風(fēng)電機(jī)組有功功率集散優(yōu)化控制系統(tǒng)研究

張中泉，劉曉光，鐘天宇

（華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江省 杭州市 310030）

0 引言

隨著風(fēng)電技術(shù)的逐漸成熟，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，其間歇性、波動(dòng)性及隨機(jī)性的特征將會(huì)給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性帶來一定的沖擊。如何主動(dòng)對風(fēng)電場有功出力進(jìn)行控制，改變現(xiàn)有風(fēng)電場負(fù)荷控制模式，優(yōu)化利用風(fēng)能資源，是電網(wǎng)和風(fēng)電場調(diào)度人員都十分關(guān)心的課題[1-2]。

目前，同一風(fēng)電場內(nèi)可能存在多個(gè)廠家、多種型號(hào)的風(fēng)電機(jī)組，為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組有功功率控制，各風(fēng)電機(jī)組均配置自行開發(fā)的有功集成控制平臺(tái)。但是，由于現(xiàn)有的有功集成控制平臺(tái)存在通訊協(xié)議等融合度差的問題，風(fēng)電場難以根據(jù)不同設(shè)備技術(shù)參數(shù)、不同風(fēng)況下風(fēng)電機(jī)組出力和設(shè)備穩(wěn)定性差異合理調(diào)配風(fēng)電機(jī)組出力。同時(shí)，不同投產(chǎn)時(shí)間的風(fēng)電場也存在上網(wǎng)電價(jià)不同的情況，在接收調(diào)度發(fā)電計(jì)劃指令時(shí)，常見的風(fēng)機(jī)機(jī)群控制策略并未考慮電價(jià)差異問題[3]。因此，為了使得風(fēng)電企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益最大化，需要對風(fēng)電機(jī)組有功功率控制策略進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化。

文獻(xiàn)[4-7]針對風(fēng)電機(jī)組本身的有功功率控制策略進(jìn)行了相關(guān)研究，這些研究大大提高了風(fēng)電機(jī)組自動(dòng)控制有功功率出力的能力及自動(dòng)化水平，為風(fēng)電場以機(jī)群的模式對風(fēng)電機(jī)組出力進(jìn)行控制提供了基礎(chǔ)條件。同時(shí)，有學(xué)者研究了基于風(fēng)功率預(yù)測的風(fēng)電場出力調(diào)度方法，該方法根據(jù)風(fēng)功率預(yù)測結(jié)果優(yōu)化風(fēng)電場出力調(diào)度指令[8-9]。也有學(xué)者開展了風(fēng)電機(jī)群有功功率控制的相關(guān)研究，該控制策略中，將風(fēng)電機(jī)組按集群方式進(jìn)行分組，便于統(tǒng)一控制[10]，以上這些研究為風(fēng)電機(jī)組有功功率集散優(yōu)化控制系統(tǒng)的開發(fā)提供了借鑒及參考。

本文從實(shí)際應(yīng)用的層面出發(fā)，對風(fēng)電機(jī)組有功功率集散優(yōu)化控制方法進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一套風(fēng)電機(jī)組有功功率集散優(yōu)化控制系統(tǒng)開發(fā)方案，該方案在不改變風(fēng)電機(jī)組能量管理平臺(tái)以及自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)(automatic generation control，AGC)的前提下，以盡量簡單便捷的手段對風(fēng)電機(jī)組有功功率進(jìn)行優(yōu)化控制，以最大限度地利用上網(wǎng)電價(jià)較高、穩(wěn)定性較好的設(shè)備，提高風(fēng)電場收益。

1 優(yōu)化控制系統(tǒng)搭建

為了應(yīng)用于實(shí)際風(fēng)電場，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組有功功率集散優(yōu)化控制，需要開發(fā)一套相應(yīng)的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)考慮如下的幾個(gè)設(shè)計(jì)要求：

