劉宏勇 李明 任巍曦 張文煜 田云峰 王德偉 劉漢民

摘要 風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制策略對(duì)跟蹤電網(wǎng)AGC指令和控制風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電運(yùn)行起著關(guān)鍵作用，為進(jìn)一步優(yōu)化風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制策略，對(duì)在運(yùn)行風(fēng)電機(jī)組建立功率曲線模型。本文使用風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙風(fēng)速法計(jì)算風(fēng)機(jī)理論功率，基于風(fēng)機(jī)理論功率提出風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制策略模型，合理分配風(fēng)機(jī)有功功率，減少風(fēng)機(jī)頻繁啟停，提升有功功率控制響應(yīng)速率，保證不同類型風(fēng)電機(jī)組有功功率的合理分配。提出基于風(fēng)電機(jī)組理論功率在限功率平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)段內(nèi)，進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組功率置換，可以有效平衡不同類型風(fēng)機(jī)功率分配，提升整場(chǎng)功率控制速率，提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率。最后，在冀北電網(wǎng)某風(fēng)電場(chǎng)對(duì)所提控制策略和模型進(jìn)行了驗(yàn)證，證明了模型的正確性和控制策略的有效性。

關(guān) 鍵 詞 風(fēng)電場(chǎng);功率曲線;理論功率;有功功率控制;功率分配

中圖分類號(hào) TM614? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)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(fēng)力發(fā)電機(jī)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(guó)風(fēng)電機(jī)組累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)到2.1億kW[1]，由于風(fēng)力發(fā)電具有隨機(jī)性、間歇性和波動(dòng)性，且高度集中在“三北地區(qū)”，遠(yuǎn)離負(fù)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(fēng)電大發(fā)期間，為保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，會(huì)對(duì)風(fēng)電有功功率進(jìn)行一定程度的限制，因此場(chǎng)站端有功功率的快速響應(yīng)、精準(zhǔn)控制尤為關(guān)鍵。

目前場(chǎng)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(shè)定好的周期，風(fēng)機(jī)將實(shí)時(shí)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(tái)風(fēng)機(jī)。由于部分風(fēng)電場(chǎng)存在多種類型、多種運(yùn)行狀態(tài)的風(fēng)機(jī)，該種控制方法未考慮不同類型風(fēng)機(jī)的功率調(diào)節(jié)特性，導(dǎo)致功率分配不均衡，執(zhí)行率較好的風(fēng)機(jī)將長(zhǎng)時(shí)間被限制在低功率運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)風(fēng)機(jī)造成損害，且在AGC總指令較低時(shí)，響應(yīng)速率較慢。因此優(yōu)化風(fēng)電場(chǎng)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(tái)風(fēng)電機(jī)組格外重要[2]。文獻(xiàn)[3]提出了一種基于機(jī)艙風(fēng)速法計(jì)算風(fēng)機(jī)理論功率的方法。文獻(xiàn)[4]對(duì)各種風(fēng)機(jī)理論功率計(jì)算方法進(jìn)行了比對(duì)。文獻(xiàn)[5]提出了一種結(jié)合功率預(yù)測(cè)優(yōu)化有功功率控制的方法。文獻(xiàn)[6]使用熵權(quán)法修正的層次分析法和模糊理論相結(jié)合的綜合評(píng)價(jià)方法，建立風(fēng)機(jī)的調(diào)控評(píng)分序列。文獻(xiàn)[7]提出功率優(yōu)化策略模型，并提出了風(fēng)機(jī)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(yīng)用。文獻(xiàn)[8]引入統(tǒng)計(jì)思想計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)理論功率，采用非參數(shù)回歸方法對(duì)無完整調(diào)度控制指令和風(fēng)機(jī)運(yùn)行記錄進(jìn)行擬合，計(jì)算理論輸出功率并采用相關(guān)系數(shù)加權(quán)進(jìn)行修正。文獻(xiàn)[9]提出了基于風(fēng)電機(jī)組功率調(diào)節(jié)能力分配風(fēng)電場(chǎng)有功功率的策略，將風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)分為啟動(dòng)區(qū)、最大風(fēng)能跟蹤區(qū)、恒轉(zhuǎn)速區(qū)、恒功率區(qū)進(jìn)行功率計(jì)算分配。文獻(xiàn)[10]提出雙閉環(huán)控制的風(fēng)電場(chǎng)有功功率分配策略，通過外環(huán)風(fēng)速預(yù)測(cè)與期望功率優(yōu)化和內(nèi)環(huán)自適應(yīng)控制算法，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)有功功率輸出更加平滑。

