弃风条件下考虑机群电价差异的风电场控制策略

刘晓光，吕渤林



弃风条件下考虑机群电价差异的风电场控制策略

刘晓光，吕渤林

（华电电力科学研究院有限公司，浙江省 杭州市 310030）

基于风电存在弃风限电以及不同电价的情况，提出一种最大化风电场收益的控制策略。在风电场自动发电控制系统和不同机群能量管理系统之间搭建一套协调控制系统。该协调控制系统基于不同机群的上网电价，考虑机群最大发电能力，将发电指标合理分配给不同机群，在保证机组运行可靠、安全的前提下让电价高的机组优先发电，让电价低的机组满足最小运行负荷，从而实现收益最大化。通过计算不同机群的理论功率，最终得出实际提升的收益。

风电机组；电价差异；协调控制；收益

0 引言

随着我国风电产业的快速发展，大型风力发电场的建设越来越多。同一风电场因分期建设，可能同时存在多个厂家、多种型号的风电机组，设备技术参数不同，不同风况下风力发电机组出力和设备稳定性也有所差异。同时，不同投产时间的风电场电价也不同。而现有的风机机群控制策略，在接收调度发电计划指令时，并未全面考虑电价差异问题和机组疲劳问题[1-2]。虽然完成了调度发电计划的考核指标，但没有实现新能源场站收益最大化。调度开展的功率优化研究，大多针对潮流和考虑电网安全运行所采取的调度策略，未充分考虑风电场自身发电能力和经济效益问题[3-4]。因此，为了最大限度发挥电价较高、稳定性较好的设备的优势，需要对风电机群功率控制策略进行改进与优化，以提高风电场的设备可利用率和发电小时数，提高风机系统稳定性以及风电场经济效益。

本文设计搭建风电场风电机群最优化协 调控制系统，在考虑风机运行状态稳定性的基 础上，解决不同机群由于电价不同造成的风电 场经济收益损失问题。该系统以某风电场为试 点确定系统架构和设计思路，并进行实地部署和验证。

1 系统原理

风电场一般分期建设，完全建成后大多存在多种机组，形成多个机群。由于政策的不同造成各个机群的上网电价存在差异。调度充分利用自动发电控制(automatic generation control，AGC)在大规模并网条件下进行跨区协调控制[5]，但对于传送给风电场的AGC指令未考虑场内存在的可优化空间。电网调度系统发送有功指令给风电场AGC系统后，AGC系统一般以装机容量占比的方式将有功指令分摊发送给不同的机群[6](如图1中虚线所示)。在不限电的情况下，各个机组均以最大出力完成发电计划。在限电的情况下，各个机群虽然按指令完成了发电计划，但电价高的机群不能充分利用优势，不能发挥最大经济效益。本文研究在弃风限电的前提下，如何实现经济效益最大化，所提控制策略的原理如图1所示。在AGC系统和不同机群厂家能量管理系统(energy management system，EMS)之间搭建一套协调控制系统(如图1中实线所示)，在AGC指令分配满足调度考核要求的前提下，基于不同电价差异以及不同机群发电能力的情况，优化分配机群出力，从而在总负荷目标一定的情况，使风电场的经济收益最大化。

图1 控制策略原理

2 控制策略

控制策略的计算流程是首先采用流体力学的计算方法将测风塔风速外推至每台风机轮毂处，建立各台风机机头风速传递函数[7]。外推风速转化函数为

式中：w为由测风塔外推至风机轮毂高度处的风速；t为测风塔实测风速；1,2,…,k为影响因子(地形、粗糙度、尾流效应、故障情况等)；为传递函数。

通过外推风速和机头历史风速修正风机机头风速数据[8]，剔除因检修、故障及电网限电因素导致的非正常风机数据[9]，计算正常发电的每台风机的理论功率，通过求和计算出机群最大、最小发电能力和风电场理论功率。

