一种基于能量管理的风电场智能偏航控制方法及系统与流程

本发明涉及风力发电场(简称风电场)智能控制系统领域，特别是涉及一种基于能量管理的风电场智能偏航控制方法及其系统。

背景技术

风力发电机组偏航解缆传统控制领域：由于风向具有波动性和随机性，当风向变化时，需要机舱根据风向变化不停的对风，当机舱旋转到一定角度后，就会引起塔筒内的电缆扭转。这种电缆虽然属于柔性电缆，但是也有极限扭转角度，所以在到达极限角度时，就需要风电机组自动偏航解缆，否则会发生严重电力事故。在传统风电机组控制系统中，到达电缆扭转极限角度时，机组必须停机，然后通过控制偏航模块旋转机舱将柔性电缆恢复至原来顺直状态。然而由于机舱重量较大，偏航模块在执行机舱偏航指令时，不可能速度过快，一般旋转速度为0.5°/s，在叠加停机、启机等机械动作，解缆偏航一圈(360°)约12～15min，若在大风期间风电场内的机组频繁停机解缆，将会引起发电量的损失。

风力发电场智能控制系统领域：随着风电行业数字化与智能化的快速发展，越来越多的科研机构开始研究风力发电场场级智能控制系统，用于提升整场的发电量。但是此领域起步较晚，叠加科研机构投入的资源有限等原因，导致研究成果较少。在实际风电场运营时，需要多系统、多平台协调配合，但是这些系统间的数据没有得到充分利用，每个系统的核心控制模块的数据更是相对独立，数据不能及时共享，控制效果虽能够满足考核要求，但是没有做到智能化、精细化的程度，导致风电场本可以避免的损失发电量没有得到及时有效的挽回。

基于以上情况，本发明主要研究了风电场智能控制系统与电网调度系统、风电场风功率预测系统和风电机组控制系统实现数据共享的情况下，考虑时间尺度、多维度等客观因素，智能控制风电场内的风电机组预先偏航解缆，保证风电场在大风天气前各风电机组的电缆冗余足够大，减少由于大风停机偏航解缆损失的发电量。并且此风电场智能控制系统可以通过短期提升风电机组的额定功率等技术，动态补偿停机机组的损失功率，尽可能减少由于停机偏航解缆而损失的发电量，同时有效的预防、减少了电缆事故的发生。本发明可以广泛的应用于风电行业中。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于能量管理的风电场智能偏航控制方法及系统，既要与电网调度系统进行实时数据交互，又要同风电场内其他设备进行数据共享，并且确保场内机组安全运行。

本发明提供了一种基于能量管理的风电场智能偏航控制方法，包括以下步骤：

s1、风电机组运行数据采集模块实时采集所有风电机组的运行数据，包括风速、风向、对风角度、电缆扭缆角度、有功功率和无功功率，并把运行数据传送至风电场智能控制模块；

s2、风电场风功率预测模块采集15分钟超短期风速、风向数据和短期预测数据，并把数据传送至风电场智能控制模块；

s3、风电场智能控制模块实时上传风电场数据至电网调度模块，同时接受电网调度模块下发的发电计划；

s4、风电场智能控制模块根据电网调度模块下发的发电计划，进行风电场参与电力系统调峰限电状态的判断。

进一步地，进行风电场参与电力系统调峰限电状态的判断后，根据判断结果，包括以下步骤：

若风电场参与电力系统调峰限电，风电场控制系统将风电机组的电缆扭转角度的绝对值|α|进行分组，风电机组按其扭转角度绝对值大小进行排列；

风电场智能控制模块根据之前的扭缆角度大小的顺序通过风电机组控制模块逐台控制风电机组进行停机偏航解缆；

在第一台停机偏航解缆的机组完成任务后，风电场控制系统将下发给此机组启动信号，此时停机机组将会启动、并网，机组运行交给风电机组控制模块，与此同时，风电场控制系统将根据全场实时有功跟随情况动态调整各机组有功目标值，以保证全场功率跟随电网目标值。

