摘要：风能的随机性和间歇性决定了风电场有功功率输出的不稳定性，随着风电规模的不断扩大，风电穿透率的逐渐增加，大容量风电接入给电力系统调度和安全稳定运行带来了很多新的挑战。为了应对大容量风电接入的相关影响，欧盟国家的电网运行管理机构根据各自国家的风电设备技术水平、风电装机容量和电网的强壮程度等因素，制定了各自的风电场接入电网的管理规程，这些规程中都明确要求风电场应具备有功调节能力，并对有功调节变化率做出了明确的规定。国际上趋于通过技术进步和制定强制性标准，使风电达到或接近常规电源性能。
关键词：大规模风电场；有功功率；控制策略
1风电场有功功率控制
为了给风功率预测系统提供校核数据，风电场设定一些风机不进行功率调节，处于采用最大功率捕获风能的运行模式，称为标杆风机。标杆风机编号、每台风电机组的最小运行有功功率、有功功率调节响应时间等参数通过定值设定。将属于一套 EMS 管理的相同类型的一组风机称为一个机群，EMS 系统具有 AGC 模块，能够实现对其管理的风电机组进行有功功率调节。不配置EMS 系统的情况下，风电场有功功率控制子站（下面简称子站）通过风机 SCADA 与风机建立信息交互链路，SCADA 系统不具备功率分配功能，其接收子站的风电机组有功功率控制、启机和指令，然后转发给对应的风电机组。根据风功率预测系统提供的超短期预测结果计算可调风电机组的最大有功功率。总有功指令先在机群间按照设定的原则进行分配，再由 EMS 或子站直接在风电机组间进行有功功率分配。风电场有功功率控制。
2有功功率分配策略
以风电场上网有功功率P为控制目标，实时计算风电场内部功率损耗P loss，对总有功指令P cmd 进行变化量限制，得到全场风电机组的总有功功率目标值P target，按照设定的原则在机群间进行有功功率分配，形成机群的功率指令Picmd（i=1，2，…，n），然后在风电机组间进行有功功率分配，形成风电机组的功率指令Pi，jcmd（i=1，2，…，n；j=1，2，…，m）。控制周期要考虑所有类型风电机组的动态响应特性以及调度部门要求的有功功率控制响应速度，实现以最小的调节频度快速响应控制目标。
2.1 风电机组数据处理及统计
根据通信、运行状态以及是否为标杆风机将风电机组分为可调和不可调，通信正常、无故障运行且不为标杆风机的风电机组为可调风电机组，其他机组为不可调风电机组。考虑风电机组未来的发电能力可以有效减少风电机组的调节频率，增加风电机组的使用寿命。根据实时测风数据和超短期预测数据计算可调风电机组在未来一段时间内的最大有功功率。
式中，P i，j max 为机群 i 的 j 台风电机组在未来一段时间内的最大有功功率，T 1 为上一个预测数据的时刻与当前时间的差值，T 2 为超短期预测数据的时间间隔，Pi，jcmax 为机群 i 的第 j 台风电机组在当前气候条件下的最大有功功率，Pi，jfmax 为机群 i 的第 j 台风电机组在下一时刻的最大有功功率预测值。该数据经过低通滤波，滤除了数据中的高频部分，可有效避免高频率风速变化导致的风电机组控制的频繁动作。将各机群所有可调风电机组的最大有功功率的总和作为该机群的最大有功功率 Pimax，将各机群的最大有功功率的总和作为该风电场的最大有功功率 P max，计算公式如下：
根据风电机组的运行信息计算出各机群可调风电机组的实发有功功率的总和 Piall，然后计算出所有机群的实发有功功率的总和 P all。P all 跟上网有功功率 P 的差值是风电场内部的有功功率损耗 P loss，通信中断的风电机组的实发有功功率计算到风电场内部的有功功率损耗 P loss 中。风电机组的实发有功功率小于一定值时，机组的安全性、运行经济性会较差，该值称为风电机组的最小运行有功功率。分配给风电机组的有功功率低于该值时应直接停机。机群 i 的第 j 台风电机组的最小运行有功功率记为 Pi，jmin，每个可调的风电机组的最小运行有功功率的总和 Pimin 为机群的最小运行有功功率。
2.2有功功率变化限制
