CN105811472A - 一种基于风电场经济性的有功功率调节方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于风电场经济性的有功功率调节方法及系统，所述方法包括以下步骤：A.根据电价高低划分风电场机群中各风电机组的可控优先级，将电价低的风电机组设为优先控制的高优先级机组；B.当到达执行周期T1时，对当前可控优先级内的各台风电机组分配单机期望输出功率；C.设定最小期望输出功率，当机组的期望功率输出到达该值时，标记为可控制停机机组；D.当到达执行周期T2时，根据机组并网开关累计使用次数多少决定可控制停机机组的停机顺序，对并网开关累计使用次数少的机组优先停机。本发明从风电场经济性出发进行有功功率调节控制，可实现风电场盈利最大化和风机部件资金投入的最小化。

Description

一种基于风电场经济性的有功功率调节方法及系统

技术领域

本发明涉及风电技术领域，特别是涉及一种基于风电场经济性的有功功率调节方法及系统。

背景技术

随着风电技术的日益成熟和风电并网比例的快速增加，风电已具有与传统常规电源发电竞争的潜力，是目前最有开发利用价值和技术最成熟的一种新能源和可再生能源。大规模风电并网后，由于风电场输出功率的随机性和波动性，电力系统调度和电能质量都面临新的问题。风电场有功功率控制算法的研究对电力系统调度和电能质量的保证具有重要意义。为有效缓解和抑制风电并网对系统的安全稳定运行产生的不利影响，提高系统的风电消纳能力，风电场实现可控运行，并纳入到电网的调度体系逐渐成为大型风电场并网运行的发展趋势，这其中，风电场的有功功率控制是风电场可控运行的关键技术之一。

风电场的有功控制策略是通过协调控制风电场内的风电机组实现的。风电机组的有功控制策略是最优转速控制又称为最大风功率捕获控制，其控制目标是调整风力机的转速使风能利用系数达到最大，从而使风力机以最大效率捕获风能。

一般而言，风电场有功功率控制系统是在风电场监控系统下增设的AGC(自动发电控制)系统，风电场有功功率控制系统是把期望输出功率和功率测量值的差值的比较值为输入，单台风电机的有功功率调节和启停作为控制对象，实现全场功率测量值按照规定的误差范围跟踪期望输出功率的调节控制目的，使全场机组按照期望输出功率运行发电。

风电场的建设一般而言是逐步建设完成，风场建设的差异导致电价单价存在差异，例如山西某风场在2010年投资建一期工程风机并网发电，电价单价是0.7元/KWH，在2013年投资建同样容量的二期工程风机并网发电，电价单价仅是0.55元/KWH，但是一期仍按照2010年当年投产发电的电价执行，此时电价的差异导致在同样功率输出的一期和二期风场电价的收益是存在差异的。

现有模式下，风电场内参与有功调节的风电机组均是被动的执行者，风电场有功功率系统经过控制器计算出机组机群需输出有功功率，风电机组被动的执行该有功分配值，而作为最优考虑因素的仅仅是控制误差，并不考虑机组自身设备的运行寿命和风电场电能输出经济性盈利最大化等因素。风力机输出有功功率的调节是通过变桨系统控制转子转速实现有功功率期望输出的控制和风力机启停实现特定阶段的负荷变化，但是机组变桨系统和并网开关存在使用磨损，变桨系统在变桨变桨过程中叶根连接处受的载荷冲击最大，变流器并网开关的开合次数在10000～20000次，机组大部件的损坏和更换无疑是比较可观的风场经济性输出。

本发明在风电场经济性盈利最大化前提下提出了一种基于风电场经济性有功功率调节方法，该方法从风机变桨系统和并网开关运行寿命为最大化的经济性为基础，充分发挥自身闭环调节能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于风电场经济性的有功功率调节方法及系统，使其从风电场经济性出发优化有功功率调节控制，实现风电场盈利最大化和风机部件资金投入的最小化，从而克服现有的有功功率调节方法考虑因素单一，影响风电场经济利益的不足。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于风电场经济性的有功功率调节方法，包括以下步骤：A.根据电价高低划分风电场机群中各风电机组的可控优先级，将电价低的风电机组设为优先控制的高优先级机组；B.当到达执行周期T1时，对当前可控优先级内的各台风电机组分配单机期望输出功率，所述单机期望输出功率通过下述公式(1)计算：

