風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)站級(jí)有功控制策略研究

屠友強(qiáng)，周妮娜，佘 焱

(1.上海交通大學(xué)，上海 200030；2.上海申能臨港燃機(jī)發(fā)電有限公司，上海 201306；3.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司松江供電公司，上海 201600)

1 風(fēng)電場(chǎng)有功控制策略研究現(xiàn)狀

現(xiàn)有文獻(xiàn)和已投運(yùn)風(fēng)電場(chǎng)對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)有功功率的控制，方法都比較簡(jiǎn)單，主要采用固定比例分配法和變比例分配法[1-5]。

1.1 固定比例分配法

固定比例分配法按照額定容量大的機(jī)組分配有功出力多的原則進(jìn)行分配，分配方法為

(1)

1.2 變比例分配法

變比例分配法是通過(guò)實(shí)時(shí)風(fēng)速預(yù)測(cè)風(fēng)電機(jī)組的最大有功輸出，按照下一運(yùn)行周期預(yù)測(cè)功率大的機(jī)組有功分配多的原則來(lái)分配，分配方法為

(2)

根據(jù)場(chǎng)站級(jí)有功控制策略，一旦風(fēng)速波動(dòng)較大，得到的下一周期單臺(tái)機(jī)組有功調(diào)控指令也會(huì)發(fā)生大幅波動(dòng)。對(duì)于單臺(tái)風(fēng)機(jī)而言，有功調(diào)控指令忽高忽低將導(dǎo)致控制系統(tǒng)動(dòng)作頻繁，運(yùn)行狀態(tài)切換次數(shù)增加，進(jìn)而導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)可靠性降低，功率輸出不穩(wěn)定，機(jī)械損耗增加，設(shè)備壽命減短，間接增加發(fā)電成本。

2 風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)站級(jí)有功控制模式及功率設(shè)定方法

電網(wǎng)調(diào)度對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的四種典型控制模式為：限值模式、調(diào)整模式、斜率控制模式以及差值模式，通過(guò)不同模式將調(diào)度的出力指令轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)電場(chǎng)功率設(shè)定值[6-8]。

2.1 斜率控制模式

(3)

2.2 限值模式

限值模式下，風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)發(fā)電功率不能大于電網(wǎng)的調(diào)度值(限功率控制)或不能小于電網(wǎng)的調(diào)度值(升功率控制)。基于此可設(shè)計(jì)算法具體如下。

(3)由斜率控制模式得到滿足電網(wǎng)調(diào)度的下一周期有功設(shè)定值Pset。

限值模式是除正常運(yùn)行外最常見(jiàn)的一種運(yùn)行模式，本文提出的功率分配策略也主要是針對(duì)該種功率控制模式提出的。

2.3 調(diào)整模式

運(yùn)行在調(diào)整模式時(shí)，有功功率控制系統(tǒng)會(huì)立即調(diào)整風(fēng)電場(chǎng)總發(fā)電功率，直到其滿足電網(wǎng)調(diào)度與計(jì)劃要求的限定值，調(diào)整周期較短，跟蹤精度較高，但控制器動(dòng)作頻繁，其算法設(shè)計(jì)與限值模式基本相同。在實(shí)際運(yùn)行中該種模式出現(xiàn)的情況較少。

2.4 差值模式

差值模式是使風(fēng)電場(chǎng)按照恒低于最大可發(fā)電功率一個(gè)固定的設(shè)定值ΔP來(lái)進(jìn)行發(fā)電的模式，ΔP由電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)進(jìn)行下發(fā)。

綜上，該有功控制模式環(huán)節(jié)是風(fēng)電場(chǎng)根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度指令進(jìn)行有功功率調(diào)控的起始環(huán)節(jié)，風(fēng)電場(chǎng)根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度指令和電場(chǎng)當(dāng)前出力情況，結(jié)合給定的功率控制模式，便可以計(jì)算出下一周期的設(shè)定功率值Pset，并將該值傳輸給下一個(gè)優(yōu)先級(jí)排序和功率分配算法環(huán)節(jié)。具體的風(fēng)電場(chǎng)有功設(shè)定值原理圖如圖1所示。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)有功設(shè)定值原理流程圖

