成都阜特科技股份有限公司 馬偉
【摘要】為解決氣候問(wèn)題和能源問(wèn)題，風(fēng)電技術(shù)的進(jìn)步使得柔性塔架類風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的誕生，為滿足電網(wǎng)調(diào)度的限電要求的同時(shí)，避免傳統(tǒng)自適應(yīng)有功控制方法對(duì)柔性塔架機(jī)組帶來(lái)的批量振動(dòng)停機(jī)問(wèn)題，提出了基于逐臺(tái)控制的有功控制方法，保證了控制的準(zhǔn)確性和平穩(wěn)性的同時(shí)，提高風(fēng)能利用率。
【關(guān)鍵詞】柔性塔架 逐臺(tái)控制 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 有功控制
1引言
氣候環(huán)境問(wèn)題和能源問(wèn)題，一直是兩個(gè)我們不可忽視的問(wèn)題，也是兩個(gè)相互影響的問(wèn)題。目前應(yīng)用最為廣泛的能源依然是化石能源，化石能源的燃燒就會(huì)使氣候環(huán)境變得惡劣，然而社會(huì)的發(fā)展既離不開(kāi)良好氣候環(huán)境，也離不開(kāi)能源的供應(yīng)，基于這種沖突矛盾的關(guān)系，新能源逐漸成為能源行業(yè)的新寵。目前在電力行業(yè)中，發(fā)電的形式有火電、水電、光伏、風(fēng)電和核電等，其中風(fēng)電對(duì)環(huán)境最為友好，所以風(fēng)電越來(lái)越受國(guó)家的重視。
風(fēng)電在國(guó)內(nèi)剛起步階段，單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量普遍偏小，隨著時(shí)間的推移，其缺陷也逐漸凸顯，如土地利用率不高，風(fēng)能未得到最大化利用，機(jī)組老化嚴(yán)重等。為解決這些問(wèn)題，新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不斷出現(xiàn)，葉片直徑加長(zhǎng)，塔筒高度增加，并出現(xiàn)了柔性塔架。
柔性塔架是根據(jù)風(fēng)剪切效應(yīng)，為捕獲高空更強(qiáng)更穩(wěn)定的風(fēng)資源，而增加塔架高度，最終達(dá)到增加發(fā)電量的目的，同時(shí)能夠有效降低鋼材使用，從而減輕塔架的整體重量。但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，柔性塔架存在致命缺點(diǎn)——共振頻率低，傳統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)整[1]方式是將風(fēng)場(chǎng)目標(biāo)有功功率與實(shí)際有功功率的差值，按照每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的有功功率裕度之比例，進(jìn)行按比例分配，該種方式會(huì)在每個(gè)有功功率調(diào)整周期來(lái)臨時(shí)更新每臺(tái)機(jī)組的有功功率設(shè)定值（或者發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定值），如果將此種調(diào)整方式應(yīng)用到柔性塔架的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上，當(dāng)有功功率設(shè)定值（或發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定值）被設(shè)定到機(jī)組特有的共振區(qū)，機(jī)組將主動(dòng)停機(jī)，以避免長(zhǎng)期共振對(duì)機(jī)組造成的傷害，反應(yīng)到整個(gè)風(fēng)場(chǎng)，則會(huì)出現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)機(jī)組大面積脫離電網(wǎng)，有功功率驟降，這將非常不利于電網(wǎng)安全。
基于以上的分析，本文提出了一種基于逐臺(tái)控制的風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制系統(tǒng)，并對(duì)控制策略進(jìn)行優(yōu)化，避開(kāi)柔性塔架機(jī)組的共振區(qū)。
2風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制系統(tǒng)功能與設(shè)計(jì)