經(jīng)過對(duì)比，機(jī)艙風(fēng)速法對(duì)風(fēng)電機(jī)組理論功率計(jì)算的準(zhǔn)確率相對(duì)較高，本文使用風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙風(fēng)速法計(jì)算風(fēng)機(jī)理論功率，基于風(fēng)機(jī)理論功率并充分考慮各種風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況提出風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制策略模型，合理分配風(fēng)機(jī)有功功率，減少風(fēng)機(jī)頻繁啟停，提升有功功率控制響應(yīng)速率，保證不同類型風(fēng)電機(jī)組有功功率的合理分配。

1 風(fēng)機(jī)理論功率計(jì)算

機(jī)艙風(fēng)速法是基于機(jī)艙風(fēng)速計(jì)測(cè)量的風(fēng)速來計(jì)算每臺(tái)風(fēng)機(jī)的理論功率的，由于風(fēng)機(jī)尾流波動(dòng)，空氣密度不同，以及不同類型風(fēng)機(jī)性能的區(qū)別，對(duì)理論功率的計(jì)算存在影響。本文采集風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行情況下的數(shù)據(jù)，采用比恩法[11]，將0.1 m/s風(fēng)速劃分為1比恩，對(duì)每臺(tái)非標(biāo)桿風(fēng)機(jī)建立模型，然后對(duì)每一比恩中的風(fēng)速、功率分別求平均值，得到每臺(tái)非標(biāo)桿風(fēng)機(jī)風(fēng)速[Vi]和理論有功功率[Pli]的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并得到限功率運(yùn)行狀態(tài)下的風(fēng)機(jī)理論有功功率，計(jì)算流程如圖1所示。

2 有功功率控制系統(tǒng)

風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制系統(tǒng)（AGC）對(duì)整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)所有風(fēng)機(jī)任一時(shí)刻的有功功率進(jìn)行統(tǒng)一控制，因此需要采集風(fēng)機(jī)的風(fēng)速、功率、運(yùn)行狀態(tài)等實(shí)時(shí)運(yùn)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(jì)算出每臺(tái)風(fēng)機(jī)的功率設(shè)定值[12]。

AGC控制系統(tǒng)配合場(chǎng)站的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視系統(tǒng)（SCADA）和理論功率計(jì)算系統(tǒng)完成所有風(fēng)機(jī)的有功功率分配和控制。SCADA系統(tǒng)采集每臺(tái)風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，理論功率計(jì)算服務(wù)器負(fù)責(zé)計(jì)算限功率情況下的理論功率，并將風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及理論功率傳輸至AGC服務(wù)器。AGC服務(wù)器負(fù)責(zé)接收調(diào)度AGC指令，并按照調(diào)度指令和每臺(tái)風(fēng)機(jī)的理論功率按照設(shè)定好的控制策略計(jì)算每臺(tái)風(fēng)機(jī)的功率指令并分配至每臺(tái)風(fēng)機(jī)，進(jìn)而控制風(fēng)機(jī)的有功功率，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)全場(chǎng)的有功功率控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 功率分配算法