1）盡量減少風(fēng)電場現(xiàn)有的其他自動(dòng)化系統(tǒng)的改動(dòng)，縮減其他系統(tǒng)配合的工作量。

2）盡量減少對風(fēng)電場現(xiàn)有系統(tǒng)運(yùn)行的影響，并為后續(xù)的技術(shù)擴(kuò)充留有一定空間。

3）提供控制策略評(píng)價(jià)功能，使用戶能夠通過分析獲得風(fēng)電場投入風(fēng)電機(jī)組有功功率集散優(yōu)化控制系統(tǒng)前后的差別。

4）具備擴(kuò)展功能，針對不同的需求，即可以根據(jù)實(shí)際風(fēng)電場的風(fēng)電機(jī)組分組情況，開發(fā)相應(yīng)的優(yōu)化控制算法，對多組風(fēng)機(jī)進(jìn)行功率優(yōu)化控制。

1.1 系統(tǒng)框架

目前，風(fēng)電場常見的有功功率控制方式如圖1所示。風(fēng)電場的AGC系統(tǒng)接收電網(wǎng)調(diào)度下達(dá)有功功率目標(biāo)值，經(jīng) AGC系統(tǒng)計(jì)算后下達(dá)有功功率分配指令給風(fēng)電機(jī)組機(jī)群的能量管理系統(tǒng)(energy management system，EMS)，而AGC系統(tǒng)在進(jìn)行指令分配計(jì)算時(shí)，通常是根據(jù)各機(jī)群的有功功率可調(diào)上限(有功功率上限與實(shí)時(shí)有功功率的差值)，按比例進(jìn)行分配，與此同時(shí)，AGC系統(tǒng)收集來自于各機(jī)群 EMS的實(shí)時(shí)信息并傳至電網(wǎng)調(diào)度中心，供其下達(dá)有功目標(biāo)指令時(shí)參考。

該種有功功率分配方式較為簡單，僅僅考慮風(fēng)電機(jī)組機(jī)群有功功率可調(diào)上限，而未考慮風(fēng)機(jī)機(jī)群上網(wǎng)電價(jià)差異、設(shè)備穩(wěn)定性、發(fā)電能力及壽命等因素。因此，為實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組有功功率集散優(yōu)化控制，提出一種簡單的系統(tǒng)搭建方式，如圖2所示。

圖1 風(fēng)電場常見的有功功率控制方式示意圖Fig. 1 Diagram of common controlling method of active power of wind turbine generators

圖2 風(fēng)電機(jī)組有功功率集散優(yōu)化控制系統(tǒng)框架示意圖Fig. 2 Diagram of optimal distributed control system frame of active power of wind turbine generators

本系統(tǒng)由協(xié)調(diào)控制算法服務(wù)器、執(zhí)行終端、維護(hù)工作站、通信接口設(shè)備組成(圖 2中虛線框內(nèi))，系統(tǒng)直接架設(shè)于風(fēng)電場原有硬件AGC系統(tǒng)和風(fēng)電機(jī)機(jī)群EMS系統(tǒng)之間，不改變AGC系統(tǒng)與風(fēng)機(jī)能量管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由風(fēng)機(jī)能量管理系統(tǒng)單獨(dú)向“風(fēng)電機(jī)組有功功率集散優(yōu)化控制系統(tǒng)”進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳和命令接收。該系統(tǒng)通過風(fēng)電機(jī)組有功功率集散優(yōu)化控制策略，在綜合考慮風(fēng)機(jī)機(jī)群電價(jià)差異、設(shè)備穩(wěn)定性、發(fā)電能力及壽命等因素的情況下，經(jīng)計(jì)算后，替代原有的AGC系統(tǒng)下達(dá)有功功率分配指令。

