CN105006846B - 一种风电场场站级有功功率优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于风力发电及电力调度技术领域，特别是涉及一种风电场场站级有功功率优化方法，它包括：形成风电场场站级降功率控制策略的步骤；形成风电场场站级降功率分配算法的步骤；对风电场有功功率进行控制的步骤。本发明中以调度侧要求风电场降功率为前提，研究单个风电场内部如何合理协调各台风机，完成电网调度侧功率输出要求的优化策略和功率分配算法；让场内风机切机数量最少、风机控制机构动作次数最少；降低了多次切机会对风机产生的机械损耗及控制器动作次数过多而造成的运行寿命降低的现象。本发明中的风电场场站级有功功率优化方法显著减少了风电场切机数量、降低风机机械损耗。

Description

一种风电场场站级有功功率优化方法

技术领域

本发明属于风力发电及电力调度技术领域，特别是涉及一种风电场场站级有功功率优化方法。

背景技术

近年来风力发电发展迅速，并网风电场单机容量和规模都不断扩大，风电在电网中的渗透率不断提高，风力发电的波动性、随机性对电网平稳运行造成的影响也愈加明显，需要对风电场出力进行有效控制。风电场场站级控制作为电力系统调度和风电机组单机控制系统之间的联络环节，以单个风电场为调控对象，根据调度侧发出的功率要求实时地调控风电场内的各台机组的出力，使风电场输出功率达到调度要求。而在实际运行中，电网调度对风电场进行功率控制最常见的情景是为防止风电场输出功率超过线路容量而对风电场进行降功率控制，因此，研究降功率情景下风电场场站级控制系统的控制策略和功率分配算法，提高风电场的可调度性显得尤为必要。

针对上述问题，国内外已从多个角度进行了相关研究，并取得了一定成果，关于风电调度方面的公开文献主要有：电力系统自动化, 2011, 35(24):28-32，公开基于机组状态分类的风电场有功功率控制策略中，根据风机所处风速和故障情况将风机分为六类，进而提出功率分配预处理算法和机组功率分配算法，分别实现了风电场升降功率控制；电力自动化设备, 2012, 32(8):101-105，风电场输出有功功率的协调分配策略中，根据风机出力特性和运行状态将风机分为四类，并给出了降功率时机组按类调节策略；电子科技大学学报, 2011, 40(6):882-886，风电场有功功率控制降功率优化算法中，以风机切机数量最小为目标，将风机分为可控和不可控机组，制定了风电场降功率控制算法；中国电力,2011, 44(2):74-77，基于超短期风电功率预测的风电场自动发电控制中，基于超短期风功率预测并借鉴火电机组等耗量微增率理论，建立了风电场自动发电控制模型；电网技术,2013, 37(4):960-966，基于优先顺序法的风电场限出力有功控制策略中，以实现最大风能利用的同时避免风机频繁启停为目标，提出风机运行状态指标并使用优先顺序法对风机运行指标排序，得出风电场限出力有功控制策略；陕西电力, 2012, 40(6):11-15，考虑网损的风电场有功功率分配方法中考虑网损因素，以风电场有功功率损耗最小为目标建立了风电场有功分配模型；中国电机工程学报, 2012, 32(34)，采用功率预测信息的风电场有功优化控制方法中基于超短期风功率预测并考虑不同风速区间风机出力调节能力的的差异，建立了以平滑各机组出力并减少机组控制系统的动作次数为目标的风电场有功调度优化模型；华东电力, 2011, (9):1419-1423，计及系统调频需求的风电场有功调控策略研究中，根据实时风速定义机组参与调节因子，以避免机组频繁启停为目的按高、低风速区间分别讨论了升、降功率算法，提出风电场有功功率控制策略；中国电机工程学报, 2014,(34)，采用机组风速信息动态分类的风电场有功控制策略中，从风电场参与系统调频控制的角度建立了避免机组频繁启停的风电场分层控制结构。

