一種風力發電場控制方法及系統的製作方法

2023-05-30 00:17:11

專利名稱：一種風力發電場控制方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及ー種發電場內部輸電網絡的控制方法及實現此方法的系統方案，特別涉及ー種通過調整風力發電機(即風機)之間串並聯關係來控制所述風カ發電場的實際輸出電壓的方法及系統。
背景技術：
隨著環境汙染的加劇和異常氣候的頻繁發生，世界各國對綠色能源的關注程度進 ー步提高。風電作為ー種無廢棄物排放、持續可再生的緑色能源，已經得到了廣泛的關注。 以我國為例，中國風電總裝機容量自2007年起已經連續五年翻倍增長，全球風能理事會 2012年2月7日發布報告稱，中國2011年風電裝機容量新增18吉瓦，佔全球總增量的2/5， 風電累計裝機容量達到62. 7吉瓦，處於全球風電利用領袖的地位。風能具有蘊藏量大、可再生、分布廣泛、無廢棄物排放等優點，但其能量密度低、風力不穩定、風能分布地區差異大。鑑於風能較低的能量密度，通常採用建設大規模風カ發電場的形式來進行風カ發電，將多颱風カ發電機的電能合併輸出，以獲取足夠的能量供給用戶。由於風能的不穩定性，一方面需要通過風場總控系統進行風場出力進行預測和調控，確保風カ發電場功率輸出的穩定，另一方面需要通過風カ發電機複雜的機械和電氣裝置來獲得穩定的電壓輸出。以目前較為常用的雙饋變速恆頻型風カ發電機組為例，此種風カ發電機組通過變槳系統、齒輪箱、雙饋異步發電機、雙向變流器等多套系統來確保在風カ變動時輸出電壓穩定在690V左右。由於現有的風場控制模式中主要依靠風機自身來確保電壓的穩定，這種控制模式導致風機的結構變得複雜、技術難度增加、可靠性降低、成本也難以控制，使得風カ發電在成本上與傳統發電方法相比失去競爭優勢，限制了風カ發電這種緑色能源的推廣。現有風場控制模式忽略了風機之間的協調能力，本質上只是多颱風カ發電機的簡單疊加，並未真正發揮多颱風機之間相互組合的集群優勢。為克服雙饋異步發電機需配備齒輪箱，控制系統複雜等缺點，有學者提出了採用勵磁電流可調節的直流發電機組方案，其系統結構如圖I所示。當電機轉速在一定的變化範圍內時，通過調節勵磁電流可以使輸出電壓穩定，較雙饋異步發電機組更適於轉速頻繁波動的風カ發電系統。雖然此系統做出了一些改進，但仍需設置勵磁電流調節裝置，而且當風速偏離額定值時，勵磁電流需要調整的幅度急劇增加，當風機轉速較小時，甚至難以通過調節勵磁電流實現穩定電壓的目的。本發明針對現有風機及風場控制模式的不足，g在提出一種簡單有效的風場總輸出電壓控制技木，克服傳統控制模式對風機系統的依賴，降低對風機性能的要求並為風機系統的簡化奠定技術基礎，為降低風カ發電成本提供一種可行途徑。

發明內容
本發明要解決的問題是通過調整風機之間串並聯關係來控制風力發電場的實際輸出電壓的方法及系統。為解決上述技術問題，本發明提供了ー種風カ發電場輸出電壓控制系統，包括輸電線路、電參數傳感器、總控制器和執行器，其中輸電線路用於將風力發電機產生的電能傳輸出去，輸電線路及執行器組成風力發電場內的輸電網絡，電參數傳感器檢測風力發電機的實時參數，並通過總線向總控制器傳輸數據，其特徵在幹執行器通過接收總控制器的指令並執行線路切換操作。當執行器位於第一位置時，發電機組之間為並聯關係；當執行器位於第二位置吋， 發電機組之間為串聯關係；當執行器位於第三位置時，可將發電機組從輸電網絡中切除。