風電場及機組出力損失計算模型與方法

風電場及機組出力損失計算模型與方法

0出力損失統(tǒng)計方法近年來，隨著我國電網(wǎng)大規(guī)模改造的蓬勃發(fā)展，以及電網(wǎng)的強大連接方式，電網(wǎng)的功率平衡、安全和運行效率存在了深刻的挑戰(zhàn)。1-3。在中國風電集中發(fā)展區(qū)域,因電網(wǎng)對間歇性電源的消納能力不足,同時又必須確保系統(tǒng)安全運行,電網(wǎng)調(diào)度部門在一些時段調(diào)控、限制風電場發(fā)電出力已成為常態(tài)［4-6］。據(jù)中國可再生能源學會風能專業(yè)委員會對內(nèi)蒙古、黑龍江、吉林、遼寧、山東、甘肅、新疆、河北以及云南等省、市、自治區(qū)部分風電企業(yè)在2011年全年由于限制風電出力造成的發(fā)電量損失情況的初步調(diào)查統(tǒng)計,限電棄風損失電量比例已達16.92%,損失電量5.980TW·h［7］。目前,生產(chǎn)現(xiàn)場采用的出力損失統(tǒng)計方法主要是標桿機組統(tǒng)計法:即選取風電場內(nèi)3~5臺能夠代表風電場平均發(fā)電水平的機組作為標桿機組,標桿機組在電網(wǎng)調(diào)度限出力時不參與限電棄風。在風電場限出力的時間段,以標桿機組實際發(fā)電量折算出該時段風電場應(yīng)該發(fā)出的電量,減去該風電場限出力時段的發(fā)電量就得出棄風損失電量［7］。一般風電場由于地理覆蓋范圍較大,地形較為復雜,風電場中各風電機組的地理位置存在著差異,風電場內(nèi)的風資源分布也存在著很大的差異。因此,這種方法的標桿機組確定困難,計算誤差較大。生產(chǎn)現(xiàn)場采用的另一種出力損失統(tǒng)計方法是標準風速—功率特性曲線法:即根據(jù)限制出力時段的風速,結(jié)合廠家給定的風電機組風速—功率特性曲線,得到風電場的應(yīng)有出力,再減去風電場該時段實際出力,得到該時段限出力損失量［7］。由于運行中的風電機組持續(xù)處于動態(tài)運行條件下,并不是完全按照廠家給定的風速—功率特性曲線運行,其運行在一個很寬的區(qū)域內(nèi)［8］,因此該估算方法難以準確地給出限出力功率損失與電量累計損失。在生產(chǎn)現(xiàn)場,風電場是通過其監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)機組槳矩角的大小和機組的啟停來實現(xiàn)調(diào)度控制要求的［9-10］。電網(wǎng)對風電場限電棄風無疑是一種損失和浪費。但是,在風電場被限電棄風運行狀態(tài)下,該風電場實際上就具備一定的類似于傳統(tǒng)發(fā)電中熱備用的能力,在電網(wǎng)出現(xiàn)功率缺額時,該風電場可參與電網(wǎng)的調(diào)頻,支撐電網(wǎng)的運行與穩(wěn)定［11］。所以,研究風電場在限電棄風運行狀態(tài)下風電場及機組的實時出力損失并及時上傳電網(wǎng)調(diào)度部門,對于風電場參與電網(wǎng)運行調(diào)節(jié)具有重要的應(yīng)用價值。此外,風電機組在運行過程中可能會因多種情況停機,如人為誤操作、機械故障和檢修等,也會造成風電場的出力損失。研究因限電棄風等各種原因造成的風電場出力與電量損失情況,可以對棄風問題的嚴重性進行量化分析,為從根本上解決棄風問題決策提供依據(jù),此外對于評價風電場的投資效益,提高風電場的運行管理水平,甚至于對整個風電行業(yè)的發(fā)電運行數(shù)據(jù)分析、產(chǎn)業(yè)政策制定等都具有重要的現(xiàn)實意義與價值。1數(shù)據(jù)庫的建立及運行風電機組和風電場出力損失的計算,由專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的建立、專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的維護、獲取專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的輸出功率、風電機組與風電場實時功率損失計算和發(fā)電量損失計算5個階段組成［12］。