風電場有功功率控制系統(tǒng)研究與應(yīng)用

何春

摘? ?要：風能既是一種清潔能源，又是一種具有間歇性、隨機性和波動性特點的可再生能源。由于風速的不隨機性，必然導致風電場有功功率輸出波動，這樣對電網(wǎng)調(diào)度帶來了極大的考驗。為確保電網(wǎng)能安全穩(wěn)定可靠運行，則需對風電場有功功率輸出進行精準控制，本文提出一種具備風功率預(yù)測與風機狀態(tài)相結(jié)合的功率控制系統(tǒng)并進行現(xiàn)場應(yīng)用測試。

關(guān)鍵詞：風電場? 有功功率? 控制

中圖分類號：TM614? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）01（b）-0104-03

隨著風電發(fā)展規(guī)模不斷壯大，并網(wǎng)場站不斷增多，這樣對電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性和可靠性帶來了巨大的挑戰(zhàn)。為了確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，運行人員往往會預(yù)留足夠的安全裕度。即使在電網(wǎng)未飽和時段，也未充分利用風能，這樣就大大浪費了風電的裝機容量，出現(xiàn)棄風的狀況。因此如何能實現(xiàn)對風電輸出功率進行有效的管控，成了各發(fā)電集團和生產(chǎn)商十分關(guān)注的課題[1]。

1? 風電場功率控制系統(tǒng)構(gòu)成

風力發(fā)電有功功率控制主要是通過功率管理系統(tǒng)整體協(xié)調(diào)風電場每臺機組的出力，最終實現(xiàn)整個風電場的總出力按照預(yù)期目標值進行跟蹤輸出。風電場有功控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)由單機控制、風功率預(yù)測、全場功率控制三個模塊構(gòu)成[2]，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

單機控制即以每臺風力發(fā)電機組單元;風功率預(yù)測模塊是對短期和超短期內(nèi)風速進行預(yù)測，并反饋至功率控制算法單元;全場功率控制即功率控制系統(tǒng)算法單元，是整個控制系統(tǒng)的核心單元，它需要結(jié)合每臺風機運行狀態(tài)、預(yù)測的全場超短期風速和電網(wǎng)調(diào)度目標值計算出每一臺風機的目標功率。

2? 有功功率控制策略研究

2.1 風力發(fā)電機組的有功控制

風力發(fā)電機組在整個風電場是一個個獨立的運行單元，能實現(xiàn)對單臺機組功率精準調(diào)控，是風電場功率控制系統(tǒng)中至關(guān)重要的一環(huán)。

風力發(fā)電機組為了實現(xiàn)最大限度地捕獲風能，往往風機都處于最優(yōu)轉(zhuǎn)速控制模式，是通過控制發(fā)電機的轉(zhuǎn)速來獲取最優(yōu)的風能利用系數(shù)，實現(xiàn)風能最大的利用率。變速恒頻機組一般是根據(jù)最優(yōu)轉(zhuǎn)速-功率曲線運行，當風速突然出現(xiàn)較大波動時，風機運行具有較大的轉(zhuǎn)動慣量，此時只有通過快速調(diào)節(jié)槳距角使其達到最優(yōu)轉(zhuǎn)速。在功率控制系統(tǒng)的調(diào)控下變速恒頻機組往往是按照輸出功率的上限值或下限值運行，這樣更能體現(xiàn)整個場站功率調(diào)整響應(yīng)的及時性。當場站輸出功率要求提升時，運行在上限機組能保持功率輸出，處于降功率的機組能及時上調(diào);當場站輸出功率要求調(diào)低時，運行在下限值的機組保持，運行在上限值的機組能及時限幅，這樣確保了整個風電場功率調(diào)控的及時性和有效性。

2.2 風電場的有功控制策略

風電場有功控制系統(tǒng)是整體協(xié)調(diào)整個風電場機組的出力，可以將整個風電場等效為一個風機單元進行控制，這樣就簡化了控制模型，這樣就與單臺風機功率控制方式一致。在考慮單臺風機控制時，風電場有功功率控制系統(tǒng)首先通過每臺機組上傳的主狀態(tài)結(jié)合風功率預(yù)測模塊的超短期預(yù)測功率對機組進行分類，并將每臺風機的預(yù)測功率作為機組目標功率的上下限范圍，確保每臺機組的目標功率設(shè)定值在這個上下限區(qū)間內(nèi)[3]。通過有功功率分配算法將每臺機組的目標功率Pref下發(fā)至風機主控制器，主控制器接收到每臺機組的目標功率值后，對變頻器下發(fā)控制轉(zhuǎn)矩pm;同時調(diào)節(jié)槳距角，進一步控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速vref，保證機組跟隨目標功率值進行發(fā)電，最終實現(xiàn)單機功率穩(wěn)定輸出[4]。

