風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組優(yōu)化有功功率控制的研究-論文

申報(bào)專業(yè)技術(shù)職務(wù)任職資格評(píng)審答辯論文題目：風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組優(yōu)化有功功率控制的研究作者姓名：李亮單位：中核匯能有限公司申報(bào)職稱：高級(jí)工程師專業(yè)：電氣二Ο一七年六月十二日2017年度申報(bào)專業(yè)技術(shù)職務(wù)任職資格評(píng)審答辯論文第1章緒論1.1課題研究背景相比于常規(guī)的火電和燃?xì)怆娬?，風(fēng)電場(chǎng)的有功調(diào)節(jié)能力十分有限。從理論上風(fēng)電場(chǎng)有功調(diào)節(jié)方式主要有兩種①停風(fēng)電機(jī)組[1]，②風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)[2]。風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行功率調(diào)節(jié)時(shí)，有功功率調(diào)節(jié)速率較快，當(dāng)風(fēng)速變化較大時(shí)存在超調(diào)的現(xiàn)象；風(fēng)電場(chǎng)功率控制波動(dòng)較大，有功功率實(shí)際值不能理想的跟蹤風(fēng)電場(chǎng)設(shè)定值，穩(wěn)定性有待提高；風(fēng)電場(chǎng)有功功率調(diào)控響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，在風(fēng)速急速上升時(shí)，實(shí)際功率上升緩慢，從而使得部分風(fēng)機(jī)發(fā)電功率與風(fēng)速不一致。據(jù)相關(guān)研究，通過停風(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)有功調(diào)節(jié)將大幅增加運(yùn)行成本[3]。相對(duì)而言，通過優(yōu)化風(fēng)機(jī)控制算法實(shí)現(xiàn)輸出功率控制的風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)具有較低的運(yùn)行費(fèi)用。因此，根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)所處的地理環(huán)境和實(shí)際風(fēng)況條件，優(yōu)化有功功率控制系統(tǒng)，提高整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)有功出力控制的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，使功率控制達(dá)到預(yù)定要求，是目前亟待解決的。1.2有功功率控制的現(xiàn)狀數(shù)據(jù)采集和安全監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)是自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)(AGC)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，作為自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)(AGC)的工作平臺(tái)。在AGC的實(shí)現(xiàn)過程中，由數(shù)據(jù)采集和安全監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)各AGC機(jī)組、系統(tǒng)運(yùn)行頻率等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和信息掃描，并將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)存放于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，供給自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)的負(fù)荷頻率控制算法調(diào)用生成相應(yīng)的負(fù)荷調(diào)整命令。降低風(fēng)電場(chǎng)有功功率的多變性和隨機(jī)性，提高風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)容量，實(shí)現(xiàn)常規(guī)機(jī)組與風(fēng)電場(chǎng)協(xié)調(diào)發(fā)電一直是目前研究的熱門，陳寧等人通過研究AGC機(jī)組的優(yōu)化調(diào)控策略，以AGC機(jī)組優(yōu)化協(xié)調(diào)配合風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常范圍內(nèi)的有功功率波動(dòng)，提高風(fēng)電并網(wǎng)質(zhì)量[4]。劉峻、周喜超基于超短期風(fēng)電功率預(yù)測(cè)和等耗量微增率理論，創(chuàng)造性的將風(fēng)電場(chǎng)納入到AGC控制過程，提出了包含風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)有功功率調(diào)度模式[5]。大型風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)運(yùn)行是未來(lái)風(fēng)電發(fā)展的方向和熱點(diǎn)。解決大型風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)問題將大大促進(jìn)風(fēng)電的發(fā)展，提高清潔能源的使用能力。針對(duì)性研究電場(chǎng)層各個(gè)風(fēng)機(jī)有功出力控制和分配的文獻(xiàn)偏少。從電網(wǎng)角度對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的電力調(diào)度理論研究偏多，但從工程實(shí)際對(duì)現(xiàn)有的調(diào)度系統(tǒng)的測(cè)試運(yùn)行實(shí)踐總結(jié)較少。第2章風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及風(fēng)電場(chǎng)有功控制基礎(chǔ)2.