1.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

本文提出的風(fēng)電機(jī)組有功功率集散優(yōu)化控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)流如圖3所示。風(fēng)電場原有的 AGC系統(tǒng)不再對風(fēng)電機(jī)組直接下達(dá)控制指令，而是將接收到電網(wǎng)調(diào)度的總有功功率目標(biāo)直接轉(zhuǎn)發(fā)給風(fēng)電機(jī)組有功功率集散優(yōu)化控制系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)控制算法服務(wù)器。算法服務(wù)器不僅接收調(diào)度有功目標(biāo)指令，同時(shí)獲取實(shí)時(shí)風(fēng)機(jī)運(yùn)行信息，并根據(jù)風(fēng)電場內(nèi)機(jī)群數(shù)量、調(diào)度總有功目標(biāo)、各機(jī)群有功上限、各機(jī)群有功下限、各機(jī)群實(shí)時(shí)有功、電價(jià)信息、實(shí)時(shí)風(fēng)機(jī)運(yùn)行信息、控制模式等數(shù)據(jù)，對風(fēng)機(jī)機(jī)群總有功指令進(jìn)行分析及功率分配計(jì)算，轉(zhuǎn)化為功率控制指令傳送給執(zhí)行終端。執(zhí)行終端將已計(jì)算好的有功功率指令分散下達(dá)給各風(fēng)電機(jī)組機(jī)群的 EMS，與此同時(shí)，風(fēng)電機(jī)組機(jī)群的 EMS仍舊向風(fēng)電場 AGC系統(tǒng)上傳風(fēng)機(jī)運(yùn)行信息，供AGC系統(tǒng)上傳至電網(wǎng)調(diào)度中心。

圖3 風(fēng)電機(jī)組有功功率集散優(yōu)化控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)流Fig. 3 Data flow of optimal distributed control system frame of active power of wind turbine generators

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

有功功率優(yōu)化控制功能為本系統(tǒng)的核心，在系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)如下3種有功功率分配功能：

1）最優(yōu)化分配。不需要人工干預(yù)，根據(jù)風(fēng)電機(jī)組機(jī)群的情況進(jìn)行有功功率分配。在滿足調(diào)度指令實(shí)時(shí)性的前提下，該方法綜合考慮風(fēng)機(jī)機(jī)群電價(jià)差異、設(shè)備穩(wěn)定性、發(fā)電能力及壽命等因素，通過收集風(fēng)電場站有功功率可調(diào)容量/出力上限、有功功率可調(diào)容量/出力下限、有功功率損耗、實(shí)時(shí)開機(jī)容量、有功功率允許上升/下降調(diào)節(jié)速率等實(shí)時(shí)信息，根據(jù)各種輸入?yún)?shù)，計(jì)算得出各風(fēng)電機(jī)組機(jī)群的有功功率分配指令，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組機(jī)群有功功率的優(yōu)化控制。

2）用戶指定機(jī)群分配比例。實(shí)際應(yīng)用中，用戶可對風(fēng)電場風(fēng)機(jī)出力性能進(jìn)行評(píng)估[11]，在此基礎(chǔ)上人為指定各風(fēng)機(jī)出力，由用戶在界面中輸入對各風(fēng)電機(jī)組機(jī)群的分配比例，則系統(tǒng)就按照用戶指定的比例進(jìn)行負(fù)荷指令的分配。

3）AGC分配。該系統(tǒng)支持手動(dòng)投入或切出，手動(dòng)投入時(shí)可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化分配或指定機(jī)群分配功能。而手動(dòng)切出時(shí)，風(fēng)電場的 AGC系統(tǒng)自動(dòng)投入，則有功功率分配方式仍舊按照 AGC系統(tǒng)的分配指令執(zhí)行。

為了增加系統(tǒng)的靈活性和安全性，系統(tǒng)支持本系統(tǒng)的手動(dòng)投入或切出，當(dāng)本系統(tǒng)切出時(shí)，風(fēng)電場的AGC系統(tǒng)自動(dòng)投入；而當(dāng)本系統(tǒng)投入時(shí)，支持系統(tǒng)自動(dòng)最優(yōu)分配以及用戶指定比例分配 2種控制模式的切換。為實(shí)現(xiàn)上述功能，系統(tǒng)支持在線定值參數(shù)的修改、下裝、召喚功能，可以方便地根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行策略模型的參數(shù)調(diào)整。

