基于自適應調整控制器的風電場有功功率控制系統及方法

 

　　隨著常規能源的枯竭，可再生能源將成為未來的能源的重要組成部分。由于風能其儲存量大又易于形成規模，并且風力發電技術相對成熟，因此風能作為一種綠色能源在近幾十年得到了廣泛的開發和利用，也有希望成為未來不可替代的可再生資源之一[1]。風電場裝機量的不斷增加，如何有效控制各風電機組的有功出力，在遵循風電場接入電網技術標準及滿足電網調度對風電場有功控制能力的需求時，制定既可保證單臺風電機組安全穩定運行，又可實現風電場最大風電轉換效率的控制目標，充分地利用風能，實現風電機組群的協調控制方法，這就需要優良的有功功率控制系統及方法。

 

　　由于風電場功率控制的重要性，國內外學者根據各自國家制定的風電場接入電網技術標準，對并網風電場如何響應電網調度要求做了大量的研究。這些研究主要集中于建立可行的風電場功率控制框架，分析如何對風電場內各風電機組進行控制以實現滿足電網調度的功率輸出要求[2]。文獻[3]通過分析風電場的集中功率控制，建立了有效的風電場功率控制框架，設計的控制系統能夠按照電網調度進行有功功率的輸出。文獻[4]設計了2層模型的風電場有功功率控制結構，即頂層實行在線調度控制，底層進行實時偏差控制，并根據自動化程度高低提出了兩種功率分配方案，把按機組容量比例分配方法和按饋線潮流分布方法相結合，能夠有效的進行風電場輸出功率的控制。文獻[5]提出了一種風電場優化功率控制策略，該策略針對風電場有功提升模式下的出力控制，有效避免了機組頻繁啟停且使風電場出力平穩。文獻[6]提出了一種考慮風電場機組狀態信息的功率控制策略，能夠根據調度需求生成有功增功率機組集合和降功率機組集合，對調度功率進行分配。

 

　　雖然許多學者提出根據機組分類對風電場有功功率進行控制的策略，但是在對機組進行控制時僅僅是根據類別進行控制，并沒有對同一分組內的風機實行差別控制。因此，本文的基于自適應調整控制器的風電場有功功率控制系統策略綜合考慮機組預測功率信息，并根據分類類別以組內不同機組的實時調節容量為控制性能指標，對機組進行自適應調整控制。

 

　　1、風電場有功功率控制系統總體功能與設計

 

　　風電場有功功率控制系統主要實現風電場有功功率智能分配，對接入SCADA系統的所有風電機組進行遠程功率控制，同時與電網調度系統整合。使風電場滿足電能控制及遠程調度功能，風電場有功功率的控制系統框架如下圖1所示。

 

 

圖1 風電場有功功率控制系統框架

 

　　風電場有功功率控制系統主要由電網標準限制器、加法器、有功功率預調整模塊、自適應調整控制器和功率分配模塊組成。本系統安裝在中控室，與SCADA系統連接，獲取風電機組的運行信息，并接收電網調度下發的有功功率控制指令，通過有功功率預調整模塊判斷電網下發有功指令與加法器計算的風電場全場實際有功出力的差值是否超出了有功控制死區，進而計算全場有功功率預調整量。進一步地，通過電網標準限制器要求功率提升與功率降低均需滿足電網標準對風電場調整時間1分鐘和10分鐘內的全場有功功率變化限制，自適應調整控制器根據經過電網標準限制器的有功功率預調整量和加法器匯總得到的各臺風電機組運行數據計算當前分配周期全場有功功率調整量，并使用功率分配模塊通過風電場監控系統分配到每一臺受控風電機組，使風電場整體有功功率達到調度要求，實現風電場有功功率智能控制。

 

　　電網標準限制器作用是要求功率提升與功率降低均需滿足電網標準對風電場調整時間1分鐘和10分鐘內的全場有功功率變化限制。

 

　　加法器作用是對SCADA系統的風電機組運行數據進行匯總。

 

　　有功功率預調整模塊作用是判斷電網下發有功指令與風電場全場實際有功出力的差值是否超出了有功控制死區，若超出死區，則有功功率預調整量為電網下發有功指令與風電場全場實際有功出力的差值；若未超出死區，則有功功率預調整量為0，即不調整有功。

 

　　自適應調整控制器作用是對風電機組因為風速影響導致有功出力飄離設定有功功率的風電機組有功死區時，自適應對風電機組實施校正控制，最終計算得到當前分配周期全場有功功率調整量VP。

 

　　功率分配模塊作用是根據有功可能出力多的風電機組所分擔的有功多的原則，將自適應調整控制器計算的有功功率調整量VP分配到各風電機組。

 

　　2、風電場有功功率控制關鍵技術

 

　　風電場有功功率控制系統自適應調整控制器算法可以有效控制各風電機組的有功出力，制定既可保證單臺風電機組安全穩定運行，又可實現風電場最大風電轉換效率的控制目標，充分地利用風能，實現風電機組群的協調控制。自適應調整控制器算法流程如圖2所示。

 

 

圖2 自適應調整控制器算法流程圖

 

