一種基於功率預測的風電併網運行控制方法
2023-06-02 01:00:46 1
一種基於功率預測的風電併網運行控制方法
【專利摘要】本發明提供一種基於功率預測的風電併網運行控制方法，通過該方法，可以即時預測風力發電功率和獲知電網信息，並根據氣象信息、電網信息和電機狀況，進行自適應地發電，在併網運行時，能降低對電網的衝擊，可實現對電網的友好地交互工作。
【專利說明】-種基於功率預測的風電併網運行控制方法 所屬【技術領域】
[0001] 本發明涉一種基於功率預測的風電併網運行控制方法，特別涉及一種基於發電功 率和負載功率預測的風電併網運行控制方法。
【背景技術】
[0002] 當前，風力發電是可再生能源開發利用中技術最成熟、最具開發規模和最具商業 化發展前景的發電形式。由於其在減輕環境汙染、調整能源結構、促進可持續發展等方面的 突出作用，風力發電是本世紀重要的綠色能源，是煤炭等常規能源發電的重要替代能源之 一。此外，風電和火電、水電及核電相比，建設周期短、見效快，建設一個大型風電場只需要 不到一年的時間，因此風電一直是世界是增長最快的清潔能源，具有良好的發展前景。
[0003] 在我國的一些區域電網中，風力發電已經成為主要的電力來源之一。包含大規模 風電接入的電網在峰谷調節、頻率控制、電壓控制、最大限度的發揮儲能效力等環節具有其 自身特性，傳統的調度自動化系統已經不能完全適應其調度運行的需要。由於風電等可再 生能源自身具有波動性、間歇性、反調峰性、低可調度性等"不友好"的特點，對傳統的"發電 跟蹤負荷"的電網調度方式提出了挑戰。電源、電網和負荷三者間應進行協調互動，不僅有 利於提高電力系統的能量和功率動態平衡能力，也有利於實現大電網資源優化配置和能源 綜合利用效率的提升，是智能電網的重要發展方向。
[0004] 目前市場上的主要風機機型為雙饋型和直驅型兩種，其中雙饋型風機佔據市場的 主導份額。雙饋式風力發電機組在電網電壓不平衡時的有功和無功功率支持能力，必須建 立在能夠通過控制使得雙饋機組在電網電壓不平衡時也能順利輸出有功和無功功率給定 值的基礎上。該雙饋型風力發電機的併網過程主要分兩步實現：第一步，啟動變流器對雙饋 發電機進行勵磁以調整雙饋發電機定子側電壓相位、頻率、幅值與電網電壓相位、頻率、幅 值相一致；第二步，閉合併網接觸器連通電網，實現併網過程。在第一步過程中，雙饋發電機 定子側電壓相位、頻率、幅值與電網電壓相位、頻率、幅值可以調整到比較接近，但仍舊會有 一些誤差，因此在第二步過程中併網接觸器閉合時會造成很大的衝擊電流
【發明內容】
[0005] 為解決上述問題，本發明提供一種基於功率預測的風電併網運行控制方法，通過 該方法，可以即時預測風力發電功率和獲知電網信息，並根據氣象信息、電網信息和電機狀 況，進行自適應地發電，在併網運行時，能降低對電網的衝擊，可實現對電網的友好地交互 工作。
[0006] 為了實現上述目的，本發明提供一種基於功率預測的風電併網運行控制方法，該 方法基於如下系統運行，該系統包括：
[0007] 風力發電機，用於將風能轉換成電能，其中該風力發電機採用雙饋電機；
[0008] 風機電壓、電流、轉速採樣模塊，用於檢測電機運行時的電壓、電流和轉速；
[0009] 氣象信息採集模塊，用於實時採集風力發電機周邊氣象信息；
[0010] 剎車卸能模塊，用於電機失速時剎車減速；
[0011] 儲能模塊，包括蓄電池組，用於在未併網時，儲存電能；
[0012] 微處理器，用於控制整個發電系統的運行；
[0013] 併網電源逆變裝置，其用於將風力發電機併網至電網，所述併網電壓逆變裝置包 括：
[0014] 整流模塊，其可將風力發電機的電壓整流為直流電壓；
[0015] 斬波模塊，其可將所述直流電壓斬波為方波電壓；
