風(fēng)電場(chǎng)有功功率多目標(biāo)分層遞階預(yù)測(cè)控制策略研究

華電能源股份有限公司 郭志嘉

1 有功控制多目標(biāo)協(xié)調(diào)優(yōu)化模型

1.1 風(fēng)機(jī)滾動(dòng)分群

在我國(guó)目前的風(fēng)電場(chǎng)之中，尤其是針對(duì)某些規(guī)模較大的風(fēng)電場(chǎng)來(lái)說(shuō)，其運(yùn)行過(guò)程中必然會(huì)存在著由于風(fēng)機(jī)數(shù)量大、風(fēng)機(jī)型號(hào)不統(tǒng)一、覆蓋范圍廣的情況，以上這些情況的累積往往會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)發(fā)電能力、負(fù)荷率和額定容量出現(xiàn)不同。在這種無(wú)法實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的情況之下，會(huì)對(duì)后續(xù)的有功功率調(diào)度計(jì)劃的追蹤以及調(diào)動(dòng)出現(xiàn)的波動(dòng)等問(wèn)題的解決帶來(lái)不小的難度，往往會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)消耗過(guò)多的時(shí)間和資金成本。

本文的思考過(guò)程，以DMPC 分布式滾動(dòng)優(yōu)化思想為指導(dǎo)，在分群過(guò)程中將負(fù)荷率和有功功率變化的預(yù)測(cè)值作為主要的分群方式，能有效保證負(fù)荷分配過(guò)程中的公平性，同時(shí)滾輪優(yōu)化過(guò)程中的精確性也能夠被充分展示，在此過(guò)程中需要注意的是，盡量減少在調(diào)度指令發(fā)生波動(dòng)時(shí)所波及到的范圍，避免風(fēng)機(jī)出現(xiàn)損耗現(xiàn)象。針對(duì)于分群控制層，按照原定的機(jī)組分群規(guī)范，能將風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)所有的分級(jí)分為9個(gè)機(jī)群，首先將其分為三個(gè)層級(jí)，分別是高負(fù)荷、中負(fù)荷和低負(fù)荷，同時(shí)根據(jù)功率的提升、穩(wěn)定和下降三種狀態(tài)同樣作為分類標(biāo)準(zhǔn)，便可得到9個(gè)組群。

1.2 多目標(biāo)分層等值建模

場(chǎng)站優(yōu)化分配層的涉獵范圍較廣，其中既包含了風(fēng)電場(chǎng)在有功調(diào)度計(jì)劃過(guò)程中的綜合考量，也包含了在風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程中有功功率中存在的誤差分析及誤差校正?；诖丝擅鞔_該層級(jí)的主要建設(shè)目的，是為實(shí)現(xiàn)每隔十五分鐘為一個(gè)控制周期，來(lái)有效提升調(diào)度控制過(guò)程中的精確性和穩(wěn)定性。在場(chǎng)站優(yōu)化分配層中需能充分滿足的條件是，風(fēng)電場(chǎng)有功負(fù)荷的總值能同時(shí)小于風(fēng)電場(chǎng)中的裝機(jī)容量和有功功率預(yù)測(cè)值。

針對(duì)分群控制層，當(dāng)以風(fēng)電場(chǎng)中風(fēng)機(jī)的負(fù)荷率及功率變化為主要依據(jù)進(jìn)行有效的風(fēng)機(jī)分群工作后，可再對(duì)風(fēng)電場(chǎng)中有功功率的負(fù)荷分配作出更優(yōu)質(zhì)的調(diào)整，但在這一調(diào)整過(guò)程中需重視調(diào)整工作的細(xì)致性，這一過(guò)程的主要目的是為能夠降低在風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生調(diào)動(dòng)指令時(shí)，相關(guān)維護(hù)費(fèi)用的增加在分群控制層之中，其之所以需要落實(shí)計(jì)算，目的首先是為了能充分滿足功率變化的情況下，對(duì)于每一個(gè)機(jī)組中風(fēng)機(jī)的發(fā)電現(xiàn)狀及有功功率所產(chǎn)生的變化進(jìn)行合理的負(fù)荷分配，目的是能夠保證在調(diào)度指令下盡可能減少其波動(dòng)次數(shù)。

針對(duì)單機(jī)有功功率管理層，單臺(tái)風(fēng)機(jī)的主要控制目標(biāo)為分群控制城中所發(fā)生的有功功率相關(guān)調(diào)度指令，并需每隔一分鐘進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，其目的是為能充分實(shí)現(xiàn)對(duì)于滾動(dòng)優(yōu)化以及反饋校正的有效控制，在這一層級(jí)中其主要作用，是為能實(shí)現(xiàn)在風(fēng)機(jī)有功功率輸出過(guò)程中其能與分群控制層的控制目標(biāo)間存在較小的誤差。

