伯利曼

(華南理工大學(xué), 廣東 廣州510641)

0 引 言

本文調(diào)研電力公司發(fā)電計(jì)劃和實(shí)際風(fēng)電并網(wǎng)數(shù)據(jù)，參考多個(gè)電力研究機(jī)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)方案，分析歸納出多個(gè)有效的優(yōu)化技術(shù)方案。文獻(xiàn)[1]采用AGC機(jī)組發(fā)電方式，利用IEEE 30節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)優(yōu)化風(fēng)電場(chǎng)備用容量，增加了風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)電總量，保證風(fēng)電并網(wǎng)的穩(wěn)定性，但建模方式較為復(fù)雜，使風(fēng)力發(fā)電占比較少，一定程度上擾亂了風(fēng)電系統(tǒng)高比例發(fā)電計(jì)劃。文獻(xiàn)[2]采用柔性交流輸電系統(tǒng)(flexible AC transmission system, FACTS)完成風(fēng)力發(fā)電規(guī)劃，通過(guò)選址定容方式優(yōu)化風(fēng)電系統(tǒng)備用容量，降低風(fēng)電系統(tǒng)電力損耗，增加旋轉(zhuǎn)備用容量利用率。但這種方式備用容量安裝不夠靈活，與風(fēng)電系統(tǒng)兼容性較差，從而影響了風(fēng)電并網(wǎng)的穩(wěn)定性。

針對(duì)上述優(yōu)化技術(shù)上的不足，本文設(shè)計(jì)優(yōu)化模型針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)安全問(wèn)題制定出保護(hù)策略；通過(guò)高壓直流(high voltage direct current, HVDC)技術(shù)更新風(fēng)電場(chǎng)輸電方案，尋得最優(yōu)發(fā)電計(jì)劃；利用GSA算法整合風(fēng)電系統(tǒng)優(yōu)化數(shù)據(jù)，使優(yōu)化模型能夠針對(duì)性地解決風(fēng)電系統(tǒng)的多目標(biāo)問(wèn)題[3]。

1 旋轉(zhuǎn)備用容量?jī)?yōu)化模型

本文建立的模型通過(guò)精細(xì)化管理風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行模式，形成從優(yōu)化模型整體結(jié)構(gòu)到電壓保護(hù)電路，之后到日前發(fā)電計(jì)劃的一體化優(yōu)化流程[4]。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于以下幾點(diǎn)。

(1)制訂電壓保護(hù)策略，加強(qiáng)旋轉(zhuǎn)備用容量安全性，避免不可控因素造成的供能不足。

(2)采用HVDC技術(shù)對(duì)日前發(fā)電流程進(jìn)行規(guī)劃，使風(fēng)電場(chǎng)輸電更加穩(wěn)定快捷，使整個(gè)風(fēng)電傳輸過(guò)程更加規(guī)律化。

(3)利用GSA優(yōu)化算法對(duì)整個(gè)優(yōu)化流程進(jìn)行分析，通過(guò)優(yōu)化后風(fēng)電場(chǎng)輸電數(shù)據(jù)的整合，保證旋轉(zhuǎn)備用容量利用最大化。

旋轉(zhuǎn)備用容量?jī)?yōu)化模型如圖1所示。

圖1 旋轉(zhuǎn)備用容量?jī)?yōu)化模型

本文設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)備用優(yōu)化總體分為兩個(gè)層次進(jìn)行控制，即系統(tǒng)控制層和風(fēng)電場(chǎng)層。系統(tǒng)控制層通過(guò)調(diào)度主站和控制中心進(jìn)行總體信息把控，由發(fā)電機(jī)組、系統(tǒng)調(diào)度和風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行電能傳輸和功率調(diào)節(jié)，其中發(fā)電機(jī)組由控制中心進(jìn)行指令控制，而發(fā)電機(jī)組與系統(tǒng)調(diào)度通過(guò)出力調(diào)節(jié)和機(jī)組組合完成協(xié)調(diào)輸電，系統(tǒng)調(diào)度與風(fēng)電場(chǎng)2分別具有功率預(yù)測(cè)功能和處理調(diào)節(jié)功能。風(fēng)電場(chǎng)層主要負(fù)責(zé)發(fā)電控制和供給電能。對(duì)于旋轉(zhuǎn)備用容量的優(yōu)化本文通過(guò)設(shè)計(jì)多種優(yōu)化模型庫(kù)，通過(guò)用戶提供的電力需求從模型庫(kù)中進(jìn)行調(diào)用，進(jìn)而完成備用容量的優(yōu)化控制[5]。

