顏云松, 陳洶, 唐冠軍, 許士光

(國電南瑞科技股份有限公司,江蘇 南京 211106)

0 引 言

隨著我國“雙碳”目標(biāo)的提出,以風(fēng)電為代表的清潔能源已成為我國能源的主要發(fā)展戰(zhàn)略［1］。然而,風(fēng)電接入對電網(wǎng)安全運行帶來挑戰(zhàn),且現(xiàn)有的風(fēng)電消納水平失配導(dǎo)致嚴(yán)重的棄風(fēng)限電現(xiàn)象［2-4］。隨著《新能源場站全景監(jiān)控通用技術(shù)規(guī)范》的出臺,在風(fēng)電機組源端開展實時監(jiān)控為風(fēng)電場機組精細(xì)化控制提供了技術(shù)保障。此外,降低風(fēng)電場運行損傷、延長機組運行壽命同樣成為當(dāng)前風(fēng)電場優(yōu)化控制研究熱點之一［5］。

當(dāng)前對風(fēng)電場的研究主要包括風(fēng)電功率預(yù)測、優(yōu)化調(diào)度、集群控制和機組健康狀態(tài)評價等［6-8］。文獻(xiàn)［9］建立了一種結(jié)合分形理論和灰色理論的風(fēng)電短期功率預(yù)測模型,利用真實數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行預(yù)測并與實際值做出對比分析,結(jié)果表明該方法有較高的預(yù)測精度。文獻(xiàn)［10］提出一種考慮機組排序控制的風(fēng)電集群有功控制方法,該方法在提高風(fēng)電消納量的基礎(chǔ)上減少了風(fēng)機調(diào)控次數(shù)。文獻(xiàn)［11］采用風(fēng)電機組功率曲線來衡量機組的健康狀態(tài),并結(jié)合功率曲線實現(xiàn)風(fēng)電機組異常狀態(tài)辨識。文獻(xiàn)［12］以風(fēng)電機組預(yù)估輸出功率和當(dāng)前風(fēng)速為基礎(chǔ)構(gòu)建Copula模型對風(fēng)電機組健康狀態(tài)進(jìn)行評價。但上述研究均未考慮到同一個風(fēng)電場內(nèi)不同的風(fēng)電機組所處的風(fēng)速環(huán)境和運行條件,亦未考慮到風(fēng)電場有功功率傳輸線路損耗會對風(fēng)電場對調(diào)度中心的需求響應(yīng)造成誤差,且未考慮到風(fēng)電機組實際出力與預(yù)測輸出功率之間的偏差對風(fēng)電機組運行健康帶來的影響。

針對上述問題本文改進(jìn)了現(xiàn)有的風(fēng)電場的有功功率分配方法,提出一種基于考慮預(yù)測風(fēng)速的模糊C均值聚類算法的風(fēng)電場有功功率優(yōu)化分配策略。首先進(jìn)行風(fēng)速預(yù)測,通過模糊C均值聚類算法將風(fēng)電場中的風(fēng)電機組進(jìn)行分類。在預(yù)測風(fēng)速的基礎(chǔ)上對風(fēng)電機組的有功功率出力進(jìn)行預(yù)測,并引入了風(fēng)電機組健康維持度指標(biāo)對機組運行狀態(tài)進(jìn)行評價。以風(fēng)電場有功功率線路損耗最小和機組偏差損傷最小為目標(biāo)進(jìn)行雙目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度建模,并用改進(jìn)的非劣排序遺傳(nondominated sorting genetic algorithm-Ⅱ, NSGA-Ⅱ)算法對該雙目標(biāo)模型進(jìn)行優(yōu)化求解,對不同類別機組進(jìn)行有功功率優(yōu)化分配。最后通過算例分析對所提出方法進(jìn)行了驗證。

1 風(fēng)電機組模糊C均值聚類

得到預(yù)測風(fēng)速后,對模糊聚類數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,分別提取風(fēng)電機組的當(dāng)前風(fēng)速、預(yù)測風(fēng)速和機組輸出功率的平均值和均方根差值作為特征值。其中當(dāng)前風(fēng)速的平均值與均方根差值計算公式如下:

(1)

(2)

式中:vmean(i)為第i臺機組的當(dāng)前平均風(fēng)速;vRMSE(i)為第i臺機組的風(fēng)速均方根差值;j為正整數(shù);n為機組數(shù)量。預(yù)測風(fēng)速和機組輸出功率的求值計算同上。

將所有參數(shù)進(jìn)行歸一化后,得到風(fēng)電機組的當(dāng)前風(fēng)速、預(yù)測風(fēng)速和機組輸出功率的特征矩陣為:

(3)

將得到的特征矩陣作為模糊C均值聚類算法的輸入,根據(jù)分類數(shù)目的選擇,便可將風(fēng)電機組分為特征值相似的若干類。通過先確定所有類別的聚類中心,進(jìn)一步計算得出所有樣本對于各類別中心的隸屬度,再給每個樣本分配所屬類別的隸屬度函數(shù),最后根據(jù)隸屬度大小對樣本進(jìn)行分類。

