一种风电场功率控制策略的测试系统及方法

摘要

本发明提供了一种风电场功率控制策略的测试系统及其方法，该系统的风电场功率控制策略制定模块包括依次连接的网络数据接收/发送模块、数据解析模块、数据缓存模块、数据容错模块、有功/无功控制模块和实时数据交互模块，数据容错模块的输出端与实时数据交互模块的输入端连接；风电场功率控制策略制定模块通过网络数据接收/发送模块与风电场电网模拟仿真模块或实际电网接口模块进行信息交互。该系统及其对应的方法实时接收风电场运行信息，并根据不同功率控制策略定期发送风电场机组及无功补偿设备功率设定值至场内对应的风电机组和无功补偿装置，最终形成控制闭环测试风电场有功/无功控制系统的控制性能，提高现场投运成功率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种新能源发电技术中风电场控制领域的方法，具体讲涉及一种风电场功率 控制策略的测试系统及方法。

背景技术

近年，风电迅猛发展，并网风电场容量不断增大，风电场接入电网的电压等级越来越高， 根据国家能源战略规划，至2020年将建成九大千万千瓦风电基地，如此大容量的风电接入电 网将给电力系统稳定运行带来很多新的问题。为了应对这些问题，陆续颁布了若干指导风电 并网及生产运行的技术标准。2012年，国家标准GB/T19963-2012《风电场接入电力系统技 术规定》完成修订并发布。该标准中对风电场有功、无功控制能力提出了明确要求。其中， 在有功控制方面，要求风电场应配置有功功率控制系统，具备有功功率调节能力；在无功控 制方面，要求风电场应配置无功电压控制系统，具备无功功率调节及电压控制能力。

为减少大规模风电并网对电力系统的冲击，使风电场满足日益严格的电力系统并网技术 导则，设计符合并网规定的风电场功率控制系统显得尤为重要。风电场有功/无功控制系统可 分为风电场功率整定层和风电机组及无功补偿装置功率执行层两个层面。风电场功率整定层 主要是根据调度的指令和风电场并网点的各采集信号，调节风电场的无功补偿设备（包括 SVC/STATCOM/固定可投切电容、电抗）及风电机组本身的控制系统，使得整个风电场在满 足并网条件的前提下实现整体优化控制；而功率执行层面主要接受场级控制系统的指令，调 节风电机组及无功补偿装置的功率输出。风电场控制系统按控制目标的不同分为有功频率控 制系统和无功电压控制系统两种。有功频率控制系统主要控制风电场和风电机组完成上一级 设定的有功指令，同时在必要情况下参与系统频率调整；而无功电压控制系统则根据系统运 行要求控制风电场功率因数恒定，或者控制风电场出口母线或远程负荷节点电压为恒定值， 或者控制风电场并网点无功功率满足电网调度部门控制指令。

当前，关于风电场的功率控制还处于起步阶段，现场投运的功率控制系统多采用功率平 均分配策略，一定程度降低了功率控制精度。为充分发挥风电场参与电力系统调节的能力， 各国学者纷纷提出了各种风电场有功/无功改进策略，其中，风电场有功控制策略有：基于预 测分组的平均控制策略、基于馈线潮流分配控制策略、基于有功负荷分配策略等，风电场无 功控制策略有：基于灵敏度动态无功分配策略、基于无功容量比例分配策略。然而，目前尚 未有成熟实现风电场有功/无功综合控制的准实时闭环测试系统，能够在风电场有功/无功控制 系统现场投运前对其控制策略的正确性和合理性实施验证，这将在一定程度上增加控制系统 投运失败的概率，也为电力系统安全稳定运行带来隐患。

因此，提供一种通用的风电场功率控制策略测试系统及方法尤为重要。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种风电场功率控制策略的测试系统及方法， 该系统及其对应的方法实时接收风电场运行信息，并根据不同功率控制策略定期发送风电场 机组及无功补偿设备功率设定值至场内对应的风电机组和无功补偿装置，最终形成控制闭环 测试风电场有功/无功控制系统的控制性能，提高现场投运成功率。

