一种考虑机组疲劳差异的风电场自动发电控制系统及方法

摘要

本发明公开了一种考虑机组疲劳差异的风电场自动发电控制系统及方法，控制系统包括依次连接的电网调度侧、风场SCADA系统、风机主控系统、风电机组，其中，风场SCADA系统还连接风电场自动发电控制系统。首先根据收集到风电机组风速风向数据以及振动加速度传感器的数据记录，确定各机组在不同来流风向下的振动强度，并在同一风向下对机组按振动强度进行排序。在运行过程中，根据实测的风向以及机组状态，以降低整场机组疲劳损伤为目标，风电场自动发电控制系统基于电网调度侧的功率指令进行场内功率调度。本发明能够实现风电场对电网功率指令的准确追踪，并降低风电场运行过程中积累的机组疲劳损伤，降低风电场运维成本。

说明书

技术领域

本发明涉及风电场的自动发电控制领域，具体涉及一种考虑不同风向下的机组疲劳差异的风电场自动发电控制系统及方法。

背景技术

由于风能的随机性，大规模的风电接入电网会对电网的频率稳定造成破坏，因此电网提出会根据对风电场发电量的提前预测，向风电场下达功率指令，以减少风电场并网发电量的波动。另外，电网基于对风电消纳能力的考虑，可能进一步对风电场功率输出进行一定的限制。风电场在接收到电网侧的功率指令后，通过自动发电控制系统进行功率分配，使风电场整场实际发电量与电网功率指令的偏差减小到一定的容许范围内，并接受电网的功率指令执行情况的考核。

根据电网功率指令，现有的风电场常见的功率分配方法包括：平均分配方法，即让每台风机发等量指标的功率；或按比例分配，即根据机组出力能力进行比例分配。平均分配和按比例分配方法都只是为了使风电场出力达到电网指令要求，没有从降低风电机组的疲劳损伤和运维成本的角度进一步进行功率优化调度。

风电机组的机械故障大多是由振动带来的疲劳损伤引起。受机组间尾流的相互影响以及地形等影响，风电场内部湍流分布复杂，而不同风向下风电场内的尾流分布情况也会有所差异。尾流湍流的强弱和风电机组的出力大小直接影响到风电机组的振动疲劳损伤。因此，风电场进行功率分配调度时，需要考虑不同风向下的机组振动差异。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种实现对电网功率指令追踪，同时，降低机组疲劳损伤的考虑机组疲劳差异的风电场自动发电控制系统及方法。

技术方案：本发明的考虑机组疲劳差异的风电场自动发电控制系统，包括依次连接的电网调度侧、风场SCADA系统、风机主控系统、风电机组，其中，风场SCADA系统还连接风电场自动发电控制系统；所述电网调度侧向风场SCADA系统下达调度指令；所述风场SCADA系统从电网调度侧和风机主控系统收集风电场运行状态数据和机组振动数据，并将收集的数据以及电网调度侧发来的调度指令输送至风电场自动发电控制系统；所述风电场自动发电控制系统按规则向各机组分配机组功率指令，并通过风场SCADA系统将分配的机组功率指令下达到各机组风机主控系统，最终由风电机组执行。

所述风电机组上装设有振动传感器，用于检测冲击力或加速度。

本发明还包括一种考虑机组疲劳差异的风电场自动发电控制方法，包括以下步骤：

(1)确定不同风向下的机组振动大小排序；

(2)比较当前风电场输出功率和电网指令P

(3)确定各机组降功率或升功率空间dP

(4)若采用风电场降功率分配，则确定风电场所需继续降功率的数值|dpT|；若采用风电场升功率分配，则确定风电场需提升功率的数值|dpT|；

(5)在步骤(4)得到的风电场所需降功率或升功率的具体数值的基础上，按预测风向下，机组振动由大到小或由小到大排序逐台进行降功率或升功率分配；

(6)每分配一台机组，重新确定|dpT|，直至|dpT|为0。

步骤(1)中，基于收集的风电场风速风向数据和机组的振动数据，确定不同风向下的机组振动大小排序，具体包括以下步骤：

(1.1)收集机组用于振动分析的数据；

(1.2)收集风电机组风速风向数据以及振动传感器的数据记录，确定各机组在不同来流风向下的振动强度；

(1.3)以正北方向为0°方向，以固定角度为间隔把风向分为多个风向区间，根据零部件重要程度设置权重，计算同一风向区间下机组的综合振动强度，并根据综合振动强度大小进行排序。

