风电场能量管理系统的设计与实现分析

葛颖奇，娄尧林，吴海列，崔峰，赵国群

（浙江运达风电股份有限公司，浙江 杭州 310012）

0 引言

在可再生能源当中，风力发电自身独特的优势决定了其具有十分重要的开发价值，并受到了世界各国的青睐。全球范围内大约有2×107MW的风能可为人类所利用，远远超过地球上可开发利用的水能[1]。在当今能源和环境问题日益受到关注的形势下，利用风能进行发电越来越受到人们的重视。随着科学技术的不断发展，风力发电技术在世界上得到了飞快的发展，越来越多的大中型风电场相继建成并投入运行[2]。

在风能方面我国发展潜力巨大，“十二五”规划提出，到2015年风电并网装机容量将达到100GW以上，2020年达到200GW。我国风力发电的发展呈现以下特点[3-4]：（1）风电在电网中所占比重不断增加；（2）单个风电场装机容量不断增加；（3）风电场接入电网的电压等级更高；（4）风电机组的种类不断增多，风电机组单机容量不断增大。

风电是一种间歇性、波动性电源，随着风电装机容量的增加，对电网稳定性、安全性的影响也随之增大[5-6]。这就要求风电场尽量减小对电网的影响，并且国家电网制定的《风电场接入电网技术规定》中要求整个风电场应具有一定的功率调节能力。因此本文设计风电场能量管理系统，实现对风电场有功功率和无功功率的调节。

在风力发电系统中，风电机组作为一个风力利用的装置，将风能转化为电能。目前，广泛应用的为变速恒频风电机组，主要包括风轮、传动轴、齿轮箱、发电机、变流器等部件。风轮将风能转换为机械能，然后通过传动轴将机械能传送给发电机。基于空气动力学与贝兹理论，风电机组从风中获取的机械功率为[7-9]：

1 能量管理系统设计

1.1 总体设计

根据国家电网公司《风电场接入电网技术规定》的要求，风电场能量管理系统必须具有对有功、无功功率输出可控的能力。整个系统根据风速、电网调度的指令和功率的反馈信号，进行分析计算后给风电场中的每台风电机组下发功率限制值，风电机组接收指令后进行快速响应，从而实现整个风电场的功率控制。整个系统的结构如图1所示。

1.2 功率分配算法

在整个风电场能量管理系统中，控制算法是重中之重，它直接影响到功率控制的效果，从而影响到整个风电场的输出稳定性。为了使风电场输出功率满足电网的调度要求，降低对电网的影响，就需要合理的功率分配算法对有功、无功功率进行准确的分配。

有功功率分配主要有固定比例分配算法和变比例分配算法。固定比例分配算法根据额定容量大的风电机组分配有功功率多的原则进行分配，该类方法粗略地计算有功功率设定值。实际上，在风电场运行时，每台机组实际的发电功率与风速有关，因此机组所发的功率可能达不到给定值。变比例分配算法主要是根据实时风速预测风电机组的有功输出功率值，按照出力大的机组分配多的原则进行分配。本系统采用变比例分配算法进行有功分配，根据机组的实际运行状态、实时功率、风速等信息，进行合理精确的有功功率分配。

无功功率分配主要有按照等功率因素分配法和根据无功容量比例分配法。等功率因素分配算法能保证每台机组功率因素相等，避免了出现某些机组有功、无功输出不协调超出极限的可能性。根据无功容量比例分配法利用各台风电机组实时状态信息计算当前无功调节范围，根据所得值进行分配，尽可能使每台机组发出或者吸收的无功功率在机组的无功极限范围内，并能充分发挥每台机组的无功调节潜力。本系统采用根据无功容量比例分配法进行无功分配，根据每台风电机组所分配的有功功率计算其无功功率能力，然后根据能力进行无功功率分配。

1.3 控制软件设计

风电场能量管理系统的控制软件需要分析风电场的有功功率、无功功率、电压、频率等数据，对风电场的所有风电机组进行统一控制，保证机组的协调运行，从而确保风电场最大输出功率及功率变化率不超过调度中心指定值。

控制软件界面主要包括：主界面、参数配置界面、曲线绘制界面、数据库导出界面、权限管理界面等。主界面用于显示风电场信息和风电机组信息：风电场信息包括风电场的功率调度信息和风电场的功率反馈信息；风电机组信息包括每台风电机组的风速、有功功率反馈值、无功功率反馈值、有功功率目标值、无功功率目标值、通讯状态等信息。参数配置界面用于设定风电场容量、装机数量、风电机组额定功率、控制模式、有功变化率等可配置参数。曲线绘制界面的主要功能是绘制实时曲线和历史曲线，可以选择数据种类及数据时间段，进行曲线绘制。数据库导出界面可以导出相应的历史数据。

