风电场调度自动化系统的设计与应用

1、风电场调度自动化系统的设计与应用摘要:中国的风电从起步到高速发展,经历时间短,风电场调度运行经验不足,从而导致风电给电力系统 带来的诸多影响。本文结合风电场及风电机组自身所具备调节能力和运行特点,论述风电场调度自动化系 统的设计思路,引入 AVC (自动电压控制系统、有功功率控制系统、风电功率预测系统及其它风力监测 和报警等辅助系统,建立风电场与电网系统良好的调度方式,从而使风电场 切实参 与到电网调度和系统 安 全稳定 的 维护 中。关键词:安全稳定; 调度自动化 ; 电压控制(AVC ; 功率控制 ; 风电功率预测0 引言风力发电 作为一个 间 歇性 、多 变 化的电 源 , 大型 的风电

2、场 开 发 必然会面临如何顺利接 入电 网和发电功率 如何平稳 调度的 问题 。 中国的风电 场 主要位于远离负载 中 心 的 地区 , 并且当地 的电 网调节能力 较弱 , 这对于 风电的发展 构成了限 制。 这一 点 已 经 成为 中国 今后 风电发展 面临 的 最 大问题 。电网 末端 网 架 结 构 不 够坚强 、 电 源 结 构较为 单一 , 风电 大规模接 入 对这些地区 电网 稳定 运行 带来 很大 压力 ;另外 ,风电机组 大 多 采用异 步发 电机, 其 对 电网 安全稳定 的影响与 常规同 步发电 机组不 同;并且 ,风的 波 动 性 使风电场的 输出 功 率具有 随 机

3、性 ,机组 出 力 波 动 范围通常较大 ,速 度 也较快 , 在 电网 没 有 储 能设备的 支持下 , 无法 像 其 他 常规 电 源 那样 对 其 出 力 进 行调度和控制, 这对 电力系统 维持 供需 平 衡 的能力 产生 影响, 给 电力系统 各类 电 源 的调度运行方式带来 很 多 困 难 。随 着 风电场 规模 的 扩 大 , 风电 装 机 容量 在 电 网中所 占比例越 来 越 高, 其 对 电网的影响 范围也 从 局部逐渐扩 大 , 风电 并 网所带来的电压 稳定性 问题 、 暂态 稳定性 及 频 率 稳定性问题 都凸现 出 来。 为 提 高风电 外 送 能力, 改善 风电

4、并 网电能 质量 , 在 风电场设计中 应 采用 先进技术 , 如 :风电场自动 电压控制系统(A VC 、有功功率控制系统、风能 预测系统及其 他 辅助系统, 配 合风电场及 升 压 站 的 动 态 无 功 补偿 设备、 变 压 器 有 载 调压设备、风电机 组自身控制系统, 实 现 风力发电机组和 集 中式 无 功 补偿 设备等 无 功 输出 的 协 调, 对 各双馈 机组的 无 功 指令进 行动 态优 化 分配 , 从而 增 强 风电场 无 功 -电压 调节能力 ; 基 于 风电功率预测的风电场自动发电控 制(AGC 方 案 ,控制风机 出 力, 增 强了 风电系统 的 可 控 性 。

5、通 过 这些 技术手段 ,建立起风电场与电 网系统的良好 沟 通 和 互 动,使风电场 在 保障 电力系 统的调度和 安全稳定 运行中起到 积极 主 动的 作用 。 1风力发电机组的运行特点变 速 恒频 风力发电机组 一个 突 出 的 优 点 是 可以 实 现 有功、 无 功的 解耦 控制, 因此 风电场 在 电力系统中 既可以 作为 有功电 源也 可以 作为无 功电 源 。而 且 , 采用变 速 恒频 发电方式, 可按照 捕获 最大 风能的 要 求 在 风速 变 化的 情况 下实 时 地 调节风力机 转 速,使 之始终 运行 在最 佳转 速 上 ,从而 提 高 了 机组发电 效 率, 优 化

6、 了 风力机的 运行 条件 ;通 过 控制 桨距 角 , 还 可以 在最 佳 处理 水 平 的 前 提 下 控制机组有功 输出 , 来 满 足系统调 度的 要 求 。 本文 以 目前 主 流 的 变 速 恒频双馈 风力 发电机组 为 例 , 分 析 变 速 恒频 机组的有功和 无 功 功率控制能力。1.1有功功率调控能力分析当 风速 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 如下 图 所 示 : 图 1 功率转速特性曲线可以 看 出 , 在

