劉曉光，呂渤林

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棄風條件下考慮機群電價差異的風電場控制策略

劉曉光，呂渤林

（華電電力科學研究院有限公司，浙江省 杭州市 310030）

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

風電機組；電價差異；協(xié)調控制；收益

0 引言

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

本文設計搭建風電場風電機群最優(yōu)化協(xié) 調控制系統(tǒng)，在考慮風機運行狀態(tài)穩(wěn)定性的基 礎上，解決不同機群由于電價不同造成的風電 場經(jīng)濟收益損失問題。該系統(tǒng)以某風電場為試 點確定系統(tǒng)架構和設計思路，并進行實地部署和驗證。

1 系統(tǒng)原理

風電場一般分期建設，完全建成后大多存在多種機組，形成多個機群。由于政策的不同造成各個機群的上網(wǎng)電價存在差異。調度充分利用自動發(fā)電控制(automatic generation control，AGC)在大規(guī)模并網(wǎng)條件下進行跨區(qū)協(xié)調控制[5]，但對于傳送給風電場的AGC指令未考慮場內存在的可優(yōu)化空間。電網(wǎng)調度系統(tǒng)發(fā)送有功指令給風電場AGC系統(tǒng)后，AGC系統(tǒng)一般以裝機容量占比的方式將有功指令分攤發(fā)送給不同的機群[6](如圖1中虛線所示)。在不限電的情況下，各個機組均以最大出力完成發(fā)電計劃。在限電的情況下，各個機群雖然按指令完成了發(fā)電計劃，但電價高的機群不能充分利用優(yōu)勢，不能發(fā)揮最大經(jīng)濟效益。本文研究在棄風限電的前提下，如何實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化，所提控制策略的原理如圖1所示。在AGC系統(tǒng)和不同機群廠家能量管理系統(tǒng)(energy management system，EMS)之間搭建一套協(xié)調控制系統(tǒng)(如圖1中實線所示)，在AGC指令分配滿足調度考核要求的前提下，基于不同電價差異以及不同機群發(fā)電能力的情況，優(yōu)化分配機群出力，從而在總負荷目標一定的情況，使風電場的經(jīng)濟收益最大化。

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的計算方法將測風塔風速外推至每臺風機輪轂處，建立各臺風機機頭風速傳遞函數(shù)[7]。外推風速轉化函數(shù)為

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

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

其次，根據(jù)最大出力對機群的出力進行分配。

理論上來說，出力控制優(yōu)先考慮電價高的機群，但是考慮到風機負荷的相對均衡性，需要對機組進行最小出力限制[10]，當負荷指令過小時，可以有效避免電價低機群停機或長期低負荷運行造成的損耗過大。基于上述考慮，首先按照電價高低對機群進行排名，有如下兩種情形：

式中：D為機群的電價；Pn為機群的出力下限。

3 效益評價

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

協(xié)調優(yōu)化前的機群發(fā)電量q計算公式為

式中：為所有機群的實時功率；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

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

4.1 有功調節(jié)測試

在風電場AGC系統(tǒng)和不同機群EMS之間搭建的協(xié)調控制系統(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應將執(zhí)行情況傳送至協(xié)調控制系統(tǒng)，由協(xié)調控制系統(tǒng)及時地將執(zhí)行情況反饋給AGC。根據(jù)試驗，在風電場功率控制與優(yōu)化系統(tǒng)投運期間，風電場總有功功率未出現(xiàn)長時間超出調度指令的情況，通過增有功或減有功指令測試，指令跟蹤響應速率滿足調度要求，如圖2所示。

圖2 有功跟蹤

4.2 效益計算

協(xié)調控制系統(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組和具備發(fā)電能力的機群，并不能顯著增加發(fā)電量。經(jīng)計算，投運后10日內，在棄風限電、總有功一定的情況下，通過將有限的發(fā)電指令科學合理地進行再分配后，該系統(tǒng)共為風電場增加收益 42.44萬元，具體統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1?？梢?，與用原AGC系統(tǒng)相比，風電場收益提升了約5.72%。

表1 效益對比

5 結論

研究了在棄風條件下的一種最大化風電場收益的控制策略，在風電場存在多個機群且電價不相同的情況下，在風場AGC系統(tǒng)和不同機群EMS之間搭建了一套協(xié)調控制系統(tǒng)。該協(xié)調控制系統(tǒng)通過對計算不同機群的理論功率，基于不同機群的上網(wǎng)電價，考慮機群的最大和最小發(fā)電能力，將有功功率進行合理分配。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)濟效益增加顯著。

[1] 張晉華，劉永前，田德，等．以風電葉片延壽為目標的風電場優(yōu)化調度[J]．太陽能學報，2013，34(11)：1978-1985．

[2] 鄒見效，李丹，鄭剛，等．基于機組狀態(tài)分類的風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．風速波動情況下并網(wǎng)風電場內風電機組分組方法[J]．電力系統(tǒng)自動化，2012，36(2)：42-46．

[4] 肖運啟，賀貫舉．大型風電機組限功率運行特性分析及其優(yōu)化調度[J]．電力系統(tǒng)自動化，2014，38(20)：18-25．

[5] 張磊，羅毅，肖雅元，等．大規(guī)模風電并網(wǎng)條件下AGC機組跨區(qū)分布式最優(yōu)協(xié)調控制[J]．電工技術學報，2016，31(9)：42-49．

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

[7] 婁建樓，胥佳，單凱，等．基于機艙風速計的風電機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．基于修正風速的風電場等效功率特性模型研究[J]．華北電力大學學報，2014，41(3):49-54．

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

[10] 黃崇鑫，張凱峰，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，2010，38(21)：202-207．

(責任編輯 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計優(yōu)化、風資源評估及效率研究等。

10.12096/j.2096-4528.pgt.2018.008