CN102611139B

CN102611139B - 一种风力发电场控制方法及***

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Publication number: CN102611139B
Application number: CN201210075962.4A
Authority: CN
Inventors: 南寅; 王立昌
Original assignee: SHOURUI (BEIJING) INVESTEMENT ADMINISTRATION GROUP CO Ltd
Current assignee: SHOURUI (BEIJING) INVESTEMENT ADMINISTRATION GROUP CO Ltd
Priority date: 2012-03-21
Filing date: 2012-03-21
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2032-03-21
Also published as: CN102611139A

Abstract

本发明公开了一种风力发电场输出电压控制***，包括输电线路、电参数传感器、总控制器和执行器，其中输电线路用于将风力发电机产生的电能传输出去，输电线路及执行器组成风力发电场内的输电网络，电参数传感器检测风力发电机的实时参数，并通过总线向总控制器传输数据，其特征在于：执行器通过接收总控制器的指令并执行线路切换操作。通过调整风机之间串并联关系来控制风力发电场的实际输出电压的方法及***，降低对风机性能的要求并为风机***的简化奠定技术基础，为降低风力发电成本提供一种可行途径。

Description

一种风力发电场控制方法及***

技术领域：

本发明涉及一种发电场内部输电网络的控制方法及实现此方法的***方案，特别涉及一种通过调整风力发电机(即风机)之间串并联关系来控制所述风力发电场的实际输出电压的方法及***。

背景技术：

随着环境污染的加剧和异常气候的频繁发生，世界各国对绿色能源的关注程度进一步提高。风电作为一种无废弃物排放、持续可再生的绿色能源，已经得到了广泛的关注。以我国为例，中国风电总装机容量自2007年起已经连续五年翻倍增长，全球风能理事会2012年2月7日发布报告称，中国2011年风电装机容量新增18吉瓦，占全球总增量的2/5，风电累计装机容量达到62.7吉瓦，处于全球风电利用领袖的地位。

风能具有蕴藏量大、可再生、分布广泛、无废弃物排放等优点，但其能量密度低、风力不稳定、风能分布地区差异大。鉴于风能较低的能量密度，通常采用建设大规模风力发电场的形式来进行风力发电，将多台风力发电机的电能合并输出，以获取足够的能量供给用户。由于风能的不稳定性，一方面需要通过风场总控***进行风场出力进行预测和调控，确保风力发电场功率输出的稳定，另一方面需要通过风力发电机复杂的机械和电气装置来获得稳定的电压输出。以目前较为常用的双馈变速恒频型风力发电机组为例，此种风力发电机组通过变桨***、齿轮箱、双馈异步发电机、双向变流器等多套***来确保在风力变动时输出电压稳定在690V左右。

由于现有的风场控制模式中主要依靠风机自身来确保电压的稳定，这种控制模式导致风机的结构变得复杂、技术难度增加、可靠性降低、成本也难以控制，使得风力发电在成本上与传统发电方法相比失去竞争优势，限制了风力发电这种绿色能源的推广。现有风场控制模式忽略了风机之间的协调能力，本质上只是多台风力发电机的简单叠加，并未真正发挥多台风机之间相互组合的集群优势。

为克服双馈异步发电机需配备齿轮箱，控制***复杂等缺点，有学者提出了采用励磁电流可调节的直流发电机组方案，其***结构如图1所示。当电机转速在一定的变化范围内时，通过调节励磁电流可以使输出电压稳定，较双馈异步发电机组更适于转速频繁波动的风力发电***。虽然此***做出了一些改进，但仍需设置励磁电流调节装置，而且当风速偏离额定值时，励磁电流需要调整的幅度急剧增加，当风机转速较小时，甚至难以通过调节励磁电流实现稳定电压的目的。

本发明针对现有风机及风场控制模式的不足，旨在提出一种简单有效的风场总输出电压控制技术，克服传统控制模式对风机***的依赖，降低对风机性能的要求并为风机***的简化奠定技术基础，为降低风力发电成本提供一种可行途径。

