風(fēng)電場(chǎng)功率控制系統(tǒng)分析

張永艷

沈陽(yáng)中科天道新能源裝備股份有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110168

0 引言

隨著電力電子技術(shù)與通信技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化控制在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主控系統(tǒng)中的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟了。在廣泛應(yīng)用的1.5mW雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)電控系統(tǒng)中，通過(guò)主控控制的變槳、偏航、調(diào)速等方式已經(jīng)可以很好的控制風(fēng)機(jī)的功率輸出，風(fēng)力發(fā)電機(jī)整機(jī)控制技術(shù)已經(jīng)完善。

然而，在多年的風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行中仍然暴漏出許多不可以忽視的問(wèn)題：小故障引起的大范圍脫網(wǎng)事故、風(fēng)機(jī)的棄風(fēng)小時(shí)數(shù)、電網(wǎng)容量有限等。在2011年初，甘肅酒泉發(fā)生超過(guò)五百臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組脫網(wǎng)嚴(yán)重事故[1]，這對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定性提出了更高的要求。隨即電網(wǎng)公司會(huì)議決定對(duì)風(fēng)電提出新的要求，未具備低壓穿越功能的風(fēng)機(jī)必須具備穿越功能，風(fēng)電場(chǎng)也必須具備功率控制功能。本文研究了以單臺(tái)風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)為基礎(chǔ)的功率控制方案。

1 風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)概述

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主控系統(tǒng)是風(fēng)機(jī)的核心。主控系統(tǒng)控制風(fēng)機(jī)的一切動(dòng)作，包括變槳、偏航以及變頻器的控制。分為控制單元、傳感器單元、執(zhí)行單元、總線系統(tǒng)。主控系統(tǒng)以PLC控制器為核心，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的過(guò)程控制、安全保護(hù)、故障檢測(cè)、參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)顯示以及人工操作。主控系統(tǒng)是功率控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的前提，是實(shí)現(xiàn)有功無(wú)功輸出調(diào)節(jié)的工具。

2 功率控制系統(tǒng)功能要求

風(fēng)電場(chǎng)功率控制系統(tǒng)的主要目的是集中控制輸入電網(wǎng)的有功和無(wú)功，使得風(fēng)電場(chǎng)也能和傳統(tǒng)發(fā)電站一樣參與電網(wǎng)的控制。該系統(tǒng)以風(fēng)電機(jī)組主控為控制單元，發(fā)出控制指令。風(fēng)電場(chǎng)功率控制系統(tǒng)必須具備以下功能：

1）具備基于多種通訊協(xié)議的通訊功能，一方面通過(guò)通訊方式將風(fēng)機(jī)的理論出力值發(fā)送到功率控制系統(tǒng)中，另一方面能夠?qū)⒗碚撝瞪蟼鞯秸{(diào)度部門(mén)（如果是風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部控制，則應(yīng)該傳送到風(fēng)電場(chǎng)的SCADA系統(tǒng)）。反之也能夠接受調(diào)度下發(fā)的限制指令；

2）具備強(qiáng)大的計(jì)算處理功能，能夠?qū)L(fēng)力發(fā)電機(jī)組分散的理論出力，累計(jì)成以風(fēng)電場(chǎng)為單元的總的有功輸出值，能夠結(jié)合整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際的有功或無(wú)功輸出值進(jìn)行PI控制；

3）本地控制功能：即功率控制系統(tǒng)不僅僅能通過(guò)遠(yuǎn)程通訊功能對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，也應(yīng)能夠通過(guò)本地方式進(jìn)行控制，控制方式可以是數(shù)字量或者模擬量，也可以使用Modbus總線形式，還可以以TCP協(xié)議方式等；

4）采集功能：功率控制系統(tǒng)應(yīng)該具有采集整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)的有功功率或無(wú)功功率的功能。通過(guò)測(cè)量模塊連接電流互感器二次側(cè)。測(cè)量電流可以在變電站高壓側(cè)得到整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的總電流，也可以分別測(cè)量單個(gè)集電線路的電流再匯成總電流。測(cè)量模塊連接電壓互感器的二次側(cè)即可得到風(fēng)電場(chǎng)的電壓值；

5）智能分配功能：風(fēng)電場(chǎng)功率控制系統(tǒng)接收調(diào)度下達(dá)或者本地下達(dá)有功或無(wú)功輸出設(shè)定指令，根據(jù)風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)進(jìn)行平均分配?；蛘卟徊扇∑骄峙湓瓌t，即按照單臺(tái)風(fēng)機(jī)的理論值的比例進(jìn)行比例分配。當(dāng)單臺(tái)風(fēng)機(jī)故障時(shí)也能自動(dòng)排除故障風(fēng)機(jī)的影響，使風(fēng)場(chǎng)總的出力滿足調(diào)度的要求；