实现上述目的所采用的解决方案为：

一种风电场功率控制策略的测试系统，其改进之处在于：所述系统包括相连的风电场功 率控制策略制定模块和风电场电网模拟仿真模块；

所述风电场功率控制策略制定模块的网络数据接收/发送模块、数据解析模块、数据缓存 模块、数据容错模块、有功/无功控制模块和实时数据交互模块依次连接，所述数据容错模块 的输出端与所述实时数据交互模块的输入端连接；

所述风电场功率控制策略制定模块通过所述网络数据接收/发送模块与所述风电场电网 模拟仿真模块或实际电网接口模块进行信息交互。

进一步的，所述风电场电网模拟仿真模块建立风电场与实际电网的仿真模型，通过所述 网络数据接收/发送模块与所述有功/无功控制模块进行信息交互，实现风电场功率控制系统 的准确实时动态仿真。

进一步的，所述网络数据发送/接收模块，用于从所述风电场电网模拟仿真模型或实际电 网接口模块接收风电场有功无功控制模块所需的报文数据，并向所述风电场电网模拟仿真模 型发送控制指令。

进一步的，所述数据解析模块获取所述网络数据接收/发送模块发送的报文数据，解析所 述报文数据；

所述数据解析模块按照通信协议还原所述报文数据，根据通信协议规定将网络发送/接收 模块接收的信息帧解析成实测数据。

进一步的，所述数据缓存模块获取并存储所述数据解析模块的实测数据。

进一步的，所述实时数据容错模块运用加权滑动平均方法处理所述数据缓存模块中的实 测数据，实现数据纠错及数据合理性分析。

进一步的，所述风电场有功/无功控制模块，用于根据电网调度指令和风电场运行情况制 定风电场有功控制方案，根据电网调度指令和风电场运行情况指定风电场无功控制方案；

将所述风电场有功控制指令及风电场无功控制指令通过所述网络数据接收/发送模块发 送至所述风电场电网模拟仿真模块。

进一步的，所述实时数据交互模块根据所述数据容错模块实时获取风电场的并网点和风 电机组运行信息，及根据所述有功/无功控制模块获得风电场功率控制参数；

所述实时数据交互模块用于定期刷新显示风电场并网点、各风电机组实时运行信息及实 时控制指令值，及设置风电场功率控制参数。

一种应用于所述风电场功率控制策略的测试系统的方法，其改进之处在于：所述方法包 括：

风电场电网模拟仿真模块建立风电场与实际电网的仿真模型；网络数据接收/发送模块发 送/接收风电场有功无功控制系统所需数据；数据解析模块解析从所述网络数据接收/发送模 块接收的数据；将所述数据存储于数据缓存模块；数据容错模块根据运用加权滑动方法处理 数据，并将所述处理数据发送至有功/无功控制模块和实时数据交互模块；所述有功/无功控 制模块根据所述处理数据制定有功控制方案和无功控制方案，将控制参数发送至所述实时数 据交互模块，及将所述风电场有功控制指令及风电场无功控制指令通过所述网络数据接收/ 发送模块发送至所述风电场电网模拟仿真模块；所述实时数据交互模块定期刷新显示风电场 并网点及风电机组实时运行信息、实时控制指令值，设置风电场功率控制参数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明提供的测试系统及方法，提供网络接口可与风电场电网模拟仿真模块或直接 与风电场实际通信控制单元连接实现数据交互，网络通信可为标准通信协议或者各种自定义 协议，获取准确实时的运行数据，从而提高了功率控制精度，增加控制系统投运成功的概率， 减小电力系统安全稳定运行带来隐患，大大提高了运行效率及运行安全。

（2）本发明提供的测试系统及方法，与风电场电网模拟仿真模块或与风电场实际通信控 制单元直接通向，具备极高通用性，可实现各种风电场有功/无功控制策略，通过网络获取风 电场并网点及风电场内各风电机组运行数据，实现风电场有功/无功控制策略的闭环测试。

