风电场有功自动控制系统研究

风电场有功自动控制系统研究

王栋

（中能电力科技开发有限公司）

摘要：随着风电在电力系统中装机量的增加，一个功率可控、在控的风电场是未来发展的方向。本文设计并研制了一套风电场有功自动控制系统（AGC）；验证了双馈风电机组的安全有功可调范围及调节速率；提出了AGC的控制策略；开发了相应软件，并进行了整场有功实验。

关键词：风电场；有功；AGC

1.概述

对于相对稳定电力系统来说，输出负荷变化频繁的风电场在并网后给电力系统所带来的冲击影响，会随着风电比例的不断增加而增加。为此，国家电网公司出台的《国家电网公司风场接入电网技术规定》明确规定[1]：风电场应具备有功功率控制系统，能够接受并自动执行电网调度的有功出力控制信号确保风电场最大输出功率及功率变化率不超过电网调度的给定值。

风电场有功控制AGC（Automatic Generation Control）的目的是在风电场侧建立一个面对全风电场的有功功率自动控制系统。在电网没有要求时，每台风机按各自最大出力运行；在电网限负荷运行时，实时监测各风机状态，进行优化计算，分配每台风机出力，实现风电场自动、优化、稳定的运行，满足电网要求。

基于以上背景，研制了有功自动控制系统，目的是利用风电机组本身的可调节能力对风电场的输出有功进行控制，既能够提高风电场的可控性，也能够优化风电场的电能质量。

2.系统结构

风电场有功功率自动控制系统（AGC系统）采用分层模块化的结构，主要包含升压站数据采集模块、风电机组数据采集模块、风电机组控制模块和AGC决策模块。总体技术方案见下图。

图1 系统框图

升压站数据采集模块负责对风电场综合自动化采集数据或并网PCC点CT、PT数据的实时采集，经过处理后将升压站的状态信息传递到AGC决策模块。

风电机组数据采集模块负责对风机SCADA采集数据或直接与各风电机组的CCU（中央控制单元）实时进行通讯，采集其状态信息并上传到AGC决策模块。

AGC决策模块负责接收升压站数据采集模块、风电机组数据采集模块上传的升压站和风电机组的状态信息，生成风电机组有功调节方案并与风电机组控制模块进行通讯。

风电机组控制模块负责与AGC决策模块进行通讯，将AGC决策模块的风电机组有功调节命令传送至每一台需要进行有功调节的风电机组进行执行。

风电场的有功功率分配按各风机的运行状态进行优化计算。根据电网调度要求负荷曲线、自动采集并网点上网出力、综合考虑厂用电情况，设计闭环自适应反馈控制，使并网点出力保持在调度要求，并使尽可能多的风机参加运行，有利于冬季设备维护。

3.系统通讯

风电场并网PCC点电网状态信息的采集，利用风电场变电站高压侧母线上已有的计量表计及电网状态监测传感器来实现，采集的参数为：风电场出口有功功率、无功功率、并网点电压、频率。

风电机组的运行工况信息，通过和现场风机厂商的SCADA系统通讯获得。风机的控制指令由风电场有功功率自动控制系统产生，经过OPC接口和风机SCADA

系统通讯，下发到可控风机执行指令。具体的系统通讯架构如下图。

数据服务器升压站报文SCADA 局域网

图2 AGC 系统通讯架构

4. 有功控制方式

4.1 变速恒频风电机组特性

典型的变速恒频的双馈发电机组的按其功率输出特性可以分为：小风停机风速区、切入风速区、变速区、恒速变功率区、额定功率区。在小风停机风速区，由于风速太小，风电机组基本不动作；切入风速区和变速区又可并称为最大风能捕获区，风电机组在这一区间的主要目标是通过调整转速来追踪最佳叶尖速，以此来最大限度地捕获风能，提高风电机组的发电效能；恒速变功率区是指风电机组转速达到额定转速后，在达到额定功率前，风电机组保持恒转速的区间；额定功率区是指风速达到或超过额定风速后，通过变桨距系统根据发电机的功率反馈信号进行控制的区间，当功率过大时，桨叶节距角就向迎风面积减小的方向转动，反之则向迎风面积增大的方向转动。风电机组在低于额定功率运行时，桨距角度一般维持在最佳桨距角（0°附近），风电机组控制单元通过转距指令控制风轮转速，使得尖速比在合适的位臵,从而使得风能利用系数CP 在接近顶点附近的位臵

运行。

4.2有功控制范围

在切入风速以上、额定风速以下时，双馈异步风力发电机组通常采用最大风能追踪控制，从而保证最佳的有功功率输出。不同风速下的功率—转速特性曲线，如图3 所示。可以看出，在不同的风速下，通过调节转速就能够调节风电机组的风能利用系数CP，从而对风电机组的有功输出进行限制。不考虑风电机组的稳定性的情况下，将转速下降到一定阶段后，能够让风电机组不对外输出功率，所以，理论上能够在0到额定功率之间进行调节。

图3 功率-转速特性曲线

考虑到风电机组的实际运行情况，实际的有功控制范围和理论有些出入，国家能源局颁布的《大型风电场并网设计技术规范》中规定风电机组的有功功率控制[2]：有功功率控制范围可以在20％～100%（对应风况的最大输出功率）的范围内平稳调节。

4.3有功控制接口

在实际的风电机组电能量控制当中，风电机组厂商所提供的有功控制方式有：有功功率给定控制、发电机转速控制。

有功功率给定控制即给定具体的有功功率上限值，风电机组的有功功率保持在给定的上限值之下。这种控制方式简洁，不用做功率转换，控制的功率范围宽。

发电机转速控制即给定风电机组的发电机转速上限值，风电机组将其发电机转速保持在给定的转速限定值之下。这种方式需要对风电机组的转速-功率曲线进行转换，控制的功率范围要小，其原因是在风电机组处于恒转速区间时，相同

步长转速对应的有功功率变化值大。

5.有功控制算法

本系统采用逼近式算法，通过风电场并网出口处实际有功值和目标有功值进行比较，判断所需调节有功趋势，然后对可调控机组进行增加或减小，从而使得并网处实际有功值逼近目标有功值。具体的有功控制流程见下图。

控制算法的可以通过事件触发，也通过时间间隔触发。数据采集系统实时采集数据后将风场数据模型刷新。根据风场数据模型中各风机的工况对各机组进行算法判定，生成可控风机控制列表作为指令生成模块的输入之一。调控参数通过调控速度控制模块和限定有功整定模块后，将修正后的调控参数作为指令生成模块的另一个输入。最后，由指令生成模块根据输入生成有功控制指令集。

图4 风电场有功功率自动控制流程

6.现场试验

6.1风电场介绍

试验风电场为龙源电力河北迅风风电场，接线图见下图。