风电场风电机组优化有功功率控制的研究
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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、AGC
Abstract
With 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 (8)
2.1.4 风力发电机组控制策略 (9)
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 (12)
3.1 风电场有功功率控制的基本要求 (12)
3.2 风电场有功功率工作模式 (12)
3.3 风电场有功功率控制状态 (13)
3.5 风电场实测数据对比 (13)
3.5.1 风电场电气接线 (13)
3.5.2 单台风力发电机组测试 (14)
第4章结论 (17)
参考文献 (18)
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：
(2-1)
式中，
P——风电机组输出功率；
当地空气密度；
——风电机组风能利用系数；
——风电机组风轮半径；
——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：
(2-2) 式中：
——能量传递中的机械能；
——风电机组的扭矩；
——风电机组的角速度。
由式2-1、式2-2得式2-3：
(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，由于当地空气密度和风电机组风轮半径R为常量，因此，风能利用系数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。
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：
(2-4)
tg（2-5）式中：
——理想状态下的气流流入角；
——攻角；
——风电机组风轮桨距角；
——叶尖速比。
根据力平衡，可得：
(2-6)
(2-7)
(2-8) 式中：
——风电机组扭矩系数；
——风电机组风轮迎风面积；
——风电机组风轮半径；
——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和升阻比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和入流角为定值，升力系数将随着攻角i的增大而增大，即升阻比将随着攻角i的增大而增大，根据上式（2-8），风电机组扭矩系数将随着攻角i的增大而增大。其中攻角i、升力系数、升阻比的关系
曲线如图2.2所示。
根据上式推导可得：
=(2-9)
(2-10) 由式（2-10）可知，正比于，风能利用系数随着攻角i增大而增大；由式（2-3）可知，当风速v和风机负载一定时，风机转速随着攻角i增大而增大。由式（2-4）、（2-5）可知，风电机组风轮桨距角随着攻角i增大而减小，综上所述，风机速度随着风电机组风轮桨距角的增大而减小。
图2.2 i、、的曲线关系
2.1.2.2 传动链模型
机械风电机组的传动链一般由风轮、齿轮箱、低速传动轴、高速传动轴和发电机五个部分组成，对于轴系模型在不需要考虑机械强度和应力分布的前提下一般采用分析等效集中质量法进行建模。考虑到齿轮箱动态特性的复杂特性，对传动链系统做等效集中质量法简化，把转动柔性等效至传动轴，从而将齿轮箱视为集中质量块。将齿轮箱和风力机共同等效成一个质量块，将发电机的转子等效成一个质量块，从而建立三质量块模型[7-8]。
风电机组的传动系统中发电机转子和风机转子之间只有一个旋转自由度，且传动系统的扭转刚度大，齿轮箱的所有传动轴都是刚性的，因此采用刚性轴模型[9-10]。综上述建立三质量块刚性传动系统模型如图2.3所示的。
风轮
变速齿轮发电机T wt
J wt
T G ωi
ωh
图 2.3刚性传动系统原理结构图
程可以得到： (2-11)
(2-12) 式中：
——风电机组齿轮箱变速比；
——风电机组发电机转子速度；其中
；
——风电机组发电机电磁转矩；
——风电机组气动转矩；
——齿轮箱齿轮传动效率；
——传动系统低速端总转动惯量；
——传动系统高速端总转动惯量。
其中，传动系统低速端总转动惯量可以表示如下：
(2-13)
(2-14) 式中，
——风轮转子的转动惯量；
——发电机的转动惯量；
——齿轮高速端转动惯量；
——齿轮低速端转动惯量。
风力机组变频器结构和特性十分复杂，相对于传动系统和风力机的动态特性要快的多，因此系统的转换矩源可以由变速发电机替代，对于传动链的研究将发电机模型简化为电磁转矩[11-12]。
2.1.2.3 变桨机构的模型
当风电机组工作时的风速低于额定风速时，变桨机构调节桨叶节距角，保证风电机组风能利用系数恒定为最大值，使风机最大捕获风能，当风电机组工作时的风速高于额定风速时，通过变桨机构调节桨叶节距角，减少叶轮输入功率以
稳定发电机输出额定功率。目前，风电机组变桨距速率和桨距角范围都受工程实际的限制，桨距执行机构为非线性系统且存在死区。但在饱和极限范围内时，变桨距执行机构可以近似被看做线性系统[13-14]。从动力出发，目前的变桨距执行机构主要包括液压驱动和伺服电机驱动。在控制模型特性上都可被视作一阶惯性环节，表达式如式2-15：
(2-15) 式中：
——变桨距执行机构时间常数；
——变桨距角的实际值；
——桨距角的给定值；
无论是采用液压系统还是伺服电机，进行数学模型建立时都会受到限制，所以应该对桨距角的幅值和变化速率进行限幅处理，执行机构的变桨距模型如下图
2.4所示。
τ1s
1? ref ?执行机构速度限幅执行机构位移限幅
图2.4机组变桨距执行结构数学模型 2.1.3 风力发电机组运行特性
单台风力发电机组实现有功功率控制主要有两类情况：
(1) 不参与电网调度
不参与电网调度的风力发电机组通过调节桨距角和发电机转速，保证
风能的最大吸收，安全稳定的输出额定功率。
(2) 参与电网调度
参与电网调度的风力发电机组通过调节桨距角和发电机转速，保证按照指令要求稳定输出功率。
假设为风电场层功率控制模块根据分配策略计算分析后发送的有功功率输出期望值，风电机组根据要求值通过反馈调节系统改变风电机组的桨距角和转矩，是输出功率满足期望值。具体风电机组系统结构图如图2.5所示[15-16]。
风速风力机风力发电机电网
桨距角控制转矩控制交流器风电场控制系
统
风力发电机组功率控制
v ?