以上文献为风电场场站级有功控制研究奠定了基础，但仍存在如下不足需改进：（1）基于机组状态分类的文献中，风机分类标准过于单一，难以做到针对每台风机的不同运行特性进行具体分析，导致功率分配算法繁琐且可操作性差；（2）建立风机运行评价指标并进行综合评价是一种有效可行的方法，但已有文献在指标选择中未具体考虑风机在功率调节过程中引起的机械损耗和风机在不同风速时功率调节能力差异，且评价方法较简单，无法准确评价各台风机的功率调节特性。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是建立一种风电场场站级有功功率优化方法，它是通过以下技术方案来实现的。

一种风电场场站级有功功率优化方法，其特征在于其具有以下依次进行的步骤：

一、形成风电场场站级降功率控制策略，所述控制策略基本实现步骤如下：

步骤一、建立风电机组功率调节指标：

（1）风机调节容量指数。风机调节容量是风电机组当前出力与最小技术出力的差值，差值越大表示该风机所贡献的降功率值越大，应该首先被调控降出力。得到风机调节容量指数表达式为：

式中，为风机调节容量，，为机组当前出力，为机组的最小技术出力，一般取风机切入风速时对应的有功功率值。

（2）风机调节速率指数。风机调节速率指数用于综合评价变桨距型风电机组在功率调节时的调节速率和机械损耗大小关系。根据风速和桨距角的关系，定义风机调节速率为，风机调节速率指数表达式为：

（3）风机运行时间指数。风机运行时间指数用于平衡一定时间内各台风机控制器的动作次数，功率调控时，距上一次控制器动作时间较长的风机应首先被调控。记当前时刻各台风机距上次控制器动作的时间为，运行时间指数表达式为：

（4）风机预测功率调节指数。由于风电场功率控制系统得出的是下一控制周期内各台风机的功率设定值，所以功率预测会影响风机动作与否。在降功率控制中，预测功率升高的机组应该首先被控制降出力来产生较大的功率降幅，减少机组动作的台数。预测功率调节指数表达式为：

式中，为风电机组的预测调节容量，，为机组下一控制周期预测出力值。

步骤二、熵值法确定评价指标权重：

熵值法是一种根据各指标信息载量的大小来确定指标权重的方法，当某一指标在各评估对象中的差异较大时，说明其包含的信息量多、对系统地分辨能力强，应赋予较大权重。熵值法确定评价指标权重按如下步骤实现：

（1）构造决策矩阵。

（2）计算第项指标下第台风机的特征比重：

式中，，。

（3）计算第项指标的熵值，熵值表示所有风机对第项指标的贡献总量：

式中，常数，以保证。

（4）计算第项指标的差异性系数，差异性系数表示第项指标下各风机贡献度的不一致性：

（5）确定权重系数，经归一化后权重系数表示为：

步骤三：TOPSIS方法综合评价：

TOPSIS法又称优劣解距离法，是一种逼近于理想解的排序方法，只要求各因素具有单调性，其通过检测评价对象与最优解、最劣解距离来对备选方案排序，若某一备选方案最靠近最优解又最远离最劣解，就为最优方案。该方法是多目标决策分析中一种常用的有效方法。具体实现步骤如下：

（1）构造规范化决策矩阵。

式中， ，，。

（2）构造加权规范化决策矩阵。

其中， 由每列最大元素组成的向量称为正理想点 ,由每列最小元素组成的向量称为负理想点。

（3）计算对正负理想点的欧氏距离：

（4）计算各台风机的相对接近度：

将各台风机按照相对接近度由大到小排序，得到风机功率调节优先级序列，各风机按照该序列顺序重新编号。

二、风电场场站级降功率优化分配算法

风电场场站级降功率控制分为切机和不切机两种情况。由于切停风机会产生较大的机械损耗，所以在满足电网调度侧功率要求的前提下，应尽量避免切停风机。风电场场站级降功率优化分配算法按照如下步骤实现：

步骤一：构造切机判别公式如下。

式中，是整个风电场当前时刻所能下降的最大功率；是电网调度要求风电场下降的功率值。

步骤二：不切机降功率优化分配算法

当时，执行该步骤，否则，跳转至步骤三。

（1）根据风机调控优先级序列构造风机可调降功率序列，假设下一周期优先动作前台风机；

（2）按照下式计算最小正整数 :