當(dāng)站端AGC服務(wù)器接收到調(diào)度下發(fā)的功率調(diào)節(jié)指令后，AGC服務(wù)器按照2個(gè)階段進(jìn)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(wù)器接收到調(diào)度指令，結(jié)合風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及每臺(tái)風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)理論功率，剔除標(biāo)桿風(fēng)機(jī)、故障風(fēng)機(jī)和通信中斷風(fēng)機(jī)，并充分考慮各個(gè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率的上下限，計(jì)算每臺(tái)風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)功率，目的是快速響應(yīng)調(diào)度指令，在調(diào)度規(guī)定時(shí)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(dāng)風(fēng)電場(chǎng)全場(chǎng)有功功率達(dá)到調(diào)度要求的范圍并平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)，進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組功率置換，平衡不同類型風(fēng)機(jī)功率分配來優(yōu)化風(fēng)機(jī)間的出力，保護(hù)風(fēng)機(jī)機(jī)械特性，并置換出調(diào)節(jié)速率較快風(fēng)機(jī)的功率調(diào)節(jié)余量，為下一次調(diào)節(jié)做準(zhǔn)備，提升整場(chǎng)功率控制速率。

3.1 功率調(diào)節(jié)階段

AGC服務(wù)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(chǎng)站實(shí)時(shí)功率差值ΔP的正負(fù)性，當(dāng)ΔP為負(fù)數(shù)時(shí)，執(zhí)行降功率策略，當(dāng)ΔP為正數(shù)時(shí)，執(zhí)行升功率策略。直至實(shí)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(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)實(shí)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(shí)，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(wù)器按照式（5）～式（7）計(jì)算每臺(tái)非標(biāo)桿運(yùn)行風(fēng)機(jī)的功率控制指令，通過剔除標(biāo)桿風(fēng)機(jī)、故障風(fēng)機(jī)和通信中斷風(fēng)機(jī)，只向可以進(jìn)行功率調(diào)節(jié)的風(fēng)機(jī)分配調(diào)節(jié)指令，將功率指令分配至每臺(tái)風(fēng)機(jī)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)情況，每隔5 s循環(huán)執(zhí)行一次功率指令計(jì)算及功率指令分配，實(shí)現(xiàn)了全場(chǎng)有功功率的快速調(diào)節(jié)，確保全場(chǎng)功率在調(diào)度規(guī)定時(shí)間內(nèi)調(diào)節(jié)到位。

式中：[Pk]為風(fēng)電場(chǎng)可控有功功率;[Pbi]為第i臺(tái)標(biāo)桿風(fēng)機(jī)有功功率;[Pxi]為第i臺(tái)非標(biāo)桿運(yùn)行風(fēng)機(jī)有功功率控制下限;α為風(fēng)機(jī)有功功率調(diào)節(jié)比例;[Pli]為第i臺(tái)非標(biāo)桿運(yùn)行風(fēng)機(jī)有功功率控制指令;[Pi]為第i臺(tái)非標(biāo)桿運(yùn)行風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)有功功率。

3.1.2 升功率階段

升功率階段，AGC服務(wù)器按照式（8）、式（9）計(jì)算每臺(tái)非標(biāo)桿運(yùn)行風(fēng)機(jī)的功率控制指令，通過剔除標(biāo)桿風(fēng)機(jī)、故障風(fēng)機(jī)和通信中斷風(fēng)機(jī)，只向可以進(jìn)行功率調(diào)節(jié)的風(fēng)機(jī)分配調(diào)節(jié)指令，將功率指令分配至每臺(tái)風(fēng)機(jī)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)情況，每隔5 s循環(huán)執(zhí)行一次功率指令計(jì)算及功率指令分配，實(shí)現(xiàn)了全場(chǎng)有功功率的快速調(diào)節(jié)，確保全場(chǎng)功率在調(diào)度規(guī)定時(shí)間內(nèi)調(diào)節(jié)到位。

式中：n為非標(biāo)桿運(yùn)行風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù);[Pei]為第i臺(tái)風(fēng)機(jī)的有功功率上限。