PPC T m ωr
T r P iref ωe P out
图2.5风电机组系统结构图
2.1.4 风力发电机组控制策略
风力发电机组的工作状况取决于风速条件，风力发电机组工作在恒风速下时，风力机的输出转矩和发电机电磁转矩相等。风力发电机组工作在变风速状况下时，风力机转速随着风速波动而时刻变化。因此，对于风电机组在不同风速下的有功功率控制需要选取不同的控制策略[17-19]。
(1) 当实际工作风速小于额定风速时，此时的控制目标是获得最大化
风能利用率，使风能利用系数处于最优值附近，图2.5是风机控制过程中的转速-扭矩控制曲线。从图中可以看出，OA 段的风力发电机转矩逐渐增大，A 点为风力发电机并网最小转速点，超过A 点后风力发电机就开始并网发电并输出转矩。AB 段为转速——扭矩控制段,在AB 段过程中，风能利用系数一直处于最大值，转速随着扭矩增大而增大，两者间处于一一对应状态，风机在B 点取得最大转速值。在BC 段，发电机一直处于最大转速状态。从B 到C 的过程中，发电机输出功率随着输出转矩增大逐渐升高，点C 为风力发电机额定功率输出点。
发电机转速（rpm ）发
电
机
转
矩
kNm 0
A
B
C
图2.5 转速-扭矩控制曲线
(2) 当风速超过风电机组的额定风速时，出于机组安全和减小磨损的
考虑，通过风力机的变桨距机构调整风机叶轮的桨距角，使风电机组稳定输出有功功率。此时的转速、转矩都保持额定值，即为C 点值。
2.2 风电场有功功率控制
2.2.1 风电场的基本结构
目前，多环网结构是风力发电厂普遍采用的通信结构。多环网结构是通过通
信控制器对风电场内所有风力发电机组实现综合控制。风电场监控系统通过通信控制器能实时采集风电场内所有风力发电机组的状态信息，包括风速、功率及故障状态等。风电场有功功率控制系统从监控系统获得需要的运行数据，同时将生成的指令传输给监控系统，监控系统通过通信控制器将指令下达至所有风力发电机组以实施[20]。
图2.6为风电场有功功率控制系统基本结构，整个风电场对各个风电机组的有功功率分配、控制依赖于多个系统的协调工作，主要包括有功功率控制系统和监控软件。其中有功功率分配模块负责根据各风力发电机组实时状态数据细化分配电网调度负荷，并为各风力发电机组生成负荷命令。监控软件负责采集风力发电机组实时状态数据，提供给有功功率分配模块使用，并按设定传输为各风力发电机组下达有功功率分配模块生成的负荷命令。
图2.6风电场有功功率控制系统基本结构
2.2.2 风电场的控制策略
风电场的有功功率的自动调节控制将使得风电场作为一个智能的整体接入电网，电网调度中心调度指令执行对象将由单台的风力发电机组变为随机性极大抵消的风电场，大大增强了风力发电并网安全性。风电场有功功率自动调节控制系统的实现将大大减少风电场工作人员的工作量，同时降低了调度中心指令的复杂性。
风电场的有功功率的自动调节系统的外部输入信号一般分为4个部分，分别
为：①电网调度层给定的调度指令（出力参考曲线）；②风电机组的风速信息；③风电机组的运行状态信息；④风电场并网点的有功功率。风电场有功功率控制系统框图如图2.7所示，整个风电场层有功功率控制系统的控制期望值根据电网调度层给定的调度指令（
）确定，差值计算器通过功率预设值计算模块计算的功率预设值（）与风电场实际输出功率（）形成整个风电场层的有功功率控制差值（），功率分配模块通过超短期预测值模块、机组状态信息充分考虑机组运行工况和超短期预测功率，确定每一台风电机组控制器应设定值。通过风电机组控制器实现风电机组的智能独立调节，跟随功率分配模块的各设定值。风电场的实际输出功率和期望输出功率的差值通过功率补偿计模块作用于功率分配模块进行补偿，最终实现有功功率调度信息的实时准确跟踪。 电
网调度
人
员功率预设值计算
模
块风电机组控制器WT 1WT 2WT 3∑功率分配模块超短期功率预
测模块∑功率补偿计
模块PPC
×-+机组状态信息
风速
机组状态信息
2.7风电场有功功率控制系统框图
第3章风电场内有功功率控制策略
3.1 风电场有功功率控制的基本要求
风电场内实施积极有效的有功功率控制方案，摆脱传统的选择控制切机方式，形成优化的有功功率自动控制方式，既减轻了电网的有功/频率调整压力，也实现风电场内风能的最大利用。从整个电网角度看，进行有功功率自动控制的风电场极大地提高行为可预测性和状态可控性，成为一个可靠性较强的发电单元，能够按照电网下发的出力参考值曲线对风电场有功出力进行调整，满足调度指令。同时也可以配合电网进行紧急控制，维护整个电网的安全稳定运行。从风电场内部看，进行有功功率自动控制的风电场的有功功率自动控制设备就是一个小型有功调度中心，根据电网侧的出力参考曲线，结合各个风力发电机组实时工作状态，细化出力参考曲线，进行有功功率分配下发工作，在满足电网调度的同时实现风电场的安全经济高效运行。综上所述，风电场有功功率控制要满足以下几个方面的功能要求：
(1)依据调度中心站下发的出力参考曲线等，对风电场内所有风力发
电机组进行有功出力控制调节，使风力机组更加高效运行。
(2)采集风电场内所有风力发电机组的实时运行数据，形成调度信息
源，为电网调度中心提供决策依据。
(3)当风电场风力大额定工况时，风电场有功功率模块能够依据风功
率预测系统的预测数据进行加出力申请，使风电场的风能资源得到最大
化的利用。
3.2 风电场有功功率工作模式
风从电网运行角度进行风电有功功率控制，难以像火电、水电等常规电源一样做到随时按照电网调度的要求在指定出力下运行，而且为了有效利用风能资源，必须尽可能保证风电机组出力的最大化。因此，风电场有功功率控制主要有以下2种模式：
(1)最大出力控制模式。即在保证电网安全稳定的前提下，根据电网风电接纳能力计算风电场最大出力限值，风电场出力低于限值时处于自由发电状态(爬坡速率必须满足要求)，若超出风电场最大出力限值时，有功功率控制进行限出力控制，以达到风电出力最大化与风电场之间风能资源优化利用的目标。
(2)功率增率控制模式。对风电场有功功率变化率进行限制，可以用在需要
对输出功率变化率有要求的风电场。该模式运行时，风电场的输出功率在每个控制周期的变化大小必须在给定的斜率之内，且风电场的整体输出功率应该在满足斜率的前提下尽量跟随风电场的预测功率。功率增率控制模式是为了避免风电场的输出功率变化过于频繁和变化过大，从而保证整个电网的输出功率稳定。
风电场有功控制模式既可单独运行，也可组合运行。风电场控制模式的组合运行，是为了满足电网调度机构对风电场输出功率的多方面要求。
3.3 风电场有功功率控制状态
3.3.1 现有算法不足
风电场现有的有功功率分配算法是根据风电机组的额定容量，按照额定容量大的机组分配有功多的原则进行指令分配。该方法在风速大幅波动的情况下，通过其得到的风电有功调控指令也会发生大幅波动。对于单台机组而言，有功调控指令忽高忽低使其控制系统频繁动作，运行状态切换次数增加，致使风电功率输出可靠性降低。
