CN102856925B - 一种风电场功率综合分配方法 - Google Patents

Abstract

一种风电场功率综合分配方法，包括对风电机组实时采集数据，功率分配计算，输出分配调节指令和实施功率微调节。分配值计算采用最小保持机组组合、多目标规划分配、备用机组容量旋转和有功无功功率协调控制的方法计算风电机组功率分配值。功率微调节是在一次功率分配完成时，若风电场监控系统检测到风电机组未达到限定值指标P_Lim(t)或出现过度调节时进行调节。输出分配调节指令针对分配值计算得到的功率调整值以及功率微调节的设定功率值采取应用等比例输出、验证输出指令和功率微调节三种模式，对风电机组控制系统下达控制调节功率的指令。本发明通过判断风电机组当前的实际运行状态，利用风电场监控系统对各机组进行实时功率监视和调节。

Description

一种风电场功率综合分配方法

技术领域

本发明涉及一种风电场控制方法，特别涉及功率分配方法。

背景技术

目前，随着清洁能源在世界范围内得到快速发展，非化石能源的总量消耗比重不断增加，我国风电产业快速发展。截止2011年底，风电累计装机容量达近6240万千瓦，居世界第一。然而，随着大规模风电并网接入，风力发电容量随之增加，但风电并网技术程度仍很低，对电力系统负荷影响显著，由此风电场运行管理和电网调度运行提上日程。如何根据风力发电的自身特点，建立一种新型风电场功率分配调度方法以适应电网调度要求，保持风电场和电网功率平衡，是当前电力系统安全运行迫切需要解决的问题，也是保证风电场功率输出平稳、提高电能质量的需要。

风能是一种随机性、波动性较大的可再生能源。合理地提高风能利用效率，并最大限度地发挥风电机组功率输出效率，目前国内外开展了大量基于电气剖分的硬件设施功率调节策略研究，但多数采用机组停机和调桨方法，这样不仅导致在风速最佳情况下不能充分地利用风资源，而且严重影响了机组的发电运行效率，尤其是在气候比较恶劣时，极易导致机组长时间不运行或频繁操作下的设备元件损坏，造成机组与电网解列、经济效益降低。

风电场功率分配与风电机组的有功/无功功率控制、风电场并网出力变化息息相关。国内外对此提出了不少规程，如德国对有功调节速度要求达到每秒10%的机组额定容量而不应引起继电保护动作；有功功率最大恢复速度为每分钟10%的额定有功功率。我国新颁布的风电接入技术规定要求风电场有功功率变化率根据其装机容量有所不同，如容量在30到150MW的风电场的有功功率变化率10min不能超过额定容量的1/3，1min平均上限为额定容量的1/10。这些规程不仅反映了各国风电机组技术和管理水平的不同，而且表明风电不具备常规火电机组的功率调节能力。因此，在电网限功率运行时段内，研究如何协调电网运行并制定合理有效地功率分配方法，连续平滑地控制有功功率和无功功率变化，保持机组在网稳定运行，是目前风电场面临的技术难点之一。

我国并网风电机组中，双馈变速恒频风电机组约占60%，恒速风电机组约占30%，其他约占10%，由于部分风电场未配备快速无功补偿装置或控制系统，使得风电机组在不弃风情况下，支持电网调度指令的控制有功/无功功率调节增加了难度。因此，克服风电机组出力的无规律性，实现风电场监控系统与功率分配方法的无缝链接，改善机组运行模式和出力调节控制切换方法等研究成果相对罕见，而对电网稳定和机组正常运行至关重要。

目前，在电力系统中针对风电接入的功率分配技术有如下方法：

中国专利201010518499.7《一种风力发电场有功功率分配方法》提出了一种风电场有功功率分配方法，该方法根据风场的运行参数、故障、预测功率信息将风电机组划分为故障、降功率输出、低风速区、高风速区和待启五种类型来执行功率分配升降调节，提高了风电机组的可利用率，避免了机组的频繁起停。

中国专利201110318857.4《风电场风电机组有功功率优化分配方法》基于实时测风数据和超短期预测，计算升降功率裕度系数的有功功率分配方法。该方法仅从机组自身运行约束条件出发，实施升降功率。并使场内尽可能多的风电机组参与功率调节，减少了风电机组的调节频度，从一定程度上提高了风电场的经济效益。

上述两份专利分别从机组自身运行信息、风电功率预测、启停机组等角度阐述了有功功率的分配及调节技术。然而，由于风力发电可靠性差，导致现有的带功率预测的分配技术受到外部自然条件和内部故障限制，并不能充分合理地反映实际发电量，并且两份专利仅提及分配计算，如何实施控制没有详尽表述。

中国专利201010269035.7《用于风电场监控系统的风电有功功率自动控制方法》提供一种用于监控系统的风电有功自动控制方法，通过最大出力、计划跟踪和自适应调节三种模式来控制有功功率输出，利用有功最大功率变化率、电网频率信息等条件限制进行容量比例计算分配到每台机组，从而使风电场协调配合接入地区的电网运行，提高了风电场的自动化控制和管理运行水平。

随着机组类型增多、功率可调程度存在差异，虽然在中国专利201010269035.7的策略中减少应用频繁停机来限制风电机组出力的频度，然而单一采用比例模型调节，实际可解释性较差。而且，针对无功功率研究与有功分配类似，但在有功无功协调控制上实施较少。因此，对于风电机组从功率分配计算、调节控制实施到协调常规火电等发电运行控制、监控系统有功和无功功率调节以及功率限制结束的功率恢复调节整个过程，在上述文献中均未深入涉及。

发明内容

本发明目的是克服目前风电场内监控系统有功和无功功率的协调分配方式的缺陷，以及具体限制调节风电场内风电机组的有功/无功功率输出技术举措的缺点，提出一种结合监控系统对风电机组实施功率分配控制的方法。