[0016] 正弦濾波模塊，其可將所述方波電壓濾波為正弦電壓；
[0017] 變壓模塊，其可將所述正弦電壓變壓後輸出一個可輸入電網的轉換電壓；
[0018] 可控開關模塊，其可導通或截止輸入至電網的所述轉換電壓；
[0019] 第一電壓測量模塊，其可測量電網的瞬時電壓，並輸出一個代表該瞬時電壓的第 一電壓信號；
[0020] 第二電壓測量模塊，其可測量所述轉換電壓的瞬時電壓，並輸出一個代表該瞬時 電壓的第二電壓信號；
[0021] 同期指示模塊，其可分別輸入電網的瞬時電壓和所述轉換電壓的瞬時電壓，且所 述同期指示模塊可輸出一個代表電網的電壓與所述轉換電壓同期的同期指示信號；和
[0022] 驅動模塊，其可輸入所述微處理器發出的指令、所述第一電壓信號、所述第二電壓 信號和所述同期指示信號，所述驅動模塊可輸出一個用於控制輸出的所述方波電壓的頻率 和脈衝寬度的驅動控制信號至所述斬波模塊，且所述驅動模塊可輸出一個用於控制所述可 控開關模塊導通或截止的開關驅動信號至所述可控開關模塊，以實現與電網的同步併網， 並根據微處理器的指令輸出功率；
[0023] 該基於發電功率和負載功率預測的風電併網運行控制方法還包括自動發電量控 制（AGC)協調模塊，基於氣象信息和電網信息，預測和控制風力發電機併網時的發電功率， 該模塊包括：
[0024] 電網數據獲取單元，可從電網調度中心實時讀取電網量測數據；
[0025] 電網數據分析單元，可對所述電網量測數據進行數據處理和質量判斷，判斷電網 所處的控制區間；
[0026] 發電功率協調單元，由實時發電計劃獲得基點，並計算電網調節需求，並按照協調 控制策略進行調節功率分配，該發電功率協調單元與微處理器相連，並通過微處理器向並 網電源逆變裝置的驅動模塊發出指令，以控制功率輸出；
[0027] 該方法包括如下步驟：
[0028] (1)獲取步驟：由所述驅動模塊獲取所述轉換電壓的瞬時電壓值得到一個子電 壓，由所述驅動模塊獲取所述轉換電壓的相位角得到一個子相位角，由所述驅動模塊獲取 所述轉換電壓的頻率得到一個子頻率，由所述驅動模塊獲取電網電壓的瞬時電壓值得到一 個母電壓，由所述驅動模塊獲取電網電壓的相位角得到一個母相位角，和由所述驅動模塊 獲取電網電壓的頻率得到一個母頻率；
[0029] (2)計算步驟：由所述驅動模塊計算所述子電壓與所述母電壓之差得到一個電壓 差，由所述驅動模塊計算所述子相位角與所述母相位角之差得到一個相位角差，由所述驅 動模塊計算所述子頻率與所述母頻率之差得到一個頻率差；
[0030] (3)判斷步驟：由所述驅動模塊判斷是否收到所述同期指示信號，由所述驅動模 塊比較所述頻率差的絕對值與一個預設頻率差，由所述驅動模塊比較所述電壓差與一個預 設電壓差，若所述轉換電壓與電網電壓同期、所述頻率差的絕對值小於所述預設頻率差且 所述電壓差的絕對值小於所述預設電壓差，則所述驅動模塊控制所述可控開關模塊，使得 所述轉換電壓併網於所述電網，否則進入下一個步驟；
[0031] (4)調控步驟：所述驅動模塊將所述相位角差通過PID運算得到一個目標頻率，所 述驅動模塊調整所述子頻率等於所述目標頻率，且所述驅動模塊調整所述子電壓等於所述 母電壓，返回判斷步驟；
[0032] (5)功率控制步驟：驅動模塊根據微處理器的指令，實時控制斬波模塊的佔空比， 以控制功率輸出滿足電網的需求。
[0033] 優選的，所述功率控制步驟（5)，包括如下子步驟：
[0034] (51)微處理器同時收集來自風機電壓、電流、轉速採樣模塊、自動發電量控制 (AGC)協調模塊、和氣象採集模塊的電機運行狀況信息、電網信息和氣象信息；
[0035] (52)根據上述氣象信息和電機運行狀況信息，預測風力發電機的發電功率；
[0036] (53)根據預測風力發電機的發電功率和電網信息，確定電機發電計劃曲線；
