計(jì)及機(jī)組運(yùn)行工況的風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制策略

劉雙 張建 周柏嵩

（南瑞集團(tuán)國(guó)電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司，南京 210061）

風(fēng)力發(fā)電作為技術(shù)最成熟、最具規(guī)?；_(kāi)發(fā)和商業(yè)化發(fā)展的新能源發(fā)電方式之一，在中國(guó)風(fēng)資源豐富地區(qū)得到了快速發(fā)展。由于風(fēng)電輸出功率的隨機(jī)性與波動(dòng)性，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)將會(huì)對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)越來(lái)越大的不利影響[1-2]，因此，風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電功率能按要求進(jìn)行調(diào)節(jié)已經(jīng)成為強(qiáng)制性要求。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)風(fēng)電有功功率控制進(jìn)行了一定的研究工作。文獻(xiàn)[3]提出基于分層結(jié)構(gòu)風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制方法，使風(fēng)電場(chǎng)有功功率輸出滿足電網(wǎng)調(diào)度要求；文獻(xiàn)[4]提出有功無(wú)功協(xié)調(diào)比例分配的風(fēng)電場(chǎng)功率分配方法，合理利用各臺(tái)機(jī)組的有功無(wú)功容量，減少視在功率飽和；文獻(xiàn)[5-6]提出按風(fēng)電機(jī)組容量比例分配的風(fēng)電場(chǎng)有功功率分配策略以降低有功功率的分配誤差。以上文獻(xiàn)提出的功率分配策略不僅高度依賴相應(yīng)機(jī)組工作的可靠性，而且還因隨機(jī)地操作相應(yīng)風(fēng)電機(jī)組而忽視了風(fēng)電機(jī)組具體工況（例如風(fēng)電機(jī)組累計(jì)運(yùn)行時(shí)間、累計(jì)停機(jī)時(shí)間等），因而會(huì)使某些機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間一直在運(yùn)行，而另一些機(jī)組則較長(zhǎng)時(shí)間一直在停機(jī)，從而導(dǎo)致機(jī)組故障率提升。而且，風(fēng)電機(jī)組頻繁起/停本身就會(huì)影響風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定性和安全性，同時(shí)也會(huì)影響風(fēng)電機(jī)組的使用壽命。

針對(duì)上述風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制策略沒(méi)有考慮風(fēng)電機(jī)組具體工況的缺點(diǎn)，本文提出一種計(jì)及機(jī)組運(yùn)行工況的有功功率控制策略。首先根據(jù)機(jī)組預(yù)測(cè)發(fā)電能力及機(jī)組運(yùn)行工況分別生成有功增/減裕度隊(duì)列和開(kāi)/停機(jī)隊(duì)列，然后利用有功功率分配算法將功率分配給風(fēng)電場(chǎng)中的風(fēng)電機(jī)組。最后，將所提出功率控制策略應(yīng)用到實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)中，驗(yàn)證了該功率分配策略的有效性及合理性。

1 有功功率控制原理

風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制是通過(guò)協(xié)調(diào)控制風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的各臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，使整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)能按照電網(wǎng)目標(biāo)發(fā)電功率輸出有功功率。風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制系統(tǒng)主要由風(fēng)電場(chǎng)功率控制、機(jī)組控制、功率預(yù)測(cè)3個(gè)部分組成。風(fēng)電場(chǎng)有功功控制框圖如圖1所示。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制框圖

風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制根據(jù)每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的實(shí)時(shí)功率和預(yù)測(cè)功率等信息，把目標(biāo)發(fā)電功率與公共連接點(diǎn)（Point of Common Coupling）實(shí)時(shí)發(fā)電功率的差值ΔP，按照既定的策略以單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組期望輸出功率Piref的形式分配給每臺(tái)可控機(jī)組，讓每臺(tái)可控機(jī)組根據(jù)期望輸出功率值進(jìn)行發(fā)電，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)的功率控制。

目前應(yīng)用較為廣泛的有直驅(qū)型和雙饋型等多種類型的變速恒頻風(fēng)電機(jī)組。各種類型的風(fēng)電機(jī)組具有不同的特性，但對(duì)于功率控制的響應(yīng)原理基本相同。機(jī)組功率控制模塊接收到期望輸出功率值后，通過(guò)控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流和扭矩，以及速度控制器改變槳葉節(jié)矩角的大小來(lái)控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使機(jī)組按照期望輸出功率運(yùn)行發(fā)電。

2 有功功率控制策略

有功功率控制策略主要包括有功增/減裕度隊(duì)列及開(kāi)/停機(jī)隊(duì)列的生成和機(jī)組有功功率分配算法。

2.1 相關(guān)參數(shù)定義

定義：ΔP為風(fēng)電場(chǎng)目標(biāo)發(fā)電功率與公共連接點(diǎn)實(shí)時(shí)發(fā)電功率的差值；Pimax為第i臺(tái)風(fēng)電機(jī)組能夠輸出的最大有功功率，即在當(dāng)前風(fēng)速下的風(fēng)電機(jī)組預(yù)測(cè)功率；Pimin為第i臺(tái)風(fēng)電機(jī)組最小運(yùn)行功率，即當(dāng)輸出功率小于該值時(shí)，風(fēng)電機(jī)組將會(huì)直接停機(jī)；Pimea為第i臺(tái)風(fēng)電機(jī)組有功功率實(shí)發(fā)值；為風(fēng)電機(jī)組最短停機(jī)時(shí)間，即風(fēng)電機(jī)組停機(jī)后到再次開(kāi)機(jī)的最短時(shí)間間隔；為風(fēng)電機(jī)組最短開(kāi)機(jī)時(shí)間，即風(fēng)電機(jī)組開(kāi)機(jī)后到再次停機(jī)的最短時(shí)間間隔。

