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风力发电有功功率管理研究

发表时间：2020/3/3 来源：《电力设备》2019年第20期作者：王敏张玉芝

[导读] 摘要：随着人们生活水平的提高，对电力的需求量不断增加，风力发电场的增加，为了更好的响应电网调度对风电场有功功率的实时管理，需要风电场每台风机能够实时自动响应风电场SCADA系统对有功功率的调配。

        (中车永济电机陕西西安 710000)
        摘要：随着人们生活水平的提高，对电力的需求量不断增加，风力发电场的增加，为了更好的响应电网调度对风电场有功功率的实时管理，需要风电场每台风机能够实时自动响应风电场SCADA系统对有功功率的调配。因此需要风力发电机具有功率管理功能。介绍一种风力发电机功率管理功能的设计。
        关键词：风力发电;风机控制;功率管理
        引言
        随着经济的发展和社会进步，人们的生产生活对能源需求量越来越大，开发利用新能源势在必行。作为一种可再生能源，风能在国内有着广泛的分布范围，开发和利用难度不大。除此之外，利用风能进行发电不会对环境造成污染，其成本也比较稳定可控，应用前景十分广阔。目前国内针对风力发电已经进行了一定研究，风力发电的研究范围包括制造发电机、控制风机等。要想确保风力发电效果达到最佳，必须深入研究风力发电控制技术，包括控制风轮、变压器、发电机和风力发电系统无功补偿等。文章主要探讨风力发电及其控制技术的新进展。
        1风电场功率管理
        在连接到电网中的风电场所发出的功率受调度的统一管理，电网调度根据电网运行情况，将各个风电场需要生产的有功电量值和无功电量值下发给各个风场。风场在收到指令后，控制风机的运行状况，来调整整个风电场的有功电量和无功电量的生产。
        目前各个风场的情况不同，采用的方法也不尽相同，有的风场SCADA(supervisorycontrolanddataacquisition)监控中心不具备AGC(AutomaticGenerationControl)，只能采取人工控制的方法，即当电网调度限制风场总出力时，人为通过风场SCA-DA系统判断风机当前风速及各风机的运行状态，手动操作下发指令，使风机停止运行来控制整个风电场的有功功率的输出。这样给带来风电场的运维人员带来很大工作量，且不能很准确有效地控制风电场有功功率，若不及时还会遭到调度处罚，极为不便。
        目前大部分的风场SCADA监控中心都具备AGC功能。AGC系统的工作原理也不尽相同。在这里介绍一种AGC的控制方法，它是通过与SCADA系统交互，得到当前各台风机的有功电量、无功电量的输出、风速等情况，然后结合有功功率的给定值综合判断后，将总的有功功率的给定值分散分配给各个风机。
        此时，需要风机主控制器具备功率调节功能，相应SCADA的调度指令，能够根据AGC的有功设定值，精准的自动调节各风机的有功输出电量及无功功率补偿。其大体流程如下。1)电网调度:根据电网承受能力调节，为控制整个电网潮流稳定，需控制接入电网各风电场的有功出力，下发功率指令。2)风场监控中心及AGC系统:运维人员通过接收调度下发有功出力指令，手动输入或自动接入网调系统，实现AGC系统的控制输入。AGC系统根据各台风机当前的有功出力、风速、风功率预测等数据进行计算，计算结果通过风场环网通信下发至各台风机主控器，主控器通过AGC系统下发的功率指令进行相应的有功和无功调节，最终达到电网调度设定值。3)单台风机系统:单台风机系统从风场环网接受到的出力指令，进行功率调节，通过变桨和速度调节，使单台风机功率稳定在设定值附近。
        2风力发电控制技术分析
        2.1风轮控制技术
        要想风力发电系统的转化率达到最高，必须尽可能降低风能在获取过程中的消耗量，就风轮而言，其控制技术主要包括风力发电及其控制技术新进展探究以下几种。
        2.1.1叶尖速比控制
        在风力作用下，风轮的风叶尖端的转动线速度就叫做叶尖速。而叶尖速比就是指叶尖速和该时间段风速的比值。叶尖速比控制方法就是通过对叶尖速比值进行有效控制，以此优化风机系统。