[0037] (54)微處理器按照所述風電場發電計劃曲線，通過控制驅動模塊來控制併網發電 功率。
[0038] 優選的，所述電網信息包括：有功控制、無功電壓控制指令，有功、無功/電壓控制 投退指令，以及對相關限值的設置指令。
[0039] 優選的，所述氣象信息包括：氣象信息：風速、風向、溫度、溼度、氣壓。
[0040] 優選的，前述的步驟（54)中，微處理器進行風電場有功控制和調節，具體為：微處 理器將自動發電量控制（AGC)協調模塊的有功指令轉化為驅動信號，驅動模塊，由驅動模 塊控制斬波模塊來控制控制風力發電機的有功出力。
[0041] 優選的，所述協調控制策略包括緊急調節策略：當電網調節需求位於緊急區時，風 力發電機立即參與調節，使電網儘快恢復到正常狀態，其中參與調節表示該機組與其它可 調機組同時進行調節。
[0042] 優選的，當電網調節需求位於緊急區時，風力發電機立即參與調節；如果不需要緊 急調節，則判斷是否需要次緊急向下調節。
[0043] 優選的，當電網不需要次緊急向下調節時，則判斷是否需要次緊急向上調節，如果 需要調節，則風力發電機參與向上調節；如果不需要次緊急向上調節，繼續判斷是否需要正 常向上調節。
[0044] 本發明提供的基於功率預測的風電併網運行控制方法具有如下優點：（1)可以基 於實時獲取的氣象信息、風力發電機運行狀況、電網實時運行信息，設定風力發電機併網運 行參數，提高風能使用率。（2)併網電源逆變裝置和自動發電量控制（AGC)協調模塊的配合 使用，在提高發電效率的同時，還可以降低併網時對電網的衝擊。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0045] 圖1示出了本發明的一種基於功率預測的風電併網運行系統的框圖；
[0046] 圖2示出了圖1中系統中的併網電壓逆變裝置和自動發電量控制（AGC)協調模塊 的具體組成；
[0047] 圖3示出了本發明的一種基於功率預測的風電併網運行方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0048] 圖1是示出了根據本發明的基於功率預測的風電併網運行控制方法的框圖，該基 於發電功率和負載功率預測的風電併網運行控制方法包括：風力發電機7,用於將風能轉 換成電能，其中該風力發電機採用雙饋電機；風機電壓、電流、轉速採樣模塊9，用於檢測電 機運行時的電壓、電流和轉速；剎車卸能模塊7,用於電機失速時剎車減速；儲能模塊5,包 括蓄電池組，用於在未併網時，儲存電能，在併網運行時可以將電能輸入電網1，在風力發電 機啟動時，可以用於輔助電機啟動；氣象信息米集模塊8,用於實時米集風力發電機周邊氣 象信息，所述氣象信息包括風速、風向、溫度、溼度、氣壓；微處理器4,用於控制整個發電系 統的運行；併網電源逆變裝置2,其用於將風力發電機併網至電網；自動發電量控制（AGC) 協調模塊3,用於預測和控制風力發電機併網時的發電功率。
[0049] 參見圖2,所述併網電壓逆變裝置包括：整流模塊21，其可將風力發電機的電壓整 流為直流電壓，輸送給儲能模塊或給斬波模塊22 ;斬波模塊22,其可將所述直流電壓斬波 為方波電壓；正弦濾波模塊23,其可將所述方波電壓濾波為正弦電壓；變壓模塊25,其可將 所述正弦電壓變壓後輸出一個可輸入電網的轉換電壓，變壓模塊優選變壓器；可控開關模 塊24,其可導通或截止輸入至電網的所述轉換電壓。
[0050] 所述併網電壓逆變裝置還包括：
[0051] 第一電壓測量模塊29,其可測量電網1的瞬時電壓，並輸出一個代表該瞬時電壓 的第一電壓信號。
[0052] 第二電壓測量模塊26,其可測量所述轉換電壓的瞬時電壓，並輸出一個代表該瞬 時電壓的第二電壓信號。
