基于模糊評價的風電場有功功率分配算法研究

王治國，楊印

（西安德納檢驗檢測有限公司，陜西 西安 710000）

0 引言

當前經(jīng)濟發(fā)展速度加快，化石能源日益短缺，加上化工生產(chǎn)造成嚴重的環(huán)境污染，急需尋找新型能源進行替代。風能作為可再生的清潔能源得到廣泛應用，在電網(wǎng)中的比重逐漸增加，有效功率輸出波動頻繁，給電網(wǎng)安全性與穩(wěn)定性造成不良的影響。因此，當前工程多采用模糊評價模式對風電場功率進行科學分配，對機組載荷、頻繁啟停等因素綜合考慮，確保風電場的安全穩(wěn)定運行。

1 機組功率調(diào)節(jié)能力模糊評價

對于風電場功率分配來說，快速準確的評價功率調(diào)節(jié)率屬于關(guān)鍵內(nèi)容。在風電場機組中，因受到生產(chǎn)與安裝誤差影響，導致數(shù)學模型不盡相同，加上長期使用導致葉片變形、材料老化等，使數(shù)學模型參數(shù)出現(xiàn)變化，增加功率評價誤差。為了節(jié)約風電場維修成本，應結(jié)合機組運行狀態(tài)合理分配功率，即優(yōu)先調(diào)度狀態(tài)良好的機組，減少狀態(tài)不良機組的調(diào)度。當風速為切出風速時，可適當降低機組功率給定，避免葉片載荷增加；當為切入風速時，機組為啟動狀態(tài)，無需進行調(diào)度，避免并網(wǎng)接觸器重復閉合。為了使每臺機組的功率調(diào)節(jié)能力充分發(fā)揮出來，一些具有較強調(diào)節(jié)力的機組應承擔更多的發(fā)電任務。根據(jù)機組動力學特點，采用模糊評價法對機組調(diào)節(jié)能力進行測評。

機組限功率運行模糊集包括變槳限功率運行（B）、聯(lián)合限功率運行（WB）、變速限功率運行（W）三種。因機組功率在調(diào)節(jié)階段運行穩(wěn)定性受到限制，對于單一機組來說，可開展限功率控制實驗，當B運行中，風速較??；當WB運行中，風速較大。因此，可將運行對應風速范圍分成低速、中速與高速，隸屬度由變速機構(gòu)運行程度而定。調(diào)節(jié)能力可分為上升與下降兩種，二者具有互補性。在B狀態(tài)運行中，轉(zhuǎn)速始終處于額定轉(zhuǎn)速內(nèi)，機組轉(zhuǎn)速、最優(yōu)轉(zhuǎn)速的差異較大，升功率調(diào)節(jié)力越強，說明隸屬度數(shù)值越高。當風速為4m/s時，在第i臺機組運行中，當轉(zhuǎn)速為每秒1.5rad時，達到最佳值。在功率調(diào)節(jié)力評價中，不但與風速相關(guān)，還關(guān)系到轉(zhuǎn)速與槳距角等指標。為了提高功率分配合理性，應對上述指標綜合分析，可通過改變槳距角或轉(zhuǎn)速的方式進行功率調(diào)節(jié)，提高響應速度。但如若變槳系統(tǒng)的操作過于頻繁，則會使機組的載荷提升，使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)功率被改變，響應速度減慢，但載荷值會由此減小。假設(shè)某風速狀態(tài)下，槳距角用β表示，機組運行的最佳轉(zhuǎn)速為w，與額定轉(zhuǎn)速W相比較低，輸出功率用L表示。可通過調(diào)整轉(zhuǎn)速的方式，使機組輸出功率的最大值、最小值變化。以升功率為例，可采用變速變槳的方式，將給定功率控制在合理范圍內(nèi)；也可通過主動改變轉(zhuǎn)速的方式，對變槳功率進行調(diào)節(jié)[1]。

2 基于功率調(diào)節(jié)的風電場功率分配措施

2.1 分配技術(shù)基礎(chǔ)

