CN110048458A - 一种台风环境下的海上风电有序退出方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种台风环境下的海上风电有序退出方法，以实现台风来临前海上风电的有序退出。包含风电功率预测阶段和风电有序退出阶段。在风电功率预测阶段，根据气象台的台风预测路径，分析台风对海上风电集群出力的影响，筛选出会受台风影响达到切出风速而退出运行的海上风电集群。在风电有序退出阶段，基于对会受台风影响而切出的海上风机范围的预测，综合考虑弃风、发电机的调节能力以及需求侧响应的能力，以弃风少和运行经济性为目标，以系统安全稳定为约束条件，制定海上风电机组在台风来临前的有序退出策略。与已有的风电功率爬坡控制策略相比，本发明可以在保证电力系统安全稳定运行的前提下，降低系统的运行成本。

Description

一种台风环境下的海上风电有序退出方法

技术领域

本发明涉及电力系统安全控制领域，特别是一种台风环境下的海上风电有序退出方法。

背景技术

全球化石能源危机使得对新能源的需求越来越迫切，而海上风电相比于陆上风电由于其出力稳定、不占陆地资源、利用小时数高、大发功率以及消纳前景广阔等优点，越来越受到世界各国的青睐，但是海上风电受到台风的影响很大，台风来临时，海上风电机组出力会在短时间内同时提升，达到切出风速后，又会在短时间内大量切出，所导致的风电功率爬坡事件严重影响着电力系统的安全稳定运行，因此，需要研究针对风电功率爬坡事件的抑制手段。

现有的研究主要集中在风电功率的预测辨识、风电场自身的功率控制以及风储的联合优化等方面，在研究时弱化了电网侧本身的一些特性，并且也没有考虑电网本身的时变特性，并未从大电网的角度分析风电功率爬坡的控制策略。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种台风环境下的海上风电有序退出方法，为了减小台风影响下海上风电功率爬坡事件对电力系统的影响，提高电力系统运行的经济性。

本发明采用以下方案实现：一种台风环境下的海上风电有序退出方法，包括以下步骤：

步骤S1：获取气象台预测的台风路径，利用Rankine涡风场模型对台风进行建模；

步骤S2：根据风电场群所在处台风风速的变化，筛选出会受台风影响而切出的海上风电集群，并且得到各个海上风电集群受台风影响而退出运行的时刻，进而根据每个时刻海上风电集群的运行状态生成海上风电功率数据，具体为：

式中，为t时刻风电的并网功率，即为海上风电功率数据，为风电场总的额定功率，为t时刻风机总的退出台数，P_sw为单台风机的容量；

步骤S3：利用步骤S2中得到的海上风电功率数据，结合各个海上风电集群受台风影响而退出运行的时刻、系统网络安全约束、发电机的调节能力以及需求侧响应能力约束对电力系统进行优化调度，用以得出台风来临前海上风电的有序退出策略；

所述网络安全约束为每一时刻电力系统有功平衡约束、线路潮流约束、发电机出力约束以及各条输电线路传输极限约束，即，

P_ij,t＝B_ij(θ_j,t-θ_i,t)

P_g,k,min≤P_g,k,t≤P_g,k,max

|P_ij,t|≤P_ij,lim

式中，L_kt为t时刻线路k中的传输功率；D_nt为t时刻n节点的负荷；δ⁺(n)与δ^-(n)分别为以n节点为末端与首端的线路；P_g,k,t为t时刻发电机k的出力；P_wt为t时刻风电的并网功率；B_ij为线路ij的电纳；P_ij,t为t时刻线路ij上的传输功率；P_ij,lim为线路ij的传输容量极限；θ_i,t,θ_j,t分别为t时刻i节点与j节点的相角；

所述发电机调节能力约束为发电机爬坡约束，即，

式中，P_gt,P_gt-1分别为t时刻与t-1时刻发电机的出力，为发电机的爬坡率限制。

所述需求侧响应能力约束为，

0≤P_d,,t≤P_d,,t,lim

式中，P_d,t为t时刻可响应负荷的响应量，P_d,t,lim为t时刻可响应负荷的响应能力极限。

进一步地，所述步骤S1的具体内容为：所述的Rankine涡风场模

型具体为：

式中，v_i为i处台风的风速；v_max为台风的最大风速；r_i为i处距离台风中心的距离；R_max为台风的最大风速半径；

其中，i点与台风中心距离的计算公式为：

r_i＝R*{arccos[cosb*cosy*cos(a-x)+sinb*siny]}

式中，(x，y)和(a，b)分别为i处与台风中心的经纬度坐标，R为地球半径，为6371km。

另外，台风的最大风速半径的计算模型为：

R_max＝80-k(950-P_c)

