計及機(jī)組運行工況的風(fēng)電場有功功率控制策略

劉雙 張建 周柏嵩

（南瑞集團(tuán)國電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司，南京 210061）

風(fēng)力發(fā)電作為技術(shù)最成熟、最具規(guī)模化開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展的新能源發(fā)電方式之一，在中國風(fēng)資源豐富地區(qū)得到了快速發(fā)展。由于風(fēng)電輸出功率的隨機(jī)性與波動性，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)將會對電網(wǎng)的穩(wěn)定運行帶來越來越大的不利影響[1-2]，因此，風(fēng)電場發(fā)電功率能按要求進(jìn)行調(diào)節(jié)已經(jīng)成為強(qiáng)制性要求。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對風(fēng)電有功功率控制進(jìn)行了一定的研究工作。文獻(xiàn)[3]提出基于分層結(jié)構(gòu)風(fēng)電場有功功率控制方法，使風(fēng)電場有功功率輸出滿足電網(wǎng)調(diào)度要求；文獻(xiàn)[4]提出有功無功協(xié)調(diào)比例分配的風(fēng)電場功率分配方法，合理利用各臺機(jī)組的有功無功容量，減少視在功率飽和；文獻(xiàn)[5-6]提出按風(fēng)電機(jī)組容量比例分配的風(fēng)電場有功功率分配策略以降低有功功率的分配誤差。以上文獻(xiàn)提出的功率分配策略不僅高度依賴相應(yīng)機(jī)組工作的可靠性，而且還因隨機(jī)地操作相應(yīng)風(fēng)電機(jī)組而忽視了風(fēng)電機(jī)組具體工況（例如風(fēng)電機(jī)組累計運行時間、累計停機(jī)時間等），因而會使某些機(jī)組長時間一直在運行，而另一些機(jī)組則較長時間一直在停機(jī)，從而導(dǎo)致機(jī)組故障率提升。而且，風(fēng)電機(jī)組頻繁起/停本身就會影響風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定性和安全性，同時也會影響風(fēng)電機(jī)組的使用壽命。

針對上述風(fēng)電場有功功率控制策略沒有考慮風(fēng)電機(jī)組具體工況的缺點，本文提出一種計及機(jī)組運行工況的有功功率控制策略。首先根據(jù)機(jī)組預(yù)測發(fā)電能力及機(jī)組運行工況分別生成有功增/減裕度隊列和開/停機(jī)隊列，然后利用有功功率分配算法將功率分配給風(fēng)電場中的風(fēng)電機(jī)組。最后，將所提出功率控制策略應(yīng)用到實際風(fēng)電場中，驗證了該功率分配策略的有效性及合理性。

1 有功功率控制原理

風(fēng)電場有功功率控制是通過協(xié)調(diào)控制風(fēng)電場內(nèi)的各臺風(fēng)電機(jī)組，使整個風(fēng)電場能按照電網(wǎng)目標(biāo)發(fā)電功率輸出有功功率。風(fēng)電場有功功率控制系統(tǒng)主要由風(fēng)電場功率控制、機(jī)組控制、功率預(yù)測3個部分組成。風(fēng)電場有功功控制框圖如圖1所示。

圖1 風(fēng)電場有功功率控制框圖

風(fēng)電場有功功率控制根據(jù)每臺風(fēng)電機(jī)組的實時功率和預(yù)測功率等信息，把目標(biāo)發(fā)電功率與公共連接點（Point of Common Coupling）實時發(fā)電功率的差值ΔP，按照既定的策略以單臺風(fēng)電機(jī)組期望輸出功率Piref的形式分配給每臺可控機(jī)組，讓每臺可控機(jī)組根據(jù)期望輸出功率值進(jìn)行發(fā)電，實現(xiàn)風(fēng)電場的功率控制。

目前應(yīng)用較為廣泛的有直驅(qū)型和雙饋型等多種類型的變速恒頻風(fēng)電機(jī)組。各種類型的風(fēng)電機(jī)組具有不同的特性，但對于功率控制的響應(yīng)原理基本相同。機(jī)組功率控制模塊接收到期望輸出功率值后，通過控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流和扭矩，以及速度控制器改變槳葉節(jié)矩角的大小來控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使機(jī)組按照期望輸出功率運行發(fā)電。

2 有功功率控制策略

有功功率控制策略主要包括有功增/減裕度隊列及開/停機(jī)隊列的生成和機(jī)組有功功率分配算法。

2.1 相關(guān)參數(shù)定義

定義：ΔP為風(fēng)電場目標(biāo)發(fā)電功率與公共連接點實時發(fā)電功率的差值；Pimax為第i臺風(fēng)電機(jī)組能夠輸出的最大有功功率，即在當(dāng)前風(fēng)速下的風(fēng)電機(jī)組預(yù)測功率；Pimin為第i臺風(fēng)電機(jī)組最小運行功率，即當(dāng)輸出功率小于該值時，風(fēng)電機(jī)組將會直接停機(jī)；Pimea為第i臺風(fēng)電機(jī)組有功功率實發(fā)值；為風(fēng)電機(jī)組最短停機(jī)時間，即風(fēng)電機(jī)組停機(jī)后到再次開機(jī)的最短時間間隔；為風(fēng)電機(jī)組最短開機(jī)時間，即風(fēng)電機(jī)組開機(jī)后到再次停機(jī)的最短時間間隔。