風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制系統(tǒng)是一套將電網(wǎng)調(diào)度有功功率指令轉(zhuǎn)換為每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有功功率的系統(tǒng)，它能夠結(jié)合風(fēng)力發(fā)電機(jī)組特性以及電網(wǎng)調(diào)度給予的相關(guān)指令，在滿足電網(wǎng)調(diào)度要求的前提下，最大化利用風(fēng)能，為風(fēng)場(chǎng)業(yè)主提高經(jīng)濟(jì)效益。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框架如圖2-1所示。
圖2-1系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框架
風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制系統(tǒng)的構(gòu)成有：統(tǒng)計(jì)模塊、有功功率預(yù)分配模塊、有功功率分配調(diào)整模塊、有功功率分配模塊以及控制參數(shù)模塊。該系統(tǒng)作為一個(gè)子系統(tǒng)集成于風(fēng)場(chǎng)的能量管理系統(tǒng)中，統(tǒng)計(jì)模塊用于收集所有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行信息（如：有功功率、風(fēng)速、機(jī)組狀態(tài)、有功功率設(shè)定值等），并做統(tǒng)計(jì)運(yùn)算，為分配提供原始數(shù)據(jù)支持，同時(shí)向電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)上傳相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)，為調(diào)度系統(tǒng)控制提供數(shù)據(jù)依據(jù)；有功功率預(yù)分配模塊根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)所下發(fā)的目標(biāo)有功控制指令和當(dāng)前風(fēng)場(chǎng)實(shí)發(fā)有功，對(duì)每臺(tái)風(fēng)機(jī)的發(fā)電目標(biāo)進(jìn)行預(yù)估；預(yù)估的結(jié)果由有功功率分配調(diào)整模塊進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整依據(jù)為控制參數(shù)（如：功率調(diào)節(jié)速率、單臺(tái)機(jī)組有功上下限等）；有功功率分配模塊是用于將分配結(jié)果下發(fā)至各臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，在下發(fā)前還會(huì)使用從統(tǒng)計(jì)模塊獲取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)再次進(jìn)行核對(duì)，確認(rèn)無(wú)誤后，機(jī)組將收到最新控制指令，本周期控制完成。
統(tǒng)計(jì)模塊除了收集機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)外，還會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)運(yùn)算，比如：計(jì)算全場(chǎng)平均風(fēng)速、全場(chǎng)總有功功率、全場(chǎng)總有功功率設(shè)定、全場(chǎng)理論有功功率、電網(wǎng)調(diào)度有功指令與全場(chǎng)總有功功率差值、全場(chǎng)總有功功率1分鐘變化幅度、全場(chǎng)總有功功率10分鐘變化幅度。
有功功率預(yù)分配模塊是根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度的有功指令和風(fēng)場(chǎng)實(shí)發(fā)有功，得出需要調(diào)整的量，再遍歷所有機(jī)組，得出最佳分配對(duì)象，并將需要調(diào)整的量附加到最佳分配對(duì)象上。