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行原理2.1.1風(fēng)電機(jī)組的組成雙饋風(fēng)電機(jī)組的基本結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要構(gòu)成部分由風(fēng)力機(jī)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、發(fā)電機(jī)、變槳伺服、控制器構(gòu)成。風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要的工作流程為風(fēng)驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪低速旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為風(fēng)輪機(jī)械能，通過齒輪箱對(duì)較低的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行增速，以增速后的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，應(yīng)用變流器勵(lì)磁發(fā)電，最后將定子產(chǎn)生的電能輸送到電網(wǎng)。傳動(dòng)結(jié)構(gòu)齒輪箱主要的目的是對(duì)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行增速，從而提升發(fā)電機(jī)可控制性，保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電能的頻率和電壓。風(fēng)電場(chǎng)所有風(fēng)機(jī)的整體出力受到風(fēng)力資源的隨機(jī)特性影響，由于大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)給電網(wǎng)的調(diào)度及電能質(zhì)量等帶來(lái)很大影響，所以要求風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電功率能按照調(diào)度要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了從電網(wǎng)側(cè)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的電力調(diào)度，將從風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的基本結(jié)構(gòu)出發(fā)，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的有功功率控制策略進(jìn)行研究[6]。圖2.1雙饋風(fēng)電機(jī)組的基本結(jié)構(gòu)2.1.2風(fēng)電機(jī)組數(shù)學(xué)模型2.1.2.1風(fēng)輪的模型風(fēng)電機(jī)組變槳距技術(shù)就是對(duì)葉片和輪轂間的聯(lián)結(jié)采用非剛性的聯(lián)結(jié)技術(shù)，使風(fēng)電機(jī)組的葉片可以實(shí)現(xiàn)繞葉片縱梁進(jìn)行槳距角調(diào)節(jié)，攻角可以實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的變化，實(shí)現(xiàn)在各種風(fēng)速下的最大風(fēng)能吸收能力，使輸出功率達(dá)到最大。風(fēng)電機(jī)組輸出功率與吸收的風(fēng)能之間的關(guān)系見式2-1：P=12ρπCpR2V式中，P——風(fēng)電機(jī)組輸出功率；ρ——當(dāng)?shù)乜諝饷芏?；Cp——R——風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪半徑；V——風(fēng)輪風(fēng)速。風(fēng)輪將捕捉到的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，通過傳動(dòng)鏈進(jìn)行能量傳遞，能量傳遞如表達(dá)式2-2所示：Pm=T?ω=P(式中：Pm——T——風(fēng)電機(jī)組的扭矩；ω——風(fēng)電機(jī)組的角速度。由式2-1、式2-2得式2-3：ω=12ρπCpR2由于風(fēng)力機(jī)的扭矩T是由風(fēng)力機(jī)負(fù)載所決定，對(duì)于一定的風(fēng)力機(jī)負(fù)載，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組風(fēng)速V恒定時(shí)，由于當(dāng)?shù)乜諝饷芏圈押惋L(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪半徑R為常量，因此，風(fēng)能利用系數(shù)Cp決定了風(fēng)力機(jī)角速度，風(fēng)力機(jī)角速度正比于風(fēng)電機(jī)組風(fēng)能利用系數(shù)，即ω∝當(dāng)風(fēng)輪起動(dòng)并穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)后，假設(shè)氣流為理想狀態(tài)下的氣流，對(duì)特定穩(wěn)定風(fēng)速下的葉片進(jìn)行受力分析，可以得到以下關(guān)系式：I=i+β(2-4)tgI=vωr=1λ式中：I——理想狀態(tài)下的氣流流入角；i——攻角；β——風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪槳距角；λ——葉尖速比。根據(jù)力平衡，可得：T=12ρCTvωr=vsinICT=CL（sinI-1式中：CT——A——風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪迎風(fēng)面積；R——風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪半徑；ωr——其中，風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的升力系數(shù)CL和升阻比CL/Cp由風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪葉片攻角直接影響決定，對(duì)于一定風(fēng)力狀態(tài)下運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組，風(fēng)力狀態(tài)不變即風(fēng)速和風(fēng)向不變，風(fēng)電機(jī)組此時(shí)合成風(fēng)速ω和入流角I為定值，升力系數(shù)CL將隨著攻角i的增大而增大，即升阻比CL/Cp將隨著攻角i的增大而增大，根據(jù)上式（2-8），風(fēng)電機(jī)組扭矩系數(shù)CT根據(jù)上式推導(dǎo)可得：12ρCTvCp=C由式（2-10）可知，Cp正比于Cr，風(fēng)能利用系數(shù)隨著攻角i增大而增大；由式（2-3）可知，當(dāng)風(fēng)速v和風(fēng)機(jī)負(fù)載一定時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨著攻角i增大而增大。