3 風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)站級(jí)有功功率分配

3.1 風(fēng)電機(jī)組優(yōu)先級(jí)排序方法

本文在評(píng)價(jià)不同風(fēng)電機(jī)組的調(diào)控特性時(shí)，采用優(yōu)先順序法進(jìn)行機(jī)組調(diào)控優(yōu)先級(jí)排序。在電力系統(tǒng)機(jī)組組合問(wèn)題中，優(yōu)先順序法簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、運(yùn)算時(shí)間短而且不存在不收斂或得不到可行解的情況，能夠較快地獲得滿足目標(biāo)的最優(yōu)近似解，因此在實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)用較多。

優(yōu)先順序法的基本原理和計(jì)算指標(biāo)形成過(guò)程如下：

(4)

由此，可構(gòu)造風(fēng)電機(jī)組i的調(diào)節(jié)性能指標(biāo)為

(5)

按該指標(biāo)從大到小的順序建立風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)可限出力的控制序列表。

3.2 風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)站級(jí)降功率分配算法

根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)出力降低的程度以及是否需要切停部分機(jī)組，降功率控制分為不切機(jī)降功率控制和切機(jī)降功率控制兩種[10-11]。

3.2.1不切機(jī)降功率分配算法

由計(jì)算所得t值，形成機(jī)組降功率調(diào)控值序列{ΔP1，max、ΔP2，max…ΔPt，max、0、0……0}，進(jìn)而形成風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)各機(jī)組下一控制周期有功功率設(shè)定值序列{P1，set、P2，set、P3，set……Pn，set}。

(6)

式中Pi，set——第i臺(tái)機(jī)組下一周期的有功功率設(shè)定值；Pi0——第i臺(tái)機(jī)組當(dāng)前有功出力指令。

3.2.2切機(jī)降功率分配算法

當(dāng)時(shí)ΔP∑max<ΔP，僅靠降低風(fēng)機(jī)功率已不足以滿足風(fēng)電場(chǎng)降功率要求，需要切停部分機(jī)組，其余機(jī)組按允許最小功率運(yùn)行。在切機(jī)降功率控制中，應(yīng)盡量使切機(jī)機(jī)組數(shù)量最少。

由m值形成機(jī)組切機(jī)降功率設(shè)定值序列{P1，set、P2，set、P3，set…Pn，set}。

3.3 風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)站級(jí)升功率分配算法

當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)當(dāng)前有功出力小于調(diào)度指令時(shí)，需要增加功率。與風(fēng)電場(chǎng)降功率控制不同的是，風(fēng)電場(chǎng)升功率需要滿足一定的前提條件。由于正常運(yùn)行時(shí)，根據(jù)國(guó)家新能源發(fā)電政策，風(fēng)電場(chǎng)一般按追蹤最大風(fēng)功率方式運(yùn)行，不對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行功率控制，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大利用，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)運(yùn)行機(jī)組不存在備用容量，所以不能像常規(guī)機(jī)組一樣在任何情況下都能實(shí)現(xiàn)功率的增加。

風(fēng)電場(chǎng)升功率需要滿足如下條件[12]。

(1)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)存在下一控制周期預(yù)測(cè)處理上升的機(jī)組。

(2)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)存在停機(jī)待啟動(dòng)機(jī)組。

在進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)升功率控制時(shí)，應(yīng)盡量減少機(jī)組的控制次數(shù)和停機(jī)待啟動(dòng)機(jī)組的啟動(dòng)數(shù)量，以減少風(fēng)電機(jī)組和控制系統(tǒng)的損耗，增加運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。因此，在調(diào)控機(jī)組時(shí)，按照首先調(diào)控下一周期預(yù)測(cè)功率上升的機(jī)組，在仍不滿足功率上升值要求時(shí)再啟動(dòng)待機(jī)機(jī)組的順序進(jìn)行進(jìn)行功率控制。

