本發明屬于電網黑啟動領域，更具體涉及一種風電場參與電網黑啟動的方法及控制裝置。

背景技術：

電網發生停電故障后，如何快速準確地恢復非故障停電區域的供電，對于滿足用戶的供電需求，減少停電損失具有重要意義。通常電網采用電網黑啟動預案作為電網故障處理的緊急預案，以盡可能減少停電給廣大用戶帶來的損失。

在電網黑啟動過程中，黑啟動電源的選擇是黑啟動方案快速、可靠實施的關鍵環節之一。很多情況下電網黑啟動電源需要采用外電網的電源，從而使電網黑啟動路徑過長，并依賴于外電網的運行狀況。隨著新能源發電技術的發展，越來越多的大容量風力發電場(簡稱風電場)從不同的地理位置接入電網，風電廠成為電網黑啟動的一種新的電源形式。那么如何利用風電廠為電網黑啟動供電成為急需解決的問題。

技術實現要素：

(一)要解決的技術問題

本發明要解決的技術問題是如何利用風電場為電網黑啟動提供電源。

(二)技術方案

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種風電場參與電網黑啟動的方法，所述方法包括以下步驟：

預測每個風機的有功功率，并根據火電機組容量計算風電場所需 發出的總有功功率；

為風電場提供啟動風機所需的電壓和頻率；

根據每個風機的所述有功功率、每個風機的機組狀態以及所述總有功功率確定需要啟動的風機，并啟動風機；

風電場作為黑啟動電源，為電網黑啟動路徑上的各級母線以及變壓器充電，啟動電廠輔助設備，之后啟動火電機組完成電網黑啟動。

優選地，所述總有功功率按照下面公式計算：

P_{PG_Total＝}P_G*a*b

式中，P_{PG_Total}為所述總有功功率，P_G為所述火電機組容量，a為火電機組啟動所需的有功功率占所述火電機組容量的百分數，b為所述總有功功率裕度。

優選地，所述為風電場提供啟動風機所需的電壓和頻率包括以下步驟：

采集風電場的母線電壓；

計算風電場的母線電壓的頻率與給定頻率的頻率差，根據所述頻率差與有功功率對應的曲線，確定有功功率控制信號；

計算風電場的母線電壓的大小與第一給定電壓的電壓差，根據所述電壓差與有功功率對應的曲線，確定無功功率控制信號；

將所述有功功率控制信號和無功功率控制信號輸入到變流器，由所述變流器對儲能電源進行控制，輸出啟動風機所需的電壓和頻率。

優選地，所述根據每個風機的所述有功功率、每個風機的機組狀態以及所述總有功功率確定需要啟動的風機之后，啟動風機之前還包括無功功率分配的步驟：

采集風電場的母線電壓；

計算風電場的母線電壓的平方與第二給定電壓的平方的差，并利用所述風電場的母線電壓的平方與第二給定電壓的平方的差，根據無功功率與電壓平方的差成正比的關系，計算得到風電場所需發出的總無功功率；

對于每一個需要啟動的風機，根據其有功功率和視在功率，確定其無功功率。

優選地，所述確定其無功功率之后還包括無功功率校驗的步驟：

計算所有需要啟動的風機的無功功率的和，并與所述總無功功率進行比較，若所述所有需要啟動的風機的無功功率的和大于或等于所述總無功功率則校驗通過，啟動風機；否則對于每一個需要啟動的風機，重新根據其有功功率和視在功率，確定其無功功率。