国家电网公司在《风电场接入电力系统技术规定》中指出，风电场应具有限制其有功功率变化的能力，在风电场并网以及风速增长过程中，风电场有功功率变化应当满足电网调度部门的要求，并给出了 1 min 和 10 min 有功功率变化限制的推荐值。子站在每个控制周期首先按照 1 min 和 10 min有功功率变化限制处理有功功率指令 P cmd，得到该控制周期的实际有功功率指令 P’cmd。子站记录风电场的上网有功功率 P，每个控制周期都从数据库中取得前一分钟内上网有功功率的最大值 P1minmax 和最小值 P1minmin 以及前十分钟内上网有功功率的最大值 P10minmax 和最小值 P10minmin，则当前有功功率指令的上限 Pmaxcmd 和下限 Pmincmd 分别为
式中，L 1 min 和L 10 min 为调度部门规定的风电场1 min和 10 min 有功功率变化限制值。升功率时，即 P cmd >P，则该控制周期的有功功率指令 P’cmd 为
2.3风电机组有功分配策略
风电机组间进行有功功率分配时，以保证尽量多的风电机组处于运行状态为原则。风电机组的启停机受到其自身的一些参数的限制，包括最小停机时间和最小运行时间。最小停机时间是指风电机组从停机到再次启机允许的最小时间间隔，最小运行时间是指风电机组从启机到再次停机允许的最小时间间隔。另外，为了防止多台风电机组同时启机时导致冲击电流过大和集电线路过热，需要限制每个周期的启机数量。子站实时监测每台风电机组的状态并记录运行时间和停机时间，将停机时间超过最小停机时间的可调风电机组按照停机时间的长短形成启机队列，将运行时间超过最小运行时间的可调风电机组按照运行时间的长短形成停机队列。① 升功率 如果启机队列中存在风机，则优先启动启机队列中的风机，当需要启动的风机较多时，分批次启动。在所有风机未全部启动前，运行风机不会进行升功率。当启机队列中的所有风机都启动完成后，仍然需要升功率，则按照相似裕度法在可调风机间进行功率分配：
式中，Pi，jcmd 为机群i的第j台风电机组的有功功率指令；Pi，jmax 为机群i的第j台风电机组在未来一段时间内的最大有功功率；P i，j 为机群i的第j台风电机组的实发有功功率；Picmd 为机群i的有功功率指令。② 降功率 如果机群的有功功率指令大于其最小运行有功功率，则按照相似裕度法在可调风机间进行功率分配：
式中，Pi，jcmd 为机群i的第j台风电机组的有功功率指令，Pi，jmin 为机群i的第j台风电机组的最小运行有功功率，P i，j 为机群i的第j台风电机组的实发有功功率，Picmd 为机群i的有功功率指令。如果机群的有功功率指令小于其最小运行有功功率，先将所有可调风机降至最小运行有功功率，然后依次对停机队列中的风机进行停机操作直至风电场的实发有功功率进入门槛，如果遍历到最后一台风机才能满足要求，则所有风机都停机。由风机停机导致的功率过调由停机队列中的下一台运行风机升功率进行补偿。
3结论
本文提出了一种大规模风电场风电机群及风电机组间有功功率分配策略。该策略能够保证风电场有功功率变化满足电网规定的1 min和10 min有功功率变化限制值；基于实时测风数据和超短期预测数据计算风电机组在未来一段时间内的最大有功功率，以实现最大风能利用并提高控制精度；风电机群间分配时根据具体情况采取不同的分配策略；风电机组间分配时考虑了运行约束条件，可适应各种类型的风电机组，让尽可能多的风电机组参与调节以快速响应有功功率指令，同时减少风电机组调节频度，有利于风电机组的长期稳定运行。
参考文献：
[1]林俐，谢永俊，朱晨宸，等．基于优先顺序法的风电场限出力有功控制策略[J]．电网技术，2013，37（4）：960-966．
[2]李静坤，姚秀萍，旷瑞明，等．新疆风电场有功功率控制策略与实现[J]．电力系统自动化，2011，35（24）：44-46．
论文作者:岳嵘
论文发表刊物:《电力设备》2017年第17期
论文发表时间:2017/10/20
标签：功率论文; 机组论文; 风电论文; 机群论文; 可调论文; 风机论文; 风电场论文; 《电力设备》2017年第17期论文;