總控制器根據接收到的實時數據進行分析，按照內部預置的風カ發電場的控制算法推導出輸電網絡調整方案。另外本發明提供了一種風カ發電場輸出電壓控制方法，採用的是被動調節模式， 設風カ發電機總數為m，風カ發電場的目標輸出電壓為Vaim，其特徵在於，該方法包括以下步驟I)電參數傳感器在不同的轉速下獲取各颱風カ發電機輸出電壓Vi, i G [l，m]；2)總控制器根據Vi以及串聯風カ發電機臺數k，計算出分組數，得到風カ發電機分組的串並聯方案，使得分組後的風カ發電場的預測電壓V與目標電壓Vaim之間偏差值最3)按照偏差值最小的風カ發電機分組的串並聯方案，執行器通過接收總控制器的指令並執行線路切換操作，實現風カ發電機組間串並聯關係調整。本發明還提供一種風カ發電場輸出電壓控制方法，採用主動調節模式，設風カ發電機總數為m，風カ發電場的目標輸出電壓為Vaim，其特徵在於，該方法包括以下步驟I)利用測風傳感器測量各颱風機的風カ參數Xi, i G [l，m]；2)根據風機的風速-發電機端電壓特性曲線預估下一時刻各颱風機的輸出電壓 Vi, i G [I, m]；3)總控制器根據Vi以及串聯風カ發電機臺數k，計算出分組數，得到風カ發電機分組的串並聯方案，使得分組後的風カ發電場的預測電壓V與目標電壓Vaim之間偏差值最4)按照偏差值最小的風カ發電機分組的串並聯方案，執行器通過接收總控制器的指令並執行線路切換操作，實現風カ發電機組間串並聯關係調整。


圖I是現有的他勵磁式直驅直流發電機系統圖；圖2示出風機轉速對發電機端電壓的影響；圖3是本發明中採用的主從結構控制系統示意圖；圖4是本發明中採用的對等結構控制系統示意圖。
具體實施例方式本發明中的風カ發電機組可採用他勵式直驅直流發電機組，額定功率為2. 2kW，額定轉速1450rpm，其輸出電壓隨風機轉速的變化關係如圖2所示。在勵磁電流為0. 5A條件下，當風機轉速從300rpm提高到1200rpm時，發電機的端電壓從62V升高到250V。由圖2可知，勵磁電流為0. 5A時的發電機端電壓與風機轉速可用下式表示y = 0. 208889x,式中y為發電機端電壓,單位為V ；x為風機轉速,單位為rpm。設風カ發電場中風カ發電機總數m為1000臺，風カ發電場的目標輸出電壓Vaim為 IOOOVo為達到1000的總輸出電壓，需要串聯的風機臺數k採用下式進行估算k = round (Vaim/y) = round (1000/0. 208889x)分組數n採用下式進行估算n = round (m/k) = round (1000/k)下表顯示了不同轉速吋，串並聯方案的初歩預估值及與目標電壓的偏差
權利要求
1.ー種風カ發電場輸出電壓控制系統，包括輸電線路、電參數傳感器、總控制器和執行器，其中輸電線路用於將風カ發電機產生的電能傳輸出去，輸電線路及執行器組成風カ發電場內的輸電網絡，電參數傳感器檢測風力發電機的實時參數，並通過總線向總控制器傳輸數據，其特徵在幹執行器通過接收總控制器的指令並執行線路切換操作。
2.根據權利要求I所述的控制系統，其特徵在於當執行器位於第一位置時，發電機組之間為並聯關係；當執行器位於第二位置時，發電機組之間為串聯關係；當執行器位於第三位置時，可將發電機組從輸電網絡中切除。
3.根據權利要求I所述的控制系統，其特徵在於所述的總控制器根據接收到的實時數據進行分析，按照內部預置的風カ發電場的控制算法推導出輸電網絡調整方案。
