CN103219751B - 一种集群风电场有功功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集群风电场有功功率控制方法，是一种计算省（自治区）级调度机构下发的有功功率分配到各风电场的计划值的方法，采用本发明提出的有功功率分配计算方法可以确定下一控制周期各大集群风电场的有功出力计划值，通过实时计算电网总接纳风电能力，从而保证了在电力系统安全稳定运行的前提下，各集群风电场出力最大化。本发明考虑电网总接纳能力的变化、各风电场当前出力、风电预测情况以及负荷预测情况等多方面因素，每固定周期计算一次各风场计划，并下发至各风场，该计划为上限值，低于该计划风场可自由发电，高于该计划需要申请。本发明最大限度的提高风电场的发电效率，并保证电力系统最大化接纳风电。

Description

一种集群风电场有功功率控制方法

技术领域

本发明属于电力系统及其自动化技术领域，涉及一种集群风电场有功功率控制方法。

背景技术

风能是一种清洁能源，又是一种具有波动性、随机性和间歇性特点的能源。风电场往往远离负荷中心，这增加了电网潮流的不确定性，需要通过常规电源的调节和加装储能系统来平衡和平抑风电功率波动。随着风电场装机容量的不断增加，如何有效控制各风电场的有功出力，制定既可与风电场有功控制能力相匹配，又可减轻风电场给电网带来的有功、频率调整压力的控制目标，充分地利用风能，实现各风电场的协调控制以满足电网对风电场有功的综合需求，解决大规模风电接入电网后的安全稳定问题。为了保证电网的安全稳定，调度运行人员往往在运行控制中留有较大的安全裕度，这导致电网最大可接纳风电能力得不到充分利用，即使是在电网缺电时，风电场的有功出力也不能得到充分利用，这无疑浪费了风电的装机容量。因此，本发明提出了省（自治区）级调度机构（简称中调）主动对风电场的有功出力进行优化协调控制，使得电网最大化接纳风电场出力。

发明内容

技术问题：本发明提供一种可以保证每个风场能公平的获得发电计划，最大限度的提高风电场的发电效率，保证风电场出力最大化，做到风场间资源协调优化分配，合理分配每个风电场下一控制周期计划值的集群风电场有功功率控制方法。

技术方案：本发明的集群风电场有功功率控制方法，包括下述步骤：

1）集群风电有功功率控制系统的通信终端从风电场调度中心采集当前第i个风电场的出力第i个风电场的最大出力为第i个风电场的最小出力第i个风电场功率预测装置预测的下一控制周期风电场的有功出力预测值从中调采集电力系统当前负荷数据当前下发给各风电场的有功功率计划值以及负荷预测系统预测的下一控制周期系统负荷预测值其中t表示当前控制周期，t+1表示下一控制周期，i为风电场中的序号，W表示风电场数据，L表示负荷数据；

2）根据以下目标函数和约束条件，通过混合整数规划法计算得到1到n个风电场下一控制周期的并网系数

所述目标函数为：

$\max F=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{K}_i^{t+1}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}|P_{i,\mathrm{plan}}^{t+1}-P_{i,W}^t|}$

式中：为第i个风电场下一控制周期并网系数，n为风电场的个数，为第i个风电场下一控制周期的有功出力计划值，即 为当前第i个风电场的出力；

所述约束条件包括系统有功功率平衡约束、备用约束、火电机组出力上下限约束、火电机组开停机时间约束、火电机组爬坡约束、线路潮流约束、风电场出力约束、风电场功率变化约束；

所述系统有功功率平衡约束如下式所示，表示各个时刻开机火电机组的出力之和应等于负荷需求与风电场出力之差：

式中：m为火电机组数，n为风电场数，为机组j在下一控制周期的有功出力，为火电机组j在下一控制周期的启停状态，即关机状态，为开机状态，为下一控制周期时段的负荷预测值，为第i个风电场下一控制周期的风电场出力预测值；

所述备用约束如下式所示，开机火电机组所提供的备用应能够满足负荷与风电预测双重误差所带来的影响：

$\underset{j}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{j,\max }\·U_j^{t+1}-P_D^{t+1}\≥R_L^{t+1}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(K_i^{t+1}\×R_{i,W}^{t+1})(j=1,\·\·\·,m)$

$P_D^{t+1}-\underset{j}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{j,\max }\·U_j^{t+1}\≤R_L^{t+1}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(K_i^{t+1}\×R_{i,W}^{t+1})(j=1,\·\·\·,m)$

式中：P_j,min为第j个机组最大出力，P_j,max为第j个机组最小出力，为t时段的负荷减去t时段的风电出力的净负荷；为t时段负荷预测误差所要求的备用，为t时段风电预测误差所要求的备用；