優選地，所述總無功功率確定之后，所述確定其無功功率之前，還包括以下步驟：

若所述總無功功率大于給定總無功功率上限，則所述總無功功率的值取所述給定總無功功率上限；

若所述總無功功率小于給定總無功功率下限，則所述總無功功率的值取所述給定總無功功率下限。

優選地，所述確定其無功功率還包括以下步驟：

對于每一個需要啟動的風機，若其無功功率大于給定無功功率上限，則其無功功率的值取所述給定無功功率上限；

若其無功功率小于給定無功功率下限，則其無功功率的值取所述給定無功功率下限。

優選地，所述各級母線的充電過程中對母線中繼電保護器的繼電保護參數進行設定。

優選地，所述電廠輔助設備的啟動過程中，按照負荷容量從大到小的順序依次啟動所述電廠輔助設備，并投入無功補償設備。

一種風電場參與電網黑啟動的控制裝置，所述裝置包括處理控制模塊、儲能供電模塊以及啟動控制模塊；

所述處理控制模塊，預測每個風機的有功功率，并根據火電機組容量計算風電場所需發出的總有功功率；根據每個風機的所述有功功率、每個風機的機組狀態以及所述總有功功率確定需要啟動的風機；

所述儲能供電模塊，為風電場提供啟動風機所需的電壓和頻率；

所述啟動控制模塊，在所述儲能供電模塊提供啟動風機所需的電壓和頻率后啟動由所述處理控制模塊確定的需要啟動的風機，并在風機啟動之后，控制各級母線以及變壓器進行充電，啟動電廠輔助設備以及火電機組。

優選地，所述儲能供電模塊包括鎖相環、第一下垂增益模塊、第二下垂增益模塊、第一比較器、第二比較器、儲能電源以及變流器；

所述鎖相環根據所述風電場的母線電壓得到所述風電場的母線電壓的頻率并傳遞給所述第一比較器；所述第一比較器計算所述風電場的母線電壓的頻率與給定頻率的頻率差并傳遞給所述第一下垂增益模塊；所述第一下垂增益模塊根據所述頻率差與有功功率對應的曲線，確定有功功率控制信號，并處遞給所述變流器；

所述第二比較器計算所述風電場的母線電壓的大小與第一給定電壓的電壓差并傳遞給所述第二下垂增益模塊；所述第二下垂增益模塊根據所述電壓差與有功功率對應的曲線，確定無功功率控制信號，并處遞給所述變流器；

所述變流器根據所述有功功率控制信號和無功功率控制信號對儲能電源進行控制，輸出啟動風機所需的電壓和頻率。

優選地，還包括無功功率分配模塊，其包括接收處理模塊、第三比較器、優化控制模塊、PI調節模塊以及功率分配模塊；

所述接收處理模塊接收所述風電場的母線電壓，計算所述風電場的母線電壓的平方以及第二給定電壓的平方并傳遞給所述第三比較器；

所述比較器計算所述風電場的母線電壓的平方與所述第二給定電壓的平方的差，并傳遞給所述優化控制模塊；所述優化控制模塊利用所述比較器傳遞的所述風電場的母線電壓的平方與所述第二給定電壓的平方的差，根據無功功率與電壓平方的差成正比的關系確定風電場所需發出的總無功功率，并將所述風電場所需發出的總無功功率傳遞給所述PI調節模塊，所述PI調節模塊對所述總無功功率進行無靜差調節之后傳遞給所述功率分配模塊；所述功率分配模塊針對每一個需要 啟動的風機，根據其有功功率和視在功率，確定其無功功率。

(三)有益效果

本發明提供了一種風電場參與電網黑啟動的方法及控制裝置，本發明首先啟動風電場，之后利用風電場供電實現電網黑啟動，為電網黑啟動提供了一種新的電源形式，同時可以充分利用風電場的分布廣泛、啟動速度快、控制靈活等優勢提高電網黑啟動的啟動效率。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明的一個較佳實施例的風電場參與電網黑啟動的方法流程圖；

圖2為本發明的另一個較佳實施例的風電場參與電網黑啟動的方法流程圖；

圖3為本發明中無功功率分配模塊的結構示意圖；

圖4a、4b為本發明中儲能供電模塊的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發明，但不能用來限制本發明的范圍。

