1、項目背景
隨著大規(guī)模風(fēng)電的接入，傳統(tǒng)的電網(wǎng)調(diào)度碰到巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)，急切須要新的調(diào)度控制策略來保持電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行和推動新能源的消納。小型風(fēng)電場內(nèi)部常常存在風(fēng)機數(shù)目較多、分布范圍廣、風(fēng)機機型不一致等情況，導(dǎo)致各風(fēng)機負荷率和輸出有功功率的不同。那些為風(fēng)電場對系統(tǒng)有功功率調(diào)度計劃追蹤和調(diào)度波動次數(shù)的限制帶來了困難，不利于風(fēng)電場增加運行控制和維護成本。
2、論文所解決的問題及意義
目前風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)機有功調(diào)度策略存在兩方面問題：⑴缺乏對風(fēng)電場有功功率狀態(tài)、風(fēng)機狀態(tài)與可調(diào)節(jié)能力、調(diào)度計劃指標(biāo)和調(diào)度波動次數(shù)等問題的綜合考慮;⑵在結(jié)合多種預(yù)測時間尺度的風(fēng)電場在線優(yōu)化控制能力方面受限。
針對上述問題，本文從風(fēng)電場分層遞階預(yù)測控制(MPC)和風(fēng)機分群控制管理兩個角度擬定運行控制策略。首先，將風(fēng)電場場內(nèi)有功功率調(diào)度分為場站優(yōu)化分配層、分群控制層和單機有功功率管理層三個層次;之后，在構(gòu)建超短期風(fēng)電功率預(yù)測組合模型為場站層MPC提供整場有功預(yù)測值的基礎(chǔ)上，根據(jù)風(fēng)機發(fā)電狀態(tài)對風(fēng)機進行分群，在整場、機群和單機層面分別構(gòu)建滾動優(yōu)化模型對有功功率進行在線滾動優(yōu)化控制，并通過風(fēng)電場檢查設(shè)備向各層反饋實時有功發(fā)電狀態(tài)，實現(xiàn)系統(tǒng)的手動反饋校準(zhǔn)，因而實現(xiàn)風(fēng)電場有功功率的多目標(biāo)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制。
3、論文重點內(nèi)容
本文在超短期風(fēng)電功率預(yù)測的基礎(chǔ)上對場內(nèi)控制時序分解超短期風(fēng)電功率預(yù)測，建立分層MPC策略，經(jīng)過遞階滾動優(yōu)化和分層反饋校準(zhǔn)提升有功功率調(diào)度計劃的追蹤精度。圖1后衛(wèi)站優(yōu)化分配層按照超短期風(fēng)電功率組合預(yù)測模型的預(yù)測結(jié)果，以15min一次的頻度滾動優(yōu)化估算各機群有功功率負荷分配調(diào)度值。分群控制層按照風(fēng)機負荷及未來發(fā)電狀態(tài)每15min進行一次風(fēng)機機群的重新界定，并以5min一次的頻度估算本機群內(nèi)風(fēng)機的有功功率負荷分配指標(biāo)。單機有功功率管理層按照分群控制層下發(fā)的風(fēng)機負荷指標(biāo)對風(fēng)機進行1min頻度的調(diào)度指令追蹤滾動優(yōu)化和實時反饋校準(zhǔn)。據(jù)悉，通過分布式預(yù)測控制(DMPC)思想依據(jù)風(fēng)機負荷和未來發(fā)電狀態(tài)對風(fēng)機進行分群，并在各機群內(nèi)構(gòu)建獨立而有針對性的滾動優(yōu)化模型，進而增加估算的復(fù)雜程度和風(fēng)機調(diào)度指令的波動次數(shù)。圖2為有功遞階滾動優(yōu)化控制框圖。
圖1風(fēng)電場有功功率多目標(biāo)遞階預(yù)測控制時序圖
圖2有功遞階滾動優(yōu)化控制框圖
在風(fēng)電具有顯著波動的區(qū)間內(nèi)，所提的方式才能挺好地處理風(fēng)電場有功功率的連續(xù)波動。本文選定了在分群控制層面5min內(nèi)的9個風(fēng)馬達群有功功率變化曲線進行說明。圖3中1-2min系統(tǒng)功率抬高，低負荷升功率機群先動作，3min仍不滿足系統(tǒng)功率穩(wěn)定，中負荷升功率機組動作4min系統(tǒng)功率增加，高/中負荷降功率機群開始動作，5min仍不滿足系統(tǒng)功率穩(wěn)定，高負荷降功率機群達到限值，中/低負荷升功率機組動作。表1顯示了5min內(nèi)的系統(tǒng)調(diào)度值和風(fēng)電場的實際有功功率值，其中系統(tǒng)調(diào)度值的幀率是15min。
圖35min內(nèi)各風(fēng)馬達群有功功率變化
表15min內(nèi)風(fēng)電場有功調(diào)度計劃指標(biāo)及實際有功功率