以永磁同步風電機組為力，有功功率分配框圖如下圖1所示。由功率控制器對各臺機組風速與實際功率進行采集，風速為VW，1到VW，N，實際功率輸出為P1到PN，采用功率控制分配法，分別為每個機組配置一個給定功率，即Pset1到PsetN，最后使風電場中各臺機組輸出功率的總值與調(diào)度給定功率相同，其中前者用Psum表示，后者用Psumset表示。

圖1 風電場有功功率分配圖

2.2 模糊控制流程

根據(jù)模糊控制器結(jié)構(gòu)、推理規(guī)則、隸屬度函數(shù)等創(chuàng)建模糊控制算辦法，在對有功功率波動有效控制的同時，對風電功率進行平抑，具體流程如下：

第一步：對各參數(shù)變量進行初始化，明確電容器、電池運行范圍、采樣時間、風場容量、并網(wǎng)有功功率要求等，確保N時段內(nèi)的有功功率波動處于△P之內(nèi)；

第二步：在電容器與電池常規(guī)運行區(qū)間，制定隸屬度函數(shù)、控制規(guī)則表，對t時段風電功率與t-N時段功率的最大波動率進行計算；

第三步：在當前電池能量狀態(tài)下，以模糊控制規(guī)則為依據(jù)，輸出比例系數(shù)，并計算出儲能出力功率與并網(wǎng)分量值。在當前電容器能量狀態(tài)下，根據(jù)控制規(guī)則，計算出電池與電容器的真實輸出功率，并對二者的SOE情況進行估算；

第四步：在上述流程完畢后，獲得特定時段內(nèi)并網(wǎng)值、儲能信號值與SOE變化曲線[2]。

2.3 升降分配算法

首先，確定各個風電機組所在的調(diào)節(jié)區(qū)，采集機組現(xiàn)行功率、變速功率的升降調(diào)節(jié)能力；其次，對功率調(diào)節(jié)區(qū)域內(nèi)機組實時輸出功率的綜合進行計算，并與給定功率調(diào)節(jié)區(qū)的機組功率相一致；最后，將兩組區(qū)域的總給定功率相減，判斷機組功率需要提升或者下降。在升功率分配中，根據(jù)機組WB控制策略，事先按照變轉(zhuǎn)速上升措施進行分配，如若功率調(diào)節(jié)Ⅰ區(qū)與Ⅱ區(qū)功率變化情況超出變轉(zhuǎn)速升功率范圍，則會受到變槳距角功率增加的影響，使機組整體的升分配能力增強。對變速功率上升能力區(qū)間P進行計算時，P為兩個區(qū)間內(nèi)機組變轉(zhuǎn)速功率提升力的總和。在降功率分配中，按照變轉(zhuǎn)速下降措施進行分配，如若功率調(diào)節(jié)Ⅰ區(qū)與Ⅱ區(qū)功率變化情況低于變轉(zhuǎn)速升功率范圍，則會受到變槳距角功率降低的影響，使機組整體的降分配能力降低。對變速功率下降能力區(qū)間P進行計算時，P為兩個區(qū)間內(nèi)機組變轉(zhuǎn)速功率下降力的總和。在機組能力調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上，風電場有功功率的分配措施如下：一是采集場內(nèi)全部運行機組轉(zhuǎn)速、風速與槳距角信息，依靠以往經(jīng)驗或者查詢表，獲取現(xiàn)有機組轉(zhuǎn)速最大值與最優(yōu)值；二是采用機組調(diào)節(jié)力模糊評價法，結(jié)合機組運行狀態(tài)計算出每臺機組升功率調(diào)節(jié)力，則降功率調(diào)節(jié)力為前者的模糊補集；三是根據(jù)場內(nèi)有功功率輸出與電網(wǎng)調(diào)度指令的差值，計算有功功率的偏差，如若偏差超過0，則對場內(nèi)全部機組進行升功率分配，反之則對全體機組進行降功率分配，為每臺機組發(fā)布有功功率的給定指令。

