風電場有功功率控制系統研究與應用

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，這樣對電網調度帶來了極大的考驗。為確保電網能安全穩定可靠運行，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測與風機狀態相結合的功率控制系統并進行現場應用測試。

關鍵詞：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

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

1? 風電場功率控制系統構成

風力發電有功功率控制主要是通過功率管理系統整體協調風電場每臺機組的出力，最終實現整個風電場的總出力按照預期目標值進行跟蹤輸出。風電場有功控制系統總體結構由單機控制、風功率預測、全場功率控制三個模塊構成[2]，系統框圖如圖1所示。

單機控制即以每臺風力發電機組單元;風功率預測模塊是對短期和超短期內風速進行預測，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算法單元，是整個控制系統的核心單元，它需要結合每臺風機運行狀態、預測的全場超短期風速和電網調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 風力發電機組的有功控制

風力發電機組在整個風電場是一個個獨立的運行單元，能實現對單臺機組功率精準調控，是風電場功率控制系統中至關重要的一環。

風力發電機組為了實現最大限度地捕獲風能，往往風機都處于最優轉速控制模式，是通過控制發電機的轉速來獲取最優的風能利用系數，實現風能最大的利用率。變速恒頻機組一般是根據最優轉速-功率曲線運行，當風速突然出現較大波動時，風機運行具有較大的轉動慣量，此時只有通過快速調節槳距角使其達到最優轉速。在功率控制系統的調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，這樣更能體現整個場站功率調整響應的及時性。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;當場站輸出功率要求調低時，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是整體協調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首先通過每臺機組上傳的主狀態結合風功率預測模塊的超短期預測功率對機組進行分類，并將每臺風機的預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定值在這個上下限區間內[3]。通過有功功率分配算法將每臺機組的目標功率Pref下發至風機主控制器，主控制器接收到每臺機組的目標功率值后，對變頻器下發控制轉矩pm;同時調節槳距角，進一步控制發電機轉速vref，保證機組跟隨目標功率值進行發電，最終實現單機功率穩定輸出[4]。

風電場有功功率控制策略主要在于機組主狀態分類與有功功率分配控制算法相結合。根據機組運行情況可將風機狀態分為發電、待機、故障、檢修、維護5類。在功率控制系統收到電網調度指令后，有功功率控制算法根據電網調度目標值結合當前可發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。功率控制系統將分配的功率下發至各臺風機，每臺風機按照有功目標值進行發電輸出，最終實現對整個風電場有功功率的穩定可靠控制[5]。通過這種控制方式構建了一種電網調度、風電場自動發電的模式，達到了風電場功率輸出與電網調度控制曲線跟蹤控制完美吻合的目的。

3? 功率控制系統的應用

功率控制系統在風電場的實際應用情況，實驗場所為內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。現場測試期間風速在5～12m/s變動，設定功率調節周期為30s，可維持風機運行的最小功率設置為200 kW，當實際功率低于該功率值時，機組觸發限功率停機。

根據本文的有功功率控制策略對風電場進行限功率測試，在調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節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測功率時，風機根據當前風速進行控制發電。根據測試過程中記錄的數據分析如下。

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轉速控制模式實現功率的最大輸出，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了大約600kW的下跌。此時，在功率控制系統的協調下，充分利用其余機組的控制裕度，經過20s后，總實時有功功率得到恢復，又維持在目標功率范圍。通過功率控制系統算法調節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最優功率管理控制策略應該停機7臺。除去在B點發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。此時，總實時功率出現了大約400kW的上升，經功率管理系統進行控制，大約經過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可以有效地避免因風機突然啟動并網發電而帶來的干擾。

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

4? 結語

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

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的開發[J].電力科學與技術學報，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設計[J].電力系統自動化，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.基于機組狀態分類的風電場有功功率控制策略[J].電力系統自動化，2011（24）：28-32.

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