发明内容：

本发明要解决的问题是通过调整风机之间串并联关系来控制风力发电场的实际输出电压的方法及***。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种风力发电场输出电压控制***，包括输电线路、电参数传感器、总控制器和执行器，其中输电线路用于将风力发电机产生的电能传输出去，输电线路及执行器组成风力发电场内的输电网络，电参数传感器检测风力发电机的实时参数，并通过总线向总控制器传输数据，其特征在于：执行器通过接收总控制器的指令并执行线路切换操作。

当执行器位于第一位置时，发电机组之间为并联关系；当执行器位于第二位置时，发电机组之间为串联关系；当执行器位于第三位置时，可将发电机组从输电网络中切除。

总控制器根据接收到的实时数据进行分析，按照内部预置的风力发电场的控制算法推导出输电网络调整方案。

另外本发明提供了一种风力发电场输出电压控制方法，采用的是被动调节模式，设风力发电机总数为m，风力发电场的目标输出电压为V_aim，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)电参数传感器在不同的转速下获取各台风力发电机输出电压V_i，i∈[1，m]；

2)总控制器根据V_i以及串联风力发电机台数k，计算出分组数，得到风力发电机分组的串并联方案，使得分组后的风力发电场的预测电压V与目标电压V_aim之间偏差值最小；

3)按照偏差值最小的风力发电机分组的串并联方案，执行器通过接收总控制器的指令并执行线路切换操作，实现风力发电机组间串并联关系调整。

本发明还提供一种风力发电场输出电压控制方法，采用主动调节模式，设风力发电机总数为m，风力发电场的目标输出电压为V_aim，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)利用测风传感器测量各台风机的风力参数X_i，i∈[1，m]；

2)根据风机的风速-发电机端电压特性曲线预估下一时刻各台风机的输出电压V_i，i∈[1，m]；

3)总控制器根据V_i以及串联风力发电机台数k，计算出分组数，得到风力发电机分组的串并联方案，使得分组后的风力发电场的预测电压V与目标电压V_aim之间偏差值最小；

4)按照偏差值最小的风力发电机分组的串并联方案，执行器通过接收总控制器的指令并执行线路切换操作，实现风力发电机组间串并联关系调整。

附图说明：

图1是现有的他励磁式直驱直流发电机***图；

图2示出风机转速对发电机端电压的影响；

图3是本发明中采用的主从结构控制***示意图；

图4是本发明中采用的对等结构控制***示意图。

具体实施方式：

本发明中的风力发电机组可采用他励式直驱直流发电机组，额定功率为2.2kW，额定转速1450rpm，其输出电压随风机转速的变化关系如图2所示。在励磁电流为0.5A条件下，当风机转速从300rpm提高到1200rpm时，发电机的端电压从62V升高到250V。

由图2可知，励磁电流为0.5A时的发电机端电压与风机转速可用下式表示：

y＝0.208889x，式中y为发电机端电压，单位为V；x为风机转速，单位为rpm。

设风力发电场中风力发电机总数m为1000台，风力发电场的目标输出电压V_aim为1000V。

为达到1000的总输出电压，需要串联的风机台数k采用下式进行估算：

k＝round(V_aim/y)＝round(1000/0.208889x)

分组数n采用下式进行估算：

n＝round(m/k)＝round(1000/k)

下表显示了不同转速时，串并联方案的初步预估值及与目标电压的偏差：

转速rpm	端电压v	串联台数	预测电压V	偏差％
					300	62.7	17	1065.9	6.59
600	125.3	8	1002.7	0.27
					900	188.0	5	940.0	-6.0
1200	250.7	4	1002.7	0.27
					1500	313.3	3	940.0	-6.0

根据获取单台风机输出电压方法的不同，可分为主动调节和被动调节两种模式。主动调节是指利用测风传感器测量风力参数，根据风机的风速-发电机端电压特性曲线(参见附图2)预估下一时刻风机的电压输出，并据此制定和执行输电网络调整方案。此方案理论上可以最大程度的减少风力波动对***输出的影响，但实际执行效果取决于传感器性能和控制模型的优劣。被动调节是指利用电参数传感器测量风机的实时输出电参数，并据此制定和执行输电网络调整方案，此种方案直接监控电参数，较主动调节更为直接和准确，可操作性强。

