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（AVC）、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。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Popt曲线，必须在风速变化时及时调整转速ωr，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，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、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0～24 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。
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
附图1：
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。
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