风电场有功功率控制综述

风电场有功功率控制综述

龙玮

（上海上电电力工程有限公司上海200090）

摘要：经济的发展，促进人们对能源需求的增大。风能作为一种清洁的可再生能源具有取之不尽、用之不竭、环境污染小、投资灵活等诸多优点。风电场的有功功率控制是风电场可控运行的一项关键技术，控制策略的优劣直接影响到风场输出功率的稳定性、快速性、跟随性等各项性能指标，所以发展风电场的有功功率控制技术能够保证更有效地利用风能，也对电力系统的安全、稳定运行起着重要作用。本文就风电场有功功率控制展开探讨。

关键词：风电场；风电机组；有功功率控制

引言

由于风电具有随机性、波动性和反调峰特性，高比例的风电并入电网会对电力系统的稳定性和安全性造成很大的冲击，因此有必要对风电场有功功率输出进行控制，减少风电功率的波动性，提高输出功率的平滑性。

1．风电场有功功率控制原理

风电场有功功率控制系统一般主要由风电场功率控制层、机组群控制层、机组控制层组成图，各层功能及控制周期见表1。

表1风电场分层控制

风电场有功控制系统的目的是为了使风电场能够根据调度指令调整其有功功率的输出，在一定程度上表现出与常规电源相似的特性，从而参与系统的有功控制。然而，风电场有功控制能力不等同于风力发电机组控制能力的简单叠加。为此，利用风力发电机群的统计特性，可以采用两种方式实现此目的：一是将风电场有功控制系统分为风电场控制层、各类机群控制层和机组控制层，依次下达调度指令，完成风电场有功功率控制的任务；二是电网调度中心将指令直接下达给风电机组，各机组调节有功出力，实现有功功率的控制。

2．风电场有功功率的控制

2.1最大出力模式

最大出力模式是指当风电场的预测功率小于电网对风电场的调度功率时，风电场处于最大出力状态向电网注入有功功率。最大出力控制模式就是在保证电网安全稳定的前提下，根据电网风电接纳能力计算各风场最大出力上限值，风电场输出功率变化率在满足电网要求的情况下处于自由发电状态。若超出本风电场的上限值时，可根据其他风场空闲程度占用其他风电场的系统资源，以达到出力最大化和风电场之间风资源优化利用的目的。在最大出力模式投入运行时，风电场内的各台达到切入风速但在额定风速以下的风机处于最大功率跟踪（MaximumPowerPointTracking，MPPT）状态；风电场内处于额定风速以上的各台风电机组运行在满功率发电状态，从而保证风电场的输出功率达到最大值，尽可能提高风能资源的利用效率。

2.2基于目标函数优化的功率控制

基于目标函数优化的有功功率控制策略，通常先确定目标函数以及约束条件，在此基础上建立多目标优化的风电场模型。在基于目标函数优化的场站级有功功率控制策略中，基于小扰动分析方法分析了限功率运行下风电机组非线性模型的稳定特性，并综合了3个目标，分别是限功率运行状态均衡度、风电场功率目标偏差、总机组启停次数最少，建立了多目标优化模型。以减少风电机组控制系统的动作次数和平滑风电机组的功率输出为目标，通过超短期风功率预测数据确定风电机组出力趋势，来确定风电机组的出力加权系数，从而来优化风电场内有功调度指令，并与传统的固定比例分配算法以及变比例分配算法作比较，说明其控制策略的有效性。

2.3功率增率控制模式

功率增率控制模式是对风电场输出有功功率的变化率进行限制，使风电场输出的有功功率能够保持一定的稳定性，并且能满足国家电网公司颁布的关于有功功率变化率的相关规定。在功率增率控制模式投入运行时，风电场的输出功率在每个控制周期的变化必须在给定的斜率范围之内，且风电场的整体输出功率应该在满足斜率的前提下尽量跟随风电场的预测功率。风电场的功率增率控制模式可以避免风电场的输出功率变化过于频繁、变化率过大，从而保证功率输出的稳定性。该模式通常与风电场的其他控制模式组合使用，在保证输出功率斜率满足条件下，对风电场的其他方面进行控制。

