CN104467030A - 一种基于风电与火电联合发电的功率分配方法 - Google Patents

Abstract

一种基于风电与火电联合发电的功率分配方法。本发明采用判断并网点断面裕度是否超过上下限来启动对火电机组的调节，减少对火电机组的调节频率。在风力发电出力大的情况下，考虑适当的限制风电的策略，不至于引起火电机组的停机操作，减少对火电厂的不利运行情况。在一定功率指令条件下，风电与火电打捆送出策略为：优先考虑风电送出，当风电与火电的总发电功率超出功率指令时，火电机组考虑降出力运行，若火电机组以最小技术出力运行时的风火电的总功率仍超出功率指令，则考虑风电场群采取弃风措施以使得总的外送功率控制在功率指令之内。

Description

一种基于风电与火电联合发电的功率分配方法

技术领域

本发明属于电力系统发电技术领域，主要涉及在目前大量限制风力发电、弃风的情况下，如何提高风力发电的出力，充分利用绿色能源。采用风力发电与火力发电联合打捆外送的策略，可以提高风电的利用率，本发明提出了一种基于风电与火电联合发电的功率分配方法。

背景技术

随着我国大规模的风电场集中建设，风力发电场装机容量不断增加，风力发电在电网中所占比重越来越大。由于风力发电出力具有随机性、间歇性、不可控性等特点，这给电网的安全调度带来很多问题，很多电网公司不得不放弃风电。截至2012年底我国风电装机达到6083万千瓦，全年发电量1004亿千瓦时，均居全球第一。风电装备产业也取得长足进步，技术水平逐步赶超世界先进。风电发展取得了举世瞩目成绩的同时，风电消纳困难、弃风电量逐年增加的问题也凸显出来。据初步统计，2011年全国风电弃风电量约为120亿千瓦，弃风率约为16％，2012年全国风电弃风电量超过200亿千瓦时，弃风率达到20％，一些风资源很好地区的风电机组实际年利用小时数已不足1500小时。

风电场的年利用小时数比火电厂等传统电源年利用小时数低很多，我国风电场的年利用小时数一般在1500～2500小时左右，火电机组的年利用小时数可达5000～6000小时。因此若风电场群采用纯风电送出，输电线路得不到充分的利用，输电价格也会因此较高。此外，由于风电功率的波动性，若采用交流方式送出，由于输电功率的不稳定性输电线路的电压将会出现较大的波动，这不利于系统的稳定运行，若采用直流方式送出，直流功率无法恒定，会给直流控制器的设计带来一定的困难。为了能够使电网允许更多的风电接入，必须优化现有电源结构、增加调频调峰机组的容量用来调节风电功率输出的波动性。但是西北与内蒙地区的水资源有限，没有足够的水电机组来对风电进行调频调峰；抽水蓄能电厂在西北地区存在着选址困难、库容不足、以及风电预测精度无法满足抽水蓄能电站调度等问题。新疆与内蒙地区具有丰富的煤炭资源，目前火电机组的每分钟出力变化率可达3％～5％，调峰深度可达50％以上，当火电机组为风电机组的1.5～2倍时可以满足风电的调频调峰需求。所以广泛采用风力发电与火力发电打捆外送的策略。

由以上输送通道、输送容量、调频等特性分析，采用风电、火电打捆外送的方式可以解决输送的问题。风电场群及相应的火电机组输出的电力通过较低电压等级的网络汇集后通过外送线路将风电火电送至负荷中心。当风电出力较低时，火电厂可以满发以提高火电厂的经济效益，当风电大发时，为了保证输电线路不过载，火电厂需要调节其出力使得风电火电的总外送功率不超过传输线路的容量。因此在风电火电打捆送出时应优先考虑风电的送出。由于风电机组出力的随机性与波动性，其日出力变化很大，为了满足系统调峰调频需求，若在风电机组大发时对火电机组采取停机策略，则火电机组需要频繁的启停操作，这不仅对火电厂的运行不利，而且会造成很大的启停费用，因此在风电大发时不考虑火电机组停机。