有功功率分配調(diào)整模塊，其主要作用是調(diào)整最佳分配對(duì)象上附加的調(diào)整量，其調(diào)整依據(jù)由控制參數(shù)提供，如：有功調(diào)整速率、停機(jī)時(shí)間間隔、啟機(jī)時(shí)間間隔等。當(dāng)預(yù)分配后的結(jié)果，不滿足控制參數(shù)要求，就會(huì)對(duì)預(yù)分配值進(jìn)行二次修正，可有效避免風(fēng)場(chǎng)有功變化趨勢(shì)不滿足電網(wǎng)調(diào)度要求。
有功功率分配模塊是將調(diào)整后的分配值，下發(fā)至機(jī)組，在下發(fā)前，會(huì)再次進(jìn)行數(shù)據(jù)合法性判斷，在確認(rèn)無(wú)誤后，將執(zhí)行下發(fā)動(dòng)作。
3風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制關(guān)鍵技術(shù)
為適應(yīng)柔性塔架的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行特點(diǎn)，本文提出了逐臺(tái)控制的有功分配策略。所謂逐臺(tái)控制，與自適應(yīng)控制最大的區(qū)別在于，自適應(yīng)控制方式會(huì)在每個(gè)分配周期更新所有機(jī)組的分配值，而逐臺(tái)控制方式在每個(gè)分配周期僅更新一臺(tái)機(jī)組的分配值。算法流程如圖3-1，其中：
Ptar表示電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)向風(fēng)場(chǎng)下發(fā)的目標(biāo)有功；
Pact表示風(fēng)場(chǎng)實(shí)際總有功；
ΔP表示目標(biāo)有功和實(shí)際有功的差值；
P0表示由控制參數(shù)設(shè)置的有功死區(qū)；
Prem_1表示1號(hào)機(jī)組的有功裕度；
Pthr_1表示1號(hào)機(jī)組的理論有功；
Pact_1表示1號(hào)機(jī)組的實(shí)際有功；
Prem_max表示所有機(jī)組中有功裕度最大值；
Pact_max表示所有機(jī)組中有功最大值；
Ppar_10min表示控制參數(shù)設(shè)置的10分鐘有功變化量；
P10min表示全場(chǎng)總有功10分鐘變化幅度；
Tcyc表示一個(gè)控制周期所花費(fèi)的時(shí)間；
Plim表示一個(gè)控制周期內(nèi)允許的有功最大變化量；
Pset_x表示第x臺(tái)機(jī)組的有功設(shè)定值；
Pact_x表示第x臺(tái)機(jī)組的實(shí)際有功。
系統(tǒng)狀態(tài)分為兩種狀態(tài)，即穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)。當(dāng)目標(biāo)有功和實(shí)際總有功的差值的絕對(duì)值小于等于死區(qū)時(shí)，稱為穩(wěn)態(tài)；當(dāng)目標(biāo)有功和實(shí)際總有功的差值的絕對(duì)值大于死區(qū)時(shí)，稱為非穩(wěn)態(tài)。死區(qū)的設(shè)置是為了避免一些不必要的調(diào)控動(dòng)作，頻繁的調(diào)控會(huì)加重機(jī)組設(shè)備的磨損。在穩(wěn)態(tài)情況下，算法無(wú)需進(jìn)行調(diào)控動(dòng)作，只需要持續(xù)跟蹤機(jī)組數(shù)據(jù)變化；在非穩(wěn)態(tài)情況下，算法都需要進(jìn)行調(diào)控動(dòng)作，盡最大可能將目標(biāo)有功和實(shí)際總有功的差值控制回死區(qū)范圍內(nèi)。引起非穩(wěn)態(tài)的因素有多種，如電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)改變目標(biāo)有功，風(fēng)速波動(dòng)強(qiáng)烈，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組因故障或其他因素導(dǎo)致的停機(jī)等。其中調(diào)控動(dòng)作又分為升功率動(dòng)作和降功率動(dòng)作。目標(biāo)有功大于實(shí)際總有功時(shí)，執(zhí)行升功率動(dòng)作；目標(biāo)有功小于實(shí)際總有功時(shí)，執(zhí)行降功率動(dòng)作。具體的調(diào)控方法如下：
（1）電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)下發(fā)的目標(biāo)有功（Ptar）與風(fēng)場(chǎng)實(shí)際總有功（Pact）計(jì)算差值，可得到ΔP（如圖3-1中的過(guò)程1、過(guò)程2、過(guò)程3）；