若风电场未参与电力系统调峰限电，则判断风电场的风速是否大于机组的满发条件。

进一步地，判断风电场的风速是否大于机组的满发条件后，根据判断结果，包括以下步骤：

若风电场的风速大于机组满发条件，则将风电机组的电缆扭转角度的绝对值|β|在720至780°之间进行分组，在此范围内的机组将按照其扭缆角度大小进行排列；

风电场控制系统会下发偏航解缆优先级最高的机组停机指令，同时，风电场控制系统通过风电机组控制模块动态微调其余机组的额定有功功率设定值，提升其余机组的有功功率，使全场有功量得到提升；

在下发停机指令后，风电场控制系统会根据停机机组的对风角度下发一个最初的机组偏航位置，停机机组会根据此偏航位置指令进行偏航解缆，在偏航解缆过程中，由于风向随动性较大，此时风电场控制系统的风电机组控制模块会根据风向变化情况以及相邻机组风向、对风情况实时修改偏航位置指令；

在第一台停机偏航解缆的机组完成任务后，风电场控制系统将下发给此机组启动信号，此时停机机组将会启动、并网，机组运行交给风电机组的风电机组控制模块，同时，风电场控制系统将根据全场实时有功跟随情况动态降低各机组额定有功功率，以保证风电机组和风电场主变压器安全运行：

在前一台机组偏航解缆完成后，风电场控制系统根据偏航解缆分组排列情况，对下一台机组进行停机偏航解缆控制；

若风电场的风速不大于机组满发条件，则风电场控制系统判断短期和超短期预测的风速、风向。

进一步地，当风电场的风速不大于机组满发条件，则风电场控制系统判断短期和超短期预测的风速、风向后，包括以下步骤：

将风电机组的电缆扭转角度的绝对值|γ|在600至720°之间进行分组，在此范围内的机组将按照其扭缆角度大小进行排列；

风电场控制系统在判断预测未来风速会不断增加，并且风向会超过60°以上的变化，满足上述条件后，控制系统将会下发偏航解缆优先级最高的机组停机指令；

在下发停机指令后，风电场控制系统会根据停机机组的对风角度下发一个最初的机组偏航位置，停机机组会根据此偏航位置指令进行偏航解缆，在偏航解缆过程中，由于风向随动性较大，此时风电场控制系统的智能偏航模块根据风向变化情况以及相邻机组风向、对风情况实时修改偏航位置指令；

在第一台停机偏航解缆的机组完成任务后，风电场控制系统将下发给此机组启动信号，此时停机机组将会启动、并网，机组运行完全交给风电机组的风电机组控制模块：

在前一台机组偏航解缆完成后，风电场控制系统根据偏航解缆分组排列情况，对下一台机组进行停机偏航解缆控制。

本发明还提供了一种基于能量管理的风电场智能偏航控制系统，包括风电场智能控制模块、风电场风功率预测模块、电网调度模块、风电机组巡行数据采集模块和风电机组控制模块，所述风电场风功率预测模块、所述风电机组运行数据采集模块、所述电网调度模块、所述风电机组控制模块分别电连接于所述风电场智能控制模块。

进一步地，包括不少于两个所述风电机组控制模块，所述风电机组控制模块与每一个风电机组配套对应设置。

本发明与现有技术相比具有以下的优点：

1.应用物联网思想，实现跨平台多系统的数据共享，充分利用这些安全可靠的现有数据，用于风电场控制系统的关键参数；

2.提出基于风电场能量管理的偏航智能控制方法和系统，可以提前对电缆角度大的机组进行解缆，确保机组电缆角度冗余足够大，尽量避免由于偏航解缆损失的发电量：

3.提出风电场在大风天气下接近满发时，个别机组不得不停机偏航解缆损失发电量，通过提高其余机组的额定功率限止，动态补偿由于偏航解缆损失的功率，从而达到提升风电场发电量的效果。

4.本发明提出的控制策略提升了风电场发电量，补偿了由于停机解缆损失的实时有功功率，补偿机组偏航电机运行时消耗的电量，预防电缆扭缆开关失效或机组解缆系统失效而引起的重大事故。

