風電場能量管理平臺自適應分配策略設計研究

(1.國電聯合動力技術有限公司研發中心，北京 100039;2.河北龍源風力發電有限公司監視和數據中心，承德 067000;3.中廣核新能源投資(深圳)有限公司貴州分公司生產部，貴陽 550000;4.中廣核陽江海上風力發電有限公司生產部，陽江 529500)

0 引 言

我國風能資源儲量豐富，在碳中和的目標下，我國承諾2030年風電、太陽能發電總裝機容量將達到12億千瓦以上，能源結構的變化背景下，穩定可靠的能源保障供應系統成為重點。風電場能量管理系統，又稱風電場能量管理平臺或有功控制平臺，是指當電網調度給風電場給出發電負荷調度指令時，要求風電場能量管理平臺按照電網調度指令在規定的時間內，能夠通過相關的分配控制策略將全場實發上網電量調高或調低，以此來保持電力系統穩定。

目前的風電場級能量控制系統的技術方向，主要是考慮如何通過相關的調整策略將場級能量進行調整。申請號為201710334773.7(用于風電場能量管理的方法和設備)的專利，公布了一種通過大量采集風電場氣象數據和運行數據作為參考量、統計每臺風力發電機組故障概率、建立每臺風力發電機組的數據特征庫的技術手段來區別選擇最適合當前環境和能力需求的風力發電機組，進行風力發電機組的組合控制，來實現管理風電場能量的目標。此技術需要需要收集大量數據，并且建立特征庫，不方便實施和運用。本文則從場級運行情況出發，設計了能夠快速執行到單機的智能分配策略。

1 能量管理平臺概述

風電場能量管理平臺是一套對風電場能量進行綜合管理與配置調度的智能系統，它能對風電場的有功功率進行管理，執行網調給出的有功負荷命令，達到自動控制風電場上網電量的目的；能量管理平臺亦可通過手動控制風電場無功或有功功率，使得風電場有功或無功運行在運維人員設定的范圍之內。能量管理平臺以允許最大發電量為控制目標，通過分配計算，調度控制風電場上網負荷，使得風電場上網負荷在額定容量內得到自動控制。

典型能量管理平臺的架構如圖1所示，包括設備層、接口層、策略層和顯示層共4個層級，設備層主要指風電場單機節點的控制器、風電場級AGC、關口表物理設備；設備層的數據通過通訊傳輸到接口層，接口層主要包括數據采集器、服務器等設備；策略主要功能是對能量控制平臺的分配策略進行部署和調度，顯示層主要功能是前端人機接口互動。四個層級的劃分依次從后端到前端，從物理到應用，本文主要是對策略層的分配策略進行設計研究，同時結合實際風電場生產業務，給出具有執行性的方案。

圖1 風電場能量管理平臺的架構圖

2 能量管理平臺分配策略的設計

能量平臺的控制策略主要功能是分解網調能量指令，將需要上調或下調的能量變化值科學的分配到風電場中運行機位上，并檢測其執行效果，動態調整糾偏。在早期的風電場級能量平臺分配策略中，有些廠商直接對場級調整目標值取平均，均勻的分配到每臺機位上，然而由于每臺機組的實際運行風況和健康狀況不一樣，這樣的分配并不能起到理想的效果，本文的能量分配策略設計設計將彌補這一不足，主要從分配策略和分配算法兩方面進行設計研究。

2.1 能量管理策略設計

能量管理平臺的分配策略主要包含如何將網調給場級的能量命令與當前風電場實發能量進行判斷調整，同時處理場級能量與單機之間的調整關系。整個能量管理策略整體設計流程如圖2所示。文中所用到的相關術語符號說明如下：

Pset指網調下發給風電場場級的能量目標值；

P1、P2、Pn指風電場內每個單臺風電機組的當前實發功率；

Psetn指通過能量控制策略計算之后下發給單臺的功率目標；

Δ指通過調整計算后全場需要調整的總能量；

Δn指通過分配模塊需要調整的總能量分配到單臺風機的能量調整值；

Σ指對全場所有單臺機組能量求和；

β1、β2、……βn分別表示第1臺、第2臺、……第n臺機組的當前實際槳距角。

能量管理策略包含當前能量目標值接受、差值計算、實發能量統計、全場求和、場機端分配等五個模塊，

當網調給出目標功率Pset的同時，本系統實時接收通過對所有單臺風機P1、P2……Pn功率求和得到的場級實發功率，同時采集風電場關口表測量的出口能量負荷。通過對全場能量計算同時對比關口表的統計的功率，得到當前風電場實際有功功率；同時將Pset作為調整的目標值，通過差值計算得出該調整周期內需要調整的場級能量變動值Δ。

