王增平，張樂豐

(華北電力大學電氣與電子工程學院，北京　102206)

Power Dispatch Schemes of Wind Turbines Considering Input Wind Speed Data MissingWANG Zengping, ZHANG Lefeng

(School of Electrical & Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206,China)

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考慮輸入風速缺失時風電場風機功率調(diào)度方案

王增平，張樂豐

(華北電力大學電氣與電子工程學院，北京102206)

Power Dispatch Schemes of Wind Turbines Considering Input Wind Speed Data MissingWANG Zengping, ZHANG Lefeng

(School of Electrical & Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206,China)

0引言

隨著我國風電裝機容量的進一步增大，越來越多巨型風電基地的出現(xiàn)，勢必會對接入的電網(wǎng)造成越來越大的影響。由DFIG組成的風電場具有一定的無功調(diào)節(jié)能力，它可以作為無功電源發(fā)出無功支撐并網(wǎng)點電壓以及附近的無功負荷。因此，研究DFIG風電場的無功調(diào)節(jié)能力是一個十分重要的課題。

目前我國風電場棄風現(xiàn)象非常普遍，由于風電輸出通道的建設速度趕不上風電裝機容量的增長速度，越來越多的風電“發(fā)不出來”，導致棄風造成的電量損失和直接經(jīng)濟損失巨大。正常情況下，DFIG根據(jù)當前輸入風速按照最大風能追蹤原理發(fā)電。棄風發(fā)生時，調(diào)度部門的有功出力指令小于該風電場各臺風機輸入風速下可以發(fā)出的有功出力，在這種情況下，風電場需要讓某些臺DFIG減小出力，發(fā)出指定的有功功率，存在風機有功功率調(diào)度問題；另一方面，為了維持風電場并網(wǎng)點電壓的穩(wěn)定，風電場需要發(fā)出一定的無功功率，存在風機無功功率調(diào)度問題。因此，風電場需要確定風機有功功率、無功功率的協(xié)調(diào)調(diào)度方案來滿足電網(wǎng)對有功功率和無功功率的需求。

國內(nèi)外很多專家學者已經(jīng)對風電場的無功調(diào)度問題進行了研究。文獻[1]按等功率因數(shù)算法并按照風機的有功輸出比例分配無功。文獻[2]提出等裕度無功分配策略。文獻[3-5]分別研究了SVC、STATCOM、電容器組投切與雙饋機組間的協(xié)調(diào)控制。文獻[6-8]均提出以網(wǎng)損等為目標函數(shù)的多目標無功優(yōu)化。文獻[9-11]均提到考慮按照DFIG無功極限占整個風電場無功極限的比例分配無功的方案。這些文獻多是涉及風電場風機的無功功率調(diào)度問題，本文考慮有功功率和無功功率的協(xié)調(diào)調(diào)度問題。

風電場內(nèi)風機的有功輸出與其輸入風速直接相關，為了找到當前風速下最優(yōu)的風機功率調(diào)度分配方案，需要知道風電場內(nèi)所有風機的輸入風速數(shù)據(jù)。由于各種原因引起的風速記錄儀故障或損壞時有發(fā)生，這導致一些風機在一些時段沒有風速數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)異常。這時，本文采用線性回歸模型來計算這些風機的輸入風速。得到風電場內(nèi)所有風機的輸入風速數(shù)據(jù)后，本文在滿足電網(wǎng)對有功和無功的需求前提下，提出以風電場內(nèi)所有DFIG的功率損耗最小為目標函數(shù)的風機有功、無功協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度模型。在算例分析中，應用PSCAD搭建風電場模型，與按DFIG無功極限分配無功的方案進行對比，仿真結果驗證了該方法的有效性和優(yōu)越性。

1風電場內(nèi)風機間線性回歸模型

受尾流效應[12-14]、地形等因素影響，同一個風電場內(nèi)各臺風機的輸入風速通常不同。對于一個固定的風電場，其地形條件、場內(nèi)拓撲結構、風機所在位置均已固定，并且這些影響都應該反映在各臺風機的風速中。因此我們可以根據(jù)風電場內(nèi)各臺風機輸入風速數(shù)據(jù)進行外部特性建模，確定各臺風機風速之間的關系，用以解決一些風機數(shù)據(jù)異?；蛉笔栴}。

事實上基于外部數(shù)據(jù)建模的方法很多?？梢钥紤]用主成分分析方法建立一臺風機風速與其它若干臺風機風速之間的關系，并可以根據(jù)要求的精度確定模型的階數(shù)(或主成分數(shù))，我們將在另一篇文章中單獨討論這一問題。本文結合內(nèi)蒙古某風電場數(shù)據(jù)采用線性回歸的方法建立不同風機風速之間的關系。

