成都阜特科技股份有限公司 馬偉

　　

　　【摘要】為解決氣候問題和能源問題，風電技術(shù)的進步使得柔性塔架類風力發(fā)電機組的誕生，為滿足電網(wǎng)調(diào)度的限電要求的同時，避免傳統(tǒng)自適應(yīng)有功控制方法對柔性塔架機組帶來的批量振動停機問題，提出了基于逐臺控制的有功控制方法，保證了控制的準確性和平穩(wěn)性的同時，提高風能利用率。

　　

　　【關(guān)鍵詞】柔性塔架 逐臺控制 風力發(fā)電機組 有功控制

　　

　　

　　氣候環(huán)境問題和能源問題，一直是兩個我們不可忽視的問題，也是兩個相互影響的問題。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使氣候環(huán)境變得惡劣，然而社會的發(fā)展既離不開良好氣候環(huán)境，也離不開能源的供應(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、風電和核電等，其中風電對環(huán)境最為友好，所以風電越來越受國家的重視。

　　

　　風電在國內(nèi)剛起步階段，單臺風力發(fā)電機組裝機容量普遍偏小，隨著時間的推移，其缺陷也逐漸凸顯，如土地利用率不高，風能未得到最大化利用，機組老化嚴重等。為解決這些問題，新型風力發(fā)電機組不斷出現(xiàn)，葉片直徑加長，塔筒高度增加，并出現(xiàn)了柔性塔架。

　　

　　柔性塔架是根據(jù)風剪切效應(yīng)，為捕獲高空更強更穩(wěn)定的風資源，而增加塔架高度，最終達到增加發(fā)電量的目的，同時能夠有效降低鋼材使用，從而減輕塔架的整體重量。但在實際應(yīng)用過程中，柔性塔架存在致命缺點——共振頻率低，傳統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)整[1]方式是將風場目標有功功率與實際有功功率的差值，按照每臺風力發(fā)電機組的有功功率裕度之比例，進行按比例分配，該種方式會在每個有功功率調(diào)整周期來臨時更新每臺機組的有功功率設(shè)定值（或者發(fā)電機轉(zhuǎn)速設(shè)定值），如果將此種調(diào)整方式應(yīng)用到柔性塔架的風力發(fā)電機組上，當有功功率設(shè)定值（或發(fā)電機轉(zhuǎn)速設(shè)定值）被設(shè)定到機組特有的共振區(qū)，機組將主動停機，以避免長期共振對機組造成的傷害，反應(yīng)到整個風場，則會出現(xiàn)場內(nèi)機組大面積脫離電網(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控制的風電場有功功率控制系統(tǒng)，并對控制策略進行優(yōu)化，避開柔性塔架機組的共振區(qū)。

　　

　　

　　風電場有功功率控制系統(tǒng)是一套將電網(wǎng)調(diào)度有功功率指令轉(zhuǎn)換為每臺風力發(fā)電機組有功功率的系統(tǒng)，它能夠結(jié)合風力發(fā)電機組特性以及電網(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，最大化利用風能，為風場業(yè)主提高經(jīng)濟效益。系統(tǒng)的總體設(shè)計框架如圖2-1所示。

圖2-1系統(tǒng)的總體設(shè)計框架

　　

　　風電場有功功率控制系統(tǒng)的構(gòu)成有：統(tǒng)計模塊、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)作為一個子系統(tǒng)集成于風場的能量管理系統(tǒng)中，統(tǒng)計模塊用于收集所有風力發(fā)電機組的運行信息（如：有功功率、風速、機組狀態(tài)、有功功率設(shè)定值等），并做統(tǒng)計運算，為分配提供原始數(shù)據(jù)支持，同時向電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)上傳相關(guān)運行數(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)的目標有功控制指令和當前風場實發(fā)有功，對每臺風機的發(fā)電目標進行預(yù)估；預(yù)估的結(jié)果由有功功率分配調(diào)整模塊進行調(diào)整，調(diào)整依據(jù)為控制參數(shù)（如：功率調(diào)節(jié)速率、單臺機組有功上下限等）；有功功率分配模塊是用于將分配結(jié)果下發(fā)至各臺風力發(fā)電機組，在下發(fā)前還會使用從統(tǒng)計模塊獲取的實時數(shù)據(jù)再次進行核對，確認無誤后，機組將收到最新控制指令，本周期控制完成。

　　

　　統(tǒng)計模塊除了收集機組的運行數(shù)據(jù)外，還會對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計運算，比如：計算全場平均風速、全場總有功功率、全場總有功功率設(shè)定、全場理論有功功率、電網(wǎng)調(diào)度有功指令與全場總有功功率差值、全場總有功功率1分鐘變化幅度、全場總有功功率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)度的有功指令和風場實發(fā)有功，得出需要調(diào)整的量，再遍歷所有機組，得出最佳分配對象，并將需要調(diào)整的量附加到最佳分配對象上。

　　