多目標(biāo)分層遞階MPC方式顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的固定比列分配算法和變比列分配算法，對比結(jié)果如圖4和表2所示，其中固定比列分配算法和變比列分配算法均按照15min前風(fēng)電場有功功率和風(fēng)電場有功調(diào)度計劃指標(biāo)進行有功功率分配，滾動估算周期為每15min一次。
1、項目背景
隨著大規(guī)模風(fēng)電的接入，傳統(tǒng)的電網(wǎng)調(diào)度碰到巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)，急切須要新的調(diào)度控制策略來保持電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行和推動新能源的消納。小型風(fēng)電場內(nèi)部常常存在風(fēng)機數(shù)目較多、分布范圍廣、風(fēng)機機型不一致等情況，導(dǎo)致各風(fēng)機負荷率和輸出有功功率的不同。那些為風(fēng)電場對系統(tǒng)有功功率調(diào)度計劃追蹤和調(diào)度波動次數(shù)的限制帶來了困難，不利于風(fēng)電場增加運行控制和維護成本。
2、論文所解決的問題及意義
目前風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)機有功調(diào)度策略存在兩方面問題：⑴缺乏對風(fēng)電場有功功率狀態(tài)、風(fēng)機狀態(tài)與可調(diào)節(jié)能力、調(diào)度計劃指標(biāo)和調(diào)度波動次數(shù)等問題的綜合考慮;⑵在結(jié)合多種預(yù)測時間尺度的風(fēng)電場在線優(yōu)化控制能力方面受限。
針對上述問題，本文從風(fēng)電場分層遞階預(yù)測控制(MPC)和風(fēng)機分群控制管理兩個角度擬定運行控制策略。首先，將風(fēng)電場場內(nèi)有功功率調(diào)度分為場站優(yōu)化分配層、分群控制層和單機有功功率管理層三個層次;之后，在構(gòu)建超短期風(fēng)電功率預(yù)測組合模型為場站層MPC提供整場有功預(yù)測值的基礎(chǔ)上超短期風(fēng)電功率預(yù)測，根據(jù)風(fēng)機發(fā)電狀態(tài)對風(fēng)機進行分群，在整場、機群和單機層面分別構(gòu)建滾動優(yōu)化模型對有功功率進行在線滾動優(yōu)化控制，并通過風(fēng)電場檢查設(shè)備向各層反饋實時有功發(fā)電狀態(tài)，實現(xiàn)系統(tǒng)的手動反饋校準(zhǔn)，因而實現(xiàn)風(fēng)電場有功功率的多目標(biāo)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制。
3、論文重點內(nèi)容
本文在超短期風(fēng)電功率預(yù)測的基礎(chǔ)上對場內(nèi)控制時序分解，建立分層MPC策略，經(jīng)過遞階滾動優(yōu)化和分層反饋校準(zhǔn)提升有功功率調(diào)度計劃的追蹤精度。圖1后衛(wèi)站優(yōu)化分配層按照超短期風(fēng)電功率組合預(yù)測模型的預(yù)測結(jié)果，以15min一次的頻度滾動優(yōu)化估算各機群有功功率負荷分配調(diào)度值。分群控制層按照風(fēng)機負荷及未來發(fā)電狀態(tài)每15min進行一次風(fēng)機機群的重新界定，并以5min一次的頻度估算本機群內(nèi)風(fēng)機的有功功率負荷分配指標(biāo)。單機有功功率管理層按照分群控制層下發(fā)的風(fēng)機負荷指標(biāo)對風(fēng)機進行1min頻度的調(diào)度指令追蹤滾動優(yōu)化和實時反饋校準(zhǔn)。據(jù)悉，通過分布式預(yù)測控制(DMPC)思想依據(jù)風(fēng)機負荷和未來發(fā)電狀態(tài)對風(fēng)機進行分群，并在各機群內(nèi)構(gòu)建獨立而有針對性的滾動優(yōu)化模型，進而增加估算的復(fù)雜程度和風(fēng)機調(diào)度指令的波動次數(shù)。圖2為有功遞階滾動優(yōu)化控制框圖。
圖1風(fēng)電場有功功率多目標(biāo)遞階預(yù)測控制時序圖
圖2有功遞階滾動優(yōu)化控制框圖
在風(fēng)電具有顯著波動的區(qū)間內(nèi)，所提的方式才能挺好地處理風(fēng)電場有功功率的連續(xù)波動。本文選定了在分群控制層面5min內(nèi)的9個風(fēng)馬達群有功功率變化曲線進行說明。圖3中1-2min系統(tǒng)功率抬高，低負荷升功率機群先動作，3min仍不滿足系統(tǒng)功率穩(wěn)定，中負荷升功率機組動作4min系統(tǒng)功率增加，高/中負荷降功率機群開始動作，5min仍不滿足系統(tǒng)功率穩(wěn)定，高負荷降功率機群達到限值，中/低負荷升功率機組動作。表1顯示了5min內(nèi)的系統(tǒng)調(diào)度值和風(fēng)電場的實際有功功率值，其中系統(tǒng)調(diào)度值的幀率是15min。
