【风电场功率控制系统分析】海上风电项目
时间：2019-04-13 04:24:01 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要 随着新能源技术尤其是风能技术的发展，越来越多的风电场被筹建。随之而来的就是对大电网的日益明显的影响。2011年初甘肃酒泉发生的大范围风机脱网事故，使得对风电场的安全稳定运行要求提高。要求风机具备低压穿越功能，网调能够对风电场进行功率控制。本文分析了一种基于主控系统的功率控制系统，通过PLC中央控制结合应用多种模块（如：测量、通讯、I/O模块等）和完善的通讯功能实现对整个风电场的功率控制。本文以1.5mW双馈异步型风力发电机为例进行分析，并分别研究了功率控制系统与电网、风机之间的接口关系，详细分析了控制系统的功能和原理，为读者提供参考。
关键词 新能源；脱网；PLC；主控系统；风力发电机；功率控制
中图分类号TM315 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）69-0034-02
0 引言
随着电力电子技术与通信技术的发展，自动化控制在风力发电机的主控系统中的应用已经相当成熟了。在广泛应用的1.5mW双馈异步风力发电机电控系统中，通过主控控制的变桨、偏航、调速等方式已经可以很好的控制风机的功率输出，风力发电机整机控制技术已经完善。
然而，在多年的风电场运行中仍然暴漏出许多不可以忽视的问题：小故障引起的大范围脱网事故、风机的弃风小时数、电网容量有限等。在2011年初，甘肃酒泉发生超过五百台风力发电机组脱网严重事故[1]，这对风力发电机组的稳定性提出了更高的要求。随即电网公司会议决定对风电提出新的要求，未具备低压穿越功能的风机必须具备穿越功能，风电场也必须具备功率控制功能。本文研究了以单台风机主控系统为基础的功率控制方案。
1 风机主控系统概述
风力发电机组的主控系统是风机的核心。主控系统控制风机的一切动作，包括变桨、偏航以及变频器的控制。分为控制单元、传感器单元、执行单元、总线系统。主控系统以PLC控制器为核心，实现风力发电机的过程控制、安全保护、故障检测、参数设定、数据记录、数据显示以及人工操作。主控系统是功率控制系统能够实现的前提，是实现有功无功输出调节的工具。
2 功率控制系统功能要求
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和无功，使得风电场也能和传统发电站一样参与电网的控制。该系统以风电机组主控为控制单元，发出控制指令。风电场功率控制系统必须具备以下功能：
1）具备基于多种通讯协议的通讯功能，一方面通过通讯方式将风机的理论出力值发送到功率控制系统中，另一方面能够将理论值上传到调度部门（如果是风电场内部控制，则应该传送到风电场的SCADA系统）。反之也能够接受调度下发的限制指令；
2）具备强大的计算处理功能，能够将风力发电机组分散的理论出力，累计成以风电场为单元的总的有功输出值，能够结合整个风电场实际的有功或无功输出值进行PI控制；
3）本地控制功能：即功率控制系统不仅仅能通过远程通讯功能对风机进行控制，也应能够通过本地方式进行控制，控制方式可以是数字量或者模拟量，也可以使用Modbus总线形式，还可以以TCP协议方式等；
4）采集功能：功率控制系统应该具有采集整个风电场实时的有功功率或无功功率的功能。通过测量模块连接电流互感器二次侧。测量电流可以在变电站高压侧得到整个风电场的总电流，也可以分别测量单个集电线路的电流再汇成总电流。测量模块连接电压互感器的二次侧即可得到风电场的电压值；
5）智能分配功能：风电场功率控制系统接收调度下达或者本地下达有功或无功输出设定指令，根据风机台数进行平均分配。或者不采取平均分配原则，即按照单台风机的理论值的比例进行比例分配。当单台风机故障时也能自动排除故障风机的影响，使风场总的出力满足调度的要求；
6）辅助功能：显示功能、报警功能、记录功能等必备的其他功能。
3 功率控制系统的控制理论
功率控制系统的控制理论如图1所示：
图1以两台风力发电机组为例进行分析。图1中矩形框中表示功率控制系统的主要逻辑功能，图的左侧为调度。调度可以为电网调度也可以为风场调度。图的右侧为风机，为了方便理解，假设两台风机组成一个风力发电厂。
风力发电机组与功率控制系统的数据交互主要有3种，即单台风机的理论出力值和实时出力值，同时功率控制系统向风力发电机组的主控系统下达有功无功输出指令。而功率控制系统与调度之间的交互即为理论值的上传和指令下达。
功率控制系统中具备中央控制模块，如PLC进行理论功率累计、实际功率计算、相位角计算、PI控制、分配指令等工作；具备通讯模块和对外通讯的交换机、采集模块能够采集电压电流值；还应该具备I/O模块。当供电中断时应该具有UPS备用电源。
功率控制系统软件应有风场控制应用程序、风电场监视应用程序和各种通讯协议程序。
4 接口之间关系
接口关系包括功率控制与风机的接口关系、功率控制系统与调度之间的接口关系。
风电场的电压电流值，首先经过电压互感器和电流互感器，将实时测量值引入功率控制系统中。是完全的电信号接口关系，可以采用电缆连接。风机的理论值是通过安装在风机上的风向标、测速仪测量，经过建模计算得出的功率曲线。功率曲线数据通过通讯的方式传送到功率控制系统中，每台风机配置一台数据交换机，采用光纤方式与功率控制系统内的交换机连接成闭环，从而进行数据交换。因为采用光纤通讯所以要求接口为光纤接口。
当功率控制系统跟风电场本地SCADA系统通讯时，可以通过Modbus进行通讯。当功率控制系统与电网调度通讯时，调度不直接从功率控制系统中取信息，而是从本地的SCADA系统中读取，通道的形成还必须经过远动设备和OPC网关。其接口关系如图2所示：
5 结论
风电场功率控制系能，能够实现电网对风力发电机组的限电控制功能。方便了电网对正在运行的风电场的调度管理，保证了电网的安全和稳定。国外知名许多的风机主控生产厂商都以实现了风电场功率控制系统的研发并且市场化。本文对于希望了解风电场功率控制系统的读者来说，起到了帮助分析的作用。
参考文献
[1]叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M].北京：机械工业出版社，2002.
[2]惠晶，顾鑫.大型风电场的集中功率控制策略研究[J].华东电力，2008，36(6).
[3]甘肃风电网.甘肃：大规模风机脱网事故[N].2011-5-9.http://www.省略.
