一种海上风电场柔直并网的有功频率控制方法及系统与流程

本发明涉及新能源发电技术领域，具体涉一种海上风电场柔直并网的有功频率控制方法及系统。

背景技术：

柔性直流输电系统基于电压源型换流器，具有不存在换相失败、独立控制有功功率和无功功率、可向无源网络供电等优点，为可再生能源并网提供了有效解决方案。近年来随着国内外大规模、远距离海上风电的快速发展，多个远海柔性直流输电工程处于规划阶段，未来可实现海上风电经柔直接入岸上交流电网。风电场的输送功率较大，在电网正常运行和事故状态下系统的频率有一定影响，需根据交流系统的频率变化调节输送功率。为提高电网整体性能，有必要在柔性直流系统中引入基于频率的功率调制功能。

当前基于频率的直流功率调制在常规直流领域已有工程应用，当某一侧交流系统发生故障导致频率异常变化时，直流输电系统可快速响应两侧频率变化而改变输电功率，以支援两侧交流进行辅助频率控制。现有技术中的海上风电场的电网在进行功率输出时采用的是功率控制模式，无法根据岸上交流系统的频率调节海上风电场输出的有功功率值，也无法支撑岸上交流系统调频。

技术实现要素：

因此，本发明提供的一种海上风电场柔直并网的有功频率控制方法及系统，克服了现有技术根据岸上交流系统的频率调节海上风电场输出的有功功率值，也无法支撑岸上交流系统调频的缺陷。

第一方面，本发明实施例提供一种海上风电场柔直并网的有功频率控制方法，包括：获取岸上交流电网接入点的频率信号；将所述频率信号传输至柔性直流系统岸上换流站的控制保护单元；检测柔性直流系统岸上换流站和海上风电场控制保护系统的站间通信系统是否正常；当站间通信系统正常时，将所述频率信号通过所述站间通信系统发送至海上风电场控制保护系统的频率有功调制模块；基于所述频率信号利用所述频率有功调制模块，生成有功功率调节量；将所述有功功率调节量传输至海上风电场能量管理系统；根据所述海上风电场能量管理系统接收的所述有功功率调节量调制所述海上风电场输出的有功功率。

可选的，海上风电场柔直并网的有功频率控制方法还包括：当柔性直流系统岸上换流站和海上风电场控制保护系统的站间通信系统不正常时，所述海上风电场根据预设有功功率值输出。

可选的，所述获取岸上交流电网接入点的频率信号的步骤，包括：

采用锁相环实时测量岸上交流电网接入点频率，经过滤波处理后生成频率信号。

可选的，所述频率有功调制模块中的调制模式包括：频率敏感模式、高频有限频率敏感模式、低频有限频率敏感模式中的至少之一。

可选的，基于所述频率信号利用所述频率有功调制模块，生成功率调节量的步骤，包括：根据预设频率调制需求选择所述频率有功调制模块中的调制模式；根据所述调制模式中的预设算法，基于预设额定频率、预设合同柔性直流功率及所述频率信号生成有功功率调节量。

第二方面，本发明实施例还提供一种海上风电场的有功频率控制系统，包括：频率信号获取模块，用于获取岸上交流电网接入点的频率信号；

频率信号传输模块，用于将所述频率信号传输至柔性直流系统岸上换流站的控制保护单元；通信系统检测模块，用于检测柔性直流系统岸上换流站和海上风电场控制保护系统的站间通信系统是否正常；频率信号发送模块，当站间通信系统正常时，用于将所述频率信号通过所述通信系统发送至海上风电场控制保护系统控制系统的频率有功调制模块；功率调节量生成模块，用于基于所述频率信号利用所述频率有功调制模块，生成功率调节量；功率调节量传输模块，用于将所述功率调节量传输至海上风电场能量管理系统；有功功率调制模块，用于根据所述海上风电场能量管理系统接收的所述功率调节量调制所述海上风电场输出的有功功率。

可选的，功率调节量生成模块包括：调制模式选择子模块，用于根据预设频率调制需求选择所述频率有功调制模块中的调制模式；调节量生成子模块，用于根据所述调制模式中的预设算法，基于预设额定频率、预设合同柔性直流功率及所述频率信号生成功率调节量。

