CN104124713B - 一种风电机组优化运行控制方法 - Google Patents

Abstract

一种风力发电场内风电机组优化运行控制方法，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，并实时统计风电机组运行时间、停机时间，充分考虑风电机组的运行约束条件及环境因素的影响，通过风电机组的运行队列、停机队列之间的协调，在满足调度对风电场的出力要求前提下，可以保证风电场内的风电机组轮流运行，同时避免风电机组频繁启停，提高各个风电机组运行的公平性。

Description

一种风电机组优化运行控制方法

技术领域

本发明属于电力系统风力发电技术领域，具体涉及对东北高寒地区风电场内风电机组限电控制后如何保护风力发电机组，提出一种针对东北高寒地区冬季限电情况下风电机组优化运行控制方法。

背景技术

随着我国风电技术的发展和对开发利用可再生能源的重视，风力发电近几年在我国得到了较快的发展。初步探明我国陆地可开发利用风能的79％主要分布在三北地区，可开发利用的风力资源有0.2TW。随着风电装机运行容量快速增加和占电源比例的不断扩大，风电并网带来的对系统的冲击影响在黑龙江、辽宁、吉林、内蒙、甘肃等几个风电大省也已经开始陆续显现，并在不同程度上限制了系统继续接入风电的能力。

国家能源局最新数据显示，截至2012年底，中国风电弃风限电超过200亿kWh，相当于浪费了670万t标准煤，直接损失超100亿元。国家发改委预计中国2020年风电装机容量将突破1亿kW，弃风现象愈演愈烈，将对中国风电产业发展带来严重影响，中国的节能减排努力也将大打折扣。

东北地区冬季低谷期间电网调峰困难较大，需要限制风电发电。特别是冬季夜间，为保证供热，网内所有供热机组基本全部运行，且受供热质量要求的限制，供热机组调峰能力降低；而夜间往往风力较大，风电机组发电出力较高，容易导致省间联络线交换功率超计划曲线。东北地区供热时间较长，风电限电情况严重，往往能达到50％左右，有时候不得不将风力发电机组都降至最小运行功率运行甚至停机。东北地区冬季寒冷，夜间最低温度甚至低至-40°，在这么低的温度下如果风电机组长期停机，不仅启动困难而且运行特性会受到极大影响，鉴于此本发明提出了一种针对东北高寒地区限电情况下风电机组优化运行控制策略。东北高寒地区，避免风电机组冬季长期停运，导致风电机组启动困难，运行能力降低、增加维护成本等原因，特采用本发明的风电机组优化运行控制策略，在满足调度对风电场的出力要求前提下，可以保证风电场内的风电机组轮流运行，同时避免风电机组频繁启停，提高各个风电机组运行的公平性。

发明内容

为了解决冬季风电机组限电之后某些风电机组限电时间长、停机时间长、启动困难的问题，本发明提出了一种针对东北高寒地区限电情况下风电机组优化运行控制方法。该控制方法充分考虑了风电机组的运行约束条件及环境影响因素，将被限制功率的风电机组和处于停机状态的风电机组在整个风电机群内部轮换，充分保证了每台风电机组的最大发电功率与最少停机时间的公平性。本发明具体采用以下技术方案：一种风电机组优化运行控制方法，其特征在于：所述控制方法将被限制功率的风电机组和处于停机状态的风电机组在整个风电机群内部轮换，充分保证了每台风电机组的最大发电功率与最少停机时间的公平性。

一种风电机组优化运行控制方法，用于高寒地区限电情况下风电机组的优化运行控制，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)将风电场内的风电机组按照运行状态分为运行状态队列、停机状态队列；

其中，运行状态队列按照风电机组运行系数大小进行排序，运行系数大的机组排序在前，其中机组运行系数是综合了风电机组连续运行时间、风电机组实发功率与最优有功功率比值、风电机组发生故障时间三个不同的因素，每个因素在排队过程中取不同的权重系数形成风电机组的运行系数；

$K_{\mathrm{run}}=k_1{T}_{\mathrm{run}}+k_2\frac{P_{\mathrm{all}}}{P_{\mathrm{opt}}}+k_3{T}_f$

