CN103595076B - 一种提高风力发电机组疲劳均匀性的有功功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高风力发电机组疲劳均匀性的有功功率分配方法，该方法包括以下步骤：1）根据风电场0-4小时预测风速、各机组额定功率计算各机组下一控制周期的可用功率；2）根据各机组额定功率、历史有功功率数据、维护历史数据，计算各机组疲劳系数；3）根据调度下达的风电场有功出力任务和各机组额定功率、可用功率、疲劳系数，确定并网运行的机组；4）考虑机组有功出力能力约束，根据各机组疲劳系数，按机组疲劳系数反比例，将风电场有功出力任务分解到并网运行的机组。本发明能在保证风电场的有功功率跟踪调度给定值的前提下，提高风电场各机组疲劳的均匀性，提高各机组维护的同步性，降低风电场维护频率。

Description

一种提高风力发电机组疲劳均匀性的有功功率分配方法

技术领域

本发明涉及一种风电场的有功功率控制与分配机制，特别涉及一种提高风力发电机组疲劳均匀性的有功功率分配方法。

背景技术

我国风电机组装机容量不断攀升，国家电网公司发布的《风电场接入电力系统技术规定》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，风电场需要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功率控制信号。”风电场有功功率控制技术是风电场并网的重要基础。

另外，我国风资源区域聚特性，决定了我国风电发展以大型风电场为主。这些大型风电场通常地处偏远，工程难度大，单次维护费用高昂，风电场维护费用严重制约着风电产业的发展，国际、国内大批风电公司因维护费用过高而导致亏损。降低风电场维护频率成为风电产业发展的关键问题之一。国内外研究表明，风电场各机组疲劳不均匀是导致风电场维护量大的重要原因。而机组的疲劳水平与机组的有功功率关联密切，一般而言，同一风电场内，输出有功功率较多的机组，其疲劳程度更严重，维护周期更短。

目前，风电场实际使用的有功功率分配方法比较简单，主要包括：启停机法和比例分配法。

启停机法的工作方式是：当风电场有功输出高于设定值时，对风电机组进行顺序停机直到风电场输出功率在设定值以下；当功率低于设定阈值时，顺序启动风电机组并让机组满发来使风电场输出功率接近设定值。这种方式存在一些缺点：

1)风电机组频繁启停机，影响机组的寿命，同时，风电机组启停机都需要一定的时间，调节速度慢；

2)这种方法以单台机组有功功率为调节粒度，随着风电机组单机容量达到多兆瓦级，这种方法难于实现风电场有功功率准确跟踪电网要求；

3)没有考虑全风电场各机组寿命维护周期同步性。当风电场需要持续出现升降功率的时候，可能导致某些机组频繁启停，而其他机组一直不参与调节，最终导致风电场各机组疲劳不均匀，维护不同步，增加了维护频率。

比例分配法的工作方式是：按机组可用功率比例，将风电场有功出力任务分配到各机组。这种方式的缺点是：风电场面积较大，受地形和风电机组尾流效应(wake effect)的影响，风电场内风速存在较大的差异，平均风速较大的机组，其可用功率较大，比例分配得到的有功功率任务较多，输出有功功率多，最终导致风电场各机组疲劳不均匀，维护不同步，增加了维护频率。

另有学者着重考虑尾流效应作用下，通过牺牲风电场的部分有功功率来均衡各机组疲劳，这种方法的问题在于：

1)其更适合尾流规律性强的海上风电场，对陆地尤其是山地风电场紊流严重，尾流的影响退居其次，这种方法难于适用；

2)这种方法人为牺牲风电场有功功率，导致发电量偏少，不但损害风电业主收益，也会导致风电场有功出力偏离调度系统要求，制约了其应用范围。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提出一种提高风力发电机组疲劳均匀性的有功功率分配方法，本发明根据各机组疲劳程度，对风电场有功出力任务进行优化分配，在保证风电场输出的有功功率跟踪电网要求的前提下，提高各机组疲劳均匀性，从而提高机组维护同步性，减少风电场维护量，降低维护费用。

