CN203406621U - 风电场上网电量控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种风电场上网电量控制系统，通过变压器与公共电网连接，包括：风电机组；储能系统，与风电机组连接；风电场场级有功功率控制系统，分别与公共电网和风电机组建立通信连接，用于控制风电机组的有功功率P_有；储能监控系统，分别与风电场场级有功功率控制系统和储能系统连接，用于控制储能系统的充电功率和/或放电功率。风电场场级有功功率控制系统依据公共电网的限电额度调整风电机组的有功功率P_有，由储能监控系统依据有功功率P_有控制储能系统进行充电或放电，保证有功功率+放电功率≤限电额度；或有功功率-充电功率≤限电额度，利用储能系统吞吐风电功率，实现既能平抑风电波动，又能增加入网电量，实现智能调控。

Description

风电场上网电量控制系统

技术领域

本实用新型涉及风电场控制领域，特别涉及一种风电场上网电量控制系统。

背景技术

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。近年来，新兴市场的风电发展迅速。在国家政策支持和能源供应紧张的背景下，中国的风电特别是风电设备制造业也迅速崛起，已经成为全球风电最为活跃的场所。

随着风电产业近年来的快速发展，目前国内大型风力发电机组制造技术已经趋向成熟，但受风的随机性和间歇性的影响，风电场输出功率的波动较大，在一定程度上对电网的调峰调频造成了影响。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的主要目的在于，提供一种风电场上网电量控制系统，将风电场场级有功功率控制系统与储能系统相结合，在满足公共电网限出力指令的前提下，利用储能系统吞吐风电功率，实现既能平抑风电波动，又能增加入网电量，实现智能调控。

风电场上网电量控制系统通过变压器与公共电网连接，包括：

风电机组；

储能系统，与风电机组连接；

风电场场级有功功率控制系统，分别与公共电网和风电机组连接，用于控制风电机组的有功功率P_有；

储能监控系统，分别与风电场场级有功功率控制系统和储能系统连接，用于控制储能系统的充电功率和/或放电功率。

由上，风电场场级有功功率控制系统依据公共电网的限电额度调整风电机组的有功功率P_有，由储能监控系统依据有功功率P_有控制储能系统进行充电或放电，以保证有功功率P_有+放电功率P_放≤限电额度P_限；或保证有功功率P_有-充电功率P_放≤限电额度P_限，在满足公共电网限出力指令的前提下，利用储能系统吞吐风电功率，实现既能平抑风电波动，又能增加入网电量，实现智能调控。

可选的，所述风电场场级有功功率控制系统包括：

第一通信单元，与公共电网通信连接；

风速检测单元，用于检测风电机组所处环境的风速；

功率检测单元，与风电机组连接，用于检测风电机组向公共电网传输的上网功率；

第一控制单元，分别与第一通信单元、风速检测单元和功率检测单元连接，用于输出控制指令控制风电机组的有功功率P_有。

可选的，所述储能监控系统包括：

第二通信单元，与所述第一通信单元通信连接；

SOC检测单元，与储能系统连接，用于检测储能系统的SOC；

第二主控单元，分别与第二通信单元和SOC检测单元连接，用于控制储能系统的充电功率和/或放电功率。

可选的，所述储能监控系统还包括：

时钟单元，与所述第二主控单元连接，用于向第二主控单元提供时钟信息。

可选的，所述储能系统包括：

通信单元，与所述第二通信单元通信连接，用于接收储能监控系统输出的控制指令；

电池；

能量转换单元，与电池连接，依据控制指令对电池进行充电或放电功率转换；

储能控制单元，分别与通信单元和能量转换单元连接，将通信单元接收的所述控制指令转发至能量转换单元。

可选的，所述储能系统还包括：

电压检测单元，分别与能量转换单元和电池连接，用于检测能量转换单元和电池的电压信息；

电流检测单元，分别与能量转换单元和电池连接，用于检测能量转换单元和电池的电流信息；

所述通信单元还与电压检测单元和电流检测单元连接，用于输出检测的电压、电流信息。

由上，可实现储能系统的自检。

可选的，所述储能监控系统还包括：

故障检测单元，通过第二主控单元与第二通信单元连接，用于检测通过第二通信单元接收，并通过第二主控单元所转发的所述电压、电流信息。

附图说明

图1为风电场上网电量控制系统的原理示意图；

图2为风电场场级有功功率控制系统的原理示意图；

图3为储能监控系统的原理示意图；

图4为储能系统的原理示意图；

图5为风电场上网电量控制的流程图；

图6为充电模式的流程图；

图7为第二放电模式的流程图。

具体实施方式

本实用新型所提供的风电场上网电量控制系统，将风电场场级有功功率控制系统与储能系统相结合，在满足公共电网限出力指令的前提下，利用储能系统吞吐风电功率，实现既能平抑风电波动，又能增加入网电量，实现智能调控。