K_run-----表示风电机组运行系数；

T_run-----表示风电机组运行时间；

P_all-----表示风电机组实发功率；

P_opt-----表示风电机组的最优有功功率；

T_f------表示风电机组的故障时间；

k₁---运行时间权重系数；

k₂----最优功率比值系数；

k₃--故障时间权重系数；

停机状态队列按照风电机组停机系数大小进行排序，停机系数大的机组排序在前，其中停机系数综合考虑风电机组停机时间、处于低温环境下的停机时间两个不同的因素，每个因素在排队过程中取不同的权重系数形成风电机组的停机系数，其中，所述低温是指温度低于零下25摄氏度；

K_stop＝k₄T_stop+k₅T_-25

K_stop-----表示风电机组停机系数；

T_stop-----表示风电机组停运时间；

T_-25-----表示风电机组处于低温环境下的停机时间；

k₄-----停机时间权重系数；

k₅--低温环境下停机时间权重系数；

(2)设定风电机组在冬季高寒地区处于停机状态的最长停机时间T_set，当风电机组的停机状态的实际时间、即停机时间T_stop>T_set时，该风电机组需要启动；

(3)根据当前环境下测定的风速、环境因素预测的风电机组最大运行功率P_max，计算需要启动的风电机组最小运行功率之和P_{up_min}，即：其中表示第i台需要启动的风电机组的最小运行功率，n表示需要启动的风电机组的数量；

(4)计算运行状态队列中风电机组能够降低的风电功率之和△_{Pdown_all}，所述能够降低的风电功率之和等于运行状态队列中风电机组当前实际出力与最小运行功率之间的差值；

${\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{down}\_\mathrm{all}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(P_{\mathrm{act}}^i-P_{\min }^i)$

其中：——表示第i台风电机组当前实际出力；

——表示第i台风电机组最小运行功率；

n——表示运行队列中可以降低功率的风电机组的数量；

(5)如果处于运行状态的风电机组可以降低的风电功率之和大于需要启动的风电机组最小运行功率之和，即△P_{down_all}>P_{up_min}，按照相似裕度法将需要启动的风电机组最小运行功率之和P_{up_min}在可降低的风电机组之间进行功率分配；同时将启动的机组按照步骤(1)的方式在运行状态队列中进行排序；

(6)如果处于运行状态的风电机组可以降低的风电功率之和小于需要启动的风电机组最小运行功率之和△P_{down_all}<P_{up_min}，直接按照运行状态队列顺序依次停风电机组，，风电机组依次停机的功率和等于或大于需要启动的风电机组最小运行功率之和时为止，并将停运的风电机组按照步骤(1)的方式在停机状态队列中进行排序；

(7)在步骤(6)中，停机的风电机组功率和一般情况下与需要启动的风电机组最小运行功率之和有一定的差值，计算停运风电机组减少的发电功率△P_{ting_all}，将需要启动的风电机组最小运行功率之和减去停运风电机组减少的发电功率之后剩余的功率差，即P_{up_min}-△P_{ting_all}在运行状态队列中能够调整的风电机组之间采用相似裕度法再次分配。

本发明在步骤(1)中，所述风电机组的最优有功功率P_opt的计算公式如下：

P_opt＝k_kP_max

各个符号的具体含义如下：

P_opt——风电机组在未来一段时间内的最优有功功率；

P_max——风电机组在未来一段时间内的最大有功功率；

k_k——风电机组的最大有功功率可靠系数。

在步骤(1)中，k₁、k₂、k₃、k₄、k₅五个权重系数可以根据需要进行修改。

k₁优选为0.65；k₂优选为1.2；k₃优选为0.5。

k₄取1.1，k₅取1.2。

在步骤(6)中，按照运行状态队列顺序依次停风电机组时，该风电机组的连续运行时间还必须大于所设定的风电机组最小运行时间T_{run_stop}，如果某一风电机组的连续运行时间不大于所设定的风电机组最小运行时间T_{run_stop}时，则该风电机组不停机，其它满足所述最小运行时间T_{run_stop}的处于运行状态队列的风电机组按照顺序停机。

本发明具有以下有益的技术效果：

东北地区风电资源丰富，冬季寒冷并且风力发电限电情况严重，很多风力发电机组长期处于停运状态，导致风电机组启动困难、运行能力降低、增加维护成本。采用本发明的风电机组优化运行控制方法后，有以下技术效果：

