風電場場站級有功控制策略研究

屠友強，周妮娜，佘 焱

(1.上海交通大學，上海 200030；2.上海申能臨港燃機發電有限公司，上海 201306；3.國網上海市電力公司松江供電公司，上海 201600)

1 風電場有功控制策略研究現狀

現有文獻和已投運風電場對于風電場有功功率的控制，方法都比較簡單，主要采用固定比例分配法和變比例分配法[1-5]。

1.1 固定比例分配法

固定比例分配法按照額定容量大的機組分配有功出力多的原則進行分配，分配方法為

(1)

1.2 變比例分配法

變比例分配法是通過實時風速預測風電機組的最大有功輸出，按照下一運行周期預測功率大的機組有功分配多的原則來分配，分配方法為

(2)

根據場站級有功控制策略，一旦風速波動較大，得到的下一周期單臺機組有功調控指令也會發生大幅波動。對于單臺風機而言，有功調控指令忽高忽低將導致控制系統動作頻繁，運行狀態切換次數增加，進而導致風電場可靠性降低，功率輸出不穩定，機械損耗增加，設備壽命減短，間接增加發電成本。

2 風電場場站級有功控制模式及功率設定方法

電網調度對風電場的四種典型控制模式為：限值模式、調整模式、斜率控制模式以及差值模式，通過不同模式將調度的出力指令轉變為風電場功率設定值[6-8]。

2.1 斜率控制模式

(3)

2.2 限值模式

限值模式下，風電場實時發電功率不能大于電網的調度值(限功率控制)或不能小于電網的調度值(升功率控制)。基于此可設計算法具體如下。

(3)由斜率控制模式得到滿足電網調度的下一周期有功設定值Pset。

限值模式是除正常運行外最常見的一種運行模式，本文提出的功率分配策略也主要是針對該種功率控制模式提出的。

2.3 調整模式

運行在調整模式時，有功功率控制系統會立即調整風電場總發電功率，直到其滿足電網調度與計劃要求的限定值，調整周期較短，跟蹤精度較高，但控制器動作頻繁，其算法設計與限值模式基本相同。在實際運行中該種模式出現的情況較少。

2.4 差值模式

差值模式是使風電場按照恒低于最大可發電功率一個固定的設定值ΔP來進行發電的模式，ΔP由電網調度機構進行下發。

綜上，該有功控制模式環節是風電場根據電網調度指令進行有功功率調控的起始環節，風電場根據電網調度指令和電場當前出力情況，結合給定的功率控制模式，便可以計算出下一周期的設定功率值Pset，并將該值傳輸給下一個優先級排序和功率分配算法環節。具體的風電場有功設定值原理圖如圖1所示。

圖1 風電場有功設定值原理流程圖

3 風電場場站級有功功率分配

3.1 風電機組優先級排序方法

本文在評價不同風電機組的調控特性時，采用優先順序法進行機組調控優先級排序。在電力系統機組組合問題中，優先順序法簡單、易于實現、運算時間短而且不存在不收斂或得不到可行解的情況，能夠較快地獲得滿足目標的最優近似解，因此在實際系統中應用較多。

優先順序法的基本原理和計算指標形成過程如下：

(4)

由此，可構造風電機組i的調節性能指標為

(5)

按該指標從大到小的順序建立風電場內可限出力的控制序列表。

3.2 風電場場站級降功率分配算法

根據風電場出力降低的程度以及是否需要切停部分機組，降功率控制分為不切機降功率控制和切機降功率控制兩種[10-11]。

3.2.1不切機降功率分配算法

由計算所得t值，形成機組降功率調控值序列{ΔP1，max、ΔP2，max…ΔPt，max、0、0……0}，進而形成風電場內各機組下一控制周期有功功率設定值序列{P1，set、P2，set、P3，set……Pn，set}。

(6)

式中Pi，set——第i臺機組下一周期的有功功率設定值；Pi0——第i臺機組當前有功出力指令。

3.2.2切機降功率分配算法

當時ΔP∑max<ΔP，僅靠降低風機功率已不足以滿足風電場降功率要求，需要切停部分機組，其余機組按允許最小功率運行。在切機降功率控制中，應盡量使切機機組數量最少。

由m值形成機組切機降功率設定值序列{P1，set、P2，set、P3，set…Pn，set}。

3.3 風電場場站級升功率分配算法

當風電場當前有功出力小于調度指令時，需要增加功率。與風電場降功率控制不同的是，風電場升功率需要滿足一定的前提條件。由于正常運行時，根據國家新能源發電政策，風電場一般按追蹤最大風功率方式運行，不對風機進行功率控制，以實現風能的最大利用，風電場內運行機組不存在備用容量，所以不能像常規機組一樣在任何情況下都能實現功率的增加。

風電場升功率需要滿足如下條件[12]。

(1)風電場內存在下一控制周期預測處理上升的機組。

(2)風電場內存在停機待啟動機組。

在進行風電場升功率控制時，應盡量減少機組的控制次數和停機待啟動機組的啟動數量，以減少風電機組和控制系統的損耗，增加運行經濟性。因此，在調控機組時，按照首先調控下一周期預測功率上升的機組，在仍不滿足功率上升值要求時再啟動待機機組的順序進行進行功率控制。

對于正常運行的機組，根據下一周期預測功率的升降情況，可以分為預測功率上升機組、預測功率不變機組和預測功率下降機組。由于需要增發功率，所以這三類機組都需要按照最大風功率跟蹤方式運行，不對其進行調控。

對于待機機組是否啟動，需要進行計算得出確切的啟動臺數。

記ΔΔP=ΔP+ΔP--ΔP+，表示風電場內現有運行機組按照追蹤最大風功率方式運行時下一周期的升功率缺額。

若ΔΔP<0，表示現有運行機組下一周期有功出力可以滿足調度指令，待機機組不需要啟動；

若ΔΔP>0，表示現有運行機組下一周期有功出力不滿足調度指令，需要啟動部分待機機組。

4 風電場場站有功控制策略

設風電場當前出力為PCC，調度給出的下一周期期望出力為Pref，則風電場需要變化的出力為ΔP=PPref-PCC。當ΔP>0時，風電場需要增加有功出力；當ΔP<0時，風電場需要減小有功出力。

當電網調度不對風電場下達調度指令時，風電場以正常模式，各風電機組按照追蹤最大風功率方式運行。當電網調度對風電場進行功率控制時，根據調度要求，風電場選擇運行在限值模式、調整模式、斜率控制模式以及差值模式四種模式下，進而不斷生成下一周期有功出力指令，輸出給功率分配環節對各個機組進行控制。由此可得風電場有功功率控制策略的基本流程具體如下。

(1) 判斷是否有電網調度指令，若無，則按照最大出力原則進行全場最大出力；若有，則執行第二步；

(2) 根據電網調度指令和電站當前出力情況，投入相應的有功功率控制模式；

(3) 根據控制模式的要求，計算下一控制周期風電場的有功設定功率；

(4) 根據升功率還是降功率對各臺風機進行優先級排序；

(5) 根據優先級序列，將設定功率按照分配策略分配給各風機，控制各風機輸出功率。

圖2為風電場場站級有功功率控制流程圖。

圖2 風電場場站級有功功率控制的流程圖

5 結語

本文所研究的風電場場站級功率分配策略，核心思想是根據場內機組當前出力狀態和下一周期出力預測值，對機組進行調控優先級排序，按照優先級序列選擇合適數量的機組進行有功控制。在根據調度指令進行有功調整時，不必動作風電場內所有機組，減小了風電機組控制器的動作次數延長了機組和控制器壽命，提高了運行經濟性。

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