CN108270235B - 基于风电场无功裕度最大的dfig有功调度方法 - Google Patents

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Abstract

发明公开了一种基于风电场无功裕度最大的DFIG有功调度方法，包括：获取风电场内各台DFIG机组参数、预测数据以及调度指令PD；结合风力机的动力学模型，计算各台DFIG的有功出力预测值；结合DFIG的无功出力特性，计算各台DFIG的无功出力上下限；当风电场有功出力预测值PF_Σ小于调度指令PD时，各台DFIG按照最大风能追踪原理进行发电；当风电场有功出力预测值PD大于调度指令PD时，则以风电场无功裕度最大为控制目标，采取逐次分配的控制策略，对各台DFIG的有功出力进行统一的调度分配。

Description

基于风电场无功裕度最大的DFIG有功调度方法
技术领域
本发明属于风电场运行控制技术领域，尤其涉及一种基于风电场无功裕度最大的DFIG有功调度方法。
背景技术
随着大规模风电场的装机容量不断增大，风电场内部有功功率和无功功率的控制日益复杂，各功能的控制时序、控制对象、控制目标之间存在互相耦合的关系。
传统的风电场有功控制以风电场有功出力最大为控制目标，无功控制以风电场并网点电压偏差最小为控制目标，并没有考虑有功、无功的协调控制问题，更没有充分利用好DFIG的无功发生能力。因此，建立一种基于风电场无功裕度最大的DFIG有功调度方法具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种基于风电场无功裕度最大的 DFIG有功调度方法，实现了风电场内部有功、无功协调控制，充分释放了DFIG 无功发生能力。
为了实现上述目的，本发明提出的技术法案是，一种基于风电场无功裕度最大的DFIG有功调度方法，其特征是所述方法包括：
步骤1：获取风电场内各台DFIG机组参数、预测数据以及调度指令PD；
步骤2：结合风力机的动力学模型，计算各台DFIG的有功出力预测值；
步骤3：结合DFIG的无功出力特性，计算各台DFIG的无功出力上限；
步骤4：当风电场有功出力预测值PF_Σ小于调度指令PD时，各台DFIG按照最大风能追踪原理进行发电；
步骤5：当风电场有功出力预测值PF_Σ大于调度指令PD时，则以风电场无功裕度最大为控制目标，实行逐次分配的调度策略，对各台DFIG实行有功出力调度分配。
进一步地，所述步骤1包括，获取风电场内N台DFIG的机组参数；获取风电场内N台DFIG所处位置风速预测值：vf＝{v1,v2,…,vN}；获取上级调度中心下达的风电场有功调度指令PD。
进一步地，所述步骤2包括，
步骤201：根据风力机动力学模型，计算通过风力机扫掠面的功率值
Figure SMS_1
进而计算DFIG的有功出力预测值
Figure SMS_2
其中，R 为风力机叶片半径，ρ空气为空气密度，Vf为风力机输入风速，Cp为最大风能利用率。
步骤202：对N台DFIG的有功出力预测值进行排序 Pf={Pf_1max,Pf_2max,...Pf_Nmax}，并且计算出风电场总的有功出力预测值
Figure SMS_3
进一步地，所述步骤3包括，
步骤301：在给定有功出力预测值的基础上，结合DFIG运行模式，求取定子侧有功功率PS，进而计算DFIG定子侧无功出力上限Qsmax：
Figure SMS_4
其中，Us为定子相电压幅值，Xs为定子电抗，Xm为励磁电抗；
步骤302：忽略网测变换器无功发生能力，则DFIG的无功上限为：Qgmax＝Qsmax。
进一步地，所述步骤4包括，当风电场有功出力预测值PF_Σ小于调度指令PD时，各台DFIG按照最大风能追踪原理进行发电：Pi＝Pf_imax,i＝1,2,…,N，此时风电场所能发出的无功极限最大为：
Figure SMS_5
其中，Pf_imax为第i台机组的有功出力预测值。
进一步地，所述步骤5包括，
步骤501：当风电场有功出力预测值PF_Σ大于调度指令PD时，各台DFIG有功出力需满足
Figure SMS_6
步骤502：以风电场无功出力
Figure SMS_7
最大为目标函数，
Figure SMS_8
为约束条件构造拉格朗日函数：
Figure SMS_9
令
Figure SMS_10
Figure SMS_11
解之得：
Figure SMS_12
步骤503：当
Figure SMS_13
时，各台DFIG均能满足平均出力要求，由步骤502可知，采用平均分配的有功调度方案即可使DFIG风电场无功裕度取得最大值；
步骤504：当存在k，使得
Figure SMS_14
时，要想使风电场无功裕度取得最大值，需满足前k台DFIG有功出力为Pi＝Pf_imax,i＝1,2,…,k；
证明：由f′(Ps)＜0，且f″(Ps)＜0可知，Qgmax＝f(Ps)为单调递减函数，且递减速度越来越快，因此，不能发出平均出力的DFIG应该按有功出力最大值发出有功。
步骤505：对剩余N-k台DFIG的有功出力预测值进行重新排序 {P′f_1max,P′f_2max,…,P′f_(N-k)max}，令N′＝N-k、
