CN104037813A - 一种考虑电网安全的电力系统风电场自由发电控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种考虑电网安全的电力系统风电场自由发电控制方法，属于新能源接入电力系统的运行和控制技术领域。本方法根据最小弃风和公平调度的原则，当电网的风力发电接纳空间按照风力发电负荷偏差最小的方法分配到各风电场，使得风电场在自由发电状态下，一方面避免由于有功设定值过小而产生不必要的弃风，同时避免由于有功设定值过大，使得风电场有功出力超过电网的承受极限。本方法可集成在调度中心运行的风力发电有功控制主站系统中，使该系统能够实时根据风力发电运行状态和电网运行状态，实施最适宜的控制策略，保证电网有足够下旋备安全空间，并且风电场与电网连接线路断面的有功功率安全，并兼顾各风电场间的公平调度。

Description

一种考虑电网安全的电力系统风电场自由发电控制方法

技术领域

本发明涉及一种考虑电网安全的电力系统风电场自由发电控制方法，属于新能源接入电力系统的运行和控制技术领域。

背景技术

风资源的强随机性、预测困难、反调峰等特点使得电网有功调度控制愈加困难。如何在保证电网安全的前提下，最大程度利用风力发电资源，尽可能多地消纳风力发电已经成为目前各个风力发电基地所在电网面临的共同挑战之一。目前，业界已经对风力发电接入后的有功功率调度控制进行了大量研究，并取得一系列研究和应用成果。实际现场运行经验表明，在有功功率调度控制体系中引入分钟级的快速风力发电调度实时控制，对保障电网安全，减少弃风损失可以起到显著作用。

目前，工程现场主要采用启发式人工控制方法对风电场有功功率进行控制，即当电网存在安全问题，需要降低风电场有功功率时，运行人员凭借运行经验直接切除1个或者多个风电场或者将弃风量平均分配到各个风电场。这种方法依赖于运行人员的经验，难以保证调度的公平性，同时当电网安全不受限，存在风力发电接纳空间时，人工控制方式无法及时恢复风电场有功功率，而导致不必要的弃风。

发明内容

本发明的目的是提出一种考虑电网安全的电力系统风电场自由发电控制方法，克服现有技术的不足之处，以适应目前风力发电的快速波动化以及电网安全、最小弃风和公平调度的多重控制需求。

本发明提出的考虑电网安全的电力系统风电场自由发电控制方法，包括以下步骤：

(1)从电网的数据采集与监视控制系统采集当前电网自动发电控制机组的实时下旋备、风电场与电网之间的连接线路有功功率偏差，从电网调度中心得到电网可接纳的风电场有功功率从电网的数据采集与监视控制系统采集与电网相连的各风电场的实时有功功率p^w和各风电场与电网之间连接线路断面的实时有功功率p^s，从电网调度中心获取有功功率下限估计最大有功功率和有功功率上限

(2)若上述风电场有功功率则将与电网相连的各风电场的自由发电调节量设为0，并进行步骤(6)；

(3)从电网调度中心获取各风电场对风电场与电网之间连接线路断面的有功功率灵敏度S^SW；

(4)建立考虑电网安全的电力系统风电场自由发电控制方法的目标函数，如下：

$\underset{\mathrm{\Δ}{p}_i^{w,f}}{\min }(W^p\·(\mathrm{\Δ}{p}_{\mathrm{wind}}^{\mathrm{cap}}-\underset{i\∈{\mathrm{\Ω}}^w}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\Δ}{p}_i^{w,f})+W^r\·\underset{i\∈{\mathrm{\Ω}}^w}{\mathrm{\Σ}}{\left({r_i}^w\right)}^2)$

其中：Ω^w为与电网相连的所有风电场集合，为电网可接纳的风电场有功功率，为第i个风电场的自由发电调节量，r_i ^w为第i个风电场的负载偏差率，W^p、W^r分别为权重系数，W^p取值为10.0，W^r取值为0.01；

