风电场风电机组优化有功功率控制的研究

2017年度申报专业技术职务任职资格评审答辩论文题目：风电场风电机组优化有功功率控制的研究作者姓名：李亮单位：中核汇能有限公司申报职称：高级工程师专业：电气二Ο一七年六月十二日摘要随着风电装机容量的与日俱增，实现大规模的风电并网是风电发展的必然趋势。

然而，由于风能是一种波动性、随机性和间歇性极强的清洁能源，导致风电并网调度异于常规能源。

基于此，本文将针对风电场层的有功功率分配开展工作，主要工作概括如下：(1)对风电机组和风电场展开研究，分析风力发电机组运行特性、风力发电机组控制策略、风电场的控制策略。

(2)提出了一种简单有效的风电场有功功率分配算法，可以合理利用各机组的有功容量，优化风电场内有功调度分配指令，减少机组控制系统动作次数，平滑风电机组出力波动。

(3)优化风机控制算法后，通过现场实际采集数据将所提方法与现有方法进行了比较，验证了所提方法的合理性。

关键词：风电机组、风电场、有功功率控制、AGCAbstractWith increasing wind power capacity, to achieve large-scale wind power is an inevitable trend of wind power development. However, since the wind is a volatile, random and intermittent strong clean energy, resulting in wind power dispatch is different from conventional energy sources. And the wind farm is an organic combination for a large number of wind turbines, wind farms under active intelligent distribution layer hair is also included in the grid scheduling section. Based on this, the active allocation and scheduling for grid scheduling side active layer wind farm work, the main work is summarized as follows:(1)Wind turbines and wind farms to expand research, in-depth analysis of the operating characteristics of wind turbines, wind turbine control strategy, control strategies of wind farms.(2)This paper proposes a simple and effective wind power active power allocation algorithm, can reasonable use each unit capacity, according to the optimization of wind farms in active dispatching command, decrease The Times of turbine control system action smooth wind power output fluctuation unit.(3)After optimization of the fan control algorithm, through the practical field data collected will be presented method are compared with those of the existing method, the rationality of the proposed method was verified.Keywords:wind turbine, wind farm, active power control目录摘要 (I)Abstract................................................................................................................. I I 第1章绪论 (1)1.1 课题研究背景 (1)1.2 有功功率控制的现状 (1)第2章风力发电机组及风电场有功控制基础 (2)2.1 风力发电机组运行原理 (2)2.1.1 风电机组的组成 (2)2.1.2 风电机组数学模型 (2)2.1.3 风力发电机组运行特性 (7)2.1.4 风力发电机组控制策略 (8)2.2 风电场有功功率控制 (9)2.2.1 风电场的基本结构 (9)2.2.2 风电场的控制策略 (10)第3章风电场内有功功率控制策略 (11)3.1 风电场有功功率控制的基本要求 (11)3.2 风电场有功功率工作模式 (11)3.3 风电场有功功率控制状态 (12)3.5 风电场实测数据对比 (12)3.5.1 风电场电气接线 (12)3.5.2 单台风力发电机组测试 (13)第4章结论 (16)参考文献 (17)第1章绪论1.1课题研究背景相比于常规的火电和燃气电站，风电场的有功调节能力十分有限。

从理论上风电场有功调节方式主要有两种①停风电机组[1]，②风机控制系统[2]。

风电场进行功率调节时，有功功率调节速率较快，当风速变化较大时存在超调的现象；风电场功率控制波动较大，有功功率实际值不能理想的跟踪风电场设定值，稳定性有待提高；风电场有功功率调控响应时间较长，在风速急速上升时，实际功率上升缓慢，从而使得部分风机发电功率与风速不一致。

据相关研究，通过停风电机组实现风电场有功调节将大幅增加运行成本[3]。

相对而言，通过优化风机控制算法实现输出功率控制的风机控制系统具有较低的运行费用。

因此，根据风电场所处的地理环境和实际风况条件，优化有功功率控制系统，提高整个风电场风机有功出力控制的稳定性和实时性，使功率控制达到预定要求，是目前亟待解决的。

1.2 有功功率控制的现状数据采集和安全监控系统(SCADA)是自动发电控制系统(AGC)系统的基础，作为自动发电控制系统(AGC)的工作平台。

在AGC的实现过程中，由数据采集和安全监控系统实现对各AGC机组、系统运行频率等参数的实时监控和信息扫描，并将实时采集的数据存放于实时数据库，供给自动发电控制系统的负荷频率控制算法调用生成相应的负荷调整命令。