由式（2-4）、（2-5）可知，風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪槳距角β隨著攻角i增大而減小，綜上所述，風(fēng)機(jī)速度隨著風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪槳距角圖2.2i、CL、C2.1.2.2傳動(dòng)鏈模型機(jī)械風(fēng)電機(jī)組的傳動(dòng)鏈一般由風(fēng)輪、齒輪箱、低速傳動(dòng)軸、高速傳動(dòng)軸和發(fā)電機(jī)五個(gè)部分組成，對(duì)于軸系模型在不需要考慮機(jī)械強(qiáng)度和應(yīng)力分布的前提下一般采用分析等效集中質(zhì)量法進(jìn)行建模?？紤]到齒輪箱動(dòng)態(tài)特性的復(fù)雜特性，對(duì)傳動(dòng)鏈系統(tǒng)做等效集中質(zhì)量法簡(jiǎn)化，把轉(zhuǎn)動(dòng)柔性等效至傳動(dòng)軸，從而將齒輪箱視為集中質(zhì)量塊。將齒輪箱和風(fēng)力機(jī)共同等效成一個(gè)質(zhì)量塊，將發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子等效成一個(gè)質(zhì)量塊，從而建立三質(zhì)量塊模型[7-8]。風(fēng)電機(jī)組的傳動(dòng)系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子之間只有一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，且傳動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)剛度大，齒輪箱的所有傳動(dòng)軸都是剛性的，因此采用剛性軸模型[9-10]。綜上述建立三質(zhì)量塊剛性傳動(dòng)系統(tǒng)模型如圖2.3所示的。圖2.3剛性傳動(dòng)系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖程可以得到：JhdωhJldωldt式中：i——風(fēng)電機(jī)組齒輪箱變速比；ωh——風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子速度；其中ωTG——Tωt——η——齒輪箱齒輪傳動(dòng)效率；Jl——Jh——其中，傳動(dòng)系統(tǒng)低速端總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以表示如下：Jl=J1+JJh=(Jl+Jωt)η式中，Jωt——Jg——J1——J2——風(fēng)力機(jī)組變頻器結(jié)構(gòu)和特性十分復(fù)雜，相對(duì)于傳動(dòng)系統(tǒng)和風(fēng)力機(jī)的動(dòng)態(tài)特性要快的多，因此系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換矩源可以由變速發(fā)電機(jī)替代，對(duì)于傳動(dòng)鏈的研究將發(fā)電機(jī)模型簡(jiǎn)化為電磁轉(zhuǎn)矩[11-12]。2.1.2.3變槳機(jī)構(gòu)的模型當(dāng)風(fēng)電機(jī)組工作時(shí)的風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，變槳機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)槳葉節(jié)距角β，保證風(fēng)電機(jī)組風(fēng)能利用系數(shù)Cp恒定為最大值，使風(fēng)機(jī)最大捕獲風(fēng)能，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組工作時(shí)的風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，通過變槳機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)槳葉節(jié)距角β，減少葉輪輸入功率以穩(wěn)定發(fā)電機(jī)輸出額定功率。目前，風(fēng)電機(jī)組變槳距速率和槳距角范圍都受工程實(shí)際的限制，槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)為非線性系統(tǒng)且存在死區(qū)。但在飽和極限范圍內(nèi)時(shí)，變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以近似被看做線性系統(tǒng)[13-14]。從動(dòng)力出發(fā)，目前的變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括液壓驅(qū)動(dòng)和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。在控制模型特性上都可被視作一階慣性環(huán)節(jié)，表達(dá)式如式2-15β=1τ（βref-β式中：τ——變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)間常數(shù)；Β——變槳距角的實(shí)際值；βref——無(wú)論是采用液壓系統(tǒng)還是伺服電機(jī)，進(jìn)行數(shù)學(xué)模型建立時(shí)都會(huì)受到限制，所以應(yīng)該對(duì)槳距角的幅值和變化速率進(jìn)行限幅處理，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的變槳距模型如下圖2.4所示。圖2.4機(jī)組變槳距執(zhí)行結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型2.1.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行特性單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)有功功率控制主要有兩類情況：不參與電網(wǎng)調(diào)度不參與電網(wǎng)調(diào)度的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過調(diào)節(jié)槳距角和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，保證風(fēng)能的最大吸收，安全穩(wěn)定的輸出額定功率。