何春

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

關(guān)鍵詞：風(fēng)電場? 有功功率? 控制

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

隨著風(fēng)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(yùn)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(yùn)行，運(yùn)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(shí)段，也未充分利用風(fēng)能，這樣就大大浪費(fèi)了風(fēng)電的裝機(jī)容量，出現(xiàn)棄風(fēng)的狀況。因此如何能實(shí)現(xiàn)對風(fēng)電輸出功率進(jìn)行有效的管控，成了各發(fā)電集團(tuán)和生產(chǎn)商十分關(guān)注的課題[1]。

1? 風(fēng)電場功率控制系統(tǒng)構(gòu)成

風(fēng)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(fēng)電場每臺機(jī)組的出力，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)風(fēng)電場的總出力按照預(yù)期目標(biāo)值進(jìn)行跟蹤輸出。風(fēng)電場有功控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)由單機(jī)控制、風(fēng)功率預(yù)測、全場功率控制三個(gè)模塊構(gòu)成[2]，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

單機(jī)控制即以每臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單元;風(fēng)功率預(yù)測模塊是對短期和超短期內(nèi)風(fēng)速進(jìn)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(gè)控制系統(tǒng)的核心單元，它需要結(jié)合每臺風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、預(yù)測的全場超短期風(fēng)速和電網(wǎng)調(diào)度目標(biāo)值計(jì)算出每一臺風(fēng)機(jī)的目標(biāo)功率。

2? 有功功率控制策略研究

2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的有功控制

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在整個(gè)風(fēng)電場是一個(gè)個(gè)獨(dú)立的運(yùn)行單元，能實(shí)現(xiàn)對單臺機(jī)組功率精準(zhǔn)調(diào)控，是風(fēng)電場功率控制系統(tǒng)中至關(guān)重要的一環(huán)。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為了實(shí)現(xiàn)最大限度地捕獲風(fēng)能，往往風(fēng)機(jī)都處于最優(yōu)轉(zhuǎn)速控制模式，是通過控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來獲取最優(yōu)的風(fēng)能利用系數(shù)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能最大的利用率。變速恒頻機(jī)組一般是根據(jù)最優(yōu)轉(zhuǎn)速-功率曲線運(yùn)行，當(dāng)風(fēng)速突然出現(xiàn)較大波動(dòng)時(shí)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行具有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，此時(shí)只有通過快速調(diào)節(jié)槳距角使其達(dá)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(jī)組往往是按照輸出功率的上限值或下限值運(yùn)行，這樣更能體現(xiàn)整個(gè)場站功率調(diào)整響應(yīng)的及時(shí)性。當(dāng)場站輸出功率要求提升時(shí)，運(yùn)行在上限機(jī)組能保持功率輸出，處于降功率的機(jī)組能及時(shí)上調(diào);當(dāng)場站輸出功率要求調(diào)低時(shí)，運(yùn)行在下限值的機(jī)組保持，運(yùn)行在上限值的機(jī)組能及時(shí)限幅，這樣確保了整個(gè)風(fēng)電場功率調(diào)控的及時(shí)性和有效性。

2.2 風(fēng)電場的有功控制策略

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

風(fēng)電場有功功率控制策略主要在于機(jī)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(jī)組運(yùn)行情況可將風(fēng)機(jī)狀態(tài)分為發(fā)電、待機(jī)、故障、檢修、維護(hù)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(biāo)值結(jié)合當(dāng)前可發(fā)電和待機(jī)的機(jī)組及各自的當(dāng)前風(fēng)速情況計(jì)算出單機(jī)目標(biāo)功率。功率控制系統(tǒng)將分配的功率下發(fā)至各臺風(fēng)機(jī)，每臺風(fēng)機(jī)按照有功目標(biāo)值進(jìn)行發(fā)電輸出，最終實(shí)現(xiàn)對整個(gè)風(fēng)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(fēng)電場自動(dòng)發(fā)電的模式，達(dá)到了風(fēng)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(fēng)電場的實(shí)際應(yīng)用情況，實(shí)驗(yàn)場所為內(nèi)蒙古二連浩特某風(fēng)電場，選取了33臺1.5MW雙饋?zhàn)兯俸泐l機(jī)組。現(xiàn)場測試期間風(fēng)速在5～12m/s變動(dòng)，設(shè)定功率調(diào)節(jié)周期為30s，可維持風(fēng)機(jī)運(yùn)行的最小功率設(shè)置為200 kW，當(dāng)實(shí)際功率低于該功率值時(shí)，機(jī)組觸發(fā)限功率停機(jī)。