式中，P_c为台风中心气压，单位为百帕；k为模型系数，取值为0.769。

进一步地，步骤S2中所述的根据风电场群所在处台风风速的变化，筛选出会受台风影响而切出的海上风电集群的具体内容为：在台风影响下风电集群处风速到达切出风速后，风机会自动切出，风机的切出风速为20～25m/s；即根据台风影响下风电集群处风速的变化，即能够得知该风电集群是否会自动切出和退出运行的时刻。

进一步地，所述步骤S3的具体内容为：

目标函数为：

式中，C_w,C_g,C_l,C_d分别为弃风成本、发电机运行成本、失负荷成本、可响应负荷动作成本；P_W,loss,t为t时刻风电的弃风量；P_g,k,t为t时刻第k台发电机的发电量；P_loss,n,t为t时刻n节点的失负荷量；P_d,j,t为t时刻第j个可响应负荷的响应量；NG,N,NL分别为发电机个数、节点个数与可响应负荷个数；T为总的调度时间；

其中，弃风约束为：

0≤P_W,loss,t＝P_sw×N_w,loss,t≤P_sum,wind

N_w,nat,t≤N_w,loss,t≤N_sum,wind

式中，P_sw为单台风机的额定容量；P_sum,wind为风电总的装机容量；N_w,loss,t,N_sum,wind分别为t时刻所弃风机的台数以及风机总数量；N_w,nat,t为若不采取有序退出策略，t时刻将达到切出风速而自动退出的风机台数；

通过求解目标函数得到每一时刻风电的弃风量P_W,loss,t，即为应对海上风电功率爬坡事件的风电有序退出策略。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

本发明对台风影响下海上风电的功率爬坡事件进行有效控制，在保证系统安全稳定运行的前提下，提高了系统运行的经济性。

附图说明

图1为本发明实施例的IEEE-RTS24节点系统示意图；

其中，图中18号和21号节点为核电机组，23号节点为水电机组，其余节点均为火电机组。

图2为本发明实施例的台风“玛利亚”对海上风电的影响示意图。

图3为本发明实施例的流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，IEEE-RTS24节点系统(一种标准测试系统)中，19号节点接有海上风电场，总共包括3个海上风电集群A、B、C，风电集群的容量分别为300MW、300MW、500MW，研究台风“玛利亚”对3个海上风电集群的影响。另外，18号、21号节点为核电机组，23号节点为水电机组，其余均为火电机组，3、10、14、20节点接有可响应负荷。

如图3所示，本实施例提供了一种台风环境下的海上风电有序退出方法，包括两阶段：风电功率预测阶段和风电有序退出阶段。

具体包括以下步骤：

(1)在风电功率预测阶段：

步骤S1：获取气象台预测的台风路径，利用Rankine涡风场模型对实际台风进行建模；分析海上风电集群的出力特性；

步骤S2：根据风电场群所在处台风风速的变化情况，筛选出会受台风影响而切出的海上风电集群，并且得到各个海上风电集群受台风影响而退出运行的时刻，进而根据每个时刻海上风电集群的运行状态生成海上风电功率数据，具体为：

式中，为t时刻风电的并网功率，即为海上风电功率数据，为风电场总的额定功率，为t时刻风机总的退出台数，P_sw为单台风机的容量；

即为：对台风进行建模之后，利用海上风场处的风速信息，分析海上风电集群的出力特性，筛选出受台风影响会达到切出风速的海上风电集群，结合筛选出的海上风电集群，生成台风影响下的海上风电功率数据。

(2)风电有序退出阶段

步骤S3：利用步骤S2中得到的海上风电功率数据，综合考虑系统的安全稳定性和运行经济性，在保证电力系统不失负荷的情况下，以各个海上风电集群受台风影响而退出运行的时刻、系统网络安全约束、发电机调节能力以及需求侧响应能力为约束对电力系统进行优化调度，用以得出台风来临前海上风电的有序退出策略。

所述网络安全约束为每一时刻电力系统有功平衡约束、线路潮流约束、发电机出力约束以及各条输电线路传输极限约束，即，

P_ij,t＝B_ij(θ_j,t-θ_i,t)