可选的，海上风电场的有功频率控制系统还包括：控制参数设置模块，用于设置控制参数，包括：频率阈值、比例系数及有功功率调整的最大值。

第三方面，本发明实施例提供一种计算机设备，包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行本发明实施例第一方面所述的海上风电场柔直并网的有功频率控制方法。

第四方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行发明实施例第一方面所述的海上风电场柔直并网的有功频率控制方法。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明实施例提供的海上风电场柔直并网的有功频率控制方法，通过获取岸上交流电网接入点的频率信号，再将频率信号传输至柔性直流系统岸上换流站的控制保护单元；检测柔性直流系统岸上换流站和海上风电场控制保护系统的站间通信系统是否正常；当站间通信系统正常时，将频率信号通过站间通信系统发送至海上风电场控制保护系统的频率有功调制模块；再基于频率信号利用频率有功调制模块，生成有功功率调节量；将有功功率调节量传输至海上风电场能量管理系统；再根据所述海上风电场能量管理系统接收的有功功率调节量调制所述海上风电场输出的有功功率。通过上述方法，通过将交流系统的岸上交流电网接入点的频率信号经过柔性直流系统岸上换流站内的控制保护单元传输至海上风电场控制保护系统的频率有功调制模块生成功率调节量，再将有功功率调节量传输至海上风电场能量管理系统，从而调制海上风电场输出的有功功率，从而支撑岸上交流系统进行调频；实现了海上风电经柔直接入对岸上交流电网接入点的频率有功调节功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的海上风电场柔直并网的有功频率控制方法的一个具体示例的流程图；

图2为本发明实施例提供的海上风电场电网系统的一个具体示例的组成图；

图3为本发明实施例提供的基于频率的频率有功控制传递函数框图；

图4为本发明实施例提供的海上风电场柔直并网的有功频率控制方法的另一个具体示例的流程图；

图5为本发明实施例提供的基于频率信号，利用频率有功调制模块，商城功率调节量的具体示例的流程图；

图6为本发明实施例提供的调制模式中的频率敏感模式的调制曲线图；

图7为本发明实施例提供的调制模式中的高频有限频率敏感模式的调制曲线图；

图8为本发明实施例提供的调制模式中的低频有限频率敏感模式的调制曲线图；

图9为本发明实施例提供的频率有功调制模块中的调制模式中的频率敏感模式的测试波形；

图10为本发明实施例提供的频率有功调制模块中的调制模式中的高频频率敏感模式的测试波形；

图11为发明实施例提供的频率有功调制模块中的调制模式中的低频频率敏感模式的测试波形；

图12为本发明实施例提供的频率有功调制模块中的调制模式中的频率敏感模式的仿真结果图；

图13本发明实施例提供的频率有功调制模块中的调制模式中的高频频率敏感模式的仿真结果图；

图14为发明实施例提供的频率有功调制模块中的调制模式中的低频频率敏感模式的仿真结果图；

图15为发明实施例提供的海上风电场的有功频率控制系统的一个组成示意图；

图16为发明实施例提供的海上风电场的有功频率控制系统的另一个组成示意图；

图17为本发明实施例提供的计算机设备一个具体示例的组成图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

如图1所示，本发明实施例提供一种海上风电场柔直并网的有功频率控制方法，该控制方法包括如下步骤：

步骤s1:获取岸上交流系统的交流电网接入点的频率信号。本发明实施例中，如图3所示的为基于频率的频率有功控制传递函数框图，图中岸上交流系统采用锁相环(pll)实时测量岸上交流系统的交流电网接入点频率，经过一阶滤波处理后生成第一频率信号，仅以此举例，不以此为限。

步骤s2：将频率信号传输至柔性直流系统岸上换流站内的控制保护单元。如图2所示，岸上换流站内的控制保护单元用于接收从岸上交流电网接入点获取的频率信号，以便将频率信号传输至海上风电场控制保护系统。

步骤s3：检测柔性直流系统岸上换流站和海上风电场控制保护系统的站间通信系统是否正常。

步骤s4：当站间通信系统正常时，将频率信号通过站间通信系统发送至海上风电场控制保护系统的频率有功调制模块。柔性直流系统岸上换流站和海上风电场控制保护系统之间设置有站间通信系统，站间通信系统可以实现将频率信号从柔性直流系统岸上换流站传输至海上风电场控制保护系统的频率有功调制模块；当然，当频率信号通过站间通信系统发送至海上风电场控制保护系统的频率有功调制模块之前，站间通信系统通过自检确定当前通信是否正常；当确定站间通信系统正常时，频率信号才能从柔性直流系统岸上换流站传输至海上风电场控制保护系统的频率有功调制模块。