圖1為本發明的一個較佳實施例的風電場參與電網黑啟動的方法流程圖，所述方法包括以下步驟：

S1、預測每個風機的有功功率，并根據火電機組容量計算風電場所需發出的總有功功率；

本步驟中風機的有功功率的預測是根據目前的風速以及風機的型號等因素得到；

本步驟中，總有功功率按照下面公式計算：

P_{PG_Total＝}P_G*a*b

式中，P_{PG_Total}為所述總有功功率，P_G為所述火電機組容量，a為火電機組啟動所需的有功功率占所述火電機組容量的百分數(即考慮電廠廠用電自啟動及分布式電源功率控制需要的容量百分數)，優選地但不限于a等于10％，b為所述總有功功率裕度，取值范圍為130％-200％，若b等于130％則表示有30％的裕度；

S2、為風電場提供啟動風機所需的電壓和頻率；此步驟中由儲能供電模塊提供電壓和頻率；儲能供電模塊啟動其變流器，根據給定電壓的幅值(第一給定電壓)和給定頻率輸出啟動風機所需電壓和頻率；

S3、根據每個風機的所述有功功率、每個風機的機組狀態(可用、不可用等)以及所述總有功功率確定需要啟動的風機，并啟動風機；此步驟中根據實際情況可以啟動具有不同有功功率的風機，并確定啟動風機的數量。

S4、風電場作為黑啟動電源，為電網黑啟動路徑上的各級母線以及變壓器充電，啟動電廠輔助設備，之后啟動火電機組完成電網黑啟動。

進一步地，步驟S2中，為風電場提供啟動風機所需的電壓和頻率包括以下步驟：

S21、采集風電場的母線電壓；

S22、計算所述母線電壓的頻率與給定頻率的差，利用第一下垂增益模塊對所述母線電壓的頻率與給定頻率的差進行處理，得到有功功率控制信號(即根據所述頻率差與有功功率對應的曲線，確定有功功率控制信號)；此步驟中，利用鎖相環得到風電場母線電壓的頻率；

S23、計算所述母線電壓的大小與第一給定電壓的差，利用第二下垂增益模塊對所述母線電壓的大小與給定電壓的差進行處理得，到無功功率控制信號(即根據所述電壓差與有功功率對應的曲線，確定無功功率控制信號)；

S24、將所述有功功率控制信號和無功功率控制信號輸入到變流器， 由所述變流器對儲能電源進行控制，輸出啟動風機所需的電壓和頻率。

上述為風電場提供啟動風機所需的電壓和頻率的是儲能供電設備，其以風電場正常工作情況下，母線電壓為基準量進行反饋，利用變流器和儲能電源建立風電場內母線電壓，為風電場啟動風力發電機組提供電壓和頻率。

進一步地，上述步驟S3中根據每個風機的所述有功功率、每個風機的機組狀態以及所述總有功功率確定需要啟動的風機之后，啟動風機之前還包括無功功率分配的步驟：

S31、采集風電場的母線電壓；

S32、計算風電場的母線電壓的平方與第二給定電壓的平方的差，并利用所述風電場的母線電壓的平方與第二給定電壓的平方的差，根據無功功率與電壓平方的差成正比的關系，計算得到風電場所需發出的總無功功率；

若所述總無功功率大于給定總無功功率上限，則所述總無功功率的值取所述給定總無功功率上限；

若所述總無功功率小于給定總無功功率下限，則所述總無功功率的值取所述給定總無功功率下限；

S33、對于每一個需要啟動的風機，根據其有功功率、其視在功率以及所述總無功功率，確定其無功功率；

對于每一個需要啟動的風機，若其無功功率大于給定無功功率上限，則其無功功率的值取所述給定無功功率上限；

若其無功功率小于給定無功功率下限，則其無功功率的值取所述給定無功功率下限；

S34、計算所有需要啟動的風機的無功功率的和，并與所述總無功功率進行比較，若所述所有需要啟動的風機的無功功率的和大于或等于所述總無功功率則校驗通過，啟動風機；否則對于每一個需要啟動的風機，重新根據其有功功率和視在功率，確定其無功功率。