所述火电机组出力上下限约束如下式所示：

$P_{j,\min }\·U_j^{t+1}\≤P_j^{t+1}\≤P_{j,\max }\·U_j^{t+1}(j=1,\·\·\·,m)$

火电机组开停机时间约束如下式所示，因机组不能频繁启停，机组在一定时间内开停次数应限制在设定范围以内；

$(X_j^{\mathrm{on}}\left(t\right)-T_j^{\mathrm{on}})\·(U_j^t-U_j^{t+1})\≥0(j=1,\·\·\·,m)$

$(X_j^{\mathrm{off}}\left(t\right)-T_j^{\mathrm{off}})\·(U_j^{t+1}-U_j^t)\≥0(j=1,\·\·\·,m)$

式中，和分别表示火电机组j到当前累计开机时间和累计关机时间， 分别为机组j的最小运行时间和最小停运时间；

所述火电机组爬坡约束如下式所示，机组出力在前后两个时段应满足机组爬坡约束：

$P_j^{t+1}-P_j^t\≤R_u\left(j\right)$

$P_j^t-P_j^{t+1}\≤R_d\left(j\right)$

式中，R_u(j)和R_d(j)分别代表火电机组j的上坡速率限值和下坡速率限值；

所述线路潮流约束如下式所示，本发明优化算法部分采用直流潮流来表示网络约束对机组组合的作用：

$P_k^{\min }\≤P_k^{t+1}\≤P_k^{\max }$

式中，和分别为线路k的最小传输容量和最大传输容量，其中k为线路序号；

所述风电场出力约束如下式所示：

$P_{i,W}^{\min }\≤P_{i,\mathrm{plan}}^{t+1}\≤P_{i,W}^{\max }$

式中：为第i个风电场的最大出力；为第i个风电场的最小出力；

所述风电场功率变化约束如下式所示，是根据《风电场接入电网技术规定》，确保风电场功率变化率不超过电网调度部门的给定值：

$|P_{i,\mathrm{plan}}^{t+1}\≤P_{i,W}^t|\≤\mathrm{\Δ}{P}_{i,\mathrm{rule}}$

式中：ΔP_i,rule为电网调度部门的规定的第i个风电场输出功率变化率给定值；

3）根据下式计算下一控制周期第i个风电场有功出力计划值：

有益效果：本发明提出的有功功率优化控制方法中目标函数通过最大化风电场出力，即最大化风电并网系数，不仅保证最大化接纳风电出力，而且通过最小化前后两个控制周期风电出力之差，保证各风电场在两个相邻控制周期输出有功功率变化率最小。约束条件部分考虑了功率平衡约束、机组最大最小出力约束和火电机组备用约束等到电网安全约束条件从而保障了电网安全稳定运行，做到风场间资源协调优化分配。现有集群风电场有功功率分配算法主要是平均分配算法、加权平均分配算法和变比例分配算法，现有方法都没有考虑到最大化接纳风电，也未考虑到风电场在两个控制周期出力变化过大而影响电网稳定的情况，大多数仅仅是将总功率按各风电场的装机容量进行简单的分配。与现有风电场常用的有功功率分配算法相比本发明首先是采用了最优化方法去求解各风电场下一控制周期出力值，以及利用目标函数使得最大化风电场出力和最小化相邻控制周期风电场出力的变化，从而在保证电网安全的前提下最大化接纳风电，这与我国出台的《可再生能源法》第十四条提出的电网公司要“全额收购可再生能源发电”的要求相一致。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明方法进行详细描述。

本发明的集群风电场有功功率控制方法，包括下述步骤：

步骤1）是集群风电有功功率控制系统初始化数据和采集数据，采集的数据信息包括：从风电场调度中心采集的当前第i个风电场的出力第i个风电场的最大出力为第i个风电场功率预测装置预测的下一控制周期风电场的有功出力预测值从中调采集电力系统当前负荷数据当前下发给各风电场的有功功率计划值以及负荷预测系统预测的下一控制周期系统负荷预测值

步骤2）即模型求解，本计算模型包括以下目标函数和约束条件，该模型的求解方法是通过混合整数规划法求解，将步骤1）中采集数据代入计算模型，通过混合整数规划法求得1到n个风电场下一控制周期的并网系数

目标函数为：目标函数表示最大化风电场并网系数，最小化相邻两个控制周期风电场有功出力变化值。

$\max F=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{K}_i^{t+1}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}|P_{i,\mathrm{plan}}^{t+1}-P_{i,W}^t|}$

式中：为第i个风电场下一控制周期并网系数，n为风电场的个数，为第i个风电场下一控制周期的有功出力计划值，即 为当前第i个风电场的出力；

约束条件包括系统有功功率平衡约束、备用约束、火电机组出力上下限约束、火电机组开停机时间约束、火电机组爬坡约束、线路潮流约束、风电场出力约束、风电场功率变化约束；

系统有功功率平衡约束如下式所示，表示各个时刻开机火电机组的出力之和应等于负荷需求与风电场出力之差：

式中：m为火电机组数，n为风电场数，为机组j在下一控制周期的有功出力，为火电机组j在下一控制周期的启停状态，即关机状态，为开机状态，为下一控制周期时段的负荷预测值，为第i个风电场下一控制周期的风电场出力预测值；

