优化大型风电机组限功率运行保障我国风电装机的容量

禚明华 温红岩

优化大型风电机组限功率运行保障我国风电装机的容量

禚明华 温红岩

Point

我国近几年大量风电场的并网给电网的安全运行带来了很大的困难，对电网的调度部门所管辖风电场提出了相对较为严格的限发要求，相应的变速风电机组就要从之前一直运用的传统风能利用模式逐渐的转换到需要限制风能功率的运行模式上来，但是由于风力机的功率具有较强的非线性，而运行模式的改变对风电机组提出了更高的设计要求，我们的研究人员提出了一种考虑风电机组限功率运行状态优化的风电场功率调度策略，本文将针对大型风电机组限功率运行特性进行分析，并对其进行优化调度。

在我国新能源产业的政策支持下，风电装机容量的容量也在逐渐的递增当中，在2012年的时候我国风电装机的容量已经稳居世界第一的位置，但是随之出现的风电并网又对我国的电网系统的安全稳定运行带来了很大的影响，因此在我国电网公司中有这样一条规定，规定中要求风电场要根据电网调度的指令去控制风电机组的功率输出，这样才能够准确的实现风电机组的正常运行，但是这种模式对风电机组以及风电场的相关控制都提出了很大的要求。对我们的研究人员来说也是一项极大的挑战。

1、风电机组限功率运行的特性分析

我国对风电机组限功率运行主流大型变速风电机组分为两种，一种是永磁直驱型的，另一种是双馈型，其主要运行方式如图1中实线所示：

图1　变浆型变速风电机组运行控制的曲线

在相对额定风速以下，我们以最大的风能追踪最为控制的目标，而在额定的风速以上，主要是以额定的功率作为控制的目标，此时并不会涉及到风电机组风电调度这一类问题，我国目前的风电机组是处于低电网限发要求之下的，这种情况就要求我们将风电机组从之前适应的风速逐渐的向电网的方向转变，主要的运行方式如图1中虚线所示。图一当中r为风电机组的转速；p为风电机组的功率；β为风电机组的桨距角。

但是，由于风轮的气功功率特征和桨矩角都是有着高度的非线性的，所以说实际的风电机组功率控制系统一般都会运用正常的运行方式来对风电机组限功率运行方式进行制定，在限功率运行的前提下，风电机组会采取改变桨距的方法来维持其始终处于较低的功率中，但是这种方法对大型风电机组运行的稳定性是有很大影响的，所以，我们的研究人员要对风电机组的对象特征以及变化的规律进行设计是非常关键的。

2、变速风电机组稳定性分析

我们为了能够更加直观的研究大型风电机组在限制功率的情况下研究机组的稳定性和其出现变化的规律。因此我们以主流机为标准，将目标的功率定位0.3，发电机电磁转矩Te曲线和风轮机械转矩Tm曲线为例进行说明，说明情况如图2所示。

图2　恒功率控制时机械转矩和电磁转矩

图2中，Tm曲线和Te曲线相交点就是转速可以获得稳定的平衡点。这一点对于风电机组来说是非常关键的，比如说β＝0°时，就会出现A和B两平衡点，此时Tm曲线和Te曲线对转速的斜率即分别为式（6）和式（7）中的k1和k2，分别表示为kA1，kA 2和kB1，kB2，由图中曲线斜率显然有kA1＞kA2和kB1＜kB2。随着β的增大，在相同转速下，风电机组所能够提供的机械力就会逐渐的减小，这两者是成正比的，一方增加，另一方必然会减少，而当桨距角继续增大时，Tm和Te是没有交点，这样的话，风电机组的转速也就没有了平衡性，在不同的桨距角下，平衡点的位置也是不同的，平衡点的主要运行轨迹如图3所示。

图3　平衡点轨迹

3、风电机组限功率运行状态评估

3.1评价的指标

所谓的评价指标，其最终的目的也是为了能够进一步的量化风电机组限功率的运行状态，我们的科研人员在限功率深度这一概念的基础上设计出了针对大型风电机组的评价指标，这一指标主要的评估标准就是理论输出和实际输出功率之间的差额多少，对风电机组进行评估还有一个原因就是这一评价指标还能够根据负荷区的实际情况来进性相应的比较。这一点是其他评估中不具备的。

3.2功率上限

在相对传统的运行方式下，我们根据风速的大小来判断并网之后运行区间的位置，这样就能够确定最大的风能追踪区，当定速运行区和恒功率运行区被区分出来之后，就可以确定切入风速、恒转速风速。

3.3功率下限

从理论上来讲，风电机组是通过变浆调节才将功率降到无限接近于零的，但是我们为了进一步的确保风电机组的可靠性和可操作性，我们在实际的规定标准当中要求风电机组在运行的时候一定要承担相应的负荷才可以，也就是说要出现最低的运行功率，这一风电机组的数据值和风电机组的具体设计是有很大关系的。我们的研究人员经过分析之后得出一个结论，那就是设计的值定在百分之二十的时候，风电机组的优化调度会达到最合理的状态。

4、限功率运行优化调度的策略

为了能够进一步的实现风电机组限功率运行状态的优化调度，我们的研究人员对风电机组的限功率运行特性进行了详细的分析，通过风电机组功率的指令来对风电机组的整体运行状态进行相应的调整，并针对现阶段我国风电机组在实际运行过程当中的实际需求，在进一步实现风电机组优化调度之前要考虑实现以下两点目标：

首先是发电量的目标。风电机出现的目的就是为了发电，为人类服务，如果发电量达不到相应标准的话，那么对风电机组的限功率运行调度就是失败的，我们要在运行限功率优化调度之后实现最大限度的利用风电机组进行发电才是最重要的。

其次就是风电机组启停的次数，这一目标主要是风电机组的启停过程需要刹车系统、桨距角等机械进行操作，这种操作对风电机组变桨系统、发电机系统都具有一定损害的。因此，在多周期机组运行调度中，对风电机组的优化是非常重要的。

（作者单位：禚明华，兴安热电有限责任公司额尔格图风电场；温红岩，兴安热电有限责任公司）