风电场能量管理平台自适应分配策略设计研究

(1.国电联合动力技术有限公司研发中心，北京 100039;2.河北龙源风力发电有限公司监视和数据中心，承德 067000;3.中广核新能源投资(深圳)有限公司贵州分公司生产部，贵阳 550000;4.中广核阳江海上风力发电有限公司生产部，阳江 529500)

0 引 言

我国风能资源储量丰富，在碳中和的目标下，我国承诺2030年风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上，能源结构的变化背景下，稳定可靠的能源保障供应系统成为重点。风电场能量管理系统，又称风电场能量管理平台或有功控制平台，是指当电网调度给风电场给出发电负荷调度指令时，要求风电场能量管理平台按照电网调度指令在规定的时间内，能够通过相关的分配控制策略将全场实发上网电量调高或调低，以此来保持电力系统稳定。

目前的风电场级能量控制系统的技术方向，主要是考虑如何通过相关的调整策略将场级能量进行调整。申请号为201710334773.7(用于风电场能量管理的方法和设备)的专利，公布了一种通过大量采集风电场气象数据和运行数据作为参考量、统计每台风力发电机组故障概率、建立每台风力发电机组的数据特征库的技术手段来区别选择最适合当前环境和能力需求的风力发电机组，进行风力发电机组的组合控制，来实现管理风电场能量的目标。此技术需要需要收集大量数据，并且建立特征库，不方便实施和运用。本文则从场级运行情况出发，设计了能够快速执行到单机的智能分配策略。

1 能量管理平台概述

风电场能量管理平台是一套对风电场能量进行综合管理与配置调度的智能系统，它能对风电场的有功功率进行管理，执行网调给出的有功负荷命令，达到自动控制风电场上网电量的目的；能量管理平台亦可通过手动控制风电场无功或有功功率，使得风电场有功或无功运行在运维人员设定的范围之内。能量管理平台以允许最大发电量为控制目标，通过分配计算，调度控制风电场上网负荷，使得风电场上网负荷在额定容量内得到自动控制。

典型能量管理平台的架构如图1所示，包括设备层、接口层、策略层和显示层共4个层级，设备层主要指风电场单机节点的控制器、风电场级AGC、关口表物理设备；设备层的数据通过通讯传输到接口层，接口层主要包括数据采集器、服务器等设备；策略主要功能是对能量控制平台的分配策略进行部署和调度，显示层主要功能是前端人机接口互动。四个层级的划分依次从后端到前端，从物理到应用，本文主要是对策略层的分配策略进行设计研究，同时结合实际风电场生产业务，给出具有执行性的方案。

图1 风电场能量管理平台的架构图

2 能量管理平台分配策略的设计

能量平台的控制策略主要功能是分解网调能量指令，将需要上调或下调的能量变化值科学的分配到风电场中运行机位上，并检测其执行效果，动态调整纠偏。在早期的风电场级能量平台分配策略中，有些厂商直接对场级调整目标值取平均，均匀的分配到每台机位上，然而由于每台机组的实际运行风况和健康状况不一样，这样的分配并不能起到理想的效果，本文的能量分配策略设计设计将弥补这一不足，主要从分配策略和分配算法两方面进行设计研究。

2.1 能量管理策略设计

能量管理平台的分配策略主要包含如何将网调给场级的能量命令与当前风电场实发能量进行判断调整，同时处理场级能量与单机之间的调整关系。整个能量管理策略整体设计流程如图2所示。文中所用到的相关术语符号说明如下：

Pset指网调下发给风电场场级的能量目标值；

P1、P2、Pn指风电场内每个单台风电机组的当前实发功率；

Psetn指通过能量控制策略计算之后下发给单台的功率目标；

Δ指通过调整计算后全场需要调整的总能量；

Δn指通过分配模块需要调整的总能量分配到单台风机的能量调整值；

Σ指对全场所有单台机组能量求和；

β1、β2、……βn分别表示第1台、第2台、……第n台机组的当前实际桨距角。

能量管理策略包含当前能量目标值接受、差值计算、实发能量统计、全场求和、场机端分配等五个模块，

当网调给出目标功率Pset的同时，本系统实时接收通过对所有单台风机P1、P2……Pn功率求和得到的场级实发功率，同时采集风电场关口表测量的出口能量负荷。通过对全场能量计算同时对比关口表的统计的功率，得到当前风电场实际有功功率；同时将Pset作为调整的目标值，通过差值计算得出该调整周期内需要调整的场级能量变动值Δ。