2 風(fēng)電場(chǎng)有功功率模型預(yù)測(cè)控制策略

針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的整體運(yùn)行過(guò)程來(lái)說(shuō)，天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)所需要進(jìn)行的調(diào)度計(jì)劃及系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中計(jì)算出來(lái)的風(fēng)機(jī)負(fù)荷分配控制目標(biāo)，三者可作為風(fēng)電場(chǎng)真題的輸入數(shù)據(jù)、控制目標(biāo)以及輸出變量。為能進(jìn)一步加強(qiáng)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)在落實(shí)預(yù)測(cè)工作中的穩(wěn)定性和約束條件處理能力，需能做到將超短期風(fēng)電功率預(yù)測(cè)作為整個(gè)過(guò)程的基礎(chǔ)工作，同時(shí)實(shí)現(xiàn)三級(jí)遞階的滾動(dòng)優(yōu)化方式，在此基礎(chǔ)上，需在預(yù)測(cè)工作發(fā)生的各個(gè)層面都進(jìn)行系統(tǒng)的誤差分析與反饋校正工作，進(jìn)而能從根本上實(shí)現(xiàn)風(fēng)電預(yù)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行與控制過(guò)程中的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性[1]。

2.1 有功功率分層遞階預(yù)測(cè)控制框架

在風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程中，通常會(huì)由于風(fēng)機(jī)數(shù)量較多、地區(qū)差異、覆蓋范圍較廣等多種因素，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的發(fā)電狀態(tài)表現(xiàn)出較為明顯的差異性。在當(dāng)前的風(fēng)電場(chǎng)大環(huán)境之下，本文以超短期風(fēng)電功率預(yù)測(cè)為主要的基礎(chǔ)，來(lái)進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)之中存在的控制時(shí)序進(jìn)行有效分解，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)有功功率預(yù)測(cè)控制策略的誕生，同時(shí)運(yùn)用遞階滾動(dòng)優(yōu)化及系統(tǒng)分層管理的方式，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)于有功功率調(diào)度計(jì)劃的有效追蹤。在此過(guò)程中，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的有功調(diào)度值可能會(huì)因風(fēng)機(jī)數(shù)量下降較為明顯的原因，而出現(xiàn)較大、較為明顯的數(shù)值波動(dòng)現(xiàn)象。

為解決這一問(wèn)題，本文將以分布式預(yù)測(cè)控制思想作為主要引導(dǎo)，并以風(fēng)機(jī)負(fù)荷以及發(fā)電狀態(tài)作為依據(jù)，進(jìn)行切實(shí)有效地分群操作。同時(shí)，應(yīng)在不同的集群中建立具有獨(dú)立性和自身特點(diǎn)的滾動(dòng)優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)有功調(diào)度值中波動(dòng)現(xiàn)象的有效減少，該方式還能在一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)于計(jì)算難度的降低。利用發(fā)電狀態(tài)和風(fēng)機(jī)負(fù)荷為依據(jù)實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)有效分群時(shí)，還需根據(jù)不同的群組來(lái)建立不同的數(shù)學(xué)模型，這一模型的建立主要以處在各個(gè)層級(jí)中的不同分組和有功功率的控制目標(biāo)作為基礎(chǔ)，同時(shí)應(yīng)針對(duì)有功功率的限制條件落實(shí)成為模型化的表示方式。

在風(fēng)電場(chǎng)中的場(chǎng)站優(yōu)化分配層中，可以超短期風(fēng)電功率組合預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果為主要依據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同機(jī)群中有功功率負(fù)荷分配調(diào)度值的計(jì)算，在這一過(guò)程中需注意，在該調(diào)度值計(jì)算的過(guò)程中應(yīng)以頻率為十五分鐘一次的滾動(dòng)優(yōu)化來(lái)計(jì)算。針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)中的分群控制層，需每隔十五分鐘重新進(jìn)行一次機(jī)群的重新劃分，同時(shí)每隔五分鐘還需分別計(jì)算機(jī)群中風(fēng)機(jī)的有功功率負(fù)荷分配指標(biāo)。針對(duì)于單機(jī)有功功率管理層，需每過(guò)一分鐘進(jìn)行一次調(diào)度指令的有效追蹤，同時(shí)需及時(shí)做出反饋和校正。