；

（3）由上述值，调控序列中前台机组需降功率至最小技术出力，剩余第台机组保持当前周期功率设定值不变，得下一周期各台风机功率设定值为：

。

步骤三：切机降功率优化分配算法

当时，执行该步骤。为减小切停机组数量，需首先调控所有风机都运行在最小出力情况。

（1）计算此时仍需切停的功率值为，并假设下一控制周期优先切停调控序列中前台风机；

（2）按照下式计算最小正整数：

；

（3）由上述值，切停序列中前台机组，剩余第台机组运行在最小出力状态，得下一周期各台风机功率设定值为：

。

三、功率设定值输出到风机控制模块

将得到的功率设定值输出到风机功率控制模块使风机动作，完成风电场场站级有功功率优化控制。

上述所述的一种风电场场站级有功功率优化方法，其特征在于所述控制周期为10分钟或15分钟或20分钟。

本发明的优点包括：以调度侧要求风电场降功率为前提，研究单个风电场内部如何合理协调各台风机，完成电网调度侧功率输出要求的优化策略和功率分配算法；让场内风机切机数量最少、风机控制机构动作次数最少；降低了多次切机会对风机产生的机械损耗及控制器动作次数过多而造成的运行寿命降低的现象。本发明中的风电场场站级有功功率优化方法显著减少了风电场切机数量、降低风机机械损耗。

附图说明

图1为风电场有功功率控制系统结构图。

图2为风电场场站级降功率控制策略流程图。

图3为风电场场站级降功率分配算法流程图。

具体实施方式

请见图1至图3，一种风电场场站级有功功率优化方法，其特征在于其具有以下依次进行的步骤：

一、形成风电场场站级降功率控制策略，所述控制策略基本实现步骤如下：

步骤一、建立风电机组功率调节指标：

（1）风机调节容量指数：风机调节容量是风电机组当前出力与最小技术出力的差值，差值越大表示该风机所贡献的降功率值越大，应该首先被调控降出力。得到风机调节容量指数表达式为：，

式中，为风机调节容量，，为机组当前出力，为机组的最小技术出力，一般取风机切入风速时对应的有功功率值；

（2）风机调节速率指数：风机调节速率指数用于综合评价变桨距型风电机组在功率调节时的调节速率和机械损耗大小关系，根据风速和桨距角的关系，定义风机调节速率为，风机调节速率指数表达式为：；

（3）风机运行时间指数：风机运行时间指数用于平衡一定时间内各台风机控制器的动作次数，功率调控时，距上一次控制器动作时间较长的风机应首先被调控，记当前时刻各台风机距上次控制器动作的时间为，运行时间指数表达式为：；

（4）风机预测功率调节指数：由于风电场功率控制系统得出的是下一控制周期内各台风机的功率设定值，所以功率预测会影响风机动作与否，在降功率控制中，预测功率升高的机组应该首先被控制降出力来产生较大的功率降幅，减少机组动作的台数，预测功率调节指数表达式为：，式中，为风电机组的预测调节容量，，为机组下一控制周期预测出力值；

步骤二、熵值法确定评价指标权重：

熵值法是一种根据各指标信息载量的大小来确定指标权重的方法，当某一指标在各评估对象中的差异较大时，说明其包含的信息量多、对系统地分辨能力强，应赋予较大权重，熵值法确定评价指标权重按如下步骤实现：

（6）构造决策矩阵，其中：,

（7）计算第项指标下第台风机的特征比重：,式中，，,

（8）计算第项指标的熵值，熵值表示所有风机对第项指标的贡献总量：,式中，常数，以保证；

（9）计算第项指标的差异性系数，差异性系数表示第项指标下各风机贡献度的不一致性：，

（10）确定权重系数，经归一化后权重系数表示为：；

步骤三：TOPSIS方法综合评价：

TOPSIS法又称优劣解距离法，是一种逼近于理想解的排序方法，只要求各因素具有单调性，其通过检测评价对象与最优解、最劣解距离来对备选方案排序，若某一备选方案最靠近最优解又最远离最劣解，就为最优方案。该方法是多目标决策分析中一种常用的有效方法，具体实现步骤如下：