3 仿真分析

3.1 基本參數(shù)

該風力機組的主要參數(shù)為：空氣密度1.251kg/m3，槳葉半徑為2.5m，額定風速為13.5m/s，風輪額定轉(zhuǎn)速為3.5rad/s，槳距角范圍在0～27°之間、變槳系統(tǒng)時間為5min，發(fā)電機額定功率為1.3MW。為檢驗算法的準確性，以10臺風電機組為對象，根據(jù)某地風電場以往的風速數(shù)據(jù)，繪制機組1min內(nèi)的曲線圖，發(fā)現(xiàn)1～10號機組的風速均值依次提升。

3.2 仿真結(jié)果

假設(shè)初始槳距角度為0，轉(zhuǎn)速為每秒1rad，有功功率調(diào)度指令為5MW。在風速權(quán)重下進行分配，計算公式為：

式中，P1代表的是風速權(quán)重分配功率；vi代表的是第i臺風電機組的總功率。將其與按照調(diào)節(jié)力權(quán)重分配算法相比，有功功率輸出曲線與偏差曲線對比明顯。采用調(diào)節(jié)力權(quán)重分配的輸出效果可使電網(wǎng)功率配置需求得到滿足，且場內(nèi)功率波動值較小，根據(jù)功率平滑度定義，有功功率平滑度計算公式為：

式中，Pl代表的是有功功率平滑度；d代表的是功率波動值；dt代表的是功率標準值。將實際值代入公式后可知，按照風速權(quán)重計算出的平滑度為68.362，根據(jù)調(diào)節(jié)力權(quán)重計算的平滑度為21.584。根據(jù)平滑度指標可知，后一種算法的功率分配與輸出效果優(yōu)于前一種。將兩種算法的機組轉(zhuǎn)速變動情況對比可知，二者的變化趨勢大致相同，但按照調(diào)節(jié)力權(quán)重分配的轉(zhuǎn)速平滑度更高，這意味著該算法的應用可使軸系載荷有效降低，使發(fā)電機的效率與壽命得到顯著提升。采用上述兩種方式進行功率分配，10臺機組槳距角曲線不盡相同，以βi作為槳距角，在t時間內(nèi)角度的最大值可用公式表示為：

式中，βi代表的是第i臺機組的槳距角；t代表的是時間段。將真實值代入公式后，可得出按照風速權(quán)重算法分配的槳距角為11173.24°，按照調(diào)節(jié)力權(quán)重分配算法的行程為239.55°。根據(jù)兩幅槳距角曲線圖可知，10號機組的風速達到最大值，按照調(diào)節(jié)力得出的角幅度為13°，而按照風速得出的角幅度為8°，且角幅度與葉片載荷具有反比關(guān)系。采用按照調(diào)節(jié)力權(quán)重分配的方式，機組整體槳距角的動作幅度相對較低，可使機組載荷顯著降低，延長機組變槳系統(tǒng)壽命。根據(jù)調(diào)度中心以往調(diào)度指令可知，風電場中的有功指令位于3～6MW之間，內(nèi)部機組槳距角的初始值與轉(zhuǎn)速無變化，仍分別為0和1rad/s，根據(jù)機組風速曲線可知，兩種功率分配模式下的算法誤差較大，且按照調(diào)節(jié)力分配功率的算法與電網(wǎng)調(diào)度指令的控制要求更加貼近，有功功率的輸出更為平滑，且槳距角的行程減少[3-5]。

4 結(jié)語

綜上所述，風電機組作為風力發(fā)電的核心設(shè)備，當期發(fā)生故障時會為人們生產(chǎn)生活帶來諸多不便。對此，本文根據(jù)機組能力提出一種新的有功功率分配算法，以機組狀態(tài)信息對依據(jù)評價功率調(diào)節(jié)能力。最后開展仿真分析，對10太機組的有功功率進行分配。根據(jù)結(jié)果可知，此種方式的效果優(yōu)于按照風速權(quán)重分配，可充分滿足電網(wǎng)調(diào)度要求。