同時(shí)，系統(tǒng)具備優(yōu)化結(jié)果評(píng)價(jià)功能，將風(fēng)電機(jī)組機(jī)群在本系統(tǒng)控制下的有功功率曲線與風(fēng)電場 AGC系統(tǒng)控制指令執(zhí)行曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)比對，對風(fēng)電場運(yùn)行情況進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。為了更清晰地展現(xiàn)系統(tǒng)參與風(fēng)電場控制后風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行情況，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)對比分析功能，提供各種維度的對比分析，便于用戶比較直觀對最優(yōu)化協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行評(píng)價(jià)。

本系統(tǒng)各種有功功率控制模式均應(yīng)滿足電網(wǎng)規(guī)定的風(fēng)電場/光伏站有功功率變化約束條件，包括1 min有功功率變化和10 min有功功率變化，在風(fēng)電場并網(wǎng)及風(fēng)速增長過程中，風(fēng)電場有功功率變化應(yīng)當(dāng)滿足電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求，其限值應(yīng)根據(jù)所接入電力系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)特性，由電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)確定。

3 有功功率集散優(yōu)化控制策略

3.1 機(jī)群運(yùn)行信息收集

該風(fēng)電機(jī)機(jī)群功率控制策略，利用風(fēng)電機(jī)機(jī)群 EMS系統(tǒng)中的機(jī)群運(yùn)行信息進(jìn)行計(jì)算。所需機(jī)群運(yùn)行數(shù)據(jù)包括：機(jī)群數(shù)量、總有功目標(biāo)值、各機(jī)群實(shí)時(shí)有功功率、各機(jī)群有功功率上限、各機(jī)群有功功率下限等。

假設(shè)風(fēng)電機(jī)組可分的機(jī)群數(shù)量為 n，總有功目標(biāo)值為P總，各機(jī)群有功上限分別為各機(jī)群有功下限分別為各機(jī)群的實(shí)時(shí)有功分別為P1、P2、各機(jī)群的可增有功P可增分別為各機(jī)群的可降有功P可降分別為 P1-Pm1in、P2-Pm2in、P3-P3、…、Pn-Pn。

此外，定義一個(gè)函數(shù) f(x)，為機(jī)群的有功功率分配順序函數(shù)，該函數(shù)可根據(jù)需求進(jìn)行定義、判斷、排序，如x可以為風(fēng)機(jī)機(jī)群上網(wǎng)電價(jià)、設(shè)備穩(wěn)定性、發(fā)電能力、壽命等單個(gè)參數(shù)，也可以是綜合考慮某幾個(gè)因素的參數(shù)。各機(jī)群的有功功率分配順序函數(shù)分別為 f(x1)、f(x2)、f(x3)、…、f(xn)。

3.2 有功控制策略

根據(jù)所收集的風(fēng)電機(jī)機(jī)群運(yùn)行數(shù)據(jù)，在每次功率分配前首先進(jìn)行情景判斷。

1）若 P總＞P1+ P2+ P3+…+Pn，那么執(zhí)行增有功策略。

在增有功策略時(shí)，將各機(jī)群有功功率分配順序函數(shù)f(x)進(jìn)行排序，并按f(x)由大到小的順序，依次增大各機(jī)群的有功功率，具體表示如下：

假設(shè)機(jī)群有功功率分配順序函數(shù) f(x)排序?yàn)閒(x1)＞f(x2)＞f(x3)＞ …＞f(xn)，那么增有功排序?yàn)闄C(jī)群1、2、3、…、n，若2機(jī)群有功功率分配順序函數(shù)相同，即 f(xi)=f(xj)(i,j≤n)，則排序時(shí)對比 2機(jī)群的可增有功值P可增，若＞，則將機(jī)群i的增有功排序排在機(jī)群j之前。