參與電網(wǎng)調(diào)度參與電網(wǎng)調(diào)度的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過調(diào)節(jié)槳距角和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，保證按照指令要求穩(wěn)定輸出功率。假設(shè)Piref為風(fēng)電場(chǎng)層功率控制模塊根據(jù)分配策略計(jì)算分析后發(fā)送的有功功率輸出期望值，風(fēng)電機(jī)組根據(jù)要求值通過反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)改變風(fēng)電機(jī)組的槳距角和轉(zhuǎn)矩，是輸出功率滿足期望值。具體風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2.5所示[15-16]圖2.5風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.1.4風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制策略風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作狀況取決于風(fēng)速條件，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作在恒風(fēng)速下時(shí)，風(fēng)力機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩相等。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作在變風(fēng)速狀況下時(shí)，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速隨著風(fēng)速波動(dòng)而時(shí)刻變化。因此，對(duì)于風(fēng)電機(jī)組在不同風(fēng)速下的有功功率控制需要選取不同的控制策略[17-19]。當(dāng)實(shí)際工作風(fēng)速小于額定風(fēng)速時(shí)，此時(shí)的控制目標(biāo)是獲得最大化風(fēng)能利用率，使風(fēng)能利用系數(shù)處于最優(yōu)值附近，圖2.5是風(fēng)機(jī)控制過程中的轉(zhuǎn)速-扭矩控制曲線。從圖中可以看出，OA段的風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩逐漸增大，A點(diǎn)為風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)最小轉(zhuǎn)速點(diǎn)，超過A點(diǎn)后風(fēng)力發(fā)電機(jī)就開始并網(wǎng)發(fā)電并輸出轉(zhuǎn)矩。AB段為轉(zhuǎn)速——扭矩控制段,在AB段過程中，風(fēng)能利用系數(shù)一直處于最大值，轉(zhuǎn)速隨著扭矩增大而增大，兩者間處于一一對(duì)應(yīng)狀態(tài)，風(fēng)機(jī)在B點(diǎn)取得最大轉(zhuǎn)速值。在BC段，發(fā)電機(jī)一直處于最大轉(zhuǎn)速狀態(tài)。從B到C的過程中，發(fā)電機(jī)輸出功率隨著輸出轉(zhuǎn)矩增大逐漸升高，點(diǎn)C為風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定功率輸出點(diǎn)。圖2.5轉(zhuǎn)速-扭矩控制曲線當(dāng)風(fēng)速超過風(fēng)電機(jī)組的額定風(fēng)速時(shí)，出于機(jī)組安全和減小磨損的考慮，通過風(fēng)力機(jī)的變槳距機(jī)構(gòu)調(diào)整風(fēng)機(jī)葉輪的槳距角，使風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定輸出有功功率。此時(shí)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩都保持額定值，即為C點(diǎn)值。2.2風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制2.2.1風(fēng)電場(chǎng)的基本結(jié)構(gòu)目前，多環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)是風(fēng)力發(fā)電廠普遍采用的通信結(jié)構(gòu)。多環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)是通過通信控制器對(duì)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)所有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)綜合控制。風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)通過通信控制器能實(shí)時(shí)采集風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)所有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)信息，包括風(fēng)速、功率及故障狀態(tài)等。風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制系統(tǒng)從監(jiān)控系統(tǒng)獲得需要的運(yùn)行數(shù)據(jù)，同時(shí)將生成的指令傳輸給監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)通過通信控制器將指令下達(dá)至所有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組以實(shí)施[20]。圖2.6為風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)，整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)對(duì)各個(gè)風(fēng)電機(jī)組的有功功率分配、控制依賴于多個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，主要包括有功功率控制系統(tǒng)和監(jiān)控軟件。