3.3.2 有功功率控制方法优化
由于现有算法存在缺陷，对阵风扰动造成的功率突变考虑不足。为减小机组出力变化，提出了一种新的优化算法来合理分配调度指令。
新的优化算法根据实时风速预测风电机组最大理论输出功率，按照最大输出功率大的机组分配有功多的原则进行指令分配[21-22]，具体的实现方法是：
式中，表示风电场各可控机组的最大理论输出功率之和，表示第i
台风电机组的组哒理论输出功率，表示第i台风电机组的有功分配系数，
为风电场计划调整量。假如小于最小功率设定值，则直接令等于最小功率设定值。
3.5 风电场实测数据对比
3.5.1 风电场电气接线
风电场的额定容量为49.5MW，整个风电场由33台GE1.5MW的双馈风电机组构成，双馈风电机组均处于自由发电状态：
WT1
WT2
WT3
WT4
电网侧
WT5
WT6
WT7
WT8
WT9
WT10
WT11
WT12
WT13
WT14
图3-1风电场示意图
3.5.2 单台风力发电机组测试
控制程序通过仿真测试后，已经发布了新版本用于风电场试运行。根据3.3.2的变比例分配算法，重新优化了控制程序，同时修正了相关控制参数，提高了系统响应速度。下图3.2与图3.3所示是风电场实测运行数据的对比。
图3.2 风电场单台机有功功率控制运行优化前
a)纵坐标为数值；b)横坐标为时间；c)黄色为实际功率kW；d)红色为调度功率kW；
e)绿色为变桨角度；f)紫色为1秒内平均风速；g)蓝色为30秒内平均风速
黑龙江公司研发基于WAMS系统风电调峰控制系统 加强风电场有功功率控制 发布时间：2010-04-20 点击次数： 黑龙江公司在6座风电场完成WAMS系统风电调峰控制系统改进和完善，并成功进行了远方控制风电场有功功率试验。据了解，黑龙江公司根据国家电网公司《风电场接入电网技术规定》，在4月19日召开的风电控制技术研讨会上提出了有关风电机组频率保护、电压保护、低电压穿越、风电场有功功率控制、电能质量监测、无功补偿装置的技术要求，而WAMS系统风电调峰控制系统即针对其中的风电场有功功率控制的实际应用。 《风电场接入电网技术规定》中要求风电场应具备有功功率调节能力，能根据电网调度部门指令控制其有功功率输出，为了实现对有功功率的控制，风电场需配置有功功率控制系统，接收并自动执行调度部门远方发送的有功功率控制信号，确保风电场最大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。 2008年黑龙江公司通讯调度中心研究开发了基于WAMS系统风电调峰控制系统，通过WAMS和EMS系统获取风电、水电、火电机组出力、联络线运行计划、线路潮流电压等电网运行信息，按照调峰量公平公正分配、风电电量损失最小、风电机组无损伤控制三个原则对风电场实施调峰控制。该系统通过在风电场PMU装置增设控制单元，实时接收省调风电调峰控制主站下发的调峰控制指令，从而智能判断风场的运行工况，并将最终的风机控制指令通过协议传递给风电场本地后台监控系统，利用监控系统完成风机控制动作。这种控制方式需要风机生产厂家开放后台监控系统控制协议，并对监控系统进行改进，目前华锐风电公司、金风科技公司配合黑龙江公司已经在6座风电场完成监控系统改进，并成功进行了远方控制风电场有功功率试验。 为充分发挥黑龙江电网风电调峰控制系统作用，解决人工调度的控制不精确、调整速率慢、工作量大等问题，各风电场、风机生产厂家与黑龙江公司密切配合，逐步完善后台监控系统控制协议开放和改进工作，实现风电场功率优化控制功能。（桑学勇）信息来源：黑龙江省电力公司 EMS - Environment Monitoring System环境监测系统
2014高教社杯全国大学生数学建模竞赛 承诺书 我们仔细阅读了中国大学生数学建模竞赛的竞赛规则. 我们完全明白，在竞赛开始后参赛队员不能以任何方式（包括电话、电子邮件、网上咨询等）与队外的任何人（包括指导教师）研究、讨论与赛题有关的问题。 我们知道，抄袭别人的成果是违反竞赛规则的, 如果引用别人的成果或其他公开的资料（包括网上查到的资料），必须按照规定的参考文献的表述方式在正文引用处和参考文献中明确列出。 我们郑重承诺，严格遵守竞赛规则，以保证竞赛的公正、公平性。如有违反竞赛规则的行为，我们将受到严肃处理。 我们授权全国大学生数学建模竞赛组委会，可将我们的论文以任何形式进行公开展示（包括进行网上公示，在书籍、期刊和其他媒体进行正式或非正式发表等）。 我们参赛选择的题号是（从A/B/C/D中选择一项填写）： B 我们的参赛报名号为（如果赛区设置报名号的话）： 所属学校（请填写完整的全名）：东北电力大学 参赛队员(打印并签名) ：1. 张盛梅 2. 齐天利 3. 孔晖 指导教师或指导教师组负责人(打印并签名)：张杰 日期2014 年 8 月 20日赛区评阅编号（由赛区组委会评阅前进行编号）：
2014高教社杯全国大学生数学建模竞赛 编号专用页 赛区评阅编号（由赛区组委会评阅前进行编号）： 全国统一编号（由赛区组委会送交全国前编号）：全国评阅编号（由全国组委会评阅前进行编号）：
风电功率波动性的分析 摘要 风电机组的发电功率主要与风速有关，由于风的不确定性、间歇性以及风电场内各机组间尾流的影响，使得风力发电机不能像常规发电机组那样根据对电能的需求来确定发电。研究风电功率的波动特性，不论对改善风电预测精度还是克服风电接入对电网的不利影响都有重要意义。 对于问题1a，我们利用MATLAB软件做出了3日内的功率波动图，发现功率的波动曲线上下不断震荡，所以我们采用一段数据来进行分析（即从波谷到波峰再到波谷），利用MATLAB软件拟合工具箱中的dfittool对数据进行曲线拟合，并选出几种较为符合的概率分布，根据对数似然函数值的大小确定最佳的概率分布。 对于问题1b,利用MATLAB软件编程，将数据每天筛选出一个数据，利用SPSS软件对数据绘制P-P图，并与选出的最好的概率分布图作比较，求出其分布参数。 对于问题2，将数据每隔12个数据筛选出一个数据，并用问题1a的方法绘制曲线拟合和概率分布的比较，选出最好的概率分布，并计算每种分布下的数值特征。 对于问题3，首先利用MATLAB软件绘制出时间窗宽分别为5s和1min时的功率波动图，发现两者的概率的波动情况基本相同，分别计算两种情况下的信息波动率以及信息波动损失率，得出结论为两者的波动基本相同，但是时间窗宽为5s时会有局部信息损失。 对于问题4，我们筛选出时间窗宽为1min、5min、15min的数据，并利用MATLAB软件进行曲线拟合以及概率分布的拟合，并计算出每种概率分布下的特征值，用相同的方法求1min和5min时的信息波动率，计算得出信息波动损失率为0.27%。 对于问题5，采用灰色预测模型对数据进行预测。利用5min和15min的功率预测之后的功率走向，并分析方法的优缺点。 论文的创新之处有： 模型中利用MATLAB软件编程的方法进行数据的筛选，可以筛选出任意时间窗宽的数据。 关键词：风电机组；概率分布；功率预测；SPSS
