(1.國(guó)電聯(lián)合動(dòng)力技術(shù)有限公司研發(fā)中心，北京 100039;2.河北龍?jiān)达L(fēng)力發(fā)電有限公司監(jiān)視和數(shù)據(jù)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(chǎn)部，貴陽(yáng) 550000;4.中廣核陽(yáng)江海上風(fēng)力發(fā)電有限公司生產(chǎn)部，陽(yáng)江 529500)

0 引 言

我國(guó)風(fēng)能資源儲(chǔ)量豐富，在碳中和的目標(biāo)下，我國(guó)承諾2030年風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12億千瓦以上，能源結(jié)構(gòu)的變化背景下，穩(wěn)定可靠的能源保障供應(yīng)系統(tǒng)成為重點(diǎn)。風(fēng)電場(chǎng)能量管理系統(tǒng)，又稱(chēng)風(fēng)電場(chǎng)能量管理平臺(tái)或有功控制平臺(tái)，是指當(dāng)電網(wǎng)調(diào)度給風(fēng)電場(chǎng)給出發(fā)電負(fù)荷調(diào)度指令時(shí)，要求風(fēng)電場(chǎng)能量管理平臺(tái)按照電網(wǎng)調(diào)度指令在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，能夠通過(guò)相關(guān)的分配控制策略將全場(chǎng)實(shí)發(fā)上網(wǎng)電量調(diào)高或調(diào)低，以此來(lái)保持電力系統(tǒng)穩(wěn)定。

目前的風(fēng)電場(chǎng)級(jí)能量控制系統(tǒng)的技術(shù)方向，主要是考慮如何通過(guò)相關(guān)的調(diào)整策略將場(chǎng)級(jí)能量進(jìn)行調(diào)整。申請(qǐng)?zhí)枮?01710334773.7(用于風(fēng)電場(chǎng)能量管理的方法和設(shè)備)的專(zhuān)利，公布了一種通過(guò)大量采集風(fēng)電場(chǎng)氣象數(shù)據(jù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)作為參考量、統(tǒng)計(jì)每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障概率、建立每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的數(shù)據(jù)特征庫(kù)的技術(shù)手段來(lái)區(qū)別選擇最適合當(dāng)前環(huán)境和能力需求的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的組合控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)管理風(fēng)電場(chǎng)能量的目標(biāo)。此技術(shù)需要需要收集大量數(shù)據(jù)，并且建立特征庫(kù)，不方便實(shí)施和運(yùn)用。本文則從場(chǎng)級(jí)運(yùn)行情況出發(fā)，設(shè)計(jì)了能夠快速執(zhí)行到單機(jī)的智能分配策略。

1 能量管理平臺(tái)概述

風(fēng)電場(chǎng)能量管理平臺(tái)是一套對(duì)風(fēng)電場(chǎng)能量進(jìn)行綜合管理與配置調(diào)度的智能系統(tǒng)，它能對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的有功功率進(jìn)行管理，執(zhí)行網(wǎng)調(diào)給出的有功負(fù)荷命令，達(dá)到自動(dòng)控制風(fēng)電場(chǎng)上網(wǎng)電量的目的；能量管理平臺(tái)亦可通過(guò)手動(dòng)控制風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功或有功功率，使得風(fēng)電場(chǎng)有功或無(wú)功運(yùn)行在運(yùn)維人員設(shè)定的范圍之內(nèi)。能量管理平臺(tái)以允許最大發(fā)電量為控制目標(biāo)，通過(guò)分配計(jì)算，調(diào)度控制風(fēng)電場(chǎng)上網(wǎng)負(fù)荷，使得風(fēng)電場(chǎng)上網(wǎng)負(fù)荷在額定容量?jī)?nèi)得到自動(dòng)控制。

典型能量管理平臺(tái)的架構(gòu)如圖1所示，包括設(shè)備層、接口層、策略層和顯示層共4個(gè)層級(jí)，設(shè)備層主要指風(fēng)電場(chǎng)單機(jī)節(jié)點(diǎn)的控制器、風(fēng)電場(chǎng)級(jí)AGC、關(guān)口表物理設(shè)備；設(shè)備層的數(shù)據(jù)通過(guò)通訊傳輸?shù)浇涌趯?，接口層主要包括?shù)據(jù)采集器、服務(wù)器等設(shè)備；策略主要功能是對(duì)能量控制平臺(tái)的分配策略進(jìn)行部署和調(diào)度，顯示層主要功能是前端人機(jī)接口互動(dòng)。四個(gè)層級(jí)的劃分依次從后端到前端，從物理到應(yīng)用，本文主要是對(duì)策略層的分配策略進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，同時(shí)結(jié)合實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)生產(chǎn)業(yè)務(wù)，給出具有執(zhí)行性的方案。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)能量管理平臺(tái)的架構(gòu)圖

2 能量管理平臺(tái)分配策略的設(shè)計(jì)