7、同一个 风速 下 ,不 同 转 速 会 使 风力机 输出 不 同 的功率, 要 想追踪 P opt 曲线 , 必 须 在 风速 变 化时及时调 整 转 速 r , 保 持最 佳 叶尖 速 比 。在 风速 超 出 额 定 风速时, 风电机组 受 功率 输 出限 制, 需 要 控制 桨距 角 来 维持 风电机组机 械 功 率不 超 出 其 额 定 功率, 从而 保 护 风电机组不 会 过 载 及 避免 风电机组机 械损坏 的 危险 。 同 时控制 桨距 角 , 可以 在最 佳 出 力 水 平 的 前 提 下 控制机组有 功 输出 ,来 满 足系统调度的 要 求 。1.2 无功功率调控能力分析双馈

8、机组具有发 出无 功功率的能力, 其 无 功 功率 极 限范围随 着 风速的 增 大 而 缩小 , 当 风力发 电机组 输 入风速 超 过 额 定 转 速, 发电机 进 入 恒转 速和 恒 功率运行 状 态 时, 机组的 无 功 极 限 基 本不 变 ,发电机的 无 功调节能力 明显 下 降 。 目前 双馈 异 步风力发电机组的 无 功功率控制 策略 主要 包 括 :恒 功率 因 数 控制、 恒 端 电压控制、 最 优补偿 控制。(1 恒 功率 因 数 控制。 当 小 规模 风电场 接 入电网, 风电场 输出 功率 变 化 对 电网的影响 可以 忽略 , 此 时 通常采用 恒 功率 因 数 控

9、制 模 式。 在实 际 中, 通常采用单位 功率 因 数 控制,设 定 整 个 风 电机组与电网不 交换 无 功功率(功率 因 数 为 1。 (2 恒 端 电压控制。 当 风电场 规模较大 或 接 入 弱 电网时, 风电场 输出 的功率 随 风速 波 动 容 易造 成接 入点电压 波 动, 严重 时导致电压 水 平 越 限 , 危 及风电机组的 持 续 并 网运行。所 以需 要采 用 恒 端 电压控制, 以 接 入点电压 为 控制 目标 , 通 过改 变无 功功率的 输出 , 实 现 闭环 控制,从而 维 持接 入点电压 稳定 , 提 高电能 质量 。(3 最 优补偿 控制。 当 风电场 接

10、入 强 电网 时, 为了 充 分 发 挥 风电场的 无 功调节能力, 以 接 入点 邻近 负 荷 的 无 功 需求 、 电网 过 剩 无 功功率 吸 收或 以 降低 发电机自身 损耗 为 控制 目标 , 提 出了 考虑 无 功功率 极 限 和所 接 入电力系统 实 际 运行 方式的动 态 无 功 最 优补偿 控制方式。2风电场安全与调度自动化系统双馈 风力机组、 直驱 风力机组具有 连续 的有 功、 无 功调节能力。 随 着 这些 机组的 普 及,风机 本身的调节能力 可 使风电场 成为 有 潜 力的 优质 电 源 。而 且 , 近年 来 伴 随大 容量 电力电 子 技术 的 日趋 成 熟 ,

11、 变 速 恒频 风力发电系统 将 电力电 子 技 术 、 控制 技术 和 微 机 信息处理 技术 引入到发电机 控制中, 极 大 的 改善 了 风力发电系统的运行特 性 。所 以 , 综 合 利用 好风电机组自身 优 势 成为 风 电场 安全 与调度自动化系统设计的 关键 。目前 , 在 风电场机组 协 调控制、调度自动化 中 应 用较为 广泛 的系统 主要 包括 :自动电压控制 系统 (AVC 、 功率控制系统、 风电功率预测系统。 下面对 各 个 系统 进 行 详细介绍 。2.1自动电压控制系统电压 -无 功控制 是 风电场调度 最 关 心 的 内 容 之 一 。风电场电压 -无 功调节特

12、 性 的 复杂 性 和不 同 风力发电机组 无 功控制系统的多 样 性 , 都 要 求 有 一 套完 善 的 协 调控制系统来 充 分 发 挥 变 速 恒 频 风机自身的 无 功调节能力, 实 现 风电场 连续 的 无 功调节。 AVC 是 风电场 适 应 电网 需 要 与 提 高 自身 管 理水 平 的 双 重 需 要 。风电场自动电压控制系统(AVC 是 一个在 现 有风机 SCADA 与 变 电 站 SCADA 基 础 上 , 利 用变 速 恒频 风电机组自身 无 功调节能力, 实 现 自 动 闭环 、 协 调控制风电场所有的 无 功 /电压调节 设备(包括 :有 载 调压 变 压 器

