風(fēng)電場(chǎng)能量管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)分析

葛穎奇，婁堯林，吳海列，崔峰，趙國(guó)群

（浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司，浙江 杭州 310012）

0 引言

在可再生能源當(dāng)中，風(fēng)力發(fā)電自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)決定了其具有十分重要的開發(fā)價(jià)值，并受到了世界各國(guó)的青睞。全球范圍內(nèi)大約有2×107MW的風(fēng)能可為人類所利用，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)地球上可開發(fā)利用的水能[1]。在當(dāng)今能源和環(huán)境問(wèn)題日益受到關(guān)注的形勢(shì)下，利用風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電越來(lái)越受到人們的重視。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在世界上得到了飛快的發(fā)展，越來(lái)越多的大中型風(fēng)電場(chǎng)相繼建成并投入運(yùn)行[2]。

在風(fēng)能方面我國(guó)發(fā)展?jié)摿薮?，“十二五”?guī)劃提出，到2015年風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量將達(dá)到100GW以上，2020年達(dá)到200GW。我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展呈現(xiàn)以下特點(diǎn)[3-4]：（1）風(fēng)電在電網(wǎng)中所占比重不斷增加；（2）單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量不斷增加；（3）風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)的電壓等級(jí)更高；（4）風(fēng)電機(jī)組的種類不斷增多，風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量不斷增大。

風(fēng)電是一種間歇性、波動(dòng)性電源，隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的增加，對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性、安全性的影響也隨之增大[5-6]。這就要求風(fēng)電場(chǎng)盡量減小對(duì)電網(wǎng)的影響，并且國(guó)家電網(wǎng)制定的《風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》中要求整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)具有一定的功率調(diào)節(jié)能力。因此本文設(shè)計(jì)風(fēng)電場(chǎng)能量管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)有功功率和無(wú)功功率的調(diào)節(jié)。

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)電機(jī)組作為一個(gè)風(fēng)力利用的裝置，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能。目前，廣泛應(yīng)用的為變速恒頻風(fēng)電機(jī)組，主要包括風(fēng)輪、傳動(dòng)軸、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、變流器等部件。風(fēng)輪將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，然后通過(guò)傳動(dòng)軸將機(jī)械能傳送給發(fā)電機(jī)?；诳諝鈩?dòng)力學(xué)與貝茲理論，風(fēng)電機(jī)組從風(fēng)中獲取的機(jī)械功率為[7-9]：

1 能量管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司《風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》的要求，風(fēng)電場(chǎng)能量管理系統(tǒng)必須具有對(duì)有功、無(wú)功功率輸出可控的能力。整個(gè)系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)速、電網(wǎng)調(diào)度的指令和功率的反饋信號(hào)，進(jìn)行分析計(jì)算后給風(fēng)電場(chǎng)中的每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組下發(fā)功率限制值，風(fēng)電機(jī)組接收指令后進(jìn)行快速響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的功率控制。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 功率分配算法

在整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)能量管理系統(tǒng)中，控制算法是重中之重，它直接影響到功率控制的效果，從而影響到整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的輸出穩(wěn)定性。為了使風(fēng)電場(chǎng)輸出功率滿足電網(wǎng)的調(diào)度要求，降低對(duì)電網(wǎng)的影響，就需要合理的功率分配算法對(duì)有功、無(wú)功功率進(jìn)行準(zhǔn)確的分配。

有功功率分配主要有固定比例分配算法和變比例分配算法。固定比例分配算法根據(jù)額定容量大的風(fēng)電機(jī)組分配有功功率多的原則進(jìn)行分配，該類方法粗略地計(jì)算有功功率設(shè)定值。實(shí)際上，在風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行時(shí)，每臺(tái)機(jī)組實(shí)際的發(fā)電功率與風(fēng)速有關(guān)，因此機(jī)組所發(fā)的功率可能達(dá)不到給定值。變比例分配算法主要是根據(jù)實(shí)時(shí)風(fēng)速預(yù)測(cè)風(fēng)電機(jī)組的有功輸出功率值，按照出力大的機(jī)組分配多的原則進(jìn)行分配。本系統(tǒng)采用變比例分配算法進(jìn)行有功分配，根據(jù)機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)、實(shí)時(shí)功率、風(fēng)速等信息，進(jìn)行合理精確的有功功率分配。

