一种具有电网接入控制功能的风电场能量管理系统的制作方法

本发明涉及新能源发电技术中的风电场控制技术领域，尤其涉及一种具有电网接入控制功能的风电场能量管理系统。

背景技术

近10年来，风力发电在全球以年增长率超过30％而成为发展最快的清洁能源。目前，风力发电的核心控制技术一直掌握在国外企业手中，风电场监控系统等核心控制技术尚未实现国产化，机组控制系统、风电场监控系统等相关控制产品完全依赖进口。随着风电场数量的增加和规模的扩大、风电场监控系统受制于人给风电场的运行管理带来的弊端也日趋明显。

风电场中央监控与远程控制系统用于集中和远程监控风电机组和风电场的运行，运用现代信息和通讯技术，实时收集、分析并报告各风电场的风力状况和机组、风电场运行状况监测数据，自动或根据管理人员反馈的指令对风电机组和风电场运行进行效率优化和安全保障控制。现有的风电场监控系统，例如丹麦vestas公司的vestasonline，一般由三部分组成：中央集控(站控层)、就地控制(现地层)、远方控制。监控系统可以实现多种功能，如数据采集与处理功能、控制功能、报警功能、画面显示、数据统计、打印报表、操作权限、多种曲线显示等，满足运行人员的各种需要，使运行人员可以在风电场中控室或远方进行监视与控制，同时风电运营公司通过该系统可以对各地的风电场的运行情况进行远程监控和管理，解决了风电运营公司以前难以对各地的风电场统一管理的问题，并且可以对风电场中的多种风电机组进行统一监控，实现了风电场无人值守的目标。

目前，国内风电运营公司下属的风电场的远程监控和运营情况只能通过风电机组厂商各自配套的监控软件来实现，由于国内风电机组机型的多样性，而每一种机型的控制系统都不一样，都需要一套相应的中央集控软件和相应的远程监控软件，这些软件随着厂商的不同而不同，并且均无兼顾风电场与电网之间协调配合运行的风电场电网接入控制功能，无法与我国的电网调度控制系统接口。

目前，我国风电场多为大规模风电场集中接入电力系统，风电场的总容量一般有几十mw到几百mw，在建设风电场的同时，一般都要新建配套的变电站。变电站和风电场的监控都在一个监控室内，因此一个监控室会拥有一套变电站监控系统和若干套风电场监控系统，相互之间无法实现信息共享与融合，这给风电场的运行管理以及维护带来极大的不便。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种具有电网接入控制功能的风电场能量管理系统。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

设计一种具有电网接入控制功能的风电场能量管理系统，包括站控层计算机监控网络和为系统中的设备提供统一时钟的gps系统，站控层计算机监控网络通过间隔层数据通信网络连接有现地层数据测控网络和变电站测控保护系统，所述间隔层数据通信网络包括电网接入控制单元和通信控制单元，站控层计算机监控网络、现地层数据测控网络和变电站测控保护系统均与电网接入控制单元和通信控制单元信号连接，所述电网接入控制单元包括风电场并网控制单元、风电场有功出力控制单元、风电场无功出力控制单元、风电场系统频率调节控制单元、风电场电压调节控制单元。

优选的，站控层计算机监控网络包括与间隔层数据通信网络信号连接的scada服务器、操作员工作站、五防工作站、保护师工作站、管理工作站、风电预报工作站、web服务器、风电场操作员培训系统、网络打印机。

优选的，现地层数据测控网络包括与间隔层数据通信网络信号连接的风电机组、测风塔，风电机组与现地控制单元信号连接。

优选的，变电站测控保护系统包括与间隔层数据通信网络信号连接的测控装置、保护装置、第三方智能设备。

优选的，所述风电场并网控制单元包括以下步骤：

a1、判断实时电网频率f是否满足风电场并网的频率要求：49hz<f<51hz，若满足进入步骤a2，否则，停止风电场并网；

a2、判断风电场接入点实时电压v是否满足风电场并网的电压要求：对于110kv系统，105kv<v<115kv，对于220kv系统，210kv<v<230kv，若满足进入步骤a3，否则，停止风电场并网；

a3、风电场按每分钟增加20％装机容量的速率逐步并网，达到当时最大可用有功出力的90％以上时，完成并网控制过程。

优选的，所述风电场有功出力控制单元包括以下步骤：

b1、接受有功出力调控指令，若有功出力调控指令来自电网调度中心，置判断标志flag为0，若有功出力调控指令来自现地层，置判断标志flag为1；

b2、根据设定的有功最大变化率λ，按式(1)计算每分钟的风电场实时有功出力p：

p＝ppre+λ×pmax(1)

