CN1997824B - 风力农场的有功功率调节系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及风力农场的有功功率调节方法和系统，风力农场包括一批风力发电机(Ai)、通信网络(RS)、及监视和控制系统(ST)，本发明系统包括：用于连到所述监视和控制系统(ST)的装置；用于从所述监视和控制系统(ST)接收与农场一直输送的表观功率Pout有关的数据的装置，其还接收与风力发电机(Ai)的变化和状态有关的数据；用于将所述输出表观功率Pout与农场的预设表观功率设定值Pcons进行比较的装置；用于连续调节所述输出表观功率Pout使得该Pout始终接近预设功率设定值Pcons的装置。

Description

风力农场的有功功率调节系统
技术领域
本发明涉及风力农场的有功功率调节系统，该系统被结合到风力农场自身的控制和监视系统中。
背景技术
本质上，风力发电机以下述方式产生电流：风使风力发电机转子旋转，使得发电机旋转从而产生电流。
风力发电机的发动机舱的主要部件包括：
-转子：由几个收集风的叶片组成，用螺杆固定到主轴上。
-主轴：在转子和倍增器之间。
-倍增器：连接在转子(在主轴的另一端)与发电机之间。
-发电机。
-偏航环系统：允许发动机舱旋转以根据连接到控制系统的风向标的信号面对风向。
-控制系统：控制风力发电机的大部分零件；因此，例如其控制偏航环系统。
风力农场由一个或多个风力发电机(高达数百个)及其它组件如变压中心或变电站和一个或多个气象塔形成。所有这些组件通常由安装在位于风力农场自身内的主计算机中的农场监视和控制系统(或远程控制)监控，所述系统还经本地通信网络连到风力发电机。安装在该主计算机中的应用程序从所述组件收集运行变化及其中出现的报警。
目前，风力农场所产生的电力被完全输送到配电网。因此，如果公用事业公司批准最大供电X MW，所安装的风力发电机的数量和额定功率将被调整到该限度。通常，基于该功率限度，研究现场及可能的机器位置以确定为获得最大输出而将安装的风力发电机的最佳数量。
发明内容
本发明涉及风力农场的有功功率调节系统及方法，以获得分别根据权利要求1和5的所需表观功率作为输出。所述系统和方法的优选实施例由从属权利要求定义。
本发明的目的在于提供功率调节系统，其允许通过增加所安装的机器的数量而优化农场的输出。在这种情况下，实施安装的可能性、超出公用事业公司批准的发电额定能力均可被考虑，因此，本发明的调节系统确保在特定瞬间的输出功率不会超出预设的限度。
传统上，不寻求在风力农场产生无功功率，因此cosPhi等于1，因而表观功率等于有功功率。然而，在本说明书的全篇上下文中均对表观功率和有功功率进行区分，因而，当指在农场获得的最终功率即输出功率时我们称其为表观功率。当应用于机器的调节设定值时，我们称为有功功率，因为其是调节器基于其采取行动的特别参数，即基于有功功率设定值。
本发明的功率调节系统能够动态调节风力农场的表观功率的产生。
也就是说，本发明的功率调节系统，其或整个结合在风力农场的控制和监视系统中或与该系统连接，能够执行下述功能：
-农场功率限制(发送HOLD指令给机器以取消相对于已确定设定值的全部功率超出量。根据依照加权标准自动计算的优先级关闭机器)；及
-农场表观功率调节(连续调节农场的总输出功率以最佳地接近预定设定值。通过改变机器的额定有功功率设定值而进行调节)。
本发明涉及风力农场的有功功率调节系统，风力农场包括一批风力发电机Ai、通信网络RS、及监视和控制系统ST。调节系统包括：
-用于连到所述监视和控制系统的装置；
-用于从所述监视和控制系统ST接收与农场一直输送的表观功率Pout有关的数据的装置，其还接收与风力发电机的变化和状态有关的数据；
-用于将所述输出表观功率Pout与农场的预设表观功率设定值Pcons进行比较的装置；
-用于连续调节所述输出表观功率Pout使得该Pout始终接近预设功率设定值Pcons的装置。
如此，通过具有农场调节能力，农场的额定功率，计算为构成农场的风力发电机Ai的额定功率的和，可大于公用事业公司批准的最大功率值。
