CN102013699B - 一种风力发电场有功功率分配方法 - Google Patents

一种风力发电场有功功率分配方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风力发电场有功功率分配方法，首先根据风场的运行参数，故障，预测功率信息，将风力发电机组分为五类，然后与机组分类相结合，执行升降功功率分配策略，优化了对风力发电场有功功率分配，提高风力发电机组的利用率。由于有功功率分配方法考虑了机组的实际运行状态、参数、故障等因素，根据机组的升降功率调节能力将功率合理的分配给各机组，保证风力发电场输出功率波动变化平缓，即稳定运行，并且使风力发电场实时输出功率达到风力发电场设定值。同时，在降功率分配中，将降功率分配策略分为深限幅功率分配策略与浅限幅功率分配策略，使降功率在分配过程在满足降功率需求的基础上，避免机组的频繁启停，保证机组合理运行。

Description

一种风力发电场有功功率分配方法
技术领域
本发明属于风力发电场有功功率分配技术领域，更为具体地讲，涉及对风力发电场所有风力发电机组发电功率进行统一控制，保证电网稳定和风电场输出电能质量的有功功率分配方法。
背景技术
全球能源紧缺以及环境污染问题的日益严重，使得清洁能源风力发电在世界范围内得到了快速的发展，风力发电在电网中的比重不断增加。然而，风力发电受风速影响很大，具有很强的随机性和间歇性，大规模风电并网以后使得电力系统电能质量不高，调度困难增加，严重影响了电网的安全性和稳定性。对风力电场功率输出进行综合控制以适应风电的迅速增加，是当前电力系统运行中迫切需要解决的问题，也是促进风力发电更好发展的需要。
风力发电场有功功率分配方法通过对风电场中风力发电机组进行集中控制，以提高风力发电场输出电能质量，减少风力发电的波动性和随机性对电网产生的不利影响和实现风力发电机组的优化运行。风力发电场有功功率分配方法是提高风力发电场发电电能质量并且保证并网运行的安全性和稳定性的关键。
目前，大多数的国内风力发电场并不具备有功功率分配功能，这也是导致国内风力发电质量不高，容易造成电网不稳定的重要原因。随着风力发电场规模的扩大，以及风力发电在全国总发电量中比重的增加，风力发电场有功功率分配方法的重要性也显得越来越突出。
发明内容
本发明的目的在于提供一种使风力发电场输出由功率预测及电网调度信息确定的设定功率，并保证整个风力发电场稳定、优化运行的有功功率分配方法。
为实现上述发明目的，本发明风力发电场有功功率分配方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、针对通信正常并且可以控制的风力发电机组进行分类
第一类故障风力发电机组，发生停机故障的风力发电机组，判断故障风力发电机组所需参数：机组的运行状态码，若机组的运行状态码处于故障状态，则机组属于第一类故障风力发电机组；故障风力发电机组分为两类：发生停机故障即将停机的机组和发生停机故障已经停机的机组；
第二类降功率输出风力发电机组，发生降功率故障将要降低发电功率的机组，判断降功率输出风力发电机组所需参数：机组的降功率故障状态码，若机组的降功率故障状态码处于故障状态，则机组属于第二类降功率输出风力发电机组；
第三类低风速区风力发电机组，处于低风速状态的机组，判断低风速区风力发电机组所需参数：机组的下一周期的预测功率小于上一周期的设定功率；
第四类高风速区风力发电机组，处于高风速状态的机组，判断所需参数：机组的下一周期的预测功率大于上一周期的设定功率；
第五类待启风力发电机组，停机故障已清除的停机机组和由功率分配需要而已停机的无故障机组，判断待启风力发电机组所需参数：机组的运行状态码，若风力机的运行状态码处于待启状态，则机组属于第五类停机待启风力发电机组；
其中第三类第四类机组中正常运行的机组称为正常风力发电机组；第三类第四类机组中总的历史发电功率较大的机组称为疲劳风力发电机组；第三类第四类机组中出现报警运行故障码的风力发电机组称为报警运行风力发电机组；第三类第四类机组中出现降功率故障报警的机组称为报警降功率风力发电机组。