双馈电机风电场无功功率分析及控制策略Reactive Power Analysis and Control of Doubly Fed Induction Generator Wind Farm 哈尔滨工业大学电气工程系徐殿国，郎永强，张学广，马洪飞，Hadianmrei S.R Email: xudiang@https://www.doczj.com/doc/7e12398898.html, 摘要﹕提出一种双馈电机风力发电系统无功极限的计算方法，该方法以双馈电机风电系统的功率关系为基础，考虑了网侧变换器在其功率允许范围内的无功发生能力，系统动态无功极限为定子与网侧变换器的无功极限之和。对双馈电机风电场在强电网无功调节中的应用进行了探讨，提出双馈电机风电场对当地用户进行就近无功补偿的策略，并给出相应的无功分配策略，包括风电场各风机之间以及单台风电机组定子和网侧变换器之间的无功分配原则。双馈电机风电场在实现变速恒频优化运行的同时，充分发挥了风电机组和整个风电场的无功处理能力，使其参与所连电网的无功调节。 Abstract: A method is proposed to calculate the reactive power limit of DFIG (doubly fed induction generator) wind power generation system based on the power relationships of overall system. Considering the reactive power capacity of the grid side converter, total reactive power includes reactive power of both stator and the converter. Reactive power regulation application of DFIG wind farm in the grid has been studied. A reactive power compensation strategy for the local user using DFIG wind farm has been developed and the distribution algorithms of reactive power demand are given which includes that for distribution among DFIG wind power systems in the farm and that for distribution between stator and the grid side converter in one generation unit. With VSCF (variable speed and constant frequency) optimum operation of each generation unit, DFIG wind farm contributes to the reactive power regulation in the grid at its full reactive power capacity. 关键词﹕风力发电；双馈电机；变速恒频；无功功率极限；无功补偿 Keywords: wind power generation system; doubly fed induction generator; variable speed and constant frequency; reactive power limit; reactive power compensation 1引言 随着风电机组单机容量和风电场规模的增大，风力发电机与电网之间的相互影响越来越大。为了保证并网后电网和风电机组的运行效率、安全性和稳定性，风电机组与电网之间的控制问题显得尤为重要[1]。交流励磁双馈电机变速恒频风力发电技术是目前最有前景的风力发电技术之一，已成为国内、外该领域研究的热点。此方案最大的优点是减小了功率变换器的容量，降低了成本[2-4]，且可以实现有功、无功的独立灵活控制[5-8]。 通过控制电网中的无功功率可以对电网电压进行调整[9-10]。由双馈电机风电机组组成的风电场作为重要的无功源，应该在稳定电网电压和补偿无功方面发挥应有的作用。稳定电网电压的方法很多，通过控制中枢点的电压就是其中之一。但要求可控无功功率较大，一般适合大型双馈电机风电场连接弱电网的情况。当双馈电机风电场连接强电网时，由于其发出或吸收无功能力的限制，不能独立承担电网电压的调整。为了发挥其无功功率的调节能力，可以使其参与所连电网的无功调节，缓解电网的无功压力。利用双馈电机风电场发出或吸收无功功率可以对当地无功消耗用户起到就近补偿的作用。通过对双馈电机风电场无功发生能力的分析，选择所连电网中某一节点进行无功控制，可以对该点之后连接的所有用户消耗的无功进行动态补偿。 2双馈电机风电场的功率分析 2.1双馈电机风力发电系统的功率关系 在双馈电机变速恒频风力发电方案中，定子直接接入电网，转子通过交—直—交(AC-DC-AC)变换器与电网相连。交—直—交(AC-DC-AC)变换器由两个背靠背连接的电压型PWM变换器构成：靠近双馈电机转子一侧的称为转子侧变换器，靠近电网一侧的称为网侧变换器。网侧变换器一般运行在高功率因数整流模式，为转子侧变换器提供恒定的直流母线电压；转子侧变换器通过控制转子电流电压，实现双馈电机的变速恒频运行。双馈电机变速恒频风力发电系统功率关系如图1所示。 转子侧变换器 r r 图1 双馈电机变速恒频风力发电系统功率关系 Fig. 1 Power relationships of DFIG variable speed constant frequency wind power system 图中，P mec为风力机输入的机械功率；P s、Q s 为定子发出的有功功率和无功功率；P c、Q c