需要说明的是，通信系统中设置冗余通信回路，可以将频率信号经多条通信线路进行传输，当其中有某条通信线路出现故障时，不影响正常的信号传输，以保证信号的可靠性。实际应用中，信号传递过程中可能会通信延时，延时大约为50ms。

步骤s5：基于频率信号利用频率有功调制模块，生成有功功率调节量δp。频率有功调制模块中设置有多种调制模式，运行人员会根据实际需求通过人机控制界面(humanmachineinterface，hmi)选择调制模式后，频率信号会根据选择的调制模式中的预设算法进行计算，最终生成功率调节量δp。

步骤s6：将有功功率调节量传输至海上风电场能量管理系统。能量管理系统具有管理的功能，要想改变海上风电场输出的有功功率，必须由管理系统下发指令，才能改变。

步骤s7：根据海上风电场能量管理系统接收的有功功率调节量调制海上风电场输出的有功功率。海上风电场内设置有海上风电场控制保护系统、海上风电场能量管理系统和多个风电场机组；当海上风电场能量管理系统接收到有功功率调节量δp后，分配至海上风电场内的多个风电场机组来调节了整个海上风电场输出的有功功率。

通过上述步骤s1至步骤s7，本发明的实施例提供的海上风电场柔直并网的有功频率控制方法，通过将交流系统的岸上交流电网接入点的频率信号经过柔性直流系统岸上换流站内的控制保护单元传输至海上风电场控制保护系统的频率有功调制模块生成功率调节量，再将有功功率调节量传输至海上风电场能量管理系统，从而调制海上风电场输出的有功功率，从而支撑岸上交流系统进行调频；实现了海上风电经柔直接入对岸上交流电网接入点的频率有功调节功能。

在一实施例中，如图4所示，当柔性直流系统岸上换流站和海上风电场控制保护系统站间通信系统不正常时，海上风电场柔直并网的有功频率控制方法还包括：

步骤s8：海上风电场控制保护系统根据预设有功功率值输出。当站间通信系统通过自检检测到站间通讯系统不正常时，获取的频率信号将无法传输至海上风电场控制保护系统，因此，也无法使频率信号利用海上风电场控制保护系统的频率有功调制模块生成有功功率调节量δp，调制海上风电场输出的有功功率；而是回到原始控制模式，海上风电场根据预设有功功率值输出，即将海上风电场的电网系统产生的功率全部传输至岸上电网系统。

如图5所示，在一实施例中，上述步骤s5，基于频率信号利用频率有功调制模块，生成有功功率调节量，具体包括：

步骤s51：根据预设频率调制需求选择频率有功调制模块中的调制模式。调制模式包括：频率敏感模式(fsm)、高频有限频率敏感模式(lfsm-o)、低频有限频率敏感模式(lfsm-u)中的至少之一；在实际应用中，运行人员可通过人机控制界面(humanmachineinterface，hmi)选择至少一种调制模式进行详细参数设置，包括频率阈值、比例系数、有功功率调整的最大值等参数。