如所指出的，监视和控制系统ST将从农场的风力发电机收集的信息(其变化和状态)以及来自变电站的信息(输出表观功率Pout)提供给功率调节系统。在此，变电站应被结合在监视和控制系统中以读取农场正输送给电网的有功和无功功率并以其计算农场的输出表观功率Pout。
农场的预设功率设定值Pcons可被动态更新，如由运行办公室更新。
该设定值Pcons是农场必须趋向的总功率值。本发明的调节系统越接近该调节设定值Pcons，则其越理想，即使当面对请求新的设定值及现场风的可变性的请求而考虑系统的响应迟钝时也是如此。
优选地，用于连续调节输出表观功率Pout的装置包括：
-用于根据所述关于输出表观功率Pout的数据及所述关于风力发电机Ai的变化和状态的数据计算农场在每时每刻的调节能力的装置；
-用于根据所述关于风力发电机Ai的变化和状态的数据选择哪一或哪些风力发电机Aiselec可被开动的装置；
-用于将与下述有关的指令经农场的监视和控制系统ST及通信网络RS发送给所述所选择的一个或多个风力发电机Aiselec的装置：
-调节功率设定值或运行点，和/或
-关机及启动。
在发送一个或多个风力发电机的关机指令的情况下(如为限制输出功率)，前者以非随机、受控制的方式应用，即根据两种类型的标准连续评估受影响的机器的优先级：
-固定标准。将被应用的一些固定标准为：机器类型(功率)、机器在农场中的位置、人工操作员选择。
-可变标准：将被应用的一些可变标准为：风力发电机或机器产生的总功率、机器的报警数(根据报警类型)。
这些固定和可变标准中的每一个在调节系统的配置阶段期间均被赋予权重，使得每一固定和可变标准的权重的应用确定每一风力发电机的关机优先顺序，因而消除相对于已确定的设定值的全部功率超出量。
农场的调节能力计算为每一风力发电机或机器的调节能力的和。每一机器的调节能力根据机器的上一瞬时功率读数及先前配置的最小调节限度进行计算。机器可被调节到的功率设定值最小限度为，如典型额定功率的65％；即，如果机器具有850kW的典型额定功率，则额定功率最小设定值允许为其65％，即552kW。因此，机器在任何特定时间的调节能力为当前有功功率和所涉及机器类型的额定功率的65％之间的差。即，850kW机器在时间t0产生700kW将具有调节能力700-522＝148kW。
换言之，本发明的功率调节系统在农场的总功率输出Pout(或所产生的功率)超出或低于给定设定值Pcons时执行最优化功率调整。
优选地，调节系统还包括安全控制，其使用：
-将农场的所述输出表观功率Pout与预设安全功率设定值Pcons.seg进行比较的装置，从而如果所述Pout大于Pcons.seg，则系统向一个或多个风力发电机(Ai)发出紧急关机指令。
在本发明的功率调节系统中，某些参数可根据运行环境的一系列需要考虑的事项进行配置，例如，特定功率可被超出的最大时间，或用于变电站保护或用于施行处罚；农场的监视和控制系统采样风力发电机的时间；或农场中的风力分布。
调节系统的参数化或调整需要一些时间，直到其适于特定农场条件为止。
功率限制也可被应用于几个风力农场的范围，由于共有集中变电站的限度，其总体上不会超出已确定的总输出功率。
调节设定值Pcons根据某些环境标准确定，例如：
-支线中机器的数量，假设在农场中有一系列通信网络，由于支线中机器越多，在瞬时运行条件的偏差越大，因而相对于预定设定值的偏差越大。
-当公用事业公司读大于所限定的输出功率时，万一有变电站中的硬件保护电路触发的情况。
-根据整个农场的风力分布的场地特征，因为有时某些机器较其它机器遭受更多的风力意味着农场调节能力的降低。
另一方面，以保护农场免遭不希望的变电站触发或因输出高于公用事业公司允许的限度而施行处罚为目标，确定安全设定值Pcons.seg。
当在农场功率调节阶段检测到总功率增加超出该安全限度时，这意味着系统响应将不会足够快以补偿该输出功率超出量。之后，调节器采取一系列意在立即解决该问题的行动，例如，向机器发送受控紧急关机指令。
本发明还涉及农场的有功功率调节方法，农场包括一组风力发电机(Ai)、通信网络(RS)、及监视和控制系统(ST)，该方法包括：