[0053] 同期指示模塊28,其可分別輸入電網1的瞬時電壓和所述轉換電壓的瞬時電壓， 且所述同期指示模塊28可輸出一個代表電網1的電壓與所述轉換電壓同期的同期指示信 號。
[0054] 驅動模塊27,其可輸入所述微處理器4發出的指令、所述第一電壓信號、所述第二 電壓信號和所述同期指不信號，所述驅動模塊可輸出一個用於控制輸出的所述方波電壓的 頻率和脈衝寬度的驅動控制信號至所述斬波模塊22,且所述驅動模塊27可輸出一個用於 控制所述可控開關模塊24導通或截止的開關驅動信號至所述可控開關模塊24,以實現與 電網1的同步併網，並根據微處理器4的指令輸出功率。
[0055] 參見圖2,該基於發電功率和負載功率預測的風電併網運行控制方法還包括自動 發電量控制（AGC)協調模塊3,基於氣象信息和電網信息，預測和控制風力發電機9併網時 的發電功率，所述電網信息包括有功控制、無功電壓控制指令，有功、無功/電壓控制投退 指令，以及對相關限值的設置指令，該模塊包括：
[0056] 電網數據獲取單元31，可從電網調度中心實時讀取電網量測數據；
[0057] 電網數據分析單元32,可對所述電網量測數據進行數據處理和質量判斷，判斷電 網所處的控制區間；
[0058] 發電功率協調單元33,由實時發電計劃獲得基點，並計算電網調節需求，並按照協 調控制策略進行調節功率分配，該發電功率協調單元與微處理器相連，並通過微處理器4 向併網電源逆變裝置2的驅動模塊27發出指令，以控制功率輸出。
[0059] 所述協調控制策略包括緊急調節策略：當電網1調節需求位於緊急區時，風力發 電機9立即參與調節，使電網1儘快恢復到正常狀態，其中參與調節表示該風力發電機9與 其它可調機組同時進行調節。
[0060] 當電網1調節需求位於緊急區時，風力發電機9立即參與調節；如果不需要緊急調 節，則判斷是否需要次緊急向下調節。
[0061] 當電網1不需要次緊急向下調節時，則判斷是否需要次緊急向上調節，如果需要 調節，則風力發電機9參與向上調節；如果不需要次緊急向上調節，繼續判斷是否需要正常 向上調節。
[0062] 所述併網電源逆變裝置2的併網控制方法包括如下步驟：
[0063] (1)獲取步驟：由所述驅動模塊27獲取所述轉換電壓的瞬時電壓值得到一個子電 壓，由所述驅動模塊27獲取所述轉換電壓的相位角得到一個子相位角，由所述驅動模塊27 獲取所述轉換電壓的頻率得到一個子頻率，由所述驅動模塊27獲取電網電壓的瞬時電壓 值得到一個母電壓，由所述驅動模塊27獲取電網電壓的相位角得到一個母相位角，和由所 述驅動模塊27獲取電網電壓的頻率得到一個母頻率；
[0064] (2)計算步驟：由所述驅動模塊27計算所述子電壓與所述母電壓之差得到一個電 壓差，由所述驅動模塊27計算所述子相位角與所述母相位角之差得到一個相位角差，由所 述驅動模塊27計算所述子頻率與所述母頻率之差得到一個頻率差；
[0065] (3)判斷步驟：由所述驅動模塊27判斷是否收到所述同期指示信號，由所述驅動 模塊27比較所述頻率差的絕對值與一個預設頻率差，由所述驅動模塊27比較所述電壓差 與一個預設電壓差，若所述轉換電壓與電網電壓同期、所述頻率差的絕對值小於所述預設 頻率差且所述電壓差的絕對值小於所述預設電壓差，則所述驅動模塊27控制所述可控開 關模塊27,使得所述轉換電壓併網於所述電網，否則進入下一個步驟；
[0066] (4)調控步驟：所述驅動模塊27將所述相位角差通過PID運算得到一個目標頻 率，所述驅動模塊27調整所述子頻率等於所述目標頻率，且所述驅動模塊27調整所述子電 壓等於所述母電壓，返回判斷步驟；
[0067] (5)功率控制步驟：驅動模塊27根據微處理器4的指令，實時控制斬波模塊的佔 空比，以控制功率輸出滿足電網的需求。
[0068] 其中所述功率控制步驟（5)，包括如下子步驟：