(2)、根据风力发电场设定功率与功率测量值的差值ΔP执行功率分配策略
当差值ΔP为正值时，执行升功率分配策略，反之，当差值ΔP为负值时，执行降功率分配策略；
a1、升功率分配策略为将需要增加的功率，即差值ΔP分配给第四类风力发电机组、第五类风力发电机组；
a2、降功率分配策略为当风力发电场的降功率调节能力大于需要降低的功率时执行浅限幅功率分配策略，否则执行深限幅功率分配策略；其中风力发电场的降功率调节能力为所有第一、第二、第三、第四类机组功率都按照最小发电原则发电时，整个风力发电场所能够降低的总功率；
在执行深限幅、浅限幅分配功率策略时第五类风力发电机组的设定值不变；当降功率分配执行浅限幅功率分配策略时，机组降低功率的顺序是：第一类故障风力发电机组、第二类降功率输出风力发电机组、第三类低风速区风力发电机组、第四类高风速区风力发电机组；当有功功率分配执行深限幅功率分配策略时，停机的顺序是：第二类降功率输出风力发电机组、第三四类中的报警降功率风力发电机组、第三四类中的报警运行风力发电机组、第三四类中的疲劳风力发电机组，第三四类中的正常风力发电机组。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明的风力发电场有功功率分配方法首先根据风场的运行参数，故障，预测功率信息，将风力发电机组分为五类，然后与机组分类相结合，执行升降功功率分配策略，优化了对风力发电场有功功率分配，提高风力发电机组的利用率。
本发明的风力发电场有功功率分配方法考虑了机组的实际运行状态、参数、故障等因素，根据机组的升降功率调节能力将功率合理的分配给各机组，实现了风力发电场中机组的优化运行，保证风力发电场输出功率波动变化平缓，即稳定运行，并且使风力发电场实时输出功率达到风力发电场设定值。同时，在降功率分配中，将降功率分配策略分为深限幅功率分配策略与浅限幅功率分配策略，使降功率在分配过程在满足降功率需求的基础上，避免机组的频繁启停，保证机组合理运行。
附图说明
图1是风力发电场有功功率控制图；
图2是风力发电机组分类流程图；
图3是春夏秋季升功率分配流程图；
图4是冬季升功率分配流程图；
图5是降功率分配流程图；
图6是风力发电场测试连接图；
图7是有功功率分配效果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1是风力发电场有功功率控制图
如图1所示，在本实施例中，风力发电场根据功率预测及电网调度信息确定风力发电场功率设定功率。功率测量值为整个风力发电场实时的总发电功率值。功率控制的目的就是保证风力发电场输出功率波动变化平缓，并且使风力发电场实时输出功率达到风力发电场设定值，以达到功率控制的目的。
在本实施例中，图1中风力发电机组控制器，负责监控风力发电机组的运行状态和运行参数，并将风力发电机组的运行状态返回给功率分配模块。功率分配模块将风力发电场设定功率按照本发明的风力发电场有功功率分配方法分配给对应风力发电机组，即根据风力发电场设定功率与功率测量值的差值ΔP来调整各个风力发电机组的设定值，实现将风力发电场设定功率分配给对应风力发电机组。
风力发电机组的分类考虑的因素包括机组运行参数和运行状态。其中运行参数包括：风力发电场设定参数，风速的大小等；运行状态包括：发电功率，运行状况，故障等。有功功率分配结果最终以一台风力发电机组功率设定值的形式分配给对应的机组。
图2是风力发电机组分类流程图
在本实施例中，图2中判断风力发电机组类型中通信是否正常、功率控制是否受控、是否处于故障状态、是否处于待启状态、降功率是否触发等信息是通过图1中风力发电机组控制器返回的风力发电机组运行状态信息进行判断。状态信息是通过风力发电机组返回数据的报文格式中对应状态码的形式给出。例如在风力发电机组返回数据规范中规定通信格式中某一位表示通信是否正常，若通信正常此位置1，否则置0。其余信息判断均采用此方法。风力发电机组的功率及状态信息是通过定时查询的方式得到，功率分配模块根据得到机组信息对机组进行分类。
