CN102361330B - 风电场风电机组有功功率优化分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电场风电机组的有功功率优化分配方法。该方法基于实时测风数据和超短期风功率预测数据计算风电机组的功率裕度。充分考虑风电机组的运行约束条件，通过升功率队列、降功率队列和起机队列对风电机组进行功率分配和起停控制。本发明让尽可能多的风电机组参与功率调节，能够快速响应调度指令。同时减少了风电机组的调节频度，有利于风电机组的长期稳定运行。本发明对不同类型风电机组的特性进行了参数化处理，可适应多种类型的风电机组。

Description

风电场风电机组有功功率优化分配方法

技术领域

本发明针对风电场的有功功率控制分配机制，应用于风电场中。本发明属于电力系统发电领域。

技术背景

近年来，我国的风电发展势头迅猛。随着风电机组装机容量占总装机容量比例的不断提升，风电机组送往电网的功率的大幅度波动将会对电网的稳定运行带来越来越大的隐患。实现对风电场功率的可观测性和可调控性是迫切需要解决的问题。

国家电网公司发布的“风电场接入电力系统技术规定”中明确规定：“风电场必须具有功率调节能力，并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。”由此可见，风电场的有功功率控制技术在风电场并网方面起着至关重要的作用。

调度部门所给出的有功出力是针对整个风电场的，需要将调度的指令分配到风电机组，分配方法是技术关键和难点，分配策略直接决定有功控制能否快速准确响应。同时风电机组属于机电设备，其偏航变桨系统不能频繁调节。有效降低对风电机组的调节频度也是必须要考虑的问题。

目前风电场中已经使用的有功功率分配方案比较简单，采用直接启停机的方式对功率进行调节：当功率超出设定值时对风机进行顺序停机直至功率降至设定值以下，当功率低于设定值达到某种程度时通过启动风机并让风机满发的方式来使得功率接近设定值。这种方式存在几点缺陷：

1)风机会比较频繁的启停机，这会影响风机的寿命，同时风机起停机都需要一定的时间，导致调节速度较慢；

2)调节粒度较大，不能实现较准确的调节。这样为了不超出调度的限额，必须留有一定的裕量，从而使得风场的上网有功功率只能维持在一个较低的值，损坏了风场的经济效益；

3)没有考虑全场风机的寿命均衡。当持续出现升降功率的时候，有可能导致某些风机频繁起停，而其他风机一直不参与调节，最终导致整个风场风机寿命的不均衡，增加了维护难度。

发明内容

为解决现有技术存在的以上问题，本发明提出了一种风电场风电机组的有功功率优化分配方法。该方法充分考虑了风电机组的运行约束条件，将调度指令在风电机组中进行优化分配。

首先对本发明内容所涉及的以下几个标准化运行参数进行说明或者定义：

1)风电机组是否参与功率调节：为了与风功率预测系统配合，需要设置指定风电机组处于满发状态，以便于为风功率预测系统提供校核数据；

2)最小运行功率：当风电机组的实发功率小于一定值时，风电机组的运行经济性会较差。特设置最小运行功率限制，低于该值时，风电机组将会直接停机；

3)最小停机时间：风电机组停机后到再次起机的最小时间间隔；

4)最小运行时间：风电机组起机后到停机的最小时间间隔；

5)有功功率调节响应时间：风电机组接收到有功功率指令后，完成调节所需要的时间。

6)相似裕度法：

要增加各机组的有功时，调节有功功率的大小根据各风电机组的有功升功率裕度大小进行分配。各个可调风电机组分配的有功增量为：

$\mathrm{\Δ}{P}_m=\frac{P_{m\max }-P_m}{\underset{j}{\mathrm{\Σ}}(P_{j\max }-P_j)}\·(P_{t\arg \mathrm{et}}-P_{\mathrm{all}})$

要减少各机组有功时，其减少值根据各风电机组的有功降功率裕度大小进行分配。各个可调风电机组分配的有功增量为：

$\mathrm{\Δ}{P}_m=\frac{P_m-P_{m\min }}{\underset{j}{\mathrm{\Σ}}(P_j-P_{j\min })}\·(P_{t\arg \mathrm{et}}-P_{\mathrm{all}})$

其中个符号含义如下：

ΔPm	风电机组m分配的有功增量
		Ptarget	目标总有功
Pall	实发总有功
		Pjmax	第j台风电机组有功上限
Pjmin	第j台风电机组有功下限
		Pj	第j台风电机组实发有功