步骤(2)中，若DP>＝0，则采用风电场降功率分配策略；若DP<0，则采用风电场升功率分配策略。

步骤(3)中，在确定各机组降功率或升功率空间dP

步骤(4)中，所述风电场所需继续降功率的数值为：|DP|与各预测值小于当前出力及停机机组的功率减小量之差；所述风电场需提升功率的数值为：|DP|与各预测值小于当前出力及停机机组的功率减小量之和。

步骤(5)中，采用风电场降功率分配策略时，dpT<0，则需提升功率|dpT|方满足电网指令；反之，按预测风向下，机组振动由大到小排序逐台进行降功率分配；此外，降功率分配过程中，预测功率小于机组出力最低极限Pmin的机组停机。

步骤(5)中，采用风电场升功率分配策略时，按预测风向下，机组振动由小到大排序逐台进行升功率分配；如果机组存在升功率空间则进行提升，否则按预测值运行；此外，升功率分配过程中，预测功率小于机组出力最低极限Pmin的机组停机。

步骤(6)中，降功率分配过程中，当所有降功率机组已按最低出力极限分配时，不再重新确定|dpT|；升功率分配过程中，当所有升功率机组已按对应出力极限分配时，不再重新确定|dpT|。

工作原理：本发明考虑了在不同风向下，各机组的振动情况会有所不同，振动大的机组过多地出力会加重机组的疲劳损伤，因此在运行调度时，尽量让振动较少的机组更多地响应功率指令，从而降低机组间的疲劳差异。同时该方法基于风电场当前出力状况，根据机组出力情况进行机组状态分类进行分配，尽量减少机组动作。在风电场需要提升功率时，优先让振动较小的机组响应功率提升(即优先增加振动较小机组的出力以达到电网指令同时平衡疲劳的目的)；在风电场需要降功率时，优先让振动较大的机组响应功率下降指令(即优先减小振动较大机组的出力以达到电网指令同时平衡疲劳的目的)，该方法在满足电网指令，进行疲劳平衡的同时，基于当前出力也减少了机组动作。

有益效果：本发明与现有技术相比，其有益效果在于：考虑了不同风向下的机组振动差异，并基于风电场当前出力状况，根据机组出力情况进行机组状态分类进行分配，尽量减少机组动作。在实现电网调度指令的同时，能够有效降低风电机组振动带来的疲劳损伤，从而降低风电场的运维成本，增加效益。

附图说明

图1为本发明的风电场自动发电控制系统框图；

图2为本发明的功率调度控制流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明的技术方案做进一步详细描述。

如图1所示，本发明的考虑机组疲劳差异的风电场自动发电控制系统，包括依次连接的电网调度侧、风场SCADA系统、风机主控系统、风电机组，其中，风场SCADA系统还连接风电场自动发电控制系统；电网调度侧向风场SCADA系统下达调度指令；风场SCADA系统从电网调度侧和风机主控系统收集风电场运行状态数据和机组振动数据，并将收集的数据以及电网调度侧发来的调度指令输送至风电场自动发电控制系统；风电场自动发电控制系统按规则向各机组分配机组功率指令，并通过风场SCADA系统将分配的机组功率指令下达到各机组风机主控系统，最终由风电机组执行。