风电场上网电量控制系统如图1所示，包括：

风电机组73，用于将风能转换为电能。

公共电网71，由公共电网71下达风电机组73的限出力指令，限值风电机组73的上网功率P_上。

储能系统76，与风电机组73连接，依据储能监控系统75的控制指令进行储能或放能。

风电场场级有功功率控制系统72，用于依据所接收的公共电网71发出的限出力指令，结合风速控制风电机组73的有功功率P_有。

储能监控系统75，分别与风电场场级有功功率控制系统72和储能系统76连接，用于检测储能系统76的荷电状态（SOC，State OfCharge），以及通过与风电场场级有功功率控制系统72的通信，控制储能系统76进行充电或放电，使风电机组73的实际上网功率P_上≤限电额度P_限。

其中，所述荷电状态是指：蓄电池使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态的容量的比值。

第一变压器74，连接于风电机组73与公共电网71之间。

第二变压器77，连接于储能系统76与公共电网71之间。

其中，如图2所示，风电场场级有功功率控制系统72包括第一主控单元721，以及与其连接的第一通信单元722、风速检测单元723、功率检测单元724和第一存储单元725。

所述风速检测单元723用于实时检测风电机组73所处环境的风速信息。

功率检测单元724用于检测风电机组73所产生的功率。

第一通信单元722分别与公共电网71和后文所述储能监控系统75中的第二通信单元752网络连接，接收公共电网71的限出力指令以及储能监控系统75发出的控制储能系统76的充（放）电功率，以及向储能监控系统75输出控制指令。

第一存储单元725对公共电网71和/或储能监控系统75所发出的数据进行数据缓存，该数据包括公共电网71下达的限电额度P_限、储能监控系统75反馈的后文所述电池764的荷电状态以及充（放）电功率。

第一主控单元721用于依据风电机组73所处环境的风速信息以及电池764的荷电状态输出控制指令调整风电机组73中各风机的桨距角，以调整风电机组的有功功率P_有，保证有功功率P_有+放电功率P_放≤限电额度P_限；或保证有功功率P_有-充电功率P_放≤限电额度P_限。

如图3所示，储能监控系统75包括第二主控单元751，以及分别与第二主控单元751连接的第二通信单元752、故障判断单元753、SOC检测单元754、第二存储单元755和时钟单元756。

所述第二通信单元752与第一通信单元722网络连接，用于接收第一通信单元722所输出的有功功率P_有的功率值以及输出电池764的SOC以及充（放）电功率的功率值；另外，第二通信单元752还与后文所述储能系统76中的通信单元762连接，接收储能系统76中电池764以及能量转换单元763的故障信息。

故障检测单元753通过第二主控单元751与第二通信单元752连接，用于接收所述故障信息并进行判断验证。

SOC检测单元754分别与第二主控单元751和后文所述储能系统76中的电池764连接，用于检测储能系统76中电池764的荷电状态，并反馈至第二主控单元751。

时钟单元756用于向第二主控单元751提供时钟信息。

第二存储单元755中存储有充、放电功率P_充和P_放的计算式，以及进行缓存风电场场级有功功率控制系统72所发送的有功功率P_有的功率值和限电额度P_限的功率值。

所述第二主控单元751用于依据有功功率P_有和限电额度P_限控制储能系统76进行充电或放电，并计算最优充电功率P_充或计算最优放电功率P_放，以控制电池764进行相应的充放电功率；所述第二主控单元751还用于依据是否接收限电额度P_限，输出控制指令，通过能量转换单元763控制电池764的放电模式（后文所述第一或第二放电模式）。

本实施例中，第一主控单元721和第二主控单元751的功能可通过型号为IPC-810B或型号为RPPC-6084S的工控机实现。

如图4所示，储能系统76中包括依次连接的通信单元762、储能控制模块761、能量转换单元763和电池764。所述能控制模块761用于依据通信单元762所接收的最优充（放）电功率控制指令控制能量转换单元763对电池764进行充、放电功率转换。