（3）本发明提供的测试系统及方法，具备数据容错模块，采用加权滑动平均方法实现采 样数据纠错及数据合理性分析，减少风电场有功/无功控制偏差，提高控制精度，从而提高了 功率控制精度，提高运行效率及安全度。

（4）本发明提供的测试系统及方法，具备可扩展性，不仅用于风电场有功/无功控制系 统测试，还能扩展至包括光伏电站等其它类型新能源发电基地及大规模新能源集群的有功/ 无功控制系统测试，确保电力系统的安全稳定运行。

（5）本发明提供的测试系统及方法，根据可模拟接近于实际风电场与电网的系统或实际 运行电网进行有功/无功控制策略的制定，在进行模拟测试时，无需增加硬件负担，工作效率 高。

（6）本发明提供的测试系统及方法，其网络发送/接收模块采用以太网连接实现风电场 电网模拟仿真模块实时数据交互，网络通信协议可为标准协议如Modbus,IEC60870-5-104等， 也可为用户自定义协议，使用灵活，普遍性高。

附图说明

图1为风电场功率控制策略的测试系统结构图；

图2为风电场有功控制的系统结构图；

图3为风电场无功控制的系统结构图；

图4为风电场有功/无功控制的信号定义流程图；

图5为某测试用风电场电气接线图；

图6为风电场功率控制策略的测试系统实现的风电场有功控制的并网点有功功率曲线测 试结果；

图7为风电场功率控制策略的测试系统实现的风电场无功控制的并网点无功功率曲线测 试结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

如图1所示，图1为风电场功率控制策略的测试系统结构图。风电场功率控制策略的测 试系统包括风电场功率控制策略制定模块和风电场电网模拟仿真模块；风电场功率控制策略 的测试系统包括络数据接收/发送模块、网络数据解析模块、数据容错模块、风电场有功/无 功控制模块和实时数据交互模块。

风电场功率控制策略制定模块的网络数据接收/发送模块和风电场电网模拟仿真模块或 实际电网接口模块连接。网络数据接收/发送模块与数据解析模块连接，数据解析模块解析接 收的报文数据，将数据存储于数据缓存模块，数据容错模块获取数据缓存中的数据，对其进 行处理，将处理后的数据发送给风电场有功/无功控制模块；风电场有功/无功控制模块和数 据容错模块分别连接实时数据交互模块。

网络数据发送/接收模块，用于接收风电场有功/无功控制系统所需数据，发送有功/无功 控制模块计算的控制指令。网络发送/接收模块采用以太网连接实现风电场电网模拟仿真模块 实时数据交互。网络通信协议可为标准协议如Modbus,IEC60870-5-104等，也可为用户自定 义协议。

网络数据发送/接收模块接收的风电场有功/无功控制系统所需数据主要包括：风电场并 网点有功功率、无功功率、电压、功率因数和场内各风电机组运行状态、机端电压、有功功 率、无功功率、功率因数、风速等。

网络数据解析模块，用于网络传输报文数据解析。网络数据解析模块按照通信协议实现 网络传输报文数据还原，网络数据解析模块根据通信协议规定将网络发送/接收模块接收的信 息帧解析成实测数据。

数据容错模块，用于采样数据纠错及数据合理性分析。实时数据容错模块利用加权滑动 平均方法处理实测数据，实现数据纠错及数据合理性分析。该方法的实现包括以下步骤：

设置了一个数据队列用于存放最近接收的n个数据，n可根据实际情况设置。预先设定 各电气量的权值区间及权重，从数据队列的最新数据依次向前累加各数据权值，权值总和超 过设定值则进行数据计算，即：

${ϵ}_t^{\left(l\right)}=\frac{{ϵ}_t·w_t+···+{ϵ}_{t-k}·w_{t-k}}{\underset{i=t-k}{\overset{t}{\Sigma }}{w}_i}$