（2）如果目標(biāo)有功與風(fēng)場(chǎng)實(shí)際總有功差值的絕對(duì)值（|ΔP|）處于控制死區(qū)（P0）范圍
圖3-1 算法流程圖
內(nèi)時(shí)，將不進(jìn)行調(diào)控動(dòng)作，算法直接返回到起始位置，以持續(xù)監(jiān)測(cè)機(jī)組數(shù)據(jù)變化；否則將執(zhí)行調(diào)控動(dòng)作（如圖3-1中的過(guò)程4）；
（3）在算法對(duì)機(jī)組進(jìn)行調(diào)控前，為避免風(fēng)場(chǎng)有功變化幅度過(guò)大，需計(jì)算出本周期的最大有功變化量（Plim），計(jì)算方法為控制參數(shù)10分鐘有功變化量（Ppar_10min）減去實(shí)際10分鐘有功變化量（P10min）,得到10分鐘內(nèi)的最大有功變化量，再乘以控制周期（Tcyc）除以600，可得到本次控制周期內(nèi)的最大有功變化量（Plim）（如圖3-1中的過(guò)程5）；
（4）如果目標(biāo)有功和實(shí)際有功的差值（ΔP）大于0，則執(zhí)行升功率動(dòng)作。在動(dòng)作前，需要計(jì)算出每臺(tái)機(jī)組理論有功與實(shí)際有功的差值，即有功裕度（Prem_N），再通過(guò)輪詢得到裕度最大值（Prem_max），以及對(duì)應(yīng)的機(jī)組x（如圖3-1中的過(guò)程6、過(guò)程7、過(guò)程8）；
（5）本周期有功最大變化量（Plim）如果大于裕度最大值（Prem_max），則完全放開(kāi)裕度最大的機(jī)組裕度，即，將該臺(tái)機(jī)組的有功設(shè)定值（Pset_x）設(shè)置為實(shí)際有功（Pact_x）與裕度（Prem_max）之和，之后再次輪詢所有機(jī)組，得到新的裕度最大值，以此循環(huán)，直到本周期最大有功變化量（Plim）小于機(jī)組裕度最大值（Prem_max）時(shí)，則將機(jī)組的有功設(shè)定值（Pset_x）設(shè)置為實(shí)際有功（Pact_x）與有功最大變化量（Pact_x）之和，結(jié)束本周期控制，返回算法最開(kāi)始部分（如圖3-1中的過(guò)程9、過(guò)程10、過(guò)程11）；
（6）如果目標(biāo)有功和實(shí)際有功的差值（ΔP）小于0，則執(zhí)行降功率動(dòng)作。在動(dòng)作前，需要輪詢每臺(tái)機(jī)組的實(shí)際有功，并到得實(shí)際有功最大值（Pact_max），以及對(duì)應(yīng)的機(jī)組x（如圖3-1中的過(guò)程6、過(guò)程12）；
（7）本周期有功最大變化量（Plim）如果大于實(shí)際有功最大值（Pact_max），則直接將實(shí)際有功最大的機(jī)組停機(jī)，即，將該臺(tái)機(jī)組的有功設(shè)定值（Pact_x）設(shè)置為0，之后再次輪詢所有機(jī)組，得到新的實(shí)際有功最大值，以此循環(huán)，直到本周期最大有功變化量（Plim）小于機(jī)組實(shí)際有功最大值（Pact_max）時(shí)，則將機(jī)組的有功設(shè)定值（Pact_x）設(shè)置為實(shí)際有功最大值（Pact_max）與有功最大變化量（Plim）之差，結(jié)束本周期控制，返回算法最開(kāi)始部分（如圖3-1中的過(guò)程13、過(guò)程14、過(guò)程15）。
4仿真分析
仿真程序模擬了167臺(tái)額定功率為1.5MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，為盡可能驗(yàn)證算法的正確性，風(fēng)速區(qū)間模擬了多種情況：小風(fēng)階段、起風(fēng)階段、大風(fēng)階段、風(fēng)降階段。根據(jù)Q/GDW11273-2014《風(fēng)電有功功率自動(dòng)控制技術(shù)規(guī)范》和Q/GDW1392-2015《風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)范》要求，仿真程序模擬的裝機(jī)容量達(dá)到250.5MW，故風(fēng)場(chǎng)10分鐘內(nèi)有功變化不能超過(guò)50MW，1分鐘內(nèi)有功變化不能超過(guò)15MW。