2 備用容量電壓保護(hù)策略

傳統(tǒng)風(fēng)電系統(tǒng)往往由于裝機(jī)容量問(wèn)題造成系統(tǒng)不穩(wěn)定狀態(tài)，為減小這種擾動(dòng)，本文設(shè)計(jì)研究備用容量電壓保護(hù)策略，通過(guò)控制電壓信號(hào)邏輯實(shí)現(xiàn)備用容量的持續(xù)供能[6]。備用容量電壓保護(hù)電路如圖2所示。

圖2 備用容量保護(hù)電路

電壓保護(hù)電路利用高比例風(fēng)電系統(tǒng)的快速調(diào)節(jié)器及變換器的鎖相環(huán)控制功能，完成風(fēng)電系統(tǒng)安全并網(wǎng)，從而減少并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的電壓變化，增加系統(tǒng)輸電能力。電壓保護(hù)電路根據(jù)風(fēng)電集群變流輸入，電路中的接收器負(fù)責(zé)接收變流輸入數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)化為可以處理的信號(hào)電壓，然后通過(guò)信號(hào)調(diào)理裝置對(duì)信號(hào)電壓進(jìn)行信號(hào)整形，電壓信號(hào)的整形方式主要為各種比例環(huán)節(jié)[7]。因此整形之后的信號(hào)電壓可以直接由高壓無(wú)功電流管理模塊進(jìn)行分配，經(jīng)過(guò)分配的電壓信號(hào)通過(guò)比例放大完成并網(wǎng)。根據(jù)并網(wǎng)顯示的電壓狀態(tài)反饋到電壓有功電流管理模塊中，由變換器和邏輯電路形成功率控制循環(huán)，將反饋信號(hào)傳輸?shù)叫盘?hào)發(fā)生裝置中，由此完成風(fēng)電并網(wǎng)的電壓保護(hù)。整個(gè)并網(wǎng)環(huán)節(jié)由電感負(fù)責(zé)穩(wěn)定電壓。

3 HVDC日前發(fā)電計(jì)劃優(yōu)化

風(fēng)電場(chǎng)跨區(qū)輸電計(jì)劃的制訂由送端風(fēng)電基站與受端電網(wǎng)的聯(lián)合約束條件決定。對(duì)于該發(fā)電計(jì)劃本文提出兩階段優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行，為目前發(fā)電計(jì)劃提供更加詳細(xì)的供電方案，使風(fēng)電場(chǎng)輸送電能更加便捷可靠。HVDC目前發(fā)電計(jì)劃優(yōu)化方案如圖3所示。

圖3 HVDC目前發(fā)電計(jì)劃圖

HVDC目前發(fā)電計(jì)劃設(shè)計(jì)受多方面因素的約束，主要受影響因素為輸送端負(fù)荷、運(yùn)行約束條件、客戶用電需求和安全指標(biāo)。風(fēng)電傳輸過(guò)程中的約束條件主要為輸電線承受能力，經(jīng)過(guò)風(fēng)電并網(wǎng)計(jì)劃和兩端口優(yōu)化設(shè)計(jì)完成風(fēng)電輸送，兩端口優(yōu)化設(shè)計(jì)輸入數(shù)據(jù)為系統(tǒng)負(fù)荷和備用容量需求，約束條件設(shè)定為風(fēng)電機(jī)組約束和輸電計(jì)劃約束，優(yōu)化后的輸電計(jì)劃由功率預(yù)測(cè)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)校正，進(jìn)而保證風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電運(yùn)行的功率安全和輸電安全，功率預(yù)測(cè)主要依據(jù)由受端電壓及出力提供。兩端口優(yōu)化技術(shù)實(shí)質(zhì)為GSA優(yōu)化算法和風(fēng)電傳輸比例[8]。GSA優(yōu)化算法能夠根據(jù)發(fā)電需求分析出最佳發(fā)電計(jì)劃方案，風(fēng)電傳輸比例主要控制風(fēng)電場(chǎng)的輸送比例，避免電力浪費(fèi)。