1)裕度：包括升功率裕度和降功率裕度，升功率裕度是指机组从当前有功功率升至有功功率上限的有功功率变化量；降功率裕度是指机组从当前有功功率降功率至有功功率下限或者停机时候的有功功率变化量。

2)裕度系数：裕度占最大有功功率的百分比，即：裕度系数＝裕度/最大有功功率。

3)已选择的风电机组：是指在相似裕度法中，选定的参与调节的风电机组。

4)可调节的风电机组：是指参与有功功率调节的风电机组。

对于主流风电机组厂商，这上述参数进行存储，使用时只需要选择对应风电机组类型即可。对于新机组，根据厂商提供的数据和实验等方法获取相应参数。

本发明具体采用以下技术方案：

一种风电场风电机组有功功率优化分配方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)依据实时测风数据和超短期预测数据计算风电机组的最大有功功率和最优有功功率；

2)依据风电机组的当前实发有功功率和最大有功功率计算其升降功率裕度系数，其中升功率裕度系数为：升功率裕度/最大有功，降功率裕度为：降功率裕度/最大有功，依据升降功率裕度系数大小分别生成升功率队列和降功率队列；

3)当风电机组停机后，直至超过最小停机时间才能按照先后顺序生成起机队列；

4)以尽可能多的风电机组参与运行为原则，当升功率时，优先按照起机队列顺序起机，然后使用相似裕度法进行各可调风电机组的升功率分配；

5)当降功率时，优先对各可调风电机组按照相似裕度法进行降功率分配，若依然不满足降功率要求时，再对风电机组按照降功率队列顺序停机。

本发明可以实现风电场有功全场控制，使得风电场的有功在调度端看来是可控并且可以较快速度响应的。此外由于该发明可以自动将调度的有功指令分配到单个风电机组来执行，从而可以大大减小风电场操作员的劳动强度。该发明有利于调度向风电场分配更多的负荷，同时可以避免风电场由于超负荷导致的经济损失，大大提高风电场的经济效益。

附图说明

图1为风电场风电机组有功功率优化分配方法流程图。

图2为风电机组的有功功率分配方法流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。

如图1所示为本发明公开的风电场风电机组有功功率优化分配方法的流程示意图。主要包括最大最优有功功率计算，升降功率队列，起机队列，升降功率分配方法几部分，以下详细介绍本发明风电场风电机组有功功率优化分配方法的技术方案。

本发明风电场风电机组有功功率优化分配方法包括以下步骤：

1、风电机组最大有功功率和最优有功功率的计算

依据实时测风数据和超短期预测数据可以计算出风电机组在未来一段时间内的最大有功功率，考虑了风电机组未来的发电能力，可有效减少风电机组的调节频度。最大有功功率的计算公式如下：

$P_{\max }^i=\frac{T_{\mathrm{esc}}}{T_{\mathrm{int}}}{P}_{\mathrm{cur}}^i+\frac{T_{\mathrm{int}}-T_{\mathrm{esc}}}{T_{\mathrm{int}}}{P}_{\mathrm{fut}}^i$

在实际应用中对实时测风数据进行低通滤波，滤除测风数据中的高频部分，保留低频部分作为有效的测风数据进行计算。这样可有效避免高频风波动导致的风电机组控制的频繁动作。

风电机组的最大有功功率包含预测因素，由于预测的偏差，会导致风电机组的实际发电能力小于最大有功功率的情况。为了保证对风电机组的准确控制，对于最大有功功率取一个置信系数，生成最优有功功率，计算公式如下：

$P_{\mathrm{opt}}^i=k_i{P}_{\max }^i$

各个符号的具体含义如下：

将所有风电机组的最大有功功率和最优有功功率累加，即可获得风电机群的最大有功功率和最优有功功率。

2、依据风电机组的当前实发有功功率和最大有功功率计算各风电机组的升功率裕度系数和降功率裕度系数，并生成升功率队列和降功率队列

其中升功率裕度系数为：升功率裕度/最大有功，降功率裕度为：降功率裕度/最大有功

各风电机组按照升功率裕度系数从大到小顺序顺寻生成升功率队列，当升功率裕度系数最大的风电机组优先升功率完毕后，因其升功率裕度系数变小，将移至升功率队列队尾；

各风电机组按照降功率裕度系数从大到小顺序生成降功率队列，当降功率裕度系数最大的风电机组优先降功率完毕后，因其降功率裕度系数变小，将移至降功率队列队尾

3、起机队列的生成

记录各个风电机组停机的时间，当风电机组停机时间超过某个预设值之后风机可以启动，此时将风电机组移动至起机队列的末尾。通过这种方式将可以启动的风电机组按照停机时间由长到短的顺序进行排列，生成起机队列。