6）輔助功能：顯示功能、報(bào)警功能、記錄功能等必備的其他功能。

3 功率控制系統(tǒng)的控制理論

功率控制系統(tǒng)的控制理論如圖1所示：

圖1 功率控制系統(tǒng)原理示意圖

圖1以兩臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為例進(jìn)行分析。圖1中矩形框中表示功率控制系統(tǒng)的主要邏輯功能，圖的左側(cè)為調(diào)度。調(diào)度可以為電網(wǎng)調(diào)度也可以為風(fēng)場(chǎng)調(diào)度。圖的右側(cè)為風(fēng)機(jī)，為了方便理解，假設(shè)兩臺(tái)風(fēng)機(jī)組成一個(gè)風(fēng)力發(fā)電廠。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與功率控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互主要有3種，即單臺(tái)風(fēng)機(jī)的理論出力值和實(shí)時(shí)出力值，同時(shí)功率控制系統(tǒng)向風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主控系統(tǒng)下達(dá)有功無(wú)功輸出指令。而功率控制系統(tǒng)與調(diào)度之間的交互即為理論值的上傳和指令下達(dá)。

功率控制系統(tǒng)中具備中央控制模塊，如PLC進(jìn)行理論功率累計(jì)、實(shí)際功率計(jì)算、相位角計(jì)算、PI控制、分配指令等工作；具備通訊模塊和對(duì)外通訊的交換機(jī)、采集模塊能夠采集電壓電流值；還應(yīng)該具備I/O模塊。當(dāng)供電中斷時(shí)應(yīng)該具有UPS備用電源。

功率控制系統(tǒng)軟件應(yīng)有風(fēng)場(chǎng)控制應(yīng)用程序、風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)視應(yīng)用程序和各種通訊協(xié)議程序。

4 接口之間關(guān)系

接口關(guān)系包括功率控制與風(fēng)機(jī)的接口關(guān)系、功率控制系統(tǒng)與調(diào)度之間的接口關(guān)系。

風(fēng)電場(chǎng)的電壓電流值，首先經(jīng)過(guò)電壓互感器和電流互感器，將實(shí)時(shí)測(cè)量值引入功率控制系統(tǒng)中。是完全的電信號(hào)接口關(guān)系，可以采用電纜連接。風(fēng)機(jī)的理論值是通過(guò)安裝在風(fēng)機(jī)上的風(fēng)向標(biāo)、測(cè)速儀測(cè)量，經(jīng)過(guò)建模計(jì)算得出的功率曲線。功率曲線數(shù)據(jù)通過(guò)通訊的方式傳送到功率控制系統(tǒng)中，每臺(tái)風(fēng)機(jī)配置一臺(tái)數(shù)據(jù)交換機(jī)，采用光纖方式與功率控制系統(tǒng)內(nèi)的交換機(jī)連接成閉環(huán)，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。因?yàn)椴捎霉饫w通訊所以要求接口為光纖接口。

當(dāng)功率控制系統(tǒng)跟風(fēng)電場(chǎng)本地SCADA系統(tǒng)通訊時(shí)，可以通過(guò)Modbus進(jìn)行通訊。當(dāng)功率控制系統(tǒng)與電網(wǎng)調(diào)度通訊時(shí)，調(diào)度不直接從功率控制系統(tǒng)中取信息，而是從本地的SCADA系統(tǒng)中讀取，通道的形成還必須經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備和OPC網(wǎng)關(guān)。其接口關(guān)系如圖2所示：

圖2 功率控制系統(tǒng)與電網(wǎng)調(diào)度通訊示意圖

5 結(jié)論

風(fēng)電場(chǎng)功率控制系能，能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的限電控制功能。方便了電網(wǎng)對(duì)正在運(yùn)行的風(fēng)電場(chǎng)的調(diào)度管理，保證了電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定。國(guó)外知名許多的風(fēng)機(jī)主控生產(chǎn)廠商都以實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電場(chǎng)功率控制系統(tǒng)的研發(fā)并且市場(chǎng)化。本文對(duì)于希望了解風(fēng)電場(chǎng)功率控制系統(tǒng)的讀者來(lái)說(shuō)，起到了幫助分析的作用。

[1]葉杭冶.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[2]惠晶，顧鑫.大型風(fēng)電場(chǎng)的集中功率控制策略研究[J].華東電力，2008，36(6).

[3]甘肅風(fēng)電網(wǎng).甘肅：大規(guī)模風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)事故[N].2011-5-9.http://www.gsfdw.com.cn.