能量平臺(tái)的控制策略主要功能是分解網(wǎng)調(diào)能量指令，將需要上調(diào)或下調(diào)的能量變化值科學(xué)的分配到風(fēng)電場(chǎng)中運(yùn)行機(jī)位上，并檢測(cè)其執(zhí)行效果，動(dòng)態(tài)調(diào)整糾偏。在早期的風(fēng)電場(chǎng)級(jí)能量平臺(tái)分配策略中，有些廠(chǎng)商直接對(duì)場(chǎng)級(jí)調(diào)整目標(biāo)值取平均，均勻的分配到每臺(tái)機(jī)位上，然而由于每臺(tái)機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行風(fēng)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(shè)計(jì)設(shè)計(jì)將彌補(bǔ)這一不足，主要從分配策略和分配算法兩方面進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

2.1 能量管理策略設(shè)計(jì)

能量管理平臺(tái)的分配策略主要包含如何將網(wǎng)調(diào)給場(chǎng)級(jí)的能量命令與當(dāng)前風(fēng)電場(chǎng)實(shí)發(fā)能量進(jìn)行判斷調(diào)整，同時(shí)處理場(chǎng)級(jí)能量與單機(jī)之間的調(diào)整關(guān)系。整個(gè)能量管理策略整體設(shè)計(jì)流程如圖2所示。文中所用到的相關(guān)術(shù)語(yǔ)符號(hào)說(shuō)明如下：

Pset指網(wǎng)調(diào)下發(fā)給風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)級(jí)的能量目標(biāo)值；

P1、P2、Pn指風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)每個(gè)單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的當(dāng)前實(shí)發(fā)功率；

Psetn指通過(guò)能量控制策略計(jì)算之后下發(fā)給單臺(tái)的功率目標(biāo)；

Δ指通過(guò)調(diào)整計(jì)算后全場(chǎng)需要調(diào)整的總能量；

Δn指通過(guò)分配模塊需要調(diào)整的總能量分配到單臺(tái)風(fēng)機(jī)的能量調(diào)整值；

Σ指對(duì)全場(chǎng)所有單臺(tái)機(jī)組能量求和；

β1、β2、……βn分別表示第1臺(tái)、第2臺(tái)、……第n臺(tái)機(jī)組的當(dāng)前實(shí)際槳距角。

能量管理策略包含當(dāng)前能量目標(biāo)值接受、差值計(jì)算、實(shí)發(fā)能量統(tǒng)計(jì)、全場(chǎng)求和、場(chǎng)機(jī)端分配等五個(gè)模塊，

當(dāng)網(wǎng)調(diào)給出目標(biāo)功率Pset的同時(shí)，本系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收通過(guò)對(duì)所有單臺(tái)風(fēng)機(jī)P1、P2……Pn功率求和得到的場(chǎng)級(jí)實(shí)發(fā)功率，同時(shí)采集風(fēng)電場(chǎng)關(guān)口表測(cè)量的出口能量負(fù)荷。通過(guò)對(duì)全場(chǎng)能量計(jì)算同時(shí)對(duì)比關(guān)口表的統(tǒng)計(jì)的功率，得到當(dāng)前風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際有功功率；同時(shí)將Pset作為調(diào)整的目標(biāo)值，通過(guò)差值計(jì)算得出該調(diào)整周期內(nèi)需要調(diào)整的場(chǎng)級(jí)能量變動(dòng)值Δ。

得到該周期調(diào)整值Δ之后，接下來(lái)將進(jìn)行單機(jī)調(diào)整。通過(guò)能量分配模塊將Δ值對(duì)應(yīng)的分配到當(dāng)前全場(chǎng)可調(diào)整的每臺(tái)機(jī)組，其每臺(tái)機(jī)組調(diào)整能量為Δn，系統(tǒng)將對(duì)每臺(tái)單機(jī)當(dāng)前的實(shí)發(fā)功率Pn和調(diào)整值Δn對(duì)比，得到當(dāng)前該單臺(tái)機(jī)組的功率目標(biāo)設(shè)定值并進(jìn)行單機(jī)設(shè)備層調(diào)整。

在第N+1周期內(nèi)仍然重復(fù)執(zhí)行上述第N周期內(nèi)的控制過(guò)程。由于風(fēng)況的實(shí)時(shí)變化以及被控制單機(jī)的執(zhí)行偏差，在第N+1周期內(nèi)仍然將當(dāng)前Pset作為控制目標(biāo)值，將全場(chǎng)實(shí)發(fā)能量ΣPn作為上一控制周期執(zhí)行反饋，通過(guò)差值計(jì)算模塊計(jì)算偏差，得出本周期內(nèi)的調(diào)整值Δ，通過(guò)分配模塊得到相應(yīng)的單臺(tái)機(jī)組的能量調(diào)整值Δn、將單臺(tái)實(shí)發(fā)功率Pn和Δn做比較得出本周期單臺(tái)機(jī)組能量設(shè)定值并再次進(jìn)行單機(jī)設(shè)備層調(diào)整。

本策略每個(gè)周期都通過(guò)差值計(jì)算模塊糾正偏差給出新的調(diào)整值Δ，然后分配至單臺(tái)予以能量調(diào)整，消除風(fēng)況變化產(chǎn)生的誤差，以達(dá)到對(duì)風(fēng)電場(chǎng)級(jí)能量實(shí)時(shí)精準(zhǔn)的能量調(diào)整。