4.根據權利要求I所述的控制系統，其特徵在於所述總控制器可以由在發電單元中設置地位相等的分控制器替代，分控制器之間通過Modbus進行通訊，協調模塊間的線路配合。
5.根據權利要求I或2所述的控制系統，其特徵在於所述執行器採用具有輔助模塊的接觸器，該輔助模塊可將接觸器的動作情況反饋給總控制器。
6.根據權利要求2所述的控制系統，其特徵在於所述發電機組為直流發電機組或者交流發電機組+AC/DC轉換器。
7.根據權利要求3所述的控制系統，其特徵在於所述的控制算法為設風カ發電機總數為m，風カ發電場的目標輸出電壓為Vaim，並採用以下步驟1)電參數傳感器在不同的轉速下獲取各颱風カ發電機輸出電壓Vi,i G [l，m]；2)總控制器根據Vi以及串聯風カ發電機臺數k，計算出分組數，得到風カ發電機分組的串並聯方案，使得分組後的風カ發電場的預測電壓V與目標電壓Vaim之間偏差值最小；3)按照偏差值最小的風カ發電機分組的串並聯方案，執行器通過接收總控制器的指令並執行線路切換操作，實現風カ發電機組間串並聯關係調整。
8.一種風カ發電場輸出電壓控制方法，採用的是被動調節模式，設風カ發電機總數為 m，風カ發電場的目標輸出電壓為Vaim，其特徵在於，該方法包括以下步驟1)電參數傳感器在不同的轉速下獲取各颱風カ發電機輸出電壓Vi,i G [l，m]；2)總控制器根據Vi以及串聯風カ發電機臺數k，計算出分組數，得到風カ發電機分組的串並聯方案，使得分組後的風カ發電場的預測電壓V與目標電壓Vaim之間偏差值最小；3)按照偏差值最小的風カ發電機分組的串並聯方案，執行器通過接收總控制器的指令並執行線路切換操作，實現風カ發電機組間串並聯關係調整。
9.根據權利要求8所述的控制方法，其特徵在幹在步驟3)中當執行器位於第一位置時，發電機組之間為並聯關係；當執行器位於第二位置時，發電機組之間為串聯關係；當執行器位於第三位置時，可將發電機組從輸電網絡中切除。
10.一種風カ發電場輸出電壓控制方法，採用主動調節模式，設風カ發電機總數為m， 風カ發電場的目標輸出電壓為Vaim，其特徵在於，該方法包括以下步驟1)利用測風傳感器測量各颱風機的風カ參數Xi,i G [I, m]；2)根據風機的風速-發電機端電壓特性曲線預估下一時刻各颱風機的輸出電壓Vi, i G [I, m]；3)總控制器根據Vi以及串聯風カ發電機臺數k，計算出分組數，得到風カ發電機分組的串並聯方案，使得分組後的風カ發電場的預測電壓V與目標電壓Vaim之間偏差值最小；4)按照偏差值最小的風カ發電機分組的串並聯方案，執行器通過接收總控制器的指令並執行線路切換操作，實現風カ發電機組間串並聯關係調整。
全文摘要
本發明公開了一種風力發電場輸出電壓控制系統，包括輸電線路、電參數傳感器、總控制器和執行器，其中輸電線路用於將風力發電機產生的電能傳輸出去，輸電線路及執行器組成風力發電場內的輸電網絡，電參數傳感器檢測風力發電機的實時參數，並通過總線向總控制器傳輸數據，其特徵在於執行器通過接收總控制器的指令並執行線路切換操作。通過調整風機之間串並聯關係來控制風力發電場的實際輸出電壓的方法及系統，降低對風機性能的要求並為風機系統的簡化奠定技術基礎，為降低風力發電成本提供一種可行途徑。
文檔編號H02J3/38GK102611139SQ20121007596
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月21日 優先權日2012年3月21日
發明者南寅, 王立昌 申請人:首瑞(北京)投資管理集團有限公司