风电场有功自动控制系统研究王栋（中能电力科技开发有限公司）摘要：随着风电在电力系统中装机量的增加，一个功率可控、在控的风电场是未来发展的方向。

本文设计并研制了一套风电场有功自动控制系统（AGC）；验证了双馈风电机组的安全有功可调范围及调节速率；提出了AGC的控制策略；开发了相应软件，并进行了整场有功实验。

关键词：风电场；有功；AGC1.概述对于相对稳定电力系统来说，输出负荷变化频繁的风电场在并网后给电力系统所带来的冲击影响，会随着风电比例的不断增加而增加。

为此，国家电网公司出台的《国家电网公司风场接入电网技术规定》明确规定[1]：风电场应具备有功功率控制系统，能够接受并自动执行电网调度的有功出力控制信号确保风电场最大输出功率及功率变化率不超过电网调度的给定值。

风电场有功控制AGC（Automatic Generation Control）的目的是在风电场侧建立一个面对全风电场的有功功率自动控制系统。

在电网没有要求时，每台风机按各自最大出力运行；在电网限负荷运行时，实时监测各风机状态，进行优化计算，分配每台风机出力，实现风电场自动、优化、稳定的运行，满足电网要求。

基于以上背景，研制了有功自动控制系统，目的是利用风电机组本身的可调节能力对风电场的输出有功进行控制，既能够提高风电场的可控性，也能够优化风电场的电能质量。

2.系统结构风电场有功功率自动控制系统（AGC系统）采用分层模块化的结构，主要包含升压站数据采集模块、风电机组数据采集模块、风电机组控制模块和AGC决策模块。

总体技术方案见下图。

图1 系统框图升压站数据采集模块负责对风电场综合自动化采集数据或并网PCC点CT、PT数据的实时采集，经过处理后将升压站的状态信息传递到AGC决策模块。

风电机组数据采集模块负责对风机SCADA采集数据或直接与各风电机组的CCU（中央控制单元）实时进行通讯，采集其状态信息并上传到AGC决策模块。

AGC决策模块负责接收升压站数据采集模块、风电机组数据采集模块上传的升压站和风电机组的状态信息，生成风电机组有功调节方案并与风电机组控制模块进行通讯。

风电机组控制模块负责与AGC决策模块进行通讯，将AGC决策模块的风电机组有功调节命令传送至每一台需要进行有功调节的风电机组进行执行。

风电场的有功功率分配按各风机的运行状态进行优化计算。

根据电网调度要求负荷曲线、自动采集并网点上网出力、综合考虑厂用电情况，设计闭环自适应反馈控制，使并网点出力保持在调度要求，并使尽可能多的风机参加运行，有利于冬季设备维护。

3.系统通讯风电场并网PCC点电网状态信息的采集，利用风电场变电站高压侧母线上已有的计量表计及电网状态监测传感器来实现，采集的参数为：风电场出口有功功率、无功功率、并网点电压、频率。

风电机组的运行工况信息，通过和现场风机厂商的SCADA系统通讯获得。

风机的控制指令由风电场有功功率自动控制系统产生，经过OPC接口和风机SCADA系统通讯，下发到可控风机执行指令。

具体的系统通讯架构如下图。

数据服务器升压站报文SCADA 局域网图2 AGC 系统通讯架构4. 有功控制方式4.1 变速恒频风电机组特性典型的变速恒频的双馈发电机组的按其功率输出特性可以分为：小风停机风速区、切入风速区、变速区、恒速变功率区、额定功率区。

在小风停机风速区，由于风速太小，风电机组基本不动作；切入风速区和变速区又可并称为最大风能捕获区，风电机组在这一区间的主要目标是通过调整转速来追踪最佳叶尖速，以此来最大限度地捕获风能，提高风电机组的发电效能；恒速变功率区是指风电机组转速达到额定转速后，在达到额定功率前，风电机组保持恒转速的区间；额定功率区是指风速达到或超过额定风速后，通过变桨距系统根据发电机的功率反馈信号进行控制的区间，当功率过大时，桨叶节距角就向迎风面积减小的方向转动，反之则向迎风面积增大的方向转动。

风电机组在低于额定功率运行时，桨距角度一般维持在最佳桨距角（0°附近），风电机组控制单元通过转距指令控制风轮转速，使得尖速比在合适的位臵,从而使得风能利用系数CP 在接近顶点附近的位臵运行。

4.2有功控制范围在切入风速以上、额定风速以下时，双馈异步风力发电机组通常采用最大风能追踪控制，从而保证最佳的有功功率输出。

不同风速下的功率—转速特性曲线，如图3 所示。

可以看出，在不同的风速下，通过调节转速就能够调节风电机组的风能利用系数CP，从而对风电机组的有功输出进行限制。

不考虑风电机组的稳定性的情况下，将转速下降到一定阶段后，能够让风电机组不对外输出功率，所以，理论上能够在0到额定功率之间进行调节。

图3 功率-转速特性曲线考虑到风电机组的实际运行情况，实际的有功控制范围和理论有些出入，国家能源局颁布的《大型风电场并网设计技术规范》中规定风电机组的有功功率控制[2]：有功功率控制范围可以在20％～100%（对应风况的最大输出功率）的范围内平稳调节。