另外，还包括分别与能量转换单元763（PCS，Power ConversionSystem）和电池764连接的电压检测单元、电流检测单元（未图示），用于检测能量转换单元763和电池764的工作参数。

风电场上网电量控制系统的工作流程如图5所示，包括：

步骤10：储能监控系统75判断储能系统76是否故障。当无故障时，方可进入步骤12，否则进入步骤11。

储能系统76中的电压检测单元和电流检测单元分别检测能量转换单元763和电池764的工作电压以及工作电流，判断装置是否出现过载以及短路等故障，并生成故障信息。

步骤11：储能监控系统75进行故障报警，并返回步骤10。

当进行故障报警以提示相关工作人员对储能系统进行检修，储能监控系统75返回步骤10继续检测，以确定故障是否清除。

步骤12：风电场场级有功功率控制系统72判断风电机组73是否接收公共电网71发出的限出力指令。

风电场场级有功功率控制系统72通过第一通信单元722与公共电网71进行通信，当公共电网71下达限出力指令时，进入步骤15；否则进入步骤13。

步骤13：检测电池764的SOC。

储能监控系统75中的SOC检测单元754检测电池764的SOC，第二主控单元751依据第二存储单元755中所存储的SOC_上限和SOC_上限进行判断，当SOC_下限<SOC<SOC_上限时，表示所述电池764适于电量输出，随即进入步骤14；

反之则进入步骤16，储能监控系统75控制储能系统76待机。即能量转换单元763和电池764停止工作。本实施例中，所述SOC_下限为10%，SOC_上限为90%。

步骤14：储能监控系统75控制电池764进入第一放电模式。

第一主控单元721将功率检测单元724检测的风电机组73所产生的有功功率P_有，通过第一通信单元722传输至储能监控系统75，由第二主控单元751判断判断有功功率P_有与阈值功率P_阈的大小。

若有功功率P_有大于阈值功率P_阈时，第二主控单元751根据有功功率P_有的下降率调整电池764的放电功率，以平滑风电的功率波动，同时实现将电池系统的电量反馈回公共电网71，该阈值功率P_阈为一统计值，即不同风速所对应的不同的安全限电额度。当有功功率P_有超过阈值功率P_阈时，引起公共电网71限电的可能性较大。

若有功功率P_有小于阈值功率P_阈时，向第二主控单元751输出反馈信息，由第二主控单元751控制调整电池764以一恒定功率进行放电。其目的在于，尽快将电池764储存的电量送回公共电网71。

步骤15：储能监控系统75判断电池764的荷电状态。

SOC检测单元754检测电池764的荷电状态，当电池764的荷电状态高于SOC_上限时，表示电池的荷电状态充足，则不需充电，进入步骤16；反之电池764的荷电状态低于SOC_上限时，进入步骤17。

步骤16：储能监控系统75控制储能系统76待机。

第二主控单元751输出控制指令控制储能系统75待机，风电机组73所产生的有功功率P_有作为上网功率P_上。

步骤17：储能监控系统75控制储能系统76进入充电模式。如图6所示，步骤17包括：

步骤171：第二主控单元751计算最优充电功率P_充，具体步骤包括：

步骤1711：计算充电功率期望值P1。

依据电池储能上限SOC_上限、当前储能电池的待充电量SOC_待充、当前电量SOC以及剩余限电时长T_剩余计算出充电功率期望值P1，其中，SOC_待充=（SOC_上限-SOC）*电池总容量；P1=SOC_待充/T_剩余。所述计算式以及电池储能上限SOC_上限存储于第二存储单元755中。

剩余有效限电时长T_剩余依据当前的风速，参考历史限电额度，限电时长等统计数据，结合本次已持续的有效限电时长T_持续估算而得。

步骤1712：计算储能系统容许储能功率P2。

所述储能系统的容许储能功率P2由有功功率P_有与限电额度P_限的差值|P|、电池764的充电功率限制值、以及所述能量转换单元763的充电转换功率限制值所决定的，三者中的最小值即为储能系统容许储能功率P2。

步骤1713：比较充电功率期望值P1与储能系统容许储能功率P2的大小。

其中，当P1>P2时，进入步骤1714，第二主控单元751以P2计算储能监控系统计算充电功率P_充；当P1<P2时，进入步骤1715，以P1、P2两数值计算充电功率P_充。

