风电场有功功率控制系统研究与应用
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作者:何春
摘 要：风能既是一种清洁能源，又是一种具有间歇性、随机性和波动性特点的可再生能源。由于风速的不随机性，必然导致风电场有功功率输出波动，这样对电网调度带来了极大的考验。为确保电网能安全稳定可靠运行，则需对风电场有功功率输出进行精准控制，本文提出一种具备风功率预测与风机状态相结合的功率控制系统并进行现场应用测试。
关键词：风电场 有功功率 控制
中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）01（b）-0104-03
随着风电发展规模不断壮大，并网场站不斷增多，这样对电网运行的稳定性和可靠性带来了巨大的挑战。为了确保电网安全稳定运行，运行人员往往会预留足够的安全裕度。即使在电网未饱和时段，也未充分利用风能，这样就大大浪费了风电的装机容量，出现弃风的状况。因此如何能实现对风电输出功率进行有效的管控，成了各发电集团和生产商十分关注的课题[1]。
1 风电场功率控制系统构成
风力发电有功功率控制主要是通过功率管理系统整体协调风电场每台机组的出力，最终实现整个风电场的总出力按照预期目标值进行跟踪输出。风电场有功控制系统总体结构由单机控制、风功率预测、全场功率控制三个模块构成[2]，系统框图如图1所示。
单机控制即以每台风力发电机组单元;风功率预测模块是对短期和超短期内风速进行预测，并反馈至功率控制算法单元;全场功率控制即功率控制系统算法单元，是整个控制系统的核心单元，它需要结合每台风机运行状态、预测的全场超短期风速和电网调度目标值计算出每一台风机的目标功率。
2 有功功率控制策略研究
2.1 风力发电机组的有功控制
风力发电机组在整个风电场是一个个独立的运行单元，能实现对单台机组功率精准调控，是风电场功率控制系统中至关重要的一环。
风力发电机组为了实现最大限度地捕获风能，往往风机都处于最优转速控制模式，是通过控制发电机的转速来获取最优的风能利用系数，实现风能最大的利用率。变速恒频机组一般是根据最优转速-功率曲线运行，当风速突然出现较大波动时，风机运行具有较大的转动惯量，此时只有通过快速调节桨距角使其达到最优转速。在功率控制系统的调控下变速恒频机组往往是按照输出功率的上限值或下限值运行，这样更能体现整个场站功率调整响应的及时性。当场站输出功率要求提升时，运行在上限机组能保持功率输出，处于降功率的机组能及时上调;当场站输出功率要求调低时，运行在下限值的机组保持，运行在上限值的机组能及时限幅，这样确保了整个风电场功率调控的及时性和有效性。
2.2 风电场的有功控制策略
风电场有功控制系统是整体协调整个风电场机组的出力，可以将整个风电场等效为一个风机单元进行控制，这样就简化了控制模型，这样就与单台风机功率控制方式一致。在考虑单台风机控制时，风电场有功功率控制系统首先通过每台机组上传的主状态结合风功率预测模块的超短期预测功率对机组进行分类，并将每台风机的预测功率作为机组目标功率的上下限范围，确保每台机组的目标功率设定值在这个上下限区间内[3]。通过有功功率分配算法将每台机组的目标功率Pref下发至风机主控制器，主控制器接收到每台机组的目标功率值后，对变频器下发控制转矩pm;同时调节桨距角，进一步控制发电机转速vref，保证机组跟随目标功率值进行发电，最终实现单机功率稳定输出[4]。
风电场有功功率控制策略主要在于机组主状态分类与有功功率分配控制算法相结合。根据机组运行情况可将风机状态分为发电、待机、故障、检修、维护5类。在功率控制系统收到电网调度指令后，有功功率控制算法根据电网调度目标值结合当前可发电和待机的机组及各自的当前风速情况计算出单机目标功率。功率控制系统将分配的功率下发至各台风机，每台风机按照有功目标值进行发电输出，最终实现对整个风电场有功功率的稳定可靠控制[5]。通过这种控制方式构建了一种电网调度、风电场自动发电的模式，达到了风电场功率输出与电网调度控制曲线跟踪控制完美吻合的目的。
