一種考慮風電有功降載能力的兩階段系統備用優化評估方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種系統備用優化評估方法，尤其是涉及一種考慮風電有功降載能力 的兩階段系統備用優化評估方法。
【背景技術】
[0002] 隨著電力系統風電接入規模的不斷擴大，電力系統調度問題與運行壓力日益凸 顯，系統調度部門不得不調度傳統機組持有相應的調頻或調峰容量來確保風電的順利消 納。這一方面增加了傳統機組的運行壓力以及系統調度運行的復雜性，另一方面減少或抵 消了風電并網帶來的經濟環保效益。風電的有功控制技術能夠調節風電的輸出特性，改善 風電與傳統電網間的交互提升系統優化運行水平，近年來受到人們的廣泛關注。在眾多風 電有功控制技術中，降載運行能夠較長時間維持，是風電可調度性實現的技術基礎。所謂風 電降載控制，是指風機采用變槳控制、變流器控制等主動控制手段偏離MPPT運行，從而產 生相應的功率調節與備用能力。如何實現風電主動功率控制能力及備用能力在系統層面的 建模，是解決風電主動參與系統功率備用調度問題的關鍵。
[0003] 目前，眾多建模方法多默認風電自主地工作在MPPT模式，系統運行所需的其他功 率及全部備用容量由傳統的水電或火電機組承擔。根據建模手段的不同，可以分為確定性 建模方法和不確定性建模方法。確定性建模方法一般考慮風電預測誤差和最大功率波動來 評估實際的預測誤差/波動量來確定備用容量，不確定性建模方法采用概率或模糊理論來 評估備用需求并將評估結果用于系統調度建模中。在上述考慮消納風電的經濟調度方法 中，確定性方法與不確定性方法均考慮風電全額饋入，通過傳統機組備用容量來配合風電 消納并沒有考慮風電自身的主動控制能力。并且上述模型一般忽略實時階段均只考慮事前 階段，其優化結果缺少實時階段的評價與驗證。
[0004] 相比傳統機組，風電機組受制于天氣條件出力雖然具有波動性和不確定性的缺 點，但風電機組慣性常數小，響應速度快，因此風電場可在極短時間內實現其出力的調節， 這有利于平抑功率波動趨近系統計劃運行狀態。因此，在事前階段制定系統運行計劃時應 當對風電的實時調節能力予以考慮，建立傳統機組與風電、系統調度事前計劃階段與系統 實時運行階段的聯動機制以實現含風電接入系統的最優運行。目前，部分國家如丹麥、德國 等在風機并網準則中已經明確規定風電場要具備有功控制能力。從中可以看出，風電機組 的主動功率控制是未來風電控制的重要發展方向，但尚缺少相應的建模方法。
【發明內容】
[0005] 為解決上述問題，本發明提出了一種考慮風電有功降載能力的兩階段系統備用優 化評估方法，同時考慮系統事前計劃階段和實時控制階段，求取系統最佳運行策略。
[0006] 本發明的技術方案采用如下步驟：
[0007] 1).構建考慮風電主動功率控制的含風電系統運行框架。
[0008] 2).通過風機降載比來確定風電實際并網功率P及備用能力R。
[0009] 3).事前階段根據風電功率及負荷功率預測結果，以整個事前階段的成本最小為 目標函數制定相應的系統運行及備用計劃。
[0010] 4).實時階段利用場景生成與縮減技術描述風電出力的不確定性，并考慮風電降 載運行主動功率控制技術，保證系統實時運行狀態與事前階段制定的運行狀態偏差最小。
[0011] 5).最后，考慮兩階段模型求解的復雜性引入數學上的等效變換，利用KKT條件將 具備明確物理意義的兩階段雙層模型轉化成單層模型方便求解。
[0012] 所述的步驟1)中的慮風電主動功率控制的含風電系統調度框架為：
[0013] 傳統系統調度通常默認風電采用MPPT控制并通過風電場進行管理，系統層則通 過功率預測估計風電波動范圍并進而安排傳統機組的出力計劃和備用計劃。如圖1所示， 本發明在傳統模式的基礎上考慮風電機組的主動功率控制能力，在風場層加入對系統出力 命令的響應。與傳統調度模式相比，在風電可調度模式下，風場層可以響應系統的調度指 令，同時底層的風機可以響應風場層的控制命令。
[0014] 所述的步驟2)中的風電實際并網功率P及備用能力R采用以下公式得到：
[0015] P = (1-K)Pmppt
[0016] RWP-t
[0017] 其中，P為實際風電并網功率，R為風電降載運行的備用能力，K為風電降載比，Pmppt 為風電最大功率跟蹤模式功率。
[0018] 利用風機響應速度快的特點，在實時階段可根據實時階段運行工況合理調節降載 比來趨近事前計劃。原理圖如圖2所示，其中三段粗實線分別反映不同風速Vl、％和v 3下 風機捕獲功率隨轉子轉速變化的關系；MPPT曲線為各風速下風機最大功率點的連線，曲線 ①②分別為風機在各風速下保持降載比Ki、K2的運行點曲線。當實際風速 Vl低于預測風速 %時，風場將降載比從K2調整為K:可保證既定的計劃輸出。由此可見，和傳統的MPPT控制 相比，風機的降載控制可以提供更為平穩的風機出力。
[0019]所述的步驟3)中以整個事前階段的成本最小為目標函數制定相應的系統運行及 備用計劃具體如下：
