風(fēng)電場能量管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)分析

葛穎奇，婁堯林，吳海列，崔峰，趙國群

（浙江運達(dá)風(fēng)電股份有限公司，浙江 杭州 310012）

0 引言

在可再生能源當(dāng)中，風(fēng)力發(fā)電自身獨特的優(yōu)勢決定了其具有十分重要的開發(fā)價值，并受到了世界各國的青睞。全球范圍內(nèi)大約有2×107MW的風(fēng)能可為人類所利用，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過地球上可開發(fā)利用的水能[1]。在當(dāng)今能源和環(huán)境問題日益受到關(guān)注的形勢下，利用風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電越來越受到人們的重視。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在世界上得到了飛快的發(fā)展，越來越多的大中型風(fēng)電場相繼建成并投入運行[2]。

在風(fēng)能方面我國發(fā)展?jié)摿薮螅笆濉币?guī)劃提出，到2015年風(fēng)電并網(wǎng)裝機容量將達(dá)到100GW以上，2020年達(dá)到200GW。我國風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展呈現(xiàn)以下特點[3-4]：（1）風(fēng)電在電網(wǎng)中所占比重不斷增加；（2）單個風(fēng)電場裝機容量不斷增加；（3）風(fēng)電場接入電網(wǎng)的電壓等級更高；（4）風(fēng)電機組的種類不斷增多，風(fēng)電機組單機容量不斷增大。

風(fēng)電是一種間歇性、波動性電源，隨著風(fēng)電裝機容量的增加，對電網(wǎng)穩(wěn)定性、安全性的影響也隨之增大[5-6]。這就要求風(fēng)電場盡量減小對電網(wǎng)的影響，并且國家電網(wǎng)制定的《風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》中要求整個風(fēng)電場應(yīng)具有一定的功率調(diào)節(jié)能力。因此本文設(shè)計風(fēng)電場能量管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對風(fēng)電場有功功率和無功功率的調(diào)節(jié)。

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)電機組作為一個風(fēng)力利用的裝置，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能。目前，廣泛應(yīng)用的為變速恒頻風(fēng)電機組，主要包括風(fēng)輪、傳動軸、齒輪箱、發(fā)電機、變流器等部件。風(fēng)輪將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能，然后通過傳動軸將機械能傳送給發(fā)電機。基于空氣動力學(xué)與貝茲理論，風(fēng)電機組從風(fēng)中獲取的機械功率為[7-9]：

1 能量管理系統(tǒng)設(shè)計

1.1 總體設(shè)計

根據(jù)國家電網(wǎng)公司《風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》的要求，風(fēng)電場能量管理系統(tǒng)必須具有對有功、無功功率輸出可控的能力。整個系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)速、電網(wǎng)調(diào)度的指令和功率的反饋信號，進(jìn)行分析計算后給風(fēng)電場中的每臺風(fēng)電機組下發(fā)功率限制值，風(fēng)電機組接收指令后進(jìn)行快速響應(yīng)，從而實現(xiàn)整個風(fēng)電場的功率控制。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 功率分配算法

在整個風(fēng)電場能量管理系統(tǒng)中，控制算法是重中之重，它直接影響到功率控制的效果，從而影響到整個風(fēng)電場的輸出穩(wěn)定性。為了使風(fēng)電場輸出功率滿足電網(wǎng)的調(diào)度要求，降低對電網(wǎng)的影響，就需要合理的功率分配算法對有功、無功功率進(jìn)行準(zhǔn)確的分配。

有功功率分配主要有固定比例分配算法和變比例分配算法。固定比例分配算法根據(jù)額定容量大的風(fēng)電機組分配有功功率多的原則進(jìn)行分配，該類方法粗略地計算有功功率設(shè)定值。實際上，在風(fēng)電場運行時，每臺機組實際的發(fā)電功率與風(fēng)速有關(guān)，因此機組所發(fā)的功率可能達(dá)不到給定值。變比例分配算法主要是根據(jù)實時風(fēng)速預(yù)測風(fēng)電機組的有功輸出功率值，按照出力大的機組分配多的原則進(jìn)行分配。本系統(tǒng)采用變比例分配算法進(jìn)行有功分配，根據(jù)機組的實際運行狀態(tài)、實時功率、風(fēng)速等信息，進(jìn)行合理精確的有功功率分配。

