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【摘 要】 本文将主要针对风电场能量综合管理平台建设背景、风电场能量综合管理平台系统主要应用技术、能量管理系统设计以及能量管理系统应用进行简要分析，仅供参考。
【关键词】 风电场；能量管理；设计
一、风电场能量综合管理平台建设背景
随着风电场规模的逐步扩大，装机容量逐渐增多，相对应的就是风电场技术管理的水平相对落后，而上级调度部门对于风电场技术方面的要求越来越高，越来越严格。同时风电场能量综合管理平台系统也是公司信息化建设的重要标志。该系统的建设主要是在风电场的生产现场，以满足实际生产运行中的需要为起点，以提高现场生产运行水平和快速执行调度命令为目标，最终为现场值班人员提供工作上的帮助，为企业技术管理人员提供指导性、决策性的数据能量管理系统设计。
二、风电场能量综合管理平台系统主要应用技术
1、针对风电运行检修人员工作特点的浏览器/服务器模式（B/S）
B/S是Browser/Server的缩写，翻译过来就是浏览器/服务器模式，是WEB兴起后的一种网络结构模式，WEB浏览器是客户端最主要的应用软件。brower/server就是用浏览器（如ie）为应用程序客户端操作服务器。这样用浏览器来操作简单易用。而风电的性质和特点相较其它行业有很大的不同，因为风电场往往边际较远，分布广泛，在某种程度上来说是比较分散性质的企业，如果想实现统一管理，那么就必须借助网络的力量，而非简简单单的小型局域网所能够实现。
2、数据仓库（Data Warehouse/DW）
数据仓库，英文名称为Data Warehouse，可简写为DW或DWH。数据仓库是为企业所有级别的决策制定过程提供支持的所有类型数据的战略集合。它是单个数据存储，出于分析性报告和决策支持的目的而创建。为企业提供需要业务智能来指导业务流程改进和监视时间、成本、质量和控制。
3、数据挖掘（datamining）
数据挖掘（Data Mining），是从大量数据中找出数据特点和规律的过程。风电场能量综合管理平台系统在对各个模块整合能量数据的过程中会使用到数据挖掘技术。通过这种技术手段使能量平台找出现场实际运行当中各种典型的能量变化规律，从而对生产运行起指导作用，同样为企业的发展提供了坚实的数据基础。
三、能量管理系统设计
1、总体设计
根据国家电网公司《风电场接入电网技术规定》的要求，风电场能量管理系统必须具有对有功、无功功率输出可控的能力。整个系统根据风速、电网调度的指令和功率的反馈信号，进行分析计算后给风电场中的每台风电机组下发功率限制值，风电机组接收指令后进行快速响应，从而实现整个风电场的功率控制。
2、功率分配算法
在整个风电场能量管理系统中，控制算法是重中之重，它直接影响到功率控制的效果，从而影响到整个风电场的输出稳定性。为了使风电场输出功率满足电网的调度要求，降低对电网的影响，就需要合理的功率分配算法对有功、无功功率进行准确的分配。
有功功率分配主要有固定比例分配算法和变比例分配算法。固定比例分配算法根据额定容量大的风电机组分配有功功率多的原则进行分配，该类方法粗略地计算有功功率设定值。实际上，在风电场运行时，每台机组实际的发电功率与风速有关，因此机组所发的功率可能达不到给定值。变比例分配算法主要是根据实时风速预测风电机组的有功输出功率值，按照出力大的机组分配多的原则进行分配。本系统采用变比例分配算法进行有功分配，根据机组的实际运行状态、实时功率、风速等信息，进行合理精确的有功功率分配。
无功功率分配主要有按照等功率因素分配法和根据无功容量比例分配法。等功率因素分配算法能保证每台机组功率因素相等，避免了出现某些机组有功、无功输出不协调超出极限的可能性。根据无功容量比例分配法利用各台风电机组实时状态信息计算当前无功调节范围，根据所得值进行分配，尽可能使每台机组发出或者吸收的无功功率在机组的无功极限范围内，并能充分发挥每台机组的无功调节潜力。本系统采用根据无功容量比例分配法进行无功分配，根据每台风电机组所分配的有功功率计算其无功功率能力，然后根据能力进行无功功率分配。
3、控制软件设计
风电场能量管理系统的控制软件需要分析风电场的有功功率、无功功率、电压、频率等数据，对风电场的所有风电机组进行统一控制，保证机组的协调运行，从而确保风电场最大输出功率及功率变化率不超过调度中心指定值。
