一种计及风机有功主动控制的风电调节备用容量评估方法
【专利摘要】本发明公开了一种计及风机有功主动控制的风电调节备用容量评估方法。该方法首先采用基于风电场历史出力数据统计的方式获取在一定置信水平下能满足平滑风电场出力上、下波动需求的风电场基础备用容量；进一步，在考虑风机层面降载运行控制下建立风场调频容量优化模型；最后，采用风电场调频容量对获取的风场基础备用容量进行修正，得到整个风电场备用容量的评估结果。该发明旨在考虑风机有功控制策略下，充分发挥风电参与系统的调频能力，在保证系统可靠性的前提下尽可能减少风电场所需的备用容量，进而降低备用成本，提高系统运行的经济性。相应的评估结果可以作为系统调度及风电场备用容量配置的有效参考依据。
【专利说明】
一种计及风机有功主动控制的风电调节备用容量评估方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种风电场备用容量评估方法，尤其是涉及一种计及风机有功主动控 制的风电调节备用容量评估方法。
【背景技术】
[0002] 随着电力系统风电渗透率的不断增加，风电固有的间歇性、波动性及反调峰特性 等已成为阻碍风电发展的关键性问题。因此需要为风电场提供足够的备用容量来参与风电 并网时的频率调节。但考虑到风电的高渗透率，以一种经济的方式来安排传统的火电、水电 机组备用是大力发展风电必须解决的问题。另一方面，随着风机有功主动控制技术的快速 发展，一些风力发电机组已经能够参与不同级别的系统调频。因此风力发电机组提供系统 调频的潜力已越来越受到电力行业以及研究者们的注意。
[0003] 传统上，电力系统的运行备用用于平滑电力负荷的波动，以满足任何系统组件失 效情况下的需要。根据作用时间的长短，通常可将运行备用划分为一次备用（30s内）、二次 备用（10~15min)和三系备用(小时级别）。
[0004] 依据中国风电并网的技术规范，风场操作员需要提前向系统操作员递交风电预测 曲线，相应的系统操作员要实现安排额外的备用容量来解决风电的不确定性带来的问题， 从而维持系统潮流的稳定。因此，需要上、下调的备用容量来补偿风电实际出力与预测曲线 的上、下偏差值。为充分发挥风电参与系统的调频能力，得到更为准确的风电场风电调节备 用容量评估方法，本发明公开了一种计及风机有功主动控制的风电调节备用容量评估方 法。
【发明内容】
[0005] 为解决上述问题，本文发明提出了一种计及风机有功主动控制的风电调节备用容 量评估方法，定量求取风电场所需的备用容量。
[0006] 本发明的技术方案采用如下步骤：
[0007] 1)基于历史数据统计对风电场基础备用容量进行初步评估；
[0008] 2)对风机调频控制策略建模；
[0009] 3)考虑风机有功主动控制策略，对风场调频容量评估；
[0010] 4)考虑风场调频容量，建立风电调节备用容量修正模型，对步骤1)初步评估的风 电调节备用容量进行修正。
[0011] 上述技术方案中，所述的步骤1)基于历史数据统计的风电场基础备用上/下调备 用容量R+/IT评估采用以下公式得到：
[0012] P+=max{Pi}-avg{Pi}
[0013] P-= avg{Pi}_min{Pi}
[0014] /Y-=Prob(P4 < R；)
[0015] pj=Proh(P <R：i)
[0016]
[0017]
[0018] 其中，Pi为采集的风电场历史出力数据时间序列;P+为每小时内风电出力最大值与 平均值之差;为每小时内风电出力平均值与最小值之差；即:P+A^表示以每小时内风电出 力平均值为参考值时，每小时内风电出力上/下波动的最大限度；表示离散的标准化 上/下调备用容量值，根据风场的实际出力情况人为设定；,<//',表示统计风电场年出力数 据中每小时内风电出力上/下波动的最大限度P7P_不超过的概率;λ+/λ-表示平滑风 电波动的置信水平，根据风场出力的需求而定;RVR+表示基于历史数据统计的风电场基础 备用上/下容量，为概率<//>,不小于置信水平λ +/λ_前提下选定的离散标准化上/下调备用 容量的最小值。
[0019] 所述的步骤2)风机调频控制策略建模具体描述为：
[0020] ①正常情况下关闭桨距角控制，风机维持运行在降载运行点Ρ〇;
[0021] ②当需要上调备用时，风机运行状态从降载运行点Ρ〇移动到最大功率跟踪点ΜΡΡΤ 点，增加风机出力以减小向下的波动；
[0022] ③当需要下调备用时，启动桨距角控制，进一步减少风机出力以减小向上的波动。 [0023]所述的步骤3)考虑风机有功主动控制策略的风场上/下调频容量△ R+/ A ΙΓ评估方 法如下：