本发明还包括一种考虑机组疲劳差异的风电场自动发电控制方法，包括以下步骤：

(1)确定不同风向下的机组振动大小排序；

基于收集的风电场风速风向数据和机组的振动数据，确定不同风速区间下各机组的振动强度排序。振动强度排序确定方法如下：

(1.1)为了收集机组用于振动分析的数据，本方案在风电机组的主要零部件安装振动传感器。振动传感器是用于检测冲击力或加速度的传感器。安装传感器的部件为风电机组常见的容易因为疲劳破坏造成故障的部件，包括叶片、主轴承、齿轮箱和发电机。

(1.2)收集风电机组风速风向数据以及振动传感器的数据记录，然后确定各机组在不同来流风向下的振动强度。

(1.3)以正北方向为0°方向，以10°为间隔把风向分为36个风向区间。在同一风向区间下，需要对各机组的振动严重程度进行排序。风电场不同机组部件故障造成的停机次数会有差异，次数越多则反映该部件的振动疲劳更值得重视。本方案根据按零部件重要程度设置权重如表1所示。然后计算综合振动强度。

表1风电机组部件振动权重

第i个风速区间下第j台机组的综合振动强度F

F

其中,f

(2)比较当前风电场输出功率和电网指令P

(3)确定各机组降功率或升功率空间dP

(4)若采用风电场降功率分配，则确定风电场所需继续降功率的数值|dpT|；若采用风电场升功率分配，则确定风电场需提升功率的数值|dpT|；

(5)在步骤(4)得到的风电场所需降功率或升功率的具体数值的基础上，按预测风向下，机组振动由大到小或由小到大排序逐台进行降功率或升功率分配；

(6)每分配一台机组，重新确定|dpT|，直至|dpT|为0。

具体地，基于确定的机组振动强度排序，风电场自动发电控制方法如下：

所需数据：功率调度指令P

首先将风电场当前出力与下一调度周期指令值进行比较，确定风电场需要在当前出力的基础上增加发电量还是降低发电量。再比较各台机组的功率当前值和预测值确定每台机组可以进行升(降)功率空间的大小(据此机组划分为可升(降)功率、不可升(降)功率以及需要停机的机组)，然后根据同一风向下机组振动强度的排序，依次提升(降低)机组功率，直到达到电网指令或所有机组达到相应出力极限。期间如果有机组的风况较差，预测功率小于最小的机组出力极限，则出于安全考虑令该机组停止运行。

如图2所示，事先确定各风速区间下，风电场机组振动强度的排序。运行时，先比较当前风电场输出功率和电网指令P

其中，P

(1)如果风电场需要增加发电量(DP<0)，比较各机组当前输出功率与预测功率，确定每台机组的功率提升空间或功率减少量dP

dP

另外，如果机组i预测功率小于机组出力最低极限(P

dP

假设有m台机组功率预测值小于当前发电量(dP

根据风电机组提升功率响应速度排序(k＝1,…,n)，优先调度响应速度较快的机组，

(a)如果机组k＝1能够继续增加发电量(dP

i)如果dP

P

其它机组均保持当前发电量不变。

ii)如果dP

P

其后n-m-1台机组需要提升的功率大小为：

(b)如果机组k不能继续增加发电量(dP

P

另外，假如机组k预测功率小于机组出力最低极限(P

P

依此类推，直到风电场发电量达到电网指令，或者所有机组都按最大出力(即预测功率P

(2)如果风电场需要减少发电量(DP>＝0)，比较各机组当前输出功率与出力下限P

dP

另外，如果机组i预测功率小于机组出力最低极限(P

dP

假设有m台机组功率预测值小于机组出力最低极限，则另外n-m台机组需要继续降低的功率大小为：

(a)如果dP

(b)如果dP

i)如果dP

P

其它n-m-1台机组有功出力保持不变。

ii)如果dP

P

其后n-m-1台机组需要降低的功率大小为：

依此类推，直到满足功率指令，或所有n-m台机组均按照出力最低极限运行。

(c)如果dP