本发明功率综合分配方法遵循以下原则：

a）满足电网调度中心的限功率运行时间长度要求，并使风电场稳定运行保持在功率限定值的95%-105%指标范围内。

b）最大限度地减小风电场内调整机组数目，减少有功功率损耗。

本发明功率综合分配方法的效果如下：

a）每台风力发电机组的功率分配值与当前出力值相比，升降调节偏差较小，可以避免与电网解列和停机事故发生。

b）与现有的常规分配方式相比，不仅从分配方法上改进优化，而且降低了调整机组次数和分配不公比例。

c）防止因功率调节变化过快造成电网电压和频率大幅度波动。

本发明对组成风电场的多台风电机组的功率进行综合分配，通过各风电场的监控系统与风电机组控制系统的通讯实施控制。当风电场处于限定功率时段时，本发明针对不同类型的可控风电机组实施有功和无功功率的协调控制。

本发明技术方案包括对风电机组实时采集数据，功率分配计算，输出分配调节指令，实施功率微调节等步骤，最终控制机组的运行满足功率限定要求。

各步骤的具体内容如下：

1、所述的对风电机组实时采集数据步骤是通过现场总线或网络技术将实时采集的数据传送至风电场的监控系统中，与风电机组控制系统建立正常通讯。此实时采集数据的过程是监控机组运行状态，以及采用四种计算方法实施分配计算的基础手段，在整个功率综合分配过程提供风电机组的运行参数。

2、所述的分配值计算步骤可采用最小保持机组组合、多目标规划分配、备用机组容量旋转和有功无功功率协调控制等四种方法计算风电机组功率分配值，为监控系统向风机控制系统实施功率分配控制时，选择执行输出分配调节指令模式和功率微调节步骤提供了功率的变化目标：

1）最小保持机组组合分配方法

最小保持机组组合分配方法是根据机组的实际运行风况和功率，确立并计算得出参与分配的机组及其功率调整值，它反映了参与功率分配机组由实际运行功率变化到功率限定值时的功率变化值。最小保持机组组合分配方法从机组实际运行的电气原理出发，适用于机组额定输出功率差异较大，参与分配机组数量较少，且风电场内不具备功率预测系统的情况。

此方法的步骤如下：

（a）首先实时采集当前时刻t下的风速WindS_cur（t）、风向WindX_cur（t）、每台风电机组的实际运行功率P_icur(t)、统计参与功率调节的风电机组数量N_ctrl(t)，风电场内正常并网运行的机组数量N_total；计算每台风电机组输出有功功率与最大运行功率的运行效率系数k_imax，以及每台风电机组输出有功功率与最小运行功率的运行效率系数k_imin：

k_imin＝P_icur(t)/P_mini(t)    （1-1）

k_imax＝P_icur(t)/P_maxi(t)    （1-2）

公式（1-1）和（1-2）中，P_maxi(t)表示风电机组运行最大功率极限，P_mini(t)表示风电机组运行最小功率极限；

（b）然后计算参与功率调节的机组数量比例R_inum，

R_inum＝N_ctrl(t)/N_total  （1-3）

之后进入步骤（c）；

（c）结合运行效率系数k_imin、k_imax和参与调节比例系数R_inum，建立似然函数，确定一个估计系数α；

L(α)＝L(k_imin,k_imax,R_inum;α)  （1-4）

（d）根据α划分置信区间，选择不满足公式（1-5）、（1-6）的机组，设定时间极小系数t₀，在当前时刻t±t₀内选择待机及并网正常运行的机组参与分配，参与分配调节的机组组合数量为N_dispatch；

$\mathrm{\α}*P_{\mathrm{icur}}\left(t\right)\≅P_{\max i}---(1-5)$

$\mathrm{\α}*P_{\mathrm{icur}}\left(t\right)\≅P_{\min i}---(1-6)$

（e）检查当前时刻t±t₀内机组运行状态。若机组处于停止或检修状态，划分为不可控机组，并返回至步骤（d），否则进入步骤（f）；

（f）按照公式（1-7）和（1-8），比较参与分配机组的当前运行功率P_icur(t)与限定功率值P_Lim(t)，计算参与分配机组N_dispatch的参考平均值P_iavg(t)，计算得出参与分配机组N_dispatch的单台机组提升或降低功率的调整量ΔP_i(t)，

P_Lim(t)＝P_iavg(t)*N_dispatch±P_err  （1-7）

ΔP_i(t)＝|P_icur(t)-P_iavg(t)|       （1-8）

公式（1-8）中，P_err为功率总调整量∑ΔP_i(t)与P_Lim(t)之间的极小偏差。

2）多目标规划分配方法

多目标规划分配方法是根据机组的启停时间，响应调节时间，包含并网电压和频率等的电网稳定运行参数来计算参与分配机组的功率分配值，这些参数反映了风机的经济运行性能和电网稳定特征。它适用于因限定功率变化较大而容易导致对电网造成冲击的风电场，或电网要求功率限定范围较精确，不具备功率预测系统的情况。

此方法的步骤如下：

（a）采集反映机组正常运行的性能参数和运行状态，按照固定时间间隔T_s来统计以下参数：机组累计停机时间T_stop、持续运行时间T_run、累计开机时间T_i，off、最小持续停机时间T_i，down、累计停机次数C_stop和累计故障次数C_fault；

（b）根据步骤（a）得到的参数，确立以下约束条件：

累计开机时间大于等于最小持续停机时间，

T_i，off≤T_i，down         （2-1）

单台机组的响应调节时间小于设定时间系数λ范围，其中T_iresp为每台风电机组响应速度；T_response表示风电场整体调节反应时间；

max{T_1resp,T_2resp，...,T_iresp,T_nresp}-λ*T_response≤0  （2-2）

利用排列组合原理，确立可参与功率分配的机组N_dispatch；

（c）建立有功功率分配调节的目标函数。

忽略传输线路损耗，保持电力系统负荷P_D(t)与风电场输出功率∑P_i(t)平衡的目标函数，其中公式（2-3）中，P_i(t)为给单台机组分配的功率值，i表示参与分配机组数量（0<i<N_dispatch），