4、升功率分配方法

风电机组有功功率分配方法如图2所示。

首先定义如下的符号。

按照相似裕度法，升功率时候风电机组有功功率分配方法包括但不限于如下内容：升功率时候的机组选择为：停机队列前TurStartNumMax个机组+升功率队列；

a)如果

即当前升功率容量大于当前机群可分配容量，则按照机群最大容量来分配当前升功率容量

所有机组均以最大有功功率运行，并输出告警信号；

b)如果

即当前所有可调风电机组运行在最优有功功率的状态时，仍不能满足当前升功率容量要求，则所有可调风电机组首先调整功率至最优有功功率，其余升功率容量按照

作为升功率裕度使用相似裕度法在所有可调风电机组间进行分配；

c)如果

即所有可调风电机组功率都升高至最优有功功率时能够满足当前升功率容量要求，则从升功率队列中依次选择风电机组，直至已选择风电机组的升功率裕度总和大于等于当前升功率容量，则已选择的这些风电机组按照作为升功率裕度使用相似裕度法进行分配所述升功率容量。

5、降功率分配方法

降功率时候风电机组有功功率分配方法包括但不限于以下内容：

a)降功率时候只使用降功率队列；

b)如果

表明所有可调风电机组降功率至最小运行功率仍然不能满足降功率要求，应先将所有可调风电机组有功功率降至最小运行功率，然后按照降功率队列顺序依次停止风电机组，将剩余小于一台风电机组最小运行功率的余量作为升功率容量分配给不需要停机的风电机组；

c)如果

所有可调风电机组功率降至最小运行功率可以满足降功率要求

■如果当前的降功率队列中不存在超出最优功率运行的机组，则正常调节，从降功率队列中依次选择风电机组，直至已选择风电机组的降功率裕度总和大于等于当前降功率容量

则已选择的这些风电机组以

作为降功率裕度按照相似裕度法分配降功率容量

■如果当前的降功率队列中存在超出最优功率运行的机组，则优先将这些风机降功率至最优功率。如果将所有高于最优功率运行的机组的功率降至最优功率可以满足降功率容量，则从降功率队列中依次选择风电机组，直至已选择风电机组降功率至最优功率的降功率裕度总和大于等于当前降功率容量，将这些选择的风电机组的功率降至最优功率。否则首先将所有高于最优功率运行的风电机组降功率至最优功率，然后在降功率队列中选择机组并按照相似裕度法分配其余的降功率容量。

当分配了风电机组的有功功率指令后，经过设定的风电机组有功功率调节响应时间后，再次根据调节偏差进行闭环控制，分配方法同上，以精确响应调度指令。下面列出一个风电场的升功率控制实例。假设该风电场有33台额定功率为1.5MW风电机组，其中风电机组11、22、33为风功率预测系统所指定的标准机，处于自由发电状态。设定风电机组最大功率的置信系数k_i为0.8，升功率裕度倍数UpMargin为2，每个控制周期可起动风电机组的最大数量TurStartNumMax为2。

风电机组的风速功率曲线如下表所示。

风速(m/s)	3	4	5	6	7	8	9	10
									功率(kW)	4	49.2	146.6	278.2	466.9	716.4	1030.9	1364.7
风速(m/s)	11	12	13	14	15	16	17	18
									功率(kW)	1500	1500	1500	1500	1500	1500	1500	1500
风速(m/s)	19	20	21	22	23	24	25
									功率(kW)	1500	1500	1500	1500	1500	1500	1500

在某个调节时刻，起机队列和升功率队列如下表所示，其中表格内数字为风电机组编号。

当目标有功指令从10MW变为20MW时，起机队列中的前两个风电机组和升功率队列中的所有风电机组按照自身的裕度进行了功率功率调节。下表所示为经过该算法计算的指令分配结果。

Claims (4)

1.一种风电场风电机组有功功率优化分配方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤

1)依据实时测风数据和超短期预测数据计算可调风电机组的最大有功功率和最优有功功率；

2)依据可调风电机组的当前实发有功功率和最大有功功率计算其升功率裕度系数和降功率裕度系数，各可调风电机组按照升功率裕度系数从大到小顺序生成升功率队列，各可调风电机组按照降功率裕度系数从大到小顺序生成降功率队列；

3）当可调风电机组停机后，直至超过最小停机时间才能按照先后顺序生成起机队列；

4）以尽可能多的可调风电机组参与运行为原则，当升功率时，优先按照起机队列顺序起机，然后使用相似裕度法进行各可调风电机组的升功率分配，采用相似裕度法对可调风电机组升功率时进行有功功率分配，包括以下内容：