步骤s52：根据调制模式中的预设算法，基于预设额定频率、预设合同柔性直流功率及所述频率信号生成有功功率调节量。根据实际需要，运行人员通过人机控制界面选择调制模式后，如图6至8所示，根据预设额定频率fn、预设合同柔性直流功率pav及频率信号f最终计算出有功功率调节量δp。在频率敏感模式(fsm)、高频有限频率敏感模式(lfsm-o)、低频有限频率敏感模式(lfsm-u)中都预设有如图6至图8所示的调制曲线。例如：当运行人员通过人机控制界面选择使用频率敏感模式(fsm)时，首先根据频率信号f与预设额定频率fn计算两者之间的差值δf，再计算δf预设额定频率fn的比例系数，根据比例系数以及调制曲线图得出功率调节量δp与合同直流功率pav之间的比例系数，由于合同柔性直流功率pav为已知，所以得出有功功率调节量δp；当计算得出的功率调节量δp等于零，则说明有功功率调节量δp没有改变，即将岸上换流站产生的有功功率传输至海上换流站。具体的，如图6所示，为本发明实施例提供的调制模式中的频率敏感模式的调制曲线图；其中，δp：直流功率的调制量；δp1：频率限制f1(50.2hz)时对应的直流功率调制量；δp2：频率限制f2(49.8hz)时对应的直流功率调制量；pav：合同柔性直流功率；δftot：频率控制死区；fn：额定频率(50hz)；δf：交流电网频率的偏差量；δftolernace：允许的误差；s1：低频时的下垂(6％)；s2：高频时的下垂(6％)。图7为本发明实施例提供的调制模式中的高频有限频率敏感模式的调制曲线图；其中，δp：直流功率的调制量；pav：合同柔性直流功率；fn：额定频率(50hz)；δf：交流电网频率的偏差量；f1：频率阈值：50.2hz；s3：lfsm-o的下垂系数：5％。图8为本发明实施例提供的调制模式中的低频有限频率敏感模式的调制曲线图；其中，δp：直流功率的调制量；pav：合同柔性直流功率；fn：额定频率；δf：交流电网频率的偏差量；f1：频率阈值：49.8hz；s4：lfsm-u的下垂系数：5％。

本发明实施例提供的海上风电场柔直并网的有功频率控制方法，通过将交流系统的岸上交流电网接入点的频率信号经过柔性直流系统岸上换流站内的控制保护单元传输至海上风电场控制保护系统的频率有功调制模块生成功率调节量，再将有功功率调节量传输至海上风电场能量管理系统，从而调制海上风电场输出的有功功率，从而支撑岸上交流系统进行调频；实现了海上风电经柔直接入对岸上交流电网接入点的频率有功调节功能。

本发明实施例提供的海上风电场柔直并网的有功频率控制方法，通过在pscad/emtdc中仿真建模进行分析，其中，柔直系统额定功率900mw，额定直流电压±320kv；岸上交流系统等效为380kv电压源，短路比scr＝5；海上风电场模型包括双馈风机和直驱风机两种，出力各占风电场总出力50％。应用以下频率测试波形，对频率功率控制功能进行测试，频率测试波形如图9至图11所示，仿真结果如图12至图14所示，其中，simulated表示仿真得到数据，required表示在相应频率有功调制模式下按一定参数进行设置后的理论值，δp为功率调节量，pav为合同直流功率，δf为频率信号f与预设额定频率fn之间的差值，即交流电网频率的偏差量、fn为预设额定频率。

通过上述仿真结果可以表明，利用本发明实施例提供的控制方法可以根据岸上交流系统的交流电网接入点的频率信号，有效调节海上风电场输出的有功功率，实现对交流系统频率调节的支撑，适用于海上风电经柔直接入的工程。

实施例2

如图15所示，本发明实施例还提供一种海上风电场的有功频率控制系统，包括：

频率信号获取模块1，用于获取岸上交流电网接入点的频率信号。此模块执行实施例1中的步骤s1所描述的方法，在此不再赘述。

频率信号传输模块2，用于将所述频率信号传输至柔性直流系统岸上换流站的控制保护单元。此模块执行实施例1中的步骤s2所描述的方法，在此不再赘述。

通信系统检测模块3，用于检测柔性直流系统岸上换流站和海上风电场控制保护系统的站间通信系统是否正常。此模块执行实施例1中的步骤s3所描述的方法，在此不再赘述。

频率信号发送模块4，当站间通信系统正常时，用于将所述频率信号通过所述通信系统发送至海上风电场控制保护系统控制系统的频率有功调制模块。此模块执行实施例1中的步骤s4所描述的方法，在此不再赘述。

功率调节量生成模块5，用于基于频率信号利用频率有功调制模块，生成功率调节量。此模块执行实施例1中的步骤s5所描述的方法，在此不再赘述。

功率调节量传输模块6，用于将功率调节量传输至海上风电场能量管理系统。此模块执行实施例1中的步骤s6所描述的方法，在此不再赘述。

有功功率调制模块7，用于根据所述海上风电场能量管理系统接收的功率调节量调制海上风电场输出的有功功率。此模块执行实施例1中的步骤s7所描述的方法，在此不再赘述。

在一实施例中，功率调节量生成模块5具体包括：调制模式选择子模块，用于根据预设频率调制需求选择频率有功调制模块中的调制模式。此模块执行实施例1中的步骤s51所描述的方法，在此不再赘述。

