一种风电机组能力计算和功率调度的方法及系统与流程

本发明涉及风电，尤其涉及一种风电机组能力计算和功率调度的方法及系统。

背景技术：

1、随着风电机组在电力系统中的占比越来越高，其对电力系统的稳定性的影响越来越大。风电变流器作为风力发电系统中重要组成部分，不同国家和地区对于其的标准和要求越来越高，风电变流器运行的工况越来越复杂。

2、这些复杂工况包括：

3、(1)风场为了调节电网电压，会让变流器承担一定的无功出力。机侧和网侧都可以分担一部分无功，但是当某侧变流器受自身因素比如水温等影响，需要减小出力；当需要保证无功优先时，还需要减小有功出力。

4、(2)越来越宽的转速运行范围，机侧变流器受自身容量和母线允许运行最大电压限制，需要从电网吸收感性无功才能保持稳定运行，而为了保持并网点处无功功率，网侧变流器必然要补偿这部分无功功率；

5、(3)网侧变流器受自身容量和母线允许运行最大电压限制，在某些工况下，比如电网高穿时，存在较高的电网电压以及可能的负序电压，网侧变流器需要从电网吸收感性无功才能保持稳定运行，而为了保持并网点处无功功率，机侧变流器必然要补偿这部分无功功率；

6、(4)当机侧变流器为了稳定运行需要从电网吸收感性无功，而网侧无法补偿全部剩余无功，根据不同的策略需要减小总无功或者总有功；对于网侧变流器来说，同样存在这种情况；

7、现有技术还没有一种技术可以动态计算变流器系统中各个点的能力，能自适应各种复杂工况，对有功功率和无功功率自动调度和分配。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种风电机组能力计算和功率调度的方法，该风电机组能力计算和功率调度的方法通过获取风电机组的相关参数，动态计算风电机组中各个点的能力，在保证系统稳定运行的前提下，自动调度和分配主控系统下发的有功功率和无功功率，适应各种复杂的工况，保证变流器系统的正常调度。

2、为解决上述技术问题，本发明提供一种风电机组能力计算和功率调度的方法，所述风电机组包括风力发电机、变流器及控制系统，所述变流器包括网侧变换器及机侧变换器，所述网侧变换器包括网侧功率模块，所述机侧变换器包括机侧功率模块，所述网侧变换器和机侧变换器直流端相连形成直流母线，所述风力发电机的转子连接机侧变流器，所述风力发电机的定子连接到电网；所述控制系统包括：主控制器、网侧变换器能力计算单元、机侧变换器能力计算单元、功率调度单元、变流器功率执行单元；

3、主控制器获取风电机组的相关参数，确定风电机组各点的电流约束数值；

4、网侧变换器能力计算单元根据网侧变换器参数、网侧功率模块电流数值和直流母线电压的限制数值，计算得到网侧变换器出口的有功功率和无功功率的能力；

5、机侧变换器能力计算单元根据机侧变换器参数、机侧模块电流数值和母线电压限制数值，计算得到机侧变流器有功电流能力和无功电流能力，再将机侧变流器有功电流能力和无功电流能力折算到定子侧得到定子侧有功功率和无功功率的能力；

6、主控制器根据定子电流限制数值，计算得到定子有功功率和无功功率的能力；

7、主控制器根据风电机组总进线电流的限制数值及网侧变换器、机侧变换器、定子有功功率能力，计算得到总进线有功功率能力；

8、主控制器根据风电机组总进线电流限制数值及网侧变换器、机侧变换器、定子无功功率能力，计算得到总进线无功功率的能力；

9、所述功率调度单元根据风电机组各点的能力约束和运行模式，采用有功功率调度策略及无功功率调度策略，确定最终变流器执行的有功功率给定及无功功率给定，并下发给功率执行单元进行执行。

10、优选地，所述“主控制器获取风电机组的相关参数，根据参数确定风电机组各点的电流约束数值”具体为：

11、获取机侧功率模块及网侧功率模块的温度、水冷系统温度、变流器环境温度，根据参数确定当前工况下网侧功率模块、机侧功率模块、定子、总进线的最大工作电流。

12、优选地，所述网侧变流器还包括滤波电容及滤波电感，所述“网侧变换器能力计算单元根据网侧变换器参数、网侧功率模块电流数据和直流母线电压的限制数值，计算得到网侧变换器出口的有功功率和无功功率的能力”具体为：

13、根据网侧功率模块允许的最大电流irecmax和当前网侧功率模块有功电流irecd，得到网侧功率模块最大无功电流irecqmax：

14、

15、根据直流母线电压允许最大值udcmax，电网电压ug，电网负序电压ugneg，网侧滤波电感阻抗zpfc，网侧变换器pwm发波电压死区udcdeadband1，计算得到初步网侧功率模块容性无功电流能力irecqmaxcap1：