P_D(t)-∑P_i(t)＝0             （2-3）

实施分配计算后，风电场输出功率∑P_i(t)与功率限定值P_Lim(t)的方差最小：

P_dispatch(t)＝∑P_i(t)         （2-4）

$\min \left(\sqrt{{(P_{\mathrm{dispatch}}\left(t\right)-P_{\mathrm{Lim}}\left(t\right))}^2}\right)---(2-5)$

（d）利用粒子群优化方法求解计算给每台机组分配的有功功率。

3）备用机组容量旋转方法

备用机组容量旋转方法是根据风电场内含有线路数量及机组实际运行功率，计算得出参与分配的机组及其功率分配值；它适用于风电场内含有机组类型相同，机组额定输出功率相同，且风电场内不具备功率预测系统的情况。

本方法步骤如下：

（a）设定风电场内含有N_Line条线路，风电场内可参与调节的单台机组功率分配值P_i(t)计算如下：

$P_i\left(t\right)=P_{\mathrm{Lim}}\left(t\right)*(P_{\mathrm{icur}}\left(t\right)/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{\mathrm{icur}}\left(t\right))---(3-1)$

上式中：P_icur(t)为单台机机组实际运行功率，P_Lim(t)为限定总功率值，P_maxi(t)为功率的最大极限，P_mini(t)为功率的最小极限。

其中，单台机机组实际运行功率P_icur(t)介于最大极限P_maxi(t)和最小极限P_mini(t)之间（P_mini(t)≤P_icur(t)≤P_maxi(t)）。

（b）依据风电场接入电力系统技术规定的频率稳定参考值F_ref和有功功率备用指标参考值P_backup，确定可参与分配控制的线路n_Line；

（c）将不参与分配的剩余线路（N_Line-n_Line），利用功率微调节将其设定为适合当前时刻t±t₀下风速运行的最优功率P_opt。

（d）在限功率时段内，设定固定时间周期T₀来对备用线路轮换调整。

4）有功无功协调控制方法

有功无功协调控制方法是根据风电场内机组的实际运行功率进行改进计算，得出参与分配的机组有功分配值，然后根据有功来确定无功调节值。它适用于需要考虑电网功率平衡，风电场内含有机组类型不同，且场内含有无功功率调节装置，并且风电场内不具备功率预测系统的情况。

本方法步骤如下：

（a）检查风电场内是否具备无功调节装置且场内机组具备分配调节能力，若不满足，则不能进入步骤（b）；

（b）对当前风况：风速WindS_cur（t）和风向WindX_cur（t），结合风电场并网运行规范中要求的风电场备用容量指标参考值P_ref，依次根据公式（4-1）到（4-3）计算每台机组有功功率P_i(t)，

P_i1(t)＝(P_Lim(t)-P_ref)/N_dispatch      （4-1）

$P_{i2}\left(t\right)=(P_{\mathrm{Lim}}\left(t\right)-P_{\mathrm{ref}})*(P_{\mathrm{icur}}\left(t\right)/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{\max i}\left(t\right))---(4-2)$

P_i(t)＝(P_i1(t)+P_i2(t))/2          （4-3）

上式中，P_i1(t)和P_i2(t)分别表示参与分配机组的平均功率和加权平均功率，P_maxi(t)代表单台风电机组功率的最大极限，N_dispatch为参与功率分配的机组数量，P_icur(t)表示每台机组的实际运行功率，P_Lim(t)表示风电场接到的限定功率值；

（c）监测并网点电压U_SYS、频率F_SYS和风电场送出功率波动值ΔP_idispatch(t)，判断是否超过并网运行规范及接入电力系统技术规定的对应并网点电压参考值U_SYS-ref、并网点频率参考值F_SYS-ref和功率变化率范围ΔP_ref(t)。若超出，则改变无功功率系统参数Q_SYS-ref来修正整个风电场的无功值Q(t)，若未超出，进入步骤（d）；

（d）依据步骤（b），继续修正单台机组有功功率P_i(t)；计算得出每台参与分配机组的功率控制调整量ΔP_i(t)，ΔP_i(t)＝(P_i(t)-P_icur(t))；其中，P_icur(t)表示每台机组的实际运行功率。

3、功率微调节步骤

所述的功率微调节步骤是在一次功率分配完成时，若风电场监控系统检测到风电机组未达到限定值指标P_Lim(t)或出现过度调节时，采用本调节步骤。本步骤采用功率设定值的方式来控制功率变化，一方面使机组当前风况下最优运行，另一方面可缩短功率分配计算步骤处理时间T_count，提高功率调节的可靠性和灵活性。实施方案如下：

（1）风电场的监控系统对机组完成实施一次功率分配控制之后，采集风电场内单台机组的实际运行功率P_icur(t)，计算偏差比例ΔP_target(t)，

ΔP_target(t)＝|(P_Lim-∑P_icur(t))/P_Lim|   （5-1）

（2）检查风电场内的参与分配机组并网运行状态是否正常。若并网运行状态正常，进入步骤（3）；若并网运行状态不正常，实施现场维护；

（3）判断偏差比例ΔP_target(t)，若ΔP_target(t)满足风电场接入电力系统及技术规定中的参考范围，执行步骤（4），否则，返回分配计算步骤重新计算分配值；

（4）设定单台功率给定值为ΔP_target(t)，利用风电场监控系统向风电机组控制系统输出调节机组有功指令，进入步骤（5）；

（5）结合当前风况和实际运行功率P_icur(t)，选择未参与分配的可控机组N_c(t)实施调节；检测机组N_c(t)的运行功率是否达到最大极限P_maxi(t)和最小极限P_mini(t)，对未达到极限值的机组N_v(t)进行调节，直到限功率时段结束。

4、输出分配调节指令步骤

所述的输出分配调节指令步骤是针对分配值计算步骤得出的功率调整值以及功率微调节的设定功率值采取应用等比例输出、验证输出指令和功率微调节三种模式，通过风电场监控系统对风电机组控制系统下达控制调节功率的指令：

