基于OPC通訊的風場功率管理應(yīng)用

劉啟飛 周宏志

(東方電氣自動控制工程有限公司， 四川 德陽， 618000)

基于OPC通訊的風場功率管理應(yīng)用

劉啟飛 周宏志

(東方電氣自動控制工程有限公司， 四川 德陽， 618000)

文章介紹了采用 OPC通訊接口的風場功率管理控制軟件的原理、 結(jié)構(gòu)、 流程、 控制功能等， 通過在某大型風電場的應(yīng)用測試，整個功率管理軟件運行穩(wěn)定可靠，滿足現(xiàn)階段國家電網(wǎng)對風機功率管理的要求。

風場； 功率管理； OPC通訊； 電網(wǎng)

0 引言

隨著風電的快速發(fā)展，將會有越來越多的風力發(fā)電能量分布于電網(wǎng)配電系統(tǒng)中。風電場中風力發(fā)電機組具有較強的分散自治性，其輸出功率往往隨自然風速具有較強的隨機性和間歇性。因此，風電機組的輸出功率難以像常規(guī)發(fā)電機組那樣遵從電網(wǎng)調(diào)度的發(fā)電計劃。這給系統(tǒng)調(diào)度和穩(wěn)定運行帶來不利影響。隨著國家大力倡導發(fā)展可再生能源，風電裝機容量不斷增加，作為電力系統(tǒng)要接納大容量的風電， 需要付出更多的代價（如更多的備用電源，更多的系統(tǒng)網(wǎng)損）[1]。

1 風場功率管理控制要求

風電場接入電網(wǎng)規(guī)定要求，風電場必須具有有功功率調(diào)節(jié)能力，并能根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度部門的指令控制其有功功率輸出。為了實現(xiàn)對風電場有功功率的控制，風電場需安裝有功功率控制系統(tǒng)，能夠接收并自動執(zhí)行調(diào)度部門遠方發(fā)送的有功出力控制信號，確保風電場最大輸出功率及功率變化率不超過電網(wǎng)調(diào)度部門的給定值。

對于風力發(fā)電機組，對其進行功率管理控制必須要充分滿足國家電網(wǎng)相關(guān)標準、盡可能充分利用風電容量、考慮風力機組的運行限制、對風力機組的保護、系統(tǒng)的自動化管理水平等等。

2 功率管理控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

功率控制系統(tǒng)軟件配合監(jiān)控軟件完成對風電場有功功率的分配和控制。功率控制系統(tǒng)軟件負責執(zhí)行功率分配，監(jiān)控系統(tǒng)軟件負責將采集到的功率控制軟件需要的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給功率控制軟件，并將功率控制軟件計算的風力機的設(shè)定功率轉(zhuǎn)發(fā)給各風力機。整個風電場有功功率控制的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

為了盡量適應(yīng)當前風電場的結(jié)構(gòu)，該軟件運行在監(jiān)控室 PC機上， 接收監(jiān)控軟件采集的風機數(shù)據(jù)，按照設(shè)定周期定時將功率分配結(jié)果返回給監(jiān)控軟件，監(jiān)控軟件再發(fā)送給各臺風力機，進而控制風力機組出力。

2.1 功率管理控制軟件結(jié)構(gòu)

圖1 風電場有功功率控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

風電場是由多個風力機集成的單元，風電場控制系統(tǒng)的主要目的是集中控制接入電網(wǎng)的有功功率。風電場控制系統(tǒng)不斷收集單位時間內(nèi)風電場各風力機平均功率，通過功率預(yù)測模塊，預(yù)測在不強加調(diào)度的情況下各臺風力機下一周期的發(fā)電功率，累加算出整個風電場下一周期的預(yù)測發(fā)電功率，同時對比電網(wǎng)調(diào)度功率，算出兩者差值，通過功率分配模塊將電網(wǎng)調(diào)度功率 P0轉(zhuǎn)換成單個風力機的功率參考信號 （Pi， i=1， 2， 3…）， 傳送至各臺風力機，強制風力機改變當前運行狀況，從而滿足整個風電場的電網(wǎng)調(diào)度。風電場功率控制軟件如圖2所示。

2.2 功率管理控制軟件功能

風電場有功功率控制軟件是為了對整個風電場所有風力機任一時刻的發(fā)電功率進行統(tǒng)一控制，以使得風電場輸出功率滿足國家電網(wǎng)要求，保證風電場輸出的電能質(zhì)量。

圖2 風電場有功功率控制系統(tǒng)模型圖

功率管理控制軟件需要與風電場監(jiān)控軟件進行通訊，采集風速、功率、故障狀態(tài)等信號；功率管理軟件必須具備風電場功率預(yù)測功能；具備限值模式、調(diào)整模式、斜率控制模式、差值模式4種控制模式[2]， 可根據(jù)需要選擇采用哪種控制模式；根據(jù)風電場功率控制策略計算每臺可控風力機功率設(shè)定值，滿足電網(wǎng)調(diào)度需求；能夠顯示各臺風力機包括通訊正常、通訊中斷、正常發(fā)電、降功率發(fā)電、停機等狀態(tài)。

功率管理變化率按照國家電網(wǎng)要求執(zhí)行，見表1。

表1 國家標準功率變化率 （MW）

控制精度滿足國家標準要求，風電場全場控制精度為： Max （1MW， 負荷變化的 5%）[3]。

3 OPC通訊技術(shù)

OPC （OLE for Process Control） 是為了存取現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)信息， 基于 Windows 的應(yīng)用程序由系統(tǒng)集成商開發(fā)的一種具有高效性、可靠性、開放性、可互操作性的即插即用的設(shè)備驅(qū)動程序。