(1)在满足调度对风电场的出力要求前提下，可以保证风电场内的风电机组轮流运行，同时避免了风电机组频繁启停，提高各个风电机组运行的公平性；

(2)大大减轻了风力发电机组的运行调度维护工作量，不必要等运行维护人员去关注风电机组是否停机时间太长而需要启动运行，由本发明自动提供此功能；

(3)被限制功率的风电机组和处于停机状态的风电机组在整个风电机群内部轮换，充分保证了每台风电机组的最大发电功率与最少停机时间的公平性；

(4)如果风电机组冬季长期处于停运状态，很容易造成机组的生锈，潮湿，低温，采用此控制方法后，减少了风电机组处于恶劣环境停运的时间，减少故障几率，延长使用寿命。

附图说明

图1为本发明风电机组优化运行控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细介绍。

为了解决冬季风电机组限电之后某些风电机组限电时间长、停机时间长、启动困难的问题，本发明提出了一种针对东北高寒地区限电情况下风电机组优化运行控制方法，在冬季寒冷时节，采用风电机组轮换运行的方式，保证了每台风电机组的最大发电功率与最少停机时间的公平性。该策略充分考虑了风电机组的运行约束条件及环境影响因素，将被限制功率的风电机组和处于停机状态的风电机组在整个风电机群内部轮换。如附图1所示为本发明公开的风电机组优化运行控制方法流程图，本流程控制方法运行在风电场的功率优化控制子站的控制器中，在风电场的功率优化控制子站的监控系统中设置有此方法投退按钮，当选择投入时，此方法自动运行，完成对风电场内风电机组的启停控制，当选择退出时，此方法不运行，不对风电场内的风电机组进行启停控制。

本申请公开的风电机组优化运行控制方法包括以下步骤：

(1)当选择方法投入时，控制方法按照以下步骤进行：将风电场内的风电机组按照运行状态分为运行状态队列、停机状态队列；

其中，运行状态队列按照风电机组运行系数大小进行排序，运行系数大的机组排序在前。其中机组运行系数是综合了风电机组连续运行时间、风电机组实发功率与最优有功功率比值、风电机组发生故障时间三个不同的因素，每个因素在排队过程中取不同的权重系数形成风电机组的运行系数。

$K_{\mathrm{run}}=k_1{T}_{\mathrm{run}}+k_2\frac{P_{\mathrm{all}}}{P_{\mathrm{opt}}}+k_3{T}_f$

K_run-----表示风电机组运行系数；

T_run-----表示风电机组运行时间；

P_all-----表示风电机组实发功率；

P_opt-----表示风电机组的最优有功功率；

T_f------表示风电机组的故障时间；

k₁---运行时间权重系数；

k₂----最优功率比值系数；

k₃--故障时间权重系数。

停机状态队列按照风电机组停机系数大小进行排序，停机系数大的机组排序在前。其中停机系数是综合考虑风电机组停机时间、处于低温环境下的停机时间两个不同的因素，每个因素在排队过程中取不同的权重系数形成风电机组的停机系数。其中，所述低温是指温度低于零下25摄氏度；

K_stop＝k₄T_stop+k₅T_-25

K_stop-----表示风电机组停机系数；

T_stop-----表示风电机组停运时间；

T_-25-----表示风电机组处于低温环境下的停机时间；

k₄-----停机时间权重系数；

k₅--低温环境下停机时间权重系数。

(2)事先设定风电机组在冬季高寒地区处于停机状态的最长停机时间T_set，当风电机组的停机状态的实际时间、即停机时间T_stop>T_set时，该风电机组需要启动；

(3)根据当前环境下测定的风速、环境因素预测的风电机组最大运行功率P_max，计算需要启动的风电机组最小运行功率之和P_{up_min}，即：

其中：表示第i台需要启动的风电机组的最小运行功率；

n表示需要启动的风电机组的数量。

(4)计算运行状态队列中风电机组能够降低的风电功率之和△P_{down_all}，所述能够降低的风电功率之和等于运行状态队列中风电机组当前实际出力与最小运行功率之间的差值； ${\mathrm{\&Delta;P}}_{\mathrm{down}\_\mathrm{all}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(P_{\mathrm{act}}^i-P_{\min }^i)$

其中：——表示第i台风电机组当前实际出力；

——表示第i台风电机组最小运行功率；

n——表示运行队列中可以降低功率的风电机组的数量。

(5)如果处于运行状态的风电机组可以降低的风电功率之和大于需要启动的风电机组最小运行功率之和，即△P_{down_all}>P_{up_min}，按照相似裕度法将需要启动的风电机组最小运行功率之和P_{up_min}在可降低的风电机组之间进行功率分配，同时将在步骤(2)中启动的机组按照步骤(1)的方式在运行状态队列中进行排序；

(6)如果在步骤(5)中判断的风电机组可以降低的风电功率之和小于需要启动的风电机组最小运行功率之和△P_{down_all}<P_{up_min}，直接按照运行状态队列顺序依次停风电机组，风电机组依次停机的功率和等于或大于需要启动的风电机组最小运行功率之和时为止；将停运的风电机组按照步骤(1)的方式在停机状态队列中进行排序.

