劉曉光，呂渤林

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棄風(fēng)條件下考慮機(jī)群電價差異的風(fēng)電場控制策略

劉曉光，呂渤林

（華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江省 杭州市 310030）

基于風(fēng)電存在棄風(fēng)限電以及不同電價的情況，提出一種最大化風(fēng)電場收益的控制策略。在風(fēng)電場自動發(fā)電控制系統(tǒng)和不同機(jī)群能量管理系統(tǒng)之間搭建一套協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。該協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)基于不同機(jī)群的上網(wǎng)電價，考慮機(jī)群最大發(fā)電能力，將發(fā)電指標(biāo)合理分配給不同機(jī)群，在保證機(jī)組運(yùn)行可靠、安全的前提下讓電價高的機(jī)組優(yōu)先發(fā)電，讓電價低的機(jī)組滿足最小運(yùn)行負(fù)荷，從而實現(xiàn)收益最大化。通過計算不同機(jī)群的理論功率，最終得出實際提升的收益。

風(fēng)電機(jī)組；電價差異；協(xié)調(diào)控制；收益

0 引言

隨著我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，大型風(fēng)力發(fā)電場的建設(shè)越來越多。同一風(fēng)電場因分期建設(shè)，可能同時存在多個廠家、多種型號的風(fēng)電機(jī)組，設(shè)備技術(shù)參數(shù)不同，不同風(fēng)況下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出力和設(shè)備穩(wěn)定性也有所差異。同時，不同投產(chǎn)時間的風(fēng)電場電價也不同。而現(xiàn)有的風(fēng)機(jī)機(jī)群控制策略，在接收調(diào)度發(fā)電計劃指令時，并未全面考慮電價差異問題和機(jī)組疲勞問題[1-2]。雖然完成了調(diào)度發(fā)電計劃的考核指標(biāo)，但沒有實現(xiàn)新能源場站收益最大化。調(diào)度開展的功率優(yōu)化研究，大多針對潮流和考慮電網(wǎng)安全運(yùn)行所采取的調(diào)度策略，未充分考慮風(fēng)電場自身發(fā)電能力和經(jīng)濟(jì)效益問題[3-4]。因此，為了最大限度發(fā)揮電價較高、穩(wěn)定性較好的設(shè)備的優(yōu)勢，需要對風(fēng)電機(jī)群功率控制策略進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化，以提高風(fēng)電場的設(shè)備可利用率和發(fā)電小時數(shù)，提高風(fēng)機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性以及風(fēng)電場經(jīng)濟(jì)效益。

本文設(shè)計搭建風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)群最優(yōu)化協(xié) 調(diào)控制系統(tǒng)，在考慮風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定性的基 礎(chǔ)上，解決不同機(jī)群由于電價不同造成的風(fēng)電 場經(jīng)濟(jì)收益損失問題。該系統(tǒng)以某風(fēng)電場為試 點確定系統(tǒng)架構(gòu)和設(shè)計思路，并進(jìn)行實地部署和驗證。

1 系統(tǒng)原理

風(fēng)電場一般分期建設(shè)，完全建成后大多存在多種機(jī)組，形成多個機(jī)群。由于政策的不同造成各個機(jī)群的上網(wǎng)電價存在差異。調(diào)度充分利用自動發(fā)電控制(automatic generation control，AGC)在大規(guī)模并網(wǎng)條件下進(jìn)行跨區(qū)協(xié)調(diào)控制[5]，但對于傳送給風(fēng)電場的AGC指令未考慮場內(nèi)存在的可優(yōu)化空間。電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)發(fā)送有功指令給風(fēng)電場AGC系統(tǒng)后，AGC系統(tǒng)一般以裝機(jī)容量占比的方式將有功指令分?jǐn)偘l(fā)送給不同的機(jī)群[6](如圖1中虛線所示)。在不限電的情況下，各個機(jī)組均以最大出力完成發(fā)電計劃。在限電的情況下，各個機(jī)群雖然按指令完成了發(fā)電計劃，但電價高的機(jī)群不能充分利用優(yōu)勢，不能發(fā)揮最大經(jīng)濟(jì)效益。本文研究在棄風(fēng)限電的前提下，如何實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化，所提控制策略的原理如圖1所示。在AGC系統(tǒng)和不同機(jī)群廠家能量管理系統(tǒng)(energy management system，EMS)之間搭建一套協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(如圖1中實線所示)，在AGC指令分配滿足調(diào)度考核要求的前提下，基于不同電價差異以及不同機(jī)群發(fā)電能力的情況，優(yōu)化分配機(jī)群出力，從而在總負(fù)荷目標(biāo)一定的情況，使風(fēng)電場的經(jīng)濟(jì)收益最大化。