（5）构造规范化决策矩阵，其中，，

式中， ，，，

（6）构造加权规范化决策矩阵，，其中， 由每列最大元素组成的向量称为正理想点 ,由每列最小元素组成的向量称为负理想点，其中，，

（7）计算对正负理想点的欧氏距离：，

（8）计算各台风机的相对接近度：，

将各台风机按照相对接近度由大到小排序，得到风机功率调节优先级序列，各风机按照该序列顺序重新编号；

二、风电场场站级降功率优化分配算法：

风电场场站级降功率控制分为切机和不切机两种情况，由于切停风机会产生较大的机械损耗，所以在满足电网调度侧功率要求的前提下，应尽量避免切停风机，风电场场站级降功率优化分配算法按照如下步骤实现：

步骤一：构造切机判别公式如下：，式中，是整个风电场当前时刻所能下降的最大功率；是电网调度要求风电场下降的功率值，

步骤二：不切机降功率优化分配算法：

当时，执行该步骤，否则，跳转至步骤三，

（1）根据风机调控优先级序列构造风机可调降功率序列，假设下一周期优先动作前台风机；

（2）按照下式计算最小正整数:；

（3）由上述值，调控序列中前台机组需降功率至最小技术出力，剩余第台机组保持当前周期功率设定值不变，得下一周期各台风机功率设定值为：，

步骤三：切机降功率优化分配算法：

当时，执行该步骤，为减小切停机组数量，需首先调控所有风机都运行在最小出力情况：

（1）计算此时仍需切停的功率值为，并假设下一控制周期优先切停调控序列中前台风机；

（2）按照下式计算最小正整数：；

（3）由上述值，切停序列中前台机组，剩余第台机组运行在最小出力状态，得下一周期各台风机功率设定值为： ；

三、功率设定值输出到风机控制模块：

将得到的功率设定值输出到风机功率控制模块使风机动作，完成风电场场站级有功功率优化控制。

图1中，风电场公共连接点处取得当前功率，与电网调度侧的调度功率进行比较，得到△P，送入风电场场站级有功控制系统，从风电场功率预测模块得到各风场功率预测值并送入风电场场站级有功控制系统，风电场场站级有功控制系统内具有风机综合评估模块及风机功率分配模块，风电场场站级有功控制系统通过功率设定值送入到风电机组控制模块，进而控制各机组输出功率，进而控制各风机，如风机1、风机2、风机3、风机n、等等；各风机的运行信息进而输入到风电场SCADA系统，并送入到风电场场站级有功控制系统，达到闭环控制。

本发明已应用在湖北省随州市，采用湖北省随州地区某风电场一期典型日下午1:30的具体数据进行计算分析。该风电场一期由33台联合动力UP86/1500双馈变桨距感应风机组成，单机容量1.5MW，额定风速，当前时刻一期总功率为45.5MW。

假设此时电网调度侧需对风电场进行限功率控制，要求下一控制周期风电场出力为35.5MW，则风电场需进行降功率控制，功率降额为。风机允许最小出力，其余风机参数如表1所示。

表1风电场各风机运行信息

在使用中，认为各风机运行时间指数相同而不加以考虑，根据本发明所提的基于熵值法-TOPSIS法的综合评价策略和降功率分配算法进行仿真计算，得出风机调节容量指数、调节速率指数和预测调节容量指数权重如表2所示，进一步计算得出风电场各台风机相对接进度和优先级序列如表3所示。

表2 风机评价指标权重

表3 风机接近度和优先级顺序表

该控制周期内风电场可下降总功率 ，，所以风电场进行不切机降功率控制。按所提降功率分配算法计算得出，选定优先级序列中前8台机组实行降功率控制，其余机组功率设定值不变。

由表4，风电场降功率控制时，传统的平均分配策略虽不切机，但会使所有机组的功率设定值均改变，控制器动作数量多，损耗大；而随机切机策略和最小切机策略则会分别导致8台和7台风机直接切停退出运行，产生的机械损耗更大。使用本文所提控制策略，在不产生切机的情况下，只需改变8台机组的功率设定值，即可满足电网调度对风电场降功率的要求，控制器动作次数少，机械损耗小，有利于延长风电机组运行寿命，减少风电场运行成本。