無(wú)功功率分配主要有按照等功率因素分配法和根據(jù)無(wú)功容量比例分配法。等功率因素分配算法能保證每臺(tái)機(jī)組功率因素相等，避免了出現(xiàn)某些機(jī)組有功、無(wú)功輸出不協(xié)調(diào)超出極限的可能性。根據(jù)無(wú)功容量比例分配法利用各臺(tái)風(fēng)電機(jī)組實(shí)時(shí)狀態(tài)信息計(jì)算當(dāng)前無(wú)功調(diào)節(jié)范圍，根據(jù)所得值進(jìn)行分配，盡可能使每臺(tái)機(jī)組發(fā)出或者吸收的無(wú)功功率在機(jī)組的無(wú)功極限范圍內(nèi)，并能充分發(fā)揮每臺(tái)機(jī)組的無(wú)功調(diào)節(jié)潛力。本系統(tǒng)采用根據(jù)無(wú)功容量比例分配法進(jìn)行無(wú)功分配，根據(jù)每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組所分配的有功功率計(jì)算其無(wú)功功率能力，然后根據(jù)能力進(jìn)行無(wú)功功率分配。

1.3 控制軟件設(shè)計(jì)

風(fēng)電場(chǎng)能量管理系統(tǒng)的控制軟件需要分析風(fēng)電場(chǎng)的有功功率、無(wú)功功率、電壓、頻率等數(shù)據(jù)，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的所有風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行統(tǒng)一控制，保證機(jī)組的協(xié)調(diào)運(yùn)行，從而確保風(fēng)電場(chǎng)最大輸出功率及功率變化率不超過(guò)調(diào)度中心指定值。

控制軟件界面主要包括：主界面、參數(shù)配置界面、曲線繪制界面、數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)出界面、權(quán)限管理界面等。主界面用于顯示風(fēng)電場(chǎng)信息和風(fēng)電機(jī)組信息：風(fēng)電場(chǎng)信息包括風(fēng)電場(chǎng)的功率調(diào)度信息和風(fēng)電場(chǎng)的功率反饋信息；風(fēng)電機(jī)組信息包括每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)速、有功功率反饋值、無(wú)功功率反饋值、有功功率目標(biāo)值、無(wú)功功率目標(biāo)值、通訊狀態(tài)等信息。參數(shù)配置界面用于設(shè)定風(fēng)電場(chǎng)容量、裝機(jī)數(shù)量、風(fēng)電機(jī)組額定功率、控制模式、有功變化率等可配置參數(shù)。曲線繪制界面的主要功能是繪制實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線，可以選擇數(shù)據(jù)種類及數(shù)據(jù)時(shí)間段，進(jìn)行曲線繪制。數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)出界面可以導(dǎo)出相應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)。

控制軟件需要通過(guò)通訊接口實(shí)時(shí)讀取風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的數(shù)據(jù)，如風(fēng)速、風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)、風(fēng)電機(jī)組有功功率、風(fēng)電機(jī)組通訊狀態(tài)等信息，并給風(fēng)電機(jī)組下發(fā)功率控制指令。由Modicon公司開發(fā)的Modbus協(xié)議目前已是工業(yè)領(lǐng)域最流行的通信協(xié)議之一，該協(xié)議支持傳統(tǒng)的RS232、RS422、RS485和以太網(wǎng)設(shè)備，并且通俗易懂，應(yīng)用靈活。因此，系統(tǒng)采用Modbus/TCP接口實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)控制過(guò)程的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