(5)设定考虑电网安全的电力系统风电场自由发电控制方法的约束条件，包括：

(5-1)第i个风电场的实时有功功率有功功率下限自由发电调节量和风电场容量p^w,m之间满足以下关系式：

${\underset{\‾}{p}}_i^w\≤p_i^w+\mathrm{\Δ}{p}_i^{w,f}\≤p^{w,m}$

(5-2)第i个风电场与电网之间连接线路断面的实时有功功率有功功率上限灵敏度S^SW和自由发电调节量Δp^w,f之间满足以下关系：

$p_i^s+S^{\mathrm{SW}}\mathrm{\Δ}{p}^{w,f}\≤{\stackrel{\‾}{p}}_i^s,$

(5-3)电网中所有风电场的自由发电调节量满足以下关系式：

$\underset{i\∈{\mathrm{\Ω}}^w}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\Δ}{p}_i^{w,f}\≤\max \{\mathrm{\Δ}{p}_{\mathrm{wind}}^{\mathrm{cap}},-\underset{i\∈{\mathrm{\Ω}}^w}{\mathrm{\Σ}}(p_i^w-{\underset{\‾}{p}}_i^w)\},$

其中，Ω^w为与电网相连的所有风电场集合，为电网可接纳的风电场有功功率，为第i个风电场的实时有功功率，为第i个风电场有功功率下限；

(5-4)设定风力发电有功功率调节的方向约束，使i∈Ω^w；

(6)采用内点法求解上述步骤(4)和步骤(5)的二次规划数学模型，得到风电场自由发电调节量

(7)以上述风电场自由发电调节量对风电场进行控制，实现考虑电网安全的电力系统风电场自由发电控制。

本发明提出的考虑电网安全的电力系统风电场自由发电控制方法，其特点和效果是：本方法根据最小弃风和公平调度的原则，当电网的风力发电接纳空间按照风力发电负荷偏差最小的方法分配到各风电场，使得风电场在自由发电状态下，一方面避免由于有功功率设定值过小而产生不必要的弃风，同时避免由于有功功率设定值过大，使得风电场有功功率超过电网的承受极限。本方法可集成在调度中心运行的风力发电有功功率控制主站系统中，使该系统能够实时根据风力发电运行状态和电网运行状态，实施最适宜的控制策略，保证电网有足够下旋备安全空间，并且风电场与电网连接线路断面功率安全，并兼顾各风电场间的公平调度。

具体实施方式

本发明提出的考虑电网安全的电力系统风电场自由发电控制方法，包括以下步骤：

(1)从电网的数据采集与监视控制系统采集当前电网自动发电控制机组的实时下旋备、风电场与电网之间的连接线路有功功率偏差，从电网调度中心得到电网可接纳的风电场有功功率从电网的数据采集与监视控制系统采集与电网相连的各风电场的实时有功功率p^w和各风电场与电网之间连接线路断面的实时有功功率p^s，从电网调度中心获取有功功率下限估计最大有功功率和有功功率上限

(2)若上述风电场有功功率则表明当前电网不具备继续接纳风力发电的空间，将与电网相连的各风电场的自由发电调节量设为0，并进行步骤(6)；

(3)从电网调度中心获取各风电场对风电场与电网之间连接线路断面的有功功率灵敏度S^SW；

(4)建立考虑电网安全的电力系统风电场自由发电控制方法的目标函数，如下：

$\underset{\mathrm{\Δ}{p}_i^{w,f}}{\min }(W^p\·(\mathrm{\Δ}{p}_{\mathrm{wind}}^{\mathrm{cap}}-\underset{i\∈{\mathrm{\Ω}}^w}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\Δ}{p}_i^{w,f})+W^r\·\underset{i\∈{\mathrm{\Ω}}^w}{\mathrm{\Σ}}{\left({r_i}^w\right)}^2)$