2 考慮機組偏差損傷的有功功率分配

為了評價風(fēng)電機組運行出力狀態(tài),引入有功偏差Δp。通過衡量風(fēng)電機組實際有功出力與機組預(yù)測有功功率出力之間的偏差對風(fēng)電機組健康狀態(tài)帶來的損傷,引入機組運行偏差損傷D。為了量化機組的有功偏差,將n個風(fēng)電機組的預(yù)測有功功率平均值與實際有功功率平均值pmean進(jìn)行比較。當(dāng)兩者的偏差絕對值Δp大于pmean的50%時,機組為C級機組;當(dāng)兩者偏差絕對值Δp處于25%～50%之間時,機組為B級機組,其余機組為A級機組。其中,A級機組運行狀態(tài)最優(yōu),C級機組運行狀態(tài)最差,且三種等級機組的損傷偏差度分別取0、3、6。

本文以風(fēng)電場有功功率傳輸線路損耗最小和以風(fēng)電機組總功率偏差損傷最小為優(yōu)化目標(biāo)構(gòu)建雙目標(biāo)優(yōu)化。其中,以有功功率線路損耗最小為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行風(fēng)電場有功功率分配的目標(biāo)函數(shù)為:

(4)

式中:Pi(t)為t時刻機組i的實際有功功率;Ui為機組i高壓側(cè)電壓;Ritotal為機組i所在類機組與開關(guān)柜聯(lián)絡(luò)線的總電阻。以風(fēng)電場機組總偏差損傷度最小為目標(biāo)進(jìn)行風(fēng)電場有功功率優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為:

(5)

式中:Pimax(t)為機組i在t時段有功功率分配最大出力;Di為機組i的偏差損傷度。

為了使風(fēng)電場所有機組能安全穩(wěn)定運行,需對所建立優(yōu)化模型設(shè)定約束。其中,有功平衡約束、出力約束和啟停約束計算如式(6)～式(8)所示。

Pcmd(t)=P1(t)+P2(t)+…+Pn(t)

(6)

(7)

Pst min

(8)

式中:Pcmd(t)為t時段的風(fēng)電場調(diào)度出力要求;Pi min為機組i的出力下限;Pst min為避免機組i頻繁啟停所設(shè)置的不切機前提下的最小出力。

3 算例分析

以我國某風(fēng)電場數(shù)據(jù)為例對所提方法進(jìn)行驗證。該風(fēng)電場總?cè)萘繛?5 MW,安裝10臺單機容量為2.5 MW的風(fēng)電機組。將10臺風(fēng)機分為3個機群,每個機群連接1根母線。3個機群相距35 kV開關(guān)柜的距離分別為6.1 km、4.6 km和2.8 km。連接導(dǎo)線型號為LGJ-120/25,阻抗為0.392 Ω/km。

圖1為該風(fēng)電場10臺機組60 s的實際測量風(fēng)速數(shù)據(jù)曲線,由下到上分別為1到10號機組。結(jié)合本文所提方法將10臺機組分為三類,分類結(jié)果如表1所示。所得到每類機組的平均輸出功率和功率均方差根值平均值,結(jié)果如表2所示。再根據(jù)有功偏差量對所有風(fēng)電機組進(jìn)行等級劃分,結(jié)果如表3所示。

表1 機組分類結(jié)果機組類別機組編號數(shù)目第一類1,2,33第二類4,5,6,74第三類8,9,103表2 機組功率平均值機組類別Pmean0-1PRMSE0-1第一類0.585 40.203 5第二類0.845 80.136 7第三類0.915 50.066 6

表3 機組有功偏差量

圖1 風(fēng)電場機組風(fēng)速曲線

本文采用NSGA-Ⅱ算法對雙目標(biāo)模型進(jìn)行求解。假設(shè)整個風(fēng)電場的調(diào)度曲線如圖2所示,通過計算得到所建立雙目標(biāo)優(yōu)化模型的帕累托解集,從所得帕累托解集中選取最優(yōu)折衷解與傳統(tǒng)分配方法結(jié)果進(jìn)行對比,最優(yōu)折衷解下的機組群有功功率出力如圖3所示,所提有功功率分配策略的線損與傳統(tǒng)分配方法線損對比結(jié)果如表4所列。表4中:Ploss1、Ploss2分別為傳統(tǒng)按比例分配和按本文策略分配的線損。

表4 折衷解下的線損對比關(guān)系

圖2 風(fēng)電場調(diào)度需求

圖3 各機組群有功功率出力

從仿真結(jié)果可以看出,風(fēng)電場有功線損較傳統(tǒng)功率分配方法降低了約11.52%,機組的偏差損傷度降低了約4.67%,驗證了本文所提有功功率優(yōu)化分配策略的有效性,為風(fēng)電場的運行提供了的指導(dǎo)依據(jù)。

4 結(jié)束語

本文提出的基于風(fēng)速預(yù)測模糊C聚類算法的風(fēng)電場有功功率優(yōu)化調(diào)度策略,能更好地根據(jù)風(fēng)電機組所處的實際風(fēng)速環(huán)境進(jìn)行調(diào)度指令和有功功率分配,使風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)資源分配不均時各風(fēng)電機組出力更合理。同時以風(fēng)電場有功線損和機組有功出力偏差損傷最小為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行雙目標(biāo)優(yōu)化分配策略研究,一定程度上降低了風(fēng)電機場的運行維護(hù)成本,提高了風(fēng)電場運行的經(jīng)濟性。本文所提的風(fēng)電場有功功率分配策略對風(fēng)電場有功功率分配和精細(xì)化控制具有顯著的指導(dǎo)意義。