式中，ppre为前一分钟的风电场实时有功出力，pmax为风电场的最大有功出力，当风电场装机容量pins<30mw时，λ·prmax≤6mw/min，当30mw≤pins≤150mw时，λ·prmax≤pins/5，当pins>150mw时，λ·prmax≤30mw/min；

b3、当flag＝0，进入步骤d，当flag＝1，按式(2)对风电场有功实时出力进行校验：

p≤0.9pava(2)

式中，pava为风电场可用最大有功出力，若满足式(2)，进入步骤b4，否则，退出控制；

b4、将得到的风电场实时有功出力按风电机组容量比例分配到每台风电机组，进行有功调控，完成一次风电场有功出力控制；

b5、对调控后的风电场实时有功出力进行采样，若满足有功出力调控指令的要求，退出控制，等待下一个调控指令，否则，回到步骤b。

优选的，所述风电场无功出力控制单元包括以下步骤：

c1、设定风电场无功出力值；

c2、将无功出力值按风电机组容量比例分配到每台风电机组，进行无功调控。

优选的，所述风电场系统频率调节控制单元包括以下步骤：

d1、判断实时电网频率f是否满足电网运行的合格频率要求：49.5hz<f<50.2hz，若满足，进入步骤d5，若不满足，进入步骤d2；

d2、根据设定的有功最大变化率λ，计算每分钟的风电场实时有功出力，若47hz<f<49.5hz，按式(1)增加风电场有功出力至p：

p＝ppre+λ×pmax(1)

式中，ppre为前一分钟的风电场实时有功出力，pmax为风电场的最大有功出力，当风电场装机容量pins<30mw时，λ·prmax≤6mw/min，当30mw≤pins≤150mw时，λ·prmax≤pins/5，当pins>150mw时，λ·prmax≤30mw/min，若50.2hz<f<51hz，按式(3)降低风电场有功出力至p：

若f<47hz或f>51hz，风电场每分钟减少40％实时有功出力；

d3、判断风电场有功出力p是否满足风电场运行要求，若p>pmax或p<pmin，则风电场有功出力p修正为：

式中，pmin为风电场最小有功出力；

d4、将得到的风电场实时有功出力按风电机组容量比例分配到每台风电机组，进行有功调控，完成一次风电场系统频率调节控制；

d5、设控制延时，通过判断控制延时触发下一次控制，回到步骤d1。

优选的，所述风电场电压调节控制单元包括以下步骤：

e1、设标准电压参考值vref为1.0p.u.，读取风电场接入点实时电压v，若满足0.9vref≤v≤1.1vref条件，风电场不进行电压无功控制，仍按当前的无功出力运行，设无功调节标志ncount＝0，若不满足上述条件，进入步骤e2；

e2、当ncount＝0，进入步骤e5，否则进入步骤e3；

e3、按式(5)计算电压变化值δv：

δv＝vk+1-vk(5)

式中，vk+1为第k+1次无功调控后的实时电压值，vk为第k次无功调控后的实时电压值；

e4、判断无功调整后的系统电压变化趋势，若δv/vk>0.1，修正风电场无功分级调整量δqstep为0.9δqstep，进入步骤e5，否则，当v>vref并且δv>0时，修正δqstep为1.2～1.4δqstep，当v<vref并且δv<0时，修正δqstep为1.2～1.4δqstep，除上述三种情况外，δqstep维持原值不变；

e5、根据式(6)分级调整风电场的实时无功出力：

q′＝q+δqstep(6)

式中，q′为调整后的风电场无功出力，q为当前风电场无功出力，δqstep为风电场无功分级调整量，可选为风电场无功容量的10％～50％；

e6、判断调整后的风电场无功出力q′是否满足风电场运行要求，若q′>qmax或q′<qmin，则风电场无功出力q修正为：

式中，qmax和qmin分别为风电场无功出力最大值和最小值；

e7、将得到的风电场实时无功出力按风电机组容量比例分配到每台风电机组，进行无功调控，ncount+1，完成一次风电场电压调节控制；

e8、设控制延时，通过判断控制延时触发下一次控制，回到步骤e1。

优选的，所述的站控层中具有风电场操作员培训系统，该系统为位于站控层计算机监控网络的软件体系，负责对风电场的运行状态进行仿真模拟。

本发明提出的一种具有电网接入控制功能的风电场能量管理系统，有益效果在于：

(1)本发明为风电场能量管理系统提供了包括五个相关控制单元的风电场电网接入控制单元，具有比较强大的风电场接入电网的电力实时输出与运行控制功能，能够较好地与我国电网调度控制系统接口，将风电场的运行数据发送到电网调度系统，并从调度系统接收电网的调度指令，根据电网调度中心的要求、地区电网运行的需求和风电场的工况进行电力实时输出与运行控制，能够在风电场级对风电场的实时出力进行统一规划，有利于并网风电场与接入地区电网相互协调配合运行。