Figure SMS_15
重复步骤503-步骤505，对剩余无功调度计划PD'进行重新分配，直至满足要求。
附图说明
下面通过附图和事例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1是本发明提供的基于风电场无功裕度最大的DFIG有功调度方法流程图；
图2是本发明提供的典型风电场结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的验证事例进行说明，应当理解的是，此处所描述的验证事例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
具体地，图1是基于风电场无功裕度最大的DFIG有功调度方法流程图。图 1中，调度方法流程图包括：
步骤1：获取风电场内N台DFIG机组参数、风速预测值vf＝{v1,v2,…,vN}以及上级调度中心下达的风电场有功调度指令PD；
步骤2：结合风力机的动力学模型，计算各台DFIG的有功出力预测值，具体为：
步骤201：根据风力机动力学模型，计算通过风力机扫掠面的功率值
Figure SMS_16
进而计算DFIG的有功出力预测值
Figure SMS_17
其中，R 为风力机叶片半径，ρ空气为空气密度，Vf为风力机输入风速，Cp为最大风能利用率。
步骤202：对N台DFIG的有功出力预测值进行排序Pf＝{Pf_1max，Pf_2max，…Pf_Nmax}，并且计算出风电场总的有功出力预测值
Figure SMS_18
步骤3：结合DFIG的无功出力特性，计算各台DFIG的无功出力上限，具体为：
步骤301：在给定有功出力预测值的基础上，结合DFIG运行模式，求取定子侧有功功率PS，进而计算DFIG定子侧无功出力上限Qsmax：
Figure SMS_19
其中，Us为定子相电压幅值，Xs为定子电抗，Xm为励磁电抗；
步骤302：忽略网测变换器无功发生能力，则DFIG的无功上限为：Qgmax＝Qsmax。
步骤4：当风电场有功出力预测值PF_Σ小于调度指令PD时，各台DFIG按照最大风能追踪原理进行发电，具体为：各台DFIG的出力Pi＝Pf_imax,i＝1,2,…,N，此时风电场所能发出的无功极限最大为：
Figure SMS_20
其中，Pf_imax为第i 台机组的有功出力预测值。
步骤5：当风电场有功出力预测值PF_Σ大于调度指令PD时，则以风电场无功裕度最大为控制目标，实行逐次分配的调度策略，对各台DFIG实行有功出力调度分配，具体为：
步骤501：当风电场有功出力预测值PF_Σ大于调度指令PD时，各台DFIG有功出力需满足
Figure SMS_21
步骤502：当
Figure SMS_22
时，各台DFIG均能满足平均出力要求，采用平均分配的有功调度方案即可使DFIG风电场无功裕度取得最大值，此时：
Figure SMS_23
步骤503：当存在k，使得
Figure SMS_24
时，要想使风电场无功裕度取得最大值，需满足前k台DFIG有功出力为Pi＝Pf_imax,i＝1,2,…,k；
步骤504：对剩余N-k台DFIG的有功出力预测值进行重新排序 {P′f_1max,P′f_2max,…,P′f_(N-k)max}，令N′＝N-k、
Figure SMS_25
重复步骤502-步骤504，对剩余无功调度计划P′D进行重新分配，直至满足要求。
以下结合附图2对本发明实施例做进一步详细说明。
验证事例参数说明：
本验证事例中，设风电场装机容量为60MW，共有40台同种型号1.5MW的 DFIG，风电场结构如图2所示。其中40台DFIG通过4条地下馈线连接至并网变电站主变压器，A、B、C、D四条馈线分别连接10台1.5MW的DFIG，能够参与风电场无功调节。
实施步骤如下：
步骤1：获取风电场内N台DFIG机组参数、风速预测值vf＝{v1,v2,…,vN}以及上级调度中心下达的风电场有功调度指令PD，机组参数及风速预测值如表1和表 2所示。
表1风电场1.5MW级DFIG机组参数
Figure SMS_26
表2各台DFIG输入风速值
Figure SMS_27
步骤2：结合风力机的动力学模型，计算各台DFIG的有功出力预测值，并对其进行排序如表3所示。此时，风电场总的有功出力预测值为23.281MW。
表3风电场各台DFIG有功出力预测值
Figure SMS_28
Figure SMS_29
步骤3：结合DFIG的无功出力特性，计算各台DFIG的无功出力上限如表4 所示。
表4风电场各台DFIG无功出力上限
有功排序 风机编号 无功上限 有功排序 风机编号 无功上限
P<sub>f_1max</sub> 40 0.721 P<sub>f_21max</sub> 11 0.682
P<sub>f_2max</sub> 38 0.721 P<sub>f_22max</sub> 28 0.645
P<sub>f_3max</sub> 20 0.721 P<sub>f_23max</sub> 29 0.633
P<sub>f_4max</sub> 18 0.721 P<sub>f_24max</sub> 27 0.633
