考慮線損和功率偏差損傷的風(fēng)電場(chǎng)有功功率分配策略研究

顏云松, 陳洶, 唐冠軍, 許士光

(國(guó)電南瑞科技股份有限公司,江蘇 南京 211106)

0 引 言

隨著我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的提出,以風(fēng)電為代表的清潔能源已成為我國(guó)能源的主要發(fā)展戰(zhàn)略［1］。然而,風(fēng)電接入對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行帶來(lái)挑戰(zhàn),且現(xiàn)有的風(fēng)電消納水平失配導(dǎo)致嚴(yán)重的棄風(fēng)限電現(xiàn)象［2-4］。隨著《新能源場(chǎng)站全景監(jiān)控通用技術(shù)規(guī)范》的出臺(tái),在風(fēng)電機(jī)組源端開(kāi)展實(shí)時(shí)監(jiān)控為風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組精細(xì)化控制提供了技術(shù)保障。此外,降低風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行損傷、延長(zhǎng)機(jī)組運(yùn)行壽命同樣成為當(dāng)前風(fēng)電場(chǎng)優(yōu)化控制研究熱點(diǎn)之一［5］。

當(dāng)前對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的研究主要包括風(fēng)電功率預(yù)測(cè)、優(yōu)化調(diào)度、集群控制和機(jī)組健康狀態(tài)評(píng)價(jià)等［6-8］。文獻(xiàn)［9］建立了一種結(jié)合分形理論和灰色理論的風(fēng)電短期功率預(yù)測(cè)模型,利用真實(shí)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)并與實(shí)際值做出對(duì)比分析,結(jié)果表明該方法有較高的預(yù)測(cè)精度。文獻(xiàn)［10］提出一種考慮機(jī)組排序控制的風(fēng)電集群有功控制方法,該方法在提高風(fēng)電消納量的基礎(chǔ)上減少了風(fēng)機(jī)調(diào)控次數(shù)。文獻(xiàn)［11］采用風(fēng)電機(jī)組功率曲線來(lái)衡量機(jī)組的健康狀態(tài),并結(jié)合功率曲線實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組異常狀態(tài)辨識(shí)。文獻(xiàn)［12］以風(fēng)電機(jī)組預(yù)估輸出功率和當(dāng)前風(fēng)速為基礎(chǔ)構(gòu)建Copula模型對(duì)風(fēng)電機(jī)組健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。但上述研究均未考慮到同一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)不同的風(fēng)電機(jī)組所處的風(fēng)速環(huán)境和運(yùn)行條件,亦未考慮到風(fēng)電場(chǎng)有功功率傳輸線路損耗會(huì)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)對(duì)調(diào)度中心的需求響應(yīng)造成誤差,且未考慮到風(fēng)電機(jī)組實(shí)際出力與預(yù)測(cè)輸出功率之間的偏差對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行健康帶來(lái)的影響。

針對(duì)上述問(wèn)題本文改進(jìn)了現(xiàn)有的風(fēng)電場(chǎng)的有功功率分配方法,提出一種基于考慮預(yù)測(cè)風(fēng)速的模糊C均值聚類算法的風(fēng)電場(chǎng)有功功率優(yōu)化分配策略。首先進(jìn)行風(fēng)速預(yù)測(cè),通過(guò)模糊C均值聚類算法將風(fēng)電場(chǎng)中的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行分類。在預(yù)測(cè)風(fēng)速的基礎(chǔ)上對(duì)風(fēng)電機(jī)組的有功功率出力進(jìn)行預(yù)測(cè),并引入了風(fēng)電機(jī)組健康維持度指標(biāo)對(duì)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。以風(fēng)電場(chǎng)有功功率線路損耗最小和機(jī)組偏差損傷最小為目標(biāo)進(jìn)行雙目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度建模,并用改進(jìn)的非劣排序遺傳(nondominated sorting genetic algorithm-Ⅱ, NSGA-Ⅱ)算法對(duì)該雙目標(biāo)模型進(jìn)行優(yōu)化求解,對(duì)不同類別機(jī)組進(jìn)行有功功率優(yōu)化分配。最后通過(guò)算例分析對(duì)所提出方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 風(fēng)電機(jī)組模糊C均值聚類