其次，根据最大出力对机群的出力进行分配。

理论上来说，出力控制优先考虑电价高的机群，但是考虑到风机负荷的相对均衡性，需要对机组进行最小出力限制[10]，当负荷指令过小时，可以有效避免电价低机群停机或长期低负荷运行造成的损耗过大。基于上述考虑，首先按照电价高低对机群进行排名，有如下两种情形：

式中：D为机群的电价；Pn为机群的出力下限。

3 效益评价

利用该系统计算风电场发电功率值对时间积分以进行协调优化前的发电量计算，通过与协 调优化后的发电量进行比较，获取增加的发电收益数。

协调优化前的机群发电量q计算公式为

式中：为所有机群的实时功率；1和2分别为效益计算的起、止时间。

增加的发电收益计算公式为

式中：Wq为优化前的发电量；Wh为优化后的发电量，即实际发电量。

4 现场实施

实际试验风场由3期项目组成，总装机 250MW。其中，1期有67台1.5MW机组，电价为0.5元/(kW×h)；2期有67台1.5MW机组，电价为0.54元/(kW×h)，3期有33台1.5MW机组，电价为0.54元/(kW×h)。通过风电场功率优化控制系统建模后，进行现场实施并调试。

4.1 有功调节测试

在风电场AGC系统和不同机群EMS之间搭建的协调控制系统，首先要确保能够及时收取AGC的指令，并迅速下发给各EMS平台，同时EMS应将执行情况传送至协调控制系统，由协调控制系统及时地将执行情况反馈给AGC。根据试验，在风电场功率控制与优化系统投运期间，风电场总有功功率未出现长时间超出调度指令的情况，通过增有功或减有功指令测试，指令跟踪响应速率满足调度要求，如图2所示。

图2 有功跟踪

4.2 效益计算

协调控制系统的主要作用为重新分配AGC指令，将AGC指令合理地分配给电价高的机组和具备发电能力的机群，并不能显著增加发电量。经计算，投运后10日内，在弃风限电、总有功一定的情况下，通过将有限的发电指令科学合理地进行再分配后，该系统共为风电场增加收益 42.44万元，具体统计数据见表1。可见，与用原AGC系统相比，风电场收益提升了约5.72%。

表1 效益对比

5 结论

研究了在弃风条件下的一种最大化风电场收益的控制策略，在风电场存在多个机群且电价不相同的情况下，在风场AGC系统和不同机群EMS之间搭建了一套协调控制系统。该协调控制系统通过对计算不同机群的理论功率，基于不同机群的上网电价，考虑机群的最大和最小发电能力，将有功功率进行合理分配。通过现场实施和验证可知，采用该控制策略后，有功跟踪性能满足要求，经济效益增加显著。

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(责任编辑 杨阳)

Wind Power Control Strategy Under Wind Abandon Condition Considering Difference of Electricity Price

LIU Xiaoguang, LÜ Bolin

(China Huadian Electric Power Research Institute Co., LTD, Hangzhou 310030, Zhejiang Province, China)

A control strategy for maximizing wind farm revenue under wind abandon conditions was proposed based on abandoned wind and different electricity price. A set of coordinated control system was set up between wind farm automatic generation control (AGC) system and energy management platform (EMS) of different wind turbine group. The coordination control system is based on different electricity price considering the maximum generating capacity of the wind turbine and distributes rationally active power. The wind turbine with high electricity price will be given priority for generating electricity on the premise of ensuring the reliability and safety and maximizes revenue.Improved benefit is finally obtained through the calculation of the theoretical power of different clusters,.

wind turbine; difference of electricity price; coordinated control; revenue

2017-11-10。

刘晓光(1982)，男，硕士，高级工程师，研究方向为新能源发电系统效率优化及运行管理等，laudroup@163.com；吕渤林(1985)，男，本科，研究方向为新能源场站设计优化、风资源评估及效率研究等。

10.12096/j.2096-4528.pgt.2018.008