16、

17、对初步网侧功率模块容性无功电流能力irecqmaxcap1进行限幅,得到最终网侧模块容性无功电流能力：

18、irecqmaxcap＝min(irecqmaxcap1,irecqmax)；

19、网侧功率模块感性无功电流能力irecqmaxind为：

20、irecqmaxind＝-irecqmax；

21、网侧变流器的有功能力precmax为：

22、

23、其中，irecqmaxcap<0时，网侧功率模块弱磁标志recflag＝1，否则，recflag＝0；

24、所述网侧变流器出口的无功能力为：

25、容性无功能力qrecmaxcap：

26、感性无功能力qrecmaxind：其中，qfilter为电容无功功率。

27、优选地，所述“机侧变换器能力计算单元根据机侧变换器参数、机侧模块电流数值和母线电压限制数值，计算得到机侧模块有功电流能力和无功电流能力，再将机侧变流器有功电流能力和无功电流能力折算到定子侧得到定子侧有功功率和无功功率的能力”具体为：

28、根据机侧功率模块允许最大电流irotormax和当前机侧功率模块有功电流irotord，计算得到机侧功率模块最大无功电流irotorqmax：

29、

30、将机侧功率模块的无功电流能力折算到定子侧，得到定子侧的初步容性无功能力qsmaxcapbyrotor1：

31、

32、其中，iexc为励磁电流，lm为定子互感，ls为定子漏感，k为风力发电机绕组匝比；

33、将机侧功率模块的无功电流能力折算到定子侧，得到定子侧的初步感性无功能力qsmaxindbyrotor1：

34、

35、计算直流母线允许运行电压最大值udcmax和当前机侧变换器发波电压的差值δu：

36、δu＝udcmax-udcdeadband2-upwmmod；

37、其中，upwmmod为机侧变换器发波电压峰值，udcdeadband2为机侧变换器pwm发波电压死区；

38、根据直流母线允许运行电压最大值udcmax和当前机侧变换器发波电压的差值δu，采用pi调节器，计算机侧变换器弱磁无功qslmt：

39、qslmt＝kpδu+ki∫δudt；

40、其中，当δu≥0，令δu＝0；kp及ki分别为pi调节器的比例和积分系数；

41、计算机侧功率模块的无功电流能力折算到定子侧的最终无功能力：

42、定子侧的最终容性无功能力qsmaxcapbyrotor：

43、qsmaxcapbyrotor＝min{qsmaxcapbyrotor1,max(qslmt,qsmaxindbyrotor1)}

44、定子侧的最终感性无功能力qsmaxindbyrotor：

45、qsmaxindbyrotor＝qsmaxindbyrotor1

46、计算机侧功率模块最大有功电流irotordmax为：

47、

48、其中，当qslmt<0时，机侧功率模块弱磁标志rotorflag＝1，否则，rotorflag＝0；

49、将机侧功率模块的有功电流能力irotordmax折算到定子侧得到

50、定子侧有功能力psmaxbyrotor：

51、

52、优选地，所述“主控制器根据定子电流限制数值，计算得到定子有功功率和无功功率的能力”具体包括：根据定子允许运行的最大电流ismax，得到定子最大视在功率ssmax：

53、

54、根据当前定子有功功率ps，得到定子容性无功能力qsmaxcap和感性无功能力qsmaxind：

55、

56、

57、定子有功能力psmax为：

58、

59、其中，ug为电网电压。

60、优选地，所述“主控制器根据风电机组总进线电流的限制数值及网侧变换器、机侧变换器、定子有功功率能力，计算得到总进线有功功率能力”具体包括：

61、根据风电机组总进线允许运行的最大电流igmax，得到风电机组总进线最大视在功率sgmax：

62、

63、根据风电机组当前总进线最终无功功率qsfnl，计算得到风电机组初步总进线有功功率能力pgmaxbyg：

64、

65、将网侧变换器的有功能力折算到定子侧为：psmaxbyrec＝precmax/slip；

66、计算得到定子侧折算到风电机组总进线处有功能力pgmaxbysrrec：

67、pgmaxbysrrec＝min{psmax,psmaxbyrec,psmaxbyrotor}×(1-slip)

