基于自适应调整控制器的风电场有功功率控制系统及方法

 

　　随着常规能源的枯竭，可再生能源将成为未来的能源的重要组成部分。由于风能其储存量大又易于形成规模，并且风力发电技术相对成熟，因此风能作为一种绿色能源在近几十年得到了广泛的开发和利用，也有希望成为未来不可替代的可再生资源之一[1]。风电场装机量的不断增加，如何有效控制各风电机组的有功出力，在遵循风电场接入电网技术标准及满足电网调度对风电场有功控制能力的需求时，制定既可保证单台风电机组安全稳定运行，又可实现风电场最大风电转换效率的控制目标，充分地利用风能，实现风电机组群的协调控制方法，这就需要优良的有功功率控制系统及方法。

 

　　由于风电场功率控制的重要性，国内外学者根据各自国家制定的风电场接入电网技术标准，对并网风电场如何响应电网调度要求做了大量的研究。这些研究主要集中于建立可行的风电场功率控制框架，分析如何对风电场内各风电机组进行控制以实现满足电网调度的功率输出要求[2]。文献[3]通过分析风电场的集中功率控制，建立了有效的风电场功率控制框架，设计的控制系统能够按照电网调度进行有功功率的输出。文献[4]设计了2层模型的风电场有功功率控制结构，即顶层实行在线调度控制，底层进行实时偏差控制，并根据自动化程度高低提出了两种功率分配方案，把按机组容量比例分配方法和按馈线潮流分布方法相结合，能够有效的进行风电场输出功率的控制。文献[5]提出了一种风电场优化功率控制策略，该策略针对风电场有功提升模式下的出力控制，有效避免了机组频繁启停且使风电场出力平稳。文献[6]提出了一种考虑风电场机组状态信息的功率控制策略，能够根据调度需求生成有功增功率机组集合和降功率机组集合，对调度功率进行分配。

 

　　虽然许多学者提出根据机组分类对风电场有功功率进行控制的策略，但是在对机组进行控制时仅仅是根据类别进行控制，并没有对同一分组内的风机实行差别控制。因此，本文的基于自适应调整控制器的风电场有功功率控制系统策略综合考虑机组预测功率信息，并根据分类类别以组内不同机组的实时调节容量为控制性能指标，对机组进行自适应调整控制。

 

　　1、风电场有功功率控制系统总体功能与设计

 

　　风电场有功功率控制系统主要实现风电场有功功率智能分配，对接入SCADA系统的所有风电机组进行远程功率控制，同时与电网调度系统整合。使风电场满足电能控制及远程调度功能，风电场有功功率的控制系统框架如下图1所示。

 

 

图1 风电场有功功率控制系统框架

 

　　风电场有功功率控制系统主要由电网标准限制器、加法器、有功功率预调整模块、自适应调整控制器和功率分配模块组成。本系统安装在中控室，与SCADA系统连接，获取风电机组的运行信息，并接收电网调度下发的有功功率控制指令，通过有功功率预调整模块判断电网下发有功指令与加法器计算的风电场全场实际有功出力的差值是否超出了有功控制死区，进而计算全场有功功率预调整量。进一步地，通过电网标准限制器要求功率提升与功率降低均需满足电网标准对风电场调整时间1分钟和10分钟内的全场有功功率变化限制，自适应调整控制器根据经过电网标准限制器的有功功率预调整量和加法器汇总得到的各台风电机组运行数据计算当前分配周期全场有功功率调整量，并使用功率分配模块通过风电场监控系统分配到每一台受控风电机组，使风电场整体有功功率达到调度要求，实现风电场有功功率智能控制。

 

　　电网标准限制器作用是要求功率提升与功率降低均需满足电网标准对风电场调整时间1分钟和10分钟内的全场有功功率变化限制。

 

　　加法器作用是对SCADA系统的风电机组运行数据进行汇总。

 

　　有功功率预调整模块作用是判断电网下发有功指令与风电场全场实际有功出力的差值是否超出了有功控制死区，若超出死区，则有功功率预调整量为电网下发有功指令与风电场全场实际有功出力的差值；若未超出死区，则有功功率预调整量为0，即不调整有功。

 

　　自适应调整控制器作用是对风电机组因为风速影响导致有功出力飘离设定有功功率的风电机组有功死区时，自适应对风电机组实施校正控制，最终计算得到当前分配周期全场有功功率调整量VP。

 

　　功率分配模块作用是根据有功可能出力多的风电机组所分担的有功多的原则，将自适应调整控制器计算的有功功率调整量VP分配到各风电机组。

 

　　2、风电场有功功率控制关键技术

 

　　风电场有功功率控制系统自适应调整控制器算法可以有效控制各风电机组的有功出力，制定既可保证单台风电机组安全稳定运行，又可实现风电场最大风电转换效率的控制目标，充分地利用风能，实现风电机组群的协调控制。自适应调整控制器算法流程如图2所示。

 

 

图2 自适应调整控制器算法流程图

 

　　自适应调整控制器算法如上图2所示，风电场有功功率控制系统通过判断电网下发有功指令与风电场实际有功出力的差值，进行相应的有功功率控制状态，有功功率控制状态包括：升功率状态、降功率状态和正常发电状态。同时当风电机组因为风速影响导致出力飘离设定功率的风电机组有功死区时，自适应对风电机组实施校正控制，具体的控制方法如下：

 

　　（1）电网下发调度指令与风场实际有功功率计算差值的绝对值|VP|，当|VP|小于调整阈值后便自适应调整有功功率变化系数，目的是为了减小全场功率波动，达到精确调整；并将|VP|与有功控制死区P0比较（有功控制死区P0设定根据风电场装机容量进行设定），目的是为了电网调度指令变化不大的情况时，不频繁调整计划；