在一定发电功率指令下，风电与火电打捆送出策略为：优先考虑风电送出，当风电与火电的总发电功率超出发电功率指令时，火电机组考虑降出力运行，若火电机组以最小技术出力运行时的风火电的总功率仍超出发电功率指令，则考虑风电场群采取弃风措施以使得总的外送功率控制在发电功率指令之内。

发明内容

为了充分利用输电通道，提高风力发电的利用效率，充分利用绿色能源，在采用风力发电与火力发电联合发电之后，如何协调风电与火电之间的出力，既减少对火电机组的频繁调节，也同时满足电网调度对风电与火电并网点的功率控制要求，本发明提出了一种基于风电与火电联合发电的功率分配方法，该方法充分考虑了由于风电机组出力的随机性与波动性，日出力变化大的特点。

在一定功率指令条件下，风电与火电打捆送出策略为：优先考虑风电送出，当风电与火电的总发电功率超出功率指令时，火电机组考虑降出力运行，若火电机组以最小技术出力运行时的风火电的总功率仍超出功率指令要求，则考虑风电场群采取弃风措施以使得总的外送功率控制在功率指令要求之内。

本发明具体采用以下技术方案：

一种基于风电与火电联合发电的功率分配方法，其特征在于：将火电机组及风电场等效为一个电源点，根据风电出力变化调整火电出力变化，从而控制区域内发电机组的总出力变化。

一种基于风电与火电联合发电的功率分配方法，其特征在于，所述功率分配方法包括以下步骤：

(1)判断火电机组启动调节的条件，当风电与火电“打捆”外送断面裕度低于设定的下限值或者高于设定的上限值时，启动火电机组调节；其中，所述外送断面裕度是指风火打捆并网点功率波动稳定范围；

(2)计算火电机组的调节量；

(3)根据步骤(2)计算的火电机组调节量，在火电机组间进行有功功率分配；

(4)根据步骤(2)计算的火电机组调节量并结合并网点总功率的指令值，得出风电场的功率调节量，将风电场的有功功率调节量与当前风电场的实发有功功率做代数和可以得到风电场的目标有功指令值将风电场的功率调节量在风电机群间进行有功功率分配；

(5)根据步骤(4)计算的各风电机群的有功功率分配值，在风电机群内部进行有功功率分配。

采用本发明的风电与火电联合发电控制方法后，可以达到以下控制效果：

(1)提高风力发电的利用率，提高绿色能源的利用率，减少风力发电的弃风率；

(2)将风电与火电打捆外送，等效为一个大的电源点，提高了电力通道的利用率，减少电网调度的复杂度，调度面向的是一个稳定的电源点，减少考虑风电对电网的影响；

(3)采用判断断面裕度的方法，判断火电机组是否需要启动调节，减少由于风电波动对火电机组引起的频繁调节；

(4)采用不停火电机组的控制策略，在大风的情况下，适当限制风电的控制方法，避免了调节过程中对火电机组的停机控制，减少火电机组启停过程中的费用；

附图说明

图1为本申请公开的基于风电与火电联合发电的功率分配方法流程图。

具体实施方式

为了充分利用输电通道，提高风力发电的利用效率，充分利用绿色能源，在采用风力发电与火力发电联合发电之后，如何协调风电与火电之间的出力，既减少对火电机组的频繁调节，也同时满足电网调度对风电与火电并网点的功率控制要求，本发明提出了一种基于风电与火电联合发电的功率分配算法，该算法充分考虑了由于风电机组出力的随机性与波动性、日出力变化大的特点。

在一定功率指令条件下，风电与火电打捆送出策略为：优先考虑风电送出，当风电与火电的总发电功率超出功率指令时，火电机组考虑降出力运行，若火电机组以最小技术出力运行时的风火电的总功率仍超出功率指令要求，则考虑风电场群采取弃风措施以使得总的外送功率控制在功率指令要求之内。

(1)火电机组启动调节的判断

为了避免火电机组的频繁调节，通过设定风电与火电“打捆”外送断面裕度上、下限来启动。若断面裕度低于设定的下限值，则需降低火电出力，若断面裕度高于设定的上限值，则需提升火电出力，如附图1所示。通过断面裕度的控制，可以充分减少火电机组的调节频率。