（1）等比例输出指令：结合分配计算步骤得到的单台机组功率调整值ΔP_i(t)，设定比例系数α，0＜α＜1，依据α*ΔP_i(t)对单台机组输出分配指令，本模式适用于功率调整变化较大的情况；

（2）验证输出指令：比较指令下达时间t_cmd与机组自身响应调节时间T_iresp，风电场整体调节反应时间T_resonpse和风电机组与监控系统的通信速率T_com的关系，

若t_cmd≤max{T_iresp,T_resonpse,T_com}，则持续发送分配指令；

若t_cmd＞max{T_iresp,T_resonpse,T_com}，则停止下达分配指令；

本模式适用于功率调整变化较小的情况；

（3）输出功率微调节指令：当判断场内机组出现过度调节时，采用输出设定功率给定值的指令方式来调节功率，使机组当前风况下处于最优运行状态。

本发明功率综合分配方法以分配计算方法为主、功率微调节为辅。本发明在限功率时段的实施方案如下：

（1）针对场内同台风电机组在不同时间段内采取不同的计算分配方法；

（2）针对风电场内的可调节风电机组实施某种单一的计算方法；

（3）在同一时间段内，针对风场内的不同机组采取不同计算分配方法。

本发明功率综合分配方法的具体实施步骤如下：

a、风电场在T₁时刻接到电网调度功率限定指令P_Lim(t)，首先在分配计算步骤中，判断此限定值P_Lim(t)是否介于风电场的机组运行最小出力∑P_mini(t)与最大出力∑P_maxi(t)之间，若是，进入步骤b；否则，无需执行限功率控制。

b、将从风电机组控制系统采集得到的信息，结合公式（1-1）到（5-1）所需参数进行分类存储和管理，然后进入步骤c；

c、忽略线路功率损耗，按照公式（1），计算总调整计划值ΔP；

$\mathrm{\&Delta;P}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;}{P}_i\left(t\right)=P_{\mathrm{Lim}}\left(t\right)-P_{\mathrm{total}}\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}(P_i\left(t\right)-P_{\mathrm{icur}}\left(t\right))---\left(1\right)$

公式（1）中，P_total(t)表示风电场内机组实际运行功率总和，ΔP代表场内运行总功率与功率限定值之间的总偏差，也表示场内可控的单台风电机组功率调整值ΔP_i(t)之和，又称总调整计划值。

根据公式（2），比较风电场的总调节比例K_ΔP与风电场接入电力系统技术规定中的风电场最小备用容量比例K_Bref、有功变化推荐最小比例K_Pref的大小：

K_ΔP＝|PL_im(t)-P_total(t)|/P_total(t)        （2）

公式（2）中，K_ΔP表示场内运行总功率P_total(t)与功率限定值P_Lim(t)的差值ΔP占实际运行总功率P_total(t)的调节比例值。

此比例值存在如下三种情况：

（Ⅰ）K_ΔP比K_Bref、K_Pref都小；

（Ⅱ）K_ΔP介于K_Bref、K_Pref之间；

（Ⅲ）K_ΔP比K_Bref、K_Pref都大；

若属于情况（Ⅰ）和（Ⅲ），风电场无需进行功率分配，采取启停机组操作；若属于情况（Ⅱ），直接进入步骤d；

d、依据功率微调节的条件，判断限功率时段时间长度，是否满足功率微调节条件，若满足，则循环实施功率微调节，进入步骤j；若不满足，进入步骤e；

e、进入分配计算步骤。结合步骤b中的四种计算方式，对最小保持机组组合的机组数量N₁计算单台机组功率调整值ΔP_i(t)，对多目标规划分配机组数量N₂、备用机组容量旋转机组数量N₃和有功无功功率协调控制机组数量N₄计算单台机组功率分配值P_i(t)，具体如步骤f、g、h、i所述：

f、统计并核实可参与分配的机组数量N₁和机组运行状态，按照最小保持机组组合计算公式（1-1）至（1-8）得到ΔP_i(t)，进入步骤j；

g、检查并网点处参数及运行状态，检查每条线路通信状态，针对参与分配的机组组合N₂，依据公式（2-1）到（2-5），实施多目标规划分配计算，得到P_i(t)，进入步骤j；

h、检查机组停机和故障时间长短，选择备用机组组合N₃，依据公式（3-1）执行备用机组容量旋转分配计算，得到单台机组功率分配值P_i(t)，进入步骤j；

i、检查风电场内机组N₄最大输出功率是否一致并且场内装有无功功率装置，若均满足，则依据有功无功协调控制计算公式（4-1）到（4-3），得到P_i(t)，进入步骤j；若不满足，返回至步骤f；

j、进入输出分配调节指令步骤。监控系统按照等比例模式向机组组合N₁到N₄下达分配计算得到的调整值ΔP_i(t)，然后结合机组自身响应调节时间T_iresp和风电场整体调节反应时间T_resonpse，完成输出功率分配控制指令，进入步骤k；

k、分配结果验证和校核。判断分配调节时间是否超出自身调节速率T_iresp，若已超出，进入步骤l；若未超出，返回至步骤j；

l、判断与机组N₁到N₄之间通信是否正常，将通信异常的机组列入维修状态，然后进入步骤m；

m、检查机组是否收到分配控制指令R_iresp，若存在未收到指令的机组N_f，则按照故障码检查机组故障，进入步骤n；

n、采集分配后时刻T₂的风电场实际运行功率P_icur(t)，计算已完成分配机组的实际运行功率之和∑P_icur(t)与限定目标值P_Lim(t)之间的偏差比例ΔP_target(t)。设定一极小系数ε，0＜|ε|＜0.5，判断ΔP_target(t)的大小：