　　自適應調整控制器算法如上圖2所示，風電場有功功率控制系統通過判斷電網下發有功指令與風電場實際有功出力的差值，進行相應的有功功率控制狀態，有功功率控制狀態包括：升功率狀態、降功率狀態和正常發電狀態。同時當風電機組因為風速影響導致出力飄離設定功率的風電機組有功死區時，自適應對風電機組實施校正控制，具體的控制方法如下：

 

　?。?）電網下發調度指令與風場實際有功功率計算差值的絕對值|VP|，當|VP|小于調整閾值后便自適應調整有功功率變化系數，目的是為了減小全場功率波動，達到精確調整；并將|VP|與有功控制死區P0比較（有功控制死區P0設定根據風電場裝機容量進行設定），目的是為了電網調度指令變化不大的情況時，不頻繁調整計劃；

 

　　（2）若風電場實際有功Pact小于風電場設定有功時，則進行升功率狀態，從風電機組可提升功率隊列中進行功率增量的分配，此時如果可提升功率達不到功率增量，便遍歷停機隊列，選擇可供啟動的機組；

 

　?。?）若實際有功大于設定有功時，則風電場就處于降功率控制狀態，從風電機組可降功率隊列中進行功率減量的分配，此時如果可降功率達不到功率減量，便遍歷運行機組隊列，選擇停機；

 

　?。?）功率提升與降低均需滿足電網標準對風電場全場有功功率1分鐘變化和10分鐘變化的要求。

 

　　2.2、有功功率分配算法

 

　　在設計風電場的有功分配算法時，根據有功可能出力多的風電機組所分擔的有功多的原則，按比例進行分配。

 

　?。?）升功率算法。在可提升風電機組隊列中，增加各風電機組的發電計劃，將電網下發調度指令與風場實際有功功率的差值△P根據有功可能出力多的風電機組所分擔的有功多的原則，進行比例分配，若該風電機組計劃值超過其運行容量，則將超出部分分給其他風電機組。

 

　　（2）降功率算法。在可降低功率風機隊列中，根據有功可能出力多的機組所降低的有功少的原則，按比例分配的算法。

 

　　3、實例分析

 

　　本文有功功率控制系統應用于甘肅某風電場，并以該風電場運行數據進行控制方法有效性的分析。該風電場有134臺1.5MW雙饋風電機組，其中受控機組120臺，4臺機組不可控，10臺機組維修停機。根據Q/GDW11273-2014《風電有功功率自動控制技術規范》和Q/GDW1392-2015《風電場接入電網技術規范》要求，該風電場1分鐘有功功率變化最大限值15MW，10分鐘有功功率變化最大限值50MW，調節（全場）有功功率超調量不大于20.1MW，調節（全場）有功功率運行范圍最大偏差不大于10.05MW。

 

　　圖3是風電場在風速5-10m/s的情況下，在本文所述的有功功率控制系統控制作用下的風電場運行數據，橫坐標是時間（秒），縱坐標是有功功率（KW）。

 

 

圖3 風電場有功功率控制響應曲線

 

　　由圖3可知，風電場有功功率實際出力能快速的跟蹤網調下發指令值。其中，調節（全場）有功功率運行范圍最大偏差為1.219MW，調節（全場）有功功率超調量最大值為1.625MW，1分鐘功率最大變化值為11.45MW，10分鐘功率最大變化值為12.646MW，滿足控制標準要求。整個控制過程中實際發電功率控制穩定，能夠準確快速響應網調指令的變化。

 

　　在該風場進行投入有功功率控制功能后風電場功率損失情況的試驗，以1小時風電場運行數據進行分析，在前30分鐘內退出有功功率控制，所有受控風電機組自由發電，后30分鐘投入有功功率控制，所有受控風電機組受控發電。圖4是1小時內風速變化曲線，圖5是風電場投入有功功率控制對比未投入時功率曲線。

 

 

圖4 1小時內風速變化曲線

 

 

圖5 風電場投入有功功率控制對比未投入時數據曲線

 

　　在退出有功功率控制的半小時中，平均風速7.75m/s，風電場平均功率69712.74kwh；在投入有功功率控制的半小時中，平均風速8.72m/s，平均功率76119.18kwh。應用有功功率控制系統，風電場輸出功率與風電場自由發電輸出功率整體趨勢一致，并未出現有功率損失的情況。

 

　　4、結束語

 

　　本方法通過判斷電網下發有功指令與風電場實際有功出力的差值超出了有功控制死區時，對風電機組群進行有功協調控制。當各風電機組因為風速影響導致出力飄離設定功率的風電機組有功死區時，實時對風機實施校正控制，同時，采用自適應調整有功功率變化系數控制策略，減小了風電場全場有功功率的波動。通過采集到的風速數據計算風電機組的預測最優期望功率，根據有功可能出力多的機組所分擔的有功多的原則，按各臺最優期望功率在風電場總的最優期望功率中所占比例進行有功功率分配。最后，通過風電場應用該系統進行驗證，該方法可以滿足電網調度對風電場有功控制能力的需求，又可實現風電場最大風電轉換效率的控制目標，充分地利用風能，實現快速、精確控制。

 

　　參考文獻

 

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