式(1)中，代表第i台机组第j次迭代的单机期望输出功率；α为风机功率分配权重系数，通过下述公式(2)计算获得；β为同级别可控优先级的风机数量在风电场全场风机数量中的占比系数，通过下述公式(3)计算获得；P^{第j次迭代} _ctrloutput为风电场全场功率经PID控制输出的第j次迭代的调节功率，通过下述公式(4)计算获得；

$\mathrm{\α}=1-\frac{\Σ{\mathrm{\θ}}_i^{add}}{\underset{i=1}{\overset{w}{\Σ}}{\mathrm{\Σ\θ}}_i^{add}}---\left(2\right)$

式(2)中，是第i台机组自并网时刻起或自有功功率调节开始时刻起，累计的桨距角度值，是同级别可控优先级的第1台至第m台的所有机组自并网时刻起或自有功功率调节开始时刻起，累计的桨距角度值；式(4)中，ΔP为风电场全场期望功率与全场实际功率之间的偏差，k_p为比例系数，T₁为积分时间常数，T_d为微分时间常数；C.设定每台风电机组的最小期望输出功率值当可控风电机组的期望功率输出到达时，将该机组标记为可控制停机机组；D.当到达执行周期T2时，根据机组并网开关累计使用次数多少决定所述可控制停机机组的停机顺序，对并网开关累计使用次数少的机组优先停机。

作为进一步地改进，所述执行周期T1为1s～3s，所述执行周期T2为30s～60s。

一种基于风电场经济性的有功功率调节系统，包括：优先级划分模块，用于根据电价高低划分风电场机群中各风电机组的可控优先级，将电价低的风电机组设为优先控制的高优先级机组；期望输出功率分配模块，用于当到达执行周期T1时，对当前可控优先级内的各台风电机组分配单机期望输出功率，所述单机期望输出功率通过下述公式(1)计算：

式(1)中，代表第i台机组第j次迭代的单机期望输出功率；α为风机功率分配权重系数，通过下述公式(2)计算获得；β为同级别可控优先级的风机数量在风电场全场风机数量中的占比系数，通过下述公式(3)计算获得；P^{第j次迭代} _ctrloutput为风电场全场功率经PID控制输出的第j次迭代的调节功率，通过下述公式(4)计算获得；

$\mathrm{\α}=1-\frac{{\mathrm{\Σ\θ}}_i^{add}}{\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{\mathrm{\Σ\θ}}_i^{add}}---\left(2\right)$

式(2)中，是第i台机组自并网时刻起或自有功功率调节开始时刻起，累计的桨距角度值，是同级别可控优先级的第1台至第m台的所有机组自并网时刻起或自有功功率调节开始时刻起，累计的桨距角度值；式(4)中，ΔP为风电场全场期望功率与全场实际功率之间的偏差，k_p为比例系数，T₁为积分时间常数，T_d为微分时间常数；可控制停机机组标定模块，设定每台风电机组的最小期望输出功率值当风电机组的期望功率输出到达时，将该机组标记为可控制停机机组；机组启停控制模块，当到达执行周期T2时，根据机组并网开关累计使用次数多少决定所述可控制停机机组的停机顺序，对并网开关累计使用次数少的机组优先停机。

作为进一步地改进，所述执行周期T1为1s～3s，所述执行周期T2为30s～60s。

由于采用上述技术方案，本发明至少具有以下优点：

(1)本发明将风电场各期电价单价差异因素综合考虑到有功功率调节负荷限制分配策略中，并优先考虑风机大部件使用寿命和疲劳损伤，风电场内机组间大部件使用寿命均衡，将风机单机的启动和停机频率降至最低，以风机大部件使用寿命最大原则设计有功功率调节控制方法，可实现风电场盈利最大化和风机部件资金投入的最小化。

(2)执行周期T1与T2具有较大的差异性。在机群升负荷区间段，执行周期T1的分配模块能在较短的周期和较快的执行时间段内做出快速负荷升响应；执行周期T2的机组启停控制模块则是在较大的执行周期内做出启机响应，两模块程序执行周期的差异性，可防止风机在启动和停机程序之间频繁跳转。