2.4分层控制策略

分层控制策略一般将风电场内的控制系统分为若干层，从场站级控制层面到单机控制层面，逐层优化调度指令，从而实现风电场有功功率控制的准确度。在基于风电场场站级的分层控制策略中，综合运用分层递阶控制和模型预测控制方法，提出了一种含大规模风电场的电网有功调度控制方法。以风电场场站级有功控制为研究对象，将控制策略分为群间和群内优化调度2个层面，并提出一种基于遗传算法改进的模糊C均值聚类算法，用于风电场内的机组分群，根据风电机组分群结果和分群调度思想，来实现风电场输出功率可控的目标，但本策略是在假设风电场预测功率准确的情况下进行控制的，并未深入研究风电场预测功率的准确性对调度的影响。风电场内有功调度分为3个层次，分别是场站优化分配层、分群控制层、单机管理层，在分群控制层面，根据风电机组未来有功功率变化趋势以及负荷状态进行机组分类，值得借鉴的是，该系统加入了反馈校正环节，根据风电场实时有功功率的数据反馈，对功率组合预测模型系统进行误差反馈校正，整体提高了有功功率预测的精度。随着装机容量的不断增加，造成风电场存在大量的弃风现象，由此风电场的控制模式发生变化，从传统的MPPT模式向限功率控制模式转变，这对风电场以及风电机组的控制策略提出了更高的设计要求。考虑变速恒频风电机组在不同风速下的功率调节和机械特性，从电气性能，机械性能，运行维护状态3个准则层出发，提出风电场功率调节综合评价指标体系，在此评价体系中，各指标的权重使用熵值法修正的层次分析法来确定，并通过模糊综合评价对机组调节性能进行评分，进而确定调控序列，建立风电场降功率优化分配模型。

2.5差值模式

差值模式是指风电场的有功出力按照一定的斜率升高或降低到和预测功率差值恒定的状态，并且使风电场一直保持这个差值运行。该模式既可以在系统频率升高时降低风电场的有功功率出力，又可在系统频率降低时提高风电场的有功功率出力，达到以功率补偿斜率的目的。在差值模式运行时，整个风电场的输出功率会与其预测功率有一个功率差值，该功率差值由电网调度提供，即相当于给整个风电场留出了一定的有功功率调度裕量。若风电场只进行差值模式控制，则风电场的实际出力情况将完全跟随风电场不进行功率控制时的有功出力变化，只是中间相差一个恒定的功率值。

3．风电场有功功率控制展望

在分配风电场的有功功率时，应当综合考虑风机运行的状态及参数、风机的装机容量、备用容量以及电网功率调度的变化趋势。在优化风场功率分配策略的同时，需要提高系统中各级电网调度中心的监视、分析、预警及决策能力，使风场的有功功率控制能够准确、快速的实施。随着区域电网的风电穿透功率不断升高，并且大型风电场已经集中式的接入主干网络，传统的有功功率就地平衡的AGC控制模式不利于电网大规模的消纳风电资源，而应当充分利用省调、网调的所有调节资源，在分省功率平衡的基础上，实现更大范围内的风功率波动的平息，从而更好的发挥全网的AGC调节能力。

结语

由于风能具有不确定性，在特定情况下需要其他能源加以弥补，由此产生新的发电模式如风水协同运行等。对于新型的发电模式，已有学者使用智能算法对其进行控制研究，但协同运行的场站级控制策略尚未涉及，后续将结合风水协同发电，研究其协同发电功率控制策略。

参考文献：

[1]叶杭冶．风力发电机组监测与控制[M]．北京：机械工业出版社，2017．

[2]谷峰．基于双馈机组风电场的功率控制研究[D]．济南：山东大学，2018．