針對(duì)上文提到的三個(gè)不同層級(jí)，在每一種層級(jí)中均加入滾動(dòng)優(yōu)化環(huán)節(jié)，并對(duì)每個(gè)層級(jí)進(jìn)行不同時(shí)間尺度的計(jì)算。在場(chǎng)站優(yōu)化分配層級(jí)之中，依舊以超短期風(fēng)電功率預(yù)測(cè)作為基礎(chǔ)，同時(shí)需運(yùn)用具體的指示和調(diào)度、有功功率變化率等因素來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于機(jī)組的有效限制。在風(fēng)機(jī)分群控制層級(jí)之中，輸入數(shù)據(jù)表現(xiàn)為實(shí)際和單機(jī)中的有功功率，限制因素為有功控制目標(biāo)以及有功變化限制量。在單機(jī)有功功率管理層級(jí)上，其單機(jī)有功功率表現(xiàn)為控制目標(biāo)，且在此限制條件之下需嚴(yán)格落實(shí)滾動(dòng)優(yōu)化過(guò)程。

2.2 超短期風(fēng)電功率預(yù)測(cè)組合算法

在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組之所以能實(shí)現(xiàn)組合，其根本的理論依據(jù)來(lái)源于超短期風(fēng)電功率的預(yù)測(cè)結(jié)論。在預(yù)測(cè)控制方法的選取過(guò)程中，本文在選用非線性模型的預(yù)測(cè)控制滾動(dòng)優(yōu)化輸入數(shù)據(jù)時(shí)，所選用的是超短期風(fēng)電功率預(yù)測(cè)的結(jié)果，同時(shí)使用LSSVM 和OSELM 兩者進(jìn)行有效組合，同時(shí)還采用了如圖1所示的有效功率反饋方式，通過(guò)誤差補(bǔ)償項(xiàng)的加入能夠形成全新的組合方式。

圖1 有功功率多目標(biāo)分層遞階MPC 流程

在這種方式下，將Ppre作為超短期風(fēng)電功率的預(yù)測(cè)結(jié)果，將λ1和λ2作為模型簡(jiǎn)歷中的權(quán)重系數(shù)，并且還需要保證λ1+λ2=1，同時(shí)POSELM和PLSSVM應(yīng)分別作為兩個(gè)模型的預(yù)測(cè)數(shù)值，可得到Ppre=λ1POSELM+λ2PLSSVM。在此過(guò)程中還需要注意，在不同的預(yù)測(cè)狀態(tài)下預(yù)測(cè)精度會(huì)根據(jù)不同的預(yù)測(cè)模型而發(fā)生變化，因此應(yīng)采用變系數(shù)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)精度的有效提升。

2.3 結(jié)合動(dòng)態(tài)矩陣控制的有功遞階滾動(dòng)優(yōu)化

由于風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制目標(biāo)具有多樣性，為進(jìn)一步優(yōu)化對(duì)于有功功率的有效控制，本文采用了動(dòng)態(tài)矩陣控制的有功遞階滾動(dòng)優(yōu)化方式（圖2）。而在風(fēng)電場(chǎng)中的優(yōu)化分配層之中，實(shí)現(xiàn)有效調(diào)控之后的風(fēng)機(jī)群有功輸出可表示為PG(t+5)=PG(t)+AΔPG(t+5)。式中：PG(t)所表示的含義為t 時(shí)刻各機(jī)群有功功率的實(shí)際值矩陣；A 所代表的時(shí)有功控制目標(biāo)變化的判定矩陣；而ΔPG(t)所代表的是各機(jī)群有功控制增量的矩陣。在這一過(guò)程中需注意，通過(guò)文中所提到的機(jī)群調(diào)度順序?yàn)橹饕睦碚撘罁?jù)，可明確能夠視線控制目標(biāo)發(fā)生變化的機(jī)群所對(duì)應(yīng)的元素為1，若相反則為0[2]。

圖2 有功遞階滾動(dòng)優(yōu)化控制框圖

在動(dòng)態(tài)矩陣控制的有功遞階滾動(dòng)優(yōu)化過(guò)程之中，可在分群控制層和蛋雞有功功率管理層兩個(gè)層面的滾動(dòng)方式。這一滾動(dòng)預(yù)測(cè)方式經(jīng)歷了三個(gè)層級(jí)的優(yōu)化過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了正常有功功率調(diào)度分配的合理性和有效性，進(jìn)而能充分實(shí)現(xiàn)前文中所提到的多樣性控制目標(biāo)的有效優(yōu)化。

2.4 誤差分析與反饋校正

在風(fēng)電場(chǎng)有功功率的預(yù)測(cè)過(guò)程中，不可避免地會(huì)與實(shí)際情況存在一定的出入，加之整個(gè)預(yù)測(cè)系統(tǒng)的控制進(jìn)度、風(fēng)能波動(dòng)性及隨機(jī)性會(huì)對(duì)有功功率產(chǎn)生變化，進(jìn)而可能會(huì)為風(fēng)電場(chǎng)中有功負(fù)荷的調(diào)度及控制帶來(lái)或大或小的計(jì)算誤差，為能盡力實(shí)現(xiàn)誤差值的減小，同時(shí)盡量減少計(jì)算過(guò)程的復(fù)雜性，應(yīng)從風(fēng)機(jī)和系統(tǒng)兩個(gè)方面來(lái)實(shí)現(xiàn)誤差值的有效分析、反饋以及矯正過(guò)程。