其中有功功率分配模塊負(fù)責(zé)根據(jù)各風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)細(xì)化分配電網(wǎng)調(diào)度負(fù)荷，并為各風(fēng)力發(fā)電機(jī)組生成負(fù)荷命令。監(jiān)控軟件負(fù)責(zé)采集風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，提供給有功功率分配模塊使用，并按設(shè)定傳輸為各風(fēng)力發(fā)電機(jī)組下達(dá)有功功率分配模塊生成的負(fù)荷命令。圖2.6風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)2.2.2風(fēng)電場(chǎng)的控制策略風(fēng)電場(chǎng)的有功功率的自動(dòng)調(diào)節(jié)控制將使得風(fēng)電場(chǎng)作為一個(gè)智能的整體接入電網(wǎng)，電網(wǎng)調(diào)度中心調(diào)度指令執(zhí)行對(duì)象將由單臺(tái)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變?yōu)殡S機(jī)性極大抵消的風(fēng)電場(chǎng)，大大增強(qiáng)了風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)安全性。風(fēng)電場(chǎng)有功功率自動(dòng)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)將大大減少風(fēng)電場(chǎng)工作人員的工作量，同時(shí)降低了調(diào)度中心指令的復(fù)雜性。風(fēng)電場(chǎng)的有功功率的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的外部輸入信號(hào)一般分為4個(gè)部分，分別為：①電網(wǎng)調(diào)度層給定的調(diào)度指令（出力參考曲線）；②風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)速信息；③風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)信息；④風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的有功功率。風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制系統(tǒng)框圖如圖2.7所示，整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)層有功功率控制系統(tǒng)的控制期望值根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度層給定的調(diào)度指令（Pdispatch）確定，差值計(jì)算器通過功率預(yù)設(shè)值計(jì)算模塊計(jì)算的功率預(yù)設(shè)值（PWFset）與風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際輸出功率（PWF）形成整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)層的有功功率控制差值（?Pdeva），功率分配模塊通過超短期預(yù)測(cè)值模塊、機(jī)組狀態(tài)信息充分考慮機(jī)組運(yùn)行工況和超短期預(yù)測(cè)功率，確定每一臺(tái)風(fēng)電機(jī)組控制器應(yīng)設(shè)定值2.7風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制系統(tǒng)框圖第3章風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)有功功率控制策略3.1風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制的基本要求風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)實(shí)施積極有效的有功功率控制方案，擺脫傳統(tǒng)的選擇控制切機(jī)方式，形成優(yōu)化的有功功率自動(dòng)控制方式，既減輕了電網(wǎng)的有功/頻率調(diào)整壓力，也實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)能的最大利用。從整個(gè)電網(wǎng)角度看，進(jìn)行有功功率自動(dòng)控制的風(fēng)電場(chǎng)極大地提高行為可預(yù)測(cè)性和狀態(tài)可控性，成為一個(gè)可靠性較強(qiáng)的發(fā)電單元，能夠按照電網(wǎng)下發(fā)的出力參考值曲線對(duì)風(fēng)電場(chǎng)有功出力進(jìn)行調(diào)整，滿足調(diào)度指令。同時(shí)也可以配合電網(wǎng)進(jìn)行緊急控制，維護(hù)整個(gè)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。從風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部看，進(jìn)行有功功率自動(dòng)控制的風(fēng)電場(chǎng)的有功功率自動(dòng)控制設(shè)備就是一個(gè)小型有功調(diào)度中心，根據(jù)電網(wǎng)側(cè)的出力參考曲線，結(jié)合各個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，細(xì)化出力參考曲線，進(jìn)行有功功率分配下發(fā)工作，在滿足電網(wǎng)調(diào)度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)的安全經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行。綜上所述，風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制要滿足以下幾個(gè)方面的功能要求：依據(jù)調(diào)度中心站下發(fā)的出力參考曲線等，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)所有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行有功出力控制調(diào)節(jié)，使風(fēng)力機(jī)組更加高效運(yùn)行。