13、、 集 中 无 功 补偿装 置 和 变 速 恒频 风力发电机等 ,从而 满 足风电场 并 网 综 合 需求 的监控 管 理 系统。中国风电场 一 般 采用 集 约 式 开 发 模 式, 风电 场 配 套 建设 升 压 变 电 站 , 就 地 升 压 后通 过 中 /高 压 输 电网 络 将 电能 输 送 到系统 变 电 站 。 由 于 风电 场本 地 电网 负 荷 一 般 较 少 , 各类 电压 /无 功控制 措施 主要 针 对 PCC (风电场 并 网点和 公共 电网 连 接 的 第 一 落 点 实 施 。风电场自动电压控制系统 的 目 的 是 利用最 小 的调节 成 本, 在 保 证 电压

14、 安全 的 前 提 下 ,使风电场 PCC 的 无 功电压 水 平 处 于 预 期 的 U-Q 区 域 。综 合 考虑 风电场的 各 种 无 功电压控制 手段 , 可以 将 风电场自动电压控制系统(AVC 划 分 为 3层 结 构 。 顶层 是 风电场 内 部 、风电场与电网 协 调 决 策 模 块 , 根据 系统调度 要 求 及 PCC 的 无 功 电压 水 平 协 调风电机 群 与 集 中 无 功 补偿 设备的 控制 量 , 通 过 控制和 分配 策略 , 分 别 给 出 风力发 电机 群总 无 功 补偿量 、 无 功 补偿 设备 总 无 功 补偿 量 和 变 压 器 挡 位 调 整 量

15、等 ; 中间 层 是 风机 群决 策 模 块 , 在接 到 上 层 调控 指令 后 根据每台 机组 当 前 不 同 运行的 状 态 和 相 应 的 无 功 极 限范围 , 将 风力 发电机 群 的 总 补偿量按 一定 的 优 化 原则 , 在 所有 参 与 无 功电压调节的 可 控风力发电机间 进 行 分 摊 ; 底层 是 风力发电机 现 地 控制 模 块 , 由 各 风力 发电机 变 频器 控制系统 在 其 无 功 可 控 域 内 进 行 恒 功率 因 数 控制 或 恒 无 功 输出 控制。风电场 接 入电力系统 技术 规定要 求:风电场 应配 置 无 功电压控制系统, 具备 无 功功率及电

16、压 控制能力 ; 根据 电网调度 部 门 指令 ,风电场自动 调节其发 出 (或吸收 的 无 功功率, 实 现 对并 网 点电压的控制 ; 其调节速度和控制 精 度 应 能 满 足 电网电压调节的 要 求 。 在 AVC 系统的 三层 结 构 中, 风力发电机 无 功控制 主要 由 风机控制系统来实 现 ; 风力发电机 群 无 功 分 摊决 策 、风力发电机 群 与 集 中 补偿 设备的 协 调 策略 是 AVC 系统 研究 的 重 点。 AVC 系统 是 一个 多 目标 、 多系统 协 调 优 化控制 过 程 , 需 要 风电场本 地 升 压 站 综 合自动化 系统、风电场监控系统、风电场自

17、动控制系统和 无 功 补偿 设备 共 同 完 成 。 需 要 根据每 个 风电场机 型 选 型 的不 同 、 补偿 方式的不 同 ,制 定出 符 合 每 个 风电场 实 际状 况 的 无 功 源 设备 协 调控制 策略 。 风电场的具 体 控制 目标 由 风电场本 地 AVC 控制 系统 实 现 , 作为 风电自动电压控制系统 最 高 决 策 层 的 AVC 系统 站 直 接 从电力系统 省 /区 调的 数 据 采 集 与监控 实 时 数 据库 获 取 各 风电控制 区 域 以 及 各 风电场的电压 无 功 数 据 , 合 理整 定 目标 风电 场 PCC 的 U -Q 可 行 域边界 ,从而

18、 修正 目标 风 电场 母 线 控制电压设 定 值 及 各 风电场的 无 功 输 出 , 同 时 配 合 区 域 内 变 电 站 及电 厂 进 行电压 无 功 协 调控制。2.2 有功功率控制系统风电场 接 入电力系统 技术 规定要 求:风电场 应配 置 有功功率控制系统,具备有功功率调节能 力 ;接 收 并 自动 执 行调度 部 门 远 方发 送 的有功功率 控制 指令 , 实 现 对 其有功功率 输出 的 连续 平 滑 控 制 ; 确 保 风电场有功功率 值 及有功功率 变 化 值 不 超 过 电网调度 部 门 的给 定 值 。风电场有功功率控制, 主要 涉 及风电场有功功率 变 化 限

