摘要：随着风力发电技术的不断进步，风力发电的应用也越来越广泛。但由于风力发电机的能量捕获方式相比火力发电、水力发电等稳定性要差，且风力发电系统的电能质量还不能完全和火电水电等所产电能的质量相匹配，以及为了使风电场能够实时的接收电网调度对所需电能的调度分配。所以风力发电机组需要具备功率管理功能，能够根据风场SCADA下发的有功功率、无功功率给定值，自动调节有功出力及无功补偿的生产量。本文介绍一种功率管理策略的设计。
关键词：风力发电；风机控制；功率管理
引言：在风场实际运行测试过程中，单台风机的有功功率能够很好的跟随风场AGC功率管理系统的设定值，实时动态响应SCADA系统的调度指令，很好的对整个风场有功功率进行控制和自动管理，很大程度上提高了风力发电厂的运行和管理的效率。
1.风电场功率管理
在连接到电网中的风电场所发出的功率受调度的统一管理，电网调度根据电网运行情况，将各个风电场需要生产的有功电量值和无功电量值下发给各个风场。风场在收到指令后，控制风机的运行状况，来调整整个风电场的有功电量和无功电量的生产。目前各个风场的情况不同，采用的方法也不尽相同，有的风场SCADA监控中心不具备AGC，只能采取人工控制的方法，即当电网调度限制风场总出力时，人为通过风场SCADA系统判断风机当前风速及各风机的运行状态，手动操作下发指令，使风机停止运行来控制整个风电场的有功功率的输出。这样给带来风电场的运维人员带来很大工作量，且不能很准确有效地控制风电场有功功率，若不及时还会遭到调度处罚，极为不便。目前大部分的风场SCADA监控中心都具备AGC功能。AGC系统的工作原理也不尽相同。在这里介绍一种AGC的控制方法，它是通过与SCADA系统交互，得到当前各台风机的有功电量、无功电量的输出、风速等情况，然后结合有功功率的给定值综合判断后，将总的有功功率的给定值分散分配给各个风机。此时，需要风机主控制器具备功率调节功能，相应SCADA的调度指令，能够根据AGC的有功设定值，精准的自动调节各风机的有功输出电量及无功功率补偿。其大体流程如下。1)电网调度:根据电网承受能力调节，为控制整个电网潮流稳定，需控制接入电网各风电场的有功出力，下发功率指令。2)风场监控中心及AGC系统:运维人员通过接收调度下发有功出力指令，手动输入或自动接入网调系统，实现AGC系统的控制输入。AGC系统根据各台风机当前的有功出力、风速、风功率预测等数据进行计算，计算结果通过风场环网通信下发至各台风机主控器，主控器通过AGC系统下发的功率指令进行相应的有功和无功调节，最终达到电网调度设定值。3)单台风机系统:单台风机系统从风场环网接受到的出力指令，进行功率调节，通过变桨和速度调节，使单台风机功率稳定在设定值附近。
2.风力发电机功率管理的实现
风场中的各台风机主控制器在收到SCADA发出的功率管理给定值后，需要根据给定值进行调整有功功率。根据发电机特性:有功功率等于发电机转速和发电机转矩的乘积，因此，要控制有功功率输出，可以通过调整发电机的转速和转矩来实现。现目前风力发电技术中应用较为广泛的是双馈风力发电机组，双馈发电机的转速和转矩均可调节。但转速和转矩如何调节，就需要进一步讨论了。如何能在调整转速和转矩时获得最优的效率?在这里先对目前应用较为广泛的两种转速转矩曲线进行说明。
图1.转速－转矩曲线图：
风机的叶片参数中叶尖速比固定，在相同的风速下，转矩和转速可有不同的对应关系，但在这些对应关系中，存在一个最优控制点，可保证风机在此点的输出功率最大。通过大量实验数据拟合得到图1中所示的2条曲线，即曲线1:A－B－F－H－C－D－E;曲线2:A－B1－B－F－H－C－C1－E;通过验证，图1中拟合得到的曲线是最优模态增益下的转速转矩曲线。只有当OptimumCp值这条曲线上时，机组在对应风速下才能获取最优的功率输出。由图1中曲线可以看出，曲线2与曲线1相比，曲线2工作再最优转速－转矩曲线要比曲线1在最优转速－转矩曲线的工作点要多。因此，风机工作在曲线2上的风能利用效率要优于工作在曲线1上的风能利用效率。当风机在进行功率管理时，机组主控制器根据有功功率设定值计算转速和转矩，必须依照这条曲线进行寻优计算，一个功率点对应唯一的转速和转矩值。在图1中，不同的风速对应不同的工作点，在风速对应的工作点没有超过功率管理设定工作点时，风机依然工作在图1的曲线2上。随着风速的增加，风机运行的稳态点到达E点后，就进入变桨独立调节控制阶段，主控制器发送给变频器的转矩设定值在额定转矩附近做微小的调整，变桨系统的调节起主导作用来调节发电机的转速。而在功率管理的状态下，随着风速的增加，风机运行稳态点在到达功率管理给定值对应的工作点后，就进入变桨系统独立控制阶段。变桨的调节起主导作用来调节发电机转速，直到设定功率所对应的转速，发送给变频器的转矩值在功率管理给定值对应的转矩值附近做细微调整。
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图1
3.运行效果
风机在启机并网功率提升阶段，有功功率平稳提升至稳态闭环控制状态。当风机AGC系统使能功率管理后，此风机控制系统能够很好的跟随功率设定值，且功率波动很小。风机AGC系统是能关闭，退出功率管理状态后，有功功率能够平稳提升至正常稳态运行状态，响应速度也很快。重复风机AGC系统使能，风机有功功率能够快速平稳到达目标功率设定点。验证效果良好。
结论
简而言之，随着风力发电场的增加，为了更好的响应电网调度对风电场有功功率的实时管理，需要风电场每台风机能够实时自动响应风电场SCADA系统对有功功率的调配。因此需要风力发电机具有功率管理功能。介绍一种风力发电机功率管理功能的设计。
参考文献
[1]张先勇，吴捷，杨金明.基于自抗扰解耦的变速恒频风力发电功率控制系统[J].电气传动，2017，37(2):8－11.
[2]邓文斌，王维庆，刘磊，等.基于模糊PID的风力发电功率控制研究[J].电力学报，2018，28(1):40－43.
论文作者:李鹏
论文发表刊物:《基层建设》2019年第29期
论文发表时间:2020/3/16
标签：功率论文; 风机论文; 转矩论文; 转速论文; 曲线论文; 系统论文; 电网论文; 《基层建设》2019年第29期论文;