得到預(yù)測(cè)風(fēng)速后,對(duì)模糊聚類數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,分別提取風(fēng)電機(jī)組的當(dāng)前風(fēng)速、預(yù)測(cè)風(fēng)速和機(jī)組輸出功率的平均值和均方根差值作為特征值。其中當(dāng)前風(fēng)速的平均值與均方根差值計(jì)算公式如下:

(1)

(2)

式中:vmean(i)為第i臺(tái)機(jī)組的當(dāng)前平均風(fēng)速;vRMSE(i)為第i臺(tái)機(jī)組的風(fēng)速均方根差值;j為正整數(shù);n為機(jī)組數(shù)量。預(yù)測(cè)風(fēng)速和機(jī)組輸出功率的求值計(jì)算同上。

將所有參數(shù)進(jìn)行歸一化后,得到風(fēng)電機(jī)組的當(dāng)前風(fēng)速、預(yù)測(cè)風(fēng)速和機(jī)組輸出功率的特征矩陣為:

(3)

將得到的特征矩陣作為模糊C均值聚類算法的輸入,根據(jù)分類數(shù)目的選擇,便可將風(fēng)電機(jī)組分為特征值相似的若干類。通過(guò)先確定所有類別的聚類中心,進(jìn)一步計(jì)算得出所有樣本對(duì)于各類別中心的隸屬度,再給每個(gè)樣本分配所屬類別的隸屬度函數(shù),最后根據(jù)隸屬度大小對(duì)樣本進(jìn)行分類。

2 考慮機(jī)組偏差損傷的有功功率分配

為了評(píng)價(jià)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行出力狀態(tài),引入有功偏差Δp。通過(guò)衡量風(fēng)電機(jī)組實(shí)際有功出力與機(jī)組預(yù)測(cè)有功功率出力之間的偏差對(duì)風(fēng)電機(jī)組健康狀態(tài)帶來(lái)的損傷,引入機(jī)組運(yùn)行偏差損傷D。為了量化機(jī)組的有功偏差,將n個(gè)風(fēng)電機(jī)組的預(yù)測(cè)有功功率平均值與實(shí)際有功功率平均值pmean進(jìn)行比較。當(dāng)兩者的偏差絕對(duì)值Δp大于pmean的50%時(shí),機(jī)組為C級(jí)機(jī)組;當(dāng)兩者偏差絕對(duì)值Δp處于25%～50%之間時(shí),機(jī)組為B級(jí)機(jī)組,其余機(jī)組為A級(jí)機(jī)組。其中,A級(jí)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)最優(yōu),C級(jí)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)最差,且三種等級(jí)機(jī)組的損傷偏差度分別取0、3、6。

本文以風(fēng)電場(chǎng)有功功率傳輸線路損耗最小和以風(fēng)電機(jī)組總功率偏差損傷最小為優(yōu)化目標(biāo)構(gòu)建雙目標(biāo)優(yōu)化。其中,以有功功率線路損耗最小為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)有功功率分配的目標(biāo)函數(shù)為:

(4)

式中:Pi(t)為t時(shí)刻機(jī)組i的實(shí)際有功功率;Ui為機(jī)組i高壓側(cè)電壓;Ritotal為機(jī)組i所在類機(jī)組與開(kāi)關(guān)柜聯(lián)絡(luò)線的總電阻。以風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組總偏差損傷度最小為目標(biāo)進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)有功功率優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為:

(5)

式中:Pimax(t)為機(jī)組i在t時(shí)段有功功率分配最大出力;Di為機(jī)組i的偏差損傷度。

為了使風(fēng)電場(chǎng)所有機(jī)組能安全穩(wěn)定運(yùn)行,需對(duì)所建立優(yōu)化模型設(shè)定約束。其中,有功平衡約束、出力約束和啟停約束計(jì)算如式(6)～式(8)所示。

Pcmd(t)=P1(t)+P2(t)+…+Pn(t)

(6)

(7)

Pst min

(8)