-从所述监视和控制系统(ST)接收与农场一直输出的表观功率Pout有关的数据及与风力发电机(Ai)的变化和状态有关的数据；
-将所述输出表观功率Pout与农场的预定表观功率预定值Pcons进行比较；
-连续调节所述输出表观功率Pout，使得该输出表观功率Pout始终接近预设功率设定值Pcons。
优选地，输出表观功率Pout的连续调节包括：
-根据所述与输出表观功率Pout有关的数据和所述与风力发电机(Ai)的变化和状态有关的数据计算农场每时每刻的调节能力；
-根据所述与风力发电机(Ai)的变化和状态有关的数据选择哪一或哪些风力发电机(Aiselec)可被开动；
-经农场的监视和控制系统(ST)及通信网络(RS)向所述一个或多个所选风力发电机(Aiselec)发送与下述有关的指令：
-功率设定值或运行点调节；和/或
-关机或启动。
当输出有功功率Pout的连续调节意味着发送与一个或多个风力发电机(Ai)的关机有关的指令时，根据一组预定标准执行所述选择。
本发明方法还可包括安全控制，其中：
-所述输出有功功率Pout与农场的预设功率安全设定值Pcons.seg比较，使得如果所述Pout大于Pcons.seg，则向一个或多个风力发电机(Ai)发送关机指令。
本发明方法可根据运行模式运行，其中所述一个或多个风力发电机的功率设定值或运行点的调节相对于另一或其它风力发电机的关机或启动被优先化；在这种情况下，那些被选中的风力发电机的功率被调节到最大，当需要较大的限制时，关闭一个或多个风力发电机。
本发明方法还可根据另一运行模式运行，其中所述一个或多个风力发电机的关机或启动通道相对于另一或其它风力发电机的功率预定值或运行点的调节被优先化。在这种情况下，一个或多个风力发电机关机或启动，按照精细调整，另一或其它风力发电机的功率根据功率需要调节。
优选地，本发明系统包括用于计算有功功率趋势即预测功率在n秒的趋势的装置。
从而，本发明的功率调节系统允许不基于在变电站的输出、在特定时刻读的功率纠正输出表观功率Pout，而是基于能够获得随后几秒的所述值的功率预测算法。
功率预测算法基于根据总农场功率的历史值而跟踪总农场功率的变化趋势。
基于功率预测进行调节的好处在环境条件要求足够快启动调节器时可显现出来。不得不考虑将被调节的系统即风力发电机农场是慢速反应系统的事实。如本说明书已提及的，调节器2发送的指令在几秒之后开始发生作用。有时候，安装不会虑及该反应时间，藉此，为防止变电站触发或类似情况，必须赶在系统行动之前。
假设在几秒前确定功率值有一定复杂性，则以这种方式进行调节可能损失一些调节准确性。然而，相对于导致可使整个农场停电的变电站触发或处罚应用，其还是相当值得考虑的。
附图说明
下面将描述一系列帮助更好理解本发明的附图，其结合本发明的实施例进行表示并被呈现为非限制性的例子。
图1所示为风力农场的一般示意图。
图2所示为表示所读的变电站总功率值的曲线图。
具体实施方式
图1所示为风力农场的简单示意图。为防止附图过于复杂，在该农场中，仅示出两个风力发电机A1和A2、变压中心或变电站SB。农场的不同组件由安装在风力农场自身的主计算机中的农场监视和控制系统ST(或远程控制)监控，并经本地通信网络RS如RS-232网络连到风力发电机。安装在该主计算机中的应用程序收集农场组件的运行变化、其状态及其中发生的报警。此外，农场可具有经以太网(未示出)的通信网络RE。同样，农场监视和控制系统ST连到变电站主单元UCS，来自变电站SB的信息通过其进行接收。
表示在变电站中读得的总功率值的曲线如图2中所示：
曲线1示出了从变电站读得的输出有功功率Pout，而曲线3和2分别示出了预测的在n秒的功率值(即随后几秒提供的功率值)和预测的调节功率；另一方面，线4示出了安全设定值Pcons.seg(为保护农场免遭不合需要的变电站触发或用于对高于公用事业公司允许的输出施行处罚而建立该设定值)，线5示出了功率调节设定值Pcons。
应用程序的配置
应用程序允许操作员对调节系统运行模式执行某些配置操作，例如：
1、调整一组与下述有关的参数：
-启动/停用一个或多个风力发电机的功率调节功能。
-设立算法的设定值限制功能：调节设定值(其可被动态更新)和安全设定值(导致“瞬时”风力发电机或机器关机)；调节预测时间设定值和安全预测时间设定值(所预测的功率值导致“瞬时”机器关机)。
