基于自適應(yīng)調(diào)整控制器的風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制系統(tǒng)及方法

摘要：隨著風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)量的不斷增加，風(fēng)電場(chǎng)大規(guī)模接入電網(wǎng)給電網(wǎng)有功調(diào)度和控制帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，這便需要優(yōu)良的有功功率控制系統(tǒng)及方法，滿足電網(wǎng)調(diào)度對(duì)風(fēng)電場(chǎng)有功控制能力的需求，實(shí)現(xiàn)快速、精確控制。本文綜合考慮風(fēng)電機(jī)組預(yù)測(cè)功率信息，并根據(jù)不同風(fēng)電機(jī)組的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)容量為控制性能指標(biāo)，對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整控制，詳細(xì)介紹了風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制系統(tǒng)框架和關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)方案。對(duì)某風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)用所提出的有功功率控制方法進(jìn)行試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析表明，滿足控制標(biāo)準(zhǔn)要求下，可以充分地利用風(fēng)能，能實(shí)現(xiàn)整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制的準(zhǔn)確性和平穩(wěn)性。關(guān)鍵詞：風(fēng)電機(jī)組；有功功率；自適應(yīng)調(diào)整；功率控制0、引言隨著常規(guī)能源的枯竭，可再生能源將成為未來(lái)的能源的重要組成部分。由于風(fēng)能其儲(chǔ)存量大又易于形成規(guī)模，并且風(fēng)力發(fā)電技術(shù)相對(duì)成熟，因此風(fēng)能作為一種綠色能源在近幾十年得到了廣泛的開(kāi)發(fā)和利用，也有希望成為未來(lái)不可替代的可再生資源之一。風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)量的不斷增加，如何有效控制各風(fēng)電機(jī)組的有功出力，在遵循風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及滿足電網(wǎng)調(diào)度對(duì)風(fēng)電場(chǎng)有功控制能力的需求時(shí)，制定既可保證單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，又可實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)最大風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率的控制目標(biāo)，充分地利用風(fēng)能，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組群的協(xié)調(diào)控制方法，這就需要優(yōu)良的有功功率控制系統(tǒng)及方法。由于風(fēng)電場(chǎng)功率控制的重要性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者根據(jù)各自國(guó)家制定的風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)如何響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)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(fēng)電場(chǎng)功率控制框架，分析如何對(duì)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)各風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)滿足電網(wǎng)調(diào)度的功率輸出要求。通過(guò)分析風(fēng)電場(chǎng)的集中功率控制，建立了有效的風(fēng)電場(chǎng)功率控制框架，設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠按照電網(wǎng)調(diào)度進(jìn)行有功功率的輸出。設(shè)計(jì)了2層模型的風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制結(jié)構(gòu)，即頂層實(shí)行在線調(diào)度控制，底層進(jìn)行實(shí)時(shí)偏差控制，并根據(jù)自動(dòng)化程度高低提出了兩種功率分配方案，把按機(jī)組容量比例分配方法和按饋線潮流分布方法相結(jié)合，能夠有效的進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的控制。提出了一種風(fēng)電場(chǎng)優(yōu)化功率控制策略，該策略針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)有功提升模式下的出力控制，有效避免了機(jī)組頻繁啟停且使風(fēng)電場(chǎng)出力平穩(wěn)。提出了一種考慮風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組狀態(tài)信息的功率控制策略，能夠根據(jù)調(diào)度需求生成有功增功率機(jī)組集合和降功率機(jī)組集合，對(duì)調(diào)度功率進(jìn)行分配。雖然許多學(xué)者提出根據(jù)機(jī)組分類(lèi)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)有功功率進(jìn)行控制的策略，但是在對(duì)機(jī)組進(jìn)行控制時(shí)僅僅是根據(jù)類(lèi)別進(jìn)行控制，并沒(méi)有對(duì)同一分組內(nèi)的風(fēng)機(jī)實(shí)行差別控制。因此，本文的基于自適應(yīng)調(diào)整控制器的風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制系統(tǒng)策略綜合考慮機(jī)組預(yù)測(cè)功率信息，并根據(jù)分類(lèi)類(lèi)別以組內(nèi)不同機(jī)組的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)容量為控制性能指標(biāo)，對(duì)機(jī)組進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整控制。