CN104701887A - 一种考虑转子惯性动能的风电场旋转备用容量优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑转子惯性动能的风电场旋转备用容量优化方法，将转子惯性功能纳入旋转备用容量，建立备用优化运行模式和调度优化运行模式；风电场控制中心根据调度主站下发的调度指令选择运行模式，计算并获取优化结果，最后向各风电机群下发优化结果，由各风电机群内的风电机组执行。本发明将转子惯性动能纳入旋转备用容量范畴内，能够最大限度地挖掘转子惯性动能的频率调节或紧急备用的潜能；可在风电场常见运行场景下，执行备用优化运行模式时，实现风电场弃风量最小化，给风电场商带来可观的经济效益；执行调度优化运行模式，实现风电场旋转备用容量最大化，尤其当电网旋转备用容量紧缺时，这将对电网稳定运行有着非常积极的作用。

Description

一种考虑转子惯性动能的风电场旋转备用容量优化方法

技术领域

本发明涉及一种考虑转子惯性动能的风电场旋转备用容量优化方法，属于风电场技术领域。

背景技术

目前国内、外已开始致力于风电机组乃至整个风电场的旋转备用控制技术的研究。2014年7月10日《电力系统自动化》第38卷第13期公开了文献《含大规模风电场的电力系统旋转备用风险决策模型和方法》，其对于风电场接入后对电网运行备用需求的影响及其性质进行了分析，该方法虽能够充分调动发电机组的控制性能，但仍然属于传统意义上的调度算法，并没有考虑将存储在风电机组中的转子惯性动能作为旋转备用。而根据最新研究以及实际试验运行结果表明，风电机组中可观的转子惯性动能完全能够参与到电网频率调节或者紧急备用中来。

现有技术中也有对单台变速风电机组的减载运行特性进行较为详细的分析研究，发现通过共同协调优化变速风电机组的转速与桨距角，可以使其在同一减载率下，运行在转子动能最大点，从而保证该风电机组具备最大旋转备用容量。然而随着大型并网风电场的不断接入，电网更加关心的是整个风电场的旋转备用执行能力。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种考虑转子惯性动能的风电场旋转备用容量优化方法，提出了备用优化运行模式和调度优化运行模式，分别可实现风电场弃风量最小化和风电场旋转备用容量最大化。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种考虑转子惯性动能的风电场旋转备用容量优化方法，将转子惯性功能纳入旋转备用容量，建立备用优化运行模式和调度优化运行模式；风电场控制中心根据调度主站下发的调度指令选择运行模式，计算并获取优化结果，最后向各风电机群下发优化结果，由各风电机群内的风电机组执行。

所述备用优化运行模式的数学模型如下：

A.目标函数：

min(P_{WF_mppt}-P_WF)

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{WF}\_\mathrm{mppt}}=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{mppt}}\left(i\right)N_i\\ P_{\mathrm{WF}}=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\left[\frac{1}{2}\mathrm{\ρ\π}{R}^2\mathrm{Cp}({\mathrm{\β}}_i,\mathrm{\λ}){V_w}^3\left(i\right)N_i\right]=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\left[\frac{1}{2}\mathrm{\ρ\π}{R}^2\mathrm{Cp}({\mathrm{\β}}_i,\frac{2\mathrm{\πfR}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{del}}\left(i\right)}{\mathrm{Gp}{V}_w\left(i\right)}){V_w}^3\left(i\right)N_i\right]\end{array}\right.,$

式(1)中：P_{WF_mppt}为风电场在当前风速条件下最大可输出有功功率；P_WF为优化后风电场实际可输出有功功率；ρ为空气密度；R为风轮半径；V_w(i)为各风电机群的实际风速；Cp(β,λ)为风力机特性表达式；β_i为各风电机群内风电机组的桨距角，作为优化变量；为各风电机群内风电机组的为叶尖速比；ω_del(i)为风电场各风电机群内风电机组的转子转速，也作为优化变量；G为风电机组齿轮箱变比；p为风电机组的发电机极对数；M为风电场按照风速大小划分的机群个数；N_i为每个机群所含风电机组数量；