附图1中，首先判断外送断面裕度是否小于设定的下限值，如果是，那么判断出需要进行减少火电的出力，火电减少的调节量按照(2)中的方法进行计算，计算得出的火电机组功率指令下发给机组的DCS系统去执行。

(2)计算火电机组的调节量

所述火电机组调节量用下式表示：

ΔP_G＝P_target-P_all-kΔP_w            式1

式中：P_target—风电火电总的目标有功功率值，

P_all—发电厂当前风电与火电总实发有功功率，

ΔP_w—为下个时段风电预计有功功率变化量，

k——为风电有功功率变化量的参与系数，ΔP_G为正，代表需要提升火电有功功率，为负则代表需要降低火电有功功率，若当前风电与火电“打捆”外送断面裕度低于设定的下限值时：当ΔP_G大于0，则火电机组调节量ΔP_G取0；当ΔP_G小于0时，则火电机组调节量ΔP_G取实际计算值；

若当前风电与火电“打捆”外送断面裕度高于设定的上限值时，当ΔP_G小于0，则火电机组调节量ΔP_G取0；当当ΔP_G大于0，则火电机组调节量ΔP_G取实际计算值。

ΔP_w可直接用下个时段风电功率预测值减去风电当前出力得到；

k由人工设定，取值范围为0～1.0，可根据实际的ΔP_w准确程度来调整。

(3)根据步骤(2)计算的火电机组调节量，在火电机组间进行有功功率分配。在本申请中，所述分配方法可以采用两种实施例。

分配方法一即实施例1具体计算如下：

根据步骤(2)计算的火电机组调节量之后，根据当前火电机组的实发有功功率与调节量做代数和得出火电机组的目标有功指令值P_{target_H}，当火电机组实发有功功率低于火电机组的目标有功指令值则增加火电机组有功功率，按照下式2计算参与控制的各火电机组分配的有功增量为:

$\mathrm{\Δ}{P}_{m\_\mathrm{up}}=\frac{P_{m\max }-P_m}{\underset{j}{\mathrm{\Σ}}(P_{j\max }-P_j)}\·(P_{t\arg \mathrm{et}\_H}-P_{\mathrm{all}\_H})$          式2

其中：P_{target_H}：火电机组目标有功指令值，

P_{all_H}：火电机组实发有功功率值，

P_jmax：第j台火电机组有功上限，

P_j：第j台火电机组实发有功功率值，

P_m：第m台火电机组的实发有功功率值；

P_mmax：第m台火电机组的最大有功功率值；

ΔP_{m_up}：第m台火电机组所分配的有功增量；

当火电机组实发有功功率高于火电机组的目标有功指令值时，则减少火电机组有功功率，按照下式3计算火电机组所分配的需要减少的有功功率量:

$\mathrm{\Δ}{P}_{m\_\mathrm{dwn}}=\frac{P_m-P_{m\min }}{\underset{j}{\mathrm{\Σ}}(P_j-P_{j\min })}\·(P_{t\arg \mathrm{et}\_H}-P_{\mathrm{all}\_H})$              式3

其中：P_{target_H}：火电机组目标有功指令值

P_{all_H}：火电机组实发有功功率值，

P_jmax：第j台火电机组有功上限，

P_jmin：第j台火电机组有功下限，

P_j：第j台火电机组实发有功功率值，

P_m：第m台火电机组的实发有功功率值；

P_mmin：第m台火电机组的最小有功功率值；

P_{m_dwn}：第m台火电机组所分配的需要减少的有功增量。

分配方法二即实施例2具体计算如下：

根据当前火电机组的出力与调节量做代数和得出火电机组的目标有功指令值，然后按照式4计算各火电机组所分配的有功功率值：

${P_i}^{\mathrm{ref}}=\frac{P_{\mathrm{Mi}}^{\mathrm{opt}}}{P_{\mathrm{\Σ}}^{\mathrm{opt}}}{P}_{t\arg \mathrm{et}\_H}$                式4