3.2 功率平衡階段

功率平衡階段，AGC服務(wù)器接收理論功率計(jì)算服務(wù)器提供的風(fēng)電機(jī)組理論功率，根據(jù)每臺(tái)可調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的理論功率，按照式（10）、式（11）計(jì)算每臺(tái)非標(biāo)桿運(yùn)行風(fēng)機(jī)的功率控制指令，將功率指令分配至每臺(tái)風(fēng)機(jī)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)情況，每隔5 s循環(huán)執(zhí)行一次功率指令計(jì)算及功率指令分配，實(shí)現(xiàn)不同廠家、不同類型之間風(fēng)機(jī)的協(xié)調(diào)控制，將功率調(diào)節(jié)速度慢的風(fēng)機(jī)功率調(diào)節(jié)余量置換至功率調(diào)節(jié)速度快的風(fēng)機(jī)上，保證每臺(tái)風(fēng)機(jī)的功率輸出更加均衡。

式中：β為非標(biāo)桿運(yùn)行風(fēng)機(jī)實(shí)際功率占理論功率比例;[γi]為第i臺(tái)風(fēng)機(jī)實(shí)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(fēng)電場(chǎng)選取5臺(tái)2.5 MW的風(fēng)機(jī)和5臺(tái)3 MW的風(fēng)機(jī)進(jìn)行了功率控制策略優(yōu)化的有效性驗(yàn)證，該風(fēng)電場(chǎng)目前采用有功變化量平均分配方式進(jìn)行有功控制。選取10臺(tái)風(fēng)機(jī)近半年的運(yùn)行數(shù)據(jù)，其中并建立模型得出每臺(tái)風(fēng)機(jī)的理論功率曲線，如圖4所示，其中#1至#5為2.5 MW風(fēng)機(jī)，#6至#10為3 MW風(fēng)機(jī)。

測(cè)試的目的是為了驗(yàn)證AGC總指令較低時(shí)整場(chǎng)的控制速率和穩(wěn)定運(yùn)行階段的不同類型風(fēng)機(jī)的功率分配情況，及全場(chǎng)有功功率響應(yīng)調(diào)度指令的執(zhí)行情況。因此此次測(cè)試主要進(jìn)行了降功率測(cè)試。測(cè)試期間風(fēng)機(jī)風(fēng)速在8 m/s至10 m/s區(qū)間，該10臺(tái)風(fēng)機(jī)總出力為20 MW左右。為避免風(fēng)速波動(dòng)影響，首先將總功率調(diào)整至18 MW進(jìn)行測(cè)試，按照每3 min下調(diào)2 MW，連續(xù)下調(diào)4次，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

對(duì)功率策略優(yōu)化前后進(jìn)行對(duì)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(shí)，優(yōu)化后的調(diào)節(jié)速率明顯優(yōu)于優(yōu)化前。

通過對(duì)比優(yōu)化前后測(cè)試期間風(fēng)機(jī)的有功功率曲線可以得到，優(yōu)化后#1到#5風(fēng)機(jī)有功功率降幅增大，#6到#10風(fēng)機(jī)有功功率降幅減小，整體運(yùn)行更加平穩(wěn)。為進(jìn)一步反映功率優(yōu)化后的分配策略對(duì)風(fēng)機(jī)有功功率控制的影響，對(duì)比優(yōu)化前后10臺(tái)風(fēng)機(jī)測(cè)試期間實(shí)時(shí)功率的偏差σ。

式中，[Pti]為第i臺(tái)風(fēng)機(jī)t時(shí)刻的實(shí)時(shí)有功功率。

由表1可以得出，優(yōu)化后#1到#5風(fēng)機(jī)有功功率偏差σ明顯增大，#6到#10風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)功率分配更加合理。

5 結(jié)論

本文針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制策略優(yōu)化展開研究，提出了基于單臺(tái)風(fēng)機(jī)理論功率調(diào)節(jié)整場(chǎng)風(fēng)機(jī)有功功率的控制方法，建立了風(fēng)電機(jī)組理論功率計(jì)算模型，并在風(fēng)電場(chǎng)驗(yàn)證了本文方法的有效性。主要結(jié)論如下。

