风电场场站级有功控制策略研究

屠友强，周妮娜，佘 焱

(1.上海交通大学，上海 200030；2.上海申能临港燃机发电有限公司，上海 201306；3.国网上海市电力公司松江供电公司，上海 201600)

1 风电场有功控制策略研究现状

现有文献和已投运风电场对于风电场有功功率的控制，方法都比较简单，主要采用固定比例分配法和变比例分配法[1-5]。

1.1 固定比例分配法

固定比例分配法按照额定容量大的机组分配有功出力多的原则进行分配，分配方法为

(1)

1.2 变比例分配法

变比例分配法是通过实时风速预测风电机组的最大有功输出，按照下一运行周期预测功率大的机组有功分配多的原则来分配，分配方法为

(2)

根据场站级有功控制策略，一旦风速波动较大，得到的下一周期单台机组有功调控指令也会发生大幅波动。对于单台风机而言，有功调控指令忽高忽低将导致控制系统动作频繁，运行状态切换次数增加，进而导致风电场可靠性降低，功率输出不稳定，机械损耗增加，设备寿命减短，间接增加发电成本。

2 风电场场站级有功控制模式及功率设定方法

电网调度对风电场的四种典型控制模式为：限值模式、调整模式、斜率控制模式以及差值模式，通过不同模式将调度的出力指令转变为风电场功率设定值[6-8]。

2.1 斜率控制模式

(3)

2.2 限值模式

限值模式下，风电场实时发电功率不能大于电网的调度值(限功率控制)或不能小于电网的调度值(升功率控制)。基于此可设计算法具体如下。

(3)由斜率控制模式得到满足电网调度的下一周期有功设定值Pset。

限值模式是除正常运行外最常见的一种运行模式，本文提出的功率分配策略也主要是针对该种功率控制模式提出的。

2.3 调整模式

运行在调整模式时，有功功率控制系统会立即调整风电场总发电功率，直到其满足电网调度与计划要求的限定值，调整周期较短，跟踪精度较高，但控制器动作频繁，其算法设计与限值模式基本相同。在实际运行中该种模式出现的情况较少。

2.4 差值模式

差值模式是使风电场按照恒低于最大可发电功率一个固定的设定值ΔP来进行发电的模式，ΔP由电网调度机构进行下发。

综上，该有功控制模式环节是风电场根据电网调度指令进行有功功率调控的起始环节，风电场根据电网调度指令和电场当前出力情况，结合给定的功率控制模式，便可以计算出下一周期的设定功率值Pset，并将该值传输给下一个优先级排序和功率分配算法环节。具体的风电场有功设定值原理图如图1所示。

图1 风电场有功设定值原理流程图

3 风电场场站级有功功率分配

3.1 风电机组优先级排序方法

本文在评价不同风电机组的调控特性时，采用优先顺序法进行机组调控优先级排序。在电力系统机组组合问题中，优先顺序法简单、易于实现、运算时间短而且不存在不收敛或得不到可行解的情况，能够较快地获得满足目标的最优近似解，因此在实际系统中应用较多。

优先顺序法的基本原理和计算指标形成过程如下：

(4)

由此，可构造风电机组i的调节性能指标为

(5)

按该指标从大到小的顺序建立风电场内可限出力的控制序列表。

3.2 风电场场站级降功率分配算法

根据风电场出力降低的程度以及是否需要切停部分机组，降功率控制分为不切机降功率控制和切机降功率控制两种[10-11]。

3.2.1不切机降功率分配算法

由计算所得t值，形成机组降功率调控值序列{ΔP1，max、ΔP2，max…ΔPt，max、0、0……0}，进而形成风电场内各机组下一控制周期有功功率设定值序列{P1，set、P2，set、P3，set……Pn，set}。

(6)

式中Pi，set——第i台机组下一周期的有功功率设定值；Pi0——第i台机组当前有功出力指令。

3.2.2切机降功率分配算法

当时ΔP∑max<ΔP，仅靠降低风机功率已不足以满足风电场降功率要求，需要切停部分机组，其余机组按允许最小功率运行。在切机降功率控制中，应尽量使切机机组数量最少。

由m值形成机组切机降功率设定值序列{P1，set、P2，set、P3，set…Pn，set}。

3.3 风电场场站级升功率分配算法

当风电场当前有功出力小于调度指令时，需要增加功率。与风电场降功率控制不同的是，风电场升功率需要满足一定的前提条件。由于正常运行时，根据国家新能源发电政策，风电场一般按追踪最大风功率方式运行，不对风机进行功率控制，以实现风能的最大利用，风电场内运行机组不存在备用容量，所以不能像常规机组一样在任何情况下都能实现功率的增加。

风电场升功率需要满足如下条件[12]。

(1)风电场内存在下一控制周期预测处理上升的机组。

(2)风电场内存在停机待启动机组。

在进行风电场升功率控制时，应尽量减少机组的控制次数和停机待启动机组的启动数量，以减少风电机组和控制系统的损耗，增加运行经济性。因此，在调控机组时，按照首先调控下一周期预测功率上升的机组，在仍不满足功率上升值要求时再启动待机机组的顺序进行进行功率控制。

对于正常运行的机组，根据下一周期预测功率的升降情况，可以分为预测功率上升机组、预测功率不变机组和预测功率下降机组。由于需要增发功率，所以这三类机组都需要按照最大风功率跟踪方式运行，不对其进行调控。

对于待机机组是否启动，需要进行计算得出确切的启动台数。

记ΔΔP=ΔP+ΔP--ΔP+，表示风电场内现有运行机组按照追踪最大风功率方式运行时下一周期的升功率缺额。

若ΔΔP<0，表示现有运行机组下一周期有功出力可以满足调度指令，待机机组不需要启动；

若ΔΔP>0，表示现有运行机组下一周期有功出力不满足调度指令，需要启动部分待机机组。

4 风电场场站有功控制策略

设风电场当前出力为PCC，调度给出的下一周期期望出力为Pref，则风电场需要变化的出力为ΔP=PPref-PCC。当ΔP>0时，风电场需要增加有功出力；当ΔP<0时，风电场需要减小有功出力。

当电网调度不对风电场下达调度指令时，风电场以正常模式，各风电机组按照追踪最大风功率方式运行。当电网调度对风电场进行功率控制时，根据调度要求，风电场选择运行在限值模式、调整模式、斜率控制模式以及差值模式四种模式下，进而不断生成下一周期有功出力指令，输出给功率分配环节对各个机组进行控制。由此可得风电场有功功率控制策略的基本流程具体如下。

(1) 判断是否有电网调度指令，若无，则按照最大出力原则进行全场最大出力；若有，则执行第二步；

(2) 根据电网调度指令和电站当前出力情况，投入相应的有功功率控制模式；

(3) 根据控制模式的要求，计算下一控制周期风电场的有功设定功率；

(4) 根据升功率还是降功率对各台风机进行优先级排序；

(5) 根据优先级序列，将设定功率按照分配策略分配给各风机，控制各风机输出功率。

图2为风电场场站级有功功率控制流程图。

图2 风电场场站级有功功率控制的流程图

5 结语

本文所研究的风电场场站级功率分配策略，核心思想是根据场内机组当前出力状态和下一周期出力预测值，对机组进行调控优先级排序，按照优先级序列选择合适数量的机组进行有功控制。在根据调度指令进行有功调整时，不必动作风电场内所有机组，减小了风电机组控制器的动作次数延长了机组和控制器寿命，提高了运行经济性。

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