风电机组功率特性评估 作者:国能日新 一、概念和意义 风电机组功率特性评估是指对已经投产运行的风力发电机组的设计目标进行的系统、客观的分析和评价。通过对机组实际运行状况的检查总结和分析评价，确定是否达到预期目标。 风电机组功率特性评估工作对风电场的建设和发展有着重要的意义。目前风电场存在设计发电量与实际发电量不符的情况。国能日新公司风电场风电机组后评估解决方案通过对风电机组实发功率特性的测试和评估，深入了解风电场设计效益与实际效益之间的差异，找出风电场设计、管理或风电机组自身存在的一些问题，给风电场科学运营以及未来风电场风电机组选型提供有力依据。 二、执行流程 1、数据收集和分析 （1）数据收集 风电机组功率特性评估需收集风电场监控系统中记录的所有风机运行发电数据、现场测风塔数据、当地气候数据以及风电机组的技术文档等资料。 （2）数据分析 检查测风塔原始数据，对其进行完整性和合理性分析，检验出缺测和不合理数据，经过数据净化、再分析处理，整理出一套连续一年完整的逐小时测风数据，进而与风电机组数据进行相关性对比分析。 2、风资源评估 利用风电场并网运行以后的风能资源数据，进行风电场风能要素分析，并与风电场前期可研阶段的数据进行对比分析，总结评估经验，为后期项目开发建设提供支持。 风能要素包括：风速、风向、风功率、空气密度等。 3、功率特性分析 （1）数据净化
在实际发电过程中，风电机组可能人为停机、故障、或者采集缺失、数据错误，因此必须对风电机组的原始数据进行合理性检验和数据净化。通过数据的合理性检验，可以得到基本有效和完整的发电数据，而数据净化可以保证所采集的数据都是可以用于风电机组性能评估的有效发电数据。 （2）数据处理 由于测风塔数据和风机数据记录方式、时标不同的原因，需要依据最大相似度的原则使二者的时间坐标保持一致。此处，将采用最先进的粒子群优化算法对时标进行寻优。保证二者时间坐标的完美统一。 （3）相关性分析 通过上述数据净化及数据处理，再把测风塔数据合理的映射到风机的坐标位置。按照最大相关度方法，对数据进行线性和非线性回归分析，进而得到每台风电机组实际的风资源数据序列，通过与每台机组发电数据在时间轴上对齐，便可得出与风机功率特性曲线极为相近的图形。 （4）曲线生成 通过上述分析和处理获得原始图形。为得到机组的实测功率曲线，必须在原始图形的基础上进行最终的曲线拟合，获得一条完整的功率特性曲线，即体现风电机组实际出力能力的功率特性曲线图。 三、案例分析 1、中广核云南楚雄牟定大尖峰风电场功率特性评估 云南省楚雄州牟定大尖峰风电场位于云南省楚雄州牟定县西南部山地，高程2100~2500m，属于高山地形。现安装33台单机容量为1.5MW的风力发电机组，总装机容量49.5MW。 2、武汉凯迪平陆凯迪风口风电场功率特性评估 武汉凯迪平陆风口风电场一期36台风电机组功率曲线性能测试工程，包括武汉国测诺德10台1.0MW机组和东汽26台1.5MW机组，装机容量为49MW。 通过对风场风电机组实际运行数据进行采集、净化、相关性及数据处理，最终完成全场风能资源综合分析、风电机组可利用率分析、风电机组可靠性及发电量分析，并根据分析结果对风场未来运营提供建议信息。（技术支持：北京国能日新系统控制技术有限公司）
风电场有功自动控制系统研究 王栋 （中能电力科技开发有限公司） 摘要：随着风电在电力系统中装机量的增加，一个功率可控、在控的风电场是未来发展的方向。本文设计并研制了一套风电场有功自动控制系统（AGC）；验证了双馈风电机组的安全有功可调范围及调节速率；提出了AGC的控制策略；开发了相应软件，并进行了整场有功实验。 关键词：风电场；有功；AGC 1.概述 对于相对稳定电力系统来说，输出负荷变化频繁的风电场在并网后给电力系统所带来的冲击影响，会随着风电比例的不断增加而增加。为此，国家电网公司出台的《国家电网公司风场接入电网技术规定》明确规定[1]：风电场应具备有功功率控制系统，能够接受并自动执行电网调度的有功出力控制信号确保风电场最大输出功率及功率变化率不超过电网调度的给定值。 风电场有功控制AGC（Automatic Generation Control）的目的是在风电场侧建立一个面对全风电场的有功功率自动控制系统。在电网没有要求时，每台风机按各自最大出力运行；在电网限负荷运行时，实时监测各风机状态，进行优化计算，分配每台风机出力，实现风电场自动、优化、稳定的运行，满足电网要求。 基于以上背景，研制了有功自动控制系统，目的是利用风电机组本身的可调节能力对风电场的输出有功进行控制，既能够提高风电场的可控性，也能够优化风电场的电能质量。 2.系统结构 风电场有功功率自动控制系统（AGC系统）采用分层模块化的结构，主要包含升压站数据采集模块、风电机组数据采集模块、风电机组控制模块和AGC决策模块。总体技术方案见下图。
图1 系统框图 升压站数据采集模块负责对风电场综合自动化采集数据或并网PCC点CT、PT数据的实时采集，经过处理后将升压站的状态信息传递到AGC决策模块。 风电机组数据采集模块负责对风机SCADA采集数据或直接与各风电机组的CCU（中央控制单元）实时进行通讯，采集其状态信息并上传到AGC决策模块。 AGC决策模块负责接收升压站数据采集模块、风电机组数据采集模块上传的升压站和风电机组的状态信息，生成风电机组有功调节方案并与风电机组控制模块进行通讯。 风电机组控制模块负责与AGC决策模块进行通讯，将AGC决策模块的风电机组有功调节命令传送至每一台需要进行有功调节的风电机组进行执行。 风电场的有功功率分配按各风机的运行状态进行优化计算。根据电网调度要求负荷曲线、自动采集并网点上网出力、综合考虑厂用电情况，设计闭环自适应反馈控制，使并网点出力保持在调度要求，并使尽可能多的风机参加运行，有利于冬季设备维护。 3.系统通讯 风电场并网PCC点电网状态信息的采集，利用风电场变电站高压侧母线上已有的计量表计及电网状态监测传感器来实现，采集的参数为：风电场出口有功功率、无功功率、并网点电压、频率。 风电机组的运行工况信息，通过和现场风机厂商的SCADA系统通讯获得。风机的控制指令由风电场有功功率自动控制系统产生，经过OPC接口和风机SCADA
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、AGC
Abstract With 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