1.1u3000數(shù)據(jù)處理由于風電機組與測風塔所處位置不同,風速計高度和地形不同等原因,造成風電機組與測風塔數(shù)據(jù)存在差異,文獻通過計算Pearson系數(shù)及平均差、絕對值差、均方根差、平均絕對百分比差驗證了風電機組與風電場內(nèi)測風塔風速數(shù)據(jù)具有極強的相關(guān)性,誤差較小,因此測風塔可代表風電機組輪轂高度處實際風速條件。首先,對風電場監(jiān)控系統(tǒng)中的歷史運行數(shù)據(jù)進行預處理,將壞數(shù)據(jù)和棄風數(shù)據(jù)排除,壞數(shù)據(jù)包括風速為負值或者過大(大于25m/s)的數(shù)據(jù),風向角不在0°~360°之間的數(shù)據(jù)以及機組出力超過其最大可能出力值的數(shù)據(jù)等。然后對預處理后的有效數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)挖掘,形成每臺風電機組出力損失計算的專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。該專家系統(tǒng)以每臺風電機組的風速和風向作為輸入,風速步進單位為0.1m/s,風向步進單位為5°。在生產(chǎn)現(xiàn)場,絕大多數(shù)風電場監(jiān)控系統(tǒng)的風速采樣精度為0.1m/s,風向采樣精度為1°。實際表現(xiàn)中風向?qū)︼L電機組輸出功率的影響遠小于風速對風電機組輸出功率的影響,經(jīng)過對實際運行數(shù)據(jù)的分析,風速相等情況下,風向差異超過5°時,風電機組的輸出功率才有明顯變化。以每臺風電機組的輸出功率為輸出,建立輸入、輸出之間的映射關(guān)系。在建立專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫過程中,當新的輸入數(shù)據(jù)與專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫已有輸入數(shù)據(jù)不同時,自動將該組數(shù)據(jù)添加到系統(tǒng)中來;當新的輸入數(shù)據(jù)與專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中已有輸入數(shù)據(jù)相同時,作如下處理。設(shè)Po為已有輸出數(shù)值,Pn為最新輸出數(shù)值,則用于更新專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的輸出數(shù)值Pu為:式中:n為已有輸入數(shù)據(jù)記錄的次數(shù)。風電機組的輸出功率會隨運行時間的變化而發(fā)生細微變化,此外,距離停機或棄風時間越近的氣象環(huán)境因素所產(chǎn)生的輸出功率也越接近該時段的輸出功率值,因此,引入權(quán)值影響因子的方法更新專家系統(tǒng)的輸出將提高出力損失計算的精度。經(jīng)調(diào)研,一般風電機組正常運行的風速范圍為3~25m/s,精度為0.1m/s,風向范圍為0°~360°的精度為5°,由此,專家系統(tǒng)為每臺風電機組建立了一張220×72的數(shù)據(jù)表。至此,專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)建立完成。1.2專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)的預處理使用風電場監(jiān)控系統(tǒng)的測風塔數(shù)據(jù)和風電機組實時運行數(shù)據(jù)對專家系統(tǒng)的輸入、輸出數(shù)據(jù)進行維護,可以進一步提高專家系統(tǒng)的計算準確度。但在使用該實時數(shù)據(jù)前需對其進行預處理,將壞數(shù)據(jù)和棄風數(shù)據(jù)剔除。與風電場監(jiān)控系統(tǒng)的實時連接可采用OPC(OLEforprocesscontrol)或Modbus接口實現(xiàn)。