得到该周期调整值Δ之后，接下来将进行单机调整。通过能量分配模块将Δ值对应的分配到当前全场可调整的每台机组，其每台机组调整能量为Δn，系统将对每台单机当前的实发功率Pn和调整值Δn对比，得到当前该单台机组的功率目标设定值并进行单机设备层调整。

在第N+1周期内仍然重复执行上述第N周期内的控制过程。由于风况的实时变化以及被控制单机的执行偏差，在第N+1周期内仍然将当前Pset作为控制目标值，将全场实发能量ΣPn作为上一控制周期执行反馈，通过差值计算模块计算偏差，得出本周期内的调整值Δ，通过分配模块得到相应的单台机组的能量调整值Δn、将单台实发功率Pn和Δn做比较得出本周期单台机组能量设定值并再次进行单机设备层调整。

本策略每个周期都通过差值计算模块纠正偏差给出新的调整值Δ，然后分配至单台予以能量调整，消除风况变化产生的误差，以达到对风电场级能量实时精准的能量调整。

图2 场级能量管理策略流程图

2.2 分配算法设计

分配模块的作用是将能量管理策略中场级调整值Δ科学的分配到风电场中运行的单台机组上，因此需要一套科学的分配算法来计算分配整场能量。本文结合实际风电场实际应用场景，考虑到单台机组实发功率能量源自叶轮扫风面积的理论依据，以单台几组的当前桨距角为参考，研究设计出场级可利用加权分配算法，本算法能够在每个调整周期根据单台机组的当前运行情况自适应地进行能量分配权重计算调整，克服了平均分配的弊端。

图3 分配算法的分支选择

如图3所示，是可利用加权分配算法的分支选择流程图，本算法首先对全场目前的机组是否并网情况进行判断，筛选出目前无故障并网运行的机群作为可利用机组；在收到场级能量调节值Δ的时候，对其值进行判断，两种情况的分配算法说明如下：

(1)当Δ>=0时，对应需要在当前实发有功点上进行上调有功，此时的每台机组分配的有功值由表达式(1)给出：

(1)

(2)当Δ<0时，对应需要在当前实发有功点上进行下调有功，此时的每台机组分配的有功值由表达式(2)给出：

(2)

式中，β1、β2、……βn分别表示第1台、第2台、……第n台机组的当前实际桨距角。

3 本策略的设计要点

与以往能量管理系统相比较，本文所设计的能量平台分配策略有三点先进性。

首先，本文对于能量管理的调整为闭环反馈实时调整系统，即在每个调整周期都进行反馈-纠偏-分配-执行，这四个环节构成里闭环实时能量调节系统，能够实时快速响应网调要求。

其次，本设计方案对于全场风电机组进行了状态筛选分群，筛选出当前健康运行的风机作为执行能量调整的对象，避免了因机组维护或故障停机等原因停机造成的分配误差。

再次，本设计方案对于分配算法的设计考虑了风机运行时桨距角决定扫风面积，从而决定风机功率余量的理论基础，以可利用机组的桨距角作为其能量调节权重数，高效易用，且在整个调节过程中分配算法能够根据当前桨距角值自适应地调节单台机组的有功分配权重值，并可以多周期自适应纠偏调整；对于有功调整为负的情况，本设计方案考虑用桨距角的余角作为下调功率的分配权重值，解决了下调功率时桨距角收桨的余量权重问题。

4 结束语

本文开始先引入了风电场能量管理平台的概述，介绍了能量管理平台的应用场景及作用，在此基础上以风电场能量管理的分配策略和分配算法为主要研究点，秉持以工程应用为主，结合风电场及单机的运行特征，运用风电场可利用机组分群对于风电场能量管理平台的有功分配策略进行了设计研究，给出了闭环实时能量分配策略方案，运用风电场单机桨距角余量权重方法设计了能量分配算法，相比以前的平均分配法有很大科学性和自适应调节性等优点。