2.2 有功增/減裕度隊(duì)列和開(kāi)/停機(jī)隊(duì)列的生成

1）根據(jù)各風(fēng)電機(jī)組的當(dāng)前實(shí)發(fā)有功功率、最大有功功率及最小運(yùn)行功率，分別計(jì)算有功增裕度系數(shù)和有功減裕度系數(shù)，依據(jù)有功增裕度系數(shù)和有功減裕度系數(shù)的大小，生成有功增裕度隊(duì)列和有功減裕度隊(duì)列。

其中有功增裕度系數(shù)為

有功減裕度系數(shù)為

2）依據(jù)各風(fēng)電機(jī)組的累計(jì)停機(jī)時(shí)間和累計(jì)運(yùn)行時(shí)間的長(zhǎng)短，生成開(kāi)機(jī)隊(duì)列和停機(jī)隊(duì)列。

其中開(kāi)機(jī)隊(duì)列的生成方法是，將風(fēng)電機(jī)組本次停機(jī)的時(shí)間加上以前累計(jì)停機(jī)的時(shí)間即得到機(jī)組累計(jì)停機(jī)時(shí)間，按照機(jī)組累計(jì)停機(jī)時(shí)間由長(zhǎng)到短的順序進(jìn)行排列，生成開(kāi)機(jī)隊(duì)列。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組停機(jī)后，直至超過(guò)才能加入到開(kāi)機(jī)隊(duì)列。

停機(jī)隊(duì)列的生成方法是，將風(fēng)電機(jī)組本次運(yùn)行的時(shí)間加上以前累計(jì)運(yùn)行的時(shí)間即得到機(jī)組累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，按照機(jī)組累計(jì)運(yùn)行時(shí)間由長(zhǎng)到短的順序進(jìn)行排列，生成停機(jī)隊(duì)列。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組開(kāi)機(jī)后，直至超過(guò)才能加入到停機(jī)隊(duì)列。

2.3 機(jī)組功率分配算法

1）升功率分配算法

若ΔP＞0，則風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)可控機(jī)組總功率需要升高。

首先計(jì)算所有運(yùn)行的可控風(fēng)電機(jī)組的有功增裕度總和：

其次計(jì)算開(kāi)機(jī)隊(duì)列中所有風(fēng)電機(jī)組起動(dòng)的有功增裕度總和：

式中，m為運(yùn)行的可控風(fēng)電機(jī)組臺(tái)數(shù)，n為開(kāi)機(jī)隊(duì)列中風(fēng)電機(jī)組臺(tái)數(shù)。

2）降功率分配算法

若ΔP＜0，則風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)可控機(jī)組總功率需要降低。

首先計(jì)算所有運(yùn)行的可控風(fēng)電機(jī)組的有功減裕度總和：

式中，m為運(yùn)行的可控風(fēng)電機(jī)組臺(tái)數(shù)。

3 實(shí)際控制效果分析

以山東某風(fēng)電場(chǎng)為例進(jìn)行功率分配效果分析。該風(fēng)電場(chǎng)有33臺(tái)額定功率為1.5MW的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)。有功功率控制周期為30s，風(fēng)電機(jī)組最小運(yùn)行功率為300kW，風(fēng)電機(jī)組最短停機(jī)時(shí)間為0.5h，最短開(kāi)機(jī)時(shí)間為0.5h。

圖2為根據(jù)本文提出的控制算法分配有功功率的效果曲線。

圖2 風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制效果

由圖2可知：當(dāng)目標(biāo)發(fā)電功率大于預(yù)測(cè)發(fā)電功率時(shí)，風(fēng)電機(jī)組處于最大發(fā)電能力狀態(tài)；當(dāng)目標(biāo)發(fā)電功率小于預(yù)測(cè)發(fā)電功率時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電功率被限制為目標(biāo)發(fā)電功率，風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)總功率跟隨風(fēng)電場(chǎng)目標(biāo)發(fā)電功率的變化而變化。整個(gè)控制過(guò)程中實(shí)時(shí)發(fā)電功率控制穩(wěn)定，能夠準(zhǔn)確響應(yīng)目標(biāo)發(fā)電功率的變化。

下面分析圖中所標(biāo)記點(diǎn)附近的功率控制情況。

A點(diǎn)：所有風(fēng)電機(jī)組都以最大有功功率運(yùn)行，不采取功率控制措施。

B、D點(diǎn)：只對(duì)運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行功率控制即可滿足目標(biāo)發(fā)電功率要求。

C、E點(diǎn)：除了對(duì)運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行功率控制外，還要對(duì)停機(jī)/開(kāi)機(jī)隊(duì)列中的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行停止/啟動(dòng)才能滿足目標(biāo)發(fā)電功率要求。

4 結(jié)論

本文從機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行及減少對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定影響的角度，提出了一種計(jì)及機(jī)組運(yùn)行工況的有功功率控制策略。應(yīng)用實(shí)踐表明，該策略不僅可以保證風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電功率能夠迅速、準(zhǔn)確地跟蹤目標(biāo)發(fā)電功率，而且能夠避免風(fēng)電機(jī)組頻繁起/停，降低了風(fēng)電機(jī)組的故障率，提高了風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性，延長(zhǎng)了風(fēng)電機(jī)組的使用壽命。

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