[0024] Δ Κ+ = Ρμρρτ-Ρ〇=Κγ · Pmppt
[0025] AR-= Ρ〇-ΡΜ(β)
[0026] AR+/AR-= R+/R-
[0027] 其中，PMPPT为风机以最大功率运行时的功率输出，Pm(i3)为风机降载运行功率输出。 前两式表示考虑转子转速控制及桨距角控制的上、下调频容量的修正值，它们分别与修正 前的基础备用容量成比例。风力发电机组的空气动力学模型如下描述：
[0028]
[0029]
[0030] 1/λ?=1/(λ-〇,〇2β)-〇.003/(1+β3)
[0031 ] λ= ω rR/ Vw
[0032]其中，Kr为调频容量的等级系数，即风机降载运行的降载比；Ρο为风力发电机组稳 态运行时的功率输出;λ和β表示风机的叶尖速比和桨距角;ρ表示空气密度，Α表示叶片扫掠 的面积，ω r表示风机转子转速;R表示风机叶片半径，Vw表示风速。
[0033]约束条件：
[0034] 风机转子转速约束：历 SS
[0035] 桨距角调节范围约束:0彡β彡i3max
[0036] 降载比约束：OS AT,人了"
[0037] 其中，风机转子转速约束由风机技术规格设置，桨距角调节范围及降载比约束根 据经验设置。
[0038] 所述的步骤4)考虑风场调频容量的风电调节备用容量的修正模型采用如下方法 建立：
[0039]
[0040]
[0041] 其中，羝/私表示考虑风机有功主动控制下提供的调频容量对于风电调节上/下 调备用容量修正后的值。
[0042]本发明的有益效果是：
[0043] 本发明旨在考虑风机有功控制策略下，充分发挥风电参与系统的调频能力，在保 证系统可靠性的前提下尽可能减少风电场所需的备用容量，进而降低备用成本，提高系统 运行的经济性。相应的评估结果可以作为系统调度及风电场备用容量配置的有效参考依 据。
【附图说明】
[0044] 图1上/下调基础备用容量评估示意图；
[0045] 图2是某一时段的备用容量概率统计图；
[0046]图3转速控制及桨距角控制协同作用原理图；
[0047] 图4 00:00-01:00时段风场下调基础备用容量概率柱形图；
[0048] 图5不同置信水平下风场各时段上/下调备用容量。
【具体实施方式】
[0049]下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0050]本发明方法包括以下步骤：
[0051] 1)基于历史数据统计对风电场基础备用容量进行初步评估；
[0052] 2)风机调频控制策略建模；
[0053] 3)考虑风机有功主动控制策略，对风场调频容量评估；
[0054] 4)考虑风场调频容量，建立风电调节备用容量修正模型，对风电场基础备用容量 进行修正。
[0055]所述的步骤1)中的基于历史数据统计的风电场基础备用上/下调容量R+/R_评估具 体如下：
[0056]图1和图2给出了基于历史数据统计的风电场基础备用容量评估原理。风电场 SCADA周期性的采集出力数据时间序列为Pi，其中i表示数据的下标号。将整年的出力数据 按1小时为时间间隔划分为24个时间段，每个时间段内，可以统计出这段时间内出力的平均 值和最大/小值，以及以风电出力平均值为参考值时，每个时间段内风电出力上/下波动的 最大限度P7P_。一般情况下，假定风电波动具有较稳定的统计特性是合理的，因此可以画出 各时段内上/下调备用容量的概率曲线如图2所示。在图2、表1中，化//(，...，'+/&分别表 示离散的标准化上/下调备用容量值，根据风场的实际出力情况人为设定。对于给定的上/ 下调备用容量，风场出力最大上/下波动限度P+/P-不超过巧的概率$/巧:，可以 根据图2中的各时段概率统计曲线求出。当给定平滑风电波动的置信水平λ+/λ_时，相应需要 的上/下调备用容量水平R+/R_也可由概率统计曲线得出。
[0057]基于历史数据统计的风电场基础备用上/下调备用容量R+/R-评估可用以下步骤 得到：
[0058] ①将整年的出力数据按1小时为时间间隔划分为24个时间段；
[0059] ②每个时间段内，按如下公式统计风电出力上/下波动的最大限度P+/P_，并得到如 表1所示的各时段备用容量概率统计表；
[0060] P+=max{Pi}-avg{Pi}
[0061] P-= avg{Pi}_min{Pi}
[0062]
[0063] 」 ^
[0064] 表1上/下调基础备用容量概率统计示意表
[0065]
[0066] ③对于每个时间段，根据图2并按下式求出风电场各时间段的上/下调备用容量。
[0067]