(2)本发明的风电场电网接入控制单元和通信控制单元，作为站控层与现地层之间的间隔层，使风电场监控系统和变电站监控系统的数据信息能够共享和融合，利用两者的数据实现综合控制，有利于风电场的管理和运行。

附图说明

图1为本发明提出的一种具有电网接入控制功能的风电场能量管理系统的风电场电网接入控制单元组成框图；

图2为本发明提出的一种具有电网接入控制功能的风电场能量管理系统的系统框图；

图3为图1中风电场有功出力控制单元的流程图；

图4为图1中风电场频率控制单元的流程图；

图5为图1中风电场电压控制单元的流程图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1-2，一种具有电网接入控制功能的风电场能量管理系统，包括站控层计算机监控网络和为系统中的设备提供统一时钟的gps系统，站控层计算机监控网络通过间隔层数据通信网络连接有现地层数据测控网络和变电站测控保护系统，间隔层数据通信网络包括电网接入控制单元和通信控制单元，站控层计算机监控网络、现地层数据测控网络和变电站测控保护系统均与电网接入控制单元和通信控制单元信号连接，电网接入控制单元包括风电场并网控制单元、风电场有功出力控制单元、风电场无功出力控制单元、风电场系统频率调节控制单元、风电场电压调节控制单元。

站控层计算机监控网络包括与间隔层数据通信网络信号连接的scada服务器、操作员工作站、五防工作站、保护师工作站、管理工作站、风电预报工作站、web服务器、风电场操作员培训系统、网络打印机。

现地层数据测控网络包括与间隔层数据通信网络信号连接的风电机组、测风塔，风电机组与现地控制单元信号连接。

变电站测控保护系统包括与间隔层数据通信网络信号连接的测控装置、保护装置、第三方智能设备。

实施例一

本发明具有电网接入控制功能的风电场能量管理系统(wems)中用于风电场的并网控制单元。

该并网风电场总有功容量为100mw，无功容量为±33.5mva，由67台单机有功容量为1.5mw、无功容量为±0.5mva的双馈异步风电机组构成，经接入线路接入110kv系统，并网期间风速条件能够满足风电场出力满发要求。

测量实时电网频率f为50hz，满足风电场并网的频率要求，再提取风电场接入点的实时电压为112kv，符合风电场并网的电压要求。由于两个并网条件均满足，此时，风电场按每分钟增加20％装机容量的速率并网，第4分钟时，风电场并网容量达到80mw，低于达到当时最大可用有功出力100mw的90％，继续增加出力，至第5分钟风电场并网容量达100mw，已达到当时最大可用有功出力的100％，完成并网控制过程。

实施例二

参照图3，本发明具有电网接入控制功能的风电场能量管理系统(wems)中用于风电场有功出力控制单元。

该并网风电场总有功容量为100mw，无功容量为±33.5mva，由67台单机有功容量为1.5mw、无功容量为±0.5mva的双馈异步风电机组构成，风电场初始有功出力为60mw，每台风电机组的初始有功出力为0.89mw，每分钟最大有功变化率为额定有功容量的2％。风速变化使风电场的有功出力增加到70mw，由于最大有功变化率的限制，风电场将逐步调整其有功出力，根据式(1)得风电场有功出力每分钟调整2mw，即每台风电机组每分钟调整有功出力0.03mw。这样，经过5分钟的调控，风电场可以将有功出力调整到70mw，完成风速变化要求的有功调整量，此时，每台风电机组的有功出力为1.045mw。

实施例三

本发明具有电网接入控制功能的风电场能量管理系统(wems)中用于风电场无功出力控制单元。

该并网风电场总有功容量为100mw，无功容量为±33.5mva，由67台单机有功容量为1.5mw、无功容量为±0.5mva的双馈异步风电机组构成，风电场初始无功出力为0。此时，人工设定风电场无功出力值为20mva，则无功出力控制单元将该值按机组容量比例分配到各风电机组，即每台风电机组调整无功出力0.3mva，这样即可满足无功出力的要求。