近一個(gè)小時(shí)仿真使用的風(fēng)速在3m/s至11m/s之間來(lái)回波動(dòng)（如圖4-1），與實(shí)際的風(fēng)速情況較為接近，在該段時(shí)間內(nèi)，分別進(jìn)行了升功率和降功率操作（如圖4-2），涵蓋了實(shí)際風(fēng)場(chǎng)中較為典型的小風(fēng)期間有功出力不完全，起風(fēng)期間有功提升速率超限，大風(fēng)期間總有功超出目標(biāo)有功等問(wèn)題。
圖4-1 風(fēng)速變化情況
圖4-2有功變化情況
在小風(fēng)階段（如圖4-3，1-373秒），目標(biāo)有功從5kW降至2kW，可看到總有功在經(jīng)歷120秒后，達(dá)到目標(biāo)有功，并穩(wěn)定在±200kW，期間有功1分鐘變化最大值為2.2MW，有功10分鐘變化最大值為3.8MW；隨后在第196秒，目標(biāo)有功從2kW升到5kW，經(jīng)歷120秒后，于316秒重新達(dá)到穩(wěn)態(tài)，并在目標(biāo)有功±800kW范圍內(nèi)波動(dòng)，期間有功1分鐘變化最大值為1.9MW，有功10分鐘變化最大值為3.7MW。綜合分析，可見(jiàn)不存在小風(fēng)期間有功出力不完全，控制不穩(wěn)定，有功變化速率超限的問(wèn)題。
圖4-3 小風(fēng)階段
在起風(fēng)階段（如圖4-2，374-1366秒），風(fēng)速?gòu)?.5m/s升至10m/s，期間目標(biāo)有功分4次從5kW升至120MW，有功10分鐘變化最大值為28.7MW，有功1分鐘變化最大值為6MW。從數(shù)據(jù)可以看出，總有功上升比較平穩(wěn)，未出現(xiàn)超發(fā)或者速率超限的問(wèn)題。
在大風(fēng)階段（如圖4-2，1367-1682秒），風(fēng)速維持在10m/s以上，期間目標(biāo)有功無(wú)變動(dòng)，有功10分鐘變化最大值為28.4MW，有功1分鐘變化最大值為3.4MW。總有功由于未達(dá)到目標(biāo)有功，依舊處于上升趨勢(shì)，上升速度受限于控制參數(shù)對(duì)速率的限定，不存在有功波動(dòng)過(guò)大，上升速率不穩(wěn)定的問(wèn)題。
在風(fēng)降階段（如圖4-2，1683-2647秒），風(fēng)速?gòu)?0m/s降至3m/s，期間目標(biāo)有功依舊無(wú)變化，從數(shù)據(jù)可以看出，總有功的下降速率要小于風(fēng)速的下降速率，該現(xiàn)象是算法對(duì)機(jī)組當(dāng)前有功進(jìn)行了跟蹤，在盡可能多發(fā)電的前提下，最大限度避免風(fēng)降幅度過(guò)大引發(fā)的有功下降速率超限問(wèn)題，也為避免在下次起風(fēng)時(shí)，造成有功上升速率超限問(wèn)題。
另一方面，通過(guò)機(jī)組控制記錄顯示，算法在每個(gè)控制周期內(nèi)僅對(duì)1-5臺(tái)機(jī)組進(jìn)行調(diào)節(jié)，且在短期內(nèi)，不會(huì)重復(fù)對(duì)某一臺(tái)機(jī)組進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組少動(dòng)作的目的。充分驗(yàn)證了逐臺(tái)控制方式的可行性、可靠性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性（如表4-1）。
5結(jié)束語(yǔ)
本文研究了一套基于逐臺(tái)控制的風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制系統(tǒng)及方法，并通過(guò)仿真數(shù)據(jù)驗(yàn)證了其在小風(fēng)階段、起風(fēng)階段、大風(fēng)階段及風(fēng)降階段的可靠性，根據(jù)數(shù)據(jù)分析出有功10分鐘變化、有功1分鐘變化、目標(biāo)有功與總有功差值等各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足要求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)場(chǎng)有功有序調(diào)節(jié)的同時(shí)，降低了棄風(fēng)損失電量，極大提高了風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率。
6參考文獻(xiàn)
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作者簡(jiǎn)介：馬偉（1987-），男，工程師，主要從事風(fēng)電監(jiān)控系統(tǒng)和能量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)，成都，610000。