3 功率控制系统的应用
功率控制系统在风电场的实际应用情况，实验场所为内蒙古二连浩特某风电场，选取了33台1.5MW双馈变速恒频机组。现场测试期间风速在5～12m/s变动，设定功率调节周期为30s，可维持风机运行的最小功率设置为200 kW，当实际功率低于该功率值时，机组触发限功率停机。
根据本文的有功功率控制策略对风电场进行限功率测试，在调控前风电场实时功率输出大约为27000kW，本次测试是按照剃度调节不断降低风电场目标功率值，直到将风电场的实时功率值下调至5000kW。
从实验效果图（如图2）可以看出总实时功率值跟随着总目标值呈阶梯状下降。当总目标功率值大于整场的预测功率时，风机根据当前风速进行控制发电。根据测试过程中记录的数据分析如下。
A点：在实验过程中，该点功率控制目标值大于当时风况下整场机组的输出功率值，因此在这种情况下每台风机均按照当前风速运行在最优转速控制模式实现功率的最大输出，而不受到功率控制的影响。
B点：在测试过程中，由于其中某台机组突然报故障停机，导致总的实际功率出现了大约600kW的下跌。此时，在功率控制系统的协调下，充分利用其余机组的控制裕度，经过20s后，总实时有功功率得到恢复，又维持在目标功率范围。通过功率控制系统算法调节可避免因风机故障停机而引起的输出功率波动。 C点：总期望输出功率值为5000 kW。
在該点按照可控风机根据最优功率管理控制策略应该停机7台。除去在B点发生故障停机一台风机之外，计算得出的7台可控风机的目标功率值为0kW，另25台风机的输出目标功率值应为200kW如表1所示。
D点：由于其中一台机组检修完毕，机组恢复正常启机并网。此时，总实时功率出现了大约400kW的上升，经功率管理系统进行控制，大约经过20s的时间，将实际功率又控制在5000kW上下。说明通过功率控制系统可以有效地避免因风机突然启动并网发电而带来的干扰。
具备风机运行状态与风功率预测相结合的功率控制系统，通过在风电场的实际测试可以看出该系统可以有效地避免了风机在发电和待机之间的频繁切换，降低了风机自动启/停机对电网负荷带来的扰动，实现总有功功率平稳调控的目的[6]。
4 结语
本文以避免风速波动及风机频繁启/停机作为前提条件，从优化机组运行及减少对电网冲击的角度，深入研究了一套结合风机运行状态的风电场有功功率控制系统。通过风电场的实验表明，该控制系统可以有效地调节风电场的输出功率精确地跟随电网调度目标功率值，避免了风机在启/停机状态之间频繁切换，且减小了风力发电机组的实时有功功率控制的超调量，增强风电场的可调度性，降低了对电网的冲击。
参考文献
[1] 行舟，李雪明，陈振寰，等.甘肃酒泉大型集群风电有功智能控制系统的开发[J].电力科学与技术学报，2011，26（1）：48-52.
[2] 李雪明，行舟，陈振寰，等.大型集群风电有功智能控制系统设计[J].电力系统自动化，2010（17）：59-63.
[3] 邹见效，袁炀，黄其平，等.风电场有功功率控制降功率优化算法[J].电子科技大学学报，2011（6）： 882-886.
[4] 石一辉，张毅威，闵勇，等.并网运行风电场有功功率控制研究综述[J]. 中国电力，2010（6）：11-15.
[5] 邹见效，李丹，郑刚，等.基于机组状态分类的风电场有功功率控制策略[J].电力系统自动化，2011（24）：28-32.
[6] 张满良. 风电场有功功率控制研究[J]. 内蒙古石油化工，2012（17）：26-28.
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