風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的規(guī)劃及其等效模型

摘 要：風(fēng)力發(fā)電有其自身的特點(diǎn)和規(guī)律，在當(dāng)前世界范圍內(nèi)的新能源發(fā)展和節(jié)能減排的環(huán)保政策背景之下，我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電的接入電網(wǎng)規(guī)劃提上了議事日程，并以此規(guī)劃為前提，建構(gòu)了風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)接入的電網(wǎng)規(guī)劃模型，在對(duì)相關(guān)指標(biāo)的科學(xué)評(píng)價(jià)之下，使風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的等效模型具有實(shí)用價(jià)值和功能。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)；規(guī)劃；等效模型

隨著國(guó)際范圍內(nèi)的能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題日益突出，風(fēng)能作為一種清潔能源、低碳綠色能源而被人們所關(guān)注。我國(guó)的風(fēng)電裝機(jī)容量已經(jīng)超過(guò)千萬(wàn)千瓦，未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)將會(huì)有更多的風(fēng)電裝機(jī)容量，在這個(gè)趨勢(shì)預(yù)測(cè)前提下，在風(fēng)電大規(guī)模接入電網(wǎng)的條件下，我國(guó)的電網(wǎng)工作要進(jìn)行科學(xué)合理的統(tǒng)籌規(guī)劃，要在風(fēng)電并網(wǎng)的思路下，合理地設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電的規(guī)劃，并建構(gòu)有效的等效模型，以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)能的最大化利用。

1 DFIG風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的系統(tǒng)分析

風(fēng)力發(fā)電以典型的可再生能源發(fā)電模式被不斷開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，在電力電子技術(shù)不斷進(jìn)步和成熟的條件下，背靠背變流器勵(lì)磁裝置的DFIG成為了風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的主流機(jī)型，DFIG風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)系統(tǒng)目前研究的重點(diǎn)在于風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及大型風(fēng)電場(chǎng)的等值方法等，并在我國(guó)智能電網(wǎng)不斷推進(jìn)的形勢(shì)下，以風(fēng)力發(fā)電為主的分布式電源并網(wǎng)容量顯現(xiàn)出不斷增大的趨勢(shì)和傾向。本文以DFIG的數(shù)學(xué)等效模型為著眼點(diǎn)，探討DFIG發(fā)電場(chǎng)系統(tǒng)的等效模型，并對(duì)其加以改進(jìn)，從而系統(tǒng)地驗(yàn)證DFIG發(fā)電場(chǎng)系統(tǒng)的能力。

1.1 DFIG風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的物理架構(gòu)系統(tǒng)分析

在DFIG風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的物理架構(gòu)之中，其物理構(gòu)件主要有風(fēng)力機(jī)、發(fā)電機(jī)和雙向變流器，它采用類(lèi)似于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的雙饋發(fā)電機(jī)，這種雙饋式風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的架構(gòu)及功率分布，如下圖所示：

雙饋式風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)架構(gòu)及功率分布圖

1.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的模型

基于風(fēng)力發(fā)電的規(guī)律及特點(diǎn)，可以建構(gòu)風(fēng)力發(fā)電模型，為風(fēng)力發(fā)電接入電網(wǎng)規(guī)劃奠定基礎(chǔ)。

（1）風(fēng)速模型

經(jīng)過(guò)大量的實(shí)測(cè)得出相關(guān)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)這些實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)加以分析可以得知，風(fēng)速的變化近似服從于Weibull分布，由此可以得到概率密度函數(shù)，用公式可以表述為：

在上式中，c表示韋伯爾分布的尺度參數(shù)；k表示形狀參數(shù)。

（2）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出力模型

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的出力模型，主要涉及兩個(gè)概念，即：發(fā)電功率P和風(fēng)速v，這兩者之間的關(guān)系可以用以下公式加以表述和描繪：

在上式之中，v主要表示風(fēng)機(jī)輪轂部位的風(fēng)速；Vet表示切入風(fēng)速；V∞表示切出風(fēng)速；Vt表示額定風(fēng)速；Pt表示風(fēng)機(jī)額定輸出功率。