采集風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)所有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，形成調(diào)度信息源，為電網(wǎng)調(diào)度中心提供決策依據(jù)。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力大額定工況時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)有功功率模塊能夠依據(jù)風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行加出力申請(qǐng)，使風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)能資源得到最大化的利用。3.2風(fēng)電場(chǎng)有功功率工作模式風(fēng)從電網(wǎng)運(yùn)行角度進(jìn)行風(fēng)電有功功率控制，難以像火電、水電等常規(guī)電源一樣做到隨時(shí)按照電網(wǎng)調(diào)度的要求在指定出力下運(yùn)行，而且為了有效利用風(fēng)能資源，必須盡可能保證風(fēng)電機(jī)組出力的最大化。因此，風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制主要有以下2種模式：(1)最大出力控制模式。即在保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定的前提下，根據(jù)電網(wǎng)風(fēng)電接納能力計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)最大出力限值，風(fēng)電場(chǎng)出力低于限值時(shí)處于自由發(fā)電狀態(tài)(爬坡速率必須滿足要求)，若超出風(fēng)電場(chǎng)最大出力限值時(shí)，有功功率控制進(jìn)行限出力控制，以達(dá)到風(fēng)電出力最大化與風(fēng)電場(chǎng)之間風(fēng)能資源優(yōu)化利用的目標(biāo)。(2)功率增率控制模式。對(duì)風(fēng)電場(chǎng)有功功率變化率進(jìn)行限制，可以用在需要對(duì)輸出功率變化率有要求的風(fēng)電場(chǎng)。該模式運(yùn)行時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率在每個(gè)控制周期的變化大小必須在給定的斜率之內(nèi)，且風(fēng)電場(chǎng)的整體輸出功率應(yīng)該在滿足斜率的前提下盡量跟隨風(fēng)電場(chǎng)的預(yù)測(cè)功率。功率增率控制模式是為了避免風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率變化過于頻繁和變化過大，從而保證整個(gè)電網(wǎng)的輸出功率穩(wěn)定。風(fēng)電場(chǎng)有功控制模式既可單獨(dú)運(yùn)行，也可組合運(yùn)行。風(fēng)電場(chǎng)控制模式的組合運(yùn)行，是為了滿足電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的多方面要求。3.3風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制狀態(tài)3.3.1現(xiàn)有算法不足風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)有的有功功率分配算法是根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的額定容量，按照額定容量大的機(jī)組分配有功多的原則進(jìn)行指令分配。該方法在風(fēng)速大幅波動(dòng)的情況下，通過其得到的風(fēng)電有功調(diào)控指令也會(huì)發(fā)生大幅波動(dòng)。對(duì)于單臺(tái)機(jī)組而言，有功調(diào)控指令忽高忽低使其控制系統(tǒng)頻繁動(dòng)作，運(yùn)行狀態(tài)切換次數(shù)增加，致使風(fēng)電功率輸出可靠性降低。3.3.2有功功率控制方法優(yōu)化由于現(xiàn)有算法存在缺陷，對(duì)陣風(fēng)擾動(dòng)造成的功率突變考慮不足。為減小機(jī)組出力變化，提出了一種新的優(yōu)化算法來(lái)合理分配調(diào)度指令。新的優(yōu)化算法根據(jù)實(shí)時(shí)風(fēng)速預(yù)測(cè)風(fēng)電機(jī)組最大理論輸出功率，按照最大輸出功率大的機(jī)組分配有功多的原則進(jìn)行指令分配[21-22]，具體的實(shí)現(xiàn)方法是：P式中，t=1nPMIopt表示風(fēng)電場(chǎng)各可控機(jī)組的最大理論輸出功率之和，PMiopt表示第i臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的組噠理論輸出功率，為風(fēng)電場(chǎng)計(jì)劃調(diào)整量。假如Prdf.i小于最小功率設(shè)定值，則直接令P3.5風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比3.5.1風(fēng)電場(chǎng)電氣接線風(fēng)電場(chǎng)的額定容量為49.5MW，整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)由33臺(tái)GE1.5MW的雙饋風(fēng)電機(jī)組構(gòu)成，雙饋風(fēng)電機(jī)組均處于自由發(fā)電狀態(tài)：圖3-1風(fēng)電場(chǎng)示意圖3.5.2單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組測(cè)試控制程序通過仿真測(cè)試后，已經(jīng)發(fā)布了新版本用于風(fēng)電場(chǎng)試運(yùn)行。根據(jù)3.3.2的變比例分配算法，重新優(yōu)化了控制程序，同時(shí)修正了相關(guān)控制參數(shù)，提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度。下圖3.2與圖3.3所示是風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)的對(duì)比。