上述無功功率的分配過程是為了保證風電場電壓的穩定。

上述步驟S4具體包括以下步驟：風電場自啟動完成后，達到黑啟動電源要求后，風電場作為黑啟動電源為黑啟動路徑上的各母線進行充電；各級母線充電完成后，進一步為火電廠廠用變壓器和母線充電；火電廠廠用變壓器和母線充電完成后，為電廠輔助設備提供電源；電廠輔助設備啟動完成后，進一步啟動火電機組，實現電網黑啟動。其中為各級母線的充電過程中對母線中繼電保護器的繼電保護參數進行重新設定,保證充電過程正常進行，保護裝置不誤動作。電廠輔助設備的啟動過程中，按照負荷容量從大到小的順序依次啟動所述電廠輔助設備，并投入無功補償設備，其中，在火電廠廠用電母線進行無功補償。

上述為風電場提供啟動風機所需的電壓和頻率的控制過程可以稱為儲能電壓/頻率控制策略。上述根據每個風機的所述有功功率、每個風機的機組狀態(可用、不可用等)以及所述總有功功率確定需要啟動的風機，并啟動風機可以稱為風電場電壓無功綜合控制策略，儲能電壓/頻率控制策略和風電場電壓無功綜合控制策略合起來可以稱作風電場自啟動綜合控制策略。上述方法以風電場為電網黑啟動電源，通過風電場自啟動綜合控制策略實現自啟動，為電網提供黑啟動電源。

圖2為本發明的另一個較佳實施例的風電場參與電網黑啟動的方法流程圖：

首先，根據電網運行情況，判斷電網發生大停電故障，確定電網進入全黑狀態。

進一步，風電場的處理控制模塊向電網調度提出參與電網黑啟動申請，并進行每個風機的有功功率預測和被啟動火電廠廠用電負荷容量(即火電機組容量)分析計算，確定風電場所需發出的總有功功率；

進一步，儲能供電模塊采用儲能電壓/頻率控制策略，建立風電場母線電壓和頻率；

進一步，風電場進行自啟動：在儲能供電模塊提供的風電場的母線電壓和頻率下，根據每個風機的有功功率和風電場所需發出的總有 功功率，啟動相應容量的風力發電機組(即多個風機)，在啟動風機之前利用風電場電壓無功綜合控制策略為每個需要啟動的風機分配無功功率；

進一步，風電場自啟動完成后，根據電網黑啟動預案中制定的黑啟動路徑，為路徑上的各個電壓等級母線順序充電，并對相應的繼電保護整定值進行修改；

進一步，黑啟動路徑上的各個電壓等級母線充電完成后，為被啟動的火電廠的廠用變壓器和廠用電母線充電；

進一步，廠用變壓器和廠用電母線充電完成后，按照輔助電機等廠用電負載設備(電廠輔助設備)的容量由大到小的順序，依次啟動廠用電負載設備；

進一步，廠用電負載設備啟動完成后，按照火電廠發電機組啟動順序和要求啟動火電廠發電機組。

對應于上述方法存在一種風電場參與電網黑啟動的控制裝置，此裝置用于實現上述方法。所述裝置包括處理控制模塊、儲能供電模塊以及啟動控制模塊；所述處理控制模塊，預測每個風機的有功功率，并根據火電機組容量計算風電場所需發出的總有功功率；根據每個風機的所述有功功率、每個風機的機組狀態以及所述總有功功率確定需要啟動的風機；所述儲能供電模塊，為風電場提供啟動風機所需的電壓和頻率；所述啟動控制模塊，在所述儲能供電模塊提供啟動風機所需的電壓和頻率后啟動由所述處理控制模塊確定的需要啟動的風機，并在風機啟動之后，控制各級母線以及變壓器進行充電，啟動電廠輔助設備以及火電機組。

