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海上風(fēng)電場疲勞分布與有功功率統(tǒng)一控制

2016-01-21 來源:分布式發(fā)電與微電網(wǎng) 瀏覽數(shù):696

針對風(fēng)電場各機組疲勞不均勻?qū)е聶C組維護不同步的問題,以及風(fēng)電場疲勞優(yōu)化和有功功率控制顧此失彼的現(xiàn)狀,將機組疲勞優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為有功功率控制問題。

  湘潭大學(xué)信息工程學(xué)院、海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與檢測國家重點實驗室、國家能源風(fēng)力發(fā)電機研發(fā)(實驗)中心、中國電力科學(xué)研究院的研究人員蘇永新、段斌、朱廣輝、樊勇華,在2015年第22期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文,針對風(fēng)電場各機組疲勞不均勻?qū)е聶C組維護不同步的問題,以及風(fēng)電場疲勞優(yōu)化和有功功率控制顧此失彼的現(xiàn)狀,將機組疲勞優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為有功功率控制問題。
  綜合考慮尾流效應(yīng)的影響,提出了利用風(fēng)電場限值發(fā)電形成的有功功率調(diào)節(jié)自由度進行疲勞優(yōu)化的原理,基于最優(yōu)控制理論給出了風(fēng)電場疲勞分布與有功功率統(tǒng)一控制的控制策略;為使控制策略可基于風(fēng)電場現(xiàn)有軟硬件環(huán)境實現(xiàn),重點基于多智能體技術(shù)研究了控制策略的實現(xiàn)方法,設(shè)計了多智能體系統(tǒng)的部署方案、智能體層次狀態(tài)機和智能體間的信息交互方案。仿真表明,提出的方法能在保證風(fēng)電場有功功率跟蹤調(diào)度給定值、不損失發(fā)電量的前提下,均勻風(fēng)電場疲勞分布,保證各機組維護的同步性,降低維護頻率,減少維護成本。
  風(fēng)能優(yōu)良的陸地資源不斷消耗,越來越少,而海上風(fēng)資源豐沛,發(fā)展海上風(fēng)電是必然趨勢[1]。但海上風(fēng)電建設(shè)成本高,運行維護費用昂貴,其發(fā)展面臨經(jīng)濟性挑戰(zhàn)。就運行維護而言,海上風(fēng)電機組單次維護成本是陸上的2倍以上[2];另外,受風(fēng)浪等制約,故障待修時間可高達數(shù)百小時[3],發(fā)電損失大。降低維護頻率是海上風(fēng)電發(fā)展的關(guān)鍵之一。
  風(fēng)電機組運行中,總是承受交變載荷,部件材料內(nèi)部缺陷不斷累積和發(fā)展并導(dǎo)致性能逐漸劣化,形成疲勞。風(fēng)電機組是典型的“疲勞機器”,疲勞是機組產(chǎn)生維護需求的主要原因[4]。
  風(fēng)電具有不確定性,超短期風(fēng)能預(yù)測誤差一般為7%~19%[5],為了保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定,電力系統(tǒng)調(diào)度機構(gòu)需要在運行控制中留有較大的安全裕度[5],合理安排常規(guī)發(fā)電機組出力和風(fēng)電場出力限值[6-8],進行限值發(fā)電。
  此外,在電力系統(tǒng)事故或緊急情況下,調(diào)度機構(gòu)要求風(fēng)電場響應(yīng)電網(wǎng)擾動,按指定的大小和變化率調(diào)節(jié)有功功率;在系統(tǒng)安全穩(wěn)定裕度足夠時,調(diào)度機構(gòu)放開對風(fēng)電場的有功功率大小的限制,風(fēng)電場在滿足有功功率變化率限值的前提下自由發(fā)電[6-8](以下簡稱自由發(fā)電)。丹麥、荷蘭、德國和中國等國家的風(fēng)電并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定風(fēng)電場必須根據(jù)調(diào)度機構(gòu)指令控制其有功功率輸出。