控制软件界面主要包括：主界面、参数配置界面、曲线绘制界面、数据库导出界面、权限管理界面等。主界面用于显示风电场信息和风电机组信息：风电场信息包括风电场的功率调度信息和风电场的功率反馈信息；风电机组信息包括每台风电机组的风速、有功功率反馈值、无功功率反馈值、有功功率目标值、无功功率目标值、通讯状态等信息。参数配置界面用于设定风电场容量、装机数量、风电机组额定功率、控制模式、有功变化率等可配置参数。曲线绘制界面的主要功能是绘制实时曲线和历史曲线，可以选择数据种类及数据时间段，进行曲线绘制。数据库导出界面可以导出相应的历史数据。
控制软件需要通过通讯接口实时读取风电机组运行的数据，如风速、风电机组运行状态、风电机组有功功率、风电机组通讯状态等信息，并给风电机组下发功率控制指令。由Modicon公司开发的Modbus协议目前已是工业领域最流行的通信协议之一，该协议支持传统的RS232、RS422、RS485和以太网设备，并且通俗易懂，应用灵活。因此，系统采用Modbus/TCP接口实时监控各个控制过程的运行数据。
控制软件根据电力系统调度中心指令，通过算法进行精确分配后下发单台风电机组的有功功率、无功功率控制指令。当需要整个风电场切出电网时，控制软件可以给所有的风电机组下发停机命令，风电机组在接收到停机命令后执行停机操作，从而使整个风电场自动切出。当电网下发的风电场上网负荷比较低时，控制软件以“允许更多的风电机组运行”为控制目标，通过算法智能选择部分风电机组进行停机，而其它风电机组保持运行状态，从而使得整个风电场的出力符合电网要求。 控制软件进行功率控制的主流程如下：实时采集风速、功率、运行状态等机组信息，主要针对通信正常的机组；根据风电机组的通讯状态以及运行状态等信息确定可以进行功率控制的风电机组序列；根据电网下发的有功功率控制指令和有功功率调整变化率确定风电场的有功功率目标值；通过单台机组的风速信息，预测有功功率，进行有功功率和无功功率极限值计算；最后将功率设定值按照功率分配策略分配给每台风电机组，并将单台设定值下发至机组。
四、能量管理系统应用
1、风电场测试
某风电场由33台风电机组组成，机型为WD1500，装机容量为49.5MW。为了验证本系统的可行性和有效性，将本系统安装于风电场主控室的工控机上，系统运行后读取每台风电机组的实时数据、风电场的实时数据和电网的调度指令，并将控制算法分配的单台有功功率和无功功率设定值下发至每台机组。机组获取指令后在最短时间内响应控制要求，从而达到控制风电场输出功率的目的。
2、测试结果
风电场当前有功功率为40MW时，电网下发有功调度指令30MW，系统接收调度指令后进行自动控制。风电场有功功率从40MW降至30MW的控制效果如图1所示。由图1可见，风电场有功功率在1分钟内控制到位，并且稳态控制效果较好。
风电场当前有功功率为20MW时，电网下发有功调度指令10MW，通过本系统的自动调节，风电场有功功率在1分钟内下降到位。风电场有功功率从20MW降至10MW的控制效果如图2所示。
图1 风电场有功功率从40MW降至30MW的控制效果
图2 风电场有功功率从20MW降至10MW的控制效果
风电场当前有功功率为10MW时，电网下发有功调度指令20MW，通过本系统的自动调节，风电场有功功率在1分钟内上升到位，并且控制误差小于3%。风电场有功功率从10MW升至20MW的控制效果如图3所示。风电场当前有功功率为30MW时，电网下发有功调度指令40MW，风电场有功功率从30MW升至40MW的控制效果如图4所示。此外，通过系统自动智能控制无功功率，可以使得风电场的无功功率输出保持在一定的范围之内。风电场实际测试结果表明，本系统的响应时间小于1分钟，控制精度在3%以内，稳态控制效果较好。从而验证了本系统的可行性和有效性。
图3 风电场有功功率从10MW升至20MW的控制效果
图4 风电场有功功率从30MW升至40MW的控制效果
五、结束语
风电是一种间歇性、波动性电源，随着风电装机容量的增加，对电网稳定性、安全性的影响也随之增大。这就要求风电场尽量减小对电网的影响，并且国家电网制定的《风电场接入电网技术规定》中要求整个风电场应具有一定的功率调节能力。因此本文设计风电场能量管理系统，实现对风电场有功功率和无功功率的调节。
参考文献：
[1] 2010-2015年中国风力发电设备行业投资分析及前景预测报告.中投顾问，2014.
[2]雷亚洲，Gordon Lightbody.国外风力发电导则及动态模型简介[J].电网技术，2014，（6）：27-32.
[3]迟永宁.大型风电场接入电网的稳定性问题研究[D].中国电力科学研究院博士学位论文.2014.