4.3有功控制接口在实际的风电机组电能量控制当中，风电机组厂商所提供的有功控制方式有：有功功率给定控制、发电机转速控制。

有功功率给定控制即给定具体的有功功率上限值，风电机组的有功功率保持在给定的上限值之下。

这种控制方式简洁，不用做功率转换，控制的功率范围宽。

发电机转速控制即给定风电机组的发电机转速上限值，风电机组将其发电机转速保持在给定的转速限定值之下。

这种方式需要对风电机组的转速-功率曲线进行转换，控制的功率范围要小，其原因是在风电机组处于恒转速区间时，相同步长转速对应的有功功率变化值大。

5.有功控制算法本系统采用逼近式算法，通过风电场并网出口处实际有功值和目标有功值进行比较，判断所需调节有功趋势，然后对可调控机组进行增加或减小，从而使得并网处实际有功值逼近目标有功值。

具体的有功控制流程见下图。

控制算法的可以通过事件触发，也通过时间间隔触发。

数据采集系统实时采集数据后将风场数据模型刷新。

根据风场数据模型中各风机的工况对各机组进行算法判定，生成可控风机控制列表作为指令生成模块的输入之一。

调控参数通过调控速度控制模块和限定有功整定模块后，将修正后的调控参数作为指令生成模块的另一个输入。

最后，由指令生成模块根据输入生成有功控制指令集。

图4 风电场有功功率自动控制流程6.现场试验6.1风电场介绍试验风电场为龙源电力河北迅风风电场，接线图见下图。

目前两期风电机组均已投入运行，一期33台联合动力的1.5MW双馈风电机组，二期33台远景的1.5MW双馈风电机组。

该风电场综自系统厂家为许继，可通过IEC 104协议进行通讯。

升压站测控设备的数据采用循环和数据突变的方式实时上送，循环上送的周期为15s/次。

风电机组SCADA是联合动力OPC Server和远景OPC Server，数据为主动上送，数据更新周期为1秒/次。

图5 河北迅风风电场主接线图6.2有功控制试验试验目的（1）对整场进行有功的半闭环试验和全闭环试验；（2）通过控制风电场限电曲线的斜率来控制正常的有功功率斜率；（3）检验双馈风机对有功指令的执行准确性和执行速度；（4）检验在各种工况下，有功控制的稳定性、准确性和速度。

试验步骤（1）修改风电场的有功日计划。

（2）有功控制模式改为半闭环，观察指令正确性。

（3）将有功控制模式改为全闭环，观察运行状态。

试验条件试验对象：河北迅风风场试验机型：联合动力82-1500，远景82-1500装机容量：联合动力机组49.5MW，远景机组49.5MW有功控制方式：转速值设定，有功值设定有功调节步长：10r/min-20r/min，20KW-50KW调节间隔：>10s试验期间平均风速：16.36m/s试验时间：14:00-16:00试验过程14:00开始限定值为85000KW；14:34，限制值修改为70000KW；14:48，限定值修改为85000KW；15:00，限定值修改为70000KW；15:17，限定值修改为85000KW；15:38，限定值修改为99000KW。

整个试验持续2小时。

设定整场的有功的增长和降低斜率为50KW/s。

试验分析整体试验曲线图6 整体试验曲线图中，黑线是日计划曲线，红线是实际控制中的有功限定曲线，蓝线是实际有功出力曲线。

从试验曲线可以看出，在限定有功增加和减小的过程中，实际有功和有功计划曲线间有很好的跟随性。

调节速度分析在调节过程中，调节的速度如下表所示：每次调节的幅度为15000KW。

由于存在调节斜率，实际限定值达到日计划的要求需要5分钟。

第一次调节时，由于刚进入有功控制，所有机组有一个进入控制的稳定时间，所以，第一次降有功的时间较长，为11分钟。

第二次调节时提升有功，耗时近7分钟。

第三次调节为降有功，耗时近8分钟，已经较第一次调节时间大为缩短。

第四次调节为提升有功，耗时9分钟，原因是风速下降，导致有功上升速度较慢。

调节60000KW，总体耗时35分15秒，平均调节速度为28.4KW/s，满足对于斜率50KW/s的要求。

调节误差分析考虑到风速的变化，算法中对有功控制的死区设定在设定有功的4%，即当实际有功与设定有功之差超过4%的设定有功时启动对风电机组的有功控制。

对有功控制的死区设臵太小则会导致控制过于敏感，从而对风电机组的操作指令过多，死区太小则会导致控制误差太大。

在提升有功和降有功的过程中，控制误差没有太多意义，只考虑试验中实际有功达到控制目标以后的控制误差。

本次试验中，绝对误差的最大值为3769KW，相对误差最大值为5.4%。

考虑到控制死区为4%，本次试验的控制误差较小。

试验结果（1）在转速值控制和有功值控制下，风电场有功控制系统都能够对风电场有功进行有效控制。

（2）实际的控制速度为28.4KW/s，满足对于斜率50KW/s的要求。

（3）试验的相对误差最大为5.4%，误差控制效果较好。

6.3风电场有功控制的效果评价（1）在转速值控制和有功值控制下，风电场有功控制系统都能够对风电场有功进行有效控制。

（2）因为风速的随机性和波动性，风电场有功会出现瞬时的突变，从而导致有功控制误差的出现。

试验的相对误差最大为5.4%，误差控制效果较好（3）有功控制的范围由风电机组厂商所给定。

就试验结果来看，联合动力转速控制能达到的的范围为1200r/min-1740r/min，折合成有功范围是250KW-1500KW；远景有功控制能达到的范围为100KW-1500KW,满足电网对于有功调节范围20%~100%的要求。

（4）迅风风电场在理想状况下，厂商给定的调节速度为每台风电机组10KW/s，系统的调节速度在330KW/s左右,但有功控制的速度由风电机组厂商所给定的步长所限制，以及电网给定的调节斜率所限制。

在有功提升的阶段，有功的调节速度还受到风速的影响，而且，风机厂商给定的控制接口所对应的指令相应速度和调节速度还不一致。