[0068]
[0069] 所述的步骤2)风机调频控制策略建模具体描述如下：
[0070] 风机的有功主动控制策略包括基于旋转动能释放的短时过载运行、变流器过载运 行以及降载运行等。本发明考虑的是风电场二/三次备用容量的评估，因次只考虑包含转子 转速控制及桨距角控制的降载运行控制策略。降载运行控制策略是指使风机在偏离最大功 率跟踪(Maximum Power Point Tracking,ΜΡΡΤ)点运行，从而为系统调频提供一定的备用 容量。降载运行控制包含转子转速控制和桨距角控制两种方式。其中，转子转速控制改变的 是风机功率跟踪曲线，即从ΜΡΡΤ曲线变为降载曲线;桨距角控制改变的是风机捕获的气动 功率曲线，如图所示。图中 Pa*风机正常运行ΜΡΡΤ点时的稳态输出，单独采用转子转速控制 时，其降载运行输出为Pd，转子转速控制下可提供的调频容量为(P a_Pd);单独采用桨距角控 制时，其降载运行输出为P。，桨距角控制下可提供的调频容量为(Pa_P。）。若同时考虑转子转 速控制与桨距角控制策略，则其降载运行输出为P b，此刻可提供的调频容量为(Pa_Pb)。综合 利用两种控制方式，能在保证尽可能输出更多风电的基础上，为风机参与调频提供尽可能 多的备用容量。为了求得综合利用转子转速控制以及桨距角控制下风电场提供的调频容 量，采取以下的控制策略：
[0071] ①正常情况下关闭桨距角控制，风机维持运行在降载运行点Po,即图中的d点；
[0072] ②当需要上调备用时，风机运行状态从降载运行点Ρο,即图中的d点，移动到MPPT 点，即图中的a点，增加风机出力以减小向下的波动；
[0073] ③当需要下调备用时，启动桨距角控制，进一步减少风机出力以减小向上的波动， 使风机运行状态从图中的d点移动到b点。
[0074]所述的步骤3)考虑风机有功主动控制策略的风场上/下调频容量△ R+/ A ΙΓ评估方 法如下：
[0075] Δ R+ = PMppT-Po=Kr · Pmppt
[0076] AR-= Ρ『ΡΜ(β)
[0077] AR+/AR-= R+/R-
[0078] 其中，PMPPT为风机以最大功率运行时的功率输出，Pm(i3)为风机降载运行功率输出。 前两式表示考虑转子转速控制及桨距角控制的上、下调频容量的修正值，它们分别与修正 前的基础备用容量成比例。风力发电机组的空气动力学模型如下描述：
[0079]
[0080]
[0081 ] 1/λ?=1/(λ-〇,02β)-0.003/(1+β3)
[0082] λ= ω rR/ Vw
[0083] 其中，Kr为调频容量的等级系数，即风机降载运行的降载比；Ρο为风力发电机组稳 态运行时的功率输出;λ和β表示风机的叶尖速比和桨距角;ρ表示空气密度，Α表示叶片扫掠 的面积，ω r表示风机转子转速;R表示风机叶片半径，Vw表示风速。
[0084]约束条件：
[0085] 风机转子转速约束：S <ax
[0086] 桨距角调节范围约束:0彡β彡i3max
[0087] 降载比约束广
[0088] 其中，风机转子转速约束由风机技术规格设置，桨距角调节范围及降载比约束根 据经验设置。
[0089] 所述的步骤4)考虑风场调频容量的风电调节备用容量的修正模型采用如下方法 建立：
[0090]
[0091]
[0092] 其中，見7焉:表示考虑风机有功主动控制下提供的调频容量对于风电调节上/下 调备用容量修正后的值。
[0093] 采用本发明方法进行风电场备用容量评估能够充分发挥风电参与系统的调频能 力，在保证系统可靠性的前提下尽可能减少风电场所需的备用容量，进而降低备用成本，提 高系统运行的经济性。相应的评估结果可以作为系统调度及风电场备用容量配置的有效参 考依据。
[0094]本发明的具体实施例如下：
[0095] 我们采用所提方法对所示风电场进行备用容量评估。采集风电场年出力数据后， 根据风场选定的风机机型以及风机正常状态下风速与输出功率曲线，可对本发明提出的方 法进行验证。
[0096] 采用本发明方法对实施例进行仿真计算，结果如下：
[0097]图给出了风场00:00-01:00时段下调备用容量概率柱形图，从柱形图中可以知道， 当给定置信水平f后即可从图中得出该时段内的备用容量。图给出了置信水平分别为 98.5%和96.5%时，风场24时段的上、下调备用容量曲线图。从图中可以发现当设定的置信 水平越高，风电调节所需的备用容量越大。这是因为置信水平越高，说明需要平滑的风电出 力波动越大，则所需的备用容量也越大。此外，随着置信水平的增加，各时段之间备用容量 的差异也增大，这是因为置信水平高表示平滑波动的要求越高，各时段之间的差异性会体 现的更明显。从图中还可以发现，无论置信水平高或低，风场白天所需的备用容量要略小于 夜间，说明夜间的风资源更丰富平稳，而白天的风资源波动性更显著。而经调频容量的修正 后，风电场的上、下调备用容量的变化基本上在5%范围内，说明调频容量的大小相较于基 于历史统计的风电场基础备用容量而言很小，仅起到修正与精确化的作用，基础备用容量 起决定性作用。