步骤1714：第二主控单元751以P2计算充电功率P_充。

由于充电功率期望值P1大于储能系统容许储能功率P2，因此需以储能系统容许储能功率P2进行计算，并且保证充电功率留有一定余量，以避免电池损坏，因此P_充=0.8*P2。

步骤1715：第二主控单元751以P1、P2计算充电功率P_充。

当充电功率期望值P1小于储能系统容许储能功率P2时，选取尽可能大的充电功率，以便尽快将电池764的电量充满，提高其利用率，因此P_充=0.6*（P2-P1）+P1。

步骤172：风电场场级有功功率控制系统72调节风电机组的有功功率P_有=P_充+P_限。

风电场场级有功功率控制系统72中第一主控单元721结合当前风速，将P_有=P_充+P_限作为执行参考指令，调节风电机组73中各风机的桨距角使所有风机出力之和等于P_有。储能监控系统75中第二主控单元751控制电池764以P_充进行充电，而上传至公共电网71的实际上网功率P_上小于等于限电额度P_限，满足公共电网71的要求。本步骤中，由于风电机组73所产生的有功功率P_有大于限电额度P_限，由此实际上网功率P_上=P_有-P_充。

步骤173：风电场场级有功功率控制系统72判断是否达到调节极限。

风电场场级有功功率控制系统72中第一通信单元722接收风电机组73中各风机的桨距角度数，若未达到0°，则第一主控单元721继续进行调节，即返回步骤172形成闭环调节，以满足实际上网功率P_上=P_有-P_充，同时满足实际上网功率P_上≤限电额度P_限。

若各风机的桨距角均达到0°，则表示调节能力达到极限，即所有风机均为满额功率输出，进入步骤174。

步骤174：检测实际上网功率P_上与限电额度P_限的大小。

经过步骤172的调整，在所有风机均为正常功率输出的情况下，功率检测单元724检测实际上网功率P_上，由第一主控单元721判断实际上网功率P_上与限电额度P_限的大小，其目的在于，若实际上网功率P_上≥限电额度P_限，则表示有功功率调节仍然有空间，且向储能系统76充电的功率仍然可以提高，由此，则返回步骤172，形成闭环调节回路。

反之，若各风机的桨距角均达到0°，且实际上网功率P_上<限电额度P_限，则表示调节能力达到极限时，当前风速逐渐减小，所产生的有功功率P_有有可能小于限电额度P_限，进入步骤175。

步骤175：储能监控系统75控制P_充逐渐减小至0，确认风量死区。

风速减小后，所产生的有功功率P_有自然下降，当无法满足限电额度P_限时，需储能监控系统75控制减小对储能系统76的充电功率P_充，再次检测实际上网功率P_上与限电额度P_限的大小，若实际上网功率P_上仍然小于限电额度P_限，则进一步减小对储能系统76的充电功率P_充，直至P_充=0。本步骤中，由于风力减小，且将P_充逐渐减小至0。此步骤中，实际上网功率P_上=P_有-P_充，当充电功率P_充减小至0时，实际上网功率P_上=有功功率P_有。

由于风力减小导致上网功率P_上无法满足限电额度P_限，则记录风力减小时刻至上网功率P_上≤限电额度P_限的持续时间，以及风量之间的线性关系式。通过积累便可确认风量死区，再次出现风量死区时便可直接确认上网功率P_上无法满足限电额度P_限，进行报警，并进入步骤18。确认风量死区的优点在于，当风速无法满足限电额度P_限时，避免控制风电机组73和储能系统76频繁开启，导致损坏。

步骤176：：判断储能系统76充电是否完成。

若风力进一步减小，则上网功率P_上无法满足限电额度P_限，此时可以使储能系统76放电，以使上网功率P_上等于限电额度P_限。这就需要判断储能系统中电池764是否符合放电要求（即10%<SOC），若符合放电要求，进入步骤177；若不符合放电要求，则进入步骤178。

步骤177：退出储能系统充电程序，储能系统76进入第二放电模式。

当电池764符合放电要求，且风电机组的实际上网功率P_上无法满足限电额度P_限时，进入第二放电模式（即步骤18），通过储能监控系统75控制储能系统76放电，以保证实际上网功率P_上满足限电额度P_限的要求。