P_g,k,min≤P_g,k,t≤P_g,k,max

|P_ij,t|≤P_ij,lim

式中，L_kt为t时刻线路k中的传输功率，D_nt为t时刻n节点的负荷，δ⁺(n)与δ^-(n)分别为以n节点为末端与首端的线路，P_g,k,t为t时刻发电机k的出力，P_wt为t时刻风电的并网功率，B_ij为线路ij的电纳，P_ij,t为t时刻线路ij上的传输功率，P_ij,lim为线路ij的传输容量极限，θ_i,t,θ_j,t分别为t时刻i节点与j节点的相角。

所述发电机调节能力约束为发电机爬坡约束，即，

式中，P_gt,P_gt-1分别为t时刻与t-1时刻发电机的出力，为发电机的爬坡率限制。

所述需求侧响应能力约束为，

0≤P_d,,t≤P_d,,t,lim

式中，P_d,t为t时刻可响应负荷的响应量，P_d,t,lim为t时刻可响应负荷的响应能力极限。

在本实施例中，所述步骤S1的具体内容为：所述的Rankine涡风场模型具体为：

式中，v_i为i处台风的风速；v_max为台风的最大风速；r_i为i处距离台风中心的距离；R_max为台风的最大风速半径；

其中，i点与台风中心距离的计算公式为：

r_i＝R*{arccos[cosb*cosy*cos(a-x)+sinb*siny]}

式中，(x，y)和(a，b)分别为i处与台风中心的经纬度坐标(东经为正，西经为负；北纬为正，南纬为负)，R为地球半径，为6371km。

另外，台风的最大风速半径的计算模型为：

R_max＝80-k(950-P_c)

式中，P_c为台风中心气压，单位为百帕；k为模型系数，取值为0.769。

如图2所示，以玛利亚台风为例，分析台风对海上风电场群的影响，以台风影响到风电场前30min为分析的起始点，“玛利亚”会在30min，39min和41min分别影响海上风电场群C、B、A。

在本实施例中，步骤S2中所述的根据风电场群所在处台风风速的变化情况，筛选出会受台风影响而切出的海上风电集群的具体内容为：在台风影响下风电集群处风速到达切出风速后，风机会自动切出，风机的切出风速一般为20～25m/s；即根据台风影响下风电集群处风速的变化情况，即能够得知该风电集群是否会自动切出和退出运行的时刻。

在本实施例中，所述步骤S3的具体内容为：

利用得到的海上风电功率数据，综合考虑系统的安全稳定性和运行经济性，以系统网络安全为约束，对电力系统进行优化调度，优化台风来临前海上风电的有序退出，从而使电力系统运行成本与失负荷损失达到最低，

目标函数为最小化系统的运行成本：

式中，C_w,C_g,C_l,C_d分别为弃风成本、发电机运行成本、失负荷成本、可响应负荷动作成本(均为单位成本)；P_W,loss,t为t时刻风电的弃风量；P_g,k,t为t时刻第k台发电机的发电量；P_loss,n,t为t时刻n节点的失负荷量；P_d,j,t为t时刻第j个可响应负荷的响应量；NG,N,NL分别为发电机个数、节点个数与可响应负荷个数；T为总的调度时间；

其中，弃风约束为：

0≤P_W,loss,t＝P_sw×N_w,loss,t≤P_sum,wind

N_w,nat,t≤N_w,loss,t≤N_sum,wind

式中，P_sw为单台风机的额定容量；P_sum,wind为风电总的装机容量；N_w,loss,t,N_sum,wind分别为t时刻所弃风机的台数以及风机总数量；N_w,nat,t为若不采取有序退出策略，t时刻将达到切出风速而自动退出的风机台数；

通过求解目标函数得到每一时刻风电的弃风量P_W,loss,t即优化调度的结果，即为应对海上风电功率爬坡事件的风电有序退出策略。需要补充的是，优化得到的每一时刻退出运行的风机应包括由于台风影响会达到切出风速而切出的风机。

电力系统优化调度的结果为调度部门提供台风来临前海上风电的有序退出策略，并为发电机组提供出力参考。

在本实施例中，以图1所示的实施例为例，得到的台风来临前海上风电的有序退出如下表所示：

其中，开始时刻为台风影响海上风电集群C前30min，“玛利亚”会在30min，39min和41min分别影响海上风电场群C、B、A，每台风机的容量为3MW，风机以整台为单位进行退出。

在本实施例中，风电功率爬坡事件表现为一种短时间尺度下风电功率的大幅度波动，风电的功率爬坡事件会使系统供用电失去平衡，造成风电功率下爬坡事件的一个重要原因是外界的极端天气(如台风)。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (4)

