基于超短期功率預(yù)測的風(fēng)電場集群無功功率優(yōu)化分配方法

基于超短期功率預(yù)測的風(fēng)電場集群無功功率優(yōu)化分配方法

0風(fēng)電場棄風(fēng)問題研究隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的進(jìn)步和風(fēng)扇制造水平的不斷提高，“建設(shè)大基地、大電網(wǎng)”的發(fā)展趨勢不斷提高，中國電網(wǎng)的所有權(quán)不斷擴(kuò)大，從分散的、小規(guī)模的開發(fā)到大規(guī)模的、高集中的開發(fā)，以及從遙遠(yuǎn)到高電壓傳輸?shù)姆较虬l(fā)展。甘肅酒泉、新疆哈密、內(nèi)蒙古、吉林、山東等8個千萬千瓦級的風(fēng)電基地已相繼獲得批復(fù)和開工建設(shè)。與之相對應(yīng)的是,受電網(wǎng)建設(shè)與風(fēng)電場建設(shè)不協(xié)調(diào)、系統(tǒng)調(diào)峰容量不足、外送通道輸送能力不足等因素影響,風(fēng)電場棄風(fēng)問題日益嚴(yán)峻。從中國可再生能源學(xué)會風(fēng)能專業(yè)委員會2011年4月6日發(fā)布的《2011年風(fēng)電限電情況初步統(tǒng)計》可知,2011年中國約有100億kW·h左右的風(fēng)電電量由于電網(wǎng)調(diào)度限電原因而損失,其中,甘肅、內(nèi)蒙古、吉林等風(fēng)電場集中地區(qū)的限電比例均超過20%;2012年棄風(fēng)電量更是高達(dá)200億kW·h。在短期內(nèi)風(fēng)電場棄風(fēng)問題無法有效解決、限出力運(yùn)行仍將持續(xù)的背景下,如何合理分配風(fēng)電集群內(nèi)各風(fēng)電場的有功出力限值,實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)風(fēng)電場間的協(xié)調(diào)控制已成為當(dāng)前迫切需要解決的現(xiàn)實(shí)問題。文獻(xiàn)提出了一種啟停風(fēng)電機(jī)組最少的風(fēng)電場有功降功率控制算法,用于改善風(fēng)電場輸出功率的平穩(wěn)性;文獻(xiàn)提出了一種基于非線性優(yōu)化的以功率輸出偏差最小和內(nèi)損耗最小的風(fēng)電場功率分配控制策略;文獻(xiàn)提出了一種考慮儲能的風(fēng)電場有功控制三次模型,風(fēng)電場調(diào)度層按照成本最小原則分?jǐn)偢黠L(fēng)力發(fā)電機(jī)組出力;文獻(xiàn)提出了一種基于機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)分類的風(fēng)電場有功功率控制策略;文獻(xiàn)對風(fēng)電場有功功率控制采用平均分配策略;文獻(xiàn)提出按風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量比例分配的風(fēng)電場有功功率分配策略以降低有功功率的分配誤差。顯然,現(xiàn)有的以風(fēng)電場為單位、各自獨(dú)立調(diào)節(jié)的有功功率控制模式將無法滿足上述要求。為此,本文結(jié)合中國大規(guī)模風(fēng)電基地開發(fā)建設(shè)的特點(diǎn),針對風(fēng)電場集群限出力運(yùn)行的情形,基于超短期功率預(yù)測建立了一種風(fēng)電場集群有功功率優(yōu)化分配方法,以期在最大有功允許出力給定的前提下,實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場集群的風(fēng)能利用最大化和線損最小化。1風(fēng)電場集群接入系統(tǒng)模型風(fēng)電場集群指地理位置相同或者接近,處于同一風(fēng)資源帶,具有相同風(fēng)力特性,多采用“單元式接線”集中接入同一并網(wǎng)點(diǎn)的風(fēng)電場集合。圖1為典型的風(fēng)電場群匯入系統(tǒng)接線圖。其中,Bs為無窮大電網(wǎng)的母線;BWFC為風(fēng)電場集群匯入系統(tǒng)的母線;B1—BN分別為各風(fēng)電場接入系統(tǒng)的母線。風(fēng)電場集群具有相關(guān)性強(qiáng)、有功出力同時率高、裝機(jī)容量大等特點(diǎn)。同時,風(fēng)電場集群的地理分散效應(yīng)以及風(fēng)速傳播的時間相關(guān)性,又使其有功出力具有獨(dú)特的時空特性。圖2為甘肅酒泉風(fēng)電基地內(nèi)某實(shí)際風(fēng)電場集群及其內(nèi)部4座風(fēng)電場的10min級的實(shí)際有功出力波動情況。