3.1 OPC 技術(shù)功能

OPC 規(guī)范了接口函數(shù)， 不管現(xiàn)場設(shè)備以何種形式存在，客戶都以統(tǒng)一的方式去訪問，從而保證軟件對客戶的透明性，使得用戶完全從低層的開發(fā)中脫離出來。

OPC 主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集技術(shù)、 歷史數(shù)據(jù)訪問、報警和事件處理、數(shù)據(jù)冗余技術(shù)、遠程數(shù)據(jù)訪問等， OPC 解決了設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)中的異構(gòu)問題，使控制軟件能夠與硬件分別設(shè)計、生產(chǎn)和發(fā)展，并有利于獨立的第三方軟件供應(yīng)商產(chǎn)生與發(fā)展。

3.2 風場監(jiān)控軟件 OPC 通訊數(shù)據(jù)點

風場功率管理控制系統(tǒng)，根據(jù)軟件的交互模式，整個系統(tǒng)管理軟件與上位機風場監(jiān)控軟件之間采用 OPC 接口進行通訊， 通訊信息包括 OPC 數(shù)據(jù)點名稱、 IP 地址、 各數(shù)據(jù)點代表的實際意義，客戶端必須是 OPCuser用戶。

3.3 風場監(jiān)控軟件 OPC 通訊流程

風場監(jiān)控軟件作為 OPC 服務(wù)器， 功率控制軟件為 OPC客戶端。 功率控制軟件客戶端采用訂閱方式獲得風場監(jiān)控軟件 OPC 服務(wù)器中風機和風場的實時數(shù)據(jù)， 即風場監(jiān)控軟件 OPC 服務(wù)器的實時更新數(shù)據(jù)有變化就會通知功率控制軟件 OPC 客戶端； PPM 客戶端采用異步寫的方式， 每控制周期向風場監(jiān)控軟件 OPC服務(wù)器寫入每臺風機的設(shè)定值。通訊流程如圖3所示。

圖3 OPC 通信流程

4 風電場測試

以下是針對 FD70 型 200 臺風機某大型風電場進行測試的結(jié)果。 功率控制軟件與 OPC 服務(wù)器能夠建立穩(wěn)定的連接，能夠完全準確讀寫數(shù)據(jù)點，通訊穩(wěn)定性良好。

4.1 不同風速下的功率控制效果分析

不同風速下功率控制效果的測試環(huán)境如表2所示。

表2 不同風速下功率控制效果測試環(huán)境

測試結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出，在高風速和低風速下，功率控制軟件均能夠較準確地將輸出功率控制在設(shè)定功率之內(nèi)。

表3 測試結(jié)果

4.2 對調(diào)度功率的響應(yīng)性能測試

測試環(huán)境如表4所示。

表4 測試響應(yīng)性能的環(huán)境

受控風機數(shù)量83臺， 短時間內(nèi)頻繁修改調(diào)度功率， 跟蹤83臺受控風機的實時功率總值， 測試結(jié)果如表5所示。

受控風機數(shù)量為 83 臺時， 平均誤差為4.09%， 誤差較小， 控制效果良好。

表5 83臺風機功率控制使能的數(shù)據(jù)

4.3 功率控制穩(wěn)定性測試

測試環(huán)境如表6所示。

表6 功率控制穩(wěn)定性測試環(huán)境

測試結(jié)果及誤差分析：

對全風電場進行不間斷的功率控制 38個小時，在此期間，功率控制系統(tǒng)運行正常，極個別的風機由于風機本身控制原因會出現(xiàn)變槳失效或風速大于功率的故障，如5號風機等，整個功率控制過程穩(wěn)定可靠。

4.4 功率控制曲線

開啟功率控制功能后， 控制效果詳見圖4～圖7的曲線圖。

圖4 風力發(fā)電廠調(diào)度功率不變時風場功率控制曲線圖

圖5 風場調(diào)度功率降低時功率控制效果曲線圖

圖6 風場調(diào)度功率增加時功率控制曲線圖

圖7 風場在功率控制過程頻繁修改功率時功率控制曲線圖

5 結(jié)論

基于 OPC通訊功率控制系統(tǒng)實現(xiàn)了讀寫風機數(shù)據(jù)和風電場數(shù)據(jù)的功能，能夠?qū)β瘦敵鲞M行穩(wěn)定的控制。

在不同風速下給定不同的調(diào)度功率，通過功率控制軟件的控制，風電場功率輸出能夠迅速、準確地跟蹤設(shè)定值，且風機狀態(tài)均正常，滿足電網(wǎng)調(diào)度功率控制要求。

[1] 谷峰.基于雙饋機組風電場的功率控制研究 [D].濟南:山東大學,2009

[2]Anca D.Hansen， Poul Sorensen， Florin Iov.Centralised power control of wind farm w ith doubly fed induction generators[J].Renewable Energy,31 （2006） :935-951

[3] 國家電網(wǎng)公司.風電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定[Z]. 北京: 國家電力出版社,2006

W ind Power Management and Application Base on OPC Comm unication

Liu Qifei， Zhou Hongzhi
（Dongfang Electric Auto Control Engineering Co.,Ltd.Deyang Sichuan 618000）

This paper introduced the principle,structure,process and control function ofwind powermanagement control software with OPC communication interface.After a series of application tests in a large-scale wind farm,the powermanagement software showed stability and reliability， meeting the currentwind turbine powermanagement requirements of State Grid.

wind p lant， power control， OPC communication， grid

劉啟飛 （1976-）， 男， 工程碩士學位， 工程師， 畢業(yè)于電子科技大學自動化學院， 現(xiàn)主要從事風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計工作。