其中：-需要分配给第i台火电机组的有功指令值，

-第i台火电机组的最优功率，

-发电厂内各火电机组的最优功率之和，

P_{target_H}-火电机组的总目标有功功率指令值。

(4)根据步骤(2)计算的火电机组调节量并结合并网点总功率的指令值，得出风电场的有功功率调节量，将风电场的有功功率调节量与当前风电场的实发有功功率做代数和得到风电场的目标有功指令值如果风电场中有几个不同的风电机群，按照下式5进行各风电机群的有功功率分配：

当 $P_{t\arg \mathrm{et}}^{\mathrm{all}}>P_{\mathrm{act}}^{\mathrm{all}},P_{t\arg \mathrm{et}}^i=P_{\mathrm{act}}^i+\frac{\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{up}}^i}{\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{up}}^{\mathrm{ALL}}}(P_{t\arg \mathrm{et}}^{\mathrm{all}}-P_{\mathrm{act}}^{\mathrm{all}})$

当 $P_{t\arg \mathrm{et}}^{\mathrm{all}}>P_{\mathrm{act}}^{\mathrm{all}},P_{t\arg \mathrm{et}}^i=P_{\mathrm{act}}^i+\frac{\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{down}}^i}{\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{down}}^{\mathrm{ALL}}}(P_{\mathrm{act}}^{\mathrm{all}}-P_{t\arg \mathrm{et}}^{\mathrm{all}})$            式5

其中，

-分配给风电机群i的有功指令值；

-风电机群i的实发有功功率值，

-风电机群i的可升有功总和，

风电场可升有功功率总和，

机群i的可降有功功率总和，

风电场可降有功功率总和，

风电场总目标有功指令值

风电场当前实发有功功率值。

(5)根据步骤(4)所述的在风电机群间进行有功功率分配后，需要在各风电机组间进行有功功率分配。当需要风电机组增加出力时，各个参与控制的风电机组的分配的有功增量按照式6计算:

$\mathrm{\Δ}{P}_{w\_\mathrm{up}}=\frac{P_{w\max }-P_w}{\underset{j}{\mathrm{\Σ}}(P_{i\max }-P_i)}\·(P_{t\arg \mathrm{et}}^i-P_{\mathrm{act}\_i})$                式6

其中，

-分配给风电机群i的有功指令值；

-风电机群i的实发有功功率值，

P_wmax-风电机组m在当前风况下的最大有功功率值，

P_w-风电机组m的当前实际有功功率值，

P_imax-风电机组i在当前风况下的最大有功功率值，

P_i-风电机组i的当前实际有功值，

i表示风电机群中含有的风电机组数量总和中的第i个风电机组；

当要减少各机组有功时,各个参与控制的风电机组的分配的需要减少的有功功率按照式7计算： $\mathrm{\Δ}{P}_{w\_\mathrm{dwn}}=\frac{P_w-P_{w\min }}{\underset{j}{\mathrm{\Σ}}(P_i-P_{i\min })}\·(P_{t\arg \mathrm{et}}^i-P_{\mathrm{act}\_i})$             式7

其中：-分配给风电机群i的有功指令值；

-风电机群i的实发有功值，

P_wmin-风电机组m的最小有功值

P_w-风电机组m的当前实际有功值

P_i-风电机组i的当前实际有功值

P_imin-风电机组i的最小有功值

i表示风电机群中含有的风电机组数量总和中的第i个风电机组。

Claims (9)

1.一种基于风电与火电联合发电的功率分配方法，其特征在于：将火电机组及风电场等效为一个电源点，根据风电出力变化调整火电出力变化，从而控制区域内发电机组的总出力变化。

2.一种基于风电与火电联合发电的功率分配方法，其特征在于，所述功率分配方法包括以下步骤：

(1)判断火电机组启动调节的条件，当风电与火电“打捆”外送断面裕度低于设定的下限值或者高于设定的上限值时，启动火电机组调节；其中，所述外送断面裕度是指风火打捆并网点功率波动稳定范围；