排序之后，依據(jù)排序順序依次增加P1、P2、P3、…、Pn，當(dāng)i機(jī)群的有功值達(dá)到有功上限時(shí)，即Pi=Pi(i ≤ n)時(shí)，則繼續(xù)增加Pi+1，直至P=max總P1+P2+P3+…+Pn。

2）若 P總=P1+ P2+ P3+…+Pn，那么執(zhí)行降有功策略。

在降有功策略時(shí)，同樣將各機(jī)群有功功率分配順序函數(shù)f(x)進(jìn)行排序，并按f(x)由小到大的順序，依次降低各機(jī)群的有功功率，具體表示如下：

假設(shè)機(jī)群有功功率分配順序函數(shù) f(x)排序?yàn)閒(x1)＜f(x2)＜f(x3)＜ …＜f(xn)，那么降有功排序?yàn)闄C(jī)群1、2、3、…、n。若2機(jī)群有功功率分配順序函數(shù)相同，即 f(xi)=f(xj)(i,j≤n)，則排序時(shí)對比 2機(jī)群的可降有功值則將機(jī)群i的降有功排序排在機(jī)群j之前。

排序之后，依據(jù)排序順序依次降低P1、P2、P3、…、Pn，當(dāng)i機(jī)群的有功值達(dá)到有功下限時(shí)，即Pi= Pi(i ≤n)時(shí)，則繼續(xù)降低Pi+1，直至P=min總P1+P2+P3+…+Pn。

3.3 特殊情景

特殊情景分為2類：

4 系統(tǒng)應(yīng)用及評(píng)價(jià)

為驗(yàn)證風(fēng)電機(jī)組機(jī)群有功功率集散優(yōu)化控制系統(tǒng)開發(fā)方案及控制策略的可行性，在河北某風(fēng)電場進(jìn)行了系統(tǒng)的試點(diǎn)實(shí)施。該風(fēng)電場裝機(jī)容量250.5 MW，將風(fēng)電機(jī)組分為 3個(gè)機(jī)群：機(jī)群 1(100.5 MW)、機(jī)群2(100.5 MW)及機(jī)群 3(49.5 MW)。其中，機(jī)群 1上網(wǎng)電價(jià) 0.50元/(kW?h)，機(jī)群 2上網(wǎng)電價(jià) 0.54元/(kW?h)，機(jī)群 3上網(wǎng)電價(jià) 0.54元/(kW?h)。

根據(jù)風(fēng)電場實(shí)際情況及需求，定義機(jī)群有功功率分配順序函數(shù)f(x)=Prin，即以3個(gè)機(jī)群的電價(jià)作為機(jī)群有功功率分配順序函數(shù)。因此：f(x2)=f(x3)＞f(x1)。

將系統(tǒng)投運(yùn)前，首先進(jìn)行系統(tǒng)控制指令響應(yīng)測試，對有功功率調(diào)節(jié)過程中有功調(diào)節(jié)全過程有功功率目標(biāo)值和有功功率實(shí)際值的對比曲線如圖4所示，有功功率目標(biāo)值和有功功率實(shí)際值的偏差曲線如圖5所示。

通過對系統(tǒng)進(jìn)行兩升兩降有功功率調(diào)節(jié)測試，可以看出無論有功功率上升或下降過程中，有功的變化速率均控制在了全場裝機(jī)容量的10%(25.05 MW/min)以內(nèi)，且本次測試過程共計(jì)1112 s，其中每一次新的目標(biāo)值下發(fā)，至系統(tǒng)第一次調(diào)整至死區(qū)內(nèi)，共計(jì)用時(shí)247 s，有功功率穩(wěn)定的時(shí)間為 865 s。在有功功率穩(wěn)定的時(shí)間內(nèi)共記錄了 46個(gè)測點(diǎn)，其中45個(gè)測點(diǎn)數(shù)值均控制在了1 MW波動(dòng)范圍以內(nèi)。對比原有的 AGC系統(tǒng)，該系統(tǒng)的控制精度有所提高，可以滿足電網(wǎng)對風(fēng)電場有功調(diào)節(jié)速率的要求。

