基于OPC通讯的风场功率管理应用

刘启飞 周宏志

(东方电气自动控制工程有限公司， 四川 德阳， 618000)

基于OPC通讯的风场功率管理应用

刘启飞 周宏志

(东方电气自动控制工程有限公司， 四川 德阳， 618000)

文章介绍了采用 OPC通讯接口的风场功率管理控制软件的原理、 结构、 流程、 控制功能等， 通过在某大型风电场的应用测试，整个功率管理软件运行稳定可靠，满足现阶段国家电网对风机功率管理的要求。

风场； 功率管理； OPC通讯； 电网

0 引言

随着风电的快速发展，将会有越来越多的风力发电能量分布于电网配电系统中。风电场中风力发电机组具有较强的分散自治性，其输出功率往往随自然风速具有较强的随机性和间歇性。因此，风电机组的输出功率难以像常规发电机组那样遵从电网调度的发电计划。这给系统调度和稳定运行带来不利影响。随着国家大力倡导发展可再生能源，风电装机容量不断增加，作为电力系统要接纳大容量的风电， 需要付出更多的代价（如更多的备用电源，更多的系统网损）[1]。

1 风场功率管理控制要求

风电场接入电网规定要求，风电场必须具有有功功率调节能力，并能根据电网调度部门的指令控制其有功功率输出。为了实现对风电场有功功率的控制，风电场需安装有功功率控制系统，能够接收并自动执行调度部门远方发送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部门的给定值。

对于风力发电机组，对其进行功率管理控制必须要充分满足国家电网相关标准、尽可能充分利用风电容量、考虑风力机组的运行限制、对风力机组的保护、系统的自动化管理水平等等。

2 功率管理控制系统结构

功率控制系统软件配合监控软件完成对风电场有功功率的分配和控制。功率控制系统软件负责执行功率分配，监控系统软件负责将采集到的功率控制软件需要的数据转发给功率控制软件，并将功率控制软件计算的风力机的设定功率转发给各风力机。整个风电场有功功率控制的结构如图1所示。

为了尽量适应当前风电场的结构，该软件运行在监控室 PC机上， 接收监控软件采集的风机数据，按照设定周期定时将功率分配结果返回给监控软件，监控软件再发送给各台风力机，进而控制风力机组出力。

2.1 功率管理控制软件结构

图1 风电场有功功率控制系统结构图

风电场是由多个风力机集成的单元，风电场控制系统的主要目的是集中控制接入电网的有功功率。风电场控制系统不断收集单位时间内风电场各风力机平均功率，通过功率预测模块，预测在不强加调度的情况下各台风力机下一周期的发电功率，累加算出整个风电场下一周期的预测发电功率，同时对比电网调度功率，算出两者差值，通过功率分配模块将电网调度功率 P0转换成单个风力机的功率参考信号 （Pi， i=1， 2， 3…）， 传送至各台风力机，强制风力机改变当前运行状况，从而满足整个风电场的电网调度。风电场功率控制软件如图2所示。

2.2 功率管理控制软件功能

风电场有功功率控制软件是为了对整个风电场所有风力机任一时刻的发电功率进行统一控制，以使得风电场输出功率满足国家电网要求，保证风电场输出的电能质量。

图2 风电场有功功率控制系统模型图

功率管理控制软件需要与风电场监控软件进行通讯，采集风速、功率、故障状态等信号；功率管理软件必须具备风电场功率预测功能；具备限值模式、调整模式、斜率控制模式、差值模式4种控制模式[2]， 可根据需要选择采用哪种控制模式；根据风电场功率控制策略计算每台可控风力机功率设定值，满足电网调度需求；能够显示各台风力机包括通讯正常、通讯中断、正常发电、降功率发电、停机等状态。

功率管理变化率按照国家电网要求执行，见表1。

表1 国家标准功率变化率 （MW）

控制精度满足国家标准要求，风电场全场控制精度为： Max （1MW， 负荷变化的 5%）[3]。

3 OPC通讯技术

OPC （OLE for Process Control） 是为了存取现场设备的数据信息， 基于 Windows 的应用程序由系统集成商开发的一种具有高效性、可靠性、开放性、可互操作性的即插即用的设备驱动程序。