[4]范高锋.大规模风电对电力系统的影响和应对策略[J].电网与清洁能源，2013，（7）：58-61.
【关键词】 风电场；能量管理；设计
一、风电场能量综合管理平台建设背景
随着风电场规模的逐步扩大，装机容量逐渐增多，相对应的就是风电场技术管理的水平相对落后，而上级调度部门对于风电场技术方面的要求越来越高，越来越严格。同时风电场能量综合管理平台系统也是公司信息化建设的重要标志。该系统的建设主要是在风电场的生产现场，以满足实际生产运行中的需要为起点，以提高现场生产运行水平和快速执行调度命令为目标，最终为现场值班人员提供工作上的帮助，为企业技术管理人员提供指导性、决策性的数据能量管理系统设计。
二、风电场能量综合管理平台系统主要应用技术
1、针对风电运行检修人员工作特点的浏览器/服务器模式（B/S）
B/S是Browser/Server的缩写，翻译过来就是浏览器/服务器模式，是WEB兴起后的一种网络结构模式，WEB浏览器是客户端最主要的应用软件。brower/server就是用浏览器（如ie）为应用程序客户端操作服务器。这样用浏览器来操作简单易用。而风电的性质和特点相较其它行业有很大的不同，因为风电场往往边际较远，分布广泛，在某种程度上来说是比较分散性质的企业，如果想实现统一管理，那么就必须借助网络的力量，而非简简单单的小型局域网所能够实现。
2、数据仓库（Data Warehouse/DW）
数据仓库，英文名称为Data Warehouse，可简写为DW或DWH。数据仓库是为企业所有级别的决策制定过程提供支持的所有类型数据的战略集合。它是单个数据存储，出于分析性报告和决策支持的目的而创建。为企业提供需要业务智能来指导业务流程改进和监视时间、成本、质量和控制。
3、数据挖掘（datamining）
数据挖掘（Data Mining），是从大量数据中找出数据特点和规律的过程。风电场能量综合管理平台系统在对各个模块整合能量数据的过程中会使用到数据挖掘技术。通过这种技术手段使能量平台找出现场实际运行当中各种典型的能量变化规律，从而对生产运行起指导作用，同样为企业的发展提供了坚实的数据基础。
三、能量管理系统设计
1、总体设计
根据国家电网公司《风电场接入电网技术规定》的要求，风电场能量管理系统必须具有对有功、无功功率输出可控的能力。整个系统根据风速、电网调度的指令和功率的反馈信号，进行分析计算后给风电场中的每台风电机组下发功率限制值，风电机组接收指令后进行快速响应，从而实现整个风电场的功率控制。
2、功率分配算法
在整个风电场能量管理系统中，控制算法是重中之重，它直接影响到功率控制的效果，从而影响到整个风电场的输出稳定性。为了使风电场输出功率满足电网的调度要求，降低对电网的影响，就需要合理的功率分配算法对有功、无功功率进行准确的分配。
有功功率分配主要有固定比例分配算法和变比例分配算法。固定比例分配算法根据额定容量大的风电机组分配有功功率多的原则进行分配，该类方法粗略地计算有功功率设定值。实际上，在风电场运行时，每台机组实际的发电功率与风速有关，因此机组所发的功率可能达不到给定值。变比例分配算法主要是根据实时风速预测风电机组的有功输出功率值，按照出力大的机组分配多的原则进行分配。本系统采用变比例分配算法进行有功分配，根据机组的实际运行状态、实时功率、风速等信息，进行合理精确的有功功率分配。
无功功率分配主要有按照等功率因素分配法和根据无功容量比例分配法。等功率因素分配算法能保证每台机组功率因素相等，避免了出现某些机组有功、无功输出不协调超出极限的可能性。根据无功容量比例分配法利用各台风电机组实时状态信息计算当前无功调节范围，根据所得值进行分配，尽可能使每台机组发出或者吸收的无功功率在机组的无功极限范围内，并能充分发挥每台机组的无功调节潜力。本系统采用根据无功容量比例分配法进行无功分配，根据每台风电机组所分配的有功功率计算其无功功率能力，然后根据能力进行无功功率分配。
3、控制软件设计
风电场能量管理系统的控制软件需要分析风电场的有功功率、无功功率、电压、频率等数据，对风电场的所有风电机组进行统一控制，保证机组的协调运行，从而确保风电场最大输出功率及功率变化率不超过调度中心指定值。