無功功率分配主要有按照等功率因素分配法和根據(jù)無功容量比例分配法。等功率因素分配算法能保證每臺機組功率因素相等，避免了出現(xiàn)某些機組有功、無功輸出不協(xié)調(diào)超出極限的可能性。根據(jù)無功容量比例分配法利用各臺風(fēng)電機組實時狀態(tài)信息計算當(dāng)前無功調(diào)節(jié)范圍，根據(jù)所得值進(jìn)行分配，盡可能使每臺機組發(fā)出或者吸收的無功功率在機組的無功極限范圍內(nèi)，并能充分發(fā)揮每臺機組的無功調(diào)節(jié)潛力。本系統(tǒng)采用根據(jù)無功容量比例分配法進(jìn)行無功分配，根據(jù)每臺風(fēng)電機組所分配的有功功率計算其無功功率能力，然后根據(jù)能力進(jìn)行無功功率分配。

1.3 控制軟件設(shè)計

風(fēng)電場能量管理系統(tǒng)的控制軟件需要分析風(fēng)電場的有功功率、無功功率、電壓、頻率等數(shù)據(jù)，對風(fēng)電場的所有風(fēng)電機組進(jìn)行統(tǒng)一控制，保證機組的協(xié)調(diào)運行，從而確保風(fēng)電場最大輸出功率及功率變化率不超過調(diào)度中心指定值。

控制軟件界面主要包括：主界面、參數(shù)配置界面、曲線繪制界面、數(shù)據(jù)庫導(dǎo)出界面、權(quán)限管理界面等。主界面用于顯示風(fēng)電場信息和風(fēng)電機組信息：風(fēng)電場信息包括風(fēng)電場的功率調(diào)度信息和風(fēng)電場的功率反饋信息；風(fēng)電機組信息包括每臺風(fēng)電機組的風(fēng)速、有功功率反饋值、無功功率反饋值、有功功率目標(biāo)值、無功功率目標(biāo)值、通訊狀態(tài)等信息。參數(shù)配置界面用于設(shè)定風(fēng)電場容量、裝機數(shù)量、風(fēng)電機組額定功率、控制模式、有功變化率等可配置參數(shù)。曲線繪制界面的主要功能是繪制實時曲線和歷史曲線，可以選擇數(shù)據(jù)種類及數(shù)據(jù)時間段，進(jìn)行曲線繪制。數(shù)據(jù)庫導(dǎo)出界面可以導(dǎo)出相應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)。

控制軟件需要通過通訊接口實時讀取風(fēng)電機組運行的數(shù)據(jù)，如風(fēng)速、風(fēng)電機組運行狀態(tài)、風(fēng)電機組有功功率、風(fēng)電機組通訊狀態(tài)等信息，并給風(fēng)電機組下發(fā)功率控制指令。由Modicon公司開發(fā)的Modbus協(xié)議目前已是工業(yè)領(lǐng)域最流行的通信協(xié)議之一，該協(xié)議支持傳統(tǒng)的RS232、RS422、RS485和以太網(wǎng)設(shè)備，并且通俗易懂，應(yīng)用靈活。因此，系統(tǒng)采用Modbus/TCP接口實時監(jiān)控各個控制過程的運行數(shù)據(jù)。

控制軟件根據(jù)電力系統(tǒng)調(diào)度中心指令，通過算法進(jìn)行精確分配后下發(fā)單臺風(fēng)電機組的有功功率、無功功率控制指令。當(dāng)需要整個風(fēng)電場切出電網(wǎng)時，控制軟件可以給所有的風(fēng)電機組下發(fā)停機命令，風(fēng)電機組在接收到停機命令后執(zhí)行停機操作，從而使整個風(fēng)電場自動切出。當(dāng)電網(wǎng)下發(fā)的風(fēng)電場上網(wǎng)負(fù)荷比較低時，控制軟件以“允許更多的風(fēng)電機組運行”為控制目標(biāo)，通過算法智能選擇部分風(fēng)電機組進(jìn)行停機，而其它風(fēng)電機組保持運行狀態(tài)，從而使得整個風(fēng)電場的出力符合電網(wǎng)要求。

