面向网源协调的大型风电场闭环控制框架

面向网源协调的大型风电场闭环控制框架

苏鹏

国网内蒙古东部电力有限公司电力调度控制中心 内蒙古呼和浩特 010010 摘要：我国风电主要采用大规模集中接人的并网方式，随着风电规模增大，风电汇集区域无功电压问题日益显著，成为制约风电可靠消纳的重大瓶颈之一。 网源协调是解决大规模风电并网难题的可能途径。基于现场总线控制技术，提出风电场闭环控制的基本框架，分析了风电场闭环控制需要解决的理论和技术方案。

关键词：风电场；闭环；控制；框架

随着能源问题和环境问题的日益严峻，世界各国竞相大力发展可再生能源。风电以其无污染，资源存量大成为可再生能源发电发展最快的技术。我国拥有丰富的风力资源，但是风电发电量受到天气、季节等因素的影响，具有间歇性，并网运行时，对电网造成很大的冲击，而且会加重电网的调峰重担。在风力发电中引入储能装置，利用储能装置快速、高效地提高电能品质和功率这一优势，可以有效提高风力发电输出的波动性。

一、慨述

电力系统由电源和电网组成，无论是从调度管理层面还是从系统动力学面讲，电源和电网的协调都是非常重要的。尤其是以风电场这种电源接入电网以来，网源协调问题愈加突出，对电网与风电场进行协调面临很多困难。对风电的网源不协调问题，电网一方认为是风电场不具备电网友好特性，其主要原因可归结为两点: ①风电场本身的动力学行为远不如常规 同步电厂。［1］对风电机组的暂态行为做了详细研究，认为多数情况下风电场对电力系统稳定性是非常不利的。②风电场的可控性差。虽然单台机组有很好的可控性，但是对于整个风电场却很难实现整体实时可控。由于网源协调性不好，电网对风电一直没有完全开放接纳的态度。其技术层面的原因也是和风电场的可控性差有很大关系。但是，我们应该看到风电对电网产生的很多不利影响是可以通过技术方法削弱或消除的，甚至有可能 “转害为利”，使风电成为对电网友好的绿色电源。欲实现风电的电网友好特性，可行的解决方案是设法增强风电场的可控性。一个高度可控的风电场不仅可以适应电网调度的需要，还可以通过闭环控制改善风电场自身动态行为，使风电友好地接入电网。

二、风电场的可控性

1、现代风电机组的功率调节特性。现代大型风电机组主要包括双馈式和永磁直驱式两种机型。两种机型虽然结构和原理有很大差异，但是在有功功率和无功功率的调节特性方面具有共同特点。对于双馈机组，转子侧变流器的控制系统采用了矢量控制策略，可以实现对定子有功功率和无功功率的解耦控制，而且有功功率和无功功率的响应很快，时间常数约为数十毫秒［2］; 对于永磁直驱风电机组，双 PWM 变换器为全功率变换器，通过在定子侧变换器上实施矢量控制，可以达到调节定子有功功率的目的，而无功功率可由网侧变换器产生并可快速调节。对于两种机型的有功功率控制，都需要风力机的浆距调节配合以保证转速不越限。总之，双馈式和永磁直驱式风电机组都可以通过变频器控制有功功率和无功功率。风电机组的这种高度可控的功率调节特性是常规同步发电机无法比拟的。

2、风电场的功率调节特性。风电场的可控性主要体现在风电场的功率调节特性。虽然对任意单台风电机组实施功率调节非常容易，但是每台风机控制系统都是自治的，对整个风电场进行有功功率和无功功率调节并不容易，单台机组功率可控性与风电场的功率可控性完全不同。一个大型风电场有百余台机组，且分散在方圆数公里的广袤区域，目前风电场集结并网点的功率是很难调节的。当前，风电场有功调节主要靠起、停部分机组实现，风电场的可控性处在很低层次上。为了实现风电场的高度可控，设想在风电场层面上建立 “横向一体化”控制系统，该控制系统能将所有机组的行为 “捆绑”起来，风电场所有机组都能够快速响应统一的控制指令，使整个风电场的功率可控性类似于一台风机。

三、机群控制的技术方法

1、机群控制与单机控制的边界划分。借鉴集散控制系统 ( DCS) 的理念，将各台风机的控制系统视为现场控制级，现场控制级可独立完成励磁变频器 ( 对于双馈式) 或定子侧变频器 ( 对于直驱式) 的控制和浆距调节。将集控系统视为过程控制级，根据电网运行状态发出控制命令并传达给现场控制级。机群控制系统是面向电网侧需求的，通过调制各台机组功率实现。但是，机群控制必须保持机组自身控制系统的高度自治性，在响应集控中心控制信号时应当根据本机实际状态决定是否接受上位机控制指令。控制网络使用高速现场总线，电网特征信息作为反馈量通过总线送到上位机，上位机的有功和无功调节命令通过总线发送至各台风机。

2、基于 RTDS 的系统组成。为了研究基于现场总线的机群控制系统，基于 RTDS 构成实物仿真系统，如图所示。

将风电场放在 RTDS 中，现场总线控制系统以实物形式与RTDS 接口。采用双口现场总线适配卡形成总线 1和总线 2。将 RTDS 中的电网信息由模拟输出口输出，经现场总线的模拟量输入模块转换后，通过总线 1 被上位机读取。上位机根据一定的控制算法计算出对风电场功率调制的指令，将功率调制指令发送至总线 2，各模拟量输出模块接受总线 2 数据并转换为模拟量输出给 RTDS 中的各台风机，调节各机组的功率输出。

3、机群控制的关键技术。由于要对风电场所有机组实施闭环控制，问题的性质属于大范围、多节点、分布式过程控制系统，再考虑到控制目标涉及到电网稳定问题，现场总线的实时性成为需要解决的关键技术。在使用现场总线时应考虑以下问题: ①现场总线标准的选择。不同的总线标准有不同的技术特点，适用于不同的工业场合，应根据风电场控制的实时性要求，选择速度较快的标准。②为了确保实时性，在确定使用某种现场总线后，应研究如何组网和确定网络拓扑，网络拓扑对响应速度有一定影响。③根据响应速度的要求和现场总线可寻址的节点规模，对大型风电场进行片区划分，对每一片区设计总线控制系统。④通信延时的测算与处理。

4、基于现场总线的机群控制系统遇到的最大的问题是通信延时，过大的通信延时将使整个系统不能运行。以往的风电场远程监控主要实现了状态监视、参数修改和机组起停等功能，这些功能对实时性要求并不高，而闭环实时控制则对实时性提出了严格要求。因此，必须将通信延时降低到可接受范围。无论采用何种总线，减少通信延时都必须重视两点: ①减少网络中的信息传递任务。②均衡网络负载以提高网络带宽的利用率。对于一个系统来讲，所要传输的信息都是有用的，从数量上是不可以减少的。但是我们研究一个系统的信息不难发现其信息按种类可以分为控制信息、反馈信息和状态监控信息。
结束语

为了适应大型风电场并网需要，网源协调成为一项重要目标。本文面向网源协调和电网友好型风电场的需求，提出了大型风电场的闭环控制框架。阐述了风电场的可控性与实现方法，提出了实现闭环控制框架需要解决的理论和技术问题，为推进面向网源协调可行思路。

参考文献：

[1] 代贤忠，石一辉，鲁宗相．大规模风电接人对江苏电网安全稳定性的影响[J1．中国电力，2019，44(6)：42—47．

[2] 迟永宁，刘燕华，王伟胜．风电接人对电力系统的影响[J]．电网技术，2017，31(3)：77-81．