 

　　（2）若风电场实际有功Pact小于风电场设定有功时，则进行升功率状态，从风电机组可提升功率队列中进行功率增量的分配，此时如果可提升功率达不到功率增量，便遍历停机队列，选择可供启动的机组；

 

　　（3）若实际有功大于设定有功时，则风电场就处于降功率控制状态，从风电机组可降功率队列中进行功率减量的分配，此时如果可降功率达不到功率减量，便遍历运行机组队列，选择停机；

 

　　（4）功率提升与降低均需满足电网标准对风电场全场有功功率1分钟变化和10分钟变化的要求。

 

　　2.2、有功功率分配算法

 

　　在设计风电场的有功分配算法时，根据有功可能出力多的风电机组所分担的有功多的原则，按比例进行分配。

 

　　（1）升功率算法。在可提升风电机组队列中，增加各风电机组的发电计划，将电网下发调度指令与风场实际有功功率的差值△P根据有功可能出力多的风电机组所分担的有功多的原则，进行比例分配，若该风电机组计划值超过其运行容量，则将超出部分分给其他风电机组。

 

　　（2）降功率算法。在可降低功率风机队列中，根据有功可能出力多的机组所降低的有功少的原则，按比例分配的算法。

 

　　3、实例分析

 

　　本文有功功率控制系统应用于甘肃某风电场，并以该风电场运行数据进行控制方法有效性的分析。该风电场有134台1.5MW双馈风电机组，其中受控机组120台，4台机组不可控，10台机组维修停机。根据Q/GDW11273-2014《风电有功功率自动控制技术规范》和Q/GDW1392-2015《风电场接入电网技术规范》要求，该风电场1分钟有功功率变化最大限值15MW，10分钟有功功率变化最大限值50MW，调节（全场）有功功率超调量不大于20.1MW，调节（全场）有功功率运行范围最大偏差不大于10.05MW。

 

　　图3是风电场在风速5-10m/s的情况下，在本文所述的有功功率控制系统控制作用下的风电场运行数据，横坐标是时间（秒），纵坐标是有功功率（KW）。

 

 

图3 风电场有功功率控制响应曲线

 

　　由图3可知，风电场有功功率实际出力能快速的跟踪网调下发指令值。其中，调节（全场）有功功率运行范围最大偏差为1.219MW，调节（全场）有功功率超调量最大值为1.625MW，1分钟功率最大变化值为11.45MW，10分钟功率最大变化值为12.646MW，满足控制标准要求。整个控制过程中实际发电功率控制稳定，能够准确快速响应网调指令的变化。

 

　　在该风场进行投入有功功率控制功能后风电场功率损失情况的试验，以1小时风电场运行数据进行分析，在前30分钟内退出有功功率控制，所有受控风电机组自由发电，后30分钟投入有功功率控制，所有受控风电机组受控发电。图4是1小时内风速变化曲线，图5是风电场投入有功功率控制对比未投入时功率曲线。

 

 

图4 1小时内风速变化曲线

 

 

图5 风电场投入有功功率控制对比未投入时数据曲线

 

　　在退出有功功率控制的半小时中，平均风速7.75m/s，风电场平均功率69712.74kwh；在投入有功功率控制的半小时中，平均风速8.72m/s，平均功率76119.18kwh。应用有功功率控制系统，风电场输出功率与风电场自由发电输出功率整体趋势一致，并未出现有功率损失的情况。

 

　　4、结束语

 

　　本方法通过判断电网下发有功指令与风电场实际有功出力的差值超出了有功控制死区时，对风电机组群进行有功协调控制。当各风电机组因为风速影响导致出力飘离设定功率的风电机组有功死区时，实时对风机实施校正控制，同时，采用自适应调整有功功率变化系数控制策略，减小了风电场全场有功功率的波动。通过采集到的风速数据计算风电机组的预测最优期望功率，根据有功可能出力多的机组所分担的有功多的原则，按各台最优期望功率在风电场总的最优期望功率中所占比例进行有功功率分配。最后，通过风电场应用该系统进行验证，该方法可以满足电网调度对风电场有功控制能力的需求，又可实现风电场最大风电转换效率的控制目标，充分地利用风能，实现快速、精确控制。

 

　　参考文献

 

　　[1] 全球风能理事会（GWEC），全球风能理事会2013年风电发展年报，2014.

 

　　[2] 佘慎思，曾旭。 风电场有功功率控制综述[J]. 装备机械，2013,（03）：2-8.

 

　　[3] 惠晶，顾鑫。 大型风电场的集中功率控制策略研究[J]. 华东电力，2008,36（06）：57-61.

 

　　[4] 陈宁，于继来。 基于电气剖分信息的风电系统有功调度与控制[J]. 中国电机工程学报，2008,28（16）：51-58.

 

　　[5] Muyeen S M, Takahashi R, Murata T, et al. A variable speed wind turbine control strategy to meet wind farm grid code requirements [J]. Power Systems, IEEE Transactions on, Power Systems 2010, 25（1）： 331-340.

 

　　[6] Han XuShan , Chen Fei .Research on Wind Farm Participation in Power Grid AGC Control[J]. Electricity,2011,03:27-29.

 

　　[7] Q/GDW 11273-2014，《风电有功功率自动控制技术规范》，2014

 

　　[8] Q/GDW1392-2015，《风电场接入电网技术规范》，2015

 

　　[9] 胡凯凯，翟大勇，夏相春等。 风电场有功功率分配策略及其实现[J]，功率变流技术，2013,（03）：32-34.

 

　　[10] 乔颖，鲁宗相。 考虑电网约束的风电场自动有功控制[J]. 电力系统自动化，2009,33（22）：88-93.