4 GSA優(yōu)化算法

將風(fēng)電場(chǎng)每次發(fā)電計(jì)劃作為一個(gè)粒子數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)之間遵循的規(guī)律表示為：

(1)

風(fēng)電場(chǎng)轉(zhuǎn)化為牛頓粒子質(zhì)量表達(dá)式為：

(2)

式中：fi為某次發(fā)電計(jì)劃產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益函數(shù)；fworst為制訂的發(fā)電計(jì)劃產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益最差值；fbest為制訂的發(fā)電計(jì)劃產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)值。

整個(gè)風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)電數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的粒子總質(zhì)量可表示為：

(3)

將風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電計(jì)劃進(jìn)行統(tǒng)合整理，在同一緯度進(jìn)行合引力分析，在此基礎(chǔ)上得到加權(quán)函數(shù)：

(4)

在效益加權(quán)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一種系數(shù)變化，而這種變化在牛頓力學(xué)中表示為：

(5)

在加入旋轉(zhuǎn)備用容量之后，風(fēng)電系統(tǒng)制定的發(fā)電計(jì)劃變化速度表示為：

(6)

在此基礎(chǔ)上計(jì)算出風(fēng)電系統(tǒng)一個(gè)發(fā)電計(jì)劃周期內(nèi)產(chǎn)生的總效益值：

(7)

在多個(gè)制訂的發(fā)電計(jì)劃中進(jìn)行篩選，通過(guò)GSV算法的熵函數(shù)確定最優(yōu)發(fā)電計(jì)劃：

(8)

式中：X為制訂的發(fā)電計(jì)劃方案；qj為發(fā)電計(jì)劃最終產(chǎn)生效益值；E(t)為所制訂發(fā)電計(jì)劃效益變化的熵函數(shù)。

將篩選出的最優(yōu)發(fā)電計(jì)劃輸入用戶需求，得到用戶滿意度函數(shù)表達(dá)式：

(9)

式中：μi為制訂的發(fā)電計(jì)劃反饋的用戶滿意度；fi,max為發(fā)電計(jì)劃總產(chǎn)出效益最大值；fi為風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)出效益函數(shù)；fi,min為制訂的發(fā)電計(jì)劃產(chǎn)出效益最小值。

根據(jù)用戶滿意度顯示最終確立最優(yōu)發(fā)電計(jì)劃，而此時(shí)得到的旋轉(zhuǎn)備用容量?jī)?yōu)化方案為最佳值。

(10)

式中：μ為最佳旋轉(zhuǎn)備用容量最佳優(yōu)化值；N為風(fēng)電場(chǎng)總輸出發(fā)電計(jì)劃方案；μi為用戶反饋滿意度。

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本文利用Simulink軟件建立典型矩陣分布式風(fēng)電場(chǎng)模型，并在此模型下完成試驗(yàn)[9]。實(shí)驗(yàn)室配置采用酷睿i9系列主機(jī)，CPU內(nèi)存為64+128 GB，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室仿真環(huán)境進(jìn)行并網(wǎng)操作。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)環(huán)境設(shè)置并網(wǎng)額定功率不超過(guò)5%；設(shè)備采集精度為97.5%，算法程序運(yùn)行誤差最低保持在2.0%，采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信方式。試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)配置如表1所示。