(3)本发明不仅能有效实现有功功率调节控制的基本功能，更关注风电场经济性，技术实现考虑因素更周全，达到的技术效果更具备实际意义。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明基于风电场经济性的有功功率调节系统结构示意图。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种基于风电场经济性的有功功率调节方法及系统。该方法及系统考虑风电场风电电价的差异、兼顾风电机组有功调节关系密切的大部件的使用频度因素和大部件更换成本因素，以风电场经济性为主要考虑因素。这里，所述风电场经济性是指保证风电场利益收入的最大化和风电场内机组大部件常规更换导致成本输出的最小化。其中，所述风电场利益收入的最大化，是以风电机组电价单价最大运行为原则。所述风电场内机组大部件常规更换导致成本输出的最小化，是指以大部件使用寿命最长，大部件由于损坏导致必须更换的概率值降至最低为原则。这里，机组大部件特指机组的变桨系统机械部分和变流器并网开关机构。

具体地，本发明所述的基于风电场经济性的有功功率调节方法，包括以下步骤：

A.根据电价高低划分风电场机群中各风电机组的可控优先级，将电价低的风电机组设为优先控制的高优先级机组；

B.当到达执行周期T1时，对当前可控优先级内的各台风电机组分配单机期望输出功率，所述单机期望输出功率通过下述公式(1)计算：

式(1)中，代表第i台机组第j次迭代的单机期望输出功率；α为风机功率分配权重系数，通过下述公式(2)计算获得；β为同级别可控优先级的风机数量在风电场全场风机数量中的占比系数，通过下述公式(3)计算获得；P^{第j次迭代} _ctrloutput为风电场全场功率经PID控制输出的第j次迭代的调节功率，通过下述公式(4)计算获得。

$\mathrm{\α}=1-\frac{{\mathrm{\Σ\θ}}_i^{add}}{\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{\mathrm{\Σ\θ}}_i^{add}}---\left(2\right)$

上述式(2)中，是第i台机组自并网时刻起或自有功功率调节开始时刻起，累计的桨距角度值，是同级别可控优先级的第1台至第m台的所有机组自并网时刻起或自有功功率调节开始时刻起，累计的桨距角度值。

上述式(4)中，ΔP为风电场全场期望功率与全场实际功率之间的偏差，k_p为比例系数，T₁为积分时间常数，T_d为微分时间常数。

C.设定每台风电机组的最小期望输出功率值当可控风电机组的期望功率输出到达时，将该机组标记为可控制停机机组；D.当到达执行周期T2时，根据机组并网开关累计使用次数多少决定所述可控制停机机组的停机顺序，对并网开关累计使用次数少的机组优先停机。

上述方法将风电场各期电价单价差异因素综合考虑到有功功率调节负荷限制分配策略中，并优先考虑风电机组大部件使用寿命和疲劳损伤，风电场内机组间大部件使用寿命均衡，将风机单机的启动和停机频率降至最低，以风机大部件使用寿命最大原则设计有功功率调节控制方法，可实现风电场盈利最大化和风机部件资金投入的最小化。

基于上述有功功率调节方法，本发明还提供了一种基于风电场经济性的有功功率调节系统。作为一种优选的具体实施例，请参阅图1所示，所述有功功率调节系统主要包括以下几个部分：机组数据采集单元、有功功率控制器、执行分配控制模块等。

该系统在使用过程中：

机组数据采集单元主要获取以下信息：机组的功率实时值、桨距角、故障状态、并网开关使用累计信息、变桨使用累计信息以及机群的功率测量反馈值等，其中，机群的功率测量反馈值是依赖独立的测量仪器或装置测量完成的数据获取，其他数据则可通过与机组直接通讯获取。

有功功率控制器获取上述机组数据采集单元收集的所有风电机组遥测、遥信信息以及从机组侧接收到的测量反馈值，风电电价单价差异信息需要用户预先在有功功率控制器参数设定区域进行设定。进一步地，有功功率控制器根据风电场期望输出功率与反馈的功率测量值计算期望偏差，再综合机组其他信息并结合风电电价单价差异等信息，计算输出结果。这里的风电场期望输出功率是本发明有功功率调节系统的控制目标。

执行分配控制模块根据有功功率控制器输出执行分配逻辑。执行分配控制模块含单台机组期望输出功率分配模块(以下简称分配模块)和单台机组启停控制模块，分别用于实现每台可控机组根据期望输出功率值进行发电和可控机组的启机和停机控制。其中，设置分配模块执行周期T1，启停控制模块执行周期T2。设置T1小于机组启停控制模块执行周期T2。具体地，根据风电场的实际运行情况，执行周期T1建议设置在1s～3s以内，执行周期T2建议设置在30s～60s以内。