　　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、停機時間間隔、啟機時間間隔等。當預(yù)分配后的結(jié)果，不滿足控制參數(shù)要求，就會對預(yù)分配值進行二次修正，可有效避免風場有功變化趨勢不滿足電網(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)至機組，在下發(fā)前，會再次進行數(shù)據(jù)合法性判斷，在確認無誤后，將執(zhí)行下發(fā)動作。

　　

　　

　　為適應(yīng)柔性塔架的風力發(fā)電機組運行特點，本文提出了逐臺控制的有功分配策略。所謂逐臺控制，與自適應(yīng)控制最大的區(qū)別在于，自適應(yīng)控制方式會在每個分配周期更新所有機組的分配值，而逐臺控制方式在每個分配周期僅更新一臺機組的分配值。算法流程如圖3-1，其中：

　　

　　P_tar表示電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)向風場下發(fā)的目標有功；

　　

　　P_act表示風場實際總有功；

　　

　　ΔP表示目標有功和實際有功的差值；

　　

　　P₀表示由控制參數(shù)設(shè)置的有功死區(qū)；

　　

　　P_{rem_1}表示1號機組的有功裕度；

　　

　　P_{thr_1}表示1號機組的理論有功；

　　

　　P_{act_1}表示1號機組的實際有功；

　　

　　P_{rem_max}表示所有機組中有功裕度最大值；

　　

　　P_{act_max}表示所有機組中有功最大值；

　　

　　P_{par_10min}表示控制參數(shù)設(shè)置的10分鐘有功變化量；

　　

　　P_10min表示全場總有功10分鐘變化幅度；

　　

　　T_cyc表示一個控制周期所花費的時間；

　　

　　P_lim表示一個控制周期內(nèi)允許的有功最大變化量；

　　

　　P_{set_x}表示第x臺機組的有功設(shè)定值；

　　

　　P_{act_x}表示第x臺機組的實際有功。

　　

　　系統(tǒng)狀態(tài)分為兩種狀態(tài)，即穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)。當目標有功和實際總有功的差值的絕對值小于等于死區(qū)時，稱為穩(wěn)態(tài)；當目標有功和實際總有功的差值的絕對值大于死區(qū)時，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)控動作，頻繁的調(diào)控會加重機組設(shè)備的磨損。在穩(wěn)態(tài)情況下，算法無需進行調(diào)控動作，只需要持續(xù)跟蹤機組數(shù)據(jù)變化；在非穩(wěn)態(tài)情況下，算法都需要進行調(diào)控動作，盡最大可能將目標有功和實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)改變目標有功，風速波動強烈，風力發(fā)電機組因故障或其他因素導致的停機等。其中調(diào)控動作又分為升功率動作和降功率動作。目標有功大于實際總有功時，執(zhí)行升功率動作；目標有功小于實際總有功時，執(zhí)行降功率動作。具體的調(diào)控方法如下：

　　

　?。?）電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)下發(fā)的目標有功（P_tar）與風場實際總有功（Pact）計算差值，可得到ΔP（如圖3-1中的過程1、過程2、過程3）；

　　

　?。?）如果目標有功與風場實際總有功差值的絕對值（|ΔP|）處于控制死區(qū)（P₀）范圍

圖3-1 算法流程圖

　　

　　內(nèi)時，將不進行調(diào)控動作，算法直接返回到起始位置，以持續(xù)監(jiān)測機組數(shù)據(jù)變化；否則將執(zhí)行調(diào)控動作（如圖3-1中的過程4）；

　　

　　（3）在算法對機組進行調(diào)控前，為避免風場有功變化幅度過大，需計算出本周期的最大有功變化量（P_lim），計算方法為控制參數(shù)10分鐘有功變化量（P_{par_10min}）減去實際10分鐘有功變化量（P_10min）,得到10分鐘內(nèi)的最大有功變化量，再乘以控制周期（T_cyc）除以600，可得到本次控制周期內(nèi)的最大有功變化量（P_lim）（如圖3-1中的過程5）；

　　

　?。?）如果目標有功和實際有功的差值（ΔP）大于0，則執(zhí)行升功率動作。在動作前，需要計算出每臺機組理論有功與實際有功的差值，即有功裕度（P_{rem_N}），再通過輪詢得到裕度最大值（P_{rem_max}），以及對應(yīng)的機組x（如圖3-1中的過程6、過程7、過程8）；

　　

　?。?）本周期有功最大變化量（P_lim）如果大于裕度最大值（P_{rem_max}），則完全放開裕度最大的機組裕度，即，將該臺機組的有功設(shè)定值（P_{set_x}）設(shè)置為實際有功（P_{act_x}）與裕度（P_{rem_max}）之和，之后再次輪詢所有機組，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（P_lim）小于機組裕度最大值（P_{rem_max}）時，則將機組的有功設(shè)定值（P_{set_x}）設(shè)置為實際有功（P_{act_x}）與有功最大變化量（P_{act_x}）之和，結(jié)束本周期控制，返回算法最開始部分（如圖3-1中的過程9、過程10、過程11）；

　　

　?。?）如果目標有功和實際有功的差值（ΔP）小于0，則執(zhí)行降功率動作。在動作前，需要輪詢每臺機組的實際有功，并到得實際有功最大值（P_{act_max}），以及對應(yīng)的機組x（如圖3-1中的過程6、過程12）；