首先，判断通信是否正常，不正常，分类结束，正常则继续判断功率控制是否受控；
功率控制不受控，分类结束，受控则继续判断风力发电机组(简称风机)是否处于故障状态；
风力发电机组处于故障状态，则为第一类故障风力发电机组，分类结束，否则继续判断风力发电机组是否处于待启状态；
风力发电机组处于待启状态，则为第五类待启风力发电机组，分类结束，否则继续判断风力发电机组降功率是否触发；
风力发电机组降功率触发，则为第二类降功率输出风力发电机组，分类结束，否则继续判断下一周期的预测功率小于上一周期的设定功率；
风力发电机组下一周期的预测功率小于上一周期的设定功率，则第三类低风速区风力发电机组，分类结束，否则，为第四类高风速区风力发电机组，分类结束。
图3、图4分别为春夏秋季升功率分配流程图与冬季升功率分配流程图
当风力发电场执行升功率分配策略时，此时第一类风力发电机组处于故障状态，即将停止运行或者已经停止运行，无法参与升功率功率分配。第二类风力发电机组处于降功率输出状态，无法参与升功率功率分配。第三类风力发电机组处于低风速状态，预测功率小于上一周期的设定值，无法参与升功率功率控制。因此，升功率功率分配主要控制第四类风力发电机组和第五类风力发电机组。
在本实施例中，假设风力发电机组正常运行时最小风力发电机组发电功率为Pmin，风力发电机组最小发电原则是指机组的功率设定值不小于Pmin。
在本实施例中，由于第一，二，三类风力发电机组不能参与升功率功率分配，直接对这三类风力发电机组给定功率设定值。第一类风力发电机组为停机；第二类风力发电机组的功率设定值按照风力发电机组最小发电原则，第三类风力机的设定值不变。
由于季节对功率分配影响，本发明对第四，第五类风力发电机组的功率设定采取不同的分配方法。由于春夏秋季分配策略使尽量少的风力发电机组在运行状态和停机状态之间转换，所以先对第四类风力发电机组进行功率分配设定，然后对第五类风力发电机组进行功率设定。冬季分配策略使尽量多的风力发电机组处于运行状态，所以首先启动尽量多的第五类风力发电机组，然后再据升功率的需求对第四类风力发电机组功率进行设定，达到发电功率需求。
图3为春夏秋季升功率分配流程，首先对第一，第二，第三类风力发电机组进行功率设置，然后比较第四类风力发电机组的升功率调节能力与需要升高的功率大小，即差值ΔP，判断是否需要对第五类机组进行功率分配。如果大于，则第四类风力发电机组设定值按单台机组的升功率调节能力进行分配，第五类风力发电机组设定值为0；如果小于，则第四类风力发电机组设定值为预测功率，然后启动第五类风力发电机组。
图4为冬季升功率分配流程，首先对第一，第二，第三类风力发电机组功率设定以后，设定于春夏秋季功率分配相同；然后尽可能多的启动第五类风力发电机组，启动第五类风力发电机组并将剩余功率按单台机组的升功率调节能力分配给第四类风力发电机组。
在本实施例中，升功率分配策略考虑了季节影响，分为春夏秋季功率分配原则与冬季功率分配原则。春夏秋季功率分配原则与冬季功率分配原则考虑了外界温度条件采取了不同的分配策略，保证风力发电机组器件运行在合理的温度条件下，避免了频繁启动或者停机对电网带来的冲击，减小了对机组的损耗，保护了风力发电机组。
图5是降功率分配流程图
在执行降功率分配策略时，由于季节对功率分配影响，冬季分配策略使尽量多的风力发电机组运行；春夏秋分配策略使尽量少的风力发电机组在运行与停机状态间转换，停机数量尽可能少。所以执行降功率分配策略时春夏秋季功率分配原则与冬季功率分配原则的目的都是使风力发电机组的运行数量最多，因此功率分配流程相同。
在本实施例中，风力发电场的降功率调节能力Pcap，为所有第一，第二，第三，第四类机组功率都按照最小发电原则发电时整个风力发电场所能够降低的总功率，其中P1，P2，P3，P4分别为第一类，第二类，第三类，第四类风力发电机组的实时发电总功率。K为第二，第三，第四类风力发电机组功率预测功率大于最小风力发电机组发电功率Pmin的总台数。P7为预测功率小于最小风力发电机组发电功率Pmin的第三类风力发电机组的总预测功率，P8为预测功率小于Pmin的第二类风力发电机组的总预测功率。计算最终需要对五类风力发电机组降低的功率ΔP1＝ΔP+3total，ΔP1为风力发电场需要降低的总的有功功率ΔP的修正，P3total为所有功率控制不可控机组升高的总功率。ΔP1大于0时符合继续执行降功率分配策略条件。当最终需要降低功率ΔP1大于风电场降功率调节能力Pcap时执行深限幅功率分配策略，否则执行浅限幅功率分配策略。