2 風(fēng)力發(fā)電接入網(wǎng)規(guī)劃相關(guān)指標(biāo)分析

2.1 風(fēng)力發(fā)電利用指標(biāo)

為了開(kāi)發(fā)我國(guó)的新能源，電網(wǎng)企業(yè)要將風(fēng)電進(jìn)行全額收購(gòu)，為了充分體現(xiàn)出風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)絡(luò)的輸送性能，可以運(yùn)用風(fēng)力發(fā)電利用指標(biāo)加以描繪和表示：

Q=F/P

在上式之中，F(xiàn)代表風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)實(shí)際負(fù)荷狀態(tài)下的出力數(shù)據(jù)；P代表風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的可出力數(shù)據(jù)?？紤]到風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)出力數(shù)據(jù)與風(fēng)速的分段關(guān)系，可以運(yùn)用函數(shù)變量公式，對(duì)風(fēng)力發(fā)電出力的期望值，進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式為：

E[f（x，ξ）]=Σθf(wàn)（x，ξ）

在上式之中，x代表風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)規(guī)劃方案；ξ代表風(fēng)速的隨機(jī)變量；f（x，ξ）是目標(biāo)函數(shù)，它代表風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)出力；θ代表變量ξ的分布函數(shù)。

2.2 風(fēng)力發(fā)電綜合指標(biāo)

在風(fēng)力發(fā)電接入網(wǎng)的規(guī)劃之中，存在風(fēng)力發(fā)電最大化利用和最小化建設(shè)成本之間的矛盾沖突，因而，可以建構(gòu)風(fēng)力發(fā)電綜合指標(biāo)，其公式可以表達(dá)為：

Z=CQ/L

在上述公式之中，Q代表風(fēng)力發(fā)電利用指標(biāo)；L代表風(fēng)力發(fā)電建設(shè)成本；C代表系數(shù)。

3 風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)并網(wǎng)規(guī)劃模型構(gòu)建

3.1 能源法視角下的傳統(tǒng)確定性規(guī)劃模型

如果在模型構(gòu)建時(shí)不考慮風(fēng)力發(fā)電的隨機(jī)性，而是按照最大出力的規(guī)劃原則，在確保電力安全傳輸?shù)那疤嵯?，力求建設(shè)成本最低，則可以構(gòu)建如下風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)規(guī)劃模型：

在上述公式之中，我們可以看到，minf（x）表示風(fēng)力發(fā)電的建設(shè)最小成本；gj（x）≤0表示風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的約束條件。

3.2 風(fēng)力發(fā)電出力的隨機(jī)性規(guī)劃模型

考慮到風(fēng)力發(fā)電存在隨機(jī)變化的狀態(tài)，傳統(tǒng)的、確定性的公式已經(jīng)無(wú)法真實(shí)表達(dá)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，因而，需要在風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的規(guī)劃模型中，將出力隨機(jī)變化值納入到公式之中。具體表達(dá)如下：

在上述公式之中，ξ表示風(fēng)力發(fā)電出力的隨機(jī)變量；minf（x，ξ）代表風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)最小建設(shè)成本；gj（x，ξ）≤0代表風(fēng)力發(fā)電線(xiàn)路的約束條件。

3.3 風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的機(jī)會(huì)約束規(guī)劃模型

這是在考慮約束條件中涵蓋有隨機(jī)變量的條件下，基于機(jī)會(huì)約束規(guī)劃，而構(gòu)建的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)規(guī)劃模型，可以用如下公式加以表達(dá)：

在上式之中，ξ表示風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)出力的隨機(jī)變量；f（x，ξ）表示兼顧經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)E、風(fēng)電利用指標(biāo) Q；maxf（x，ξ）代表最大化綜合指標(biāo)；gj（x，ξ）≤0代表線(xiàn)路約束條件。

參考文獻(xiàn)

[1]蘭宏光.變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能追蹤研究[D].沈陽(yáng)建筑大學(xué)，2013.

[2]王沐晗.基于LabVIEW的風(fēng)電機(jī)組仿真研究[D].華北電力大學(xué)，2012.

（作者單位：中廣核風(fēng)電有限公司內(nèi)蒙古分公司）