控制軟件根據(jù)電力系統(tǒng)調(diào)度中心指令，通過(guò)算法進(jìn)行精確分配后下發(fā)單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的有功功率、無(wú)功功率控制指令。當(dāng)需要整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)切出電網(wǎng)時(shí)，控制軟件可以給所有的風(fēng)電機(jī)組下發(fā)停機(jī)命令，風(fēng)電機(jī)組在接收到停機(jī)命令后執(zhí)行停機(jī)操作，從而使整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)自動(dòng)切出。當(dāng)電網(wǎng)下發(fā)的風(fēng)電場(chǎng)上網(wǎng)負(fù)荷比較低時(shí)，控制軟件以“允許更多的風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行”為控制目標(biāo)，通過(guò)算法智能選擇部分風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行停機(jī)，而其它風(fēng)電機(jī)組保持運(yùn)行狀態(tài)，從而使得整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的出力符合電網(wǎng)要求。

控制軟件進(jìn)行功率控制的主流程如下：

(1) 實(shí)時(shí)采集風(fēng)速、功率、運(yùn)行狀態(tài)等機(jī)組信息，主要針對(duì)通信正常的機(jī)組；

(2) 根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的通訊狀態(tài)以及運(yùn)行狀態(tài)等信息確定可以進(jìn)行功率控制的風(fēng)電機(jī)組序列；

(3) 根據(jù)電網(wǎng)下發(fā)的有功功率控制指令和有功功率調(diào)整變化率確定風(fēng)電場(chǎng)的有功功率目標(biāo)值；

(4) 通過(guò)單臺(tái)機(jī)組的風(fēng)速信息，預(yù)測(cè)有功功率，進(jìn)行有功功率和無(wú)功功率極限值計(jì)算；

(5) 最后將功率設(shè)定值按照功率分配策略分配給每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，并將單臺(tái)設(shè)定值下發(fā)至機(jī)組。

控制軟件具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 能量管理系統(tǒng)應(yīng)用

2.1 風(fēng)電場(chǎng)測(cè)試

中節(jié)能內(nèi)蒙古興和風(fēng)電場(chǎng)由33臺(tái)風(fēng)電機(jī)組組成，機(jī)型為WD1500，裝機(jī)容量為49.5MW。為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的可行性和有效性，在中節(jié)能內(nèi)蒙古興和風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。將本系統(tǒng)安裝于風(fēng)電場(chǎng)主控室的工控機(jī)上，系統(tǒng)運(yùn)行后讀取每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和電網(wǎng)的調(diào)度指令，并將控制算法分配的單臺(tái)有功功率和無(wú)功功率設(shè)定值下發(fā)至每臺(tái)機(jī)組。機(jī)組獲取指令后在最短時(shí)間內(nèi)響應(yīng)控制要求，從而達(dá)到控制風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的目的。

2.2 測(cè)試結(jié)果

風(fēng)電場(chǎng)當(dāng)前有功功率為40MW時(shí)，電網(wǎng)下發(fā)有功調(diào)度指令30MW，系統(tǒng)接收調(diào)度指令后進(jìn)行自動(dòng)控制。風(fēng)電場(chǎng)有功功率從40MW降至30MW的控制效果如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，風(fēng)電場(chǎng)有功功率在1分鐘內(nèi)控制到位，并且穩(wěn)態(tài)控制效果較好。

風(fēng)電場(chǎng)當(dāng)前有功功率為20MW時(shí)，電網(wǎng)下發(fā)有功調(diào)度指令10MW，通過(guò)本系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，風(fēng)電場(chǎng)有功功率在1分鐘內(nèi)下降到位。風(fēng)電場(chǎng)有功功率從20MW降至10MW的控制效果如圖4所示。