P<sub>f_5max</sub> 17 0.721 P<sub>f_25max</sub> 25 0.582
P<sub>f_6max</sub> 39 0.716 P<sub>f_26max</sub> 1 0.582
P<sub>f_7max</sub> 36 0.716 P<sub>f_27max</sub> 26 0.564
P<sub>f_8max</sub> 19 0.716 P<sub>f_28max</sub> 24 0.564
P<sub>f_9max</sub> 16 0.716 P<sub>f_29max</sub> 2 0.564
P<sub>f_10max</sub> 37 0.71 P<sub>f_30max</sub> 23 0.548
P<sub>f_11max</sub> 34 0.703 P<sub>f_31max</sub> 22 0.53
P<sub>f_12max</sub> 33 0.703 P<sub>f_32max</sub> 4 0.51
P<sub>f_13max</sub> 15 0.703 P<sub>f_33max</sub> 3 0.51
P<sub>f_14max</sub> 14 0.703 P<sub>f_34max</sub> 21 0.51
P<sub>f_15max</sub> 35 0.69 P<sub>f_35max</sub> 5 0.465
P<sub>f_16max</sub> 32 0.69 P<sub>f_36max</sub> 6 0.441
P<sub>f_17max</sub> 13 0.69 P<sub>f_37max</sub> 7 0.387
P<sub>f_18max</sub> 12 0.69 P<sub>f_38max</sub> 8 0.227
P<sub>f_19max</sub> 31 0.682 P<sub>f_39max</sub> 10 0.227
P<sub>f_20max</sub> 30 0.682 P<sub>f_40max</sub> 9 0.188
步骤4：设上级调度中心下达的风电场有功调度指令PD＝25MW，此时风电场有功出力预测值PF_Σ小于调度指令PD，各台DFIG按照最大风能追踪原理进行发电，具体有功出力信息如表3所示，无功出力信息如表4所示。此时风电场DFIG 所能发出的总的无功极限为QΣ_max＝24.107MVar。
步骤5：设上级调度中心下达的风电场有功调度指令PD＝20MW，此时风电场有功出力预测值PF_Σ大于调度指令PD时，不得不考虑通过弃风来限制风电场有功出力。
按照平均分配的有功调度方案，每台DFIG能够分配到的有功出力值为 Pi＝0.5MW，由表3可知，不能满足平均分配要求的DFIG序列为Pf_1max～Pf_21max。令出力最小的前21台DFIG按照有功出力预测值进行发电，其发电量总和为 PΣ1～21＝8.974MW，剩余的无功调度计划为PD′＝11.026MW。
对剩下的19台DFIG重新进行排序，重复执行上述步骤，直至满足
Figure SMS_30
为止，得到的风电场DFIG有功出力结果如表5所示。
表5风电场各台DFIG有功出力调度方案
Figure SMS_31
Figure SMS_32
相应调度方案下，风电场各台DFIG的无功出力上限如表6所示，此时风电场DFIG所能发出的总的无功极限为QΣ_max＝26.788MVar。
表6采用本发明有功调度方案时DFIG无功出力上限
有功排序 风机编号 无功上限 有功排序 风机编号 无功上限
P<sub>f_1max</sub> 40 0.721 P<sub>f_21max</sub> 11 0.682
P<sub>f_2max</sub> 38 0.721 P<sub>f_22max</sub> 28 0.645
P<sub>f_3max</sub> 20 0.721 P<sub>f_23max</sub> 29 0.633
P<sub>f_4max</sub> 18 0.721 P<sub>f_24max</sub> 27 0.633
P<sub>f_5max</sub> 17 0.721 P<sub>f_25max</sub> 25 0.63
P<sub>f_6max</sub> 39 0.716 P<sub>f_26max</sub> 1 0.63
P<sub>f_7max</sub> 36 0.716 P<sub>f_27max</sub> 26 0.63
P<sub>f_8max</sub> 19 0.716 P<sub>f_28max</sub> 24 0.63
P<sub>f_9max</sub> 16 0.716 P<sub>f_29max</sub> 2 0.63
P<sub>f_10max</sub> 37 0.71 P<sub>f_30max</sub> 23 0.63
P<sub>f_11max</sub> 34 0.703 P<sub>f_31max</sub> 22 0.63