圖2 場(chǎng)級(jí)能量管理策略流程圖

2.2 分配算法設(shè)計(jì)

分配模塊的作用是將能量管理策略中場(chǎng)級(jí)調(diào)整值Δ科學(xué)的分配到風(fēng)電場(chǎng)中運(yùn)行的單臺(tái)機(jī)組上，因此需要一套科學(xué)的分配算法來(lái)計(jì)算分配整場(chǎng)能量。本文結(jié)合實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，考慮到單臺(tái)機(jī)組實(shí)發(fā)功率能量源自葉輪掃風(fēng)面積的理論依據(jù)，以單臺(tái)幾組的當(dāng)前槳距角為參考，研究設(shè)計(jì)出場(chǎng)級(jí)可利用加權(quán)分配算法，本算法能夠在每個(gè)調(diào)整周期根據(jù)單臺(tái)機(jī)組的當(dāng)前運(yùn)行情況自適應(yīng)地進(jìn)行能量分配權(quán)重計(jì)算調(diào)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(quán)分配算法的分支選擇流程圖，本算法首先對(duì)全場(chǎng)目前的機(jī)組是否并網(wǎng)情況進(jìn)行判斷，篩選出目前無(wú)故障并網(wǎng)運(yùn)行的機(jī)群作為可利用機(jī)組；在收到場(chǎng)級(jí)能量調(diào)節(jié)值Δ的時(shí)候，對(duì)其值進(jìn)行判斷，兩種情況的分配算法說(shuō)明如下：

(1)當(dāng)Δ>=0時(shí)，對(duì)應(yīng)需要在當(dāng)前實(shí)發(fā)有功點(diǎn)上進(jìn)行上調(diào)有功，此時(shí)的每臺(tái)機(jī)組分配的有功值由表達(dá)式(1)給出：

(1)

(2)當(dāng)Δ<0時(shí)，對(duì)應(yīng)需要在當(dāng)前實(shí)發(fā)有功點(diǎn)上進(jìn)行下調(diào)有功，此時(shí)的每臺(tái)機(jī)組分配的有功值由表達(dá)式(2)給出：

(2)

式中，β1、β2、……βn分別表示第1臺(tái)、第2臺(tái)、……第n臺(tái)機(jī)組的當(dāng)前實(shí)際槳距角。

3 本策略的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

與以往能量管理系統(tǒng)相比較，本文所設(shè)計(jì)的能量平臺(tái)分配策略有三點(diǎn)先進(jìn)性。

首先，本文對(duì)于能量管理的調(diào)整為閉環(huán)反饋實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)，即在每個(gè)調(diào)整周期都進(jìn)行反饋-糾偏-分配-執(zhí)行，這四個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成里閉環(huán)實(shí)時(shí)能量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)快速響應(yīng)網(wǎng)調(diào)要求。

其次，本設(shè)計(jì)方案對(duì)于全場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行了狀態(tài)篩選分群，篩選出當(dāng)前健康運(yùn)行的風(fēng)機(jī)作為執(zhí)行能量調(diào)整的對(duì)象，避免了因機(jī)組維護(hù)或故障停機(jī)等原因停機(jī)造成的分配誤差。

再次，本設(shè)計(jì)方案對(duì)于分配算法的設(shè)計(jì)考慮了風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)槳距角決定掃風(fēng)面積，從而決定風(fēng)機(jī)功率余量的理論基礎(chǔ)，以可利用機(jī)組的槳距角作為其能量調(diào)節(jié)權(quán)重?cái)?shù)，高效易用，且在整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程中分配算法能夠根據(jù)當(dāng)前槳距角值自適應(yīng)地調(diào)節(jié)單臺(tái)機(jī)組的有功分配權(quán)重值，并可以多周期自適應(yīng)糾偏調(diào)整；對(duì)于有功調(diào)整為負(fù)的情況，本設(shè)計(jì)方案考慮用槳距角的余角作為下調(diào)功率的分配權(quán)重值，解決了下調(diào)功率時(shí)槳距角收槳的余量權(quán)重問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文開(kāi)始先引入了風(fēng)電場(chǎng)能量管理平臺(tái)的概述，介紹了能量管理平臺(tái)的應(yīng)用場(chǎng)景及作用，在此基礎(chǔ)上以風(fēng)電場(chǎng)能量管理的分配策略和分配算法為主要研究點(diǎn)，秉持以工程應(yīng)用為主，結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)及單機(jī)的運(yùn)行特征，運(yùn)用風(fēng)電場(chǎng)可利用機(jī)組分群對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)能量管理平臺(tái)的有功分配策略進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，給出了閉環(huán)實(shí)時(shí)能量分配策略方案，運(yùn)用風(fēng)電場(chǎng)單機(jī)槳距角余量權(quán)重方法設(shè)計(jì)了能量分配算法，相比以前的平均分配法有很大科學(xué)性和自適應(yīng)調(diào)節(jié)性等優(yōu)點(diǎn)。