计及机组运行工况的风电场有功功率控制策略

刘双 张建 周柏嵩

（南瑞集团国电南瑞南京控制系统有限公司，南京 210061）

风力发电作为技术最成熟、最具规模化开发和商业化发展的新能源发电方式之一，在中国风资源丰富地区得到了快速发展。由于风电输出功率的随机性与波动性，大规模风电并网将会对电网的稳定运行带来越来越大的不利影响[1-2]，因此，风电场发电功率能按要求进行调节已经成为强制性要求。

目前，国内外学者对风电有功功率控制进行了一定的研究工作。文献[3]提出基于分层结构风电场有功功率控制方法，使风电场有功功率输出满足电网调度要求；文献[4]提出有功无功协调比例分配的风电场功率分配方法，合理利用各台机组的有功无功容量，减少视在功率饱和；文献[5-6]提出按风电机组容量比例分配的风电场有功功率分配策略以降低有功功率的分配误差。以上文献提出的功率分配策略不仅高度依赖相应机组工作的可靠性，而且还因随机地操作相应风电机组而忽视了风电机组具体工况（例如风电机组累计运行时间、累计停机时间等），因而会使某些机组长时间一直在运行，而另一些机组则较长时间一直在停机，从而导致机组故障率提升。而且，风电机组频繁起/停本身就会影响风电机组的稳定性和安全性，同时也会影响风电机组的使用寿命。

针对上述风电场有功功率控制策略没有考虑风电机组具体工况的缺点，本文提出一种计及机组运行工况的有功功率控制策略。首先根据机组预测发电能力及机组运行工况分别生成有功增/减裕度队列和开/停机队列，然后利用有功功率分配算法将功率分配给风电场中的风电机组。最后，将所提出功率控制策略应用到实际风电场中，验证了该功率分配策略的有效性及合理性。

1 有功功率控制原理

风电场有功功率控制是通过协调控制风电场内的各台风电机组，使整个风电场能按照电网目标发电功率输出有功功率。风电场有功功率控制系统主要由风电场功率控制、机组控制、功率预测3个部分组成。风电场有功功控制框图如图1所示。

图1 风电场有功功率控制框图

风电场有功功率控制根据每台风电机组的实时功率和预测功率等信息，把目标发电功率与公共连接点（Point of Common Coupling）实时发电功率的差值ΔP，按照既定的策略以单台风电机组期望输出功率Piref的形式分配给每台可控机组，让每台可控机组根据期望输出功率值进行发电，实现风电场的功率控制。

目前应用较为广泛的有直驱型和双馈型等多种类型的变速恒频风电机组。各种类型的风电机组具有不同的特性，但对于功率控制的响应原理基本相同。机组功率控制模块接收到期望输出功率值后，通过控制发电机转子电流和扭矩，以及速度控制器改变桨叶节矩角的大小来控制发电机转速，使机组按照期望输出功率运行发电。

2 有功功率控制策略

有功功率控制策略主要包括有功增/减裕度队列及开/停机队列的生成和机组有功功率分配算法。

2.1 相关参数定义

定义：ΔP为风电场目标发电功率与公共连接点实时发电功率的差值；Pimax为第i台风电机组能够输出的最大有功功率，即在当前风速下的风电机组预测功率；Pimin为第i台风电机组最小运行功率，即当输出功率小于该值时，风电机组将会直接停机；Pimea为第i台风电机组有功功率实发值；为风电机组最短停机时间，即风电机组停机后到再次开机的最短时间间隔；为风电机组最短开机时间，即风电机组开机后到再次停机的最短时间间隔。

2.2 有功增/减裕度队列和开/停机队列的生成

1）根据各风电机组的当前实发有功功率、最大有功功率及最小运行功率，分别计算有功增裕度系数和有功减裕度系数，依据有功增裕度系数和有功减裕度系数的大小，生成有功增裕度队列和有功减裕度队列。

其中有功增裕度系数为

有功减裕度系数为

2）依据各风电机组的累计停机时间和累计运行时间的长短，生成开机队列和停机队列。

其中开机队列的生成方法是，将风电机组本次停机的时间加上以前累计停机的时间即得到机组累计停机时间，按照机组累计停机时间由长到短的顺序进行排列，生成开机队列。当风电机组停机后，直至超过才能加入到开机队列。

停机队列的生成方法是，将风电机组本次运行的时间加上以前累计运行的时间即得到机组累计运行时间，按照机组累计运行时间由长到短的顺序进行排列，生成停机队列。当风电机组开机后，直至超过才能加入到停机队列。

2.3 机组功率分配算法

1）升功率分配算法

若ΔP＞0，则风电场内可控机组总功率需要升高。

首先计算所有运行的可控风电机组的有功增裕度总和：

其次计算开机队列中所有风电机组起动的有功增裕度总和：

式中，m为运行的可控风电机组台数，n为开机队列中风电机组台数。

2）降功率分配算法

若ΔP＜0，则风电场内可控机组总功率需要降低。

首先计算所有运行的可控风电机组的有功减裕度总和：

式中，m为运行的可控风电机组台数。

3 实际控制效果分析

以山东某风电场为例进行功率分配效果分析。该风电场有33台额定功率为1.5MW的双馈风力发电机。有功功率控制周期为30s，风电机组最小运行功率为300kW，风电机组最短停机时间为0.5h，最短开机时间为0.5h。

图2为根据本文提出的控制算法分配有功功率的效果曲线。

图2 风电场有功功率控制效果

由图2可知：当目标发电功率大于预测发电功率时，风电机组处于最大发电能力状态；当目标发电功率小于预测发电功率时，风电场发电功率被限制为目标发电功率，风电场实时总功率跟随风电场目标发电功率的变化而变化。整个控制过程中实时发电功率控制稳定，能够准确响应目标发电功率的变化。

下面分析图中所标记点附近的功率控制情况。

A点：所有风电机组都以最大有功功率运行，不采取功率控制措施。

B、D点：只对运行的风电机组进行功率控制即可满足目标发电功率要求。

C、E点：除了对运行的风电机组进行功率控制外，还要对停机/开机队列中的风电机组进行停止/启动才能满足目标发电功率要求。

4 结论

本文从机组优化运行及减少对电网稳定影响的角度，提出了一种计及机组运行工况的有功功率控制策略。应用实践表明，该策略不仅可以保证风电场发电功率能够迅速、准确地跟踪目标发电功率，而且能够避免风电机组频繁起/停，降低了风电机组的故障率，提高了风电机组运行的稳定性和安全性，延长了风电机组的使用寿命。

[1]陈宁,于继来.基于电气剖分信息的风电系统有功调度与控制[J].中国电机工程学报,2008,28(6):51-58.

[2]SORENSEN P,HANSENA D,IOV F,et a1. Wind farm models and control strategies[M].Roskilde,Denmark: Riso National Laboratory, 2005.

[3]乔颖,鲁宗相.考虑电网约束的风电场自动有功控制[J].电力系统自动化, 2009, 33(22): 88-93.

[4]黄崇鑫,张凯锋,戴先中,等.考虑DFIG机组容量限制的风电场功率分配方法[J].电力系统保护与控制, 2010, 38(21): 202-207.

[5]RODRIGUEZ-AMENDO J L, BURGOS J C. Automatic generation control of a wind farm with variable speed wind turbines[J]. IEEE Trans on Energy Conversion,2002, 17(2): 279-284.

[6]HANSENA D,SORENSEN P,IOVF.Centralized power control of wind farm with doubly fed induction generators[J].Renewable Energy,2006,31(7):936-951.