若|ε|＜ΔP_target(t)＜1，依据分配计算的调整值ΔP_i(t)，利用功率微调节来修正分配结果，接着执行步骤l；

若ΔP_target(t)＜|ε|，进入步骤o；

o、判断限功率时段是否结束；若已结束，则开始实施功率恢复调节，返回步骤a；若未结束，进入步骤p；

p、检查并维护机组运行状态，直到限功率运行时段结束。

本发明功率综合分配方法不仅继承了传统的限功率运行时段下对风电机组乃至整个风电场实施功率分配调整计算方法的制定过程，而且涵盖了结合机组实际运行状态和电网安全运行要求下实施整体功率调整的控制过程。它同样适用于解决限功率时段结束的功率恢复调节要求和正常运行时段提高风电场内电能质量的技术难点，从而有助于风电场和电网之间安全稳定地协调运行。本发明各种分配计算方法的侧重角度不同，相互之间形成了综合关联修正功率分配结果的作用，因此在方法的选择上具备灵活性。

附图说明

图1风力场内风机到中央监控室的通信连接示意图；

图2功率综合分配方法的整体控制流程示意图；

图3功率分配计算方法综合选择及制定示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1所示为一个并网正常的风电场与监控系统通信连接图。本发明的功率综合分配方法应用于图1所示的风电场。为简述本发明内容，假设场内机组类型不同，厂家不同，机组具备功率可调能力不同，场内含有无功装置。风电场接收到限功率运行指令的具体限制功率运行时间长度没有明确规定。

如图1所示，设定本实施例的风电场中含有12台最大运行功率为1.5MW、无功功率为±0.25MVar的双馈变速恒频异步风力发电机组1#-12#组成，在场内的12台风电机组中，4#为故障机组，7#为不可控机组，10#在T₁时刻为待机机组，风场额定功率共为18MW（忽略线路及功率损耗），实际运行功率为16MW，无功功率共为±3MVar。风电场内的12台风电机组组成4条线路，每条线路各包含3台机组：1#、2#、3#机组组成线路1，4#、5#和6#机组组成线路2，7#、8#、9#机组组成线路3，10#、11#和12#机组组成线路4。在时刻T₁，风电场接到总限定功率值为14MW。为表述方便，设定在时刻T₁和T₂，实时采集风电机组控制系统的运行参数和机组运行状态，确定可参与分配控制的机组，按照各分配计算方法的侧重角度不同，组合应用最小保持机组组合、多目标规划分配、备用机组容量旋转和有功无功控制四种计算方法计算分配值，然后输出分配调节指令并对机组实施功率微调节，控制机组运行满足限功率要求。

为表述方便，以下在限功率时刻T₁开始，分别对线路1采用最小保持机组组合，线路2采用有功无功协调控制，线路3和线路4组合应用备用机组容量旋转计算功率调整值，实施功率分配；在T₂时刻，保留线路1和线路2在时刻T₁的分配结果，对备用线路机组和其他可控机组采用多目标规划分配计算分配值来说明本发明综合功率分配方法：

1)、采集风电场12台机组的运行数据。依据公式（1）和（2），计算风电场功率总调整计划值ΔP为实际运行总功率16MW与限定值14MW的差值2MW，风电场总功率需降低2MW有功限功率运行，设定线路1和线路2分别调整0.5MW，线路3和4共调整1MW。

2)、实施功率分配计算步骤。在时刻T₁，针对场内参与分配机组计算单台机组功率调整量ΔP_i(t)。

结合图3，在步骤303中，统计并核实线路1中可参与分配的机组运行状态，利用步骤311计算得到1#、2#和3#的功率调整值ΔP_i(t)（其中i=1,2,3）；对于线路2，执行步骤304，检查风电场内机组额定输出功率一致并且场内装有无功功率装置，在步骤314中，依据公式（4-1）到（4-3），得到功率分配值P_i(t)（其中i=5,6，4#为故障机组）；接着进入步骤305，设定备用机组组合为线路4（含待机机组10#），检查并网点处参数及运行状态和每条线路机组的通信状态均为正常，依据公式（3-1）对线路3实施步骤313，执行备用机组容量旋转分配计算，得到单台机组的分配功率值P_i(t)（其中i=8,9，7#为不可控机组）；这样就得到除4#、7#外，所有参与分配机组的调整值ΔP_i(t)为每台实际功率P_icur(t)与分配计算值P_i(t)的差值。

3)、判定步骤2）中的参与分配计算机组运行状态是否正常，若正常，则进入图2所示步骤202输出分配调节指令。对于线路1和线路2，功率调整值为0.5MW，变化较小，可选用验证输出指令模式，设定指令下达时间t_cmd，并且t_cmd小于机组自身响应调节时间T_iresp，风电场整体调节反应时间T_resonpse和风电机组与监控系统的通信速率T_com三者中的最大时间值来验证输出分配指令；对于线路3，设置系数α（0＜α＜1），采取α*ΔP_i(t)等比例输出指令模式，完成对4#，5#，6#机组下达分配指令；否则继续输出分配调节指令，直至发送指令完毕。

4)、完成一次分配之后，判断机组运行状态，执行步骤203来计算并判断单台机组分配之和∑P_icur(t)与功率分配计算值∑P_i(t)的偏差比例ΔP_target(t)的大小。设定某一极小值ε，0＜ε≤0.5，若ΔP_target(t)介于设定值ε和1之间，依据分配计算得到的调整值ΔP_i(t)，执行步骤204，进入功率微调节步骤，继续依据公式（5-1），执行步骤307，设定功率给定值ΔP_target(t)下达分配指令。在执行307过程中，判断直到ΔP_target(t)满足小于设定值ε时，进入步骤205，208，206。执行步骤206的过程中，判断是否满足206的限功率值；若未满足，则按照实际风况，返回执行步骤204，若已满足，则结束功率分配。若在分配计算时，出现待机或其他故障，执行步骤208对机组实施现场维护。