P<sub>f_12max</sub> 33 0.703 P<sub>f_32max</sub> 4 0.63
P<sub>f_13max</sub> 15 0.703 P<sub>f_33max</sub> 3 0.63
P<sub>f_14max</sub> 14 0.703 P<sub>f_34max</sub> 21 0.63
P<sub>f_15max</sub> 35 0.69 P<sub>f_35max</sub> 5 0.63
P<sub>f_16max</sub> 32 0.69 P<sub>f_36max</sub> 6 0.63
P<sub>f_17max</sub> 13 0.69 P<sub>f_37max</sub> 7 0.63
P<sub>f_18max</sub> 12 0.69 P<sub>f_38max</sub> 8 0.63
P<sub>f_19max</sub> 31 0.682 P<sub>f_39max</sub> 10 0.63
P<sub>f_20max</sub> 30 0.682 P<sub>f_40max</sub> 9 0.63
当风电场优先投入有功出力较大机组时，对应的风电场DFIG所能发出的无功极限为QΣ_max＝18.354MVar，具体调度过程不再赘述。
通过对以上调度方案的对比，风电场所能发出的无功极限增加了ΔQΣ_max＝8.434MVar，显著提高了风电场的无功裕度。
最后应该说明的是：以上所述仅为本发明的验证事例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于风电场无功裕度最大的DFIG有功调度方法，其特征在于,包括以下步骤：
步骤1：获取风电场内各台DFIG机组参数、预测数据以及调度指令PD；
步骤2：结合风力机的动力学模型，计算各台DFIG的有功出力预测值；
步骤3：结合DFIG的无功出力特性，计算各台DFIG的无功出力上限；所述步骤3具体为：
步骤301：在给定有功出力预测值的基础上，结合DFIG运行模式，求取定子侧有功功率PS，进而计算DFIG定子侧无功出力上限Qsmax：
Figure QLYQS_1
其中，Us为定子相电压幅值，Xs为定子电抗，Xm为励磁电抗；
步骤302：忽略网测变换器无功发生能力，则DFIG的无功上限为：Qgmax＝Qsmax；
步骤4：当风电场有功出力预测值PF_Σ小于调度指令PD时，各台DFIG按照最大风能追踪原理进行发电；所述步骤4具体为：当风电场有功出力预测值PF_Σ小于调度指令PD时，各台DFIG按照最大风能追踪原理进行发电：Pi＝Pf_imax,i＝1,2,…,N，此时风电场所能发出的无功极限最大为：
Figure QLYQS_2
其中，Pf_imax为第i台机组的有功出力预测值；
步骤5：当风电场有功出力预测值PF_Σ大于调度指令PD时，则以风电场无功裕度最大为控制目标，实行逐次分配的调度策略，对各台DFIG实行有功出力调度分配。
2.根据权利要求1所述的调度方法，其特征在于，所述步骤1具体为：获取风电场内N台DFIG的机组参数；获取风电场内N台DFIG所处位置风速预测值：vf＝{v1,v2,…,vN}；获取上级调度中心下达的风电场有功调度指令PD。
3.根据权利要求2所述的调度方法，其特征在于，所述步骤2具体为：
步骤201：根据风力机动力学模型，计算通过风力机扫掠面的功率值
Figure QLYQS_3
进而计算DFIG的有功出力预测值
Figure QLYQS_4
其中，R为风力机叶片半径，Vf为风力机输入风速，ρ为空气密度，Cp为最大风能利用率；
步骤202：对N台DFIG的有功出力预测值进行排序Pf＝{Pf_1max,Pf_2max,…Pf_Nmax}，并且计算出风电场总的有功出力预测值
Figure QLYQS_5
4.根据权利要求1所述的调度方法，其特征在于，所述步骤5具体为：
步骤501：当风电场有功出力预测值PF_Σ大于调度指令PD时，各台DFIG有功出力需满足
Figure QLYQS_6
步骤502：以风电场无功出力
Figure QLYQS_7
最大为目标函数，
Figure QLYQS_8
为约束条件构造拉格朗日函数：
Figure QLYQS_9
令
Figure QLYQS_10
Figure QLYQS_11
解之得：
Figure QLYQS_12
步骤503：当
Figure QLYQS_13
时，各台DFIG均能满足平均出力要求，采用平均分配的有功调度方案即可使DFIG风电场无功裕度取得最大值；
步骤504：若存在k，使得
Figure QLYQS_14
时，则当前k台DFIG有功出力为Pi＝Pf_imax,i＝1,2,…,k时，风电场无功裕度取得最大值；
步骤505：对剩余N-k台DFIG的有功出力预测值进行重新排序{P′f_1max,P′f_2max,…,P′f_(N-k)max}，令N′＝N-k、
Figure QLYQS_15
重复步骤503-步骤505，对剩余无功调度计划P′D进行重新分配，直至满足要求。
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