风电场有功功率控制系统的研究作者：孔朝志摘要：在分析风力发电机组有功功率控制的基础上，提出风电场的有功功率控制策略。

利用MATLAB/Simulink环境，建立风电场功率控制系统的仿真模型。

以电网调度给定功率波动为例，对风电场的有功功率调节过程进行仿真研究。

通过理论研究和仿真分析，验证了风电场有功功率控制策略的可行性和有效性。

关键词：风力发电，风电场，有功功率控制，功率分配0. 引言风电是一种具有间歇性、波动性的电源，大规模风电场的建设给电网调度和运行都带来了挑战。

国家电网公司制定的Q/GDW 392-2009《风电场接入电网技术规定》中指出，风电场应具备有功功率调节能力，能根据电网调度部门指令控制其有功功率输出。

因此，为了实现对有功功率的控制，风电场需配置有功功率控制系统，接收并自动执行调度部门远方发送的有功功率控制信号，确保风电场最大有功功率值及有功功率变化值不超过电网调度部门的给定值。

在电网紧急情况下，风电场应根据电网调度部门的指令控制其输出的有功功率，并保证风电场有功功率控制系统的快速性和可靠性。

必要时，可通过安全自动装置快速自动切除或降低风电场有功功率。

1. 风电场有功功率控制的原理由于风能的间歇性和随机性，精确预测风电功率难度非常大。

从电网运行角度进行风电有功功率控制，难以像火电、水电等常规电源一样做到随时按照电网调度的要求在指定出力下运行，而且为了有效利用风能资源，必须尽可能保证风电出力的最大化。

因此，风电有功功率控制有以下2种方式：1) 最大出力控制模式。

即在保证电网安全稳定的前提下，根据电网风电接纳能力计算各风电场最大出力上限值，风电场出力低于上限值时处于自由发电状态(爬坡速率必须满足要求)，超出本风电场最大出力上限值时，可根据其他风电场空闲程度占用其他风电场的系统资源，以达到风电出力最大化与风电场之间风能资源优化利用的目标。

2) 出力跟踪控制模式。

即以各风电场风电功率预测为依据，经控制中心站安全校核后下发各风电场发电计划，各风电场必须实时跟踪发电计划进行有功功率的调整。

实现有功功率控制，需要解决以下两大技术难题：1) 系统的架构设计。

即如何根据现有的信道条件、可用设备资源和允许投资总额情况，设计整个系统的架构，保证系统的可靠性和可行性，同时还要考虑系统在今后一段时间内的可扩展性。

2) 系统的控制策略设计。

控制策略设计是系统设计的核心，调度运行人员对风电场调度运行的控制经验和控制方法均体现在控制策略设计中。

通过有功控制系统对控制策略的自动实施，代替调度运行人员对风电场的实时控制，减少调度运行人员与风电场之间频繁的业务联系和复杂的计算，让其专注于对全网的监控。

合理的控制策略设计同时也能最大限度地利用风能资源和电网输电通道资源，提高风电接纳能力和各风电场发电量，加强对风电场的管理和控制。

2. 风电场有功功率控制系统的设计2.1 风电场功率控制系统根据有功功率控制的基本思路，本文设计了如图1所示的风电场功率控制系统。

图1 风电场功率控制系统由图1可知风电场功率控制系统的工作原理，该系统中风电机组和本地负荷直接或间接地连接到升压站（T）的低压侧母线B0，其中风电场中的风电机组包含有可控部分和不可控部分。

通过高压侧母线B1风连接到电网。

在并网模式下，整个系统就相当于一个微电网简化模型，母线为其公共连接点（PPC）。

风电场经升压站注入电网的有功功率为P Grid，风电场中各风电机组注入母线B0的有功功率为和P CDP，本地负荷消耗的功率为P UDP。

那么对于母线B0有如下的有功功率平衡关系：（1）风电场功率控制系统的主要目的是集中控制输入电网的有功功率，使得风电场也能和传统的发电站一样参与对电网的控制。

根据电网调度中心的要求，可获得有功功率的参考信号P ref。

又由于风电场公共连接点（PCC点）的有功功率输出信号可测量，所以通过有功功率管理系统可确保风电场的输出功率参考值(P Cref为可控部分机组的参考值，P Uref为失控部分机组的参考值)，然后再将P Cref转换成单台风电机组的输入功率参考信号（P Cref.i，i=1，2…，n）。