控制软件需要通过通讯接口实时读取风电机组运行的数据，如风速、风电机组运行状态、风电机组有功功率、风电机组通讯状态等信息，并给风电机组下发功率控制指令。由Modicon公司开发的Modbus协议目前已是工业领域最流行的通信协议之一，该协议支持传统的RS232、RS422、RS485和以太网设备，并且通俗易懂，应用灵活。因此，系统采用Modbus/TCP接口实时监控各个控制过程的运行数据。

控制软件根据电力系统调度中心指令，通过算法进行精确分配后下发单台风电机组的有功功率、无功功率控制指令。当需要整个风电场切出电网时，控制软件可以给所有的风电机组下发停机命令，风电机组在接收到停机命令后执行停机操作，从而使整个风电场自动切出。当电网下发的风电场上网负荷比较低时，控制软件以“允许更多的风电机组运行”为控制目标，通过算法智能选择部分风电机组进行停机，而其它风电机组保持运行状态，从而使得整个风电场的出力符合电网要求。

控制软件进行功率控制的主流程如下：

(1) 实时采集风速、功率、运行状态等机组信息，主要针对通信正常的机组；

(2) 根据风电机组的通讯状态以及运行状态等信息确定可以进行功率控制的风电机组序列；

(3) 根据电网下发的有功功率控制指令和有功功率调整变化率确定风电场的有功功率目标值；

(4) 通过单台机组的风速信息，预测有功功率，进行有功功率和无功功率极限值计算；

(5) 最后将功率设定值按照功率分配策略分配给每台风电机组，并将单台设定值下发至机组。

控制软件具体结构如图2所示。

2 能量管理系统应用

2.1 风电场测试

中节能内蒙古兴和风电场由33台风电机组组成，机型为WD1500，装机容量为49.5MW。为了验证本系统的可行性和有效性，在中节能内蒙古兴和风电场进行了现场测试。将本系统安装于风电场主控室的工控机上，系统运行后读取每台风电机组的实时数据、风电场的实时数据和电网的调度指令，并将控制算法分配的单台有功功率和无功功率设定值下发至每台机组。机组获取指令后在最短时间内响应控制要求，从而达到控制风电场输出功率的目的。

2.2 测试结果

风电场当前有功功率为40MW时，电网下发有功调度指令30MW，系统接收调度指令后进行自动控制。风电场有功功率从40MW降至30MW的控制效果如图3所示。由图3可见，风电场有功功率在1分钟内控制到位，并且稳态控制效果较好。

风电场当前有功功率为20MW时，电网下发有功调度指令10MW，通过本系统的自动调节，风电场有功功率在1分钟内下降到位。风电场有功功率从20MW降至10MW的控制效果如图4所示。

风电场当前有功功率为10MW时，电网下发有功调度指令20MW，通过本系统的自动调节，风电场有功功率在1分钟内上升到位，并且控制误差小于3%。风电场有功功率从10MW升至20MW的控制效果如图5所示。

风电场当前有功功率为30MW时，电网下发有功调度指令40MW，风电场有功功率从30MW升至40MW的控制效果如图6所示。

此外，通过系统自动智能控制无功功率，可以使得风电场的无功功率输出保持在一定的范围之内。

风电场实际测试结果表明，本系统的响应时间小于1分钟，控制精度在3%以内，稳态控制效果较好。从而验证了本系统的可行性和有效性。

3 结语

该风电场能量管理系统实现了对风电场有功功率和无功功率的自动控制。系统考虑到每台风电机组的自身特性和实际情况，通过控制算法智能控制风电场的上网负荷，使得风电场的上网负荷在额定容量范围内得到自由控制。本系统的响应时间小于1分钟，控制精度在3%以内。实际应用表明本系统控制效果较好，使风电场上网电量在允许范围内得到最大化，提高了风电场功率利用率。该系统良好的控制功能和分析功能可以满足风电场时间和空间上复杂的动态变化特性要求，从而保证风电场的安全可靠运行。

图3 风电场有功功率从40MW降至30MW的控制效果

图4 风电场有功功率从20MW降至10MW的控制效果

图5 风电场有功功率从10MW升至20MW的控制效果

图6 风电场有功功率从30MW升至40MW的控制效果

[1] 2010-2015年中国风力发电设备行业投资分析及前景预测报告.中投顾问,2010.

[2] 雷亚洲,Gordon Lightbody.国外风力发电导则及动态模型简介[J].电网技术,2005,(6)：27-32.

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