风电功率预测系统功能规范（试行） 前言 为了规范风电调度技术支持系统的研发、建设及应用，特制订风电功率预测系统功能规范。本规范制订时参考了调度自动化系统相关国家标准、行业标准和国家电网公司企业标准。制订过程中多次召集国家电网公司科研和生产单位的专家共同讨论，广泛征求意见。本规范规定了风电功率预测系统的功能，主要包括预测时间尺度、信息要求、功率预测、统计分析、界面要求、安全防护、接口要求及性能指标等。本规范由国家电网公司国家电力调度通信中心提出并负责解释；本规范主要起草单位：中国电力科学研究院、吉林省电力有限公司。本规范主要起草人：刘纯、裴哲义、王勃、董存、石永刚、范国英、郭雷。 1范围 1.1本规范规定了风电功率预测系统的功能，主要包括预测时间尺度、数据准备、数据采集与处理、功率预测、统计分析、界面要求、安全防护、接口要求及性能指标等。 1.2本规范用于指导电网调度机构和风电场的风电功率预测系统的研发、建设和应用管理。本规定的适用于国家电网公司经营区域内的各级电网调度机构和风电场。 2术语和定义 2.1风电场Wind Farm由一批风电机组或风电机组群组成的发电站。 2.2数值天气预报Numerical Weather Prediction根据大气实际情况，
在一定的初值和边值条件下，通过大型计算机作数值计算，求解描写天气演变过程的流体力学和热力学的方程组，预测未来一定时段的大气运动状态和天气现象的方法。 2.3风电功率预测Wind Power Forecasting以风电场的历史功率、历史风速、地形地貌、数值天气预报、风电机组运行状态等数据建立风电场输出功率的预测模型，以风速、功率或数值天气预报数据作为模型的输入，结合风电场机组的设备状态及运行工况，得到风电场未来的输出功率；预测时间尺度包括短期预测和超短期预测。 2.4短期风电功率预测Short term Wind Power Forecasting未来3天内的风电输出功率预测，时间分辨率不小于15min。 2.5超短期风电功率预测ultra-short term Wind Power Forecasting 0h~4h的风电输出功率预测，时间分辨率不小于15min。 3数据准备 风电功率预测系统建模使用的数据应包括风电场历史功率数据、历史测风塔数据、历史数值天气预报、风电机组信息、风电机组及风电场运行状态、地形地貌等数据。 3.1风电场历史功率数据风电场的历史功率数据应不少于1a，时间分辨率应不小于5min。 3.2历史测风塔数据a）测风塔位置应在风电场5km范围内；b）应至少包括10m、70m及以上高程的风速和风向以及气温、气压等信息；c）数据的时间分辨率应不小于10min。 3.3历史数值天气预报历史数值天气预报数据应与历史功率数据相
《新能源电站功率控制系统技术规定》 编制说明
目次 1 编制背景 (1) 2 编制原则 (1) 3 与其他标准的关系 (1) 4 主要工作过程 (2) 5 标准结构和内容 (2) 6 标准有关条款的说明 (2)
1 编制背景 在我国，大型新能源电站（风电场及光伏电站）的开发及并网运行多具有以下特点：风能及光照的变化有随机性；大多新能源电站距电力主系统和负荷中心较远，所以一般新能源电站与薄弱的地方电力系统相联；新能源电站运行时向电网送有功功率的同时还要吸收无功功率；原有的地方电力系统的线路按常规设计建设，缺乏电压控制设备和措施等；大规模风电及光伏接入将对电网电压水平、频率水平、电能质量、稳定性、调度运行等带来很大影响。 为了应对大规模风电及光伏的接入，确保接入后的电力系统运行的可靠性、安全性与稳定性，除了加强相应的电网建设、增加电网的调控手段，并不断改善整个电力系统的电源结构外，还需要对新能源电站参与电网有功及频率控制、电压及无功控制的技术要求做出相应的规定，以期不断提高新能源发电单元（风力发电机组和光伏逆变器）和新能源电站的运行特性，降低大规模风电及光伏接入对电网带来的不利影响。 目前国内已有国家电网公司和南方电网公司相关企标，尚无相关国家标准对其进行规范；随着新能源电站参与电网有功频率调节、电压无功调节的逐步深入，急需编制国家标准对其统一要求。 2 编制原则 标准编制的原则是遵守《中华人民共和国可再生能源法》、《中华人民共和国电力法》、《电网调度管理条例（1993）》（国务院第115号令）等现有相关法律、条例、标准和导则，兼顾电网运行和风电发展的要求。 从系统运行的技术层面考虑，对接入电网的新能源发电单元/新能源电站而言，必须满足电网的技术要求，以确保它们并网运行后不会对输电系统产生不利影响。这些技术要求都是在广泛调研和认真总结我国各网省公司已有新能源电站功率自动控制系统建设情况、技术方案和实施现状的基础上提出，大致包括有功功率控制、频率控制、有功紧急控制、无功电压控制、关键信息交换等方面，在技术路线和功能体系设计上充分考虑了先进性。规范中提出技术要求条款的目的是使新能源电站提供维持系统稳定运行的能力。在某些方面，规范中的技术要求是为了确保新能源电站具备一定的技术能力。 本标准的出发点和基本原则是保障电网及新能源电站的安全、稳定和优质运行，同时尽量使条文具有一定的可操作性，便于理解、引用和实施。 3 与其他标准的关系 本标准的编写主要依据国家、行业有关标准规定编写，重点参考了以下标准文件： GB/T 13729 远动终端设备 GB/T 19582.1 基于Modbus协议的工业自动化网络规范 GB/T 19963 风电场接入电力系统技术规定
GB/T××××－××××／IEC61400-12-2：2013 IEC引言 IEC 61400-12部分的目的是提供一种统一的使用机舱风速计测试、分析、报告单个风力发电机组功率特性的方法。该标准只应用在尺寸足够的水平轴风力发电机组，且机舱风速计不受风力发电机组叶片及机舱严重影响进而不影响风力发电机组功率特性的情况下。本标准的目的是在IEC 61400-12-1：2005提出的要求不可行的时候使用本标准提出的方法。从而保证在目前的测试技术和测试设备水平下结果的一致性、准确性和可重复性。 本标准规定的程序表述了如何利用机舱风速计根据测量功率曲线和估计年发电量表征风力发电机组的功率特性。在此程序中，风速计安装在被测风力发电机组机舱上或附近，风速计在这个位置上测得的风速受到风轮的严重影响，本程序包括了确定和应用合适的修正来解决这一问题的方法。然而，需要注意的是，与完全按照IEC 61400-12-1:2005进行的测试相比，这种修正增加了不确定度。本程序也提供了确定测量不确定度的方法，包括不确定度源的评估，以及在报告功率和年发电量中的合成不确定度的推荐值。 功率特性测试的关键因素是风速的测量。即使风速计在高品质风洞中做过校准，风矢量的大小和方向的波动可以导致在测试现场中不同的风速计表现出不同的特性。此外，近风力发电机组机舱处的气流条件复杂多变，对于风速计的选择和安装需要特别考虑，这在标准中也做出了说明。 本标准将使设计风力发电机组的制造、安装、规划、许可、运营、使用和监管的各方受益。如果合适，标准推荐的准确的测试和分析技术可以被各方应用，保证风力发电机组开发和运营技术的一致性、准确性和持续发展。依据本标准给出的测量和报告编写程序能得到他人可重复的准确结果。 同时，标准使用者应该意识到由于风切变和湍流强度较大的变化以及数据筛选标准的选择而引起的误差。因此，使用者应该在功率特性测试开展之前考虑到这些误差的影响和与测试目的相关的数据筛选标准。 I