5）、在下一时刻T₂，因外界风速改变并考虑机组限功率时段过长时，则检查备用机组（7#，8#，9#）的运行状态，执行步骤306，对线路4中的机组（含10#待机）实施多目标规划功率调整量ΔP_i(t)的分配计算，进入步骤312，结合公式（2-1）到（2-5），完成对单台机组功率P_i(t)分配计算；对线路3的机组按实际风况调节运行功率。

6）、再次顺序进入步骤202、203、204、205、208和206，完成实施对机组分配控制，直到限功率时段结束。

通过实施此过程，不仅从实际运行状态出发，利用分配计算步骤303、304、305和306控制机组在时间段T₁到T₂内满足限功率值，而且据不同时段的风况和调度需要，对机组实施轮换分配，降低了调整机组次数和数量，并且通过分配值计算的自身过程和步骤202的下达调节指令方式维持了电力系统平衡。

若采用传统的比例分配模式，数学模型虽简单，但因缺少输出控制调节模式，不仅不能促使机组按照实际风况运行，且将调整值一次性直接下发给机组，这样会使整个风场功率变化较大，而且容易对电力系统产生冲击。

本发明风力发电场功率综合分配方法的实用性：

现有风电场的功率分配方法一般采用硬件调节和基于功率预测的数学方法，而这些方法仅从数学角度对机组控制，没有涉入实际风电场内机组的各种运行模式和功率调整波动对电网冲击问题，从而造成对机组分配不公、严重损伤和过度调节等结果，不能满足限功率要求。本分配方法弥补了现有功率分配方法的不足，提供了一套提高调节精度并减轻造成机组损伤的综合分配方式。特别是，本发明中采用了最小保持机组组合和备用机组容量旋转分配，可防止功率越限和过度调节情况，本发明中从对电网冲击角度提出多目标规划分配和有功无功控制，提高了分配精度，维持了机组运行稳定。同时，本发明中的四种分配计算方法与监控系统的无缝链接，充分兼顾了风电场并网设计规范和风电场实际运行需求标准。最后，从控制机组功率改变方式上，本发明提出了功率微调节和输出分配调节指令环节，这样不仅有助于机组调整幅度小，功率连续平缓变动，而且不易造成电力系统冲击和机组损伤，对大规模风电并网与电网协调稳定运行具有重要意义。

Claims (3)

1.一种风电场功率综合分配方法，其特征在于，所述的分配方法的步骤包括对风电机组实时采集数据，功率分配计算，输出分配调节指令和实施功率微调节；所述的对风电机组实时采集数据步骤是通过现场总线或网络技术将实时采集的数据传送至风电场的监控系统中，与风电机组控制系统建立正常通讯，监控机组运行状态；所述的功率分配计算步骤采用最小保持机组组合、多目标规划分配、备用机组容量旋转和有功无功功率协调控制的方法计算风电机组功率分配值；所述的功率微调节步骤是在一次功率分配完成时，若风电场的监控系统检测到风电机组未达到限定值指标P_Lim(t)或出现过度调节时进行调节；所述的输出分配调节指令步骤针对功率分配计算步骤得到的功率分配值以及功率微调节的设定功率值采取应用等比例输出、验证输出指令和功率微调节三种模式，通过风电场的监控系统对风电机组控制系统下达控制调节功率的指令。

2.按照权利要求1所述的风电场功率综合分配方法，其特征在于，所述的最小保持机组组合分配方法根据机组的实际运行风况和功率，确立并计算得出参与分配的机组及其功率分配值；

最小保持机组组合分配方法的步骤如下：

(a)首先实时采集当前时刻t下的风速WindS_cur(t)、风向WindX_cur(t)、每台风电机组的实际运行功率P_icur(t)、统计参与功率调节的风电机组数量N_ctrl(t)，风电场内正常并网运行的机组数量N_total；计算每台风电机组输出有功功率与最大运行功率的运行效率系数k_imax，以及每台风电机组输出有功功率与最小运行功率的运行效率系数k_imin：

k_imin＝P_icur(t)/P_mini(t)   (1-1)

k_imax＝P_icur(t)/P_maxi(t)   (1-2)

公式(1-1)和(1-2)中，P_maxi(t)表示风电机组运行最大功率极限，P_mini(t)表示风电机组运行最小功率极限；

(b)然后计算参与功率调节的机组数量比例R_inum，

R_inum＝N_ctrl(t)/N_total   (1-3)

之后进入步骤(c)；

(c)结合运行效率系数k_imin、k_imax和参与调节比例系数R_inum，建立似然函数，确定一个估计系数α；

L(α)＝L(k_imin,k_imax,R_inum；α)   (1-4)

(d)根据α划分置信区间，选择不满足公式(1-5)、(1-6)的机组，设定时间极小系数t₀，在当前时刻t±t₀内选择待机及并网正常运行的机组参与分配，参与分配调节的机组组合数量为N_dispatch；

$\mathrm{\&alpha;}*P_{\mathrm{icur}}\left(t\right)\&cong;P_{\max i}---(1-5)$

$\mathrm{\&alpha;}*P_{\mathrm{icur}}\left(t\right)\&cong;P_{\min i}---(1-6)$

(e)检查当前时刻t±t₀内机组运行状态，若机组处于停止或检修状态，划分为不可控机组，并返回至步骤(d)，否则进入步骤(f)；

(f)按照公式(1-7)和(1-8)，比较参与分配机组的当前运行功率P_icur(t)与限定功率值P_Lim(t)，计算参与分配机组N_dispatch的参考平均值P_iavg(t)，计算得出参与分配机组N_dispatch的单台机组提升或降低功率的调整量ΔP_i(t)，

P_Lim(t)＝P_iavg(t)*N_dispatch±P_err   (1-7)

ΔP_i(t)＝|P_icur(t)-P_iavg(t)|   (1-8)