本发明解决上述技术问题的技术方案包括以下步骤：

1)根据风电场0-4小时预测风速计算风电场各风电机组的可用功率；

2)根据风电场各机组额定功率、历史有功功率数据、维护历史数据，计算各机组疲劳系数；

3)根据调度下达的风电场有功出力任务、各机组额定功率、风电机组可用功率和风电机组当前疲劳系数，确定并网运行的机组；运行机组组成的集合为集合

4)根据各机组疲劳系数，按疲劳系数反比例，将风电场有功出力任务分配到并网运行的各机组；如果有功功率分配结果不在某些风电机组出力能力内，则将超出这些机组出力能力的部分，再次按疲劳系数反比例，分配给具有有功功率调节裕量的并网运行机组，该过程反复进行，直到分配结果均在机组出力能力内。

本发明的技术效果在于：本发明根据各机组疲劳系数，按疲劳系数反比例，将风电场有功出力任务分配到并网运行的各机组；如果有功功率分配结果不在某些风电机组出力能力内，则将超出这些机组出力能力的部分，再次按疲劳系数反比例，分配给具有有功功率调节裕量的并网运行机组，该过程反复进行，直到分配结果均在机组出力能力内，这样可以在保证风电场的有功输出跟踪调度要求的前提下，优化风电场各机组疲劳的均匀性，增强风电场各机组维护的同步性，降低风电场维护频率，降低维护费用。

附图说明

图1为本发明的原理图。

图2为本发明的流程图。

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。

首先对本发明所涉及的参数进行说明或者定义：

1)最小运行功率：当风电机组的实际输出的有功功率小于一定值时，风电机组的运行经济性较差，设置最小运行功率限制，低于该值时，机组将停机，最小运行功率一般为机组额定功率的20％，即其中分别表示编号为j的机组的最小运行功率、额定功率。

2)疲劳系数：机组疲劳用疲劳系数度量，其计算公式为：

$F^j\left(t\right)=\frac{{\∫}_0^t{p}^j\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}}{P_{\mathrm{rate}}^j{T}_{\mathrm{ser}}^j(1+C_{\mathrm{rep}}^j)}---\left(1\right)$

其中，F^j(t)表示编号为j的机组在t时刻的疲劳系数；p^j(τ)表示编号为j的机组在τ时刻的功率；表示编号为j的机组寿命，一般为20年；编号为j的机组维护补偿系数，取值0到1之间，具体取值由所维护的部件对机组运行的重要性确定。

3)疲劳系数反比法：其含义是，按机组疲劳系数的反比例，将风电场待分配功率分配到具有功率调节能力的机组，可描述为：

其中，表示分配给编号为r的机组有功功率；风电场待分配有功功率；表示并网运行机组集合，时要求中各机组有功功率可向上调节能力，时要求中各机组有功功率可向下调节能力；F^r(t_p)表示当前时刻t_p编号为r的风电机组的疲劳系数。

参见图1、2，本发明一种提高风力发电机组疲劳均匀性的有功功率分配方法包括以下步骤：

1、计算风电场各风电机组的可用功率

根据风电场0-4小时预测风速可以计算出风电机组在下一个功率控制周期内的可用功率，其计算公式为：

$P_{\mathrm{avil}}^j=\min [P_{\mathrm{rate}}^j,0.5\mathrm{\ρ\π}{R}_j^2{v}_j^3{C}_P^j]---\left(3\right)$

其中，表示编号为j的机组下一个功率控制周期的可用功率，v_j表示编号为j的机组下一个功率控制周期的预测风速(均值)，R_j表示编号为j的机组的叶轮半径，表示编号为j的机组的风能利用系数，ρ表示风电场空气密度，min是运算符，表示取最小值。

风电场普遍具备超短期风速预测系统，预测0-4小时内的风速，该步骤所需的v_j由风电场超短期风速预测系统给出；风电机组出厂时R_j值确定；风电场ρ值可测量；因此，可确定。

2、计算各机组当前疲劳系数

将式(1)改写为

$F^j\left(t_p\right)=F^j\left(t_0\right)+\frac{{\∫}_{t_0}^{t_p}{p}^j\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}}{P_{\mathrm{rate}}^j{T}_{\mathrm{ser}}^j(1+C_{\mathrm{rep}}^j)}---\left(4\right)$

其中，t_p是当前时刻，t₀是t_p之前的某个时刻。那么根据各风电机组的历史输出功率和历史维护信息，可以计算机组的疲劳系数。历史输出有功功率一般在风电机组控制器内有存储，维护历史数据也可记录在风电机组存储器。依据机型不同，部件维护对应的取值不同，可根据具体情况确定。