备用约束如下式所示，开机火电机组所提供的备用应能够满足负荷与风电预测双重误差所带来的影响：

$\underset{j}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{j,\max }\·U_j^{t+1}-P_D^{t+1}\≥R_L^{t+1}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(K_i^{t+1}\×R_{i,W}^{t+1})(j=1,\·\·\·,m)$

$P_D^{t+1}-\underset{j}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{j,\max }\·U_j^{t+1}\≤P_L^{t+1}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(K_i^{t+1}\×R_{i,W}^{t+1})(j=1,\·\·\·,m)$

式中：P_j,min为第j个机组最大出力，P_j,max为第j个机组最小出力，为t时段的负荷减去t时段的风电出力的净负荷；为t时段负荷预测误差所要求的备用，这里设置为负荷的2%；为t时段风电预测误差所要求的备用，这里设置为风电出力的5%；

火电机组出力上下限约束如下式所示：

$P_{j,\min }\·U_j^{t+1}\≤P_j^{t+1}\≤P_{j,\max }\·U_j^{t+1}(j=1,\·\·\·,m)$

火电机组开停机时间约束如下式所示，因机组不能频繁启停，机组在一定时间内开停次数应限制在设定范围以内；

$(X_j^{\mathrm{on}}\left(t\right)-T_j^{\mathrm{on}})\·(U_j^t-U_j^{t+1})\≥0(j=1,\·\·\·,m)$

$(X_j^{\mathrm{off}}\left(t\right)-T_j^{\mathrm{off}})\·(U_j^{t+1}-U_j^t)\≥0(j=1,\·\·\·,m)$

式中，和分别表示火电机组j到当前累计开机时间和累计关机时间， 分别为机组j的最小运行时间和最小停运时间；

火电机组爬坡约束如下式所示，机组出力在前后两个时段应满足机组爬坡约束：

$P_j^{t+1}-P_j^t\≤R_u\left(j\right)$

$P_j^t-P_j^{t+1}\≤R_d\left(j\right)$

式中，R_u(j)和R_d(j)分别代表火电机组j的上坡速率限值和下坡速率限值；

线路潮流约束如下式所示，本发明优化算法部分采用直流潮流来表示网络约束对机组组合的作用：

$P_k^{\min }\≤P_k^{t+1}\≤P_k^{\max }$

式中，和分别为线路k的最小传输容量和最大传输容量，其中k为线路序号；

风电场出力约束如下式所示：

$P_{i,W}^{\min }\≤P_{i,\mathrm{plan}}^{t+1}\≤P_{i,W}^{\max }$

式中：为第i个风电场的最大出力；为第i个风电场的最小出力；

风电场功率变化约束如下式所示，是根据《风电场接入电网技术规定》，确保风电场功率变化率不超过电网调度部门的给定值：

$|P_{i,\mathrm{plan}}^{t+1}\≤P_{i,W}^t|\≤\mathrm{\Δ}{P}_{i,\mathrm{rule}}$

式中：ΔP_i,rule为电网调度部门的规定的第i个风电场输出功率变化率给定值；

步骤3）是根据步骤2）计算得到的第i个风电场的并网系数K_i计算第i个风电场有功出力计算值，并根据下式修正下一控制周期第i个风电场有功出力计划值：

式中表示当第i个风电场有功出力计算值大于等于风电场最大出力时，下一控制周期第i个风电场有功出力计划值应为第i个风电场最大出力，当第i个风电场有功出力计算值小于风电场最大出力时，下一控制周期第i个风电场有功出力计划值应为第i个风电场有功出力计算值。

总之，本发明根据风电场出力实时情况、负荷变化情况以及电网备用机组下一控制周期的备用容量等限值风电接纳能力的相关因素，并考虑各风电场当前出力，每固定周期计算一次各风场计划，并下发至各风场，使系统接纳风电能力最大化，保证各风电场最大化发电效率。

Claims (1)

1.一种集群风电场有功功率控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)集群风电有功功率控制系统的通信终端从风电场调度中心采集当前第i个风电场的出力第i个风电场的最大出力为第i个风电场功率预测装置预测的下一控制周期风电场的有功出力预测值从省(自治区)级调度机构采集电力系统当前负荷数据当前下发给各风电场的有功功率计划值以及负荷预测系统预测的下一控制周期系统负荷预测值其中t表示当前控制周期，t+1表示下一控制周期，i为风电场中的序号，W表示风电场数据，L表示负荷数据；