圖1 控制策略原理

2 控制策略

控制策略的計算流程是首先采用流體力學(xué)的計算方法將測風(fēng)塔風(fēng)速外推至每臺風(fēng)機(jī)輪轂處，建立各臺風(fēng)機(jī)機(jī)頭風(fēng)速傳遞函數(shù)[7]。外推風(fēng)速轉(zhuǎn)化函數(shù)為

式中：w為由測風(fēng)塔外推至風(fēng)機(jī)輪轂高度處的風(fēng)速；t為測風(fēng)塔實測風(fēng)速；1,2,…,k為影響因子(地形、粗糙度、尾流效應(yīng)、故障情況等)；為傳遞函數(shù)。

通過外推風(fēng)速和機(jī)頭歷史風(fēng)速修正風(fēng)機(jī)機(jī)頭風(fēng)速數(shù)據(jù)[8]，剔除因檢修、故障及電網(wǎng)限電因素導(dǎo)致的非正常風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)[9]，計算正常發(fā)電的每臺風(fēng)機(jī)的理論功率，通過求和計算出機(jī)群最大、最小發(fā)電能力和風(fēng)電場理論功率。

其次，根據(jù)最大出力對機(jī)群的出力進(jìn)行分配。

理論上來說，出力控制優(yōu)先考慮電價高的機(jī)群，但是考慮到風(fēng)機(jī)負(fù)荷的相對均衡性，需要對機(jī)組進(jìn)行最小出力限制[10]，當(dāng)負(fù)荷指令過小時，可以有效避免電價低機(jī)群停機(jī)或長期低負(fù)荷運(yùn)行造成的損耗過大?；谏鲜隹紤]，首先按照電價高低對機(jī)群進(jìn)行排名，有如下兩種情形：

式中：D為機(jī)群的電價；Pn為機(jī)群的出力下限。

3 效益評價

利用該系統(tǒng)計算風(fēng)電場發(fā)電功率值對時間積分以進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化前的發(fā)電量計算，通過與協(xié) 調(diào)優(yōu)化后的發(fā)電量進(jìn)行比較，獲取增加的發(fā)電收益數(shù)。

協(xié)調(diào)優(yōu)化前的機(jī)群發(fā)電量q計算公式為

式中：為所有機(jī)群的實時功率；1和2分別為效益計算的起、止時間。

增加的發(fā)電收益計算公式為

式中：Wq為優(yōu)化前的發(fā)電量；Wh為優(yōu)化后的發(fā)電量，即實際發(fā)電量。

4 現(xiàn)場實施

實際試驗風(fēng)場由3期項目組成，總裝機(jī) 250MW。其中，1期有67臺1.5MW機(jī)組，電價為0.5元/(kW×h)；2期有67臺1.5MW機(jī)組，電價為0.54元/(kW×h)，3期有33臺1.5MW機(jī)組，電價為0.54元/(kW×h)。通過風(fēng)電場功率優(yōu)化控制系統(tǒng)建模后，進(jìn)行現(xiàn)場實施并調(diào)試。

4.1 有功調(diào)節(jié)測試

在風(fēng)電場AGC系統(tǒng)和不同機(jī)群EMS之間搭建的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，首先要確保能夠及時收取AGC的指令，并迅速下發(fā)給各EMS平臺，同時EMS應(yīng)將執(zhí)行情況傳送至協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，由協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)及時地將執(zhí)行情況反饋給AGC。根據(jù)試驗，在風(fēng)電場功率控制與優(yōu)化系統(tǒng)投運(yùn)期間，風(fēng)電場總有功功率未出現(xiàn)長時間超出調(diào)度指令的情況，通過增有功或減有功指令測試，指令跟蹤響應(yīng)速率滿足調(diào)度要求，如圖2所示。