專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)的更新方法與建立專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫時所采用的方法相同。如此,經(jīng)過一定時間的積累和智能學習,專家系統(tǒng)能夠全面地反映輸入、輸出數(shù)據(jù)之間的映射關(guān)系,建立的專家系統(tǒng)也會越來越準確。1.3檢測風塔風值的方法步驟專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫輸出功率的獲取方法如下。用ss表示停機或棄風機組某一時刻測風塔的實測風速,用as表示停機或棄風機組某一時刻測風塔的實測風向,用sc表示專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的已有近似風速,用ac表示專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中已有近似風向。理想情況為:ue055ss=sc且|as-ac|<5,但若風電場運行時間較短,專家系統(tǒng)中某些輸入暫沒有輸出數(shù)據(jù)。因此,使用專家系統(tǒng)計算時,根據(jù)不同數(shù)據(jù)情況采用下3種方式進行處理。令C,S為整型變量,其中C的初值為10,S的初值為0.2。1)且|as-ac|≥5步驟1:在專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中找出與測風塔風速ss所對應(yīng)的所有風向角aci,找出所有的滿足條件|as-aci|<C的aci的集合R。步驟2:如果集合R為空,則C=C+5,轉(zhuǎn)到步驟1。步驟3:從集合R中找出aci,使得最小。2)且|as-ac|<5步驟1:在專家數(shù)據(jù)庫中找出使得最小的aci所對應(yīng)的所有風速sc,找出所有的滿足條件|ss-sci|<S的sci的集合R。步驟2:如果集合R為空,則S=S+0.1,轉(zhuǎn)步驟1。步驟3:從集合R中找出sci,使得最小。3)c且|as-ac|≥5步驟1:在專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中找出所有滿足條件|ss-sci|<S且|as-aci|<C的風速sci,風向角aci的集合R。步驟2:如果集合R為空,則C=C+5,S=S+0.1,轉(zhuǎn)步驟1。步驟3:從集合R中找出sci和aci使得最小。此時選用得到的sc和ac組合作為專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的輸入,若有X組sc和ac組合,則將sc和ac的所有組合作為專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的輸入。則對應(yīng)于輸入風速ss,輸入風向為as的專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的輸出功率值為:1.4停機及棄風機組設(shè)停機或棄風機組某一時刻測風塔的實測風速為s,測風塔的實測風向為a。由1.3節(jié)提供的方法得出對應(yīng)于輸入風速s和輸入風向a的輸出功率為P(s,a)。對于停機機組,由式(3)得出停機機組該時刻的實時功率損失Pstop。對于棄風機組,設(shè)此時監(jiān)控系統(tǒng)中所記錄的該時刻實際輸出功率值為Preal,由式(4)得出棄風機組該時刻的實時功率損失Plimit。Plimit(s,a)=P(s,a)-Preal(4)按式(5)即可求出整個風電場該時刻的實時功率損失Ploss。式中:M和L分別為風電場停機和棄風機組的數(shù)量;Pstop，i和Plimit，j分別為停機機組和棄風機組的實時功率損失。