控制软件界面主要包括：主界面、参数配置界面、曲线绘制界面、数据库导出界面、权限管理界面等。主界面用于显示风电场信息和风电机组信息：风电场信息包括风电场的功率调度信息和风电场的功率反馈信息；风电机组信息包括每台风电机组的风速、有功功率反馈值、无功功率反馈值、有功功率目标值、无功功率目标值、通讯状态等信息。参数配置界面用于设定风电场容量、装机数量、风电机组额定功率、控制模式、有功变化率等可配置参数。曲线绘制界面的主要功能是绘制实时曲线和历史曲线，可以选择数据种类及数据时间段，进行曲线绘制。数据库导出界面可以导出相应的历史数据。
控制软件需要通过通讯接口实时读取风电机组运行的数据，如风速、风电机组运行状态、风电机组有功功率、风电机组通讯状态等信息，并给风电机组下发功率控制指令。由Modicon公司开发的Modbus协议目前已是工业领域最流行的通信协议之一，该协议支持传统的RS232、RS422、RS485和以太网设备，并且通俗易懂，应用灵活。因此，系统采用Modbus/TCP接口实时监控各个控制过程的运行数据。
控制软件根据电力系统调度中心指令，通过算法进行精确分配后下发单台风电机组的有功功率、无功功率控制指令。当需要整个风电场切出电网时，控制软件可以给所有的风电机组下发停机命令，风电机组在接收到停机命令后执行停机操作，从而使整个风电场自动切出。当电网下发的风电场上网负荷比较低时，控制软件以“允许更多的风电机组运行”为控制目标，通过算法智能选择部分风电机组进行停机，而其它风电机组保持运行状态，从而使得整个风电场的出力符合电网要求。 控制软件进行功率控制的主流程如下：实时采集风速、功率、运行状态等机组信息，主要针对通信正常的机组；根据风电机组的通讯状态以及运行状态等信息确定可以进行功率控制的风电机组序列；根据电网下发的有功功率控制指令和有功功率调整变化率确定风电场的有功功率目标值；通过单台机组的风速信息，预测有功功率，进行有功功率和无功功率极限值计算；最后将功率设定值按照功率分配策略分配给每台风电机组，并将单台设定值下发至机组。
四、能量管理系统应用
1、风电场测试
某风电场由33台风电机组组成，机型为WD1500，装机容量为49.5MW。为了验证本系统的可行性和有效性，将本系统安装于风电场主控室的工控机上，系统运行后读取每台风电机组的实时数据、风电场的实时数据和电网的调度指令，并将控制算法分配的单台有功功率和无功功率设定值下发至每台机组。机组获取指令后在最短时间内响应控制要求，从而达到控制风电场输出功率的目的。
2、测试结果
风电场当前有功功率为40MW时，电网下发有功调度指令30MW，系统接收调度指令后进行自动控制。风电场有功功率从40MW降至30MW的控制效果如图1所示。由图1可见，风电场有功功率在1分钟内控制到位，并且稳态控制效果较好。
风电场当前有功功率为20MW时，电网下发有功调度指令10MW，通过本系统的自动调节，风电场有功功率在1分钟内下降到位。风电场有功功率从20MW降至10MW的控制效果如图2所示。
图1 风电场有功功率从40MW降至30MW的控制效果
图2 风电场有功功率从20MW降至10MW的控制效果
风电场当前有功功率为10MW时，电网下发有功调度指令20MW，通过本系统的自动调节，风电场有功功率在1分钟内上升到位，并且控制误差小于3%。风电场有功功率从10MW升至20MW的控制效果如图3所示。风电场当前有功功率为30MW时，电网下发有功调度指令40MW，风电场有功功率从30MW升至40MW的控制效果如图4所示。此外，通过系统自动智能控制无功功率，可以使得风电场的无功功率输出保持在一定的范围之内。风电场实际测试结果表明，本系统的响应时间小于1分钟，控制精度在3%以内，稳态控制效果较好。从而验证了本系统的可行性和有效性。
图3 风电场有功功率从10MW升至20MW的控制效果
图4 风电场有功功率从30MW升至40MW的控制效果
五、结束语
风电是一种间歇性、波动性电源，随着风电装机容量的增加，对电网稳定性、安全性的影响也随之增大。这就要求风电场尽量减小对电网的影响，并且国家电网制定的《风电场接入电网技术规定》中要求整个风电场应具有一定的功率调节能力。因此本文设计风电场能量管理系统，实现对风电场有功功率和无功功率的调节。
参考文献：
[1] 2010-2015年中国风力发电设备行业投资分析及前景预测报告.中投顾问，2014.
[2]雷亚洲，Gordon Lightbody.国外风力发电导则及动态模型简介[J].电网技术，2014，（6）：27-32.
[3]迟永宁.大型风电场接入电网的稳定性问题研究[D].中国电力科学研究院博士学位论文.2014.
[4]范高锋.大规模风电对电力系统的影响和应对策略[J].电网与清洁能源，2013，（7）：58-61.