其中，k为本次数据处理涉及的数据个数，k≤n；为处理后用于风电场有功/无功控 制的数据，可为并网点有功功率、无功功率、电压以及风电机组有功功率、无功功率及机端 电压等；w_i为各数据对应的权重，权重设定可更改；ε_t…ε_t-k为网络发送接收模块获取数据。

风电场有功/无功控制模块包括风电场有功控制模块和风电场无功控制模块。其中，风电 场有功控制模块，用于根据电网有功调度指令和风电场运行情况制定风电场有功控制方案； 风电场无功控制模块，用于根据电网调度指令和风电场运行情况指定风电场无功控制方案。

风电场有功控制模块，提供了风电场有功控制系统所需各种数据接口，包括风电场并网 点实时运行信息，场内风电机组运行信息及有功控制指令接口。风电场有功控制模块也可实 现其他特定风电场有功控制策略。图2所示为典型风电场有功控制系统结构图，主要涉及调 度指令、功率预测值、有功整定计算值、有功分配计算值。有功控制模块用于跟踪电网调度 部门下发的发电计划指令，以满足电网调度部门对风电场有功功率性能指标的要求。

风电场无功控制模块，提供了风电场无功控制系统所需各种数据接口，包括风电场并网 点实时运行信息，场内风电机组及无功补偿装置运行信息及无功控制指令接口。图3所示为 典型风电场无功控制系统结构图，主要涉及调度指令、并网点电压/功率因数、无功整定计算 值、无功分配计算值。无功控制模块用于跟踪电网调度部门下发的电压曲线或无功指令，以 满足电网调度部门对风电场无功控制性能指标的要求。

风电场有功/无功模块输出风电场有功/无功控制信息，包括：有功/无功控制投入状态、 调度有功/无功下发的有功功率、电压或无功功率控制指令值，各风机有功功率、无功功率、 机端电压及有功/无功控制指令值。

实时数据交互模块，用于定期刷新显示风电场并网点、各风电机组实时运行信息及实时 控制指令值，也可以通过该模块设置风电场功率控制参数。风机详细运行界面可任意选择场 内风电机组显示各种运行信息，如风速、桨距角、转子电流等。

风电场电网模拟仿真模块，用于建立风电场与实际电网的仿真模型，并通过与风电场有 功/无功控制模块的交互实现风电场功率控制系统的动态仿真。

如图2所示，图2为风电场有功控制的系统结构图；风电场有功/无功控制模块包括有功 控制模块和无功控制模块；该有功控制模块根据跟踪电网调度部门下发的发电计划调度指令， 以满足电网调度部门对风电场有功功率性能指标的要求；结合调度指令和功率预测的信息制 定风电场有功控制方案；提供风电机组的有功功率控制指令，并接受风电场运行反馈信息， 进行进一步调整。

如图3所示，图3为风电场无功控制的系统结构图；风电场无功控制模块提供了风电场 无功控制系统所需各种数据接口，包括风电场并网点实时运行信息，场内风电机组及无功补 偿装置运行信息及无功控制指令接口。该无功控制模块跟踪电网调度部门下发的调度指令（包 括电压曲线或无功指令），以满足电网调度部门对风电场无功控制性能指标的要求；无功控制 模块根据上述指令及电网的实时运行信息进行无功控制方案的制定，向各风电机组和无功补 偿装置分别发送控制容量指令，并接受风电场运行反馈信息，进行进一步调整。

如图4所示，图4为风电场有功/无功控制的信号定义流程图；给定了电网调度至风电场 有功/无功控制系统各环节信号数据交互方式；电网调度下发风电场有功/无功控制计划值， 风电场有功/无功控制系统（包含于风电场监控系统服务器）获取控制计划值后根据风电场内 风电机组及无功补偿装置实时运行情况进行有功/无功功率整定和分配，并将有功/无功控制 控制指令发送至风电机组及无功补偿装置。