風電場有功功率控制策略主要在于機組主狀態(tài)分類與有功功率分配控制算法相結(jié)合。根據(jù)機組運行情況可將風機狀態(tài)分為發(fā)電、待機、故障、檢修、維護5類。在功率控制系統(tǒng)收到電網(wǎng)調(diào)度指令后，有功功率控制算法根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度目標值結(jié)合當前可發(fā)電和待機的機組及各自的當前風速情況計算出單機目標功率。功率控制系統(tǒng)將分配的功率下發(fā)至各臺風機，每臺風機按照有功目標值進行發(fā)電輸出，最終實現(xiàn)對整個風電場有功功率的穩(wěn)定可靠控制[5]。通過這種控制方式構(gòu)建了一種電網(wǎng)調(diào)度、風電場自動發(fā)電的模式，達到了風電場功率輸出與電網(wǎng)調(diào)度控制曲線跟蹤控制完美吻合的目的。

3? 功率控制系統(tǒng)的應(yīng)用

功率控制系統(tǒng)在風電場的實際應(yīng)用情況，實驗場所為內(nèi)蒙古二連浩特某風電場，選取了33臺1.5MW雙饋變速恒頻機組?，F(xiàn)場測試期間風速在5～12m/s變動，設(shè)定功率調(diào)節(jié)周期為30s，可維持風機運行的最小功率設(shè)置為200 kW，當實際功率低于該功率值時，機組觸發(fā)限功率停機。

根據(jù)本文的有功功率控制策略對風電場進行限功率測試，在調(diào)控前風電場實時功率輸出大約為27000kW，本次測試是按照剃度調(diào)節(jié)不斷降低風電場目標功率值，直到將風電場的實時功率值下調(diào)至5000kW。

從實驗效果圖（如圖2）可以看出總實時功率值跟隨著總目標值呈階梯狀下降。當總目標功率值大于整場的預(yù)測功率時，風機根據(jù)當前風速進行控制發(fā)電。根據(jù)測試過程中記錄的數(shù)據(jù)分析如下。

A點：在實驗過程中，該點功率控制目標值大于當時風況下整場機組的輸出功率值，因此在這種情況下每臺風機均按照當前風速運行在最優(yōu)轉(zhuǎn)速控制模式實現(xiàn)功率的最大輸出，而不受到功率控制的影響。

B點：在測試過程中，由于其中某臺機組突然報故障停機，導致總的實際功率出現(xiàn)了大約600kW的下跌。此時，在功率控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)下，充分利用其余機組的控制裕度，經(jīng)過20s后，總實時有功功率得到恢復，又維持在目標功率范圍。通過功率控制系統(tǒng)算法調(diào)節(jié)可避免因風機故障停機而引起的輸出功率波動。

C點：總期望輸出功率值為5000 kW。

在該點按照可控風機根據(jù)最優(yōu)功率管理控制策略應(yīng)該停機7臺。除去在B點發(fā)生故障停機一臺風機之外，計算得出的7臺可控風機的目標功率值為0kW，另25臺風機的輸出目標功率值應(yīng)為200kW如表1所示。

D點：由于其中一臺機組檢修完畢，機組恢復正常啟機并網(wǎng)。此時，總實時功率出現(xiàn)了大約400kW的上升，經(jīng)功率管理系統(tǒng)進行控制，大約經(jīng)過20s的時間，將實際功率又控制在5000kW上下。說明通過功率控制系統(tǒng)可以有效地避免因風機突然啟動并網(wǎng)發(fā)電而帶來的干擾。

具備風機運行狀態(tài)與風功率預(yù)測相結(jié)合的功率控制系統(tǒng)，通過在風電場的實際測試可以看出該系統(tǒng)可以有效地避免了風機在發(fā)電和待機之間的頻繁切換，降低了風機自動啟/停機對電網(wǎng)負荷帶來的擾動，實現(xiàn)總有功功率平穩(wěn)調(diào)控的目的[6]。

4? 結(jié)語

本文以避免風速波動及風機頻繁啟/停機作為前提條件，從優(yōu)化機組運行及減少對電網(wǎng)沖擊的角度，深入研究了一套結(jié)合風機運行狀態(tài)的風電場有功功率控制系統(tǒng)。通過風電場的實驗表明，該控制系統(tǒng)可以有效地調(diào)節(jié)風電場的輸出功率精確地跟隨電網(wǎng)調(diào)度目標功率值，避免了風機在啟/停機狀態(tài)之間頻繁切換，且減小了風力發(fā)電機組的實時有功功率控制的超調(diào)量，增強風電場的可調(diào)度性，降低了對電網(wǎng)的沖擊。

參考文獻

[1] 行舟，李雪明，陳振寰，等.甘肅酒泉大型集群風電有功智能控制系統(tǒng)的開發(fā)[J].電力科學與技術(shù)學報，2011，26（1）：48-52.

[2] 李雪明，行舟，陳振寰，等.大型集群風電有功智能控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電力系統(tǒng)自動化，2010（17）：59-63.

[3] 鄒見效，袁煬，黃其平，等.風電場有功功率控制降功率優(yōu)化算法[J].電子科技大學學報，2011（6）： 882-886.

[4] 石一輝，張毅威，閔勇，等.并網(wǎng)運行風電場有功功率控制研究綜述[J]. 中國電力，2010（6）：11-15.

[5] 鄒見效，李丹，鄭剛，等.基于機組狀態(tài)分類的風電場有功功率控制策略[J].電力系統(tǒng)自動化，2011（24）：28-32.

[6] 張滿良. 風電場有功功率控制研究[J]. 內(nèi)蒙古石油化工，2012（17）：26-28.