其中：Ω^w为与电网相连的所有风电场集合，为电网可接纳的风电场有功功率，为第i个风电场的自由发电调节量，r_i ^w为第i个风电场的负载偏差率，用于表征各风电场的负载率与平均负载率的偏差，上述目标函数中的促使自由发电控制时最大程度地利用电网消纳能力，同时避免风力发电总量超过电网消纳能力，目标函数中的促使各风电场向其有功功率更加均衡的方向发展，即负载率偏差接近于零，W^p、W^r分别为权重系数，为了优化保证最小弃风，一般有W^p>W^r。在实际应用中，W^p取值10.0，W^r取值0.01；

(5)设定考虑电网安全的电力系统风电场自由发电控制方法的约束条件，包括：

(5-1)第i个风电场的实时有功功率有功功率下限自由发电调节量和风电场容量p^w,m之间满足以下关系式：保证风电场有功功率在其最小出力和其最大出力之间：

${\underset{\‾}{p}}_i^w\≤p_i^w+\mathrm{\Δ}{p}_i^{w,f}\≤p^{w,m}$

(5-2)第i个风电场与电网之间连接线路断面的实时有功功率有功功率上限灵敏度S^SW和自由发电调节量Δp^w,f之间满足以下关系：以保证越限校正控制后各风电场与电网之间连接线路断面的有功功率小于有功功率上限，其中的主要受电网稳定约束限制的风电场与电网之间连接线路断面的最大有功功率，

$p_i^s+S^{\mathrm{SW}}\mathrm{\Δ}{p}^{w,f}\≤{\stackrel{\‾}{p}}_i^s.$

(5-3)电网中所有风电场的自由发电调节量满足以下关系式：总自由发电调节量小于可消纳风力发电容量约束，避免由于风力发电有功功率过大，引起电网的频率安全问题，即AGC机组下旋备不足或者联络线实时有功功率值偏离计划过多，

$\underset{i\∈{\mathrm{\Ω}}^w}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\Δ}{p}_i^{w,f}\≤\max \{\mathrm{\Δ}{p}_{\mathrm{wind}}^{\mathrm{cap}},-\underset{i\∈{\mathrm{\Ω}}^w}{\mathrm{\Σ}}(p_i^w-{\underset{\‾}{p}}_i^w)\}.$

其中，Ω^w为与电网相连的所有风电场集合，为电网可接纳的风电场有功功率，为第i个风电场的实时有功功率，为第i个风电场有功功率下限；

(5-4)设定风力发电自由发电调节量的方向约束，使i∈Ω^w；本约束避免在自由控制下，产生限制风电场出力的不合理指令。

(6)采用内点法求解上述步骤(4)和步骤(5)的二次规划数学模型，得到考虑电网安全的电力系统风电场自由发电控制的风电场自由发电调节量

(7)以上述风电场自由发电调节量对风电场进行控制，实现考虑电网安全的电力系统风电场自由发电控制。

本发明的考虑电网安全的电力系统风电场自由发电控制方法中，涉及的自动发电控制机组，是指电网中参与自动发电控制的发电机组。自动发电控制(Automatic GenerationControl，AGC)是电力系统有功功率调整和频率控制的一种，AGC是电力系统调度自动化的主要内容之一，利用调度中心侧监控计算机、远动通道、发电机组自动化装置等组成的闭环控制系统，监测、调整电力系统的频率，以控制发电机出力。

本方法中的自动发电控制机组下旋备，用来表征机组有功功率最大的可下调空间。设机组i的有功功率当前值为有功功率下限为则机组i的有功功率下旋备的定义为： $p_i^{\mathrm{cap}}=p_i^{\mathrm{curr}}-p_i^{\min }.$

本方法中的风电场负载偏差率r_i ^w，用于表征各风电场的负载率与平均负载率的偏差，满足如下关系：

${r_i}^w=\frac{p_i^w}{c_i^w\·{\stackrel{\‾}{p}}_i^w}-\stackrel{\‾}{r^w}$

其中为风电场平均负载率，是为了充分调动各风电场跟踪控制中心调度指令的积极性而引入风电场，并作为风力发电公平调度的依据，满足如下关系：

$\stackrel{\‾}{r^w}=\frac{\underset{i\∈{\mathrm{\Ω}}^w}{\mathrm{\Σ}}{p}_i^w}{\underset{i\∈{\mathrm{\Ω}}^w}{\mathrm{\Σ}}(c_i^w\·{\stackrel{\‾}{p}}_i^w)}$