[0069] (51)微處理器同時收集來自風機電壓、電流、轉速米樣模塊、自動發電量控制 (AGC)協調模塊、和氣象採集模塊的電機運行狀況信息、電網信息和氣象信息；
[0070] (52)根據上述氣象信息和電機運行狀況信息，預測風力發電機的發電功率；
[0071] (53)根據預測風力發電機的發電功率和電網信息，確定電機發電計劃曲線；
[0072] (54)微處理器按照所述風電場發電計劃曲線，通過控制驅動模塊來控制併網發電 功率。
[0073] 前述的步驟（54)中，微處理器進行風電場有功控制和調節，具體為：微處理器將 自動發電量控制（AGC)協調模塊的有功指令轉化為驅動信號，驅動模塊，由驅動模塊控制 斬波模塊來控制控制風力發電機的有功出力。
[0074] 以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定 本發明的具體實施只局限於這些說明。對於本發明所屬【技術領域】的普通技術人員來說，在 不脫離本發明構思的前提下，做出若干等同替代或明顯變型，而且性能或用途相同，都應當 視為屬於本發明的保護範圍。
【權利要求】
1. 一種基於功率預測的風電併網運行控制方法，該方法基於如下系統運行，該系統包 括： 風力發電機，用於將風能轉換成電能，其中該風力發電機採用雙饋電機； 風機電壓、電流、轉速採樣模塊，用於檢測電機運行時的電壓、電流和轉速； 氣象信息採集模塊，用於實時採集風力發電機周邊氣象信息； 剎車卸能模塊，用於電機失速時剎車減速； 儲能模塊，包括蓄電池組，用於在未併網時，儲存電能； 微處理器，用於控制整個發電系統的運行； 併網電源逆變裝置，其用於將風力發電機併網至電網，所述併網電壓逆變裝置包括： 整流模塊，其可將風力發電機的電壓整流為直流電壓； 斬波模塊，其可將所述直流電壓斬波為方波電壓； 正弦濾波模塊，其可將所述方波電壓濾波為正弦電壓； 變壓模塊，其可將所述正弦電壓變壓後輸出一個可輸入電網的轉換電壓； 可控開關模塊，其可導通或截止輸入至電網的所述轉換電壓； 第一電壓測量模塊，其可測量電網的瞬時電壓，並輸出一個代表該瞬時電壓的第一電 壓信號； 第二電壓測量模塊，其可測量所述轉換電壓的瞬時電壓，並輸出一個代表該瞬時電壓 的第二電壓信號； 同期指示模塊，其可分別輸入電網的瞬時電壓和所述轉換電壓的瞬時電壓，且所述同 期指示模塊可輸出一個代表電網的電壓與所述轉換電壓同期的同期指示信號；和 驅動模塊，其可輸入所述微處理器發出的指令、所述第一電壓信號、所述第二電壓信號 和所述同期指示信號，所述驅動模塊可輸出一個用於控制輸出的所述方波電壓的頻率和脈 衝寬度的驅動控制信號至所述斬波模塊，且所述驅動模塊可輸出一個用於控制所述可控開 關模塊導通或截止的開關驅動信號至所述可控開關模塊，以實現與電網的同步併網，並根 據微處理器的指令輸出功率； 該基於發電功率和負載功率預測的風電併網運行控制方法還包括自動發電量控制 (AGC)協調模塊，基於氣象信息和電網信息，預測和控制風力發電機併網時的發電功率，該 模塊包括： 電網數據獲取單元，可從電網調度中心實時讀取電網量測數據； 電網數據分析單元，可對所述電網量測數據進行數據處理和質量判斷，判斷電網所處 的控制區間； 發電功率協調單元，由實時發電計劃獲得基點，並計算電網調節需求，並按照協調控制 策略進行調節功率分配，該發電功率協調單元與微處理器相連，並通過微處理器向併網電 源逆變裝置的驅動模塊發出指令，以控制功率輸出； 該方法包括如下步驟： (1)獲取步驟：由所述驅動模塊獲取所述轉換電壓的瞬時電壓值得到一個子電壓，由 所述驅動模塊獲取所述轉換電壓的相位角得到一個子相位角，由所述驅動模塊獲取所述轉 換電壓的頻率得到一個子頻率，由所述驅動模塊獲取電網電壓的瞬時電壓值得到一個母電 