　　

　?。?）本周期有功最大變化量（Plim）如果大于實際有功最大值（P_{act_max}），則直接將實際有功最大的機組停機，即，將該臺機組的有功設(shè)定值（P_{act_x}）設(shè)置為0，之后再次輪詢所有機組，得到新的實際有功最大值，以此循環(huán)，直到本周期最大有功變化量（P_lim）小于機組實際有功最大值（P_{act_max}）時，則將機組的有功設(shè)定值（P_{act_x}）設(shè)置為實際有功最大值（P_{act_max}）與有功最大變化量（P_lim）之差，結(jié)束本周期控制，返回算法最開始部分（如圖3-1中的過程13、過程14、過程15）。

　　

　　

　　仿真程序模擬了167臺額定功率為1.5MW的風力發(fā)電機組，為盡可能驗證算法的正確性，風速區(qū)間模擬了多種情況：小風階段、起風階段、大風階段、風降階段。根據(jù)Q/GDW11273-2014《風電有功功率自動控制技術(shù)規(guī)范》和Q/GDW1392-2015《風電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)范》要求，仿真程序模擬的裝機容量達到250.5MW，故風場10分鐘內(nèi)有功變化不能超過50MW，1分鐘內(nèi)有功變化不能超過15MW。

　　

　　近一個小時仿真使用的風速在3m/s至11m/s之間來回波動（如圖4-1），與實際的風速情況較為接近，在該段時間內(nèi)，分別進行了升功率和降功率操作（如圖4-2），涵蓋了實際風場中較為典型的小風期間有功出力不完全，起風期間有功提升速率超限，大風期間總有功超出目標有功等問題。

圖4-1 風速變化情況

　

　

　　圖4-2有功變化情況

　　

　　在小風階段（如圖4-3，1-373秒），目標有功從5kW降至2kW，可看到總有功在經(jīng)歷120秒后，達到目標有功，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，目標有功從2kW升到5kW，經(jīng)歷120秒后，于316秒重新達到穩(wěn)態(tài)，并在目標有功±800kW范圍內(nèi)波動，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，可見不存在小風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題。

圖4-3 小風階段

　　

　　在起風階段（如圖4-2，374-1366秒），風速從3.5m/s升至10m/s，期間目標有功分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)或者速率超限的問題。

　　

　　在大風階段（如圖4-2，1367-1682秒），風速維持在10m/s以上，期間目標有功無變動，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?？傆泄τ捎谖催_到目標有功，依舊處于上升趨勢，上升速度受限于控制參數(shù)對速率的限定，不存在有功波動過大，上升速率不穩(wěn)定的問題。

　　

　　在風降階段（如圖4-2，1683-2647秒），風速從10m/s降至3m/s，期間目標有功依舊無變化，從數(shù)據(jù)可以看出，總有功的下降速率要小于風速的下降速率，該現(xiàn)象是算法對機組當前有功進行了跟蹤，在盡可能多發(fā)電的前提下，最大限度避免風降幅度過大引發(fā)的有功下降速率超限問題，也為避免在下次起風時，造成有功上升速率超限問題。

　　

　　另一方面，通過機組控制記錄顯示，算法在每個控制周期內(nèi)僅對1-5臺機組進行調(diào)節(jié)，且在短期內(nèi)，不會重復(fù)對某一臺機組進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了機組少動作的目的。充分驗證了逐臺控制方式的可行性、可靠性、準確性和穩(wěn)定性（如表4-1）。

　　

 

　　

　　本文研究了一套基于逐臺控制的風電場有功功率控制系統(tǒng)及方法，并通過仿真數(shù)據(jù)驗證了其在小風階段、起風階段、大風階段及風降階段的可靠性，根據(jù)數(shù)據(jù)分析出有功10分鐘變化、有功1分鐘變化、目標有功與總有功差值等各項指標均能滿足要求，實現(xiàn)了對風場有功有序調(diào)節(jié)的同時，降低了棄風損失電量，極大提高了風電轉(zhuǎn)換效率。

　　

　　

　　[1]楊濱源，馬偉《基于自適應(yīng)調(diào)整控制器的風電場有功功率控制系統(tǒng)及方法》2018-6發(fā)表于《第五屆中國風電后市場專題研討會論文集》

　　

　　[2]胡凱凱，翟大勇《風電場有功功率分配策略及其實現(xiàn)》2013-3發(fā)表于《功率變流技術(shù)》

　　

　　[3]陳寧，于繼來《基于電氣剖分信息的風電系統(tǒng)有功調(diào)度與控制》2008-4發(fā)表于《中國電機工程學報》

　　

　　[4]佘慎思，曾旭《風電場有功功率控制綜述》2013-3發(fā)表于《裝備機械》

　　

　　作者簡介：馬偉（1987-），男，工程師，主要從事風電監(jiān)控系統(tǒng)和能量控制系統(tǒng)的設(shè)計與研發(fā)，成都，610000。