附图说明

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的方法流程示意图；

图2是本发明的系统连接示意图；

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明的目的是提供一种基于能量管理的风电场智能偏航控制方法及系统，既要与电网调度系统进行实时数据交互，又要同风电场内其他设备进行数据共享，并且确保场内机组安全运行。

如图1所示，本发明提供了一种基于能量管理的风电场智能偏航控制方法，包括以下步骤：

s1、风电机组运行数据采集模块实时采集所有风电机组的运行数据，包括风速、风向、对风角度、电缆扭缆角度、有功功率和无功功率，并把运行数据传送至风电场智能控制模块；

s2、风电场风功率预测模块采集15分钟超短期风速、风向数据和短期预测数据，并把数据传送至风电场智能控制模块；

s3、风电场智能控制模块实时上传风电场数据至电网调度模块，同时接受电网调度模块下发的发电计划；

s4、风电场智能控制模块根据电网调度模块下发的发电计划，进行风电场参与电力系统调峰限电状态的判断。

进一步地，进行风电场参与电力系统调峰限电状态的判断后，根据判断结果，包括以下步骤：

若风电场参与电力系统调峰限电，风电场控制系统将风电机组的电缆扭转角度的绝对值|α|进行分组，风电机组按其扭转角度绝对值大小进行排列；

风电场智能控制模块根据之前的扭缆角度大小的顺序通过风电机组控制模块逐台控制风电机组进行停机偏航解缆；

在第一台停机偏航解缆的机组完成任务后，风电场控制系统将下发给此机组启动信号，此时停机机组将会启动、并网，机组运行交给风电机组控制模块，与此同时，风电场控制系统将根据全场实时有功跟随情况动态调整各机组有功目标值，以保证全场功率跟随电网目标值。

若风电场未参与电力系统调峰限电，则判断风电场的风速是否大于机组的满发条件。

进一步地，判断风电场的风速是否大于机组的满发条件后，根据判断结果，包括以下步骤：

若风电场的风速大于机组满发条件，则将风电机组的电缆扭转角度的绝对值|β|在720至780°之间进行分组，在此范围内的机组将按照其扭缆角度大小进行排列；

风电场控制系统会下发偏航解缆优先级最高的机组停机指令，同时，风电场控制系统通过风电机组控制模块动态微调其余机组的额定有功功率设定值，提升其余机组的有功功率，使全场有功量得到提升；

在下发停机指令后，风电场控制系统会根据停机机组的对风角度下发一个最初的机组偏航位置，停机机组会根据此偏航位置指令进行偏航解缆，在偏航解缆过程中，由于风向随动性较大，此时风电场控制系统的风电机组控制模块会根据风向变化情况以及相邻机组风向、对风情况实时修改偏航位置指令；

在第一台停机偏航解缆的机组完成任务后，风电场控制系统将下发给此机组启动信号，此时停机机组将会启动、并网，机组运行交给风电机组的风电机组控制模块，同时，风电场控制系统将根据全场实时有功跟随情况动态降低各机组额定有功功率，以保证风电机组和风电场主变压器安全运行；

在前一台机组偏航解缆完成后，风电场控制系统根据偏航解缆分组排列情况，对下一台机组进行停机偏航解缆控制；

若风电场的风速不大于机组满发条件，则风电场控制系统判断短期和超短期预测的风速、风向。

进一步地，当风电场的风速不大于机组满发条件，则风电场控制系统判断短期和超短期预测的风速、风向后，包括以下步骤：

将风电机组的电缆扭转角度的绝对值|γ|在600至720°之间进行分组，在此范围内的机组将按照其扭缆角度大小进行排列；

风电场控制系统在判断预测未来风速会不断增加，并且风向会超过60°以上的变化，满足上述条件后，控制系统将会下发偏航解缆优先级最高的机组停机指令；

在下发停机指令后，风电场控制系统会根据停机机组的对风角度下发一个最初的机组偏航位置，停机机组会根据此偏航位置指令进行偏航解缆，在偏航解缆过程中，由于风向随动性较大，此时风电场控制系统的智能偏航模块根据风向变化情况以及相邻机组风向、对风情况实时修改偏航位置指令；

