劉宏勇 李明 任巍曦 張文煜 田云峰 王德偉 劉漢民

摘要 風電場有功功率控制策略對跟蹤電網(wǎng)AGC指令和控制風電機組的發(fā)電運行起著關鍵作用，為進一步優(yōu)化風電場有功功率控制策略，對在運行風電機組建立功率曲線模型。本文使用風電機組機艙風速法計算風機理論功率，基于風機理論功率提出風電場有功功率控制策略模型，合理分配風機有功功率，減少風機頻繁啟停，提升有功功率控制響應速率，保證不同類型風電機組有功功率的合理分配。提出基于風電機組理論功率在限功率平穩(wěn)運行時段內(nèi)，進行風電機組功率置換，可以有效平衡不同類型風機功率分配，提升整場功率控制速率，提高風機運行效率。最后，在冀北電網(wǎng)某風電場對所提控制策略和模型進行了驗證，證明了模型的正確性和控制策略的有效性。

關 鍵 詞 風電場;功率曲線;理論功率;有功功率控制;功率分配

中圖分類號 TM614? ? ?文獻標志碼 A

Abstract Using the active power control strategy of wind farm plays a key role in tracking the AGC command of power grid and controlling the generation operation of wind turbines. In order to further optimize the active power control strategy of wind farm， a power curve model is established for running wind turbines. In this paper， wind turbine cabin wind speed method is used to calculate the theoretical power of wind turbines. Based on the theoretical power of wind turbines， a wind farm active power control strategy model is proposed， which can reasonably distribute the active power of wind turbines， reduce the frequent start and stop of wind turbines， improve the response rate of active power control， and ensure the rational distribution of active power of different types of wind turbines. Based on the theoretical power of wind turbine， the power replacement of wind turbine can effectively balance the power distribution of different types of wind turbines， improve the power control rate of the whole field and the operation efficiency of wind turbines. Finally， the proposed control strategy and model are verified in a wind farm of Hebei North Power Grid， which has proved the correctness of the model and the effectiveness of the control strategy.

Key words wind farm; power curve; theoretical power; active power control; power allocation

0 引言

近年來，以風力發(fā)電機為主的清潔能源得到大規(guī)模開發(fā)利用，截至2019年底，全國風電機組累計并網(wǎng)裝機容量達到2.1億kW[1]，由于風力發(fā)電具有隨機性、間歇性和波動性，且高度集中在“三北地區(qū)”，遠離負荷中心，高比例的新能源接入給電網(wǎng)調(diào)度帶來了一系列問題，在風電大發(fā)期間，為保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，會對風電有功功率進行一定程度的限制，因此場站端有功功率的快速響應、精準控制尤為關鍵。

目前場站端多采用有功變化量平均分配和有功變化量等比例分配方式，按照設定好的周期，風機將實時功率上傳至監(jiān)控系統(tǒng)，功率控制軟件再依據(jù)調(diào)度下發(fā)的AGC總指令循環(huán)分配到每臺風機。由于部分風電場存在多種類型、多種運行狀態(tài)的風機，該種控制方法未考慮不同類型風機的功率調(diào)節(jié)特性，導致功率分配不均衡，執(zhí)行率較好的風機將長時間被限制在低功率運行狀態(tài)，對風機造成損害，且在AGC總指令較低時，響應速率較慢。因此優(yōu)化風電場有功功率控制策略，將調(diào)度的有功功率指令合理地分配到每臺風電機組格外重要[2]。文獻[3]提出了一種基于機艙風速法計算風機理論功率的方法。文獻[4]對各種風機理論功率計算方法進行了比對。文獻[5]提出了一種結合功率預測優(yōu)化有功功率控制的方法。文獻[6]使用熵權法修正的層次分析法和模糊理論相結合的綜合評價方法，建立風機的調(diào)控評分序列。文獻[7]提出功率優(yōu)化策略模型，并提出了風機有功功率控制的3層控制系統(tǒng)模型，以及其在調(diào)度調(diào)峰、調(diào)頻中的應用。文獻[8]引入統(tǒng)計思想計算風電場理論功率，采用非參數(shù)回歸方法對無完整調(diào)度控制指令和風機運行記錄進行擬合，計算理論輸出功率并采用相關系數(shù)加權進行修正。文獻[9]提出了基于風電機組功率調(diào)節(jié)能力分配風電場有功功率的策略，將風電機組的運行狀態(tài)分為啟動區(qū)、最大風能跟蹤區(qū)、恒轉速區(qū)、恒功率區(qū)進行功率計算分配。文獻[10]提出雙閉環(huán)控制的風電場有功功率分配策略，通過外環(huán)風速預測與期望功率優(yōu)化和內(nèi)環(huán)自適應控制算法，實現(xiàn)風電場有功功率輸出更加平滑。