19、值 、 紧急 控制。 在 风电场的 实 际 控制 环 节中, 有功功率控制 系统 采用 类 似传 统 AGC 的 遥 调方式, 根据 风电机 组自身的有功功率控制特点, 将 风电场的有功 指 令 合 理 优 化 分 摊 , 自动控制风电场 每台 机组的 出 力, 在 确 保 电网 安全稳定 运行的 前 提 下最大限 度 地 提 高风电场的有功 输出 , 力 争达 到风电场机 群 出 力 整 体 最 优 化的 目标 ; 此 外 , 还 可以 通 过 遥 控 方式 投 切 馈 线 开 关 , 实 现 风电机组的 启停 控制, 可 用于 紧急 情况 。大型 风电有功 智 能控制系统 包 含 调度中

20、心 站 、控制 主 站 、风电场控制 子 站 及风机 现 地 控制 等 部分 。其中,调度中 心 站 根据 风电场功率预测 系统 上 传 的短 期 风电功率预测 数 据 、 联络 线 计 划 、短 期 负 荷 预测 数 据 ,计及 安全 约束 、节能、 环 保 等 因 素 , 考虑 风电功率预测系统的 误差 , 实 现 预测的风电功率、电 量 参 加 发 供 电 平 衡 。控制 主 站 将 调度中 心 站生 成 的 各 个 受 控风电场的 允 许 最大 有功功率发电 曲线 下 发到 相 应 的风电场 执 行, 在 抵消 风电功率、 负 荷 预测的 误差 和电网 运行方式 变 化所带来的不 利

21、影响的 前 提 下 尽 可 能多 地接 纳 风电。 风电场有功功率控制 子 站 作为 风电有功控制 执 行 站 , 能 够实 时监测风电场 各 风 机的 出 力, 并 根据 控制 主 站 下 发的风电场计 划 曲 线 和 实 时 指令 , 按各 台 风机不 同 的运行 状 态 自动 分配 每台 机组 出 力, 实 现 最 优 化控制, 保 证 切 机 台 数 最 少 ;并实 现 超 发 告 警及 超 时 超 发 切 机功 能。2.3 风电功率预测系统风力发电具有间 歇性 、 随 机 性 和不 可 控制的特 点, 为了 保障 电网的 安全稳定 运行,电网 需 要 预 留 风电 最大出 力的备 用

22、 容量 来 平 衡 风电的 波 动。 当 前 我 国的风电 比例 相 对较 小 ,电网 还 有能力 应 对 , 但 是 随 着 风能 规模 的不 断 扩 大 , 以 及 未 来 海 上 风电的 发展,电网的 主 动 性 将 逐 步 降低 。所 以 , 在 风电场 建设中有 必要 引入风电功率预测系统, 并 不 断 提 高 预测 精 度, 尽 可 能 减 少由 于 风电 接 入 对 系统调 峰 容 量 的 增量需求 ,从而 提 高电网运行的经 济 性 及电网 接 纳 风电的能力。风电功率预测系统能 够采 集 风机、测风 塔 、风 电场功率、 数 值 天气 预报、风电场本 地 风电功率预 测结 果

23、 等 数 据 。系统 可 根据 风电场所 处 地 理 位 置 的 气候 特 征 和风电场历 史 数 据 情况 , 采用 物 理 方 法 和 统计方 法 相 结合的预测方 法构 建特 定 的预测 模型 进 行风电场的功率预测。 目前 应 用 的风电场功率预 测系统 采用单 机系统 配 置 ,功率预测 服务 器 完 成 数 据 采 集 、 数 据 处理 、统计 分 析 、预测建 模 、功率预 测、 数 据 存 储 、 数 据 接 口 、 图 形 生 成 显示 、报 表 制 作 打印 等 全 部 系统 应 用 功能 ; 同 时 根据 风电场 接 入 电力系统 技术 规定要 求:风电功率预测系统 可以