执行浅限幅功率策略分配时，第一类风力发电机组属于故障风力发电机组，故风力发电机组的功率设定值为0，第二类将功率输出风力发电机组按照最小发电功率设定，第五类待启风力发电机组设定值不变。为了使尽量多的风力发电机组的下一周期的实际功率等于设定功率，降功率的顺序为：先降第三类风力发电机组，根据还需要降低的功率与第三类机组降功率能力来判断是否需要对第四类机组执行降功率再分配。
深限幅功率分配策略需要停掉部分或者全部运行的风力发电机组，停机的顺序是：停机的顺序是：第二类降功率输出风力发电机组、第三四类中的报警降功率风力发电机组、第三四类中的报警运行风力发电机组、第三四类中的疲劳风力发电机组，第三四类中的正常风力发电机组。
实例
将本发明的功率分配策略应用于实际包含风力发电的国内某区域电网，该区域电网包含若干大型风电场，选取某一个风力发电场作为监视区域，该风力发电场包含66台连接正常并且可以控制的机组，采集每一台风力发电机组的最终功率分配结果。
图6为风力发电场有功功率控制示意图。图中机组旁标号为风力发电场中风力发电机组的标示号。通过采集每台风力发电机组的功率，故障码，运行状态等数据对每台风力发电机组进行分类。为简化起见，本实施例中只讨论第一个环网的机组分类，该环网中3#，10#，14#风力发电机组返回数据报文中功率数据为0，并且故障码为1，属于第一类故障风力发电机组；2#，8#，9#风力发电机组返回数据报文中降功率故障码为1，发电功率即将降低，属于第二类降功率输出风力发电机组；4#，13#风力发电机组故障码为均为0，并且对下周期的预测功率小于上周期的实际发电功率，属于第三类低风速区风力发电机组；1#，5#，6#，12#，15#，16#，18#风力发电机组故障码为均为0，并且对下周期的预测功率大于上周期的实际发电功率，属于第四类高风速区风力发电机组；7#，11#，17#风力发电机组中故障码均为0，实际发电功率为0，属于第五类待启风力发电机组。
根据风力发电场的发电需求及风力发电机组的分类按照对应功率分配方法进行功率分配。通过采集风力发电场中66台风力发电机组的实时发电功率，确定实际风力发电场的功率测量值。图7为功率分配效果图，图中a点风场功率测量曲线由于风场中部分风机故障停机导致突然下降，在下一周期功率分配时恢复正常达到设定，响应时间较小；b，c，d点功率波动时由于风速的突然增大或减小导致功率突然变化，但很快恢复达到正常，抗干扰能力较好。从整体功率分配效果看，在执行升降功率分配过程中，风场实际发电功率能够跟随设定功率，并且在能够处理由于机组故障，风速突变引发的对有功功率分配的影响。
本发明风力发电场有功功率分配方法的实用性：
现有风力发电场有功功率分配策略一般采用平均分配的方法，将升高或者降低的功率平均分配给风场中的风力发电机组，没有考虑到风机的运行状态及风力发电机组的升高降低能力，对风力发电机组有很大的损害并且不能满足风力发电场的有功功率分配要求。此方法的提出弥补了现有风力发电场有功功率分配技术的不足，提供一种合理的风力发电场有功功率的分配策略。特别的，本发明的有功功率分配策略考虑了实际风力发电机组状态，风力发电机组的升功率降功率能力，电网标准及风力发电场的实际运行需求标准。对风电并网具有重要意义，促进了风力发电技术的发展。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种风力发电场有功功率分配方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、针对通信正常并且可以控制的风力发电机组进行分类