風(fēng)電場(chǎng)當(dāng)前有功功率為10MW時(shí)，電網(wǎng)下發(fā)有功調(diào)度指令20MW，通過(guò)本系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，風(fēng)電場(chǎng)有功功率在1分鐘內(nèi)上升到位，并且控制誤差小于3%。風(fēng)電場(chǎng)有功功率從10MW升至20MW的控制效果如圖5所示。

風(fēng)電場(chǎng)當(dāng)前有功功率為30MW時(shí)，電網(wǎng)下發(fā)有功調(diào)度指令40MW，風(fēng)電場(chǎng)有功功率從30MW升至40MW的控制效果如圖6所示。

此外，通過(guò)系統(tǒng)自動(dòng)智能控制無(wú)功功率，可以使得風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功功率輸出保持在一定的范圍之內(nèi)。

風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間小于1分鐘，控制精度在3%以內(nèi)，穩(wěn)態(tài)控制效果較好。從而驗(yàn)證了本系統(tǒng)的可行性和有效性。

3 結(jié)語(yǔ)

該風(fēng)電場(chǎng)能量管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)電場(chǎng)有功功率和無(wú)功功率的自動(dòng)控制。系統(tǒng)考慮到每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的自身特性和實(shí)際情況，通過(guò)控制算法智能控制風(fēng)電場(chǎng)的上網(wǎng)負(fù)荷，使得風(fēng)電場(chǎng)的上網(wǎng)負(fù)荷在額定容量范圍內(nèi)得到自由控制。本系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間小于1分鐘，控制精度在3%以內(nèi)。實(shí)際應(yīng)用表明本系統(tǒng)控制效果較好，使風(fēng)電場(chǎng)上網(wǎng)電量在允許范圍內(nèi)得到最大化，提高了風(fēng)電場(chǎng)功率利用率。該系統(tǒng)良好的控制功能和分析功能可以滿足風(fēng)電場(chǎng)時(shí)間和空間上復(fù)雜的動(dòng)態(tài)變化特性要求，從而保證風(fēng)電場(chǎng)的安全可靠運(yùn)行。

圖3 風(fēng)電場(chǎng)有功功率從40MW降至30MW的控制效果

圖4 風(fēng)電場(chǎng)有功功率從20MW降至10MW的控制效果

圖5 風(fēng)電場(chǎng)有功功率從10MW升至20MW的控制效果

圖6 風(fēng)電場(chǎng)有功功率從30MW升至40MW的控制效果

[1] 2010-2015年中國(guó)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備行業(yè)投資分析及前景預(yù)測(cè)報(bào)告.中投顧問(wèn),2010.

[2] 雷亞洲,Gordon Lightbody.國(guó)外風(fēng)力發(fā)電導(dǎo)則及動(dòng)態(tài)模型簡(jiǎn)介[J].電網(wǎng)技術(shù),2005,(6)：27-32.

[3] 遲永寧.大型風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)的穩(wěn)定性問(wèn)題研究[D].中國(guó)電力科學(xué)研究院博士學(xué)位論文.2006.

[4] 范高鋒.大規(guī)模風(fēng)電對(duì)電力系統(tǒng)的影響和應(yīng)對(duì)策略[J].電網(wǎng)與清潔能源，2008，(7)：58-61.

[5] 杜平,萬(wàn)玉良,王安迪.大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)及市場(chǎng)消納問(wèn)題分析[J].內(nèi)蒙古電力技術(shù) ,2012,30(4)：1-4.

[6] 雷亞洲.與風(fēng)電并網(wǎng)相關(guān)的研究課題[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2003, 27(8)：84-89.

[7] 李建林.風(fēng)力發(fā)電中的電力電子變流技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[8] 曾志勇,馮婧,周宏范.基于功率給定的雙饋風(fēng)力發(fā)電最大風(fēng)能捕獲策略[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2010,30(6)：25-30.

[9] 王偉勝,范高鋒,趙海翔.風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)技術(shù)規(guī)定比較及其綜合控制系統(tǒng)初探[J].電網(wǎng)技術(shù) ,2007,31(18)：73-77.