B.约束条件：

$\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\left\{(P_{\mathrm{mppt}}\left(i\right)-\frac{1}{2}\mathrm{\ρ\π}{R}^2\mathrm{Cp}({\mathrm{\β}}_{\mathrm{del}}\left(i\right),\frac{2\mathrm{\πfR}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{del}}\left(i\right)}{\mathrm{Gp}{V}_w\left(i\right)}){V_w}^3\left(i\right)+\frac{H[{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{del}}^2\left(i\right)-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{opt}}^2\left(i\right)]}{T_{\mathrm{response}}})N_i\right\}=\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{WF}}^{*}(1+S_f)---\left(2\right)$

ω_rmin≤ω_del(i)≤ω_rmax，i＝1,2,…M    (3)

β_min≤β_del(i)≤β_max，i＝1,2,…M    (4)其中ω_rmin、ω_rmax分别为双馈风电机组最小、最大可允许转速；β_min～β_max为桨距角变化范围；S_f为风电场旋转备用容量的可靠裕度，取值为0％～20％；

所述调度优化运行模式数学模型如下：

A.目标函数：

max{ΔP_{WF_margin}}    (5)其中，ΔP_{WF_margin}为风电场提供的总旋转备用容量，详细表达为：

$\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{WF}\_m\arg \mathrm{in}}=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\left\{(P_{\mathrm{mppt}}\left(i\right)-\frac{1}{2}\mathrm{\ρ\π}{R}^2\mathrm{Cp}({\mathrm{\β}}_{\mathrm{del}}\left(i\right),\frac{2\mathrm{\πfR}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{del}}\left(i\right)}{\mathrm{Gp}{V}_w\left(i\right)}){V_w}^3\left(i\right)+\frac{H[{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{del}}^2\left(i\right)-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{opt}}^2\left(i\right)]}{T_{\mathrm{response}}})N_i\right\}---\left(6\right)$

B.约束条件

$\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{1}{2}\mathrm{\ρ\π}{R}^2\mathrm{Cp}({\mathrm{\β}}_{\mathrm{del}}\left(i\right),\frac{2\mathrm{\πfR}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{del}}\left(i\right)}{\mathrm{Gp}{V}_w\left(i\right)}){V_w}^3\left(i\right)N_i\right)=(1-{\mathrm{del}}_0\%)\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\left(P_{\mathrm{mppt}}\left(i\right)N_i\right)---\left(7\right)$

ω_rmin≤ω_del(i)≤ω_rmax,i＝1,2,…M    (8)

β_min≤β_del(i)≤β_max，i＝1,2,…M    (9)其中式(7)表达的含义为：在调度优化运行模式下，按照下发的减载率指令del₀％运行；式(8)、(9)分别为转速限制与桨距角变化范围。

当调度主站向风电场下发的是旋转备用容量指令时，此时风电场控制中心将执行备用优化运行模式，旨在完成旋转备用容量的前提下，使风电场弃风量最小；

当调度主站向风电场下发的是有功减载指令时，此时风电场控制中心将执行调度优化运行模式，按照指定减载指令运行，并向电网提供最大旋转备用容量。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：将转子惯性动能纳入旋转备用容量范畴内，能够最大限度地挖掘转子惯性动能的频率调节或紧急备用的潜能；可在风电场常见运行场景下，执行备用优化运行模式时，实现风电场弃风量最小化，给风电场商带来可观的经济效益；执行调度优化运行模式，实现风电场旋转备用容量最大化，尤其当电网旋转备用容量紧缺时，这将对电网稳定运行有着非常积极的作用。

附图说明

图1是本发明的工作流程图。

图2是风电机组在减载运行状态下参与一次频率调节时的功率动态响应曲线图。

图3是风电机组在减载运行状态下参与一次频率调节时的转速动态响应曲线图。

图中：1、调度主站；2、风电场控制中心；3、优化模型库；4、风电机群。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，风电场主要包括调度主站1、风电场控制中心2和风电机群4，调度主站1用于向风电场控制中心2下发调度指令，包括：旋转备用容量指令和减载指令；风电场控制中心2接收调度主站1下发的调度指令，从优化模型库3中调用优化模型，包括备用优化运行模式和调度优化运行模式，计算并获取优化结果；风电机群4设有M个，每个风电机群4均设置有各自的指令接收器，用于接收风电场控制中心2下发的优化结果和执行指令。