式中:Pcmd(t)為t時(shí)段的風(fēng)電場(chǎng)調(diào)度出力要求;Pi min為機(jī)組i的出力下限;Pst min為避免機(jī)組i頻繁啟停所設(shè)置的不切機(jī)前提下的最小出力。

3 算例分析

以我國(guó)某風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)為例對(duì)所提方法進(jìn)行驗(yàn)證。該風(fēng)電場(chǎng)總?cè)萘繛?5 MW,安裝10臺(tái)單機(jī)容量為2.5 MW的風(fēng)電機(jī)組。將10臺(tái)風(fēng)機(jī)分為3個(gè)機(jī)群,每個(gè)機(jī)群連接1根母線。3個(gè)機(jī)群相距35 kV開(kāi)關(guān)柜的距離分別為6.1 km、4.6 km和2.8 km。連接導(dǎo)線型號(hào)為L(zhǎng)GJ-120/25,阻抗為0.392 Ω/km。

圖1為該風(fēng)電場(chǎng)10臺(tái)機(jī)組60 s的實(shí)際測(cè)量風(fēng)速數(shù)據(jù)曲線,由下到上分別為1到10號(hào)機(jī)組。結(jié)合本文所提方法將10臺(tái)機(jī)組分為三類,分類結(jié)果如表1所示。所得到每類機(jī)組的平均輸出功率和功率均方差根值平均值,結(jié)果如表2所示。再根據(jù)有功偏差量對(duì)所有風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行等級(jí)劃分,結(jié)果如表3所示。

表1 機(jī)組分類結(jié)果機(jī)組類別機(jī)組編號(hào)數(shù)目第一類1,2,33第二類4,5,6,74第三類8,9,103表2 機(jī)組功率平均值機(jī)組類別Pmean0-1PRMSE0-1第一類0.585 40.203 5第二類0.845 80.136 7第三類0.915 50.066 6

表3 機(jī)組有功偏差量

圖1 風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組風(fēng)速曲線

本文采用NSGA-Ⅱ算法對(duì)雙目標(biāo)模型進(jìn)行求解。假設(shè)整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的調(diào)度曲線如圖2所示,通過(guò)計(jì)算得到所建立雙目標(biāo)優(yōu)化模型的帕累托解集,從所得帕累托解集中選取最優(yōu)折衷解與傳統(tǒng)分配方法結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,最優(yōu)折衷解下的機(jī)組群有功功率出力如圖3所示,所提有功功率分配策略的線損與傳統(tǒng)分配方法線損對(duì)比結(jié)果如表4所列。表4中:Ploss1、Ploss2分別為傳統(tǒng)按比例分配和按本文策略分配的線損。

表4 折衷解下的線損對(duì)比關(guān)系

圖2 風(fēng)電場(chǎng)調(diào)度需求

圖3 各機(jī)組群有功功率出力

從仿真結(jié)果可以看出,風(fēng)電場(chǎng)有功線損較傳統(tǒng)功率分配方法降低了約11.52%,機(jī)組的偏差損傷度降低了約4.67%,驗(yàn)證了本文所提有功功率優(yōu)化分配策略的有效性,為風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行提供了的指導(dǎo)依據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的基于風(fēng)速預(yù)測(cè)模糊C聚類算法的風(fēng)電場(chǎng)有功功率優(yōu)化調(diào)度策略,能更好地根據(jù)風(fēng)電機(jī)組所處的實(shí)際風(fēng)速環(huán)境進(jìn)行調(diào)度指令和有功功率分配,使風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)資源分配不均時(shí)各風(fēng)電機(jī)組出力更合理。同時(shí)以風(fēng)電場(chǎng)有功線損和機(jī)組有功出力偏差損傷最小為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行雙目標(biāo)優(yōu)化分配策略研究,一定程度上降低了風(fēng)電機(jī)場(chǎng)的運(yùn)行維護(hù)成本,提高了風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。本文所提的風(fēng)電場(chǎng)有功功率分配策略對(duì)風(fēng)電場(chǎng)有功功率分配和精細(xì)化控制具有顯著的指導(dǎo)意義。