  風(fēng)電場通過有功功率控制器(WindFarmActivePowerController,WFAPC)將調(diào)度機構(gòu)給定的發(fā)電任務(wù)分解為各機組有功參考值[6-9],各機組基于變槳距控制、變流器控制等自動跟蹤該參考值,實現(xiàn)風(fēng)電場對調(diào)度機構(gòu)有功要求的跟蹤。傳統(tǒng)上,WFPAC有功功率控制策略不考慮機組疲勞,早期多采用起停機控制,部分機組停機,其余機組滿發(fā),滿足風(fēng)電場有功功率需求[10]。這種方法存在頻繁起停機影響機組壽命、有功功率調(diào)節(jié)粒度過大、有功功率向上調(diào)節(jié)速度慢等問題,WFAPC按機組可用功率比例將風(fēng)電場有功出力任務(wù)分解到每臺機組[11]成為主要方法。
  由于尾流效應(yīng),氣流流經(jīng)上風(fēng)向機組后,平均風(fēng)速降低[12],下風(fēng)向機組可用功率小,按可用功率比例分配到的有功出力任務(wù)小,因而下風(fēng)向機組疲勞程度低[12]。最終,風(fēng)電場邊界機組疲勞更嚴(yán)重,形成疲勞分布的不均勻性,導(dǎo)致維護不同步,維護頻繁。
  合理利用風(fēng)電機組葉片氣動阻尼特性[13]以及合理使用阻尼控制反饋[14],可以使機組的振動效應(yīng)降低,達到抑制疲勞的目的。獨立變槳[15]、主動偏航[16]等技術(shù)能高效抑制機組氣動疲勞。盡管這些研究卓有成效,但只能優(yōu)化單臺機組個體的疲勞,無法均衡多臺機組的疲勞。文獻[17]提出了一種均衡風(fēng)電場各機組疲勞的方法,對WFAPC給出的機組有功參考值進行二次調(diào)整,以均衡各機組疲勞。該方法導(dǎo)致風(fēng)電場有功功率比調(diào)度機構(gòu)給定值小5%~10%,限制了其工程應(yīng)用范圍。
  針對風(fēng)電場疲勞優(yōu)化和有功功率控制顧此失彼的現(xiàn)狀,本文旨在建立風(fēng)電場疲勞分布和有功功率一體化控制方法,在保證風(fēng)電場有功功率滿足調(diào)度機構(gòu)要求、不損失發(fā)電量的前提下,優(yōu)化風(fēng)電場疲勞的均勻性,使各機組維護同步,降低風(fēng)電場維護成本。
  為此,研究基于機組有功功率度量機組疲勞的方法,并根據(jù)疲勞的累積特性,提出風(fēng)電場限值發(fā)電時進行疲勞優(yōu)化,而響應(yīng)電網(wǎng)擾動和自由發(fā)電時,按風(fēng)電場既有策略運行的思想,綜合考慮尾流效應(yīng)的影響以提高優(yōu)化準(zhǔn)確度。
  基于最優(yōu)控制理論,以風(fēng)電場疲勞均勻性為優(yōu)化目標(biāo),以風(fēng)電場和機組有功功率為約束條件,建立風(fēng)電場疲勞分布和有功功率綜合控制方程。重點基于多智能體技術(shù),研究控制系統(tǒng)的實現(xiàn),使提出的方法對現(xiàn)有風(fēng)電場無額外的軟硬件要求,具備工程適用性。
  圖1風(fēng)電場布局模型
  結(jié)論
  本文提出一種海上風(fēng)電場有功與疲勞分布統(tǒng)一控制方法,其特點是:
  (1)通過機組有功功率協(xié)調(diào),實現(xiàn)風(fēng)電場疲勞分布優(yōu)化,優(yōu)化各機組維護的同步性,降低風(fēng)電場維護頻率,降低風(fēng)電場維護成本。
  (2)基于疲勞的累積特性,利用調(diào)度機構(gòu)要求風(fēng)電場限值發(fā)電形成的有功調(diào)節(jié)自由度進行疲勞優(yōu)化,能在保證風(fēng)電場有功輸出跟蹤調(diào)度機構(gòu)要求、不損失發(fā)電量的前提下,實現(xiàn)疲勞均勻性優(yōu)化。
  (3)傳統(tǒng)上,一般認(rèn)為,限值發(fā)電對風(fēng)電場是純粹的損失,本文研究表明,此時可以優(yōu)化風(fēng)電場疲勞,獲得降低維護量的收益。
  (4)系統(tǒng)實現(xiàn)上,采用多智能體技術(shù),為每臺機組部署一個智能體,各智能體計算負(fù)荷小,通信可以基于風(fēng)電場現(xiàn)有通信環(huán)境,系統(tǒng)可以基于風(fēng)電場現(xiàn)有資源實現(xiàn),無需另置硬件,具有較好工程實用性。

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