1.一种台风环境下的海上风电有序退出方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：获取气象台预测的台风路径，利用Rankine涡风场模型对台风进行建模；

步骤S2：根据风电场群所在处台风风速的变化，筛选出会受台风影响而切出的海上风电集群，并且得到各个海上风电集群受台风影响而退出运行的时刻，进而根据每个时刻海上风电集群的运行状态生成海上风电功率数据，具体为：

式中，为t时刻风电的并网功率，即为海上风电功率数据，为风电场总的额定功率，为t时刻风机总的退出台数，P_sw为单台风机的容量；

步骤S3：利用步骤S2中得到的海上风电功率数据，结合各个海上风电集群受台风影响而退出运行的时刻、系统网络安全、发电机的调节能力以及需求侧响应能力约束对电力系统进行优化调度，用以得出台风来临前海上风电的有序退出策略；

所述网络安全约束为每一时刻电力系统有功平衡约束、线路潮流约束、发电机出力约束以及各条输电线路传输极限约束，即，

P_ij,t＝B_ij(θ_j,t-θ_i,t)

P_g,k,min≤P_g,k,t≤P_g,k,max

|P_ij,t|≤P_ij,lim

式中，L_kt为t时刻线路k中的传输功率；D_nt为t时刻n节点的负荷；δ⁺(n)与δ^-(n)分别为以n节点为末端与首端的线路；P_g,k,t为t时刻发电机k的出力；P_wt为t时刻风电的并网功率；B_ij为线路ij的电纳；P_ij,t为t时刻线路ij上的传输功率；P_ij,lim为线路ij的传输容量极限；θ_i,t,θ_j,t分别为t时刻i节点与j节点的相角；

所述发电机调节能力约束为发电机爬坡约束，即，

式中，P_gt,P_gt-1分别为t时刻与t-1时刻发电机的出力，为发电机的爬坡率限制。

所述需求侧响应能力约束为，

0≤P_d,,t≤P_d,,t,lim

式中，P_d,t为t时刻可响应负荷的响应量，P_d,t,lim为t时刻可响应负荷的响应能力极限。

2.根据权利要求1所述的一种台风环境下的海上风电有序退出方法，其特征在于：所述步骤S1的具体内容为：所述的Rankine涡风场模型具体为：

式中，v_i为i处台风的风速；v_max为台风的最大风速；r_i为i处距离台风中心的距离；R_max为台风的最大风速半径；

其中，i点与台风中心距离的计算公式为：

r_i＝R*{arccos[cosb*cosy*cos(a-x)+sinb*siny]}

式中，(x，y)和(a，b)分别为i处与台风中心的经纬度坐标，R为地球半径，为6371km。

另外，台风的最大风速半径的计算模型为：

R_max＝80-k(950-P_c)

式中，P_c为台风中心气压，单位为百帕；k为模型系数，取值为0.769。

3.根据权利要求1所述的一种台风环境下的海上风电有序退出方法，其特征在于：步骤S2中所述的根据风电场群所在处台风风速的变化，筛选出会受台风影响而切出的海上风电集群的具体内容为：在台风影响下风电集群处风速到达切出风速后，风机会自动切出，风机的切出风速为20～25m/s；即根据台风影响下风电集群处风速的变化，能够得知该风电集群是否会自动切出和退出运行的时刻。

4.根据权利要求1所述的一种台风环境下的海上风电有序退出方法，其特征在于：所述步骤S3的具体内容为：

目标函数为：

式中，C_w,C_g,C_l,C_d分别为弃风成本、发电机运行成本、失负荷成本、可响应负荷动作成本；P_W,loss,t为t时刻风电的弃风量；P_g,k,t为t时刻第k台发电机的发电量；P_loss,n,t为t时刻n节点的失负荷量；P_d,j,t为t时刻第j个可响应负荷的响应量；NG,N,NL分别为发电机个数、节点个数与可响应负荷个数；T为总的调度时间；

其中，弃风约束为：

0≤P_W,loss,t＝P_sw×N_w,loss,t≤P_sum,wind

N_w,nat,t≤N_w,loss,t≤N_sum,wind

式中，P_sw为单台风机的额定容量；P_sum,wind为风电总的装机容量；N_w,loss,t,N_sum,wind分别为t时刻所弃风机的台数以及风机总数量；N_w,nat,t为若不采取有序退出策略，t时刻将达到切出风速而自动退出的风机台数；

通过求解目标函数得到每一时刻风电的弃风量P_W,loss,t，即为应对海上风电功率爬坡事件的风电有序退出策略。