圖2 有功跟蹤

4.2 效益計算

協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的主要作用為重新分配AGC指令，將AGC指令合理地分配給電價高的機(jī)組和具備發(fā)電能力的機(jī)群，并不能顯著增加發(fā)電量。經(jīng)計算，投運(yùn)后10日內(nèi)，在棄風(fēng)限電、總有功一定的情況下，通過將有限的發(fā)電指令科學(xué)合理地進(jìn)行再分配后，該系統(tǒng)共為風(fēng)電場增加收益 42.44萬元，具體統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1?？梢姡c用原AGC系統(tǒng)相比，風(fēng)電場收益提升了約5.72%。

表1 效益對比

5 結(jié)論

研究了在棄風(fēng)條件下的一種最大化風(fēng)電場收益的控制策略，在風(fēng)電場存在多個機(jī)群且電價不相同的情況下，在風(fēng)場AGC系統(tǒng)和不同機(jī)群EMS之間搭建了一套協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。該協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)通過對計算不同機(jī)群的理論功率，基于不同機(jī)群的上網(wǎng)電價，考慮機(jī)群的最大和最小發(fā)電能力，將有功功率進(jìn)行合理分配。通過現(xiàn)場實施和驗證可知，采用該控制策略后，有功跟蹤性能滿足要求，經(jīng)濟(jì)效益增加顯著。

[1] 張晉華，劉永前，田德，等．以風(fēng)電葉片延壽為目標(biāo)的風(fēng)電場優(yōu)化調(diào)度[J]．太陽能學(xué)報，2013，34(11)：1978-1985．

[2] 鄒見效，李丹，鄭剛，等．基于機(jī)組狀態(tài)分類的風(fēng)電場有功功率控制策略[J]．電力系統(tǒng)自動化，2011，35(24)：28-32．

[3] 曹娜，于群．風(fēng)速波動情況下并網(wǎng)風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)電機(jī)組分組方法[J]．電力系統(tǒng)自動化，2012，36(2)：42-46．

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[5] 張磊，羅毅，肖雅元，等．大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)條件下AGC機(jī)組跨區(qū)分布式最優(yōu)協(xié)調(diào)控制[J]．電工技術(shù)學(xué)報，2016，31(9)：42-49．

[6] 劉偉，黃越輝，劉純，等．風(fēng)電場功率分配算法[J]．中國電力，2011，44(8)：53-56．

[7] 婁建樓，胥佳，單凱，等．基于機(jī)艙風(fēng)速計的風(fēng)電機(jī)組功率特性評估方法[J]．電力系統(tǒng)自動化，2016，40(9)：23-28．

[8] 劉永前，高小力，韓爽，等．基于修正風(fēng)速的風(fēng)電場等效功率特性模型研究[J]．華北電力大學(xué)學(xué)報，2014，41(3):49-54．

[9] 蘭維，張中泉，雷陽，等．風(fēng)電機(jī)組出力性能分析方法研究[J]．發(fā)電與空調(diào)，2017，38(3)：26-46．

[10] 黃崇鑫，張凱峰，戴先中，等．考慮DFIG機(jī)組容量限制的風(fēng)電場功率分配方法[J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(21)：202-207．

(責(zé)任編輯 楊陽)

Wind Power Control Strategy Under Wind Abandon Condition Considering Difference of Electricity Price

LIU Xiaoguang, Lü Bolin

(China Huadian Electric Power Research Institute Co., LTD, Hangzhou 310030, Zhejiang Province, China)

A control strategy for maximizing wind farm revenue under wind abandon conditions was proposed based on abandoned wind and different electricity price. A set of coordinated control system was set up between wind farm automatic generation control (AGC) system and energy management platform (EMS) of different wind turbine group. The coordination control system is based on different electricity price considering the maximum generating capacity of the wind turbine and distributes rationally active power. The wind turbine with high electricity price will be given priority for generating electricity on the premise of ensuring the reliability and safety and maximizes revenue.Improved benefit is finally obtained through the calculation of the theoretical power of different clusters,.

wind turbine; difference of electricity price; coordinated control; revenue

2017-11-10。

劉曉光(1982)，男，碩士，高級工程師，研究方向為新能源發(fā)電系統(tǒng)效率優(yōu)化及運(yùn)行管理等，laudroup@163.com；呂渤林(1985)，男，本科，研究方向為新能源場站設(shè)計優(yōu)化、風(fēng)資源評估及效率研究等。

10.12096/j.2096-4528.pgt.2018.008