68、其中，psmaxbyrotor为机侧功率模块的有功电流能力折算到定子侧得到定子侧的有功能力，psmax为定子有功功率能力，slip为滑差；

69、计算得到风电机组最终总进线有功能力pgmax：

70、pgmax＝min{pgmaxbyg,pgmaxbysrrec}。

71、优选地，所述“主控制器根据风电机组总进线电流限制数值及网侧变换器、机侧变换器、定子无功功率能力，计算得到总进线无功功率的能力”具体包括：

72、计算风电机组总进线最终容性无功能力：

73、qgmaxcap＝qsmaxcap+qrecmaxcap-sgmax<qgmaxcap<sgmax；

74、其中，qsmaxcap为定子的容性无功能力，qrecmaxcap为网侧变换器出口容性无功能力，sgmax为风电机组总进线最大视在功率；

75、计算风电机组总进线最终感性无功能力：

76、qgmaxind＝qsmaxind+qrecmaxind-sgmax<qgmaxind<sgmax

77、其中，qrecmaxind为网侧变换器出口感性无功能力，qsmaxind为感性无功能力，sgmax为风电机组总进线最大视在功率。

78、优选地，所述“所述功率调度单元根据风电机组各点的能力约束和运行模式，采用有功功率调度策略及无功功率调度策略，确定最终变流器执行的有功功率给定及无功功率给定，并下发给功率执行单元进行执行”具体为：

79、主控制器下发的总有功功率指令为pset，主控制器下发的总无功功率指令为qset，主控制器下发的网侧无功功率指令为qrecset；

80、有功功率调度策略为：首先对主控制器下发的总有功功率指令pset进行调整，当pset>pgmax，则功率执行单元执行有功功率为pgmax；否则，功率执行单元执行主控制器下发的有功功率pset；

81、其中，pgmax为风电机组最终总进线有功能力；

82、当功率执行单元执行主控制器下发的有功功率pset时，采用两种执行方式：若采用有功功率优先方式，功率执行单元执行的有功功率给定为：pset+δp，δp为有功调节，δp＝0；

83、若采用无功功率优先方式,当总无功功率指令qset小于风电机组总进线无功能力qgmaxcap、qgmaxind，功率执行单元执行的有功功率给定为：pset+δp，δp＝0；当总无功功率指令qset超出总进线无功能力qgmaxcap、qgmaxind，功率执行单元执行的有功功率给定为：pset+δp，δp<0；

84、无功功率调度策略为：首先判断是否网侧变流器优先执行：

85、若网侧优先执行，则功率执行单元执行的网侧变流器无功功率给定qrecref＝qset；

86、否则功率执行单元执行的网侧变流器无功功率给定qrecref＝qrecset；

87、判断功率执行单元执行的网侧变流器无功功率给定qrecref是否超过网侧变换器容性无功能力qrecmaxcap和感性无功能力qrecmaxind，若超过，则功率执行单元执行的网侧变流器无功功率给定qrecref按照能力极限出力，否则执行下一步；

88、功率调度单元判断定子无功功率给定qstatorref是否超过定子侧容性qsmaxcapbyrotor和感性无功能力qsmaxindbyrotor，若未超过，则结束定子与网侧变换器的功率分配，功率调度单元下发的无功功率给定由定子来发，若超过，则定子按照能力极限出力，功率调度单元下发的剩余的无功功率给定由网侧变换器来发，其中，网侧无功给定qrecref＝qset-qstatorref。

89、为解决上述技术问题，本发明还公开了一种风电机组功率调度系统，所述风电机组功率调度系统采用权利要求1至7任一所述的风电机组能力计算和功率调度的方法，所述调度系统包括主控制器、网侧变换器能力计算单元、机侧变换器能力计算单元、功率调度单元及变流器功率执行单元。

90、采用上述方法之后，所述控制系统包括：主控制器、网侧变换器能力计算单元、机侧变换器能力计算单元、功率调度单元、变流器功率执行单元；主控制器获取风电机组的相关参数，确定风电机组各点的电流约束数值；网侧变换器能力计算单元根据网侧变换器参数、网侧功率模块电流数值和直流母线电压的限制数值，计算得到网侧变换器出口的有功功率和无功功率的能力；机侧变换器能力计算单元根据机侧变换器参数、机侧模块电流数值和母线电压限制数值，计算得到机侧变流器有功电流能力和无功电流能力，再将机侧变流器有功电流能力和无功电流能力折算到定子侧得到定子侧有功功率和无功功率的能力；主控制器根据定子电流限制数值，计算得到定子有功功率和无功功率的能力；主控制器根据风电机组总进线电流的限制数值及网侧变换器、机侧变换器、定子有功功率能力，计算得到总进线有功功率能力；主控制器根据风电机组总进线电流限制数值及网侧变换器、机侧变换器、定子无功功率能力，计算得到总进线无功功率的能力；所述功率调度单元根据风电机组各点的能力约束和运行模式，采用有功功率调度策略及无功功率调度策略，确定最终变流器执行的有功功率给定及无功功率给定，并下发给功率执行单元进行执行；该风电机组能力计算和功率调度的方法通过获取风电机组的相关参数，动态计算风电机组中各个点的能力，在保证系统稳定运行的前提下，自动调度和分配主控系统下发的有功功率和无功功率，适应各种复杂的工况，保证变流器系统的正常调度。