1、風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制系統(tǒng)總體功能與設(shè)計(jì)風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)有功功率智能分配，對(duì)接入SCADA系統(tǒng)的所有風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行遠(yuǎn)程功率控制，同時(shí)與電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)整合。使風(fēng)電場(chǎng)滿足電能控制及遠(yuǎn)程調(diào)度功能，風(fēng)電場(chǎng)有功功率的控制系統(tǒng)框架如下圖1所示。圖1風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制系統(tǒng)框架風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制系統(tǒng)主要由電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)限制器、加法器、有功功率預(yù)調(diào)整模塊、自適應(yīng)調(diào)整控制器和功率分配模塊組成。本系統(tǒng)安裝在中控室，與SCADA系統(tǒng)連接，獲取風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行信息，并接收電網(wǎng)調(diào)度下發(fā)的有功功率控制指令，通過(guò)有功功率預(yù)調(diào)整模塊判斷電網(wǎng)下發(fā)有功指令與加法器計(jì)算的風(fēng)電場(chǎng)全場(chǎng)實(shí)際有功出力的差值是否超出了有功控制死區(qū)，進(jìn)而計(jì)算全場(chǎng)有功功率預(yù)調(diào)整量。進(jìn)一步地，通過(guò)電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)限制器要求功率提升與功率降低均需滿足電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)調(diào)整時(shí)間1分鐘和10分鐘內(nèi)的全場(chǎng)有功功率變化限制，自適應(yīng)調(diào)整控制器根據(jù)經(jīng)過(guò)電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)限制器的有功功率預(yù)調(diào)整量和加法器匯總得到的各臺(tái)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算當(dāng)前分配周期全場(chǎng)有功功率調(diào)整量，并使用功率分配模塊通過(guò)風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)分配到每一臺(tái)受控風(fēng)電機(jī)組，使風(fēng)電場(chǎng)整體有功功率達(dá)到調(diào)度要求，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)有功功率智能控制。電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)限制器作用是要求功率提升與功率降低均需滿足電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)調(diào)整時(shí)間1分鐘和10分鐘內(nèi)的全場(chǎng)有功功率變化限制。加法器作用是對(duì)SCADA系統(tǒng)的風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總。有功功率預(yù)調(diào)整模塊作用是判斷電網(wǎng)下發(fā)有功指令與風(fēng)電場(chǎng)全場(chǎng)實(shí)際有功出力的差值是否超出了有功控制死區(qū)，若超出死區(qū)，則有功功率預(yù)調(diào)整量為電網(wǎng)下發(fā)有功指令與風(fēng)電場(chǎng)全場(chǎng)實(shí)際有功出力的差值；若未超出死區(qū)，則有功功率預(yù)調(diào)整量為0，即不調(diào)整有功。自適應(yīng)調(diào)整控制器作用是對(duì)風(fēng)電機(jī)組因?yàn)轱L(fēng)速影響導(dǎo)致有功出力飄離設(shè)定有功功率的風(fēng)電機(jī)組有功死區(qū)時(shí)，自適應(yīng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組實(shí)施校正控制，最終計(jì)算得到當(dāng)前分配周期全場(chǎng)有功功率調(diào)整量。功率分配模塊作用是根據(jù)有功可能出力多的風(fēng)電機(jī)組所分擔(dān)的有功多的原則，將自適應(yīng)調(diào)整控制器計(jì)算的有功功率調(diào)整量分配到各風(fēng)電機(jī)組。2、風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制關(guān)鍵技術(shù)2.1、自適應(yīng)調(diào)整控制器算法風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)整控制器算法可以有效控制各風(fēng)電機(jī)組的有功出力，制定既可保證單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，又可實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)最大風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率的控制目標(biāo)，充分地利用風(fēng)能，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組群的協(xié)調(diào)控制。自適應(yīng)調(diào)整控制器算法流程如圖2所示。圖2自適應(yīng)調(diào)整控制器算法流程圖自適應(yīng)調(diào)整控制器算法如上圖2所示，風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制系統(tǒng)通過(guò)判斷電網(wǎng)下發(fā)有功指令與風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際有功出力的差值，進(jìn)行相應(yīng)的有功功率控制狀態(tài)，有功功率控制狀態(tài)包括：升功率狀態(tài)、降功率狀態(tài)和正常發(fā)電狀態(tài)。