3.1 OPC 技术功能

OPC 规范了接口函数， 不管现场设备以何种形式存在，客户都以统一的方式去访问，从而保证软件对客户的透明性，使得用户完全从低层的开发中脱离出来。

OPC 主要应用于数据采集技术、 历史数据访问、报警和事件处理、数据冗余技术、远程数据访问等， OPC 解决了设备驱动程序开发中的异构问题，使控制软件能够与硬件分别设计、生产和发展，并有利于独立的第三方软件供应商产生与发展。

3.2 风场监控软件 OPC 通讯数据点

风场功率管理控制系统，根据软件的交互模式，整个系统管理软件与上位机风场监控软件之间采用 OPC 接口进行通讯， 通讯信息包括 OPC 数据点名称、 IP 地址、 各数据点代表的实际意义，客户端必须是 OPCuser用户。

3.3 风场监控软件 OPC 通讯流程

风场监控软件作为 OPC 服务器， 功率控制软件为 OPC客户端。 功率控制软件客户端采用订阅方式获得风场监控软件 OPC 服务器中风机和风场的实时数据， 即风场监控软件 OPC 服务器的实时更新数据有变化就会通知功率控制软件 OPC 客户端； PPM 客户端采用异步写的方式， 每控制周期向风场监控软件 OPC服务器写入每台风机的设定值。通讯流程如图3所示。

图3 OPC 通信流程

4 风电场测试

以下是针对 FD70 型 200 台风机某大型风电场进行测试的结果。 功率控制软件与 OPC 服务器能够建立稳定的连接，能够完全准确读写数据点，通讯稳定性良好。

4.1 不同风速下的功率控制效果分析

不同风速下功率控制效果的测试环境如表2所示。

表2 不同风速下功率控制效果测试环境

测试结果如表3所示。

从表3可以看出，在高风速和低风速下，功率控制软件均能够较准确地将输出功率控制在设定功率之内。

表3 测试结果

4.2 对调度功率的响应性能测试

测试环境如表4所示。

表4 测试响应性能的环境

受控风机数量83台， 短时间内频繁修改调度功率， 跟踪83台受控风机的实时功率总值， 测试结果如表5所示。

受控风机数量为 83 台时， 平均误差为4.09%， 误差较小， 控制效果良好。

表5 83台风机功率控制使能的数据

4.3 功率控制稳定性测试

测试环境如表6所示。

表6 功率控制稳定性测试环境

测试结果及误差分析：

对全风电场进行不间断的功率控制 38个小时，在此期间，功率控制系统运行正常，极个别的风机由于风机本身控制原因会出现变桨失效或风速大于功率的故障，如5号风机等，整个功率控制过程稳定可靠。

4.4 功率控制曲线

开启功率控制功能后， 控制效果详见图4～图7的曲线图。

图4 风力发电厂调度功率不变时风场功率控制曲线图

图5 风场调度功率降低时功率控制效果曲线图

图6 风场调度功率增加时功率控制曲线图

图7 风场在功率控制过程频繁修改功率时功率控制曲线图

5 结论

基于 OPC通讯功率控制系统实现了读写风机数据和风电场数据的功能，能够对功率输出进行稳定的控制。

在不同风速下给定不同的调度功率，通过功率控制软件的控制，风电场功率输出能够迅速、准确地跟踪设定值，且风机状态均正常，满足电网调度功率控制要求。

[1] 谷峰.基于双馈机组风电场的功率控制研究 [D].济南:山东大学,2009

[2]Anca D.Hansen， Poul Sorensen， Florin Iov.Centralised power control of wind farm w ith doubly fed induction generators[J].Renewable Energy,31 （2006） :935-951

[3] 国家电网公司.风电场接入电网技术规定[Z]. 北京: 国家电力出版社,2006

W ind Power Management and Application Base on OPC Comm unication

Liu Qifei， Zhou Hongzhi
（Dongfang Electric Auto Control Engineering Co.,Ltd.Deyang Sichuan 618000）

This paper introduced the principle,structure,process and control function ofwind powermanagement control software with OPC communication interface.After a series of application tests in a large-scale wind farm,the powermanagement software showed stability and reliability， meeting the currentwind turbine powermanagement requirements of State Grid.

wind p lant， power control， OPC communication， grid

刘启飞 （1976-）， 男， 工程硕士学位， 工程师， 毕业于电子科技大学自动化学院， 现主要从事风力发电机组控制系统的研发设计工作。