降低风电场有功功率的多变性和随机性，提高风力发电并网容量，实现常规机组与风电场协调发电一直是目前研究的热门，陈宁等人通过研究AGC机组的优化调控策略，以AGC机组优化协调配合风力发电机组正常范围内的有功功率波动，提高风电并网质量[4]。

刘峻、周喜超基于超短期风电功率预测和等耗量微增率理论，创造性的将风电场纳入到AGC控制过程，提出了包含风电场的电力系统有功功率调度模式[5]。

大型风电场的并网运行是未来风电发展的方向和热点。

解决大型风电场的并网问题将大大促进风电的发展，提高清洁能源的使用能力。

针对性研究电场层各个风机有功出力控制和分配的文献偏少。

从电网角度对风电场的电力调度理论研究偏多，但从工程实际对现有的调度系统的测试运行实践总结较少。

第2章风力发电机组及风电场有功控制基础2.1风力发电机组运行原理2.1.1风电机组的组成双馈风电机组的基本结构如图2.1所示，双馈风力发电系统主要构成部分由风力机、传动结构、发电机、变桨伺服、控制器构成。

风力发电机主要的工作流程为风驱动风轮低速旋转，将风的动能转化为风轮机械能，通过齿轮箱对较低的风轮转速进行增速，以增速后的动力驱动发电机，应用变流器励磁发电，最后将定子产生的电能输送到电网。

传动结构齿轮箱主要的目的是对风轮转速进行增速，从而提升发电机可控制性，保证风力发电机输出电能的频率和电压。

风电场所有风机的整体出力受到风力资源的随机特性影响，由于大规模风电场的并网给电网的调度及电能质量等带来很大影响，所以要求风电场发电功率能按照调度要求进行调节。

为了从电网侧对风电场优化风力发电场的电力调度，将从风力发电场的基本结构出发，对风力发电机的有功功率控制策略进行研究[6]。

电网发电机变流器控制器变桨伺服传动结构风力机图2.1双馈风电机组的基本结构2.1.2风电机组数学模型2.1.2.1风轮的模型风电机组变桨距技术就是对叶片和轮毂间的联结采用非刚性的联结技术，使风电机组的叶片可以实现绕叶片纵梁进行桨距角调节，攻角可以实现一定范围内的变化，实现在各种风速下的最大风能吸收能力，使输出功率达到最大。

风电机组输出功率与吸收的风能之间的关系见式2-1：P=12ρπC p R2V3(2-1) 式中，P——风电机组输出功率；ρ——当地空气密度；C p——风电机组风能利用系数；R——风电机组风轮半径；V——风轮风速。

风轮将捕捉到的风能转化为动能，通过传动链进行能量传递，能量传递如表达式2-2所示：P m=T∙ω=P(2-2) 式中：P m——能量传递中的机械能；T——风电机组的扭矩；ω——风电机组的角速度。

由式2-1、式2-2得式2-3：ω=12ρπC p R2V3/T(2-3) 由于风力机的扭矩T是由风力机负载所决定，对于一定的风力机负载，当风电机组风速V恒定时，由于当地空气密度ρ和风电机组风轮半径R为常量，因此，风能利用系数C p决定了风力机角速度，风力机角速度正比于风电机组风能利用系数，即ω∝C P。

当风轮起动并稳定旋转后，假设气流为理想状态下的气流，对特定稳定风速下的叶片进行受力分析，可以得到以下关系式：I=i+β(2-4)tg I=vωr =1λ（2-5）式中：I——理想状态下的气流流入角；i——攻角；β——风电机组风轮桨距角；λ——叶尖速比。

根据力平衡，可得：T=12ρC T v2AR(2-6)ωr=vsinI(2-7)C T=C L（sinI−1L pcosI）sin2I(2-8)式中：C T——风电机组扭矩系数；A——风电机组风轮迎风面积；R——风电机组风轮半径；ωr——风电机组风轮叶片相对角速度；其中，风力机风轮的升力系数C L和升阻比C L/C p由风力机风轮叶片攻角直接影响决定，对于一定风力状态下运行的风电机组，风力状态不变即风速和风向不变，风电机组此时合成风速ω和入流角I为定值，升力系数C L将随着攻角i的增大而增大，即升阻比C L/C p将随着攻角i的增大而增大，根据上式（2-8），风电机组扭矩系数C T 将随着攻角i的增大而增大。