如图2、图3所示，其中：P_gen为变速风电机组输出的有功功率；P_mec为风电机组捕获的机械功率；T_response为一次频率响应时间；A点对应初始响应时刻t_start，D点则对应频率响应结束时刻t_end；对应起始功率和转速分别为P_del0、ω_del0，此时刚好达到最优功率P_mppt、最优转速ω_opt。图2中：阴影区域面积S_ADE为可利用的纯机械减载容量；阴影区域面积S_ABCD为可利用的转子惯性动能；总阴影区域面积S_ABCDE则为本发明中所述变速风电机组旋转备用容量，显然风电场旋转备用容量则为所有风电机组旋转备用容量之和。

本发明提供的一种考虑转子惯性动能的风电场旋转备用容量优化方法是将转子惯性功能纳入旋转备用容量，建立备用优化运行模式和调度优化运行模式：

当调度主站1向风电场下发的是旋转备用容量指令时，信号源显示数字“0”，此时风电场控制中心2将执行备用优化运行模式，在完成指定旋转备用容量的前提下，最大化地减少风电场弃风量，从而使风电场获取更大的经济利益；

当调度主站1向风电场下发的是有功减载指令del₀％时，信号源显示数字“1”，此时风电场控制中心2将执行调度优化运行模式，按照指定风电场减载指令运行，并能最大化地向电网提供旋转备用容量。

运行模式选择对应如表1所示：

表1：运行模式选择对照表

风电场控制中心2完成运行模式选择后，离线计算优化模型并转化结果，具体可采用MATLAB工具箱Fmincon函数快速地对所调用出的优化数学模型进行离线求解，存储并生成优化结果执行指令；

最后，风电场控制中心2再将优化结果执行指令分发给风电机群4中的各指令接收器：其中优化结果指令包括各风电机群4内风电机组转子转速ω_del(i)、桨距角β_i，其中i＝1,2…M，M为风电机群4的数量；各风电机群4内所有风电机组执行对应优化结果，从而完成本发明提出的一种考虑转子惯性动能的风电场旋转备用容量优化方法的具体控制流程。

本发明所述的备用优化运行模式的数学模型为：

A.目标函数：

min(P_{WF_mppt}-P_WF)

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{WF}\_\mathrm{mppt}}=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{mppt}}\left(i\right)N_i\\ P_{\mathrm{WF}}=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\left[\frac{1}{2}\mathrm{\ρ\π}{R}^2\mathrm{Cp}({\mathrm{\β}}_i,\mathrm{\λ}){V_w}^3\left(i\right)N_i\right]=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\left[\frac{1}{2}\mathrm{\ρ\π}{R}^2\mathrm{Cp}({\mathrm{\β}}_i,\frac{2\mathrm{\πfR}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{del}}\left(i\right)}{\mathrm{Gp}{V}_w\left(i\right)}){V_w}^3\left(i\right)N_i\right]\end{array}\right.---\left(1\right)$

式(1)中：P_{WF_mppt}为风电场在当前风速条件下最大可输出有功功率；P_WF为优化后风电场实际可输出有功功率；ρ为空气密度；R为风轮半径；V_w(i)为各风电机群4的实际风速；Cp(β,λ)为风力机特性表达式；β_i为各风电机群4内风电机组的桨距角，作为优化变量；为叶尖速比；ω_del(i)为风电场各风电机群4内风电机组的转子转速，也作为优化变量；G为风电机组齿轮箱变比；p为风电机组的发电机极对数；M为风电场按照风速大小划分的风电机群4的个数；N_i为每个风电机群4所含风电机组数量；

