风电场调度自动化系统的设计与应用

风电场调度自动化系统的设计与应用

摘要：中国的风电从起步到高速发展，经历时间短，风电场调度运行经验不足，从而导致风电给电力系统带来的诸多影响。本文结合风电场及风电机组自身所具备调节能力和运行特点，论述风电场调度自动化系统的设计思路，引入AVC（自动电压控制系统）、有功功率控制系统、风电功率预测系统及其它风力监测和报警等辅助系统，建立风电场与电网系统良好的调度方式，从而使风电场切实参与到电网调度和系统安全稳定的维护中。

关键词：安全稳定；调度自动化；电压控制（AVC）；功率控制；风电功率预测

0 引言

风力发电作为一个间歇性、多变化的电源，大型的风电场开发必然会面临如何顺利接入电网和发电功率如何平稳调度的问题。中国的风电场主要位于远离负载中心的地区，并且当地的电网调节能力较弱，这对于风电的发展构成了限制。这一点已经成为中国今后风电发展面临的最大问题。

电网末端网架结构不够坚强、电源结构较为单一，风电大规模接入对这些地区电网稳定运行带来很大压力；另外，风电机组大多采用异步发电机，其对电网安全稳定的影响与常规同步发电机组不同；并且，风的波动性使风电场的输出功率具有随机性，机组出力波动范围通常较大，速度也较快，在电网没有储能设备的支持下，无法像其他常规电源那样对其出力进行调度和控制，这对电力系统维持供需平衡的能力产生影响，给电力系统各类电源的调度运行方式带来很多困难。

随着风电场规模的扩大，风电装机容量在电网中所占比例越来越高，其对电网的影响范围也从局部逐渐扩大，风电并网所带来的电压稳定性问题、暂态稳定性及频率稳定性问题都凸现出来。为提高风电外送能力，改善风电并网电能质量，在风电场设计中应采用先进技术，如：风电场自动电压控制系统（A VC）、有功功率控制系统、风能预测系统及其他辅助系统，配合风电场及升压站的动态无功补偿设备、变压器有载调压设备、风电机组自身控制系统，实现风力发电机组和集中式无功补偿设备等无功输出的协调，对各双馈机组的无功指令进行动态优化分配，从而增强风电场无功-电压调节能力；基于风电功率预测的风电场自动发电控制（AGC）方案，控制风机出力，增强了风电系统的可控性。通过这些技术手段，建立起风电场与电网系统的良好沟通和互动，使风电场在保障电力系统的调度和安全稳定运行中起到积极主动的作用。1风力发电机组的运行特点

变速恒频风力发电机组一个突出的优点是可以实现有功、无功的解耦控制，因此风电场在电力系统中既可以作为有功电源也可以作为无功电源。而且，采用变速恒频发电方式，可按照捕获最大风能的要求在风速变化的情况下实时地调节风力机转速，使之始终运行在最佳转速上，从而提高了机组发电效率，优化了风力机的运行条件；通过控制桨距角，还可以在最佳处理水平的前提下控制机组有功输出，来满足系统调度的要求。本文以目前主流的变速恒频双馈风力发电机组为例，分析变速恒频机组的有功和无功功率控制能力。

1.1有功功率调控能力分析

当风速在切入风速以上、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—转速特性曲线如下图所示：

图1 功率—转速特性曲线

可以看出，在同一个风速下，不同转速会使风力机输出不同的功率，要想追踪P opt曲线，必须在风速变化时及时调整转速ωr，保持最佳叶尖速比。

在风速超出额定风速时，风电机组受功率输出限制，需要控制桨距角来维持风电机组机械功率不超出其额定功率，从而保护风电机组不会过载及避免风电机组机械损坏的危险。同时控制桨

距角，可以在最佳出力水平的前提下控制机组有功输出，来满足系统调度的要求。

1.2 无功功率调控能力分析

双馈机组具有发出无功功率的能力，其无功功率极限范围随着风速的增大而缩小，当风力发电机组输入风速超过额定转速，发电机进入恒转速和恒功率运行状态时，机组的无功极限基本不变，发电机的无功调节能力明显下降。目前双馈异步风力发电机组的无功功率控制策略主要包括：恒功率因数控制、恒端电压控制、最优补偿控制。