其中主动模式所提出的风力发电场的控制算法是设风场中风力发电机总数为m，风力发电场的目标输出电压为V_aim，其实现步骤为：

1)利用测风传感器测量各台风机的风力参数X_i，i∈[1，m]；

其中被动模式所提出的风力发电场的控制算法是设风场中风力发电机总数为m，风力发电场的目标输出电压为V_aim，其实现步骤为：

本发明的实施例1可采用主从结构的风力发电场输出电压控制***，如图3所示，该***包括输电线路106、电参数传感器101、总控制器103、执行器104等。输电线路106及执行器104组成风力发电场内的输电网络，输电线路106用于将风力发电机102产生的电能传输出去，执行器通过Profibus总线105接收总控制器的指令并执行线路切换操作，实现输电网络的调整。电参数传感器101检测风力发电机的实时电压、电流等参数，并通过Profibus总线向总控制器103进行数据传输，总控制器根据接收到的实时数据进行分析，按照内部预置的风力发电场的控制算法推导出输电网络调整方案，并向执行器发出指令，实施调整操作。

为简便起见，图3中仅绘出两个基本发电单元及配套的传感器和执行器。从图3中可以看出，当执行器104位于第一位置时，发电机组之间为并联关系，二者并联汇流输出；当执行器位于第二位置时，发电机组之间变为串联关系，此时总输出电压为二者端电压之和，实现了串联升压的目的；当执行器位于第三位置时，可将发电机组从输电网络中切除，可以甩掉故障机组或进行功率调控。

本实施例中采用的是主从结构，此种结构将复杂的分析计算过程放在上位的总控制器中进行，极大的简化了底层执行部件，同时总控制器的强大计算能力也便于实施较为复杂的优化算法，管理人员也可以进行可视化显示和操作。其缺点在于对通讯可靠性的要求较高，并要求控制器的具有较强的处理能力。

本实施例中的风力发电机组可为直流发电机组，也可为交流发电机组+AC/DC转换器的形式。图3中标注的正负极仅为便于说明起见，交流发电机之间通过频率和相位同步控制后也可应用于本方案。

本实施例中的执行器采用具有辅助模块的接触器，该辅助模块可将接触器的动作情况反馈给总控制器，实现闭环控制，并通过应用互锁附件防止线路错误切换导致内部短路故障的发生。

本发明的另一实施例可采用对等结构的风力发电场输出电压控制***，

与实施例1不同之处在于，本实施例不设置集中的总控制器，而是在发电单元中设置地位相等的分控制器103，如图4所示，其内部存储有预置的风力发电场的控制算法，当其收到电参数传感器101的信号时，通过简单的比对即可确定线路切换方案。分控制器103之间通过Modbus进行通讯，协调模块间的线路配合。这种对等结构将分析过程分散到各风力发电模块，其数据通讯量和计算量都大为降低，没有远距离通讯，因此***的可靠性大为提高。但受限于分控制器103的容量和计算能力，无法进行复杂的优化计算，因此在波动抑制上不及主从式控制方案。

另外，本发明的应用并不限于上述的实施方式。上述的实施方式能够在本发明的技术思想范围内进行多种变形。

例如，本方案也可用于光伏发电的控制中，通过灵活的串并联组合，使得光伏电池组的输出稳定在期望范围内，从而可以降低对直流侧到交流侧之间DC/AC逆变器的性能要求，降低逆变器设计难度和制造成本，为逆变器提供稳定的输入电压。