進一步地，所述儲能供電模塊包括鎖相環PLL、第一下垂增益模塊、第二下垂增益模塊、第一比較器、第二比較器、儲能電源(圖中未標識出)以及變流器(圖中未標識出)；如圖4a、4b所示。鎖相環PLL根據所述風電場的母線電壓V_abc得到所述風電場的母線電壓的頻率f_mmeasured并傳遞給所述第一比較器；所述第一比較器計算所述風電場 的母線電壓的頻率f_mmeasured與給定頻率f_ref的頻率差并傳遞給所述第一下垂增益模塊；所述第一下垂增益模塊根據所述頻率差與有功功率對應的曲線，得到有功功率控制信號P_inj，并處遞給所述變流器。所述第二比較器計算所述風電場的母線電壓的大小V_mmeasure與第一給定電壓V_refm的電壓差并傳遞給所述第二下垂增益模塊；所述第二下垂增益模塊根據所述電壓差與有功功率對應的曲線，到無功功率控制信號Q_inj，并處遞給所述變流器；所述變流器根據所述有功功率控制信號和無功功率控制信號對儲能電源進行控制，輸出啟動風機所需的電壓和頻率。

進一步地，所述裝置還包括無功功率分配模塊，其包括接收處理模塊、第三比較器、優化控制模塊、PI調節模塊以及功率分配模塊，如圖3所示；所述接收處理模塊接收所述風電場的母線電壓，計算所述風電場的母線電壓的平方U²以及第二給定電壓U_ref²的平方并傳遞給所述第三比較器；所述第三比較器計算所述風電場的母線電壓的平方U²與所述第二給定電壓的平方U_ref²的差，并傳遞給所述優化控制模塊，優化控制模塊利用所述比較器傳遞的所述風電場的母線電壓的平方與所述第二給定電壓的平方的差，根據無功功率與電壓平方的差成正比的關系確定風電場所需發出的總無功功率，并將所述風電場所需發出的總無功功率傳遞給所述PI調節模塊，所述PI調節模塊對所述總無功功率進行無靜差調節之后傳遞給所述功率分配模塊；所述功率分配模塊針對每一個需要啟動的風機，根據其有功功率、其視在功率以及所述總無功功率，確定其無功功率。圖中DFIG表示風機，具體是一種雙饋發電機。ΔQ₁^ref、ΔQ₂^ref、ΔQ₃^ref、ΔQ_n^ref表示為風機分配的無功功率，n為啟動的風機的個數。

進一步地，PI調節模塊的處理過程中包括對總無功功率的校驗過程，具體為：

若所述總無功功率大于給定總無功功率上限(即DFIG機群無功功率上限)，則所述總無功功率的值取所述給定總無功功率上限；

若所述總無功功率小于給定總無功功率下限(即DFIG機群無功功 率上限)，則所述總無功功率的值取所述給定總無功功率下限。

進一步地，功率分配模塊在確定每一個風機的無功功率之后，還包括校驗的過程，具體為：

對于每一個需要啟動的風機，若其無功功率大于給定無功功率上限(即DFIG無功功率上限)，則其無功功率的值取所述給定無功功率上限；

若其無功功率小于給定無功功率下限(即DFIG無功功率下限)，則其無功功率的值取所述給定無功功率下限。

進一步地，無功功率分配模塊還包括固定電容器補償和動態無功補償SVC(靜止無功補償器)/SVG(靜止無功發生器)。所述固定電容器補償裝在風電場，動態無功補償SVC/SVG也裝在風電場，均用來進行無功補償，通常風電場只安裝三者中的一種。

本發明以風電場為電網黑啟動電源，啟動電廠相關輔助設備，進而啟動火電廠發電機組(火電機組)，進而恢復電網供電，為電網黑啟動提供了新的解決方案，同時提高了風電場的利用效率，進一步拓寬了風電場的應用場景。

以上實施方式僅用于說明本發明，而非對本發明的限制。盡管參照實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方案進行各種組合、修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。