得到該周期調整值Δ之后，接下來將進行單機調整。通過能量分配模塊將Δ值對應的分配到當前全場可調整的每臺機組，其每臺機組調整能量為Δn，系統將對每臺單機當前的實發功率Pn和調整值Δn對比，得到當前該單臺機組的功率目標設定值并進行單機設備層調整。

在第N+1周期內仍然重復執行上述第N周期內的控制過程。由于風況的實時變化以及被控制單機的執行偏差，在第N+1周期內仍然將當前Pset作為控制目標值，將全場實發能量ΣPn作為上一控制周期執行反饋，通過差值計算模塊計算偏差，得出本周期內的調整值Δ，通過分配模塊得到相應的單臺機組的能量調整值Δn、將單臺實發功率Pn和Δn做比較得出本周期單臺機組能量設定值并再次進行單機設備層調整。

本策略每個周期都通過差值計算模塊糾正偏差給出新的調整值Δ，然后分配至單臺予以能量調整，消除風況變化產生的誤差，以達到對風電場級能量實時精準的能量調整。

圖2 場級能量管理策略流程圖

2.2 分配算法設計

分配模塊的作用是將能量管理策略中場級調整值Δ科學的分配到風電場中運行的單臺機組上，因此需要一套科學的分配算法來計算分配整場能量。本文結合實際風電場實際應用場景，考慮到單臺機組實發功率能量源自葉輪掃風面積的理論依據，以單臺幾組的當前槳距角為參考，研究設計出場級可利用加權分配算法，本算法能夠在每個調整周期根據單臺機組的當前運行情況自適應地進行能量分配權重計算調整，克服了平均分配的弊端。

圖3 分配算法的分支選擇

如圖3所示，是可利用加權分配算法的分支選擇流程圖，本算法首先對全場目前的機組是否并網情況進行判斷，篩選出目前無故障并網運行的機群作為可利用機組；在收到場級能量調節值Δ的時候，對其值進行判斷，兩種情況的分配算法說明如下：

(1)當Δ>=0時，對應需要在當前實發有功點上進行上調有功，此時的每臺機組分配的有功值由表達式(1)給出：

(1)

(2)當Δ<0時，對應需要在當前實發有功點上進行下調有功，此時的每臺機組分配的有功值由表達式(2)給出：

(2)

式中，β1、β2、……βn分別表示第1臺、第2臺、……第n臺機組的當前實際槳距角。

3 本策略的設計要點

與以往能量管理系統相比較，本文所設計的能量平臺分配策略有三點先進性。

首先，本文對于能量管理的調整為閉環反饋實時調整系統，即在每個調整周期都進行反饋-糾偏-分配-執行，這四個環節構成里閉環實時能量調節系統，能夠實時快速響應網調要求。

其次，本設計方案對于全場風電機組進行了狀態篩選分群，篩選出當前健康運行的風機作為執行能量調整的對象，避免了因機組維護或故障停機等原因停機造成的分配誤差。

再次，本設計方案對于分配算法的設計考慮了風機運行時槳距角決定掃風面積，從而決定風機功率余量的理論基礎，以可利用機組的槳距角作為其能量調節權重數，高效易用，且在整個調節過程中分配算法能夠根據當前槳距角值自適應地調節單臺機組的有功分配權重值，并可以多周期自適應糾偏調整；對于有功調整為負的情況，本設計方案考慮用槳距角的余角作為下調功率的分配權重值，解決了下調功率時槳距角收槳的余量權重問題。

4 結束語

本文開始先引入了風電場能量管理平臺的概述，介紹了能量管理平臺的應用場景及作用，在此基礎上以風電場能量管理的分配策略和分配算法為主要研究點，秉持以工程應用為主，結合風電場及單機的運行特征，運用風電場可利用機組分群對于風電場能量管理平臺的有功分配策略進行了設計研究，給出了閉環實時能量分配策略方案，運用風電場單機槳距角余量權重方法設計了能量分配算法，相比以前的平均分配法有很大科學性和自適應調節性等優點。