風電場功率控制系統分析

張永艷

沈陽中科天道新能源裝備股份有限公司，遼寧 沈陽 110168

0 引言

隨著電力電子技術與通信技術的發展，自動化控制在風力發電機的主控系統中的應用已經相當成熟了。在廣泛應用的1.5mW雙饋異步風力發電機電控系統中，通過主控控制的變槳、偏航、調速等方式已經可以很好的控制風機的功率輸出，風力發電機整機控制技術已經完善。

然而，在多年的風電場運行中仍然暴漏出許多不可以忽視的問題：小故障引起的大范圍脫網事故、風機的棄風小時數、電網容量有限等。在2011年初，甘肅酒泉發生超過五百臺風力發電機組脫網嚴重事故[1]，這對風力發電機組的穩定性提出了更高的要求。隨即電網公司會議決定對風電提出新的要求，未具備低壓穿越功能的風機必須具備穿越功能，風電場也必須具備功率控制功能。本文研究了以單臺風機主控系統為基礎的功率控制方案。

1 風機主控系統概述

風力發電機組的主控系統是風機的核心。主控系統控制風機的一切動作，包括變槳、偏航以及變頻器的控制。分為控制單元、傳感器單元、執行單元、總線系統。主控系統以PLC控制器為核心，實現風力發電機的過程控制、安全保護、故障檢測、參數設定、數據記錄、數據顯示以及人工操作。主控系統是功率控制系統能夠實現的前提，是實現有功無功輸出調節的工具。

2 功率控制系統功能要求

風電場功率控制系統的主要目的是集中控制輸入電網的有功和無功，使得風電場也能和傳統發電站一樣參與電網的控制。該系統以風電機組主控為控制單元，發出控制指令。風電場功率控制系統必須具備以下功能：

1）具備基于多種通訊協議的通訊功能，一方面通過通訊方式將風機的理論出力值發送到功率控制系統中，另一方面能夠將理論值上傳到調度部門（如果是風電場內部控制，則應該傳送到風電場的SCADA系統）。反之也能夠接受調度下發的限制指令；

2）具備強大的計算處理功能，能夠將風力發電機組分散的理論出力，累計成以風電場為單元的總的有功輸出值，能夠結合整個風電場實際的有功或無功輸出值進行PI控制；

3）本地控制功能：即功率控制系統不僅僅能通過遠程通訊功能對風機進行控制，也應能夠通過本地方式進行控制，控制方式可以是數字量或者模擬量，也可以使用Modbus總線形式，還可以以TCP協議方式等；

4）采集功能：功率控制系統應該具有采集整個風電場實時的有功功率或無功功率的功能。通過測量模塊連接電流互感器二次側。測量電流可以在變電站高壓側得到整個風電場的總電流，也可以分別測量單個集電線路的電流再匯成總電流。測量模塊連接電壓互感器的二次側即可得到風電場的電壓值；

5）智能分配功能：風電場功率控制系統接收調度下達或者本地下達有功或無功輸出設定指令，根據風機臺數進行平均分配?；蛘卟徊扇∑骄峙湓瓌t，即按照單臺風機的理論值的比例進行比例分配。當單臺風機故障時也能自動排除故障風機的影響，使風場總的出力滿足調度的要求；

6）輔助功能：顯示功能、報警功能、記錄功能等必備的其他功能。

3 功率控制系統的控制理論

功率控制系統的控制理論如圖1所示：

圖1 功率控制系統原理示意圖

圖1以兩臺風力發電機組為例進行分析。圖1中矩形框中表示功率控制系統的主要邏輯功能，圖的左側為調度。調度可以為電網調度也可以為風場調度。圖的右側為風機，為了方便理解，假設兩臺風機組成一個風力發電廠。

風力發電機組與功率控制系統的數據交互主要有3種，即單臺風機的理論出力值和實時出力值，同時功率控制系統向風力發電機組的主控系統下達有功無功輸出指令。而功率控制系統與調度之間的交互即為理論值的上傳和指令下達。

功率控制系統中具備中央控制模塊，如PLC進行理論功率累計、實際功率計算、相位角計算、PI控制、分配指令等工作；具備通訊模塊和對外通訊的交換機、采集模塊能夠采集電壓電流值；還應該具備I/O模塊。當供電中斷時應該具有UPS備用電源。

功率控制系統軟件應有風場控制應用程序、風電場監視應用程序和各種通訊協議程序。

4 接口之間關系

接口關系包括功率控制與風機的接口關系、功率控制系統與調度之間的接口關系。

風電場的電壓電流值，首先經過電壓互感器和電流互感器，將實時測量值引入功率控制系統中。是完全的電信號接口關系，可以采用電纜連接。風機的理論值是通過安裝在風機上的風向標、測速儀測量，經過建模計算得出的功率曲線。功率曲線數據通過通訊的方式傳送到功率控制系統中，每臺風機配置一臺數據交換機，采用光纖方式與功率控制系統內的交換機連接成閉環，從而進行數據交換。因為采用光纖通訊所以要求接口為光纖接口。

當功率控制系統跟風電場本地SCADA系統通訊時，可以通過Modbus進行通訊。當功率控制系統與電網調度通訊時，調度不直接從功率控制系統中取信息，而是從本地的SCADA系統中讀取，通道的形成還必須經過遠動設備和OPC網關。其接口關系如圖2所示：

圖2 功率控制系統與電網調度通訊示意圖

5 結論

風電場功率控制系能，能夠實現電網對風力發電機組的限電控制功能。方便了電網對正在運行的風電場的調度管理，保證了電網的安全和穩定。國外知名許多的風機主控生產廠商都以實現了風電場功率控制系統的研發并且市場化。本文對于希望了解風電場功率控制系統的讀者來說，起到了幫助分析的作用。

[1]葉杭冶.風力發電機組的控制技術[M].北京：機械工業出版社，2002.

[2]惠晶，顧鑫.大型風電場的集中功率控制策略研究[J].華東電力，2008，36(6).

[3]甘肅風電網.甘肅：大規模風機脫網事故[N].2011-5-9.http://www.gsfdw.com.cn.