其中，Ω^w为所有的受控风电场集合，为风电场上送的第i个风电场的最大出力预测值。c^w为风电场考核打分指标，用于定量描述风电场对电网的友好接入程度，主要由调度运行人员人工确定并周期更新(月度/周度)，满足0≤c^w≤1。

Claims (1)

1.一种考虑电网安全的电力系统风电场自由发电控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)从电网的数据采集与监视控制系统采集当前电网自动发电控制机组的实时下旋备、风电场与电网之间的连接线路有功功率偏差，从电网调度中心得到电网可接纳的风电场有功功率从电网的数据采集与监视控制系统采集与电网相连的各风电场的实时有功功率p^w和各风电场与电网之间连接线路断面的实时有功功率p^s，从电网调度中心获取有功功率下限估计最大有功功率和有功功率上限

(2)若上述风电场有功功率则将与电网相连的各风电场的自由发电调节量设为0，并进行步骤(6)；

(3)从电网调度中心获取各风电场对风电场与电网之间连接线路断面的有功功率灵敏度S^SW；

(4)建立考虑电网安全的电力系统风电场自由发电控制方法的目标函数，如下：

$\underset{\mathrm{\Δ}{p}_i^{w,f}}{\min }(W^p\·(\mathrm{\Δ}{p}_{\mathrm{wind}}^{\mathrm{cap}}-\underset{i\∈{\mathrm{\Ω}}^w}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\Δ}{p}_i^{w,f})+W^r\·\underset{i\∈{\mathrm{\Ω}}^w}{\mathrm{\Σ}}{\left({r_i}^w\right)}^2)$

其中：Ω^w为与电网相连的所有风电场集合，为电网可接纳的风电场有功功率，为第i个风电场的自由发电调节量，r_i ^w为第i个风电场的负载偏差率，W^p、W^r分别为权重系数，W^p取值为10.0，W^r取值为0.01；

(5)设定考虑电网安全的电力系统风电场自由发电控制方法的约束条件，包括：

(5-1)第i个风电场的实时有功功率有功功率下限自由发电调节量和风电场容量p^w,m之间满足以下关系式：

${\underset{\‾}{p}}_i^w\≤p_i^w+\mathrm{\Δ}{p}_i^{w,f}\≤p^{w,m}$

(5-2)第i个风电场与电网之间连接线路断面的实时有功功率有功功率上限灵敏度S^SW和自由发电调节量Δp^w,f之间满足以下关系：

$p_i^s+S^{\mathrm{SW}}\mathrm{\Δ}{p}^{w,f}\≤{\stackrel{\‾}{p}}_i^s,$

(5-3)电网中所有风电场的自由发电调节量满足以下关系式：

$\underset{i\∈{\mathrm{\Ω}}^w}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\Δ}{p}_i^{w,f}\≤\max \{\mathrm{\Δ}{p}_{\mathrm{wind}}^{\mathrm{cap}},-\underset{i\∈{\mathrm{\Ω}}^w}{\mathrm{\Σ}}(p_i^w-{\underset{\‾}{p}}_i^w)\},$

其中，Ω^w为与电网相连的所有风电场集合，为电网可接纳的风电场有功功率，为第i个风电场的实时有功功率，为第i个风电场有功功率下限；

(5-4)设定风力发电站自由发电调节量的方向约束，使i∈Ω^w；

(6)采用内点法求解上述步骤(4)和步骤(5)的二次规划数学模型，得到风电场自由发电调节量

(7)以上述风电场自由发电调节量对风电场进行控制，实现考虑电网安全的电力系统风电场自由发电控制。