在第一台停机偏航解缆的机组完成任务后，风电场控制系统将下发给此机组启动信号，此时停机机组将会启动、并网，机组运行完全交给风电机组的风电机组控制模块；

在前一台机组偏航解缆完成后，风电场控制系统根据偏航解缆分组排列情况，对下一台机组进行停机偏航解缆控制。

本发明应用物联网思想，实现跨平台多系统的数据共享，充分利用这些安全可靠的现有数据，用于风电场控制系统的关键参数；本发明首次提出风电场在大风天气下接近满发时，个别机组不得不停机偏航解缆损失发电量，通过提高其余机组的额定功率限止，动态补偿由于偏航解缆损失的功率，从而达到提升风电场发电量的效果。

本发明提出的控制策略提升了风电场发电量，补偿了由于停机解缆损失的实时有功功率，补偿机组偏航电机运行时消耗的电量，预防电缆扭缆开关失效或机组解缆系统失效而引起的重大事故。

如图2所示，本发明还提供了一种基于能量管理的风电场智能偏航控制系统，包括风电场智能控制模块、风电场风功率预测模块、电网调度模块、风电机组巡行数据采集模块和风电机组控制模块，所述风电场风功率预测模块、所述风电机组运行数据采集模块、所述电网调度模块、所述风电机组控制模块分别电连接于所述风电场智能控制模块。

进一步地，包括不少于两个所述风电机组控制模块，所述风电机组控制模块与每一个风电机组配套对应设置。

电网调度模块主要任务是随时保持发电与负荷的均衡，要求调度管辖的每一个部门严格完成调度任务。电网调度模块根据负荷变化的历史数据、天气预测、分析用电生产情况和社会生活规律，对未来24或48小时进行全系统负荷预测，然后制定发电任务、运行计划，其中运行计划就是根据预测的负荷曲线，按经济调度原则，对传统燃料电源、新能源电源进行合理规划和安排，分配各发电厂发电任务。

在此架构中，电网调度模块将发电计划和实时调峰指令下发给风电场智能控制模块，可以提前告知风电场何时限电，限电幅度大约有多少等关键信息。

风电场智能控制模块主要任务是接收、执行电网调度模块的指令，协调场内风电机组进行有功功率和无功功率的控制，动态跟随电网调度下发的功率目标值。

在此架构中，风电机组运行数据采集模块实时获取电网调度的发电计划数据、风功率预测数据和风电场内所有风电机组的电缆扭转角度，综合这些关键信息，决策风电场参与电力系统调峰限电时，哪些机组在何时进行偏航解缆，以保证机组在大风天气前电缆冗余量足够大。

风电场风功率预测模块，是根据风电场气象信息有关数据，利用物理模拟计算和科学统计方法，对风电场的风向风速进行超短期、短期和不同时间段的预报，从而预测出风电场的未来功率，并将这些预测数据传给电网调度模块和风电场智能控制模块，电网调度模块结合这些运行计划等众多控制目标，反馈给风电场智能控制模块调度指令。在此架构中，风电场智能控制模块通过预测数据，决策小风或者大风天气时，哪些机组在何时进行偏航解缆。

风电机控制模块是一个由多种元器件构成的综合性控制系统。风电机组偏航模块是风电机组控制系统的主要组成部分之一。由于风电机组可能持续地向一个方向偏航，机组悬垂部分的电缆有可能产生过度的纽绞而使电缆断裂、失效，因此，偏航系统的最重要作用是在电缆达到设计缠绕值时能自动解除缠绕，避免电缆断裂而产生严重的电力事故。在此架构设计中，风电机组可以接收风电场控制系统的偏航解缆指令进行停机偏航解缆。

本发明提出基于风电场能量管理的偏航智能控制方法和系统，可以提前对电缆角度大的机组进行解缆，确保机组电缆角度冗余足够大，尽量避免由于偏航解缆损失的发电量；

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。