表4 不同调控策略切机和设定值改变数量对比

本发明中以调度侧要求风电场降功率为前提，研究单个风电场内部如何合理协调各台风机，完成电网调度侧功率输出要求的优化策略和功率分配算法；让场内风机切机数量最少、风机控制机构动作次数最少；降低了多次切机会对风机产生的机械损耗及控制器动作次数过多而造成的运行寿命降低的现象。本发明中的风电场场站级有功功率优化方法显著减少了风电场切机数量、降低风机机械损耗。

Claims (2)

1.一种风电场场站级有功功率优化方法，其特征在于其具有以下依次进行的步骤：

一、形成风电场场站级降功率控制策略，所述控制策略实现步骤如下：

步骤一、建立风电机组功率调节指标：

(1)风机调节容量指数：风机调节容量是风电机组当前出力与最小技术出力的差值，差值越大表示该风机所贡献的降功率值越大，应该首先被调控降出力，得到风机调节容量指数表达式为：

$X_{i1}={\mathrm{\ΔP}}_{i,max}/\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\left({\mathrm{\ΔP}}_{i,max}\right)}^2}$

式中，ΔP_i,max为风机i调节容量，ΔP_i,max＝P_i-P_i,min，P_i为机组i当前时刻出力，P_i,min为机组i的最小技术出力，一般取风机切入风速时对应的有功功率值；

(2)风机调节速率指数：风机调节速率指数用于综合评价变桨距型风电机组在功率调节时的调节速率和机械损耗大小关系，根据风速和桨距角θ_i的关系，定义风机调节速率为V_i＝1-θ_i/90，风机调节速率指数表达式为：

$X_{i2}=V_i/\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{V}_i^2}$

(3)风机运行时间指数：风机运行时间指数用于平衡一定时间内各台风机控制器的动作次数，功率调控时，距上一次控制器动作时间较长的风机应首先被调控，记当前时刻各台风机距上次控制器动作的时间为ΔT_i，风机运行时间指数表达式为：

$X_{i3}={\mathrm{\ΔT}}_i/\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\ΔT}}_i^2}$

(4)风机预测功率调节指数：由于风电场功率控制系统得出的是下一控制周期内各台风机的功率设定值，所以功率预测会影响风机动作与否，在降功率控制中，预测功率升高的机组应该首先被控制降出力来产生较大的功率降幅，减少机组动作的台数，风机预测功率调节指数表达式为：

$X_{i4}={\mathrm{\ΔP}}_{i,avail}/\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\ΔP}}_{i,avail}^2}$

式中，ΔPi,avail为风电机组i的预测调节容量，ΔP_i,avail＝P_i,avail-P_i,min，P_i,avail为机组i下一控制周期的预测出力值；

步骤二、熵值法确定评价指标权重：

熵值法是一种根据各指标信息载量的大小来确定指标权重的方法，当某一指标在各评估对象中的差异较大时，说明其包含的信息量多、对系统地分辨能力强，应赋予较大权重，熵值法确定评价指标权重按如下步骤实现：

(1)构造决策矩阵D，其中：

$D=\left[\begin{array}{cccc}{X}_{11}& X_{12}& X_{13}& X_{14}\\ X_{21}& X_{22}& X_{23}& X_{24}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ X_{n1}& X_{n2}& X_{n3}& X_{n4}\end{array}\right],$

(2)计算第j项指标下第i台风机的特征比重p_ij：

$p_{ij}=X_{ij}/\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{X}_{ij}$

式中，i＝1,2,...,n，j＝1,2,3,4；

(3)计算第j项指标的熵值e_j，熵值e_j表示所有风机对第j项指标的贡献

总量：

$e_j=-k\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}(p_{ij}\·\ln p_{ij})$