-确定与应用程序的日志文件有关的参数。
-确定调节系统的应用范围：机器数、指示可被应用于风力发电机的最小额定功率的额定功率百分比(该值由风力发电机的控制系统确定)。
2、机器可被停用该功率调节功能，例如，导致问题的机器或不希望因为任何理由而被关机或调节的机器。
3、可建立固定及可被标准的加权值，其使一些机器的关机指令的发送优于其它机器。
4、还可根据农场通信网络的布局配置农场的支线。
5、应用程序允许始终咨询与算法应用有关的机器的状态，其表示关于每一风力发电机中的算法应用的数据。
应用程序的运行
一旦已执行应用程序的完全配置，开始运行调节循环，其连续纠正在变电站的输出测得的表观功率Pout以将其调整到功率调节设定值Pcons，调节循环可被人工地或动态地(如从另一工具)引入该应用程序中。
以下述方式进行调节：
-如果输出功率Pout超出调节设定值Pcons，系统将提供应用下述两个准则之一纠正“过功率”(根据功能配置)：
使风力发电机的调节优先
在这种情况下，指定的那些机器的功率将被调节到最大，且当需要更大的限制时，将开始关机。
使机器通道的挂起优先
在这种情况下，一个或几个机器将被关机，且作为精密调整，将调节其它机器的功率(根据配置)直到所产生的功率在限度之内。
-如果输出功率Pout低于调节设定值Pcons，根据功率需要，系统将启动其已经挂起的一些机器，或将改变(增加)被调节机器的功率设定值。
功率设定值调节策略和机器的关机/启动策略同时运行。然而，为更好地理解，对它们进行分别描述。
功率调节系统的描述
一方面，功率调节系统的输入数据为变电站的输出线路中测得的有功和无功功率的读数，另一方面，其包括风力发电机的变化和状态。
使用有功和无功输出功率计算输出表观功率Pout并与农场功率调节设定值Pcons比较。这些值的采样时间在0.5-1.5秒的范围内。
使用机器的功率和状态值计算农场在任何特定时间具有的调节容量。还必须考虑农场中的风力分布可能不是同质的，因而不是所有风力发电机都具有相同的调节容量；实际上，一些风力发电机根本没有调节容量。
在农场中是串行通信网络的情况下，风力发电机的变化的采样时间将取决于每支线的机器数，可考虑约0.6秒每机器乘以支线中的机器数。在以太网的情况下，所有均可以约1Hz进行采样。
调节包括改变风力发电机的有功功率设定值。一旦风力发电机的调节容量被计算，算法确定新的设定值，其同时将被发送给所有机器。
风力发电机在新的额定功率设定值之前的反应时间取决于将要增加或减少的功率；3或4秒可作为参考。
新的额定设定值将使总功率接近功率设定值，且循环随着对农场的输出功率进行新的采样而关闭。
机器关机和启动算法的描述
使机器关机优先的方式通过配置工具使得几乎没有任何调节余量被留下而实现；例如
-不启动或仅启动非常少的几个机器用于调节；或
-增加风力发电机的额定功率设定值的限度百分比。
系统根据固定和可变标准的加权连续计算机器关机优先性，所述标准应用于经远程控制读的风力发电机的值。
当调节系统确定必须关机一个或几个机器时，相应的关机指令被发送给列表中的第一机器，并因而以指令和指令之间的秒级间隔连续发送。该秒级间隔可被配置。
有两种类型的机器关机：正常关机和安全关机。
1、正常关机
当所读的功率高于功率调节设定值Pcons并低于安全设定值Pcons.seg时，发生正常关机，且该超出量不会用农场在该瞬间具有的调节能力消除。
之后，系统从经受调节的风力发电机列表选择具有最高优先级的机器并向其发送HOLD指令。使机器处于挂起状态所需的时间取决于在该瞬间产生的功率：可考虑使机器处于挂起状态需要约20秒。
2、安全关机
当所读的功率高于安全设定值Pcons.seg时发生安全关机。
之后，系统从经受调节的风力发电机列表选择具有最高优先级的机器并向其发送EMERGENCY指令，其相对于受控紧急关机，并立即使机器与电网断开连接，在35秒之后，应用制动。
当调节系统确定必须关机一个或几个机器时，相应的运行指令被发送给已关机最长时间的机器，因而以指令和指令之间的秒级间隔连续地进行。该秒级间隔可在应用程序中进行配置。