3、确定并网运行的机组

从风电场有功功率调节的快速性和可控性角度看，应让尽量多的机组并网运行，但是，当风电机组的实际输出的有功功率为最小运行功率时，经济性过差，应将机组停机。参与并网运行的机组可按如下步骤确定：

1)将风电场具有发电能力的机组按当前疲劳系数由大到小排队，并将这些机组的编号写入集合机组是否具有发电能力，由风电场管理系统给出结果，本发明直接应用该结果；

2)如果即则集合中所有机组并网运行，确定并网运行机组过程结束，否则，执行步骤3)；

3)如果即按疲劳系数由大到小顺序停机，并将停机机组的序号从集合中删去，该步骤反复进行，到为止，则集合中所剩机器编号对应并网运行机组。

4、有功功率分配

基于疲劳系数反比法，充分考虑机组发电能力约束，将风电场有功出力任务分解到各机组，为描述方便，首先定义一些符号标识：编号为j的机组有功功率计划值；编号为r的机组的上限溢出功率；编号为r的机组的下限溢出有功功率；调度下达的风电场有功出力任务；χ有功功率分配对象集合；编号为j的机组有功功率参考值；表示风电场上限溢出有功功率总量；表示风电场下限溢出有功功率总量。

功率分配步骤如下：

1)初始化，令编号为j的机组有功功率计划值j遍历集合各元素；令将集合赋值给有功功率分配对象集合χ；

2)将待分配功率按机组当前疲劳系数反比例分配到集合χ中的机组，分配公式为

$P_{\mathrm{do}}^r=\frac{\frac{1}{F^r\left(t_p\right)}}{\underset{j\∈\mathrm{\χ}}{\mathrm{\Σ}}\frac{1}{F^j\left(t_p\right)}}{P}_{\mathrm{todo}}^{\mathrm{farm}}---\left(5\right)$

$P_{\mathrm{plan}}^r=P_{\mathrm{plan}}^r+P_{\mathrm{do}}^r---\left(6\right)$

3)判断有功功率分配结果是否在机组有功出力能力范围内，对超出机组出力能力的部分进行进一步分配，其流程为：

I、对集合χ中所有机组，计算单台机组上限溢出有功功率，即：如果则编号为r的机组的上限溢出功率并且，对集合χ中所有机组，若则将r从χ中删除，同时令

II、对集合χ中所有机组，计算单台机组下限溢出有功功率，即：如果则编号为r的机组的下限溢出有功功率并且，对集合χ中所有机组，若则将r从χ中删除，同时令

III、计算风电场上限溢出有功功率总量，即计算风电场下限溢出有功功率总量，即

IV、如果 $P_{\mathrm{toinc}}^{\mathrm{farm}}\≠0,$ 令 $P_{\mathrm{todo}}^{\mathrm{farm}}\≠P_{\mathrm{toinc}}^{\mathrm{farm}},$ 转到2)；如果 $P_{\mathrm{todec}}^{\mathrm{farm}}\≠0,$ 令 $P_{\mathrm{todo}}^{\mathrm{farm}}\≠P_{\mathrm{todec}}^{\mathrm{farm}},$ 转到2)；如果且转到4)；

4)对集合中所有机组，设定其有功功率参考值为当前有功功率计划值，即：令编号为j的机组有功功率参考值j遍历集合各元素，下一个功率控制周期集合中各机组按功率运行。

Claims (4)

1.一种提高风力发电机组疲劳均匀性的有功功率分配方法，包括以下步骤：

A.根据风电场0-4小时预测风速计算各风电机组的可用功率；

B.根据风电场各机组额定功率、历史有功功率数据、维护历史数据，计算各机组疲劳系数；

C.根据调度下达的风电场有功出力任务、各机组额定功率、风电机组可用功率和风电机组当前疲劳系数，确定并网运行的机组；运行机组组成的集合为集合

D.根据各机组疲劳系数，按疲劳系数反比例，将风电场有功出力任务分配到并网运行的各机组；如果有功功率分配结果不在某些风电机组出力能力内，则将超出这些机组出力能力的部分，再次按疲劳系数反比例，分配给具有有功功率调节裕量的并网运行机组，该过程反复进行，直到分配结果均在机组出力能力内；