式中，常数k＝1/lnn，以保证0≤e_j≤1；

(4)计算第j项指标的差异性系数g_j，差异性系数g_j表示第j项指标下各

风机贡献度的不一致性：

g_j＝1-e_j

(5)确定权重系数w_j，经归一化后权重系数w_j表示为：

$w_j=g_j/\underset{i=1}{\overset{4}{\Σ}}{g}_i$

步骤三：TOPSIS法综合评价：

TOPSIS法又称优劣解距离法，是一种逼近于理想的排序方法，只要求各因素具有单调性，其通过检测评价对象与最优解、最劣解距离来对备选方案排序，若某一备选方案最靠近最优解又最远离最劣解，就为最优方案，TOPSIS法是多目标决策分析中一种常用的有效方法，具体实现步骤如下：

(1)构造规范化决策矩阵R，其中：

$R=\[R_{ij}\],R_{ij}=Y_{ij}/\underset{j=1}{\overset{4}{\Σ}}{Y}_{ij}^2$

式中，

(2)构造加权规范化决策矩阵U，U＝[U_ij],U_ij＝w_j·R_ij，其中，由每列最大元素组成的向量称为正理想点U⁺,由每列最小元素组成的向量称为负理想点U^_：

$U^{+}=(U_1^{+},U_2^{+},U_3^{+},U_4^{+}),U_j^{+}=max\left\{U_{ij}\right\}$

$U^{-}=(U_1^{-},U_2^{-},U_3^{-},U_4^{-}),U_j^{-}=min\left\{U_{ij}\right\}$

(3)计算对正负理想点的欧氏距离：

$d_i^{+}=\sqrt{\underset{j=1}{\overset{4}{\Σ}}(U_{ij}-U_j^{+})},i=1,2,...,n$

$d_i^{-}=\sqrt{\underset{j=1}{\overset{4}{\Σ}}(U_{ij}-U_j^{-})},i=1,2,...,n$

(4)计算各台风机的相对接近度C_i：

$C_i=\frac{d_i^{-}}{d_i^{+}+d_i^{-}},i=1,2,...,n;0\≤C_i\≤1$

将各台风机按照相对接近度由大到小排序，得到风机功率调节优先级序列{C₁,C₂,C₃,......,C_n}，各风机按照该序列顺序重新编号；

二、风电场场站级降功率优化分配算法：

风电场场站级降功率控制分为切机和不切机两种情况，由于切停风机会产生较大的机械损耗，所以在满足电网调度侧功率要求的前提下，应尽量避免切停风机，风电场场站级降功率优化分配算法按照如下步骤实现：

步骤一：构造切机判别公式如下：

式中，是整个风电场当前时刻所能下降的最大功率；ΔP＝P_pcc-P_ref是电网调度要求风电场下降的功率值；

步骤二：不切机降功率优化分配算法：

当ΔP_∑max≥ΔP时，执行该步骤，否则，跳转至步骤三，

(1)根据风机功率调节优先级序列{C₁,C₂,C₃,...,C_n}构造风机可调降功率序列{ΔP_1,max,ΔP_2,max,ΔP_3,max,...,ΔP_n,max}，假设下一周期优先动作前T台风机；

(2)按照下式计算最小正整数T：

且

(3)由上述T值，调控序列中前T台机组需降功率至最小技术出力，剩余第T+1……n台机组保持当前周期功率设定值不变，得下一周期第i台风机功率设定值为：

步骤三：切机降功率优化分配算法：

当ΔP_∑max<ΔP时，执行该步骤，为减小切停机组数量，需首先调控所有风机都运行在最小技术出力情况：

(1)计算此时仍需切停的功率值为ΔP'＝ΔP-ΔP_∑max，并假设下一控制周期优先切停调控序列中前M台风机；

(2)按照下式计算最小正整数M：

且

(3)由上述M值，切停序列中前M台机组，剩余第M+1……n台机组运行

在最小技术出力状态，得下一周期第i台风机功率设定值为：

$P_{i,set}=\left\{\begin{array}{cc}0& i\&le;M\\ P_{i,min}& i>M\end{array}\right.;$

三、功率设定值输出到风机控制模块：

将得到的功率设定值输出到风机功率控制模块使风机动作，完成风电场场站级有功功率优化控制。

2.根据权利要求1所述的一种风电场场站级有功功率优化方法，其特征在于所述控制周期为10分钟或15分钟或20分钟。