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考虑到风速不同，并在此基础上确定最佳叶尖速比，由于无法调节和控制自然风的速度、风力大小，因此，要想实现控制功能，必须对叶尖速进行调整和改变，包括对风轮转矩进行调整，以此调节风轮最外边缘的速度，从而优化叶尖速比。
        2.1.2功率信号反馈控制
        通过该方法来控制风轮的功率信号。在风轮运行过程中，其功率会随着条件的改变而改变，这是功率信号反馈控制方法的应用基础。通过分析功率关系进行最大功率曲线的绘制，在此基础上进行后续操作。在具体实践过程中，将最大功率和进行系统实际输出功率分析比较，获得二者差值，然后据此调整风轮桨矩，确保风轮运行功率达到最大。这一方法可以有效降低控制成本，但是值得注意的是，在风机日常运行过程中，最大功率曲线的获取是一项技术难题。
        2.1.3爬山搜索控制
        通过该方法对风机的功率点进行控制，其图像形似抛物线，最高处即为最大功率点。如果对当前工作点位置不能确定，可适当增加风轮转动速度，以此改变系统输出的直流功率，当系统输出的直流功率加大时，最高点在抛物线左侧，反之在右侧。利用该方法能够将最大功率点及时找出，在此基础上确定风轮转速。然而，如果风轮在转动时存在较大惯量，其转速很难改变，这是该方法的主要缺点。
        2.2电力电子变换器控制技术
        在风力发电系统中，其电力电子变换器必须具备下列特征：具有较广的使用面，能够在大型风力发电系统中得到高效应用；在对风能进行转换时，具有较高的能量转换率，在转换完成后，还要具有较高的传输效率；能够对无功功率进行有效条件，实现功率因素的改善；具有较高的可靠性和安全性能。在确保运行效率较高的同时，具有大范围功率；设备成本不高，经济合理等。在风电系统中使用PWM整流器，可以对系统最大功率进行有效控制。在使用整流器时，采取矢量控制方式能够将有功功率与无功功率之间的耦合解除，确保得到的无功功率满足运行要求。除此之外，PWM整流器还能确保有功功率的输出量达到最大，通过对直流环节进行设置，从而有效调节风电系统的无功功率和有功功率。
        2.3无功功率补偿
        受感性元件影响，电力系统中的无功功率会产生消耗现象。当电压通过感性元件时，由于仅仅是无功功率出现消耗，感性元件两端的电压不会产生变化，如果存在较高电压，感性元件会有大电流通过，可能会损坏元件设备。这种情况下，应当对风力发电系统进行无功功率补偿，对谐波作用进行抑制。电容投切法在无功功率补偿中有着广泛应用，但是该方法也存在一定缺点，例如：如果在相同时间内投入的电容容量过大，会导致电压波动产生。
        结语
        综上所述，社会经济的发展带动了电力行业的发展。作为国家重要的基础性行业，电力行业不仅直接关系到人们的生产生活，而且对国民经济发展有重要影响。近年来，国家加大了对风力发电的资金和技术投入，风力发电取得了显著成就。由于风电具有环保清洁、易获取、成本低等特点，其应用前景十分广阔。随着科学技术的进步，风机控制逐渐向着智能化、自动化方向发展，加强风力发电技术研究、开发与应用，能够大大提高风力发电系统工作效率和工作质量，进而实现风能利用率的增加，推动电力行业可持续发展。
        参考文献:
        [1]张先勇，吴捷，杨金明．基于自抗扰解耦的变速恒频风力发电功率控制系统［J］．电气传动，2007，37(2):8－11．
        [2]邓文斌，王维庆，刘磊，等．基于模糊PID的风力发电功率控制研究［J］．电力学报，2013，28(1):40－43．
        [3]冀飞莺，郭政建.风力发电及其技术发展研究[J].企业技术开发，2016（2）：15.
        [4] 程启明，程尹曼，王映斐，等.风力发电系统技术的发展综述[J].自动化仪表，2012（1）：1.