步骤178：储能监控系统75控制储能系统76待机。

步骤18：储能监控系统75控制电池764进入第二放电模式。

第二放电模式的最佳情况为满足上网功率P_上等于限电额度P_限，如图7所示，第二放电模式包括：

步骤181：第二主控单元751计算最优放电功率P_放，放电过程中，需满足实际上网功率P_上=P_有+P_放。

依据剩余有效限电间隔时长T_间隔、电池放电下限SOC_下限、电池的待放电量SOC_待放，以及当前电量SOC计算出放电功率期望值P3，其中，SOC_待放=（SOC–SOC_下限）*电池总容量；P3=SOC_待放/T_间隔。

剩余有效限电间隔时长T_间隔依据当前的风速，参考历史同期在相同功率差值时限电时长的统计数据，结合风量减小所持续的时间T_{减 小}估算而得。

步骤1812：计算储能系统76容许放电功率P4。

所述储能系统76的容许放电功率P4由有功功率P_有与限电额度P限的差值|P|、电池764的放电功率限制值、以及所述能量转换单元763的放电转换功率限制值所决定的，三者中的最小值即为储能系统容许放电功率P4。

步骤1813：放电功率期望值P3与储能系统容许放电功率P4的大小。

其中，当P3>P4时，进入步骤1814，以P4计算储能监控系统75计算放电功率P_放；

当P3<P4时，进入步骤1815，以P3、P4两数值计算电池764的放电功率P_放。

步骤1814：以P4计算放电功率P_放。

由于放电功率期望值P3大于储能系统76容许放电功率P4，因此需以储能系统76容许放电功率P4进行计算，并且保证放电功率留有一定余量，以避免电池电量耗净而损坏，P_放=0.8*P4。

步骤1815：以P3、P4计算放电功率P_放。

当放电功率期望值P3小于储能系统76容许放电功率P4时，选取尽可能大的放电功率，以便尽快将储能系统中电池764电量输出，提高其电量循环利用率，为下次储能准备，P_放=0.6*（P4-P3）+P3。

步骤182：判断电池764的荷电状态。

当SOC检测单元754检测电池764的荷电状态低于SOC_阀值（接近于零）时，进入步骤183；反之，当储能系统76中电池764的荷电状态高于SOC_阀值，则返回步骤181。相同的，SOC_阀值为5%。

步骤183：储能系统76待机。

所述储能系统76是指能量转换单元763以及电池764停止工作。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。换言之，可以在不脱离本实用新型主旨精神的范围内对上述实施方式进行适当的变更。

Claims (5)

1.一种风电场上网电量控制系统，通过变压器与公共电网连接，其特征在于，包括： 

风电机组； 

储能系统，与风电机组连接； 

风电场场级有功功率控制系统，包括： 

第一通信单元，与公共电网连接； 

风速检测单元，用于检测风电机组所处环境的风速； 

功率检测单元，与风电机组连接，用于检测风电机组向公共电网传输的上网功率； 

第一控制单元，分别与第一通信单元、风速检测单元和功率检测单元连接，用于输出控制指令控制风电机组的有功功率P有； 

储能监控系统，包括： 

第二通信单元，与风电场场级有功功率控制系统中第一通信单元通信连接连接； 

SOC检测单元，和储能系统连接，用于检测储能系统的SOC； 

第二主控单元，分别与第二通信单元和SOC检测单元连接，用于控制储能系统的充电功率和/或放电功率。 

2.根据权利要求1所述的风电场上网电量控制系统，其特征在于，所述储能监控系统还包括： 

时钟单元，与所述第二主控单元连接，用于向第二主控单元提供时钟信息。 

3.根据权利要求2所述的风电场上网电量控制系统，其特征在于，所述储能系统包括： 

通信单元，与所述第二通信单元通信连接，用于接收储能监控系统输出的控制指令； 

电池； 

能量转换单元，与电池连接，依据控制指令对电池进行充电或放 电功率转换； 

储能控制单元，分别与通信单元和能量转换单元连接，将通信单元接收的所述控制指令转发至能量转换单元。 

4.根据权利要求3所述的风电场上网电量控制系统，其特征在于，所述储能系统还包括： 

电压检测单元，分别与能量转换单元和电池连接，用于检测能量转换单元和电池的电压信息； 

电流检测单元，分别与能量转换单元和电池连接，用于检测能量转换单元和电池的电流信息； 

所述通信单元还与电压检测单元和电流检测单元连接，用于输出检测的电压、电流信息。 

5.根据权利要求4所述的风电场上网电量控制系统，其特征在于，所述储能监控系统还包括： 

故障检测单元，通过第二主控单元与第二通信单元连接，用于检测通过第二通信单元接收，并通过第二主控单元所转发的所述电压、电流信息。 

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