經(jīng)過對比，機艙風速法對風電機組理論功率計算的準確率相對較高，本文使用風電機組機艙風速法計算風機理論功率，基于風機理論功率并充分考慮各種風機的運行工況提出風電場有功功率控制策略模型，合理分配風機有功功率，減少風機頻繁啟停，提升有功功率控制響應速率，保證不同類型風電機組有功功率的合理分配。

1 風機理論功率計算

機艙風速法是基于機艙風速計測量的風速來計算每臺風機的理論功率的，由于風機尾流波動，空氣密度不同，以及不同類型風機性能的區(qū)別，對理論功率的計算存在影響。本文采集風機正常運行情況下的數(shù)據(jù)，采用比恩法[11]，將0.1 m/s風速劃分為1比恩，對每臺非標桿風機建立模型，然后對每一比恩中的風速、功率分別求平均值，得到每臺非標桿風機風速[Vi]和理論有功功率[Pli]的對應關系，并得到限功率運行狀態(tài)下的風機理論有功功率，計算流程如圖1所示。

2 有功功率控制系統(tǒng)

風電場有功功率控制系統(tǒng)（AGC）對整個風電場所有風機任一時刻的有功功率進行統(tǒng)一控制，因此需要采集風機的風速、功率、運行狀態(tài)等實時運行數(shù)據(jù)，根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度指令，按照功率控制策略計算出每臺風機的功率設定值[12]。

AGC控制系統(tǒng)配合場站的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視系統(tǒng)（SCADA）和理論功率計算系統(tǒng)完成所有風機的有功功率分配和控制。SCADA系統(tǒng)采集每臺風機的實時運行數(shù)據(jù)，理論功率計算服務器負責計算限功率情況下的理論功率，并將風機實時數(shù)據(jù)及理論功率傳輸至AGC服務器。AGC服務器負責接收調(diào)度AGC指令，并按照調(diào)度指令和每臺風機的理論功率按照設定好的控制策略計算每臺風機的功率指令并分配至每臺風機，進而控制風機的有功功率，實現(xiàn)風電場全場的有功功率控制，系統(tǒng)結構如圖2所示。

3 功率分配算法

當站端AGC服務器接收到調(diào)度下發(fā)的功率調(diào)節(jié)指令后，AGC服務器按照2個階段進行功率調(diào)節(jié)，分別是功率調(diào)節(jié)階段和功率平衡階段。功率調(diào)節(jié)階段AGC服務器接收到調(diào)度指令，結合風機實時數(shù)據(jù)及每臺風機的實時理論功率，剔除標桿風機、故障風機和通信中斷風機，并充分考慮各個風機運行功率的上下限，計算每臺風機的調(diào)節(jié)功率，目的是快速響應調(diào)度指令，在調(diào)度規(guī)定時間內(nèi)將有功功率控制在規(guī)定范圍內(nèi)。功率平衡階段是當風電場全場有功功率達到調(diào)度要求的范圍并平穩(wěn)運行時，進行風電機組功率置換，平衡不同類型風機功率分配來優(yōu)化風機間的出力，保護風機機械特性，并置換出調(diào)節(jié)速率較快風機的功率調(diào)節(jié)余量，為下一次調(diào)節(jié)做準備，提升整場功率控制速率。

3.1 功率調(diào)節(jié)階段

AGC服務器接收到調(diào)度下發(fā)的功率調(diào)節(jié)指令后，首先判定調(diào)度指令與場站實時功率差值ΔP的正負性，當ΔP為負數(shù)時，執(zhí)行降功率策略，當ΔP為正數(shù)時，執(zhí)行升功率策略。直至實發(fā)有功功率與調(diào)度有功功率指令偏差δ小于0.75%，執(zhí)行功率平衡階段。當系統(tǒng)檢測實發(fā)有功功率與調(diào)度有功功率指令偏差δ大于等于1%時，執(zhí)行功率調(diào)節(jié)階段，功率分配流程如圖3所示。

3.1.1 降功率階段

降功率階段，AGC服務器按照式（5）～式（7）計算每臺非標桿運行風機的功率控制指令，通過剔除標桿風機、故障風機和通信中斷風機，只向可以進行功率調(diào)節(jié)的風機分配調(diào)節(jié)指令，將功率指令分配至每臺風機，并實時監(jiān)測風機的調(diào)節(jié)情況，每隔5 s循環(huán)執(zhí)行一次功率指令計算及功率指令分配，實現(xiàn)了全場有功功率的快速調(diào)節(jié)，確保全場功率在調(diào)度規(guī)定時間內(nèi)調(diào)節(jié)到位。

式中：[Pk]為風電場可控有功功率;[Pbi]為第i臺標桿風機有功功率;[Pxi]為第i臺非標桿運行風機有功功率控制下限;α為風機有功功率調(diào)節(jié)比例;[Pli]為第i臺非標桿運行風機有功功率控制指令;[Pi]為第i臺非標桿運行風機實時有功功率。