所述步骤D的具体步骤如下：

1)初始化，集合中所有机组有功功率计划值初始化为0，即：令编号为j的机组有功功率计划值j遍历集合各元素；令风电场待分配有功功率等于调度下达的风电场有功出力任务将集合赋值给有功功率分配对象集合χ；

2)将待分配功率按机组当前疲劳系数反比例分配到集合χ中的机组，分配公式为

$P_{\mathrm{do}}^r=\frac{\frac{1}{F^r\left(t_p\right)}}{\underset{j\∈\mathrm{\χ}}{\mathrm{\Σ}}\frac{1}{F^j\left(t_p\right)}}{P}_{\mathrm{todo}}^{\mathrm{farm}}$

$P_{\mathrm{plan}}^r=P_{\mathrm{plan}}^r+P_{\mathrm{do}}^r;$

其中，表示分配给编号为r的机组有功功率，t_p表示当前时刻，F^r(t_p)表示表示编号为r的机组在t_p时刻的疲劳系数；

3)判断有功功率分配结果是否在机组有功出力能力范围内，对超出机组出力能力的部分进行进一步分配，其流程为：

I、对集合χ中所有机组，计算单台机组上限溢出有功功率，即：如果则编号为r的机组的上限溢出功率并且，对集合χ中所有机组，若则将r从χ中删除，同时令

其中，表示编号为r的机组下一个功率控制周期的可用功率；

II、对集合χ中所有机组，计算单台机组下限溢出有功功率，即：如果则编号为r的机组的下限溢出有功功率并且，对集合χ中所有机组，若则将r从χ中删除，同时令

其中，表示编号为j的机组的额定功率；

III、计算风电场上限溢出有功功率总量计算风电场下限溢出有功功率总量 $P_{\mathrm{todec}}^{\mathrm{farm}}=\underset{r\∈\mathrm{\χ}}{\mathrm{\Σ}}{P}_{\mathrm{todec}}^r;$

IV、如果则按机组当前疲劳系数反比例分配即：令转到2)；如果则按机组当前疲劳系数反比例分配即：令转到2)；如果 $P_{\mathrm{toinc}}^{\mathrm{farm}}=0$ 且 $P_{\mathrm{todec}}^{\mathrm{farm}}=0,$ 转到4)；

4)对集合中所有机组，设定其有功功率参考值为当前有功功率计划值，即：令编号为j的机组有功功率参考值j遍历集合各元素，下一个功率控制周期集合中各机组按功率运行。

2.根据权利要求1所述的提高风力发电机组疲劳均匀性的有功功率分配方法，所述步骤A中，根据风电场0-4小时预测风速计算出风电机组在下一个功率控制周期对应的可用功率，其计算公式为：

$P_{\mathrm{avil}}^j=\min [P_{\mathrm{rate}}^j,0.5\mathrm{\ρ\π}{R}_j^2{v}_j^3{C}_P^j]$

其中，表示编号为j的机组下一个功率控制周期的可用功率，v_j表示编号为j的机组下一个功率控制周期的预测风速均值，R_j表示编号为j的机组的叶轮半径，表示编号为j的机组的额定功率，表示编号为j的机组的风能利用系数，ρ表示风电场空气密度，min是运算符，表示取最小值。

3.根据权利要求1所述的提高风力发电机组疲劳均匀性的有功功率分配方法，所述步骤B中，按下式计算机组疲劳系数，

$F^j\left(t\right)=\frac{{\∫}_0^t{p}^j\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}}{P_{\mathrm{rate}}^j{T}_{\mathrm{ser}}^j(1+C_{\mathrm{rep}}^j)}$

其中，F^j(t)表示编号为j的机组在t时刻的疲劳系数，表示编号为j的机组寿命，p^j(τ)表示编号为j的机组在τ时刻的功率，表示编号为j的机组维护补偿系数。

4.根据权利要求1所述的提高风力发电机组疲劳均匀性的有功功率分配方法，所述步骤C中，按如下步骤确定并网运行的机组：

1)将风电场具有发电能力的机组按当前疲劳系数由大到小排队，并将这些机组的编号写入并网运行机组集合

2)如果则集合中所有机组并网运行，否则，执行步骤3)；

3)如果则按疲劳系数由大到小顺序停机，并将停机机组的序号从集合中删去，直到为止，则集合中所剩机器编号对应并网运行机组；

其中，为调度下达的风电场有功出力任务。