(7)在步骤(6)中，停机的风电机组功率和一般情况下与需要启动的风电机组最小运行功率之和有一定的差值，计算停运风电机组减少的发电功率△P_{ting_all}，将需要启动的风电机组最小运行功率之和减去停运风电机组减少的发电功率之后剩余的功率差，即P_{up_min}-△P_{ting_all}在运行状态队列中能够调整的风电机组之间采用相似裕度法再次分配。到此完成一次整体的运行控制方法。

本发明中所述风电机组的最优有功功率P_opt的计算公式如下：P_opt＝k_kP_max各个符号的具体含义如下：

P_opt——风电机组在未来一段时间内的最优有功功率；

P_max——风电机组在未来一段时间内的最大有功功率；

k_k——风电机组的最大有功功率可靠系数。

在步骤(6)中，按照运行状态队列顺序依次停风电机组时，该风电机组的连续运行时间还必须大于所设定的风电机组最小运行时间T_{run_stop}，如果某一风电机组的连续运行时间不大于所设定的风电机组最小运行时间T_{run_stop}时，则该风电机组不停机，其它满足所述最小运行时间T_{run_stop}的处于运行状态队列的风电机组按照顺序停机。

实际算例：

某风电场有1.5MW的风电机组33台，单台风电机组的最小运行功率是0.8MW。由于冬季限电，只有10台风电机组处于运行状态，整个风电场的有功出力是10MW，其余的23台风电机组处于停机状态。设定的风电机组最小运行时间T_{run_stop}为30小时。

运行状态的风电机组信息如下：

表1：运行状态的风电机组信息表

停机状态的风电机组信息如下：

表2：停机状态的风电机组信息表

按照本发明的计算步骤如下：

(1)根据运行状态风电机组的信息，计算运行状态风电机组的运行系数，填写于表1的最后一列；计算停机状态的风电机组的停机系数，填写于表2的最后一列；k₁优选为0.65；k₂优选为1.2；k₃优选为0.5；k₄取1.1；k₅取1.2；

(2)设定的最长停机时间T_set是65小时，则编号是15和16的风电机组需要启动，并且16号风电机组排在15号风电机组的前面；

(3)根据风功率预测系统的数据信息，风电机组的最小运行功率是0.8MW，需要启动的两台风电机组的最小运行功率是P_{up_min}＝1.6MW；

(4)根据运行状态队列中风机的信息可以得到能够降低的风电机组功率之和△P_{down_all}是1.7MW；

(5)风电机组能够降低的风电功率之和△P_{down_all}大于等于需要启动的风电机组最小运行功率之和P_{up_min}；按照相似裕度法将需要启动的风电机组最小运行功率之和P_{up_min}在可降低的风电机组之间进行功率分配，此算例中将编号是1到7的风电机组均减小功率运行，减少的功率之和是P_{up_min}；

(6)将在步骤(2)中启动的风电机组按照步骤(1)的方式在运行状态队列中进行排序，由于风电机组刚刚启动，运行时间是0，实发功率是0.8MW，故障时间是0，则运行系数是：0.64，暂时排在运行队列的队尾，运行队列中有机组12台，同时在停机队列中，删除了编号是15、16的风电机组，处于停运状态的风电机组有21台。

由此可见，通过此发明控制方法，保证了风电场功率变化满足调度需求的前提下，有更多的风电机组处于运行状态。

步骤中所述风电机组的最优有功功率P_opt的计算公式如下：P_opt＝k_kP_max各个符号的具体含义如下：

P_opt——风电机组在未来一段时间内的最优有功功率；

P_max——风电机组在未来一段时间内的最大有功功率；

k_k——风电机组的最大有功功率可靠系数。

申请人结合说明书附图对本发明的实施实例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施实例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种风电机组优化运行控制方法，用于高寒地区限电情况下风电机组的优化运行控制，所述方法包括以下步骤：

(1)将风电场内的风电机组按照运行状态分为运行状态队列、停机状态队列；

其中，运行状态队列按照风电机组运行系数大小进行排序，运行系数大的机组排序在前，其中机组运行系数是综合了风电机组连续运行时间、风电机组实发功率与最优有功功率比值、风电机组发生故障时间三个不同的因素，每个因素在排队过程中取不同的权重系数形成风电机组的运行系数；