24、 向 电网调度 传 送 风电功率预测结 果 ,风电场 每 15min 自动 向 电网调度 部 门 滚 动 上 报 未 来 15min 4h 的风电场发电功率预测 曲线 , 预测 值 的时间 分 辨 率 为 15min ; 风电场 每 天 按照 电网调度 部 门 规定 的 时间 上 报 次 日 024 时风电场发电功率预测 曲线 , 预测 值 的时间 分 辨 率 为 15min 。通 过 风电功率预测系统的预测结 果 ,电网调度 部 门 可以 合 理 安 排 发电计 划 , 减 少 系统的 旋 转 备 用 容量 , 提 高电网运行的经 济 性; 提 前 预测风电功率 的 波 动,合 理 安 排

25、运行方式和 应 对 措施 , 提 高电网 的 安全性 和 可 靠 性;对 风电 进 行有 效 调度和 科学 管 理 , 提 高电网 接 纳 风电的能力 ; 指 导风电场的 消 缺 和计 划 检 修 , 提 高风电场运行的经 济 性 。3 设计与应用根据 电力系统调度 管 理 规 程 规定 :凡 是 并 入电网运行的发电 厂 所 属 设备, 按 统 一 调度、 分 级 管 理 的 原则 , 由 接 入电网所 在地区 的电力调度所 实 施 统 一 调度 管 理 。风场 升 压 站 参 照 该 条例 及调度 规 程 , 按 电网调度自动化的 总体 要 求配 置相 应 的调度 自动化设备。实 现 风电

26、场调度控制系统的自动化、 全面 化和 智 能化 是 风电场 融 入电网 管 理 体 系的 关键 。 优 化 后 的风电场调度自动化系统 将 风电场 内 所有设备组 织 成一个 有机 整 体 , 即 可 实 现 有功功率控制、电压 -无 功控制、 风电功率预测, 还 能 够通 过 风力监测和 报警系统、发电报 价 辅助 决 策 系统、电力 市 场 交易 终 端 系统等辅助系统 进 行发电与 检 修 计 划 安 排 等 高 级 应 用 功能。 通 过 响 应 电网的调度 需求 、报 送 风 电场运行 状 态 实 时 数 据 ,使风电场 成为 电网的 一个 可 预测、 可 调节和 可 靠 的电 源

27、。在实 际 风电场自动化系统的设计中,风电场调 度自动化系统结 构 图 附 图 1所 示 :4 结论风电间 歇性 和 随 机 性 的特点, 增 加 了 电网调度 的 难 度 ; 而 区 域 电网的调度能力 受 到多方 面限 制, 无法 保 持 与风电 一 致的 增 长 速度 ;同 时,网 内 消纳 和 外 送 风电的 各 种 技术 方 案 , 一定 程 度 上 还 面临 着 因 政 策 缺失 而带来的不 确 定性 。 因此 , 更 加完 善 的 风电调度自动化系统 成为 目前 解 决 问题 的 关键 ,电 网 企业 和风力发电 企业 要 积极转 变 认识 , 积极 采 取 应 对 措施 接 纳

28、 和合 理 开 发风电。作为开 发风能的发电 企业 , 在 风电场建设中 根 据 政 策 和电网 接 入系统的 要 求 , 正 在 积极 采 取 应 对 措施 , 通 过 合 理 的 配 置 新 型 的调度自动化系统使风 场能 够 更深 度的 参 与到电网的调度中 ;并 配 合风机 制 造 厂 家 不 断 改善 的风机控制调控能力和 低 电压 穿 越 能力, 提 高风电场的 综 合 并 网 性 能。本文 介绍 了 目前 风电场自动化设计中 用于 优 化风电场 并 网和调度控制能力的调度自动化系统 设备 :AVC (自动电压控制系统、有功功率控制 系统、风电功率预测系统。结合 风电场 接 入电力

29、 系统 技术 规定 , 对 各 个 系统的结 构 和 主要 功能 进 行 总 结, 为 风电场 规 划 、 可 研 和 施 工 设计 工 作 提供 参 考 。附图 1 :参考文献:1 李俊峰 , 施 鹏飞 , 高 虎 . 中国风电发展报 告 2010M. 海 南 出 版社 , 2010.2 叶 杭冶 . 风力发电机组的控制 技术 M. 北京 : 机 械 工业 出 版社 , 2006.3 刘 其 辉 , 贺益康 , 赵仁德 . 交流 励磁 变 速 恒频 风力发电 系 统 的 运 行 与 控 制 J. 电 工 技 术 学 报 ,2008, 23(1: 129136.4 迟永宁 . 大型 风电场 接 入电网的 稳定性问题 研究 D. 北 京 : 中国电力 科学 研究 院博士 论文 , 2006.5 D. Santos-Martin, S. Arnal