2在有限的生產(chǎn)條件下，風(fēng)電站集群的功率優(yōu)化和分配2.1風(fēng)電場集輸時間約束風(fēng)電場集群有功功率優(yōu)化分配的基本思想是如何在最大有功允許出力給定的前提下,利用超短期風(fēng)電功率預(yù)測結(jié)果,綜合考慮集群內(nèi)部各風(fēng)電場的實(shí)時功率約束、各風(fēng)電場與匯集站間聯(lián)絡(luò)線上的有功損耗、風(fēng)電機(jī)組頻繁啟停對機(jī)組壽命和風(fēng)電場運(yùn)行成本的不利影響等因素,實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場集群有功出力的最大化和線損的最小化?；谏鲜龇治?對于包含N座風(fēng)電場的風(fēng)電場集群WFC,可建立如下目標(biāo)函數(shù)式中:PWFiDIS為隸屬于風(fēng)電場集群WFC的風(fēng)電場i在t時段的計劃有功出力;ΔPWFi為風(fēng)電場i輸送有功功率PWFiDIS時在聯(lián)絡(luò)線(風(fēng)電場升壓站至風(fēng)電場集群匯集站)上的有功功率損耗;α1、α2為權(quán)重系數(shù)。與目標(biāo)函數(shù)相對應(yīng)的約束條件主要有4個。式中:PWFCMAX為風(fēng)電場集群WFC在t時段的最大有功允許出力,該值由調(diào)度中心依據(jù)電網(wǎng)的實(shí)時運(yùn)行信息綜合整定計算所得。對于采用cosφ=1的恒功率因數(shù)控制方式的“單元式接線”的雙饋型風(fēng)電場而言式中:UWFi為風(fēng)電場i升壓站高壓側(cè)電壓;li為風(fēng)電場升壓站與風(fēng)電場集群匯集站間聯(lián)絡(luò)線的長度;ri為聯(lián)絡(luò)線單位長度電阻;PWFi、QWFi為風(fēng)電場i的有功、無功出力。(2)風(fēng)電場輸出功率約束式中:PWFiFOR為風(fēng)電場i在t時段的超短期有功功率預(yù)測值;PNWFi為風(fēng)電場i的額定裝機(jī)容量。(3)低預(yù)測功率約束式中:kfpi為低預(yù)測功率約束的小于1的權(quán)重系數(shù)。式(5)的具體含義為,當(dāng)風(fēng)電場i在t時段的有功功率預(yù)測值較低時,該風(fēng)電場不再參與風(fēng)電場集群有功功率的優(yōu)化分配,且其計劃有功出力等于其預(yù)測值。(4)避免機(jī)組頻繁啟停約束式中:krsi為避免機(jī)組頻繁啟停約束的小于1的權(quán)重系數(shù)。krsiPNWFi為風(fēng)電場i在不切機(jī)前提下能達(dá)到的最小出力限值,類似于常規(guī)同步發(fā)電機(jī)組的技術(shù)最小出力。2.2風(fēng)電場集群wfc的線性分段處理顯然,當(dāng)風(fēng)電場集群WFC在t時段的超短期有功功率預(yù)測值PWFCFOR減去相對應(yīng)的有功功率線損ΔPWFCFOR后小于等于其最大有功允許出力PWFCMAX時,風(fēng)電場集群內(nèi)部的各風(fēng)電場并不需要做有功出力計劃的調(diào)整,只需依據(jù)各自的風(fēng)況進(jìn)行最大功率輸出即可,即鑒于當(dāng)前超短期風(fēng)電功率的預(yù)測結(jié)果還存在著一定的誤差,而且當(dāng)風(fēng)電功率預(yù)測結(jié)果偏低時可能會引發(fā)風(fēng)電場集群有功實(shí)際出力大于其最大允許出力的情形,做如下針對性的分段處理式中:kfpe為一個與風(fēng)電功率預(yù)測精度正相關(guān)的小于1的權(quán)重系數(shù),由整定給出。預(yù)測精度越高,kfpe越大。式(8)的具體含義為:當(dāng)PWFCFOR-ΔPWFCFOR≤kfpePWFCMAX時,風(fēng)電場集群WFC的各風(fēng)電場在t時段依據(jù)各自的風(fēng)況進(jìn)行最大功率輸出即可;當(dāng)kfpePWFCMAX<PWFCFOR-ΔPWFCFOR≤PWFCMAX時,各風(fēng)電場的有功出力計劃在t時段雖不做調(diào)整,但其實(shí)際有功出力最大不得超過其預(yù)測值,當(dāng)PWFiMAX>PWFiFOR時自行進(jìn)行限出力控制。這也意味著,只有當(dāng)PWFCFOR-ΔPWFCFOR>PWFCMAX時,風(fēng)電場集群WFC在t時段方需進(jìn)行限出力的有功功率協(xié)調(diào)控制。當(dāng)風(fēng)電場集群WFC進(jìn)行有功功率優(yōu)化分配時,首先依據(jù)低預(yù)測功率約束將風(fēng)電場集群WFC劃分為2個子集WFCΙ和WFCΙΙ,即WFC=WFCΙ+WFCΙΙ。具體來說,將風(fēng)電場集群WFC內(nèi)部滿足低功率約束要求的所有風(fēng)電場組合形成子集WFCΙ,并設(shè)其包含風(fēng)電場個數(shù)為N-M;將其他的不滿足低預(yù)測功率約束的風(fēng)電場組合形成子集WFCΙΙ,對應(yīng)的風(fēng)電場個數(shù)M。