[0098]上述【具体实施方式】用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的 精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范 围。
【主权项】
1. 一种计及风机有功主动控制的风电调节备用容量评估方法，其特征在于包括以下步 骤： 1) 基于历史数据统计对风电场基础备用容量进行初步评估； 2) 对风机调频控制策略建模； 3) 考虑风机有功主动控制策略，对风场调频容量评估； 4) 考虑风场调频容量，建立风电调节备用容量修正模型，对步骤1)初步评估的风电调 节备用容量进行修正。2. 根据权利要求1所述的一种计及风机有功主动控制的风电调节备用容量评估方法， 其特征在于:所述的步骤1)基于历史数据统计的风电场基础备用上/下调备用容量1?71?_评 估采用以下公式得到： P+=max{Pi}-avg{Pi} P" = avg{Pi}-min{Pi} p+=Prob([^ < R]) p::=Ρη?{Ρ Ui) R+ =min{R'：\p']>A+\ R -- minify \ pt > λ | 其中，Pi为采集的风电场历史出力数据时间序列;P+为每小时内风电出力最大值与平均 值之差;P_为每小时内风电出力平均值与最小值之差；即:P+/P_表示以每小时内风电出力平 均值为参考值时，每小时内风电出力上/下波动的最大限度;$/及丨表示离散的标准化上/ 下调备用容量值，根据风场的实际出力情况人为设定；对/&表示统计风电场年出力数据 中每小时内风电出力上/下波动的最大限度P+/P_不超过的概率;λ+/λ_表示平滑风电 波动的置信水平，根据风场出力的需求而定;R+/R_表示基于历史数据统计的风电场基础备 用上/下容量，为概率<//; ;不小于置信水平λ+/λ-前提下选定的离散标准化上/下调备用容 量C/'的最小值。3. 根据权利要求1所述的一种计及风机有功主动控制的风电调节备用容量评估方法， 其特征在于:所述的步骤2)风机调频控制策略建模具体描述为： ① 正常情况下关闭桨距角控制，风机维持运行在降载运行点Po; ② 当需要上调备用时，风机运行状态从降载运行点Po移动到最大功率跟踪点MPPT点，增 加风机出力以减小向下的波动； ③ 当需要下调备用时，启动桨距角控制，进一步减少风机出力以减小向上的波动。4. 根据权利要求1所述的一种计及风机有功主动控制的风电调节备用容量评估方法， 其特征在于:所述的步骤3)考虑风机有功主动控制策略的风场上/下调频容量△ R+/ A IT评 估方法如下： Δ R+ = PMPPT-Po = Kr · Pmppt AR- = P0-Pm(P) ARVAr = RVr 其中，Pmppt为风机以最大功率运行时的功率输出，Ρ"(β)为风机降载运行功率输出。前两 式表示考虑转子转速控制及桨距角控制的上、下调频容量的修正值，它们分别与修正前的 基础备用容量成比例。风力发电机组的空气动力学模型如下描述：λ- OJ rR/Vw 其中，Kr为调频容量的等级系数，即风机降载运行的降载比；PO为风力发电机组稳态运 行时的功率输出;λ和β表示风机的叶尖速比和桨距角;p表示空气密度，A表示叶片扫掠的面 积，ω r表示风机转子转速;R表示风机叶片半径，Vw表示风速。 约束条件： 风机转子转速约束：Cio S % ^ 桨距角调节范围约束:〇彡β彡Pmax 降载比约束:把&S反严 其中，风机转子转速约束由风机技术规格设置，桨距角调节范围及降载比约束根据经 验设置。5.根据权利要求1所述的一种计及风机有功主动控制的风电调节备用容量评估方法， 其特征在于:所述的步骤4)考虑风场调频容量的风电调节备用容量的修正模型采用如下方 法建立：其中，表示考虑风机有功主动控制下提供的调频容量对于风电调节上/下调备 用容量修正后的值。
【文档编号】H02J3/48GK105896617SQ201610431374
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年6月16日
【发明人】汪震, 周昌平, 杨正清
【申请人】浙江大学