優化大型風電機組限功率運行保障我國風電裝機的容量

禚明華 溫紅巖

優化大型風電機組限功率運行保障我國風電裝機的容量

禚明華 溫紅巖

Point

我國近幾年大量風電場的并網給電網的安全運行帶來了很大的困難，對電網的調度部門所管轄風電場提出了相對較為嚴格的限發要求，相應的變速風電機組就要從之前一直運用的傳統風能利用模式逐漸的轉換到需要限制風能功率的運行模式上來，但是由于風力機的功率具有較強的非線性，而運行模式的改變對風電機組提出了更高的設計要求，我們的研究人員提出了一種考慮風電機組限功率運行狀態優化的風電場功率調度策略，本文將針對大型風電機組限功率運行特性進行分析，并對其進行優化調度。

在我國新能源產業的政策支持下，風電裝機容量的容量也在逐漸的遞增當中，在2012年的時候我國風電裝機的容量已經穩居世界第一的位置，但是隨之出現的風電并網又對我國的電網系統的安全穩定運行帶來了很大的影響，因此在我國電網公司中有這樣一條規定，規定中要求風電場要根據電網調度的指令去控制風電機組的功率輸出，這樣才能夠準確的實現風電機組的正常運行，但是這種模式對風電機組以及風電場的相關控制都提出了很大的要求。對我們的研究人員來說也是一項極大的挑戰。

1、風電機組限功率運行的特性分析

我國對風電機組限功率運行主流大型變速風電機組分為兩種，一種是永磁直驅型的，另一種是雙饋型，其主要運行方式如圖1中實線所示：

圖1　變漿型變速風電機組運行控制的曲線

在相對額定風速以下，我們以最大的風能追蹤最為控制的目標，而在額定的風速以上，主要是以額定的功率作為控制的目標，此時并不會涉及到風電機組風電調度這一類問題，我國目前的風電機組是處于低電網限發要求之下的，這種情況就要求我們將風電機組從之前適應的風速逐漸的向電網的方向轉變，主要的運行方式如圖1中虛線所示。圖一當中r為風電機組的轉速；p為風電機組的功率；β為風電機組的槳距角。

但是，由于風輪的氣功功率特征和槳矩角都是有著高度的非線性的，所以說實際的風電機組功率控制系統一般都會運用正常的運行方式來對風電機組限功率運行方式進行制定，在限功率運行的前提下，風電機組會采取改變槳距的方法來維持其始終處于較低的功率中，但是這種方法對大型風電機組運行的穩定性是有很大影響的，所以，我們的研究人員要對風電機組的對象特征以及變化的規律進行設計是非常關鍵的。

2、變速風電機組穩定性分析

我們為了能夠更加直觀的研究大型風電機組在限制功率的情況下研究機組的穩定性和其出現變化的規律。因此我們以主流機為標準，將目標的功率定位0.3，發電機電磁轉矩Te曲線和風輪機械轉矩Tm曲線為例進行說明，說明情況如圖2所示。

圖2　恒功率控制時機械轉矩和電磁轉矩

圖2中，Tm曲線和Te曲線相交點就是轉速可以獲得穩定的平衡點。這一點對于風電機組來說是非常關鍵的，比如說β＝0°時，就會出現A和B兩平衡點，此時Tm曲線和Te曲線對轉速的斜率即分別為式（6）和式（7）中的k1和k2，分別表示為kA1，kA 2和kB1，kB2，由圖中曲線斜率顯然有kA1＞kA2和kB1＜kB2。隨著β的增大，在相同轉速下，風電機組所能夠提供的機械力就會逐漸的減小，這兩者是成正比的，一方增加，另一方必然會減少，而當槳距角繼續增大時，Tm和Te是沒有交點，這樣的話，風電機組的轉速也就沒有了平衡性，在不同的槳距角下，平衡點的位置也是不同的，平衡點的主要運行軌跡如圖3所示。

圖3　平衡點軌跡

3、風電機組限功率運行狀態評估

3.1評價的指標

所謂的評價指標，其最終的目的也是為了能夠進一步的量化風電機組限功率的運行狀態，我們的科研人員在限功率深度這一概念的基礎上設計出了針對大型風電機組的評價指標，這一指標主要的評估標準就是理論輸出和實際輸出功率之間的差額多少，對風電機組進行評估還有一個原因就是這一評價指標還能夠根據負荷區的實際情況來進性相應的比較。這一點是其他評估中不具備的。

3.2功率上限

在相對傳統的運行方式下，我們根據風速的大小來判斷并網之后運行區間的位置，這樣就能夠確定最大的風能追蹤區，當定速運行區和恒功率運行區被區分出來之后，就可以確定切入風速、恒轉速風速。

3.3功率下限

從理論上來講，風電機組是通過變漿調節才將功率降到無限接近于零的，但是我們為了進一步的確保風電機組的可靠性和可操作性，我們在實際的規定標準當中要求風電機組在運行的時候一定要承擔相應的負荷才可以，也就是說要出現最低的運行功率，這一風電機組的數據值和風電機組的具體設計是有很大關系的。我們的研究人員經過分析之后得出一個結論，那就是設計的值定在百分之二十的時候，風電機組的優化調度會達到最合理的狀態。

4、限功率運行優化調度的策略

為了能夠進一步的實現風電機組限功率運行狀態的優化調度，我們的研究人員對風電機組的限功率運行特性進行了詳細的分析，通過風電機組功率的指令來對風電機組的整體運行狀態進行相應的調整，并針對現階段我國風電機組在實際運行過程當中的實際需求，在進一步實現風電機組優化調度之前要考慮實現以下兩點目標：

首先是發電量的目標。風電機出現的目的就是為了發電，為人類服務，如果發電量達不到相應標準的話，那么對風電機組的限功率運行調度就是失敗的，我們要在運行限功率優化調度之后實現最大限度的利用風電機組進行發電才是最重要的。

其次就是風電機組啟停的次數，這一目標主要是風電機組的啟停過程需要剎車系統、槳距角等機械進行操作，這種操作對風電機組變槳系統、發電機系統都具有一定損害的。因此，在多周期機組運行調度中，對風電機組的優化是非常重要的。

（作者單位：禚明華，興安熱電有限責任公司額爾格圖風電場；溫紅巖，興安熱電有限責任公司）