設有n對數(shù)據(jù)樣本(xi,yi),i=1,2,…,n。倘若散點圖顯示它們有密集與某直線的趨向，或者通過計算發(fā)現(xiàn)它們相關系數(shù)的絕對值比較大，我們可以在x與y之間建立線性回歸關系。本風電場的風機風速數(shù)據(jù)具有這一特點(見圖1)，這也是我們選擇線性回歸模型的主要原因。

圖1是內(nèi)蒙古某風電場2013年7月15日1號風機和5號風機采樣間隔為10min的風速數(shù)據(jù)散點圖。

圖1　兩臺風機輸入風速序列散點圖

因此，本文選擇線性回歸模型來擬合風機間輸入風速間的關系。設同一天內(nèi)兩臺風機的輸入風速序列為(xi,yi),i=1,2,…,n,n為采樣點數(shù)，設

(1)

回歸系數(shù)β0,β1的最小二乘估計為

(2)

本文采用均方根誤差來檢驗模型的擬合效果，均方根誤差越小，擬合效果越好。

(3)

通過該方法可以找到風電場內(nèi)任意兩臺風機輸入風速之間的關系。對于固定的一臺風機A的輸入風速，它與風電場內(nèi)其他風機輸入風速的線性關系體現(xiàn)在δ上，δ越小說明它們的線性關系越密切。因此，檢驗結果中δ最小的風機B的輸入風速用來建立回歸模型，模型誤差最小，而當B的輸入風速也缺失時，可按δ從小到大次序確定用哪臺風機的輸入風速來計算A的輸入風速。

如果出現(xiàn)某些臺風機輸入風速的異?；蛉笔?，可以根據(jù)上述原則計算出這些風機的輸入風速。

對于風機缺失風速數(shù)據(jù)的計算，本文并沒有采用基于該風機歷史數(shù)據(jù)建模從而預測缺失時段風速數(shù)據(jù)的方法，如卡爾曼濾波法[15]、時間序列法[16]等。這類方法的預測精度通常隨著預測時間的增加而下降，若風機風速儀損壞，風機很可能在很長的時間段內(nèi)無法記錄輸入風速，導致相應方法誤差較大。本文通過建立某臺風機和風電場內(nèi)其他風機風速之間的關系，以一段時間內(nèi)其他風機的輸入風速來計算(預測)該風機缺失的輸入風速。該方法計算簡便，受限制因素少，可以應用于各種地形、氣象條件的風電場，有效地彌補依賴本風機歷史數(shù)據(jù)預測風速方法的不足，解決實際風電場運行過程中風機輸入風速數(shù)據(jù)缺失或異常的問題。

2風力機的數(shù)學模型

風力機通常通過調(diào)整其風能利用率Cp來控制其吸收的機械功率。當Cp保持最大風能利用率Cpmax時，風力機最大限度吸收風能。

風速在切入風速和切出風速之間，風電場內(nèi)第i臺風力發(fā)電機發(fā)出的最大有功功率為

(4)

式中：V切入、V額定、V切出分別為切入風速、額定風速和切出風速；PN為風機的額定功率；Pimax為第i臺風力發(fā)電機發(fā)出的最大有功功率；R為葉片半徑；ρ空氣為風電場所在地空氣密度；Vi為第i臺風力機的輸入風速。

當?shù)趇臺機組發(fā)生棄風時，風力發(fā)電機i發(fā)出的有功功率比Pimax小。

考慮到中國“三北”地區(qū)風電場冬天氣溫較低，為了防止設備被凍壞，經(jīng)常要求風力機保持運行狀態(tài)，也就是說，只要輸入風速大于切入風速，風場內(nèi)每臺風力發(fā)電機發(fā)出的有功功率要大于0。因此，風力發(fā)電機i發(fā)出的有功出力范圍應為(0,Pimax]。

3DFIG輸出功率數(shù)學模型

DFIG定子側與電網(wǎng)直接相連，DFIG簡化結構圖如圖2。本文采用定子電壓定向控制(SVOC)。

圖2　DFIG簡化結構圖

在此控制策略下，DFIG發(fā)出的有功和無功功率為[17]

(5)

式中：Us為電網(wǎng)電壓；Lm為勵磁電感；Ls為定子自感；s為轉差率；idr和iqr分別為轉子電流d軸和q軸分量；ws為dq坐標軸同步角速度。

本文忽略網(wǎng)側變流器的無功調(diào)節(jié)能力，僅考慮定子側的無功調(diào)節(jié)能力，即認為DFIG發(fā)出的無功功率Qg等于定子側發(fā)出的無功功率Qs。