2)根据以下目标函数和约束条件，通过混合整数规划法计算得到1到n个风电场下一控制周期的并网系数

所述目标函数为：

$\begin{array}{cc}\max & F=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{K}_i^{t+1}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}|P_{i,\mathrm{plan}}^{t+1}-P_{i,W}^t|}\end{array}$

式中：为第i个风电场下一控制周期并网系数，n为风电场的个数，为第i个风电场下一控制周期的有功出力计划值，即 为当前第i个风电场的出力；

所述约束条件包括系统有功功率平衡约束、备用约束、火电机组出力上下限约束、火电机组开停机时间约束、火电机组爬坡约束、线路潮流约束、风电场出力约束、风电场功率变化约束；

所述系统有功功率平衡约束如下式所示，表示各个时刻开机火电机组的出力之和应等于负荷需求与风电场出力之差：

$\underset{j}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{P}_j^{t+1}\·U_j^{t+1}=\widehat{P_L^{t+1}}-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(K_i^{t+1}\×\widehat{P_{i,W}^{t+1}}),(j=1,...,m)$

式中：m为火电机组数，n为风电场数，为机组j在下一控制周期的有功出力，为火电机组j在下一控制周期的启停状态，即关机状态，为开机状态，为下一控制周期时段的负荷预测值，为第i个风电场下一控制周期的风电场出力预测值；

所述备用约束如下式所示，开机火电机组所提供的备用应能够满足负荷与风电预测双重误差所带来的影响：

$\underset{j}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{j,\max }\·U_j^{t+1}-P_D^{t+1}\≥R_L^{t+1}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(K_i^{t+1}\×R_{i,W}^{t+1}),(j=1,...,m)$

$P_D^{t+1}-\underset{j}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{j,\max }\·U_j^{t+1}\≤R_L^{t+1}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(K_i^{t+1}\×R_{i,W}^{t+1}),(j=1,...,m)$

式中：P_j,min为第j个机组最大出力，P_j,max为第j个机组最小出力，为t时段的负荷减去t时段的风电出力的净负荷；为t时段负荷预测误差所要求的备用，为t时段风电预测误差所要求的备用；

所述火电机组出力上下限约束如下式所示：

$P_{j,\max }\·U_j^{t+1}\≤P_j^{t+1}\≤P_{j,\max }\·U_j^{t+1},(j=1,...,m)$

火电机组开停机时间约束如下式所示，因机组不能频繁启停，机组在一定时间内开停次数应限制在设定范围以内；

$(X_j^{\mathrm{on}}\left(t\right)-T_j^{\mathrm{on}})\·(U_j^t-U_j^{t+1})\≥0,(j=1,...,m)$

$(X_j^{\mathrm{off}}\left(t\right)-T_j^{\mathrm{off}})\·(U_j^{t+1}-U_j^t)\≥0,(j=1,...,m)$

式中，和分别表示火电机组j到当前累计开机时间和累计关机时间， 分别为机组j的最小运行时间和最小停运时间；

所述火电机组爬坡约束如下式所示，机组出力在前后两个时段应满足机组爬坡约束：

$P_j^{t+1}-P_j^t\≤R_u\left(j\right)$

$P_j^t-P_j^{t+1}\≤R_d\left(j\right)$

式中，R_u(j)和R_d(j)分别代表火电机组j的上坡速率限值和下坡速率限值；

所述线路潮流约束如下式所示，采用直流潮流来表示网络约束对机组组合的作用：

$P_k^{\min }\≤P_k^{t+1}\≤P_k^{\max }$

式中，和分别为线路k的最小传输容量和最大传输容量；

所述风电场出力约束如下式所示：

$P_{i,W}^{\min }\≤P_{i,\mathrm{plan}}^{t+1}\≤P_{i,W}^{\max }$

式中：为第i个风电场的最大出力；为第i个风电场的最小出力；

所述风电场功率变化约束如下式所示，是根据《风电场接入电网技术规定》，确保风电场功率变化率不超过电网调度部门的给定值：

$|P_{i,\mathrm{plan}}^{t+1}-P_{i,W}^t|\≤{\mathrm{\ΔP}}_{i,\mathrm{rule}}$

式中：ΔP_i,rule为电网调度部门的规定的第i个风电场输出功率变化率给定值；

3)根据下式计算下一控制周期第i个风电场有功出力计划值：

$P_{i,W}^{t+1}=\left\{\begin{array}{cc}{P}_{i,W}^{\max },& K_i^{t+1}\&times;\widehat{P_{i,W}^{t+1}}\&GreaterEqual;P_{i,W}^{\max }\\ K_i^{t+1}\&times;\widehat{P_{i,W}^{t+1},}& K_i^{t+1}\&times;\widehat{P_{i,W}^{t+1}}<P_{i,W}^{\max }\end{array}\right..$