[0021] 事前階段以系統運行成本最小為目標函數，其中，(^為成本；&(廣、R m為事前階段 待確定的第m臺機組提供的出力及備用容量；if]為第n個風場預測出力，Rn為第n個風 場降載運行持有的備用容量；fm( ?)為傳統機組二次成本函數；cf、C,f和cf分別為傳統機 組備用價格、風電能量及備用定價；&、\分別為機組臺數及風場個數；if]，R n采用下式求 取：
[0024] Kn為在事前階段預估的風場降載比；$為風場的MPPT功率預測值。
[0025] 事前階段的約束條件有：
[0032] 約束條件依次為：傳統機組出力上下限約束；傳統機組爬坡約束；傳統機組備用 容量約束；系統備用容量約束；潮流約束；線路傳輸功率約束。
[0033] 所述的步驟4)中實時控制階段優化模型具體如下：
[0035] 實時階段考慮凡個可能的實時階段場景，以系統實際運行狀態與事前計劃結果間 偏差92最小為目標函數。其中，〇(s)為第s個場景發生的概率；4(())為待確定的第m臺機 組提供的出力；if}為第n個風場的預測出力；為傳統機組m在場景S中的出力；N g、 \分別為機組臺數及風場個數；if >為風場在場景s下的實際輸出功率，P"(s)采用下式求 算：
[0037] 其中，風場在場景s下的MPPT功率；尺,(^為風場n在場景s下的降載比。
[0038] 實時控制階段的約束條件有：
[0042] 約束條件依次為：傳統機組出力上下限約束；風電降載比約束；功率平衡約束。
[0043] 將步驟3) -4)中事前階段優化模型與實時階段優化模型采用以下公式相互耦合：
[0045] 即所述的事前階段預估的風場降載比Kn取各實時場景所有降載比的最小值，從而 為系統安排足夠的傳統備用容量。
[0046] 所述的步驟5)中利用KKT條件將雙層模型轉化成單層模型方便求解的數學原理 如下：
[0048] 其中，AUy)、f2(x，y)分別代指事前和實時階段目標，即系統運行成本和系統運 行偏差；s.t.指相應目標的約束條件，其中g均表示不等式約束，h均表示等式約束；a，入 分別為等式約束和不等式約束的拉格朗日乘子，a g2(x，y) =〇為線性互補條件。
[0049] 本發明的有益效果是：
[0050] 本發明能夠定量地確定風電實際并網功率及備用能力，在事前計劃階段考慮系統 實時運行階段風電所具備的功率快速響應、調節能力，給出相應的系統運行計劃。以本發明 得到的調度計劃策略與實時運行狀態相比誤差更小，且傳統機組備用壓力小，系統整體運 行經濟性更佳。
【附圖說明】
[0051] 圖1含風電系統調度模式示意圖；
[0052] 圖2 DFIG降載運行及降載曲線示意圖；
[0053] 圖3兩風場30節點系統接線圖；
[0054] 圖4預測的負荷-風電工況曲線，（a)工況Cl，（b)工況C2;
[0055] 圖5工況C1兩風場風電功率場景，（a)風場W1實時功率場景，（b)風場W2實時功 率場景；
[0056] 圖6事前階段風電降載比優化結果，（a)工況Cl，（b)工況C2 ;
[0057] 圖7不同控制模式下的優化比較結果，（a)、（b)分別為工況Cl、C2的事前計劃成 本圖，（c)、（d)分別為工況C1、C2的系統計劃偏差，（e)、（f)分別為工況C1、C2的風電并網 功率；
[0058] 圖8實時場景風電控制方式示意圖；
[0059] 表1火電機組參數；
[0060] 表2風場參數；
[0061] 表3系統各節點負荷注入比例；
[0062] 表4不同控制模式下的系統備用容量情況。
【具體實施方式】
[0063] 下面結合附圖及具體實施例對本發明作進一步詳細說明。
[0064]本發明方法包括以下步驟：
[0065] 1).構建考慮風電主動功率控制的含風電系統運行框架。
[0066] 2).通過風機降載比來確定風電實際并網功率P及備用能力R。
[0067] 3).事前階段根據風電功率及負荷功率預測結果，以整個事前階段的成本最小為 目標函數制定相應的系統運行及備用計劃。
[0068] 4).實時階段利用場景生成與縮減技術表征風電出力的不確定性，并考慮風電降 載運行主動功率控制技術，保證系統實時運行狀態與事前階段制定的運行狀態偏差最小。[0069] 5).最后，考慮兩階段模型求解的復雜性引入數學上的等效變換，利用KKT條件將 具備明確物理意義的兩階段模型轉化成單層模型方便求解。
[0070] 其中，步驟1)中的考慮風電主動功率控制的含風電系統調度框架如圖1所示。為 了考慮風電機組的主動功率控制能力，本發明在傳統模式的基礎上在系統層加入對風電場 出力的控制，在風場層加入對系統出力命令的響應。與傳統調度模式相比，在風電可調度模 式下，風場層可以響應系統的調度指令，同時底層的風機可以響應風場層的控制命令。
[0071] 步驟2)中風電實際并網功率P及備用能力R采用以下公式得到：
[0072] P=(1-K)Pmppt
[0073] R=K ?卩而
[0074] 其中，P為實際風電并網功率，R為風電降載運行的備用能力，K為風電降載比，Pmppt 為風電