3.1.2 升功率階段

升功率階段，AGC服務器按照式（8）、式（9）計算每臺非標桿運行風機的功率控制指令，通過剔除標桿風機、故障風機和通信中斷風機，只向可以進行功率調(diào)節(jié)的風機分配調(diào)節(jié)指令，將功率指令分配至每臺風機，并實時監(jiān)測風機的調(diào)節(jié)情況，每隔5 s循環(huán)執(zhí)行一次功率指令計算及功率指令分配，實現(xiàn)了全場有功功率的快速調(diào)節(jié)，確保全場功率在調(diào)度規(guī)定時間內(nèi)調(diào)節(jié)到位。

式中：n為非標桿運行風機臺數(shù);[Pei]為第i臺風機的有功功率上限。

3.2 功率平衡階段

功率平衡階段，AGC服務器接收理論功率計算服務器提供的風電機組理論功率，根據(jù)每臺可調(diào)節(jié)風機的理論功率，按照式（10）、式（11）計算每臺非標桿運行風機的功率控制指令，將功率指令分配至每臺風機，并實時監(jiān)測風機的調(diào)節(jié)情況，每隔5 s循環(huán)執(zhí)行一次功率指令計算及功率指令分配，實現(xiàn)不同廠家、不同類型之間風機的協(xié)調(diào)控制，將功率調(diào)節(jié)速度慢的風機功率調(diào)節(jié)余量置換至功率調(diào)節(jié)速度快的風機上，保證每臺風機的功率輸出更加均衡。

式中：β為非標桿運行風機實際功率占理論功率比例;[γi]為第i臺風機實際功率占理論功率比例。

4 控制效果

本文在冀北電網(wǎng)某風電場選取5臺2.5 MW的風機和5臺3 MW的風機進行了功率控制策略優(yōu)化的有效性驗證，該風電場目前采用有功變化量平均分配方式進行有功控制。選取10臺風機近半年的運行數(shù)據(jù)，其中并建立模型得出每臺風機的理論功率曲線，如圖4所示，其中#1至#5為2.5 MW風機，#6至#10為3 MW風機。

測試的目的是為了驗證AGC總指令較低時整場的控制速率和穩(wěn)定運行階段的不同類型風機的功率分配情況，及全場有功功率響應調(diào)度指令的執(zhí)行情況。因此此次測試主要進行了降功率測試。測試期間風機風速在8 m/s至10 m/s區(qū)間，該10臺風機總出力為20 MW左右。為避免風速波動影響，首先將總功率調(diào)整至18 MW進行測試，按照每3 min下調(diào)2 MW，連續(xù)下調(diào)4次，測試結果如圖5所示。

對功率策略優(yōu)化前后進行對比，優(yōu)化前調(diào)節(jié)平均速率1.74 MW/min，優(yōu)化后調(diào)節(jié)平均速率2.32 MW/min，在功率控制較低時，優(yōu)化后的調(diào)節(jié)速率明顯優(yōu)于優(yōu)化前。

通過對比優(yōu)化前后測試期間風機的有功功率曲線可以得到，優(yōu)化后#1到#5風機有功功率降幅增大，#6到#10風機有功功率降幅減小，整體運行更加平穩(wěn)。為進一步反映功率優(yōu)化后的分配策略對風機有功功率控制的影響，對比優(yōu)化前后10臺風機測試期間實時功率的偏差σ。

式中，[Pti]為第i臺風機t時刻的實時有功功率。

由表1可以得出，優(yōu)化后#1到#5風機有功功率偏差σ明顯增大，#6到#10風機有功功率偏差σ明顯減小，整體偏差σ相較優(yōu)化前更為集中，因此優(yōu)化后不同類型風機功率分配更加合理。

5 結論

本文針對風電場有功功率控制策略優(yōu)化展開研究，提出了基于單臺風機理論功率調(diào)節(jié)整場風機有功功率的控制方法，建立了風電機組理論功率計算模型，并在風電場驗證了本文方法的有效性。主要結論如下。

1）利用機艙風速法，結合風機運行歷史數(shù)據(jù)，可以準確繪制出現(xiàn)場實際運行過程中單臺風機的功率曲線，并有效地計算出風機限功率運行時段內(nèi)的理論功率。

2）在功率控制階段，分配功率時剔除掉標桿風機、故障風機和通信中斷風機，并考慮各個風機運行功率的上下限，可以精準地將功率調(diào)節(jié)指令分配至可調(diào)節(jié)的風機控制系統(tǒng)中，進一步提升全場功率控制響應速度和精度。

3）本文提出的基于風電機組理論功率在限功率平穩(wěn)運行時段內(nèi)，進行風電機組功率置換，可以平衡不同類型風機功率分配，有效解決不同廠家、不同型號風機功率調(diào)節(jié)響應不一致的問題，提升整場功率控制速率，提高風機運行效率，增加風機運行壽命。

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