B.约束条件：

$\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\left\{(P_{\mathrm{mppt}}\left(i\right)-\frac{1}{2}\mathrm{\ρ\π}{R}^2\mathrm{Cp}({\mathrm{\β}}_{\mathrm{del}}\left(i\right),\frac{2\mathrm{\πfR}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{del}}\left(i\right)}{\mathrm{Gp}{V}_w\left(i\right)}){V_w}^3\left(i\right)+\frac{H[{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{del}}^2\left(i\right)-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{opt}}^2\left(i\right)]}{T_{\mathrm{response}}})N_i\right\}=\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{WF}}^{*}(1+S_f)---\left(2\right)$

ω_rmin≤ω_del(i)≤ω_rmax，i＝1,2,…M    (3)

β_min≤β_del(i)≤β_max，i＝1,2,…M    (4)其中ω_rmin、ω_rmax分别为双馈风电机组最小、最大可允许转速；β_min～β_max为桨距角变化范围；用于描述转子惯性功能，因此式(2)描述的是将转子惯性动能纳入旋转备用容量范畴后，整个风电场旋转备用容量所需满足的关系式，S_f为风电场旋转备用容量的可靠裕度，一般可取值为0％～20％。上式(1)～(4)构建了整个风电场备用优化运行方式下的数学模型。

本发明所述的调度优化运行模式数学模型如下：

A.目标函数：

max{ΔP_{WF_margin}}    (5)其中，ΔP_{WF_margin}为风电场提供的总旋转备用容量，并可详细表达为：

$\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{WF}\_m\arg \mathrm{in}}=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\left\{(P_{\mathrm{mppt}}\left(i\right)-\frac{1}{2}\mathrm{\ρ\π}{R}^2\mathrm{Cp}({\mathrm{\β}}_{\mathrm{del}}\left(i\right),\frac{2\mathrm{\πfR}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{del}}\left(i\right)}{\mathrm{Gp}{V}_w\left(i\right)}){V_w}^3\left(i\right)+\frac{H[{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{del}}^2\left(i\right)-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{opt}}^2\left(i\right)]}{T_{\mathrm{response}}})N_i\right\}---\left(6\right)$

B.约束条件

$\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{1}{2}\mathrm{\ρ\π}{R}^2\mathrm{Cp}({\mathrm{\β}}_{\mathrm{del}}\left(i\right),\frac{2\mathrm{\πfR}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{del}}\left(i\right)}{\mathrm{Gp}{V}_w\left(i\right)}){V_w}^3\left(i\right)N_i\right)=(1-{\mathrm{del}}_0\%)\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\left(P_{\mathrm{mppt}}\left(i\right)N_i\right)---\left(7\right)$

ω_rmin≤ω_del(i)≤ω_rmax,i＝1,2,…M    (8)

β_min≤β_del(i)≤β_max，i＝1,2,…M    (9)其中式(7)表达的含义为：在调度优化运行模式下，按照下发的减载率指令del₀％运行；式(8)、(9)分别为转速限制与桨距角变化范围。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种考虑转子惯性动能的风电场旋转备用容量优化方法，其特征在于，将转子惯性功能纳入旋转备用容量，建立备用优化运行模式和调度优化运行模式；风电场控制中心根据调度主站下发的调度指令选择运行模式，计算并获取优化结果，最后向各风电机群下发优化结果，由各风电机群内的风电机组执行。

2.根据权利要求1所述的考虑转子惯性动能的风电场旋转备用容量优化方法，其特征在于，所述备用优化运行模式的数学模型如下：

A.目标函数：

$\begin{array}{c}\min (P_{\mathrm{WF}\_\mathrm{mppt}}-P_{\mathrm{WF}})\\ \left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{WF}\_\mathrm{mppt}}=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{mppt}}\left(i\right)N_i\\ P_{\mathrm{WF}}=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\left[\frac{1}{2}\mathrm{\ρ\π}{R}^2\mathrm{Cp}({\mathrm{\β}}_i,\mathrm{\λ}){V_w}^3\left(i\right)N_i\right]=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\left[\frac{1}{2}\mathrm{\ρ\π}{R}^2\mathrm{Cp}({\mathrm{\β}}_i,\frac{2\mathrm{\πfR}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{del}}\left(i\right)}{\mathrm{Cp}{V}_w\left(i\right)}){V_w}^3\left(i\right)N_i\right]\end{array}\right.\end{array}---\left(1\right)$