公式(1-8)中，P_err为功率总调整量ΣΔP_i(t)与P_Lim(t)之间的极小偏差；

所述的多目标规划分配方法根据机组的启停时间，响应调节时间，并网电压和频率电网稳定运行参数计算参与分配机组的功率分配值；

多目标规划分配方法的步骤如下：

(a)采集反映机组正常运行的性能参数和运行状态，按照固定时间间隔T_s来统计以下参数：机组累计停机时间T_stop、持续运行时间T_run、累计开机时间T_i，off、最小持续停机时间T_i，down、累计停机次数C_stop和累计故障次数C_fault；

(b)根据步骤(a)得到的参数，确立以下约束条件：

累计开机时间大于等于最小持续停机时间，

T_i，off≤T_i，down   (2-1)

单台机组的响应调节时间小于设定时间系数λ范围，其中T_iresp为每台风电机组响应调节时间；T_response表示风电场整体调节反应时间；

max{T_1resp,T_2resp,...,T_iresp,T_nresp}-λ*T_response≤0(2-2)

利用排列组合原理，确立可参与功率分配的机组N_dispatch；

(c)建立有功功率分配调节的目标函数；

忽略传输线路损耗，保持电力系统负荷P_D(t)与风电场输出功率ΣP_i(t)平衡的目标函数，其中公式(2-3)中，P_i(t)为给单台机组分配的功率值，i表示参与分配机组数量(0<i<N_dispatch)，

P_D(t)-ΣP_i(t)＝0   (2-3)

进行分配计算后，风电场输出功率ΣP_i(t)与功率限定值P_Lim(t)的方差最小：

P_dispatch(t)＝ΣP_i(t)   (2-4)

$\min \left(\sqrt{{(P_{\mathrm{dispatch}}\left(t\right)-P_{\mathrm{Lim}}\left(t\right))}^2}\right)---(2-5)$

(d)利用粒子群优化方法求解计算给每台机组分配的有功功率；

所述的备用机组容量旋转方法根据风电场内含有线路数量及机组实际运行功率，计算得出参与分配的机组及其功率分配值；

备用机组容量旋转方法步骤如下：

(a)设定风电场内含有N_Line条线路，风电场内可参与调节的单台机组功率分配值P_i(t)计算如下：

$P_i\left(t\right)=P_{\mathrm{Lim}}\left(t\right)*(P_{\mathrm{icur}}\left(t\right)/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{\mathrm{icur}}\left(t\right))---(3-1)$

其中，单台机机组实际运行功率P_icur(t)介于最大极限P_maxi(t)和最小极限P_mini(t)之间(P_mini(t)≤P_icur(t)≤P_maxi(t))，P_Lim(t)为限定总功率值；

(b)依据风电场接入电力系统技术规定的频率稳定参考值F_ref和有功功率备用指标参考值P_backup，确定可参与分配控制的线路n_Line；

(c)将不参与分配的剩余线路(N_Line-n_Line)，利用功率微调节将其设定为适合当前时刻t±t₀下风速运行的最优功率P_opt；

(d)在限功率时段内，设定固定时间周期T₀来对备用线路轮换调整；

所述的有功无功协调控制方法根据风电场内机组的实际运行功率进行改进计算，得出参与分配的机组有功分配值，然后根据有功来确定无功调节值：

有功无功协调控制方法步骤如下：

(a)检查风电场内是否具备无功调节装置且场内机组具备分配调节能力，若不满足，则不能进入步骤(b)；

(b)对当前风况：风速WindS_cur(t)和风向WindX_cur(t)，结合风电场并网运行规范中要求的风电场备用容量指标参考值P_ref，依次根据公式(4-1)至公式(4-3)计算每台机组有功功率P_i(t)，

P_i1(t)＝(P_Lim(t)-P_ref)/N_dispatch   (4-1)

$P_{i2}\left(t\right)=(P_{\mathrm{Lim}}\left(t\right)-P_{\mathrm{ref}})*(P_{\mathrm{icur}}\left(t\right)/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{\max i}\left(t\right))---(4-2)$

P_i(t)＝(P_i1(t)+P_i2(t))/2   (4-3)

上式中，P_i1(t)和P_i2(t)分别表示参与分配机组的平均功率和加权平均功率，P_maxi(t)代表单台风电机组功率的最大极限，N_dispatch为参与功率分配的机组数量，P_icur(t)表示每台机组的实际运行功率，P_Lim(t)表示风电场接到的限定功率值；

(c)监测并网点电压U_SYS、频率F_SYS和风电场送出功率波动值ΔP_idispatch(t)，判断是否超过并网运行规范及接入电力系统技术规定的对应并网点电压参考值U_SYS-ref、并网点频率参考值F_SYS-ref和功率变化率范围ΔP_ref(t)；若超出，则改变无功功率系统参数Q_SYS-ref来修正整个风电场的无功值Q(t)，若未超出，进入步骤(d)；

(d)依据步骤(b)，继续修正单台机组有功功率P_i(t)；计算得出每台参与分配机组的功率控制调整量ΔP_i(t)，ΔP_i(t)＝(P_i(t)-P_icur(t))；其中，P_icur(t)表示每台机组的实际运行功率；

所述的功率微调节步骤方法如下：

(1)风电场的监控系统对机组完成实施一次功率分配控制之后，采集风电场内单台机组的实际运行功率P_icur(t)，计算偏差比例ΔP_target(t)，

ΔP_target(t)＝|(P_Lim-ΣP_icur(t))/P_Lim|   (5-1)

(2)检查风电场内的参与分配机组并网运行状态是否正常；若并网运行状态正常，进入步骤(3)；若并网运行状态不正常，实施现场维护；

(3)判断偏差比例ΔP_target(t)，若ΔP_target(t)满足风电场接入电力系统技术规定中的参考范围，执行步骤(4)，否则，返回分配计算步骤重新计算分配值；

(4)设定单台功率给定值为ΔP_target(t)，利用风电场监控系统向风电机组控制系统输出调节机组有功指令，进入步骤(5)；

(5)结合当前风况和实际运行功率P_icur(t)，选择未参与分配的可控机组N_c(t)实施调节；检测机组N_c(t)的运行功率是否达到最大极限P_maxi(t)和最小极限P_mini(t)，对未达到极限值的机组N_v(t)进行调节，直到限功率时段结束；