(2)计算火电机组的调节量；

(3)根据步骤(2)计算的火电机组调节量，在火电机组间进行有功功率分配；

(4)根据步骤(2)计算的火电机组调节量并结合并网点总功率的指令值，得出风电场的有功功率调节量，将风电场的有功功率调节量与当前风电场的实发有功功率做代数和得到风电场的目标有功指令值将风电场的功率调节量在风电机群间进行有功功率分配；

(5)根据步骤(4)计算的各风电机群的有功功率分配值，在风电机群内部进行有功功率分配。

3.根据权利要求2所述的功率分配方法，其特征在于：

在步骤(1)中，若风电与火电“打捆”外送断面裕度低于设定的下限值，则需要降低火电出力，若风电与火电“打捆”外送断面裕度高于设定的上限值，则需提升火电出力。

4.根据权利要求2所述的火电机组功率分配方法，其特征在于：

在步骤(2)中，所述火电机组调节量用下式计算：

ΔP_G＝P_target-P_all-kΔP_w   式1

式中：P_target—风电火电总的目标有功功率值，

P_all—发电厂当前风电与火电总实发有功功率

ΔP_w—为下个时段风电预计有功功率变化量，

k—为风电有功功率变化量的参与系数，

ΔP_G为正，代表需要提升火电有功功率，为负则代表需要降低火电有功功率，

若当前风电与火电“打捆”外送断面裕度低于设定的下限值时：当ΔP_G大于0，则火电机组调节量ΔP_G取0；当ΔP_G小于0时，则火电机组调节量ΔP_G取实际计算值；

若当前风电与火电“打捆”外送断面裕度高于设定的上限值时，当ΔP_G小于0，则火电机组调节量ΔP_G取0；当ΔP_G大于0，则火电机组调节量ΔP_G取实际计算值。

5.根据权利要求4所述的功率分配方法，其特征在于：

ΔP_w直接用下个时段风电有功功率预测值减去风电当前实发有功功率得到；

k由人工设定，取值范围为0～1.0。

6.根据权利要求2所述的功率分配方法，其特征在于：

在步骤(3)中，根据步骤(2)计算的火电机组调节量之后，根据当前火电机组的实发有功功率与所计算得到的火电机组调节量做代数和得出火电机组的目标有功指令值P_{target_H}，当火电机组实发有功功率低于火电机组的目标有功指令值则增加火电机组有功功率，按照下式2计算参与控制的各火电机组分配的有功增量为:

${\mathrm{\ΔP}}_{m\_\mathrm{up}}=\frac{P_{m\max }-P_m}{\underset{j}{\mathrm{\Σ}}(P_{j\max }-P_j)}\·(P_{t\arg \mathrm{et}\_H}-P_{\mathrm{all}\_H})$   式2

其中：P_{target_H}：火电机组目标有功指令值，

P_{all_H}：火电机组实发有功功率值，

P_jmax：第j台火电机组有功上限，

P_j：第j台火电机组实发有功功率值，

P_m：第m台火电机组的实发有功功率值；

P_mmax：第m台火电机组的最大有功功率值；

ΔP_{m_up}：第m台火电机组所分配的有功增量；

当火电机组实发有功功率高于火电机组的目标有功指令值时，则减少火电机组有功功率，按照下式3计算火电机组所分配的需要减少的有功功率:

$\mathrm{\Δ}{P}_{m\_\mathrm{dwn}}=\frac{P_m-P_{m\min }}{\underset{j}{\mathrm{\Σ}}(P_j-P_{j\min })}\·(P_{t\arg \mathrm{et}\_H}-P_{\mathrm{all}\_H})$   式3