壓，由所述驅動模塊獲取電網電壓的相位角得到一個母相位角，和由所述驅動模塊獲取電 網電壓的頻率得到一個母頻率； (2) 計算步驟：由所述驅動模塊計算所述子電壓與所述母電壓之差得到一個電壓差， 由所述驅動模塊計算所述子相位角與所述母相位角之差得到一個相位角差，由所述驅動模 塊計算所述子頻率與所述母頻率之差得到一個頻率差； (3) 判斷步驟：由所述驅動模塊判斷是否收到所述同期指示信號，由所述驅動模塊比 較所述頻率差的絕對值與一個預設頻率差，由所述驅動模塊比較所述電壓差與一個預設電 壓差，若所述轉換電壓與電網電壓同期、所述頻率差的絕對值小於所述預設頻率差且所述 電壓差的絕對值小於所述預設電壓差，則所述驅動模塊控制所述可控開關模塊，使得所述 轉換電壓併網於所述電網，否則進入下一個步驟； (4) 調控步驟：所述驅動模塊將所述相位角差通過PID運算得到一個目標頻率，所述驅 動模塊調整所述子頻率等於所述目標頻率，且所述驅動模塊調整所述子電壓等於所述母電 壓，返回判斷步驟； (5) 功率控制步驟：驅動模塊根據微處理器的指令，實時控制斬波模塊的佔空比，以控 制功率輸出滿足電網的需求。
2. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述功率控制步驟（5)，包括如下子步驟： (51) 微處理器同時收集來自風機電壓、電流、轉速採樣模塊、自動發電量控制（AGC)協 調模塊、和氣象採集模塊的電機運行狀況信息、電網信息和氣象信息； (52) 根據上述氣象信息和電機運行狀況信息，預測風力發電機的發電功率； (53) 根據預測風力發電機的發電功率和電網信息，確定電機發電計劃曲線； (54) 微處理器按照所述風電場發電計劃曲線，通過控制驅動模塊來控制併網發電功 率。
3. 如權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述電網信息包括：有功控制、無功電壓控 制指令，有功、無功/電壓控制投退指令，以及對相關限值的設置指令。
4. 如權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述氣象信息包括：氣象信息：風速、風向、 溫度、溼度、氣壓。
5. 如權利要求3所述的方法，其特徵在於，前述的步驟（54)中，微處理器進行風電場有 功控制和調節，具體為：微處理器將自動發電量控制（AGC)協調模塊的有功指令轉化為驅 動信號，驅動模塊，由驅動模塊控制斬波模塊來控制控制風力發電機的有功出力。
6. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述協調控制策略包括緊急調節策略：當電 網調節需求位於緊急區時，風力發電機立即參與調節，使電網儘快恢復到正常狀態，其中參 與調節表示該機組與其它可調機組同時進行調節。
7. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，當電網調節需求位於緊急區時，風力發電機 立即參與調節；如果不需要緊急調節，則判斷是否需要次緊急向下調節。
8. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，當電網不需要次緊急向下調節時，則判斷是 否需要次緊急向上調節，如果需要調節，則風力發電機參與向上調節；如果不需要次緊急向 上調節，繼續判斷是否需要正常向上調節。
【文檔編號】H02J3/38GK104124710SQ201410393459
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年8月11日 優先權日:2014年8月11日
【發明者】鄧亮戈, 周洪全, 鮮景潤, 李果 申請人:四川慧盈科技有限責任公司