針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的系統(tǒng)性，由功率預(yù)測(cè)過(guò)程中使用的具體預(yù)測(cè)方式及系統(tǒng)本身控制精度所造成的最終誤差，可使用風(fēng)電場(chǎng)中存在的總誤差來(lái)落實(shí)預(yù)測(cè)模型的誤差校正工作，經(jīng)過(guò)校正之后的預(yù)測(cè)模型可表達(dá)為Ppre(t+15)=Ppre(t)+H·e，式中：H 所代表的是誤差校正矩陣；e 所代表的是過(guò)去15分鐘之內(nèi)的誤差矩陣。針對(duì)單機(jī)來(lái)說(shuō)，風(fēng)機(jī)中所存在的反饋校正是一種時(shí)效性較強(qiáng)的矯正方式。與整場(chǎng)反饋方式相比較，風(fēng)機(jī)中存在的自身反饋具有反饋速度快、控制過(guò)程容易、周期較短的特點(diǎn)。

2.5 預(yù)測(cè)控制方法綜述

遞階模型預(yù)測(cè)控制方式的有效應(yīng)用，是以超短期風(fēng)電功率預(yù)測(cè)為主要的研究理論基礎(chǔ)，并通過(guò)該方式成功實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電場(chǎng)中有功功率的滾動(dòng)優(yōu)化分配計(jì)算工作。為能進(jìn)一步提升整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)中對(duì)于有功功率的有效控制，保證整個(gè)控制過(guò)程處在穩(wěn)定、合理、精確的情況下，本文通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)有功功率反饋的有效校正，達(dá)成了以目標(biāo)多樣性為前提的有功功率合理分配和精確控制，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電場(chǎng)中有功功率控制的有效性。

當(dāng)超短期風(fēng)電功率預(yù)測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)不穩(wěn)定因素，導(dǎo)致該方式下的預(yù)測(cè)結(jié)果出現(xiàn)較為明顯的變化時(shí)，運(yùn)用文中所提到的解決方式能較為全面地實(shí)現(xiàn)對(duì)于功率波動(dòng)現(xiàn)象的有效降低，該方式除能有效實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)結(jié)果的穩(wěn)定性外，還對(duì)增強(qiáng)風(fēng)電場(chǎng)有功功率調(diào)控過(guò)程中的魯棒性具有加強(qiáng)作用。

在風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部的有功功率管理過(guò)程中，若能實(shí)現(xiàn)整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的管理分層制度，則能較為順利地解決在落實(shí)超短期風(fēng)電功率預(yù)測(cè)過(guò)程中存在的時(shí)間分辨率與實(shí)時(shí)控制時(shí)間不吻合的現(xiàn)象。為能進(jìn)一步提升有功功率的控制精度，需將有功功率控制時(shí)間分辨率進(jìn)行進(jìn)一步降低，但降低過(guò)程中需注意，降低過(guò)程需按照相應(yīng)的層級(jí)，由場(chǎng)站層到單機(jī)層做出逐步的降低，否則不能有效實(shí)現(xiàn)控制精度的顯著提升，不利于風(fēng)電場(chǎng)預(yù)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行。

在風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)分群控制過(guò)程中，需將DMPC思想作為這一過(guò)程的主要理論基礎(chǔ)。在與當(dāng)前風(fēng)電場(chǎng)中所應(yīng)用的有功功率固定比例算法及變比例分配算法相對(duì)比，這一方式能進(jìn)行減少系統(tǒng)在進(jìn)行調(diào)度計(jì)劃指標(biāo)的追蹤過(guò)程中風(fēng)機(jī)調(diào)度控制波動(dòng)的次數(shù)，保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3 結(jié)語(yǔ)

在落實(shí)風(fēng)電場(chǎng)中有功功率的分配及系統(tǒng)有功調(diào)度計(jì)劃指標(biāo)追蹤過(guò)程中，需對(duì)風(fēng)電裝機(jī)容量、風(fēng)機(jī)有功功率調(diào)度波動(dòng)次數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行充分地了解，同時(shí)需保證嚴(yán)格落實(shí)風(fēng)電場(chǎng)有功功率模型預(yù)測(cè)控制方法，才能充分實(shí)現(xiàn)二者的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)的良好應(yīng)用。