$K_{run}=k_1{T}_{run}+k_2\frac{P_{all}}{P_{opt}}+k_3{T}_f$

K_run-----表示风电机组运行系数；

T_run-----表示风电机组运行时间；

P_all-----表示风电机组实发功率；

P_opt-----表示风电机组的最优有功功率；

T_f------表示风电机组的故障时间；

k₁---运行时间权重系数；

k₂----最优功率比值系数；

k₃--故障时间权重系数；

停机状态队列按照风电机组停机系数大小进行排序，停机系数大的机组排序在前，其中停机系数综合考虑风电机组停机时间、处于低温环境下的停机时间两个不同的因素，每个因素在排队过程中取不同的权重系数形成风电机组的停机系数，其中，所述低温是指温度低于零下25摄氏度；

K_stop-----表示风电机组停机系数；

T_stop-----表示风电机组停运时间；

T_-25-----表示风电机组处于低温环境下的停机时间；

k₄-----停机时间权重系数；

k₅------低温环境下停机时间权重系数；

(2)设定风电机组在冬季高寒地区处于停机状态的最长停机时间T_set，当风电机组的停机状态的实际时间、即停机时间T_stop＞T_set时，该风电机组需要启动；

(3)根据当前环境下测定的风速、环境因素预测的风电机组最大运行功率P_max，计算需要启动的风电机组最小运行功率之和P_{up_min}，即：其中表示第i台需要启动的风电机组的最小运行功率，n表示需要启动的风电机组的数量；

(4)计算运行状态队列中风电机组能够降低的风电功率之和ΔP_{down_all}，所述能够降低的风电功率之和等于运行状态队列中风电机组当前实际出力与最小运行功率之间的差值；

${\mathrm{\&Delta;P}}_{down\_all}=\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}(P_{act}^i-P_{\min }^i)$

其中：——表示第i台风电机组当前实际出力；

——表示第i台风电机组最小运行功率；

n——表示运行队列中可以降低功率的风电机组的数量；

(5)如果处于运行状态的风电机组可以降低的风电功率之和大于需要启动的风电机组最小运行功率之和，即ΔP_{down_all}＞P_{up_min}，按照相似裕度法将需要启动的风电机组最小运行功率之和P_{up_min}在可降低的风电机组之间进行功率分配；同时将启动的机组按照步骤(1)的方式在运行状态队列中进行排序；

(6)如果处于运行状态的风电机组可以降低的风电功率之和小于需要启动的风电机组最小运行功率之和ΔP_{down_all}＜P_{up_min}，直接按照运行状态队列顺序依次停风电机组，风电机组依次停机的功率和等于或大于需要启动的风电机组最小运行功率之和时为止，并将停运的风电机组按照步骤(1)的方式在停机状态队列中进行排序；

(7)在步骤(6)中，停机的风电机组功率和与需要启动的风电机组最小运行功率之和有一定的差值，计算停运风电机组减少的发电功率ΔP_{ting_all}，将需要启动的风电机组最小运行功率之和减去停运风电机组减少的发电功率之后剩余的功率差，即P_{up_min}-ΔP_{ting_all}在运行状态队列中能够调整的风电机组之间采用相似裕度法再次分配。

2.根据权利要求1所述的风电机组优化运行控制方法，其特征在于：

在步骤(1)中，所述风电机组的最优有功功率P_opt的计算公式如下：

P_opt＝k_kP_max

其中：

P_opt——风电机组在未来一段时间内的最优有功功率；

P_max——风电机组在未来一段时间内的最大有功功率；

k_k——风电机组的最大有功功率可靠系数。

3.根据权利要求1所述的风电机组优化运行控制方法，其特征在于：

在步骤(1)中，k₁、k₂、k₃三个权重系数可以根据需要进行修改；

在步骤(1)中，k₄、k₅两个权重系数可以根据需要进行修改。

4.根据权利要求1所述的风电机组优化运行控制方法，其特征在于：

在步骤(6)中，按照运行状态队列顺序依次停风电机组时，该风电机组的连续运行时间还必须大于所设定的风电机组最小运行时间T_{run_stop}，如果某一风电机组的连续运行时间不大于所设定的风电机组最小运行时间T_{run_stop}时，则该风电机组不停机，其它满足所述最小运行时间T_{run_stop}的处于运行状态队列的风电机组按照顺序停机。