第一类故障风力发电机组，发生停机故障的风力发电机组，判断故障风力发电机组所需参数：机组的运行状态码，若机组的运行状态码处于故障状态，则机组属于第一类故障风力发电机组；故障风力发电机组分为两类：发生停机故障即将停机的机组和发生停机故障已经停机的机组；
第二类降功率输出风力发电机组，发生降功率故障将要降低发电功率的机组，判断降功率输出风力发电机组所需参数：机组的降功率故障状态码，若机组的降功率故障状态码处于故障状态，则机组属于第二类降功率输出风力发电机组；
第三类低风速区风力发电机组，处于低风速状态的机组，判断低风速区风力发电机组所需参数：机组的下一周期的预测功率小于上一周期的设定功率；
第四类高风速区风力发电机组，处于高风速状态的机组，判断所需参数：机组的下一周期的预测功率大于上一周期的设定功率；
第五类待启风力发电机组，停机故障已清除的停机机组和由功率分配需要而已停机的无故障机组，判断待启风力发电机组所需参数：机组的运行状态码，若风力机的运行状态码处于待启状态，则机组属于第五类待启风力发电机组；
其中第三类低风速区风力发电机组、第四类高风速区风力发电机组中正常运行的机组称为正常风力发电机组；第三类低风速区风力发电机组、第四类高风速区风力发电机组中总的历史发电功率较大的机组称为疲劳风力发电机组；第三类低风速区风力发电机组、第四类高风速区风力发电机组中出现报警运行故障码的风力发电机组称为报警运行风力发电机组；第三类低风速区风力发电机组、第四类高风速区风力发电机组中出现降功率故障报警的机组称为报警降功率风力发电机组；
(2)、根据风力发电场设定功率与功率测量值的差值ΔP执行功率分配策略
当差值ΔP为正值时，执行升功率分配策略，反之，当差值ΔP为负值时，执行降功率分配策略；
a1、升功率分配策略为将需要增加的功率，即差值ΔP分配给第四类高风速区风力发电机组、第五类待启风力发电机组；
a2、降功率分配策略为当风力发电场的降功率调节能力大于需要降低的功率时执行浅限幅功率分配策略，否则执行深限幅功率分配策略；其中风力发电场的降功率调节能力为所有第一类故障风力发电机组、第二类降功率输出风力发电机组、第三类低风速区风力发电机组、第四类高风速区风力发电机组功率都按照最小发电原则发电时，整个风力发电场所能够降低的总功率；
在执行深限幅、浅限幅功率分配策略时第五类待启风力发电机组的设定值不变；当降功率分配执行浅限幅功率分配策略时，机组降低功率的顺序是：第一类故障风力发电机组、第二类降功率输出风力发电机组、第三类低风速区风力发电机组、第四类高风速区风力发电机组；当有功功率分配执行深限幅功率分配策略时，停机的顺序是：第二类降功率输出风力发电机组、报警降功率风力发电机组、报警运行风力发电机组、疲劳风力发电机组、正常风力发电机组。
2.根据权利要求1所述的风力发电场有功功率分配方法，其特征在于，所述的升功率分配策略分为：
b1、春夏秋季升功率分配流程：首先对第一类故障风力发电机组，第二类降功率输出风力发电机组，第三类低风速区风力发电机组进行功率设置，第一类故障风力发电机组为停机，第二类降功率输出风力发电机组的功率设定值按照风力发电机组最小发电原则，第三类低风速区风力发电机组的设定值不变；
然后比较第四类高风速区风力发电机组的升功率调节能力与需要升高的差值ΔP，如果大于，则第四类高风速区风力发电机组设定值按单台机组的升功率调节能力进行分配，第五类待启风力发电机组设定值为0，如果小于，则第四类高风速区风力发电机组设定值为预测功率，然后启动第五类待启风力发电机组；
b2、冬季功率升分配流程：首先对第一类故障风力发电机组，第二类降功率输出风力发电机组，第三类低风速区风力发电机组进行功率设置，第一类故障风力发电机组为停机，第二类降功率输出风力发电机组的功率设定值按照风力发电机组最小发电原则，第三类低风速区风力发电机组的设定值不变；
然后启动第五类待启风力发电机组，并将剩余功率按单台机组的升功率调节能力分配给第四类高风速区风力发电机组。
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