电场有功功率差值进行斜坡限幅前的功率调节幅度值，ΔP_refout＝P_refout-P_current，P_current为所述风电场当前功率；

和/或

所述功率控制还对所述风电场需要输出的有功功率进行给定限幅处理，给定限幅处理后的所述风电场有功功率的输出值P_refout2为：

其中，P_refout1＝P_current+ΔP_refout1，P_current为所述风场当前功率，P_{min_refout}为当前采样周期所述风电场最终需要输出的有功功率的最小限制值，P_{max_refout}为当前采样周期风机最终需要输出的有功功率的最大限制值，P_refout1为未对功率输出做幅值限制前风电场输出的有功功率。

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