其中：P_{target_H}：火电机组目标有功指令值

P_{all_H}：火电机组实发有功功率值，

P_jmax：第j台火电机组有功上限，

P_jmin：第j台火电机组有功下限，

P_j：第j台火电机组实发有功功率值，

P_m：第m台火电机组的实发有功功率值；

P_mmin：第m台火电机组的最小有功功率值；

P_{m_dwn}：第m台火电机组所分配的需要减少的有功功率增量。

7.根据权利要求2所述的功率分配方法，其特征在于：

在步骤(3)中，根据步骤(2)计算的火电机组调节量之后，根据当前火电机组的实发有功功率值与所计算得到的火电机组调节量做代数和得出火电机组的目标有功指令值P_{target_H}，然后按照式4计算各火电机组所分配的有功功率值：

$P_i^{\mathrm{ref}}=\frac{P_{\mathrm{Mi}}^{\mathrm{opt}}}{P_{\mathrm{\Σ}}^{\mathrm{opt}}}{P}_{t\arg \mathrm{et}\_H}$   式4

其中：-需要分配第i台火电机组的有功指令值，

-第i台火电机组的最优功率，

-发电厂内各火电机组的最优功率之和，

P_{target_H}-火电机组的总目标有功指令值。

8.根据权利要求2所述的风电机组功率分配方法，其特征在于：

根据步骤(4)中得到的风电场的目标有功指令值如果风电场中有几个不同的风电机群，按照下式5进行各风电机群的有功功率分配：

当 $P_{t\arg \mathrm{et}}^{\mathrm{all}}>P_{\mathrm{act}}^{\mathrm{all}},P_{t\arg \mathrm{et}}^i=P_{\mathrm{act}}^i+\frac{\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{up}}^i}{\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{up}}^{\mathrm{ALL}}}(P_{t\arg \mathrm{et}}^{\mathrm{all}}-P_{\mathrm{act}}^{\mathrm{all}})$

当 $P_{t\arg \mathrm{et}}^{\mathrm{all}}<P_{\mathrm{act}}^{\mathrm{all}},P_{t\arg \mathrm{et}}^i=P_{\mathrm{act}}^i-\frac{\mathrm{\&Delta;}{P}_{\mathrm{down}}^i}{\mathrm{\&Delta;}{P}_{\mathrm{down}}^{\mathrm{ALL}}}(P_{\mathrm{act}}^{\mathrm{all}}-P_{t\arg \mathrm{et}}^{\mathrm{all}})$   式5

其中，

-分配给风电机群i的有功指令值；

-风电机群i的实发有功功率值，

-风电机群i的可升有功总和，

风电场可升有功功率总和，

机群i的可降有功功率总和，

风电场可降有功功率总和，

风电场总目标有功指令值，

风电场当前实发有功功率值。

9.根据权利要求2所述的功率分配方法，其特征在于：

在步骤(5)所述的在风电机群内部进行有功功率分配中，当要增加各风电机组的有功时，各个参与控制的风电机组的分配的有功增量按照式6计算:

${\mathrm{\&Delta;P}}_{w-\mathrm{up}}=\frac{P_{w\max }-P_w}{\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}(P_{i\max }-P_i)}\&CenterDot;(P_{t\arg \mathrm{et}}^i-P_{\mathrm{act}\_i})$   式6

其中，

-分配给风电机群i的有功指令值；

-风电机群i的实发有功功率值，

P_wmax-风电机组m在当前风况下的最大有功功率值，

P_w-风电机组m的当前实际有功功率值，

P_imax-风电机组i在当前风况下的最大有功功率值，

P_i-风电机组i的当前实际有功值，

i表示风电机群中含有的风电机组数量总和中的第i个风电机组；

当要减少各机组有功时,各个参与控制的风电机组的分配的需要减少的有功功率按照式7计算：

${\mathrm{\&Delta;P}}_{w-\mathrm{dwn}}=\frac{P_w-P_{w\min }}{\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}(P_i-P_{i\min })}\&CenterDot;(P_{t\arg \mathrm{et}}^i-P_{\mathrm{act}\_i})$   式7

其中：-分配给风电机群i的有功指令值；

-风电机群i的实发有功值，

P_wmin-风电机组m的最小有功值

P_w-风电机组m的当前实际有功值

P_i-风电机组i的当前实际有功值

P_imin-风电机组i的最小有功值

i表示风电机群中含有的风电机组数量总和中的第i个风电机组。