同時(shí)當(dāng)風(fēng)電機(jī)組因?yàn)轱L(fēng)速影響導(dǎo)致出力飄離設(shè)定功率的風(fēng)電機(jī)組有功死區(qū)時(shí)，自適應(yīng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組實(shí)施校正控制，具體的控制方法如下：（1）電網(wǎng)下發(fā)調(diào)度指令與風(fēng)場(chǎng)實(shí)際有功功率計(jì)算差值的絕對(duì)值||，當(dāng)||小于調(diào)整閾值后便自適應(yīng)調(diào)整有功功率變化系數(shù)，目的是為了減小全場(chǎng)功率波動(dòng)，達(dá)到精確調(diào)整；并將||與有功控制死區(qū)P0比較（有功控制死區(qū)P0設(shè)定根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量進(jìn)行設(shè)定），目的是為了電網(wǎng)調(diào)度指令變化不大的情況時(shí)，不頻繁調(diào)整計(jì)劃；（2）若風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際有功小于風(fēng)電場(chǎng)設(shè)定有功時(shí)，則進(jìn)行升功率狀態(tài)，從風(fēng)電機(jī)組可提升功率隊(duì)列中進(jìn)行功率增量的分配，此時(shí)如果可提升功率達(dá)不到功率增量，便遍歷停機(jī)隊(duì)列，選擇可供啟動(dòng)的機(jī)組；（3）若實(shí)際有功大于設(shè)定有功時(shí)，則風(fēng)電場(chǎng)就處于降功率控制狀態(tài)，從風(fēng)電機(jī)組可降功率隊(duì)列中進(jìn)行功率減量的分配，此時(shí)如果可降功率達(dá)不到功率減量，便遍歷運(yùn)行機(jī)組隊(duì)列，選擇停機(jī)；（4）功率提升與降低均需滿足電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)全場(chǎng)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(shè)計(jì)風(fēng)電場(chǎng)的有功分配算法時(shí)，根據(jù)有功可能出力多的風(fēng)電機(jī)組所分擔(dān)的有功多的原則，按比例進(jìn)行分配。（1）升功率算法。在可提升風(fēng)電機(jī)組隊(duì)列中，增加各風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電計(jì)劃，將電網(wǎng)下發(fā)調(diào)度指令與風(fēng)場(chǎng)實(shí)際有功功率的差值△P根據(jù)有功可能出力多的風(fēng)電機(jī)組所分擔(dān)的有功多的原則，進(jìn)行比例分配，若該風(fēng)電機(jī)組計(jì)劃值超過(guò)其運(yùn)行容量，則將超出部分分給其他風(fēng)電機(jī)組。（2）降功率算法。在可降低功率風(fēng)機(jī)隊(duì)列中，根據(jù)有功可能出力多的機(jī)組所降低的有功少的原則，按比例分配的算法。3、實(shí)例分析本文有功功率控制系統(tǒng)應(yīng)用于甘肅某風(fēng)電場(chǎng)，并以該風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行控制方法有效性的分析。該風(fēng)電場(chǎng)有134臺(tái)1.5MW雙饋風(fēng)電機(jī)組，其中受控機(jī)組120臺(tái)，4臺(tái)機(jī)組不可控，10臺(tái)機(jī)組維修停機(jī)。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，該風(fēng)電場(chǎng)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(diào)節(jié)（全場(chǎng)）有功功率超調(diào)量不大于20.1MW，調(diào)節(jié)（全場(chǎng)）有功功率運(yùn)行范圍最大偏差不大于10.05MW。圖3是風(fēng)電場(chǎng)在風(fēng)速5-10m/s的情況下，在本文所述的有功功率控制系統(tǒng)控制作用下的風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，橫坐標(biāo)是時(shí)間（秒），縱坐標(biāo)是有功功率（KW）。圖3風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制響應(yīng)曲線由圖3可知，風(fēng)電場(chǎng)有功功率實(shí)際出力能快速的跟蹤網(wǎng)調(diào)下發(fā)指令值。其中，調(diào)節(jié)（全場(chǎng)）有功功率運(yùn)行范圍最大偏差為1.219MW，調(diào)節(jié)（全場(chǎng)）有功功率超調(diào)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(biāo)準(zhǔn)要求。整個(gè)控制過(guò)程中實(shí)際發(fā)電功率控制穩(wěn)定，能夠準(zhǔn)確快速響應(yīng)網(wǎng)調(diào)指令的變化。在該風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行投入有功功率控制功能后風(fēng)電場(chǎng)功率損失情況的試驗(yàn)，以1小時(shí)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在前30分鐘內(nèi)退出有功功率控制，所有受控風(fēng)電機(jī)組自由發(fā)電，后30分鐘投入有功功率控制，所有受控風(fēng)電機(jī)組受控發(fā)電。圖4是1小時(shí)內(nèi)風(fēng)速變化曲線，圖5是風(fēng)電場(chǎng)投入有功功率控制對(duì)比未投入時(shí)功率曲線。圖41小時(shí)內(nèi)風(fēng)速變化曲線圖5風(fēng)電場(chǎng)投入有功功率控制對(duì)比未投入時(shí)數(shù)據(jù)曲線在退出有功功率控制的半小時(shí)中，平均風(fēng)速7.75m/s，風(fēng)電場(chǎng)平均功率69712.74kwh；在投入有功功率控制的半小時(shí)中，平均風(fēng)速8.72m/s，平均功率76119.18kwh。應(yīng)用有功功率控制系統(tǒng)，風(fēng)電場(chǎng)輸出功率與風(fēng)電場(chǎng)自由發(fā)電輸出功率整體趨勢(shì)一致，并未出現(xiàn)有功率損失的情況。4、結(jié)束語(yǔ)本方法通過(guò)判斷電網(wǎng)下發(fā)有功指令與風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際有功出力的差值超出了有功控制死區(qū)時(shí)，對(duì)風(fēng)電機(jī)組群進(jìn)行有功協(xié)調(diào)控制。當(dāng)各風(fēng)電機(jī)組因?yàn)轱L(fēng)速影響導(dǎo)致出力飄離設(shè)定功率的風(fēng)電機(jī)組有功死區(qū)時(shí)，實(shí)時(shí)對(duì)風(fēng)機(jī)實(shí)施校正控制，同時(shí)，采用