P Cref和P Uref的表达式为：（2）式中，m表示可控部分机组的台数，n表示不可控部分机组的台数。

2.2风电场功率管理系统图2 风电场功率管理系统风电场功率管理系统原理框图如图2所示，其控制方法如下：（1）测量得到PPC点有功功率P mea，根据有功功率的参考信号P ref可得设定值和测量值的有功功率偏差VP',再通过功率偏差来控制机组的启动和停机；（2）PCC点频率测量值P mea与给定目标频率P ref进行比较，将所得差值的绝对值记为频率偏差Vf，然后通过频率控制模块计算有功功率调整目标VP f；（3）将功率偏差VP'和有功功率调整目标VP f比较，数值较大者记为VP，若VP大于设定的阀值则进入下一步，若不成立则返回原点；（4）计算风电场有功功率的变化率，求得的变化率必须满足风电场接入电网技术规定，若不符合标准应加限幅器，再设定调整时间，并计算出调整时间内有功功率增量，作为PI模块的输入量；（5）有功功率增量经过PI模块的PI调节后，输出调整时间内的有功功率参考值P Aref，为了避免控制作用过于频繁，本文选用了带死区的PI控制算法；（6）根据可控部分和不可控部分机组运行数量，按比例分配有功功率参考值P Aref，将可控部分输出功率值P Cref输入功率分配模块，转换成功率调整指令向所属区域发送输入功率参考值P Cref.i，改变去相应有功功率输出。

2.1.1带死区的PI控制算法在计算机控制系统中，为了消除由于频繁动作所引起的振荡，可采用带死区的PID控制算法，控制算式为：（3）式中，e(k)为偏差，e o是一个可调参数，其具体数值可根据实际控制对象由实验确定。

若e o太小，会使控制动作过于频繁，达不到稳定被控对象的目的；若e o太大，则系统将产生较大的滞后。

带死区的控制系统实际上是一个非线性系统，当时，数字调节器的输出为0；当时，数字输出调节器有PID输出。

2.2.2有功功率分配策略在设计风电场有功功率分配策略时，应当避免分配给风电机组的有功指令超出机组的能力范围，其次要求风电场实际的有功出力应与调度指令相一致。

为充分利用各台机组的有功无功容量和尽可能避免机组视在功率饱和，本方案的有功分配原则是：有功可能出力越大的机组，风电场分配给它的有功任务越多。

根据上面的原则，按比例分配的算法，则在额定风速以下，风电场控制系统的输出功率参考值P Cref和每台风电机组的输入功率参考信号P ref.i之间的转换关系可表示为：（4）式中，表示风电场内各受控机组的最优机械功率之和，表示第i 台风电机组的最优机械功率，其表达式为：（5）式中，为风轮机的最优功率系数。

在同一风电场中，空气密度p i近似相同。

对于同一型号的风电机组具有相同的叶片扫过面积A i和近似的最优功率系数（βi均为0）。

那么，由式（4），（5）可得：（6）式中，k pi表示第i台风电机组的有功分配系数。

假如P ref.i小于400kW，则直接令P ref.i等于400kW。

当风电场风速超过额定风速后，就直接根据风电机组运行的台数等比例分配有功功率。

3 风电场有功功率控制系统的仿真3.1 风电场功率管理系统仿真模型根据前面介绍的基本控制策略，利用MATLAB/Simulink中的仿真模块实现风电场功率管理系统的设计。

MATLAB/Simulink仿真软件具有强大的功能，其中Simulink模块化的结构有助于将复杂的风电系统分解为各个简单的基本“物理”模块，适宜用来分析风力发电机组的各种运行状态。

而且软件本身带有设计好的双馈型风力发电机组模块，可以直接调用。

本文设计的风电场功率管理系统仿真模型如下图所示。

图3 风电场功率管理系统Simulink模型由图3可知，整个系统可以八个模块，分别是：时间控制模块，主要作用是提供采样周期和记录风机的启停时间；启停控制模块，其功能是根据需要控制风力发电机组的启动和停机；风电场模块，主要是模拟风电场的运行，包含有4台可控风机和1台不可控风机；功率测量模块，主要任务是测量风机实际发出的有功功率；功率分配模块和功率系数模块，主要是用于分配参与有功功率控制风机的功率给定值；PI控制模块，主要作用是控制风机实际功率与给定功率的匹配；数据显示模块，可以监控单台风机的运行状态和整个风电场的有功功率变化。

3.2 风电场功率管理系统仿真运行利用设计的风电场功率管理系统，可以模拟风电场的实际运行状态，其中整个风电场的有功功率变化如下图所示。

图4 风电场功率管理系统仿真运行从图4可看出，WindTurbine1，2，3，4是可控风机，在600s的运行周期内，大部分时间都能很好的跟踪功率给定，符合预期的目标。

WindTurbine5是不可控风机，处于自由运行状态。

整个风电场5台风机的总功率也能基本达到给定的状态，波动也不频繁。

图5 风电场功率管理系统仿真运行风速4 总结风电场通过集中控制策略协调控制所有风机的有功功率，可以有效地为电网提供稳定高效的风场电能，改善风电并网的电压稳定性。

同时，本文所介绍的有功功率分配算法只是实现了基本的功率控制功能，但还不是最优的控制策略，不能充分考虑风力发电机组的各种约束实现功率最优分配，这需要后面进一步的研究分析。