由式(5)可以看出，我們可以通過調(diào)節(jié)dq軸轉子電流分量獨立的調(diào)節(jié)DFIG發(fā)出的有功功率Pg和無功功率Qg。

4DFIG風電場功率調(diào)度模型

4.1目標函數(shù)

忽略DFIG的鐵耗，只考慮DFIG的銅耗，DFIG的損耗為

(6)

式中：Pcu為DFIG的銅耗；Pcus和Pcur分別為DFIG的定子銅耗和轉子銅耗；is和ir分別為定子電流和轉子電流;Ps和Qs分別為定子有功功率和定子無功功率。

假設風電場內(nèi)有N臺DFIG，為了使所有DFIG損耗最小，目標函數(shù)為

(7)

式中：Pcui為第i臺DFIG的銅耗;Pgi為第i臺DFIG發(fā)出的有功功率;Qgi為第i臺DFIG發(fā)出的無功功率。

4.2等式約束條件

(8)

式中：Pt為電網(wǎng)調(diào)度下達的有功出力指令；QN是電網(wǎng)無功需求值，本文以感性無功功率為正。

4.3不等式約束條件

由風力機模型和DFIG定子無功功功率極限[9]可得，

(9)

式中：Qsmaxi、Qsmini為第i臺DFIG定子側無功功率上、下限;UB為并網(wǎng)點電壓;UBmin、UBmax為并網(wǎng)點電壓允許偏差上、下限，本文不考慮網(wǎng)側變流器無功調(diào)節(jié)能力。

(10)

(11)

式中：Xs為定子電抗；Xm為勵磁電抗；Psi為第i臺DFIG定子側發(fā)出的有功功率。

本文通過Matlab里“fmincon”函數(shù)來求解非線性約束條件下的最小值問題，收斂效果良好。

5算例分析

風電場由10臺容量為1.5MW的DFIG組成，每臺機組配一臺0.69kV/20kV箱式變壓器。風電場示意圖如圖3。DFIG參數(shù)如表1所示，在某一時刻場內(nèi)每臺風力機的輸入風速見表2。調(diào)度部門下達的有功出力指令為4.5MW，電網(wǎng)的無功需求為4.5Mvar。

圖3　風電場示意圖

該算例中，Pt=4.5MW，QN=4.5Mvar，N=10。由表2可以看出，2號風機和8號風機的輸入風速缺失，通過回歸模型得到當前斷面下它們的輸入風速分別為11.2m/s和7.5m/s。根據(jù)這10臺風力機的輸入風速，風電場最大可以發(fā)出6.586MW的有功功率，大于Pt，從而發(fā)生棄風情況。通過求解風電場功率調(diào)度模型，得到各臺DFIG的有功和無功出力分配結果見表3。

表1　DFIG的參數(shù)

表2　各臺風力機輸入風速　m/s

表3　各臺風機有功無功出力分配結果

在PSCAD平臺上搭建該風電場模型，將有功功率和無功功率分配結果分配給各臺風機，風電場并網(wǎng)點處測得的有功功率和無功功率分別如圖4～圖5。

圖4　風電場發(fā)出的有功功率

圖5　風電場發(fā)出的無功功率

由圖4～圖5可以看出，此時風電場發(fā)出的有功功率和無功功率均滿足電網(wǎng)需求。

6結論

本文所提功率分配方案可以在有風機輸入風速數(shù)據(jù)異?；蛉笔У那闆r下，滿足電網(wǎng)對風電場有功功率和無功功率的需求且使風電場內(nèi)所有DFIG損耗最小。

實際大型風電場往往由上百臺甚至更多風機組成，本文所提功率方案可以更大程度上減少風電場內(nèi)風機的損耗，使風電場運行更加經(jīng)濟。

參考文獻

[1]王松巖, 朱凌志, 陳寧, 等. 基于分層原則的風電場無功控制策略[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2009 (13): 83-88.

[2]栗然, 唐凡, 劉英培, 等. 雙饋電機風電場等裕度無功分配策略[J]. 中國電力, 2011, 44(8): 57-61.

[3]栗然, 唐凡, 劉英培, 等. 雙饋風電場新型無功補償與電壓控制方案[J]. 中國電機工程學報, 2012, 32(19): 16-23+180.

[4]王成福, 梁軍, 張利, 等. 基于靜止同步補償器的風電場無功電壓控制策略[J]. 中國電機工程學報, 2010, 30(25): 23-28.