如果当前升功率容量大于当前所有可调风电机组可分配容量，则按照所有可调风电机组最大容量来分配当前升功率容量；

如果当前所有可调风电机组运行在最优有功功率的状态时，仍不能满足当前升功率容量要求，则将所有可调风电机组首先调整功率至最优有功功率后，其余的升功率容量按照相似裕度法在所有可调风电机组间进行分配、即使所有调整后的可调风电机组的有功功率运行点距离其有功功率上限的距离有相同的百分比；

如果所有可调风电机组功率都升高至最优有功功率时能够满足当前升功率容量要求，则按照升功率队列顺序从升功率队列中依次选择风电机组，直至已选择风电机组的升功率裕度总和大于等于当前升功率容量，则已选择的这些风电机组按照相似裕度法进行分配所述升功率容量、即从升功率队列中选择的风电机组在分配所述升功率容量后的有功功率运行点距离其有功功率上限的距离有相同的百分比；

5）当降功率时，优先对各可调风电机组按照相似裕度法进行降功率分配，若依然不满足降功率要求时，再对各可调风电机组按照降功率队列顺序停机，采用相似裕度法对可调风电机组降功率时进行有功功率分配，包括以下内容：

如果所有可调风电机组降功率至最小运行功率仍然不能满足降功率要求，应先将所有可调风电机组有功功率降至最小运行功率，然后按照降功率队列顺序依次停止风电机组，将剩余小于一台风电机组最小运行功率的余量作为升功率容量分配给不需要停机的风电机组；

如果所有可调风电机组功率降至最小运行功率可以满足降功率要求，且当前的降功率队列中不存在超出最优功率运行的可调风电机组，则从降功率队列中依次选择可调风电机组，直至已选择可调风电机组的降功率裕度总和大于等于当前降功率容量，则已选择的这些风电机组按照相似裕度法分配降功率容量、即使得降功率后的各可调风电机组的有功功率运行点距离其有功功率上限的距离有相同的百分比；

如果将所有高于最优有功功率运行的可调风电机组的功率降至最优有功功率可以满足降功率容量，则从降功率队列中依次选择可调风电机组，直至已选择可调风电机组降功率至最优功率的降功率裕度总和大于等于当前降功率容量，将这些选择的可调风电机组的功率降至最优功率；否则首先将所有高于最优有功功率运行的可调风电机组降功率至最优有功功率，然后在降功率队列中选择机组并按照相似裕度法分配其余的降功率容量。

2.根据权利要求1所述的风电场风电机组有功功率优化分配方法，其特征在于：

在步骤1）中，依据实时测风数据和超短期预测数据计算可调风电机组的最大有功功率和最优有功功率，其中，最大有功功率和最优有功功率的计算公式如下：

$P_{\mathrm{opt}}^i=k_i{P}_{\max }^i$

$P_{\max }^i=\frac{T_{\mathrm{esc}}}{T_{\mathrm{int}}}{P}_{\mathrm{cur}}^i+\frac{T_{\mathrm{int}}-T_{\mathrm{esc}}}{T_{\mathrm{int}}}{P}_{\mathrm{fut}}^i$

其中，

为风电机组i在未来一段时间内的最优有功功率，

为风电机组i在未来一段时间内的最大有功功率，k_i为风电机组i的最大有功功率置信系数，其取值范围为0.7～0.95，T_int为超短期预测数据的时间间隔，T_esc为上一个预测数据的时间点与当前时间的差值，为所述风电机组i当前气候下的最大有功功率，

为风电机组i在下一个时间点的最大有功功率预测值。

3.根据权利要求1所述的风电场风电机组有功功率优化分配方法，其特征在于：

在所述步骤2）中，进一步包括：

各可调风电机组按照升功率裕度系数从大到小顺序生成升功率队列，当升功率裕度系数最大的可调风电机组优先升功率完毕后，因该风电机组的升功率裕度系数变小，将移至升功率队列队尾；

各可调风电机组按照降功率裕度系数从大到小顺序生成降功率队列，当降功率裕度系数最大的可调风电机组优先降功率完毕后，因其降功率裕度系数变小，将移至降功率队列队尾。

4.根据权利要求1所述的风电场风电机组有功功率优化分配方法，其特征在于：所述有功功率优化分配方法进一步包括：将可调风电机组的运行参数标准化，通过运行参数的设定，适应不同类型风电机组的运行特性和起停机特性，所述标准化的运行参数包含是否参与功率调节、最小运行功率、最小停机时间、最小运行时间、有功功率调节响应时间。

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