实施例四

参照图4，本发明具有电网接入控制功能的风电场能量管理系统(wems)中用于风电场系统频率调节控制单元。

该并网风电场总有功容量为100mw，无功容量为±33.5mva，由67台单机有功容量为1.5mw、无功容量为±0.5mva的双馈异步风电机组构成，风电场初始有功出力为80mw，每台风电机组有功出力为1.19mw。此外，由于频率为系统全局量，即系统各处频率相同，故可以根据风电场出口变电站实测的频率作为系统频率量。采用如图5所示的频率控制步骤进行控制。首先，测得系统频率为50.9hz，在50.2hz～51hz之间，频率出现异常，需要风电场调整有功出力对系统进行支持；其次，由wgpics从电网调度中心或运行操作员处提取每分钟最大有功变化率为20mw；由于按照式(3)中的上式，求得风电场每分钟的有功出力变化为22.4mw，大于20mw，故取为20mw；此时风电场的有功出力降低至60mw，将20mw的有功出力调整量按风电机组容量比例分配到各台风电机组后为每台风电机组降低0.3mw，调整后每台风电机组的有功出力为0.89mw，由于风电场所连接的主电网内的调频机组也参与调频，经过一次有功调控后，系统频率恢复到50.5hz。经1s延时后，风电场出口变电站的实测系统频率为50.4hz，仍然异常，重复上述步骤进行风电场有功出力的调节。此时，按照式(3)中的上式，求得风电场每分钟的有功出力变化4.8mw，此时风电场的有功出力降至55.2mw，将4.8mw的有功出力调整量按风电机组容量比例分配到各台风电机组后每台风电机组降低0.07mw，调整后每台风电机组的有功出力为0.82mw，再配合主电网的调频，系统频率恢复至50.1hz，在正常范围内。采用发明的风电场能量管理系统，能够充分兼顾系统运行的特殊需求，积极参与系统调频。

实施例五

参照图5，本发明具有电网接入控制功能的风电场能量管理系统(wems)中用于风电场电压调节控制单元。

该并网风电场总有功容量为100mw，无功容量为±33.5mva，由67台单机有功容量为1.5mw、无功容量为±0.5mva的双馈异步风电机组构成，风电场初始按恒单位功率因数方式运行，无功出力为0，每台风电机组的初始无功出力也为0，风电场的每步无功调整量为5mva。此外，由于电压为局部量，即无功的调节只能在很小的局部区域内对电压产生影响，故风电场的无功调节只兼顾风电场接入地区局部电网的电压影响，具体控制时，选择风电场接入变电站低压侧电压作为控制对象，采用如图5所示的频率控制步骤进行控制。首先，读取风电场接入变电站的实测电压为0.85p.u.，超出允许运行电压范围，此时置ncount为0，根据式(6)计算得风电场调整无功出力5mva，调整后的风电场无功出力为5mva，每台风电机组的无功出力调整0.075mva，调整后每台风电机组的无功出力为0.075mva。调整后，延时0.1s，再次测得风电场接入变电站低压侧电压为0.875p.u.，仍然超出允许运行电压范围，此时置ncount为1，根据式(6)计算得风电场再次调整无功出力5mva，调整后的风电场无功出力为10mva，每台风电机组的无功出力调整0.075mva，调整后每台风电机组的无功出力为0.15mva。调整后，延时0.1s，测得风电场接入变电站低压侧电压为0.872p.u.，超出允许运行电压范围，此时置ncount为2，根据式(5)计算得δv<0，说明实时电压低于上次调控后的电压，无功调整量不足，电压继续恶化，则修正每步无功出力调整量为7mva，调整后的风电场无功出力为17mva，每台风电机组调整无功出力0.104mva，调整后每台风电机组的无功出力为0.254mva。调整后，延时0.1s，测得风电场接入变电站低压侧电压为0.894p.u.，略低于允许运行电压的下限，置ncount为3，根据式(5)计算得δv>0，说明实时电压高于上次调控的电压，电压正在逐步改良，风电场继续调整无功出力7mva，调整后的风电场无功出力为24mva，每台风电机组调整无功出力0.104mva，调整后每台风电机组的无功出力为0.358mva。调整后，经过0.1s的延时，风电场接入变电站低压侧实测电压为0.921p.u.，恢复到正常电压范围。

实施例中通信控制单元使用的是南京南瑞集团公司ns3000系列通信控制系统，该系统包括配置组态和调试仿真功能、友善的嵌入式彩色图形界面、顺序控制和逻辑闭锁控制功能、各种测控装置的通信和控制、国内外各种保护控制设备的通信和控制、规约转换模块、数据库管理模块以及远方诊断和维护服务功能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。