[5]楊樺, 梁海峰, 李庚銀. 含雙饋感應電機的風電場電壓協(xié)調(diào)控制策略[J]. 電網(wǎng)技術, 2011, 35(2): 121-126.

[6]趙斌，王明渝, 李輝, 等. 基于非線性內(nèi)點法的雙饋風電場功率優(yōu)化分配控制策略[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制,2012, 40(13):24-30.

[7]魏希文, 邱曉燕, 李興源, 等. 含風電場的電網(wǎng)多目標無功優(yōu)化[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2010 (17): 107-111.

[8]趙亮, 呂劍虹. 基于改進遺傳算法的風電場多目標無功優(yōu)化[J]. 電力自動化設備, 2010, 30(10): 84-88.

[9]郎永強,張學廣,徐殿國,等. 雙饋電機風電場無功功率分析及控制策略[J]. 中國電機工程學報,2007,27(9):77-82.

[10]Tapia A,Tapia G, and Ostolaza J X. Reactive power control of wind farms for voltage control application[J]. Renewable Energy, 2004(29):377-392.

[11]黃崇鑫, 張凱鋒, 戴先中, 等. 考慮 DFIG 機組容量限制的風電場功率分配方法[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2010(21): 202-207.

[12]黃梅, 萬航羽. 在動態(tài)仿真中風電場模型的簡化[J]. 電工技術學報, 2009, 24(9): 147-152.

[13]米增強, 蘇勛文, 楊奇遜, 等. 風電場動態(tài)等值模型的多機表征方法[J]. 電工技術學報, 2010(5): 162-169.

[14]蘇勛文, 徐殿國, 卜樹坡. 風速波動下風電場變參數(shù)等值建模方法[J]. 電工技術學報, 2013(3): 277-284.

[15]Bossanyi E A．Short-term wind prediction using Kalman filters[J]．Wind Engineering，1985，9(1)：1-8．

[16]Kamal L，Jafri Y Z．Time series models to simulate and forecast hourly averaged wind speed in Wuetta, Pakistan[J]．Solar Energy，1997，61(1)：23-32．

[17]吳斌，郎永強，Navid Zargari，等. 風力發(fā)電系統(tǒng)的功率變換與控制[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2012.

王增平(1964—)，男，博士，教授，博士生導師，主要從事微機保護、變電站綜合自動化等方面的研究，E-mail: wangzp1103@sina.com；

張樂豐(1986—)，男，博士研究生，主要研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化、風電場無功控制，E-mail: 443692711@qq.com。

(責任編輯：林海文)

摘要：使用風機輸入風速數(shù)據(jù)對風電場功率調(diào)度方案進行優(yōu)化，當某些臺風機出現(xiàn)輸入風速數(shù)據(jù)異?；蛉笔r，利用線性回歸模型建立各臺風機風速之間的關系，從而計算出缺失的風速數(shù)據(jù)。在得到所有風機輸入風速數(shù)據(jù)的基礎上，針對由雙饋感應異步發(fā)電機(DFIG)組成的風電場，考慮發(fā)生棄風時根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度向風電場下達的有功出力指令以及電網(wǎng)需求的無功指令，以該風電場所有DFIG損耗最小為目標函數(shù)建立了有功、無功統(tǒng)一調(diào)度模型。在算例分析中與按各臺DFIG的無功極限占風電場無功極限比例的無功分配方案進行了對比，在PSCAD上搭建了風電場模型，驗證了該調(diào)度方案的有效性和優(yōu)越性。

關鍵詞：棄風；雙饋感應異步發(fā)電機；輸入風速；有功分配；無功分配

Abstract：When wind speed data of wind turbines is used for optimizing power dispatch scheme, if some speed data of some wind turbines is abnormal or missing, the lost wind speed data can be calculated according to the relationship between wind speed of turbines built by linear regression model. For doubly-fed induction generator (DFIG) based wind farm, when wind power curtailment happens, according to the active power order from power dispatching center and the reactive power demand of power grid, a kind of power dispatch model of active and reactive power is built with minimum copper loss of all DFIGs in wind farm as objective function, which is compared with the reactive power allocation scheme based on the proportion of the reactive power limit of each DFIG to that of wind farm in case analysis. In the end, wind farm model is built on PSCAD platform, the effectiveness and advantage of proposed method are verified.

Keywords：wind power curtailment; DFIG; input wind speed; active power allocation; reactive power allocation

作者簡介：

收稿日期：2014-10-09

基金項目：國家重點基礎研究發(fā)展計劃項目(973計劃)(2012CB215200)；中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助(2014XS08)

文章編號：1007-2322(2015)03-0001-05

文獻標志碼：A

中圖分類號：TM614