这种控制模式实际上可以适用于任何多个不稳定发电单元的控制，如光伏发电***、海浪发电***等。

光伏发电***中的基本发电单元为光伏电池板，其上的光伏电池单元接受光辐射并将一定波长范围的光能转变为电能。现有的光伏发电场采用的是固定的输电网络，若干组光伏电池板汇流后通过DC/AC逆变器转换为交流电输出。当光照角度、云层遮挡、光伏电池自身参数变化时，发电单元的输出电压将随之发生波动，由于固定的输电网络无法对各光伏电池板输出之间的配合关系进行调整，因此要求逆变器的输入电压范围需要设计的很宽，例如PowerGatePV500型光伏逆变器，其入口电压为420～850V DC，这不仅会造成逆变器设计的复杂，而且也造成了逆变器成本的上升，降低了光伏发电的经济性，不利于这种绿色可再生能源的推广使用。通过采用本发明提出的控制方法，将现行的固定式输电网络替换为由输电线路和执行器组成的可变输电网络，采用被动控制模式，即传感器监测各光伏电池板的输出电压，并将数据传输到控制器，控制器以目标输出电压为优化目标制定光伏电池板的串并联方案，并控制各执行器进行动作，改变各光伏电池板之间的串并联关系，实现对光伏电池板集群的总输出电压的稳定控制，从而降低对逆变器输入电压范围的要求，使得逆变器可以简化结构、降低制造成本，提高光伏发电的经济性。

另外，上述的实施方式只是用于举例说明本发明的要点，并不是限定本发明。本领域的技术人员可知本发明可以有多种代替物、修正和变形例。

Claims

1.一种风力发电场输出电压控制***，包括输电线路、电参数传感器、总控制器和执行器，其中输电线路用于将风力发电机产生的电能传输出去，输电线路及执行器组成风力发电场内的输电网络，电参数传感器检测风力发电机的实时参数，并通过总线向总控制器传输数据，其特征在于：执行器通过接收总控制器的指令并执行线路切换操作；所述的总控制器根据接收到的实时数据进行分析，按照内部预置的风力发电场的控制算法推导出输电网络调整方案，所述的控制算法为：设风力发电机总数为m，风力发电场的目标输出电压为V_aim，并采用以下步骤：

1）电参数传感器在不同的转速下获取各台风力发电机输出电压V_i，i∈[1，m]；

2）总控制器根据V_i以及串联风力发电机台数k，计算出分组数，得到风力发电机分组的串并联方案，使得分组后的风力发电场的预测电压V与目标电压V_aim之间偏差值最小；

3）按照偏差值最小的风力发电机分组的串并联方案，执行器通过接收总控制器的指令并执行线路切换操作，实现风力发电机组间串并联关系调整。

2.根据权利要求1所述的控制***，其特征在于：当执行器位于第一位置时，发电机组之间为并联关系；当执行器位于第二位置时，发电机组之间为串联关系；当执行器位于第三位置时，可将发电机组从输电网络中切除。

3.根据权利要求1所述的控制***，其特征在于：所述总控制器可以由在发电单元中设置地位相等的分控制器替代，分控制器之间通过Modbus进行通讯，协调模块间的线路配合。

4.根据权利要求1或2所述的控制***，其特征在于：所述执行器采用具有辅助模块的接触器，该辅助模块可将接触器的动作情况反馈给总控制器。

5.根据权利要求2所述的控制***，其特征在于：所述发电机组为直流发电机组或者交流发电机组+AC/DC转换器。

6.一种风力发电场输出电压控制方法，采用的是被动调节模式，设风力发电机总数为m，风力发电场的目标输出电压为V_aim，其特征在于，该方法包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：在步骤3）中当执行器位于第一位置时，发电机组之间为并联关系；当执行器位于第二位置时，发电机组之间为串联关系；当执行器位于第三位置时，可将发电机组从输电网络中切除。

8.一种风力发电场输出电压控制方法，采用主动调节模式，设风力发电机总数为m，风力发电场的目标输出电压为V_aim，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1）利用测风传感器测量各台风机的风力参数X_i，i∈[1，m]；

2）根据风机的风速-发电机端电压特性曲线预估下一时刻各台风机的输出电压V_i，i∈[1，m]；

3）总控制器根据V_i以及串联风力发电机台数k，计算出分组数，得到风力发电机分组的串并联方案，使得分组后的风力发电场的预测电压V与目标电压V_aim之间偏差值最小；

4）按照偏差值最小的风力发电机分组的串并联方案，执行器通过接收总控制器的指令并执行线路切换操作，实现风力发电机组间串并联关系调整。