所述的输出分配调节指令步骤中的等比例输出指令是将分配计算步骤得到单台机组功率调整值ΔP_i(t)，设定比例系数α，0＜α＜1，依据α*ΔP_i(t)对单台机组输出分配指令；所述的验证输出指令是比较指令下达时间t_cmd与每台风电机组机组响应调节时间T_iresp，风电场整体调节反应时间T_resonpse和风电机组与监控系统的通信速率T_com之间的关系，若t_cmd≤max{T_iresp,T_resonpse,T_com}，则持续发送分配指令；若t_cmd＞max{T_iresp,T_resonpse,T_com}，则停止下达分配指令；当判断风电场内的风电机组出现过度调节情况时，采用输出设定功率给定值的指令方式调节功率，使风电机组在当前风况下处于最优运行状态。

3.按照权利要求2所述的风电场功率综合分配方法，其特征在于，所述的功率综合分配方法的具体实施步骤如下：

a、风电场在T₁时刻接到电网调度功率限定指令P_Lim(t)，首先在分配计算步骤中，判断此限定值P_Lim(t)是否介于风电场的机组运行最小出力ΣP_mini(t)与最大出力ΣP_maxi(t)之间，若是，进入步骤b；否则，无需执行限功率控制；

b、将从风电机组控制系统采集得到的数据信息，结合所述的公式(1-1)至所述的公式(5-1)，将所述的数据信息分类存储和管理，然后进入步骤c；

c、忽略线路功率损耗，按照公式(1)，计算总调整计划值ΔP；

$\mathrm{\&Delta;P}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&Delta;P}}_i\left(t\right)=P_{\mathrm{Lim}}\left(t\right)-P_{\mathrm{total}}\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}(P_i\left(t\right)-P_{\mathrm{icur}}\left(t\right))---\left(1\right)$

公式(1)中，P_total(t)表示风电场内机组实际运行功率总和，ΔP代表场内运行总功率与功率限定值之间的总偏差，也表示场内可控的单台风电机组功率调整值ΔP_i(t)之和，又称总调整计划值；

根据公式(2)，比较风电场的总调节比例K_ΔP与风电场接入电力系统技术规定中的风电场最小备用容量比例K_Bref、有功变化推荐最小比例K_Pref的大小：

K_ΔP＝|P_Lim(t)-P_total(t)|/P_total(t)   (2)

公式(2)中，K_ΔP表示场内运行总功率P_total(t)与功率限定值P_Lim(t)的差值ΔP占实际运行总功率P_total(t)的调节比例值，此比例值存在如下三种情况：

(Ⅰ)K_ΔP比K_Bref、K_Pref都小；

(Ⅱ)K_ΔP介于K_Bref、K_Pref之间；

(Ⅲ)K_ΔP比K_Bref、K_Pref都大；

若属于情况(Ⅰ)和(Ⅲ)，风电场无需进行功率分配，采取启停机组操作；若属于情况(Ⅱ)，直接进入步骤d；

d、依据功率微调节的条件，判断限功率时段时间长度，是否满足功率微调节条件，若满足功率微调节条件，则循环实施功率微调节，进入步骤j；若不满足功率微调节条件，进入步骤e；

e、进入分配计算步骤；结合步骤b中的四种计算方式，对最小保持机组组合的机组数量N₁计算单台机组功率调整值ΔP_i(t)，对多目标规划分配机组数量N₂、备用机组容量旋转机组数量N₃和有功无功功率协调控制机组数量N₄计算单台机组功率分配值P_i(t)，具体如步骤f、g、h、i所述：

f、统计并核实可参与分配的机组数量N₁和机组运行状态，按照最小保持机组组合计算公式(1-1)至(1-8)得到ΔP_i(t)，进入步骤j；

g、检查并网点处参数及运行状态，检查每条线路通信状态，针对参与分配的机组组合N₂，依据公式(2-1)到(2-5)，实施多目标规划分配计算，得到P_i(t)，进入步骤j；

h、检查机组停机和故障时间长短，选择备用机组组合N₃，依据公式(3-1)执行备用机组容量旋转分配计算，得到单台机组功率分配值P_i(t)，进入步骤j；

i、检查风电场内机组N₄最大输出功率是否一致并且场内装有无功功率装置，若均满足，则依据有功无功协调控制计算公式(4-1)到(4-3)，得到P_i(t)，进入步骤j；若不满足，返回至步骤f；

j、进入输出分配调节指令步骤；监控系统按照等比例模式向机组组合N₁到N₄下达分配计算得到的调整值ΔP_i(t)，然后结合机组自身响应调节时间T_iresp和风电场整体调节反应时间T_resonpse，完成输出功率分配控制指令，进入步骤k；

k、分配结果验证和校核；判断分配调节时间是否超出自身调节速率T_iresp，若已超出，进入步骤l；若未超出，返回至步骤j；

l、判断与机组N₁到N₄之间通信是否正常，将通信异常的机组列入维修状态，然后进入步骤m；

m、检查机组是否收到分配控制指令R_iresp，若存在未收到指令的机组N_f，则按照故障码检查机组故障，进入步骤n；

n、采集分配后时刻T₂的风电场实际运行功率P_icur(t)，计算已完成分配机组的实际运行功率之和ΣP_icur(t)与限定目标值P_Lim(t)之间的偏差比例ΔP_target(t)；设定一极小系数ε，0＜|ε|＜0.5，判断ΔP_target(t)的大小：

若|ε|＜ΔP_target(t)＜1，依据分配计算的调整值ΔP_i(t)，利用功率微调节来修正分配结果，接着执行步骤l；

若ΔP_target(t)＜|ε|，进入步骤o；

o、判断限功率时段是否结束；若已结束，则开始实施功率恢复调节，返回步骤a；若未结束，进入步骤p；

p、检查并维护机组运行状态，直到限功率运行时段结束。