1）利用機(jī)艙風(fēng)速法，結(jié)合風(fēng)機(jī)運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)，可以準(zhǔn)確繪制出現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行過程中單臺(tái)風(fēng)機(jī)的功率曲線，并有效地計(jì)算出風(fēng)機(jī)限功率運(yùn)行時(shí)段內(nèi)的理論功率。

2）在功率控制階段，分配功率時(shí)剔除掉標(biāo)桿風(fēng)機(jī)、故障風(fēng)機(jī)和通信中斷風(fēng)機(jī)，并考慮各個(gè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率的上下限，可以精準(zhǔn)地將功率調(diào)節(jié)指令分配至可調(diào)節(jié)的風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)中，進(jìn)一步提升全場(chǎng)功率控制響應(yīng)速度和精度。

3）本文提出的基于風(fēng)電機(jī)組理論功率在限功率平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)段內(nèi)，進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組功率置換，可以平衡不同類型風(fēng)機(jī)功率分配，有效解決不同廠家、不同型號(hào)風(fēng)機(jī)功率調(diào)節(jié)響應(yīng)不一致的問題，提升整場(chǎng)功率控制速率，提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率，增加風(fēng)機(jī)運(yùn)行壽命。

參考文獻(xiàn)：

[1]? ? 國(guó)家能源局.2019年風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行情況[EB/OL].（2020-02-28/2020-03-31）. http：//www.nea.gov.cn/2020-02/28/c_138827910.htm.

[2]? ? GUO W T，LIU F，SI J，et al.Approximate dynamic programming based supplementary reactive power control for DFIG wind farm to enhance power system stability[J].Neurocomputing，2015，170： 417-427.

[3]? ? 姜文玲，馮雙磊，孫勇，等.基于機(jī)艙風(fēng)速數(shù)據(jù)的風(fēng)電場(chǎng)棄風(fēng)電量計(jì)算方法研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2014，38（3）： 647-652.

[4]? ? 郭海思，何慧，包大恩.風(fēng)電機(jī)組理論發(fā)電功率計(jì)算及對(duì)比優(yōu)化[J].電力與能源，2019，40（3）： 339-343.

[5]? ? 劉濤，廖宏，董華莉.風(fēng)場(chǎng)有功功率控制策略與應(yīng)用[J].東方汽輪機(jī)，2013（4）： 26-29.

[6]? ? 孫釩，張建華.風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)站級(jí)降功率控制策略優(yōu)化研究[J].現(xiàn)代電力，2016，33（5）： 12-17.

[7]? ? 喬穎，魯宗相.考慮電網(wǎng)約束的風(fēng)電場(chǎng)自動(dòng)有功控制[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，33（22）： 88-93.

[8]? ? 王錚，劉純，馮雙磊，等.基于非參數(shù)回歸的風(fēng)電場(chǎng)理論功率計(jì)算方法[J].電網(wǎng)技術(shù)，2015，39（8）： 2148-2153.

[9]? ? 劉軍，趙婷，張彬彬.考慮功率調(diào)節(jié)能力的風(fēng)電場(chǎng)有功功率分配研究[J].電氣傳動(dòng)，2019，49（12）： 38-43.

[10]? GUO Y，WANG W，TANG C Y，et al.Model predictive and adaptive wind farm power control[C]//2013 American Control Conference.June 17-19，2013，Washington，DC，USA. IEEE，2013：2890-2897.

[11]? 劉楠，劉瑾，李珂，等.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率曲線獲取方法[J].船舶工程，2019，41（S1）： 291-294.

[12]? 武曉冬，朱燕芳，田慕琴.風(fēng)電場(chǎng)層AGC常用分配策略的對(duì)比研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2019，47（16）： 173-179.