控制軟件進(jìn)行功率控制的主流程如下：

(1) 實時采集風(fēng)速、功率、運行狀態(tài)等機組信息，主要針對通信正常的機組；

(2) 根據(jù)風(fēng)電機組的通訊狀態(tài)以及運行狀態(tài)等信息確定可以進(jìn)行功率控制的風(fēng)電機組序列；

(3) 根據(jù)電網(wǎng)下發(fā)的有功功率控制指令和有功功率調(diào)整變化率確定風(fēng)電場的有功功率目標(biāo)值；

(4) 通過單臺機組的風(fēng)速信息，預(yù)測有功功率，進(jìn)行有功功率和無功功率極限值計算；

(5) 最后將功率設(shè)定值按照功率分配策略分配給每臺風(fēng)電機組，并將單臺設(shè)定值下發(fā)至機組。

控制軟件具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 能量管理系統(tǒng)應(yīng)用

2.1 風(fēng)電場測試

中節(jié)能內(nèi)蒙古興和風(fēng)電場由33臺風(fēng)電機組組成，機型為WD1500，裝機容量為49.5MW。為了驗證本系統(tǒng)的可行性和有效性，在中節(jié)能內(nèi)蒙古興和風(fēng)電場進(jìn)行了現(xiàn)場測試。將本系統(tǒng)安裝于風(fēng)電場主控室的工控機上，系統(tǒng)運行后讀取每臺風(fēng)電機組的實時數(shù)據(jù)、風(fēng)電場的實時數(shù)據(jù)和電網(wǎng)的調(diào)度指令，并將控制算法分配的單臺有功功率和無功功率設(shè)定值下發(fā)至每臺機組。機組獲取指令后在最短時間內(nèi)響應(yīng)控制要求，從而達(dá)到控制風(fēng)電場輸出功率的目的。

2.2 測試結(jié)果

風(fēng)電場當(dāng)前有功功率為40MW時，電網(wǎng)下發(fā)有功調(diào)度指令30MW，系統(tǒng)接收調(diào)度指令后進(jìn)行自動控制。風(fēng)電場有功功率從40MW降至30MW的控制效果如圖3所示。由圖3可見，風(fēng)電場有功功率在1分鐘內(nèi)控制到位，并且穩(wěn)態(tài)控制效果較好。

風(fēng)電場當(dāng)前有功功率為20MW時，電網(wǎng)下發(fā)有功調(diào)度指令10MW，通過本系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)，風(fēng)電場有功功率在1分鐘內(nèi)下降到位。風(fēng)電場有功功率從20MW降至10MW的控制效果如圖4所示。

風(fēng)電場當(dāng)前有功功率為10MW時，電網(wǎng)下發(fā)有功調(diào)度指令20MW，通過本系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)，風(fēng)電場有功功率在1分鐘內(nèi)上升到位，并且控制誤差小于3%。風(fēng)電場有功功率從10MW升至20MW的控制效果如圖5所示。

風(fēng)電場當(dāng)前有功功率為30MW時，電網(wǎng)下發(fā)有功調(diào)度指令40MW，風(fēng)電場有功功率從30MW升至40MW的控制效果如圖6所示。

此外，通過系統(tǒng)自動智能控制無功功率，可以使得風(fēng)電場的無功功率輸出保持在一定的范圍之內(nèi)。

風(fēng)電場實際測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)的響應(yīng)時間小于1分鐘，控制精度在3%以內(nèi)，穩(wěn)態(tài)控制效果較好。從而驗證了本系統(tǒng)的可行性和有效性。

3 結(jié)語

該風(fēng)電場能量管理系統(tǒng)實現(xiàn)了對風(fēng)電場有功功率和無功功率的自動控制。系統(tǒng)考慮到每臺風(fēng)電機組的自身特性和實際情況，通過控制算法智能控制風(fēng)電場的上網(wǎng)負(fù)荷，使得風(fēng)電場的上網(wǎng)負(fù)荷在額定容量范圍內(nèi)得到自由控制。本系統(tǒng)的響應(yīng)時間小于1分鐘，控制精度在3%以內(nèi)。實際應(yīng)用表明本系統(tǒng)控制效果較好，使風(fēng)電場上網(wǎng)電量在允許范圍內(nèi)得到最大化，提高了風(fēng)電場功率利用率。該系統(tǒng)良好的控制功能和分析功能可以滿足風(fēng)電場時間和空間上復(fù)雜的動態(tài)變化特性要求，從而保證風(fēng)電場的安全可靠運行。

圖3 風(fēng)電場有功功率從40MW降至30MW的控制效果

圖4 風(fēng)電場有功功率從20MW降至10MW的控制效果

圖5 風(fēng)電場有功功率從10MW升至20MW的控制效果

圖6 風(fēng)電場有功功率從30MW升至40MW的控制效果

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