對于歸屬于子集WFCΙ的風(fēng)電場j而言同時,可知子集WFCΙΙ的最大允許有功出力此時,風(fēng)電場集群WFC的有功功率優(yōu)化分配將具體歸結(jié)為其子集WFCΙΙ的有功功率優(yōu)化分配問題(目標(biāo)函數(shù)不變,約束條件減少為3個,風(fēng)電場個數(shù)減少為M個),即目標(biāo)2.3求解算法過程遺傳算法作為一種基于自然選擇原理和自然遺傳機(jī)制的全局優(yōu)化搜索算法,具有簡單通用、魯棒性強(qiáng)、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn),本文采用基于遺傳算法求解風(fēng)電場集群的有功功率優(yōu)化分配模型。(1)采用式(1)作為適應(yīng)度函數(shù);(2)變量采用十進(jìn)制整數(shù)編碼,風(fēng)電場的有功出力作為控制變量;(3)解碼時,按相應(yīng)的位數(shù)截取數(shù)值,代入適應(yīng)度函數(shù)計算;(4)采用完全隨機(jī)的方法產(chǎn)生初始種群;(5)選擇算子采用無回放余數(shù)隨機(jī)選擇與最優(yōu)保存策略相結(jié)合的方法;(6)交叉算子選用兩點(diǎn)交叉與精英交叉相結(jié)合的方法;(7)變異算子采用基本位變異;(8)以達(dá)到最大進(jìn)化代數(shù)T作為算法的終止條件。綜合2.1節(jié)、2.2節(jié)和2.3節(jié)內(nèi)容,建立如圖3所示的風(fēng)電場集群有功功率優(yōu)化分配求解流程。3風(fēng)電場集群的功能定位以中國西北地區(qū)某風(fēng)電場集群的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行算例分析。該風(fēng)電場集群共包含7座風(fēng)電場,總裝機(jī)容量為1314MW,集中接入某330kV變電站后并網(wǎng)運(yùn)行,具體概況如表1所示。正常情況下,風(fēng)電場集群的調(diào)節(jié)周期為15min。依據(jù)調(diào)度中心指令,該風(fēng)電場集群在某日01:00—03:00期間的最大有功出力被限制在610MW(01:00—02:00)和630MW(02:00—03:00)。同時期內(nèi),風(fēng)電場集群內(nèi)各風(fēng)電場的超短期有功功率預(yù)測值如表2所示。為驗(yàn)證優(yōu)化分配方法的有效性與可行性,將其與傳統(tǒng)的基于預(yù)測數(shù)據(jù)的比例分配方法進(jìn)行對比分析?；诔唐陬A(yù)測數(shù)據(jù)的比例分配方法是依據(jù)各風(fēng)電場在t時段的有功功率預(yù)測值,進(jìn)行風(fēng)電場集群有功出力計劃的比例分配。2種分配方法下,風(fēng)電場集群內(nèi)部7個風(fēng)電場的計劃出力分配結(jié)果以及主要參數(shù)的對比結(jié)果分別如表3、表4所示。4優(yōu)化分配方法對風(fēng)電場集群棄風(fēng)電量的影響基于算例分析結(jié)果,可得如下結(jié)論。(1)風(fēng)電機(jī)組頻繁啟停不僅縮短了機(jī)組使用壽命、增加了系統(tǒng)運(yùn)行成本,而且易引發(fā)風(fēng)電場無法有效執(zhí)行調(diào)節(jié)要求的情況。對比分析表1、表3可知,比例分配方法下的風(fēng)電場7的計劃出力在第1、2、4、5時段均存在低于頻繁啟停約束限制的情形,進(jìn)而使得該方法下的系統(tǒng)運(yùn)行成本相對高于優(yōu)化分配方法。(2)與比例分配方法相比,由于考慮了風(fēng)電場與匯集站間聯(lián)絡(luò)線的有功損耗,優(yōu)化分配方法有效地增加了風(fēng)電場集群的有功出力。如表4中的第6時段,風(fēng)電場集群的實(shí)際有功出力由比例分配方法的630MW提升為632.67MW,匯集站處輸送至電網(wǎng)的有功出力也由627.04MW提升為629.95MW。(3)與比例分配方法相比,因考慮了集群運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性,優(yōu)化分配方法在有效增加風(fēng)電場有功出力的同時,還使風(fēng)電場集群的有功損耗降低到更小。如表4中的第5時段,在多輸送2.53MW有功功率的同時,集群內(nèi)部的有功損耗由比例分配方法的2.91MW降低為優(yōu)化分配法的2.55MW。(4)進(jìn)一步計算分析可得,與比例分配法相比,在01:00—03:00調(diào)峰時段內(nèi),優(yōu)化分配法下的風(fēng)電場集群的棄風(fēng)電量共減少5915k