大规模风电场有功功率控制策略于成海

大规模风电场有功功率控制策略于成海

于成海

(伊春华宇电力新能源有限公司黑龙江省伊春市153038)

【摘要】：大型风电场一般为分阶段建成，有多种类型的风电机组，它们的有功功率控制特性各不相同，输出功率也不同。由于风机场在不同时期的风力不同，发电机有功功率难以控制。针对这种情况，实现风机最小调节频率、最大风能利用率和有功功率指令的快速响应是风力发电场的重要工作内容。本文提出了大型风力发电场发电机组之间的有功功率分配策略，实现了风电场有功功率的快速稳定调节，降低了风电机组的调节频率。

【关键词】：风电场；有功功率控制；功率分配；风电机群；风电机组

1引言

随着风电规模的不断扩大，风电装机率的提高，风电大容量的集成，同时风的随机性和间歇性决定了风电输出的不稳定，这给电力系统的调度和安全稳定运行带来了许多新的挑战。为了提高对大容量风电运行的管理水平，欧盟国家的电网运行管理部门根据各自国家的风电设备技术水平，风电装机容量和电网强度等因素，制定了各自的风电并网管理程序，要求风力发电场具备调整风电有功功率的能力，并明确了调整有功功率变化率。国际上往往是通过技术进步和制定强制性标准，使风电达到或接近常规动力性能。2009年2月，中国电网公司发行的<<风电场并网技术规定（修订版）》指出：“风电场应根据有功功率调度指挥能力，调整控制输出的有功功率。为了控制风电场有功功率，需配置有功功率控制系统，收发部门进行有功功率的自动远程控制信号的传输，因此，如何实现“风电的有效控制，电网自动发电控制（AGC）是管理电网调度、风电场都十分关注的问题。目前，风电场的有功功率控制，国内外专家学者从不同角度开展了大量的研究工作。本文对风力发电机组平均有功功率分配策略，重点分析了双馈风力发电机组有功功率控制的特点，提出了基于风力发电机组的最大功率输出功率分配算法。在提高双馈风力发电机组额定功率极限、有功功率和无功功率分配的基础上，提出了一种风电指令校正方案，以消除跟踪误差。针对风力发电机组频繁启停风速大功率场下，提出了一种基于信息分类的有功单元实时风速控制策略。根据有功功率和无功功率分布的设计，将基于机组输出特性和运行状态信息的双馈发电机的功率特性分为关键机组出力、降低功率输出、低风速区和高风速区4种类型，考虑到运行状态和控制特性的风电场，以用于VSCF风电场出力限制提出了有功功率控制策略的优先级的方法。

以上研究只针对风电场为同类型机组，对于风电场混合风机类型，不适用于这些分配策略，讨论了风电并网对集群的综合控制，以满足风电场功率的综合需求。大型风力发电场设备往往由多家制造商和厂家提供，而能源管理系统对风力发电机的功率调节（EMS），对另一些厂家的控制权是开放给风电机组的。因此，在设计风电的分配方法时必须考虑到在不同厂家的风电场，不同类型的风电机组具有不同的动态响应特性以及复杂状况下产出的差异，依据最大有功功率实时测风数据和超短期风电功率预测计算，并充分的考虑有源电网的变化率，分配有功功率，然后主动配电及启动风力发电机组或停机、以此实现最大风能利用率和快速响应，降低控制目标调整的频率。

2.风电场有功功率控制

为风电预测系统提供校验数据，风电场设置了不需调整的风机，采用最大功率捕获风能的运行方式，称为基准风机。通过设定固定值，确定了每台风力机的最小运行有功功率和有功功率调整响应时间。属于EMS管理集的同一类型的风扇称为带有AGC模块的集群EMS系统。能够实现其管理的风力发电机组的有功调节。风电场有功控制变电所(以下简称子站)通过风机SCADA和SCADA系统建立风机与风机之间的信息交互链路，接收分站风电机组的有功功率控制、启动机和指令，然后转发给相应的风力机。根据风电预测系统提供的超短期预测结果，计算可调风力机的最大有功功率。总有功功率指令首先按照设定的原则分配。然后利用EMS或分站直接在风电机组之间分配有功功率。

风电场有功功率控制，如图1所示。

3.风电机组有功分配策略

风力涡轮机之间有功功率分配的原则是确保尽可能多的风力涡轮机投入运行。风力涡轮机的启动和停机时间受其自身参数的限制，包括最小停机时间和最小运行时间。最小停机时间是风力发电机从停机到重启的最小时间，最小的运行时间是风力发电机从启动到再次停止的最小时间间隔。另外，为了防止多台风力发电机同时启动，脉冲电流过大，集热器线路过热，需要限制每个周期启动单元的数量。变电站实时监控每台风电机组的运行状态，并记录运行时间和停机时间。根据停机时间的长度，将停机时间超过最小停机时间的可调风力发电机组形成启动队列；根据运行时间长度，运行时间超过最小运行时间的可调风力发电机组形成停机队列。

3.1升功率

升功率的停车队列。如果启动队列中有风扇，那么启动队列中的风扇将首先启动，当需要启动更多风扇时，分批启动。当启动队列中的所有风扇启动且仍需要提升功率时，应按照类似的裕度法在可调风扇之间进行功率分配：

3.2降功率

如果机群的有功功率指令大于其最小运行有功功率，则按照相似裕度法在可调风机间进行功率分配：

风场对风电场有功功率控制的影响如图所示2至4。

在控制过程中，集群的最大有功功率将随风速的波动而变化，控制系统的算法将进行实时调整。从实测数据曲线可以看出，随着电网AGC主站的调度，实时有功功率命令被发出。被测节点的有功功率输出密切跟随，控制效果良好，满足电网的要求。

5结语

本文提出了大型风电场中风机与风机之间的有功功率分配策略，以保证风电场有功功率的变化能满足电网要求的1分钟和10分钟有功功率变化的极限。根据实时风数据和超短期预报数据，计算出未来风力发电机组的最大有功功率，实现风能利用的最大化，提高控制精度。根据风力发电机组分布的具体情况，采用不同的分配策略，考虑风机的运行约束条件，可适应不同类型的风力发电机组。让更多的风力涡轮机参与调节，以便迅速响应有功指令，同时减少风机调节的频率，这有利于风力机的长期稳定运行。

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