本发明还提供了一种对应于风电场功率控制策略的测试系统的方法，该方法包括：风电 场电网模拟仿真模块建立风电场与实际电网的仿真模型；网络数据接收/发送模块发送/接收 风电场有功无功控制系统所需数据；数据解析模块解析从所述网络数据接收/发送模块接收的 数据；将所述数据存储于数据缓存模块；数据容错模块根据运用加权滑动方法处理数据，并 将处理数据发送至有功/无功控制模块和实时数据交互模块；所述有功/无功控制模块根据所 述处理数据制定有功控制方案和无功控制方案，并将控制指令发送至所述实时数据交互模块； 所述实时数据交互模块定期刷新显示风电场并网点及风电机组实时运行信息、实时控制指令 值，设置风电场功率控制参数。

为对本发明所提出的系统及其对应方法做进一步说明，结合图5，通过实例对本发明作 进一步详细说明。

建立一个实际风电场模型，如图5某测试用风电场电气接线图所示，风电场总装机容量 为200MW，由134台额定容量为1.5MW的GE双馈风电机组组成。场内风电机组分12条馈线 接入风电场升压变，与测试用风电场共同连接于同一汇集站的风电场模型采用等值模型。测 试用并网点选取为T-WFARM低压侧。测试过程中风电场有功/无功控制策略采用测试提供的示 例有功/无功控制策略。

实施例1：有功功率测试

测试条件：初始调度有功功率计划值为85MW；t=200s时调度有功功率计划变化至55MW； t=400s时调度有功功率计划值变化至70MW；t=600s时，风电场有功功率计划值变化至45MW。 获得测试结果，给出了并网点有功功率曲线如图6所示。由测试曲线可知，风电场有功功率 控制系统能正确按照调度计划指令值控制并网点有功功率至计划值。风电机组有功控制系统 响应速度受自身有功功率控制策略影响，若风电机组有功功率仅靠变桨系统控制，则风电机 组有功控制系统响应速度较慢，系统需要经过相对较长时间才能运行至调度设定值。此外， 风电机组有功功率测试还受实时风速影响，如果当前风速较高，而调度计划值很低，风电机 组变桨系统桨距角已经调节至最大限制，此时并网点有功功率会高于调度值；如果当前风速 较低，而调度计划值较高，风电机组最大功率追踪运行，此时并网点有功功率会低于调度值。 运用本发明提供的虚拟测试系统，能正确执行风电场有功控制策略，有效验证有功功率控制 策略的正确性，为现场运行提供指导。

实施例2：无功功率测试

测试条件：初始调度无功功率计划值为10MVar；t=200s时调度无功功率计划值变化至 7.5MVar；t=400s时调度无功功率计划值变化至2MVar；t=600s时调度无功功率计划值变化 至-3.75MVar；t=900s时调度无功功率计划值变化至-7.5MVar。获得测试结果，给出了并网 点无功功率曲线如图7所示。由测试曲线可知，风电场无功功率控制系统能正确按照调度指 令控制并网点无功功率至计划值。t=200s时，风电场无功功率给定值由10MVar突变至 7.5MVar，此时无功控制系统无功参考值变化，无功分配系统按照风电场内风电机组无功变化 对并网点影响程度由大到小的顺序改变风电机组无功参考值，并网点无功功率快速下降至无 功设定值。t=400s，无功功率给定值为2MVar，风电场内风电机组按照无功参考值调节机组 无功输出。双馈风电机组有功/无功解耦控制，风电机组无功功率仅由变流器控制系统决定， 风电机组无功功率能在很短时间内调整至无功参考值，因此风电场无功控制系统响应速度较 有功控制响应速度快。t=600s，无功给定值为-3.75MVar，场内风电机组按照无功参考值迅速 将并网点无功功率降至设定值。t=900s，无功给定值为-7.5MVar，并网点无功功率能正确运 行至指令值。由并网点电压运行曲线可知，当风电场并网点无功输出值变化时，并网点电压 值也随着无功输出的变化而变化且变化趋势符合无功与电压关系。运用本发明提供的虚拟被 测系统，能正确执行风电场无功控制策略，有效验证无功功率控制策略的正确性，为现场运 行提供指导。

最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制, 尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域 技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但 这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。