浅谈风电场AGC及功率控制技术 天电达坂城风电场张胜文 摘要:介绍了风电场AGC及功率控制技术技术，包括省调开展投入风电AGC系统的背景及意义，风电场侧功率控制系统作用及控制策略等方面内容，以期为风电场AGC及功率控制技术人员提供技术参考。 关键词:风电场；自动发电控制系统（AGC）；能量管理平台 1．概况 1.1 电网对风电AGC开展投入背景及意义 近年来随着风电场的装机比例大幅增多，由于风电出力不确定性造成电网调峰困难更为突出，尤其是风电出力大时联络线的调整变得异常突出，以前以人工电话通知的粗放型调整模式已无法满足目前电网运行调整的需求，为提高电网的安全稳定性以及对风电出力调整的合理性，目前调度通过自动发电控制系统（AGC）来实现风电出力的自动调节。 1.2 风电场功率控制系统概况 根据国家电网公司对风电场接入电网技术文件的技术要求，风电场的有功功率控制必须达到以下功能： 风电场具备有功调节能力，根据电网调度部门指令控制其有功功率输出。风电场需配置有功功率控制系统，接收并自动执行调度部门远方发送的有功功率控制信号，确保风电场最大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。 1.2.1 风电场功率控制系统作用 1)在风速允许的情况下，风电场控制功率在0到额定容量之间根据设定调节； 2)自动调节有功功率：系统能自动控制风电场的有功功率输出，使总有功功率保持在 限定目标值附近，控制误差平均在±10%以内； 3)风电场有功功率自动调节遵循“允许更多风机运行”的控制主策略，采用混合方式 进行功率控制，及风机限功率和停机并存的方式，所有风机采用轮停的方式停机， 可避免风机长时间的停机，对停机超过限定的时间的机组自动重启； 4)系统可与电网调度中心进行连接，接收远程调度的控制指令，根据指令手动或自动 开启功率自动控制功能，进行风电场有功功率智能调节； 5)可设置由于特殊原因不能进行调节操作的机组不停电，也可以根据现场需要优先调 控选定的风机； 6)可以计算风电场的当前的理论有功功率，统计限电条件下的损失功率，并将该值上 传给调度中心； 7)风速预警：系统可以设定某风速值作为预警风速，当风电场任意一台机组的瞬时风 速超过该值时，系统会以语言或屏幕提示信息的形式进行报警，提醒风电场值班人 员引起注意，风电场进入大风状态； 8)功率超限预警：当打开系统的功率超限预警功能后，对风电场设定某个限定负荷值， 风电场实时的有功负荷一旦超过限定值，系统即以语言或屏幕提示信息的形式进行
风电场风电机组优化有功功率控制的研究
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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、AGC
Abstract With 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
第五章全功率变流器风电机组的工作原理及控制策略 5.1 全功率变流器风电机组的工作原理 (1) 5.1.1全功率变流器风电机组传动链形式 (1) 5.1.2同步发电机 (1) 5.1.3永磁同步风力发电机结构及特点 (3) 5.1.4电励磁同步风力发电机结构及特点 (5) 5.2 全功率变流器风电机组变流器 (5) 5.2.1 电机侧变流器控制策略 (6) 5.2.1 电网侧变流器控制策略 (7) 5.1 全功率变流器风电机组的工作原理 5.1.1全功率变流器风电机组传动链形式 随着现代风电机组的额定功率呈现上升趋势，风轮桨叶长度逐渐增加而转速降低。例如：额定功率为5MW的风电机组桨叶长度超过60米，转子额定转速为10rpm左右。当发电机为两对极时，为了使5MW风力发电机通过交流方式直接与额定频率为50Hz的电网相连，机械齿轮箱变速比应为150。齿轮箱变速比的增加，给兆瓦级风电机组变速箱的设计和制造提出了挑战。风电机组功率及变速箱变速比增大时，其尺寸、重量及摩擦磨损也在增加。作为另外一种选择，风力发电机可以采用全功率变流器以AC/DC/AC的方式与电网相连。 全功率变流器是一种由直流环节连接两组电力电子变换器组成的背靠背变频系统。这两个变频器分别为电网侧变换器和发电机侧变换器。发电机侧变换器接受感应发电机产生的有功功率，并将功率通过直流环节送往电网侧变换器。发电机侧变换器也用来通过感应发电机的定子端对感应发电机励磁。电网侧变换器接受通过直流环节输送来的有功功率，并将其送到电网，即它平衡了直流环节两侧的电压。根据所选的控制策略，电网侧变换器也用来控制功率因数或支持电网电压。 5.1.2同步发电机 发电系统使用的同步发电机绝大部分是三相同步发电机。同步发电机主要包括定子和转子两部分。定子是同步发电机产生感应电动势的部件，由定子铁芯、三相电枢绕组和起支撑及固定作用的机座组成。转子的作用是产生一个强磁场，并且可以由励磁绕组进行调节，主要包括转子铁心、励磁绕组、滑环等。同步发电机的励磁系统一般分为两类，一类是用直流发电机作为励磁电源的直流励磁系统，另一类是用整流装置将交流变成直流后供给励磁的整流励磁系统。发电机容量大时，一般采用整流励磁系统。同步发电机是一种转子转速与电枢电动势频率之间保持严格不变关系的交流电机。 同步发电机的转子基木上是一个大的电磁铁。磁极有凸极和隐极两种结构。凸极转子结构和加工比较简单，制造成本低。中小容量电机一般采用凸极以降低成本；对大容量、高转速原动机，高速旋转的发电机转子将承受很大的离心力，采用隐极可以更好地固定励磁绕组。 同步发电机转子结构示意图 当转子励磁绕组中流过直流电流时，产生磁极磁场或称为励磁磁场。原动机拖动转子旋
《风力发电机组功率特性测试》国家标准编制说明 1.任务来源 国家标准GB/T 18451.2-2012 《风力发电机组功率特性测试》于2012年颁布，按照国家标准管理办法，标准应当在颁布五年之后复审。GB/T 18451.2-2012《风力发电机组功率特性测试》等同采用IEC 61400-12-1: 2005，2017年IEC（国际电工委员会）发布了新版本IEC 61400-12-1:2017，取代了IEC 61400-12-1: 2005。于是该国家标准的修订工作于2018年启动，由全国风力机械标准化技术委员会提出并归口，由中国电力科学研究院负责具体实施，项目编号为2018102498。 2.