（1）恒功率因数控制。当小规模风电场接入电网，风电场输出功率变化对电网的影响可以忽略，此时通常采用恒功率因数控制模式。在实际中，通常采用单位功率因数控制，设定整个风电机组与电网不交换无功功率（功率因数为1）。

（2）恒端电压控制。当风电场规模较大或接入弱电网时，风电场输出的功率随风速波动容易造成接入点电压波动，严重时导致电压水平越限，危及风电机组的持续并网运行。所以需要采用恒端电压控制，以接入点电压为控制目标，通过改变无功功率的输出，实现闭环控制，从而维持接入点电压稳定，提高电能质量。

（3）最优补偿控制。当风电场接入强电网时，为了充分发挥风电场的无功调节能力，以接入点邻近负荷的无功需求、电网过剩无功功率吸收或以降低发电机自身损耗为控制目标，提出了考虑无功功率极限和所接入电力系统实际运行方式的动态无功最优补偿控制方式。

2风电场安全与调度自动化系统

双馈风力机组、直驱风力机组具有连续的有功、无功调节能力。随着这些机组的普及，风机本身的调节能力可使风电场成为有潜力的优质电源。而且，近年来伴随大容量电力电子技术的日趋成熟，变速恒频风力发电系统将电力电子技术、控制技术和微机信息处理技术引入到发电机控制中，极大的改善了风力发电系统的运行特性。所以，综合利用好风电机组自身优势成为风电场安全与调度自动化系统设计的关键。

目前，在风电场机组协调控制、调度自动化中应用较为广泛的系统主要包括：自动电压控制系统（AVC）、功率控制系统、风电功率预测系统。下面对各个系统进行详细介绍。

2.1自动电压控制系统

电压-无功控制是风电场调度最关心的内容之一。风电场电压-无功调节特性的复杂性和不同风力发电机组无功控制系统的多样性，都要求有一套完善的协调控制系统来充分发挥变速恒频风机自身的无功调节能力，实现风电场连续的无功调节。AVC 是风电场适应电网需要与提高自身管理水平的双重需要。

风电场自动电压控制系统（AVC）是一个在现有风机SCADA 与变电站SCADA 基础上，利用变速恒频风电机组自身无功调节能力，实现自动闭环、协调控制风电场所有的无功/电压调节设备（包括：有载调压变压器、集中无功补偿装置和变速恒频风力发电机等），从而满足风电场并网综合需求的监控管理系统。

中国风电场一般采用集约式开发模式，风电场配套建设升压变电站，就地升压后通过中/高压输电网络将电能输送到系统变电站。由于风电场本地电网负荷一般较少，各类电压/无功控制措施主要针对PCC（风电场并网点和公共电网连接的第一落点）实施。风电场自动电压控制系统的目的是利用最小的调节成本，在保证电压安全的前提下，使风电场PCC的无功电压水平处于预期的U-Q区域。

综合考虑风电场的各种无功电压控制手段，可以将风电场自动电压控制系统（AVC）划分为3层结构。顶层是风电场内部、风电场与电网协调决策模块，根据系统调度要求及PCC的无功电压水平协调风电机群与集中无功补偿设备的控制量，通过控制和分配策略，分别给出风力发电机群总无功补偿量、无功补偿设备总无功补偿量和变压器挡位调整量等；中间层是风机群决策模块，在接到上层调控指令后根据每台机组当前不同运行的状态和相应的无功极限范围，将风力发电机群的总补偿量按一定的优化原则，在所有参与无功电压调节的可控风力发电机间进行分摊；底层是风力发电机现地控制模块，由各风力发电机变频器控制系统在其无功可控域内进行恒功率因数控制或恒无功输出控制。

风电场接入电力系统技术规定要求：风电场应配置无功电压控制系统，具备无功功率及电压控制能力；根据电网调度部门指令，风电场自动调节其发出（或吸收）的无功功率，实现对并网点电压的控制；其调节速度和控制精度应能满足电网电压调节的要求。在AVC系统的三层结构中，风力发电机无功控制主要由风机控制系统来