功率调节量生成子模块，用于根据调制模式中的预设算法，基于预设额定频率、预设合同柔性直流功率及所述频率信号生成功率调节量。此模块执行实施例1中的步骤s52所描述的方法，在此不再赘述。

如图16所示，本发明实施例提供的海上风电场的有功频率控制系统，还包括：控制参数设置模块8，用于设置控制参数，包括：频率阈值、比例系数及有功功率调整的最大值。本发明实施例中，运维工作人员可通过人机控制界面选择和进行详细控制参数设置，包括频率阈值、比例系数、有功功率调整的最大值等参数，仅以此举例，不以此为限。

本发明实施例提供的海上风电场的有功频率控制系统，通过频率信号获取模块1、频率信号传输模块2、通信系统检测模块3、频率信号发送模块4、功率调节量生成模块5、功率调节量传输模块6和有功功率调制模块7，可以实现通过将交流系统的岸上交流电网接入点的频率信号经过柔性直流系统岸上换流站内的控制保护单元传输至海上风电场控制保护系统的频率有功调制模块生成功率调节量，再将有功功率调节量传输至海上风电场能量管理系统，从而调制海上风电场输出的有功功率，从而支撑岸上交流系统进行调频；实现了海上风电经柔直接入对岸上交流电网接入点的频率有功调节功能。

实施例3

本发明实施例提供一种计算机设备，如图17所示，包括：至少一个处理器401，例如cpu(centralprocessingunit，中央处理器)，至少一个通信接口403，存储器404，至少一个通信总线402。其中，通信总线402用于实现这些组件之间的连接通信。其中，通信接口403可以包括显示屏(display)、键盘(keyboard)，可选通信接口403还可以包括标准的有线接口、无线接口。存储器404可以是高速ram存储器(ramdomaccessmemory，易挥发性随机存取存储器)，也可以是非不稳定的存储器(non-volatilememory)，例如至少一个磁盘存储器。存储器404可选的还可以是至少一个位于远离前述处理器401的存储装置。其中处理器401可以执行实施例1中的海上风电场柔直并网的有功频率控制方法。存储器404中存储一组程序代码，且处理器401调用存储器404中存储的程序代码，以用于执行实施例1中的海上风电场柔直并网的有功频率控制方法。

其中，通信总线402可以是外设部件互连标准(peripheralcomponentinterconnect，简称pci)总线或扩展工业标准结构(extendedindustrystandardarchitecture，简称eisa)总线等。通信总线402可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图17中仅用一条线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

其中，存储器404可以包括易失性存储器(英文：volatilememory)，例如随机存取存储器(英文：random-accessmemory，缩写：ram)；存储器也可以包括非易失性存储器(英文：non-volatilememory)，例如快闪存储器(英文：flashmemory)，硬盘(英文：harddiskdrive，缩写：hdd)或固降硬盘(英文：solid-statedrive，缩写：ssd)；存储器404还可以包括上述种类的存储器的组合。

其中，处理器401可以是中央处理器(英文：centralprocessingunit，缩写：cpu)，网络处理器(英文：networkprocessor，缩写：np)或者cpu和np的组合。

其中，处理器401还可以进一步包括硬件芯片。上述硬件芯片可以是专用集成电路(英文：application-specificintegratedcircuit，缩写：asic)，可编程逻辑器件(英文：programmablelogicdevice，缩写：pld)或其组合。上述pld可以是复杂可编程逻辑器件(英文：complexprogrammablelogicdevice，缩写：cpld)，现场可编程逻辑门阵列(英文：field-programmablegatearray，缩写：fpga)，通用阵列逻辑(英文：genericarraylogic,缩写：gal)或其任意组合。

可选地，存储器404还用于存储程序指令。处理器401可以调用程序指令，实现如本申请执行实施例1中的海上风电场柔直并网的有功频率控制方法。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令可执行实施例1中的海上风电场柔直并网的有功频率控制方法。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-onlymemory，rom)、随机存储记忆体(randomaccessmemory，ram)、快闪存储器(flashmemory)、硬盘(harddiskdrive，缩写：hdd)或固降硬盘(solid-statedrive，ssd)等；所述存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。