風電場功率控制系統(tǒng)分析

張永艷

沈陽中科天道新能源裝備股份有限公司，遼寧 沈陽 110168

0 引言

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

然而，在多年的風電場運行中仍然暴漏出許多不可以忽視的問題：小故障引起的大范圍脫網(wǎng)事故、風機的棄風小時數(shù)、電網(wǎng)容量有限等。在2011年初，甘肅酒泉發(fā)生超過五百臺風力發(fā)電機組脫網(wǎng)嚴重事故[1]，這對風力發(fā)電機組的穩(wěn)定性提出了更高的要求。隨即電網(wǎng)公司會議決定對風電提出新的要求，未具備低壓穿越功能的風機必須具備穿越功能，風電場也必須具備功率控制功能。本文研究了以單臺風機主控系統(tǒng)為基礎(chǔ)的功率控制方案。

1 風機主控系統(tǒng)概述

風力發(fā)電機組的主控系統(tǒng)是風機的核心。主控系統(tǒng)控制風機的一切動作，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，實現(xiàn)風力發(fā)電機的過程控制、安全保護、故障檢測、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，是實現(xiàn)有功無功輸出調(diào)節(jié)的工具。

2 功率控制系統(tǒng)功能要求

風電場功率控制系統(tǒng)的主要目的是集中控制輸入電網(wǎng)的有功和無功，使得風電場也能和傳統(tǒng)發(fā)電站一樣參與電網(wǎng)的控制。該系統(tǒng)以風電機組主控為控制單元，發(fā)出控制指令。風電場功率控制系統(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，一方面通過通訊方式將風機的理論出力值發(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（如果是風電場內(nèi)部控制，則應(yīng)該傳送到風電場的SCADA系統(tǒng)）。反之也能夠接受調(diào)度下發(fā)的限制指令；

2）具備強大的計算處理功能，能夠?qū)L力發(fā)電機組分散的理論出力，累計成以風電場為單元的總的有功輸出值，能夠結(jié)合整個風電場實際的有功或無功輸出值進行PI控制；

3）本地控制功能：即功率控制系統(tǒng)不僅僅能通過遠程通訊功能對風機進行控制，也應(yīng)能夠通過本地方式進行控制，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)該具有采集整個風電場實時的有功功率或無功功率的功能。通過測量模塊連接電流互感器二次側(cè)。測量電流可以在變電站高壓側(cè)得到整個風電場的總電流，也可以分別測量單個集電線路的電流再匯成總電流。測量模塊連接電壓互感器的二次側(cè)即可得到風電場的電壓值；

5）智能分配功能：風電場功率控制系統(tǒng)接收調(diào)度下達或者本地下達有功或無功輸出設(shè)定指令，根據(jù)風機臺數(shù)進行平均分配。或者不采取平均分配原則，即按照單臺風機的理論值的比例進行比例分配。當單臺風機故障時也能自動排除故障風機的影響，使風場總的出力滿足調(diào)度的要求；

6）輔助功能：顯示功能、報警功能、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以兩臺風力發(fā)電機組為例進行分析。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)度也可以為風場調(diào)度。圖的右側(cè)為風機，為了方便理解，假設(shè)兩臺風機組成一個風力發(fā)電廠。

風力發(fā)電機組與功率控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互主要有3種，即單臺風機的理論出力值和實時出力值，同時功率控制系統(tǒng)向風力發(fā)電機組的主控系統(tǒng)下達有功無功輸出指令。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。

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

功率控制系統(tǒng)軟件應(yīng)有風場控制應(yīng)用程序、風電場監(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機的接口關(guān)系、功率控制系統(tǒng)與調(diào)度之間的接口關(guān)系。

風電場的電壓電流值，首先經(jīng)過電壓互感器和電流互感器，將實時測量值引入功率控制系統(tǒng)中。是完全的電信號接口關(guān)系，可以采用電纜連接。風機的理論值是通過安裝在風機上的風向標、測速儀測量，經(jīng)過建模計算得出的功率曲線。功率曲線數(shù)據(jù)通過通訊的方式傳送到功率控制系統(tǒng)中，每臺風機配置一臺數(shù)據(jù)交換機，采用光纖方式與功率控制系統(tǒng)內(nèi)的交換機連接成閉環(huán)，從而進行數(shù)據(jù)交換。因為采用光纖通訊所以要求接口為光纖接口。

當功率控制系統(tǒng)跟風電場本地SCADA系統(tǒng)通訊時，可以通過Modbus進行通訊。當功率控制系統(tǒng)與電網(wǎng)調(diào)度通訊時，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)過遠動設(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

風電場功率控制系能，能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)對風力發(fā)電機組的限電控制功能。方便了電網(wǎng)對正在運行的風電場的調(diào)度管理，保證了電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定。國外知名許多的風機主控生產(chǎn)廠商都以實現(xiàn)了風電場功率控制系統(tǒng)的研發(fā)并且市場化。本文對于希望了解風電場功率控制系統(tǒng)的讀者來說，起到了幫助分析的作用。

[1]葉杭冶.風力發(fā)電機組的控制技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.

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

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