圖3.2風(fēng)電場(chǎng)單臺(tái)機(jī)有功功率控制運(yùn)行優(yōu)化前a)縱坐標(biāo)為數(shù)值；b)橫坐標(biāo)為時(shí)間；c)黃色為實(shí)際功率kW；d)紅色為調(diào)度功率kW；e)綠色為變槳角度；f)紫色為1秒內(nèi)平均風(fēng)速ms；g)藍(lán)色為30秒內(nèi)平均風(fēng)速圖3.2風(fēng)電場(chǎng)單臺(tái)機(jī)有功功率控制運(yùn)行優(yōu)化后a)縱坐標(biāo)為數(shù)值；b)橫坐標(biāo)為時(shí)間；c)黃色為實(shí)際功率kW；d)紅色為調(diào)度功率kW；e)綠色為變槳角度；f)紫色為1秒內(nèi)平均風(fēng)速ms；g)藍(lán)色為30秒內(nèi)平均風(fēng)速?gòu)膱D3.2與圖3.3中可看出，優(yōu)化前的單機(jī)實(shí)際功率與給定功率有一定的偏差，而且給定功率的跳動(dòng)較大，控制效果不理想。而優(yōu)化后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中，實(shí)際功率和給定功率基本上能實(shí)時(shí)跟蹤，而且是根據(jù)風(fēng)速的變化在變化。圖3.4風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制運(yùn)行優(yōu)化前a)縱坐標(biāo)為數(shù)值；b)橫坐標(biāo)為時(shí)間；c)藍(lán)色為實(shí)際功率kW；d)紅色為調(diào)度功率kW圖3.5風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制運(yùn)行優(yōu)化前a)縱坐標(biāo)為數(shù)值；b)橫坐標(biāo)為時(shí)間；c)藍(lán)色為實(shí)際功率kW；d)紅色為調(diào)度功率kW圖3.4所示為風(fēng)電場(chǎng)全場(chǎng)有功功率控制運(yùn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，優(yōu)化前的功率增速較大，已超過有功功率變化最大限值，不符合國(guó)家電網(wǎng)的要求。優(yōu)化后（圖3.5）的全場(chǎng)功率控制較為平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)極速升降功率的現(xiàn)象，說明新的分配算法很好的克服了陣風(fēng)擾動(dòng)造成的功率突變。第4章結(jié)論隨著綠色能源的開發(fā)和風(fēng)電的發(fā)展，風(fēng)電規(guī)?；⒕W(wǎng)勢(shì)在必行。但是由于風(fēng)能本身存在著較強(qiáng)的波動(dòng)性、隨機(jī)性和間歇性，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出電能穩(wěn)定性低，質(zhì)量差。相對(duì)于傳統(tǒng)的常規(guī)能源，風(fēng)電場(chǎng)面對(duì)對(duì)象十分龐大，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的有功功率分配下發(fā)問題突出。自從優(yōu)化控制算法后，在風(fēng)電場(chǎng)已連續(xù)運(yùn)行近三個(gè)月，通過了各種風(fēng)況的檢驗(yàn)，有功功率控制系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好，主要有以下幾個(gè)方面：對(duì)風(fēng)電機(jī)組和風(fēng)電場(chǎng)展開研究，深入分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行特性、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制策略。優(yōu)化后的算法有效地解決了風(fēng)電機(jī)組的最大功率輸出，并且實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)電場(chǎng)功率調(diào)度的快速響應(yīng)。優(yōu)化后的算法減少了機(jī)組控制系統(tǒng)動(dòng)作次數(shù)，平滑風(fēng)電機(jī)組出力波動(dòng)。參考文獻(xiàn)徐海波,趙杰,劉平,等.SCS-500W風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制裝置研制[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2010(23):102-105.林俐,李曉鈺,王世謙,等.基于分段控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組有功-頻率控制[J].中國(guó)電力,2012,45(2):49-53.劉偉,黃越輝,劉純,等.風(fēng)電場(chǎng)功率分配算法[J].中國(guó)電力,2011,44(8):53-56.陳寧,于繼來(lái).基于電氣剖分信息的風(fēng)電系統(tǒng)有功調(diào)度與控制[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008,28(16):51-58.劉峻,周喜超.基于超短期風(fēng)電功率預(yù)測(cè)的風(fēng)電場(chǎng)自動(dòng)發(fā)電控制[J].中國(guó)電力,2011,44(2):74-77.張立新,高桂蘭.風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制策略研究[J].電氣制造,2013,6:011.付德寶.變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)傳動(dòng)鏈轉(zhuǎn)矩波動(dòng)控制[D].天津大學(xué),2009.接勐,崔新維,謝建華,等.機(jī)械系統(tǒng)狀態(tài)空間法在風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸系統(tǒng)上的應(yīng)用[J].新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006,29(3):98-100.JohanssonM,RantzerA,ArzenK.Piecewisequadraticstabilityoffuzzysystems[J].FuzzySystems,IEEETransactionson,1999,7(6):713-722.陳嚴(yán),歐陽(yáng)高飛,葉枝全.大型水平軸風(fēng)力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2004,24(5):729-734.MunteanuI,BratcuAI,CutululisNA,etal.Optimalcontrolofwindenergysystems:towards