根據(jù)本文的有功功率控制策略對風(fēng)電場進(jìn)行限功率測試，在調(diào)控前風(fēng)電場實(shí)時(shí)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(fēng)電場目標(biāo)功率值，直到將風(fēng)電場的實(shí)時(shí)功率值下調(diào)至5000kW。

從實(shí)驗(yàn)效果圖（如圖2）可以看出總實(shí)時(shí)功率值跟隨著總目標(biāo)值呈階梯狀下降。當(dāng)總目標(biāo)功率值大于整場的預(yù)測功率時(shí)，風(fēng)機(jī)根據(jù)當(dāng)前風(fēng)速進(jìn)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(diǎn)：在實(shí)驗(yàn)過程中，該點(diǎn)功率控制目標(biāo)值大于當(dāng)時(shí)風(fēng)況下整場機(jī)組的輸出功率值，因此在這種情況下每臺風(fēng)機(jī)均按照當(dāng)前風(fēng)速運(yùn)行在最優(yōu)轉(zhuǎn)速控制模式實(shí)現(xiàn)功率的最大輸出，而不受到功率控制的影響。

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

C點(diǎn)：總期望輸出功率值為5000 kW。

在該點(diǎn)按照可控風(fēng)機(jī)根據(jù)最優(yōu)功率管理控制策略應(yīng)該停機(jī)7臺。除去在B點(diǎn)發(fā)生故障停機(jī)一臺風(fēng)機(jī)之外，計(jì)算得出的7臺可控風(fēng)機(jī)的目標(biāo)功率值為0kW，另25臺風(fēng)機(jī)的輸出目標(biāo)功率值應(yīng)為200kW如表1所示。

D點(diǎn)：由于其中一臺機(jī)組檢修完畢，機(jī)組恢復(fù)正常啟機(jī)并網(wǎng)。此時(shí)，總實(shí)時(shí)功率出現(xiàn)了大約400kW的上升，經(jīng)功率管理系統(tǒng)進(jìn)行控制，大約經(jīng)過20s的時(shí)間，將實(shí)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(fēng)機(jī)突然啟動(dòng)并網(wǎng)發(fā)電而帶來的干擾。

具備風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)與風(fēng)功率預(yù)測相結(jié)合的功率控制系統(tǒng)，通過在風(fēng)電場的實(shí)際測試可以看出該系統(tǒng)可以有效地避免了風(fēng)機(jī)在發(fā)電和待機(jī)之間的頻繁切換，降低了風(fēng)機(jī)自動(dòng)啟/停機(jī)對電網(wǎng)負(fù)荷帶來的擾動(dòng)，實(shí)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(fēng)速波動(dòng)及風(fēng)機(jī)頻繁啟/停機(jī)作為前提條件，從優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行及減少對電網(wǎng)沖擊的角度，深入研究了一套結(jié)合風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的風(fēng)電場有功功率控制系統(tǒng)。通過風(fēng)電場的實(shí)驗(yàn)表明，該控制系統(tǒng)可以有效地調(diào)節(jié)風(fēng)電場的輸出功率精確地跟隨電網(wǎng)調(diào)度目標(biāo)功率值，避免了風(fēng)機(jī)在啟/停機(jī)狀態(tài)之間頻繁切換，且減小了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的實(shí)時(shí)有功功率控制的超調(diào)量，增強(qiáng)風(fēng)電場的可調(diào)度性，降低了對電網(wǎng)的沖擊。

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