标准编制过程 在全国风力机械标准化技术委员会的组织下，中国电力科学研究院于2018年10月召开标准启动会，及时成立了标准修订小组，参与单位包括：东方电气风电有限公司、中国船舶重工集团海装风电股份有限公司、西门子歌美飒可再生能源、浙江运达风电股份有限公司、上海电气风电集团有限公司、中国质量认证中心、山东中车风电有限公司、新疆金风科技股份有限公司、明阳智慧能源集团股份公司、维斯塔斯技术研发(北京)有限公司、华润电力技术研究院、国电联合动力技术有限公司、中车株洲电力机车研究所有限公司风电事业部、广东省风力发电有限公司、华锐风电科技(集团)股份有限公司、云南省能源研究院有限公司。 标准修订小组按照等同采用IEC 61400-12-1:2017,Wind energy generation systems–Part 12-1: Power performance measurements of electricity producing wind turbines. （风力发电机组功率特性测试）的方法修订标准。根据等同采用国际标准的编制方法，标准修订小组对IEC 61400-12-1:2017的原文内容进行了反复的研究和讨论，在此基础上开展了原文内容的翻译工作，于2019年3月完成了标准初稿。2019年4月10日，在成都召开初稿讨论会，集中针对初稿内容进行讨论修改。 根据初稿讨论会汇总的修改意见，标准修订小组在2019年4月至9月多次集中讨论，对标准初稿进行了反复修改完善。
风电场有功功率控制综述 发表时间：2019-03-29T16:00:29.617Z 来源：《电力设备》2018年第29期作者：龙玮[导读] 摘要：经济的发展，促进人们对能源需求的增大。 （上海上电电力工程有限公司上海 200090）摘要：经济的发展，促进人们对能源需求的增大。风能作为一种清洁的可再生能源具有取之不尽、用之不竭、环境污染小、投资灵活等诸多优点。风电场的有功功率控制是风电场可控运行的一项关键技术，控制策略的优劣直接影响到风场输出功率的稳定性、快速性、跟随性等各项性能指标，所以发展风电场的有功功率控制技术能够保证更有效地利用风能，也对电力系统的安全、稳定运行起着重要作用。 本文就风电场有功功率控制展开探讨。 关键词：风电场；风电机组；有功功率控制引言 由于风电具有随机性、波动性和反调峰特性，高比例的风电并入电网会对电力系统的稳定性和安全性造成很大的冲击，因此有必要对风电场有功功率输出进行控制，减少风电功率的波动性，提高输出功率的平滑性。 1．风电场有功功率控制原理风电场有功功率控制系统一般主要由风电场功率控制层、机组群控制层、机组控制层组成图，各层功能及控制周期见表1。 表1风电场分层控制 风电场有功控制系统的目的是为了使风电场能够根据调度指令调整其有功功率的输出，在一定程度上表现出与常规电源相似的特性，从而参与系统的有功控制。然而，风电场有功控制能力不等同于风力发电机组控制能力的简单叠加。为此，利用风力发电机群的统计特性，可以采用两种方式实现此目的：一是将风电场有功控制系统分为风电场控制层、各类机群控制层和机组控制层，依次下达调度指令，完成风电场有功功率控制的任务；二是电网调度中心将指令直接下达给风电机组，各机组调节有功出力，实现有功功率的控制。 2．风电场有功功率的控制 2.1最大出力模式 最大出力模式是指当风电场的预测功率小于电网对风电场的调度功率时，风电场处于最大出力状态向电网注入有功功率。最大出力控制模式就是在保证电网安全稳定的前提下，根据电网风电接纳能力计算各风场最大出力上限值，风电场输出功率变化率在满足电网要求的情况下处于自由发电状态。若超出本风电场的上限值时，可根据其他风场空闲程度占用其他风电场的系统资源，以达到出力最大化和风电场之间风资源优化利用的目的。在最大出力模式投入运行时，风电场内的各台达到切入风速但在额定风速以下的风机处于最大功率跟踪（MaximumPowerPointTracking，MPPT）状态；风电场内处于额定风速以上的各台风电机组运行在满功率发电状态，从而保证风电场的输出功率达到最大值，尽可能提高风能资源的利用效率。 2.2 基于目标函数优化的功率控制 基于目标函数优化的有功功率控制策略，通常先确定目标函数以及约束条件，在此基础上建立多目标优化的风电场模型。在基于目标函数优化的场站级有功功率控制策略中，基于小扰动分析方法分析了限功率运行下风电机组非线性模型的稳定特性，并综合了3个目标，分别是限功率运行状态均衡度、风电场功率目标偏差、总机组启停次数最少，建立了多目标优化模型。以减少风电机组控制系统的动作次数和平滑风电机组的功率输出为目标，通过超短期风功率预测数据确定风电机组出力趋势，来确定风电机组的出力加权系数，从而来优化风电场内有功调度指令，并与传统的固定比例分配算法以及变比例分配算法作比较，说明其控制策略的有效性。 2.3 功率增率控制模式 功率增率控制模式是对风电场输出有功功率的变化率进行限制，使风电场输出的有功功率能够保持一定的稳定性，并且能满足国家电网公司颁布的关于有功功率变化率的相关规定。在功率增率控制模式投入运行时，风电场的输出功率在每个控制周期的变化必须在给定的斜率范围之内，且风电场的整体输出功率应该在满足斜率的前提下尽量跟随风电场的预测功率。风电场的功率增率控制模式可以避免风电场的输出功率变化过于频繁、变化率过大，从而保证功率输出的稳定性。该模式通常与风电场的其他控制模式组合使用，在保证输出功率斜率满足条件下，对风电场的其他方面进行控制。 2.4 分层控制策略 分层控制策略一般将风电场内的控制系统分为若干层，从场站级控制层面到单机控制层面，逐层优化调度指令，从而实现风电场有功功率控制的准确度。在基于风电场场站级的分层控制策略中，综合运用分层递阶控制和模型预测控制方法，提出了一种含大规模风电场的电网有功调度控制方法。以风电场场站级有功控制为研究对象，将控制策略分为群间和群内优化调度2个层面，并提出一种基于遗传算法改进的模糊C均值聚类算法，用于风电场内的机组分群，根据风电机组分群结果和分群调度思想，来实现风电场输出功率可控的目标，但本策略是在假设风电场预测功率准确的情况下进行控制的，并未深入研究风电场预测功率的准确性对调度的影响。风电场内有功调度分为3个层次，分别是场站优化分配层、分群控制层、单机管理层，在分群控制层面，根据风电机组未来有功功率变化趋势以及负荷状态进行机组分类，值得借鉴的是，该系统加入了反馈校正环节，根据风电场实时有功功率的数据反馈，对功率组合预测模型系统进行误差反馈校正，整体提高了有功功率预测的精度。随着装机容量的不断增加，造成风电场存在大量的弃风现象，由此风电场的控制模式发生变化，从传统的MPPT模式向限功率控制模式转变，这对风电场以及风电机组的控制策略提出了更高的设计要求。考虑变速恒频风电机组在不同风速下的功率调节和机械特性，从电气性能，机械性能，运行维护状态3个准则层出发，提出风电场功率调节综合评价指标体系，在此评价体系中，各指标的权重使用熵值法修正的层次分析法来确定，并通过模糊综合评价对机组调节性能进行评分，进而确定调控序列，建立风电场降功率优化分配模型。