圖35min內(nèi)各風(fēng)馬達群有功功率變化
表15min內(nèi)風(fēng)電場有功調(diào)度計劃指標(biāo)及實際有功功率
多目標(biāo)分層遞階MPC方式顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的固定比列分配算法和變比列分配算法，對比結(jié)果如圖4和表2所示，其中固定比列分配算法和變比列分配算法均按照15min前風(fēng)電場有功功率和風(fēng)電場有功調(diào)度計劃指標(biāo)進行有功功率分配，滾動估算周期為每15min一次。
表224小時風(fēng)機調(diào)度波動次數(shù)優(yōu)先控制結(jié)果
圖43種方式的有功功率控制結(jié)果
從圖4和表2中可以看出，3種方式在實際有功調(diào)度與調(diào)度控制目標(biāo)之間的均方根偏差方面以及在風(fēng)機調(diào)度波動次數(shù)方面，本文所提的方式顯著優(yōu)于其他兩種方式。
4、結(jié)論
(1)分層MPC方式實現(xiàn)了綜合考慮多個控制目標(biāo)的基礎(chǔ)上的有功功率合理分配和精確控制，增強了風(fēng)電場有功功率控制的精度和穩(wěn)定性。
(2)多目標(biāo)分層MPC可以較好地減少有功功率波動，提高風(fēng)電場有功功率調(diào)控的魯棒性。
(3)分層策略挺好地解決了超短期風(fēng)電功率預(yù)測時間幀率和實時控制時間不匹配的問題，逐級增加的有功功率控制時間碼率可以提升有功功率控制的精度。
(4)基于DMPC思想的風(fēng)電場風(fēng)機分群控制算法可以降低在追蹤系統(tǒng)調(diào)度計劃指標(biāo)過程中風(fēng)機調(diào)度控制波動次數(shù)。
引文信息
葉林,任成,李智,等.風(fēng)電場有功功率多目標(biāo)分層遞階預(yù)測控制策略[J].中國水泵工程學(xué)報,2016,36(23):6327-6336.
YELin,RENfú,LIZhi,etal.forMulti-PowerinWindFarm[J].oftheCSEE,2016,36(23):6327-6336(in).
團隊介紹
中國農(nóng)業(yè)學(xué)院葉林院士領(lǐng)導(dǎo)的團隊主要從事電力系統(tǒng)手動化、考慮大規(guī)模風(fēng)電/太陽能接入的電網(wǎng)安全風(fēng)險剖析、風(fēng)電/太陽能功率預(yù)測模型和空間相關(guān)性算法、基于功率預(yù)測的區(qū)域風(fēng)電場有功功率控制策略、電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)建模與實時仿真以及區(qū)域風(fēng)電場生物質(zhì)能資源精細化評估等領(lǐng)域的科學(xué)研究。
葉林(1968)，男，院長、博士生導(dǎo)師，日本洪堡學(xué)者、教育部新世紀優(yōu)秀人才、霍英東青年基金獎勵項目獲得者。2000年結(jié)業(yè)于中國科大學(xué)鉗工研究所獲工學(xué)博士學(xué)位。2000-2002年在美國卡爾斯魯厄?qū)W院(KIT)從事科學(xué)研究，2004-2007年在美國劍橋?qū)W院工程系工作。近些年來先后主持4項國家自然科學(xué)基金研究項目、教育部科學(xué)技術(shù)重點研究項目、教育部博士點基金(碩導(dǎo)類)課題、霍英東青年班主任獎勵(基金)項目、北京市自然科學(xué)基金研究項目、教育部出國留學(xué)歸國人員啟動基金等橫向科研項目以及國家電網(wǎng)公司科技項目。近些年來在國外外學(xué)術(shù)刊物發(fā)表高水平的研究論文被SCI收錄23篇、EI收錄論文63篇，申請/獲國家發(fā)明專利16項和授權(quán)計算機軟件專著權(quán)39項。兼任《電力系統(tǒng)保護與控制》、《電力與能源進展》、《&ofPower》期刊的編委。
2000-2002年獲英國政府最高榮譽von/基金(日本洪堡學(xué)者);2004年獲教育部霍英東基金會青年班主任獎勵(基金項目)捐助;2008年榮獲教育部新世紀優(yōu)秀人才捐助計劃;獲2012年度教育部科學(xué)研究優(yōu)秀成果獎(科學(xué)技術(shù))自然科學(xué)獎二等獎(排行第一)。
任成(1992)，男，碩士研究生，主要研究方向為電力系統(tǒng)運行與控制、新能源發(fā)電技術(shù)。上海市優(yōu)秀中學(xué)生黨員，中國農(nóng)業(yè)學(xué)院五四青年標(biāo)兵。
李智(1994)，女，碩士研究生，主要研究方向為電力系統(tǒng)運行與控制、新能源發(fā)電技術(shù)。
趙樂安(1990)，男，博士研究生，主要研究方向為電力系統(tǒng)運行與控制、新能源發(fā)電技術(shù)，2016-2017年在馬來西亞DTU學(xué)院訪學(xué)交流1年。