對(duì)于正常運(yùn)行的機(jī)組，根據(jù)下一周期預(yù)測(cè)功率的升降情況，可以分為預(yù)測(cè)功率上升機(jī)組、預(yù)測(cè)功率不變機(jī)組和預(yù)測(cè)功率下降機(jī)組。由于需要增發(fā)功率，所以這三類機(jī)組都需要按照最大風(fēng)功率跟蹤方式運(yùn)行，不對(duì)其進(jìn)行調(diào)控。

對(duì)于待機(jī)機(jī)組是否啟動(dòng)，需要進(jìn)行計(jì)算得出確切的啟動(dòng)臺(tái)數(shù)。

記ΔΔP=ΔP+ΔP--ΔP+，表示風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)現(xiàn)有運(yùn)行機(jī)組按照追蹤最大風(fēng)功率方式運(yùn)行時(shí)下一周期的升功率缺額。

若ΔΔP<0，表示現(xiàn)有運(yùn)行機(jī)組下一周期有功出力可以滿足調(diào)度指令，待機(jī)機(jī)組不需要啟動(dòng)；

若ΔΔP>0，表示現(xiàn)有運(yùn)行機(jī)組下一周期有功出力不滿足調(diào)度指令，需要啟動(dòng)部分待機(jī)機(jī)組。

4 風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)站有功控制策略

設(shè)風(fēng)電場(chǎng)當(dāng)前出力為PCC，調(diào)度給出的下一周期期望出力為Pref，則風(fēng)電場(chǎng)需要變化的出力為ΔP=PPref-PCC。當(dāng)ΔP>0時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)需要增加有功出力；當(dāng)ΔP<0時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)需要減小有功出力。

當(dāng)電網(wǎng)調(diào)度不對(duì)風(fēng)電場(chǎng)下達(dá)調(diào)度指令時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)以正常模式，各風(fēng)電機(jī)組按照追蹤最大風(fēng)功率方式運(yùn)行。當(dāng)電網(wǎng)調(diào)度對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行功率控制時(shí)，根據(jù)調(diào)度要求，風(fēng)電場(chǎng)選擇運(yùn)行在限值模式、調(diào)整模式、斜率控制模式以及差值模式四種模式下，進(jìn)而不斷生成下一周期有功出力指令，輸出給功率分配環(huán)節(jié)對(duì)各個(gè)機(jī)組進(jìn)行控制。由此可得風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制策略的基本流程具體如下。

(1) 判斷是否有電網(wǎng)調(diào)度指令，若無(wú)，則按照最大出力原則進(jìn)行全場(chǎng)最大出力；若有，則執(zhí)行第二步；

(2) 根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度指令和電站當(dāng)前出力情況，投入相應(yīng)的有功功率控制模式；

(3) 根據(jù)控制模式的要求，計(jì)算下一控制周期風(fēng)電場(chǎng)的有功設(shè)定功率；

(4) 根據(jù)升功率還是降功率對(duì)各臺(tái)風(fēng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序；

(5) 根據(jù)優(yōu)先級(jí)序列，將設(shè)定功率按照分配策略分配給各風(fēng)機(jī)，控制各風(fēng)機(jī)輸出功率。

圖2為風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)站級(jí)有功功率控制流程圖。

圖2 風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)站級(jí)有功功率控制的流程圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文所研究的風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)站級(jí)功率分配策略，核心思想是根據(jù)場(chǎng)內(nèi)機(jī)組當(dāng)前出力狀態(tài)和下一周期出力預(yù)測(cè)值，對(duì)機(jī)組進(jìn)行調(diào)控優(yōu)先級(jí)排序，按照優(yōu)先級(jí)序列選擇合適數(shù)量的機(jī)組進(jìn)行有功控制。在根據(jù)調(diào)度指令進(jìn)行有功調(diào)整時(shí)，不必動(dòng)作風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)所有機(jī)組，減小了風(fēng)電機(jī)組控制器的動(dòng)作次數(shù)延長(zhǎng)了機(jī)組和控制器壽命，提高了運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

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