1.5實時功率損失法設(shè)風電機組I的停機或棄風時間長為T,在故障時段內(nèi),風電場監(jiān)控系統(tǒng)記錄測風塔的N組風速、風向數(shù)據(jù)和風電機組的輸出功率數(shù)據(jù),記錄這N組數(shù)據(jù)的時刻為ti(i=1,2,…,N),根據(jù)實時功率損失計算方法可以得到N個時刻的實時功率損失Pi(i=1,2,…,N),這N組數(shù)據(jù)的時間間隔為Δtj=tj+1-tj(j=1,2,…,N-1),則在故障時間段內(nèi)機組I損失的發(fā)電量Wloss由式(6)確定:對于任意一臺停機或棄風風電機組,按以上方法即可求得其在停機或棄風時間段內(nèi)所損失的發(fā)電量。按式(7)即可求出整個風電場所損失的發(fā)電量Wfarmloss。式中:Wloss，i為i時刻損失的發(fā)電量。2運行數(shù)據(jù)驗證本文利用山東省某風電場2010年6月至2012年2月的運行數(shù)據(jù)驗證本文計算模型的有效性,該風電場監(jiān)控系統(tǒng)通過OPC接口建立實時數(shù)據(jù)連接,數(shù)據(jù)刷新率為30s。本文驗證風電機組出力損失計算模型有效性所采用的方法如下。1停機機組假設(shè)步驟1:從歷史數(shù)據(jù)中任意選取1臺正常運行的風電機組,將其假設(shè)為停機機組。步驟2:使用計算模型對該假設(shè)風電機組在選定某一時刻的發(fā)電功率損失進行計算。步驟3:將計算結(jié)果與實際發(fā)電功率進行比對,得出計算模型的相對誤差。2計算結(jié)果和討論步驟1:從歷史數(shù)據(jù)中任意選取1臺某時間段T1~T2內(nèi)正常運行的風電機組,將其假設(shè)為停機機組。步驟2:使用計算模型對該假設(shè)風電機組在選定時間段內(nèi)所損失的發(fā)電量進行計算。步驟3:將計算結(jié)果與實際發(fā)電量進行比對,得出計算模型的相對誤差。該驗證方法是針對停機機組,對于棄風機組,由于監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)記錄的實際功率不會引入對該模型的計算誤差,而可能引入的誤差部分與停機機組相同,因此,該驗證過程也可以反映棄風機組的實時功率損失和發(fā)電量損失的計算誤差情況。整個風電場的實時功率損失和發(fā)電量損失計算是在對單個風電機組的實時功率損失和發(fā)電量損失的基礎(chǔ)上求和得到的,求和過程不會引入對該模型的計算誤差,因此該驗證過程可以反映出整個風電場的實時功率損失和發(fā)電量損失的計算誤差情況。圖1是山東某風電場編號為WT6的風電機組在2012年3月13日當天的實際功率曲線,時間分辨率為10min。分別采用本文方法、標桿機組統(tǒng)計法和標準風速—功率特性曲線法這3種方法對該風電機組在2012年3月13日當天進行模擬實時功率損失計算,結(jié)果如圖2所示。3種方法的計算誤差如表1所示。表1中:Enmae為平均絕對誤差;Enrmae為均方根誤差;Emae為最大絕對誤差。表1中Enmae,Enrmae,Emae的表達式如式(8)至式(10)所示。式中:i=1,2,…,N;xi為實際的風電功率;^xi為模擬損失計算值;Pcap為風電機組的額定容量［14］。對該風電場中風電機組分別采用本文方法、標桿機組統(tǒng)計法和標準風速—功率特性曲線法這3種方法進行模擬發(fā)電量損失計算,計算對比結(jié)果如表2所示。通過對圖2和表1、表2的分析,可以得到如下結(jié)論:1由于運行中的風電機組持續(xù)處于動態(tài)運行條件下,利用標準風速—功率特性曲線法進行風電機組實時功率和發(fā)電量損失計算時,有較大誤差,最大誤差能夠達到20%;2利用標桿機組統(tǒng)計法進行風電機組實時功率和發(fā)電量損失計算時,由于標桿機組不容易確定,該方法也存在有較大誤差,但較標準風速—功率特性曲線法計算精度有了一定的提高(計算精度能夠提高約3%);3與標桿機組統(tǒng)計法和標準風速—功率特性曲線法相比,本文通過建立實時動態(tài)變化的專家數(shù)據(jù)庫來進行風電場風電機組實時功率和發(fā)電量損失計算,大大提高了計算的精度(能夠提高3%~6%),具有較高的準確率。3實際數(shù)據(jù)驗證本文提出了一種風電場及機組出力損失的計算模型與方法,建立了利用專