同時(shí)，對系統(tǒng)進(jìn)行了定斜率測試，即每隔一個(gè)控制周期得到一個(gè)等差值增大或減小的目標(biāo)值來調(diào)節(jié)有功功率，以考察系統(tǒng)的響應(yīng)能力，功率下降及上升過程的測試曲線如圖6所示。通過有功功率定斜率調(diào)節(jié)測試，可見從下發(fā)目標(biāo)值至調(diào)整到1 MW波動(dòng)范圍以內(nèi)耗時(shí)均在1 min以內(nèi)，不論上升或下降過程中有功功率的變化速度均控制在了全場裝機(jī)容量的10%(25.05 MW/min)以內(nèi)。

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，系統(tǒng)以風(fēng)電機(jī)組機(jī)群實(shí)際有功功率值進(jìn)行發(fā)電量計(jì)算，并根據(jù)電價(jià)計(jì)算獲得實(shí)際的發(fā)電收益，同時(shí)模擬 AGC系統(tǒng)控制下的風(fēng)電機(jī)組有功功率值，計(jì)算得到 AGC系統(tǒng)控制下風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電收益，進(jìn)而得到兩者的發(fā)電收益差異。圖7為該試點(diǎn)風(fēng)電場使用本系統(tǒng)使用后的收益統(tǒng)計(jì)曲線。

圖4 測試過程中有功功率目標(biāo)值和有功功率實(shí)際值的對比曲線Fig. 4 Comparison curves of target and actual value of active power during the testing procedure

圖5 有功功率測試數(shù)據(jù)偏差值曲線Fig. 5 Curves of deviation value of active power testing data

圖6 有功功率定斜率調(diào)節(jié)測試曲線Fig. 6 Testing curves of active power during the controlling with slope constant

圖7 系統(tǒng)使用后的收益統(tǒng)計(jì)曲線Fig. 7 Calculated curves of income by using the optimal control system

可見，系統(tǒng)投入并經(jīng)過20日的試用，風(fēng)電場的收益增加66.198萬元，據(jù)此估算，每年將為該風(fēng)電場增加約1200萬元的收益，針對該風(fēng)電場容量(250.5 MW)，相當(dāng)于每年提高約90個(gè)等效利用小時(shí)。

需要指出的是，由于該試點(diǎn)風(fēng)電場根據(jù)3個(gè)機(jī)群電價(jià)不同進(jìn)行有功功率的優(yōu)化控制，因此，相比于原AGC系統(tǒng)，在風(fēng)電場未限電的情況下，本系統(tǒng)與原AGC系統(tǒng)的有功功率分配指令一樣；而僅在風(fēng)電場限電的情況下，本系統(tǒng)才會(huì)為風(fēng)電場增加收益。

5 結(jié)論

本文提出了一種簡潔的風(fēng)電機(jī)組有功功率集散優(yōu)化控制策略，可以將風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組有功功率進(jìn)行分組優(yōu)化控制，并設(shè)計(jì)了一套相應(yīng)的系統(tǒng)開發(fā)方案，該方案在不改變風(fēng)電場原有 AGC及EMS框架的情況下，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組有功功率集散優(yōu)化控制。

同時(shí)，針對試點(diǎn)風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組3個(gè)機(jī)群電價(jià)不同的情況，建設(shè)開發(fā)了風(fēng)電機(jī)組有功功率集散優(yōu)化控制系統(tǒng)，通過測試及應(yīng)用，該系統(tǒng)滿足電網(wǎng)對風(fēng)電場有功調(diào)節(jié)速率的要求，并且在風(fēng)電場限電的情況下，提高了風(fēng)電場的經(jīng)濟(jì)效益。