式(1)中：P_{WF_mppt}为风电场在当前风速条件下最大可输出有功功率；P_WF为优化后风电场实际可输出有功功率；ρ为空气密度；R为风轮半径；V_w(i)为各风电机群的实际风速；Cp(β,λ)为风力机特性表达式；β_i为各风电机群内风电机组的桨距角，作为优化变量；为各风电机群内风电机组的叶尖速比；ω_del(i)为风电场各风电机群内风电机组的转子转速，也作为优化变量；G为风电机组齿轮箱变比；p为风电机组的发电机极对数；M为风电场按照风速大小划分的机群个数；N_i为每个机群所含风电机组数量；

B.约束条件：

$\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\left\{(P_{\mathrm{mppt}}\left(i\right)-\frac{1}{2}\mathrm{\ρ\π}{R}^2\mathrm{Cp}({\mathrm{\β}}_{\mathrm{del}}\left(i\right),\frac{2\mathrm{\πfR}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{del}}\left(i\right)}{\mathrm{Gp}{V}_w\left(i\right)}){V_w}^3\left(i\right)+\frac{H[{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{del}}^2\left(i\right)-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{opt}}^2\left(i\right)]}{T_{\mathrm{response}}})N_i\right\}=\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{WF}}^{*}(1+S_f)---\left(2\right)$

ω_rmin≤ω_del(i)≤ω_rmax，i＝1,2,…M              (3)

β_min≤β_del(i)≤β_max，i＝1,2,…M               (4)

其中ω_rmin、ω_rmax分别为双馈风电机组最小、最大可允许转速；β_min～β_max为桨距角变化范围；S_f为风电场旋转备用容量的可靠裕度，取值为0％～20％；

所述调度优化运行模式数学模型如下：

A.目标函数：

max{ΔP_{WF_margin}}                  (5)

其中，ΔP_{WF_margin}为风电场提供的总旋转备用容量，详细表达为：

$\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{WF}\_m\arg \mathrm{in}}=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\left\{(P_{\mathrm{mppt}}\left(i\right)-\frac{1}{2}\mathrm{\ρ\π}{R}^2\mathrm{Cp}({\mathrm{\β}}_{\mathrm{del}}\left(i\right),\frac{2\mathrm{\πfR}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{del}}\left(i\right)}{\mathrm{Gp}{V}_w\left(i\right)}){V_w}^3\left(i\right)+\frac{H[{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{del}}^2\left(i\right)-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{opt}}^2\left(i\right)]}{T_{\mathrm{response}}})N_i\right\}---\left(6\right)$

B.约束条件

$\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{1}{2}\mathrm{\ρ\π}{R}^2\mathrm{Cp}({\mathrm{\β}}_{\mathrm{del}}\left(i\right),\frac{2\mathrm{\πfR}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{del}}\left(i\right)}{\mathrm{Gp}{V}_w\left(i\right)}){V_w}^3\left(i\right)N_i\right)=(1-{\mathrm{del}}_0\%)\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\left(P_{\mathrm{mppt}}\left(i\right)N_i\right)---\left(7\right)$

ω_rmin≤ω_del(i)≤ω_rmax,i＝1,2,…M              (8)

β_min≤β_del(i)≤β_max，i＝1,2,…M              (9)

其中式(7)表达的含义为：在调度优化运行模式下，按照下发的减载率指令del₀％运行；式(8)、(9)分别为转速限制与桨距角变化范围。

3.根据权利要求2所述的考虑转子惯性动能的风电场旋转备用容量优化方法，其特征在于，

当调度主站向风电场下发的是旋转备用容量指令时，此时风电场控制中心将执行备用优化运行模式，在完成旋转备用容量指令的前提下，使风电场弃风量最小；

当调度主站向风电场下发的是减载指令时，此时风电场控制中心将执行调度优化运行模式，按照风电场减载指令运行，并向电网提供最大旋转备用容量。