具体来说，首先，分配模块预先根据风电机组电价单价差异划分可控风机优先级，优先级的高低按照电价单价的从低到高依次排序，即，电价低的机组可控优先级最高，电价高的机组可控优先级最低。

电价同级可控优先级中各机组期望功率输出的计算按照以下公式1进行计算。

式(1)中，代表第i台机组第j次迭代的单机期望输出功率；

α为风机功率分配权重系数；

β为同级别可控优先级的风机数量在风电场全场风机数量中的占比系数；

P^{第j次迭代} _ctrloutput为风电场全场功率经PID控制输出的第j次迭代的调节功率。

具体地，上述α、β、P^{第j次迭代} _ctrloutput分别通过以下公式(2)-(4)计算获得；

$\mathrm{\α}=1-\frac{{\mathrm{\Σ\θ}}_i^{add}}{\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{\mathrm{\Σ\θ}}_i^{add}}---\left(2\right)$

式(2)中，是第i台机组从机组自并网时刻起或自有功功率调节系统投运时刻起，累计的桨距角度值；是风场内同级别优先级第1台至第m台的所有可控机组自并网时刻起或自有功功率调节系统投运时刻起，累计的桨距角度值。

式(4)中，ΔP为风电场全场期望功率与全场实际功率之间的偏差(ΔP＝P_全场期望-P_{全场实际值})，k_p为比例系数，T₁为积分时间常数，T_d为微分时间常数。

上述功率分配过程主要考虑了桨距角累计使用情况，桨距角累计值小表示机组变桨系统使用频度低，可用寿命更长；桨距角累计值大表示机组变桨系统使用频度低，可用寿命更短，变桨系统大部件损坏导致更换而发生经济投入性输出概率跟变桨系统使用频度成正比。

调节进行中，风机由可控优先级别由高到低依次到达最小期望输出功率值这里的最小期望输出功率值是预先规定了的，每台机组各自对应一个最小期望输出功率值该值根据不同机型进行设置。一般而言，该值受机组最小调节可输出功率参数限制，而机组最小调节可输出功率参数在各个机型中又各有不同。如：1.5MW机组的机组最小调节可输出功率参数多为额定容量的10～20％。

当有风机机组到达最小期望输出功率值时，控制器会将机组由分配模块可控风机中标记期望功率输出到达极限标志，同时在启停控制模块中将该机组标记为可控制停机机组，被标记了的可控制停机机组就是机组启停控制模块控制对象。

机组启停控制模块，首先根据机组并网开关使用累计信息进行排序，机组停机的顺序按照机组并网开关使用累计信息从小到大顺序进行停机，即机组并网开关使用累计小的机组优先停机，机组并网开关使用累计值大的机组后停机。机组并网开关累计值小表示机组并网开关系统使用次数低，可用寿命更长；机组并网开关累计值大表示机组并网开关系统使用次数高，可用寿命更短，并网开关大部件寿命及损坏导致的更换而发生经济投入性输出概率跟并网开关使用频度承担成正比。

风机停机操作是按照系统控制目标的需求实现的，当即控制目标低于全场风机最小不停机允许值时即触发风机停机，全场风机最小不停机允许值一般是所有可控风机单机最小期望输出功率累加和或是该累加和的1.1倍，这里适当的提高风机最小不停机允许值目标是提前触发启停机操作。

风机启机操作也是按照系统控制目标的需求实现的，当即控制目标高于全场功率值时且并网风机已达到实时风况功率输出极限，即触发风机启机。风机功率的输出受额定功率限制和风况限制，风况的条件确定了能否达到极限值，该极限值小于或等于额定功率。

上述过程中，需要强调的是在电价低的高优先级机组停机完成后，电价高的低优先级机组才涉及分配权重或启停机逻辑。即本申请考虑的三个因素：电价高低、变桨累计情况、并网开关累计情况之间也有优先级，电价高低因素的优先级最高，变桨累计情况次之，并网开关累计情况最后。即：首先，是根据电价区别风机类别；其次，在电价区分完成后，在不同电价的区间内再考虑变桨累计因素导致的优先级；最后，风机功率降至最小期望输出功率后，才触发启停控制模块，此时再设计并网开关累计信息优先级致使启停机逻辑。