系统将不会发送指令而启动系统自身尚未关机的任何机器。因此，不会对农场的任何其它运行有干扰。
最后，在想要基于功率预测执行功率调节的情况下，启动其的方式是在系统的配置窗口中对要收集的参数赋予将来几秒的值。

Claims (10)

1.风力农场的有功功率调节系统，风力农场包括一批风力发电机(Ai)、通信网络(RS)、及监视和控制系统(ST)，调节系统包括：
-连接到所述监视和控制系统(ST)的连接装置，其特征在于调节系统进一步包括：
-用于从所述监视和控制系统(ST)接收与农场一直输送的表观功率Pout有关的数据的装置，其还接收与风力发电机(Ai)的变化和状态有关的数据；
-用于将所述输出表观功率Pout与农场的预设表观功率设定值Pcons进行比较的装置；
-用于连续调节所述输出表观功率Pout的装置，其包括用于改变风力发电机的有功功率设定值的装置，使得所述Pout始终接近预设功率设定值Pcons。
2.根据权利要求1的系统，其特征在于所述用于连续调节输出表观功率Pout的装置包括：
-用于根据所述关于输出表观功率Pout的数据及所述关于风力发电机(Ai)的变化和状态的数据计算农场在每时每刻的调节能力的装置；
-用于根据所述关于风力发电机(Ai)的变化和状态的数据选择哪一或哪些风力发电机(Aiselec)可被开动的装置；
-用于将与下述有关的指令经农场的监视和控制系统(ST)及通信网络(RS)发送给所述所选择的一个或多个风力发电机(Aiselec)的装置：
-调节有功功率设定值或运行点，和/或
-关机及启动。
3.根据权利要求1的系统，其特征在于还包括安全控制，其具有：
-将农场的所述输出表观功率Pout与预设安全功率设定值Pcons.seg进行比较的装置，从而如果所述Pout大于Pcons.seg，则系统向一个或多个风力发电机(Ai)发出关机指令。
4.根据权利要求1的系统，其特征在于该系统还包括用于计算有功功率趋势的装置。
5.风力农场的有功功率调节方法，风力农场包括一组风力发电机(Ai)、通信网络(RS)、及监视和控制系统(ST)，该方法包括：
-从所述监视和控制系统(ST)接收与农场每时每刻输出的表观功率Pout有关的数据及与风力发电机(Ai)的变化和状态有关的数据；
-将所述输出表观功率Pout与农场的预定表观功率预定值Pcons进行比较；
-通过改变风力发电机的有功功率设定值连续调节所述输出表观功率Pout，使得该输出表观功率Pout在每时每刻均接近预设功率设定值Pcons。
6.根据权利要求5的方法，其特征在于输出表观功率Pout的连续调节包括：
-根据所述与输出表观功率Pout有关的数据和所述与风力发电机(Ai)的变化和状态有关的数据计算农场每一刻的调节能力；
-根据所述与风力发电机(Ai)的变化和状态有关的数据选择哪一或哪些风力发电机(Aiselec)可被开动；
-经农场的监视和控制系统(ST)及通信网络(RS)向所述一个或多个所选风力发电机(Aiselec)发送与下述有关的指令：
-调节有功功率设定值或运行点；和/或
-关机或启动。
7.根据权利要求6的方法，其特征在于：当输出有功功率Pout的连续调节意味着发送与一个或多个风力发电机(Ai)的关机有关的指令时，根据一组预定标准执行所述选择。
8.根据权利要求5-7任一所述的方法，其特征在于该方法还包括安全控制，其中：
-所述输出有功功率Pout与农场的预设功率安全设定值Pcons.seg比较，使得如果所述Pout大于Pcons.seg，则向一个或多个风力发电机(Ai)发送关机指令。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述一个或多个风力发电机的功率设定值或运行点的调节优先于另一或其它风力发电机的关机或启动。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述一个或多个风力发电机的关机或启动优先于另一或其它风力发电机的功率预定值或运行点的调节。
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