表1 試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)配置

將分析結(jié)果輸入計(jì)算機(jī)中，最終測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 備用容量?jī)?yōu)化效果測(cè)試表

表2顯示了旋轉(zhuǎn)備用容量?jī)?yōu)化前后效果，并對(duì)風(fēng)電場(chǎng)輸電效率進(jìn)行記錄，風(fēng)電場(chǎng)A模型經(jīng)過(guò)優(yōu)化備用容量增加了0.313 MW，B模型增加了1.976 MW，C模型增加了0.689 MW，D模型增加了0.150 WM，由此看出優(yōu)化后風(fēng)電場(chǎng)備用容量得到不同程度的加強(qiáng)。而且整體風(fēng)電場(chǎng)輸電效率在85%以上，驗(yàn)證了本文研究的優(yōu)越性。

為驗(yàn)證本文優(yōu)化前后風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，利用高頻濾波顯示優(yōu)化前后風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)定波形，根據(jù)波形分析優(yōu)化效果，得到風(fēng)電場(chǎng)優(yōu)化前后頻率波形如圖4、圖5所示。

圖4 優(yōu)化前風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性

圖5 優(yōu)化后風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性

本文將波動(dòng)頻率50 Hz作為穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)線。由圖4、圖5可以看出：優(yōu)化前風(fēng)電場(chǎng)頻率波動(dòng)范圍為30～70 Hz，明顯偏出穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，穩(wěn)定性較差；而優(yōu)化后風(fēng)電場(chǎng)頻率波動(dòng)范圍為40～60 Hz，波動(dòng)范圍較小，未偏離標(biāo)準(zhǔn)線，穩(wěn)定性能較好。驗(yàn)證了本文風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性能。

通過(guò)顯示風(fēng)電場(chǎng)輸電效率能夠進(jìn)一步驗(yàn)證本文研究的優(yōu)越性，利用MATLAB對(duì)文獻(xiàn)[1]提出的IEEE 30優(yōu)化系統(tǒng)和文獻(xiàn)[2]提出的FACTS優(yōu)化方法進(jìn)行仿真，得到輸電效率對(duì)比仿真如圖6所示。

圖6 風(fēng)電場(chǎng)輸電效率對(duì)比

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)本文研究?jī)?yōu)化方法較為持續(xù)穩(wěn)定，輸電效率整體在85%～90%，最高達(dá)到90%。文獻(xiàn)[1]提出的IEEE 30優(yōu)化系統(tǒng)整體輸電效率遞減，最低為75%。文獻(xiàn)[2]提出的FACTS優(yōu)化方法在輸送電量2 500 kW之前持續(xù)遞減，之后穩(wěn)定在70%，輸電效率相對(duì)較慢。分析可知，本文優(yōu)化方案效果更好。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)高比例風(fēng)電系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)備用容量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要技術(shù)研究如下。

(1) 研究設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)備用容量?jī)?yōu)化模型并制訂電壓保護(hù)策略，在優(yōu)化風(fēng)電場(chǎng)性能的基礎(chǔ)上保證了運(yùn)行安全。

(2) 對(duì)風(fēng)電場(chǎng)日前發(fā)電計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)出HVDC優(yōu)化模塊，使風(fēng)電場(chǎng)電能按需配送，最大程度增加效益。

(3) 通過(guò)優(yōu)化的GSA算法實(shí)現(xiàn)多個(gè)發(fā)電計(jì)劃的最優(yōu)尋解過(guò)程，根據(jù)反饋的用戶滿意度篩選出最佳優(yōu)化方案。

通過(guò)測(cè)試優(yōu)化效果表和對(duì)比曲線圖分析，發(fā)現(xiàn)本文設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案適用于高比例風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行模式，符合電力客戶的需求。但是在本文試驗(yàn)過(guò)程中仍存在一些問(wèn)題，無(wú)法調(diào)整旋轉(zhuǎn)備用容量的輸送功率、風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電過(guò)程中的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)較為困難等問(wèn)題仍待解決。