2.2 有功增/減裕度隊列和開/停機(jī)隊列的生成

1）根據(jù)各風(fēng)電機(jī)組的當(dāng)前實發(fā)有功功率、最大有功功率及最小運行功率，分別計算有功增裕度系數(shù)和有功減裕度系數(shù)，依據(jù)有功增裕度系數(shù)和有功減裕度系數(shù)的大小，生成有功增裕度隊列和有功減裕度隊列。

其中有功增裕度系數(shù)為

有功減裕度系數(shù)為

2）依據(jù)各風(fēng)電機(jī)組的累計停機(jī)時間和累計運行時間的長短，生成開機(jī)隊列和停機(jī)隊列。

其中開機(jī)隊列的生成方法是，將風(fēng)電機(jī)組本次停機(jī)的時間加上以前累計停機(jī)的時間即得到機(jī)組累計停機(jī)時間，按照機(jī)組累計停機(jī)時間由長到短的順序進(jìn)行排列，生成開機(jī)隊列。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組停機(jī)后，直至超過才能加入到開機(jī)隊列。

停機(jī)隊列的生成方法是，將風(fēng)電機(jī)組本次運行的時間加上以前累計運行的時間即得到機(jī)組累計運行時間，按照機(jī)組累計運行時間由長到短的順序進(jìn)行排列，生成停機(jī)隊列。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組開機(jī)后，直至超過才能加入到停機(jī)隊列。

2.3 機(jī)組功率分配算法

1）升功率分配算法

若ΔP＞0，則風(fēng)電場內(nèi)可控機(jī)組總功率需要升高。

首先計算所有運行的可控風(fēng)電機(jī)組的有功增裕度總和：

其次計算開機(jī)隊列中所有風(fēng)電機(jī)組起動的有功增裕度總和：

式中，m為運行的可控風(fēng)電機(jī)組臺數(shù)，n為開機(jī)隊列中風(fēng)電機(jī)組臺數(shù)。

2）降功率分配算法

若ΔP＜0，則風(fēng)電場內(nèi)可控機(jī)組總功率需要降低。

首先計算所有運行的可控風(fēng)電機(jī)組的有功減裕度總和：

式中，m為運行的可控風(fēng)電機(jī)組臺數(shù)。

3 實際控制效果分析

以山東某風(fēng)電場為例進(jìn)行功率分配效果分析。該風(fēng)電場有33臺額定功率為1.5MW的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)。有功功率控制周期為30s，風(fēng)電機(jī)組最小運行功率為300kW，風(fēng)電機(jī)組最短停機(jī)時間為0.5h，最短開機(jī)時間為0.5h。

圖2為根據(jù)本文提出的控制算法分配有功功率的效果曲線。

圖2 風(fēng)電場有功功率控制效果

由圖2可知：當(dāng)目標(biāo)發(fā)電功率大于預(yù)測發(fā)電功率時，風(fēng)電機(jī)組處于最大發(fā)電能力狀態(tài)；當(dāng)目標(biāo)發(fā)電功率小于預(yù)測發(fā)電功率時，風(fēng)電場發(fā)電功率被限制為目標(biāo)發(fā)電功率，風(fēng)電場實時總功率跟隨風(fēng)電場目標(biāo)發(fā)電功率的變化而變化。整個控制過程中實時發(fā)電功率控制穩(wěn)定，能夠準(zhǔn)確響應(yīng)目標(biāo)發(fā)電功率的變化。

下面分析圖中所標(biāo)記點附近的功率控制情況。

A點：所有風(fēng)電機(jī)組都以最大有功功率運行，不采取功率控制措施。

B、D點：只對運行的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行功率控制即可滿足目標(biāo)發(fā)電功率要求。

C、E點：除了對運行的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行功率控制外，還要對停機(jī)/開機(jī)隊列中的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行停止/啟動才能滿足目標(biāo)發(fā)電功率要求。

4 結(jié)論

本文從機(jī)組優(yōu)化運行及減少對電網(wǎng)穩(wěn)定影響的角度，提出了一種計及機(jī)組運行工況的有功功率控制策略。應(yīng)用實踐表明，該策略不僅可以保證風(fēng)電場發(fā)電功率能夠迅速、準(zhǔn)確地跟蹤目標(biāo)發(fā)電功率，而且能夠避免風(fēng)電機(jī)組頻繁起/停，降低了風(fēng)電機(jī)組的故障率，提高了風(fēng)電機(jī)組運行的穩(wěn)定性和安全性，延長了風(fēng)電機(jī)組的使用壽命。

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