本发明所述的有功功率调节方法及系统实施时，在机群升负荷区间段，执行周期是T1的分配模块能在较短的周期和较快的执行时间段内做出快速负荷升响应；执行周期为T2的机组启停控制模块则是在较大的执行周期内做出启机响应，两模块程序执行周期的差异性，可防止风机在启动和停机程序之间频繁跳转。

由于采用了以上技术方案，本发明的有功功率调节方法及系统不仅能有效实现有功功率调节控制的基本功能，更关注风电场经济性，技术实现考虑因素更周全，达到的技术效果更具备实际意义。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于风电场经济性的有功功率调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.根据电价高低划分风电场机群中各风电机组的可控优先级，将电价低的风电机组设为优先控制的高优先级机组；

B.当到达执行周期T1时，对当前可控优先级内的各台风电机组分配单机期望输出功率，所述单机期望输出功率通过下述公式(1)计算：

式(1)中，代表第i台机组第j次迭代的单机期望输出功率；

α为风机功率分配权重系数，通过下述公式(2)计算获得；

β为同级别可控优先级的风机数量在风电场全场风机数量中的占比系数，通过下述公式(3)计算获得；

P^{第j次迭代} _ctrloutput为风电场全场功率经PID控制输出的第j次迭代的调节功率，通过下述公式(4)计算获得；

$\mathrm{\α}=1-\frac{{\mathrm{\Σ\θ}}_i^{add}}{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Σ\θ}}_i^{add}}---\left(2\right)$

式(2)中，是第i台机组自并网时刻起或自有功功率调节开始时刻起，累计的桨距角度值，是同级别可控优先级的第1台至第m台的所有机组自并网时刻起或自有功功率调节开始时刻起，累计的桨距角度值；

式(4)中，ΔP为风电场全场期望功率与全场实际功率之间的偏差，k_p为比例系数，T₁为积分时间常数，T_d为微分时间常数；

C.设定每台风电机组的最小期望输出功率值当可控风电机组的期望功率输出到达时，将该机组标记为可控制停机机组；

D.当到达执行周期T2时，根据机组并网开关累计使用次数多少决定所述可控制停机机组的停机顺序，对并网开关累计使用次数少的机组优先停机。

2.根据权利要求1所述的一种基于风电场经济性的有功功率调节方法，其特征在于，所述执行周期T1为1s～3s，所述执行周期T2为30s～60s。

3.一种基于风电场经济性的有功功率调节系统，其特征在于，包括：

优先级划分模块，用于根据电价高低划分风电场机群中各风电机组的可控优先级，将电价低的风电机组设为优先控制的高优先级机组；

期望输出功率分配模块，用于当到达执行周期T1时，对当前可控优先级内的各台风电机组分配单机期望输出功率，所述单机期望输出功率通过下述公式(1)计算：

式(1)中，代表第i台机组第j次迭代的单机期望输出功率；

α为风机功率分配权重系数，通过下述公式(2)计算获得；

β为同级别可控优先级的风机数量在风电场全场风机数量中的占比系数，通过下述公式(3)计算获得；

P^{第j次迭代} _ctrloutput为风电场全场功率经PID控制输出的第j次迭代的调节功率，通过下述公式(4)计算获得；

$\mathrm{\α}=1-\frac{{\mathrm{\Σ\θ}}_i^{add}}{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Σ\θ}}_i^{add}}---\left(2\right)$

式(2)中，是第i台机组自并网时刻起或自有功功率调节开始时刻起，累计的桨距角度值，是同级别可控优先级的第1台至第m台的所有机组自并网时刻起或自有功功率调节开始时刻起，累计的桨距角度值；

式(4)中，ΔP为风电场全场期望功率与全场实际功率之间的偏差，k_p为比例系数，T₁为积分时间常数，T_d为微分时间常数；

可控制停机机组标定模块，设定每台风电机组的最小期望输出功率值当风电机组的期望功率输出到达时，将该机组标记为可控制停机机组；

机组启停控制模块，当到达执行周期T2时，根据机组并网开关累计使用次数多少决定所述可控制停机机组的停机顺序，对并网开关累计使用次数少的机组优先停机。

4.根据权利要求3所述的一种基于风电场经济性的有功功率调节系统，其特征在于，所述执行周期T1为1s～3s，所述执行周期T2为30s～60s。