考慮預(yù)測誤差的風(fēng)電有功功率控制策略

張 義，彭佩佩，唐冰婕，陳 寧,王湘艷,韓楚晨

(1.國家電網(wǎng)有限公司，北京 100031；2.中國電力科學(xué)研究院有限公司，江蘇 南京 210003;3.國網(wǎng)陜西省電力公司營銷服務(wù)中心(計(jì)量中心)，陜西 西安 710199)

0 引 言

風(fēng)力發(fā)電在我國經(jīng)過連續(xù)多年的高速發(fā)展，目前已進(jìn)入平臺期，風(fēng)電在電網(wǎng)適應(yīng)性上的問題逐漸凸顯。大規(guī)模的風(fēng)電并網(wǎng)加重了電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的壓力，所以提升風(fēng)力發(fā)電對電網(wǎng)的主動支撐性能，減輕其預(yù)測偏差對有功功率平衡控制的影響，已成為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心問題[1]。

要實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的主動支撐，需要風(fēng)力發(fā)電站能夠像傳統(tǒng)電源一樣具備良好的測量精度、控制性能和調(diào)節(jié)能力。首先，需極大地提升風(fēng)力發(fā)電站功率預(yù)測水平，滿足電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行的精度要求；其次，需能夠在滿足電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行支撐的前提下，以新能源發(fā)電設(shè)備控制性能為約束，自動響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)節(jié)需求對風(fēng)力發(fā)電站輸出功率進(jìn)行調(diào)整；最后，需及時(shí)響應(yīng)電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的變化做出快速調(diào)節(jié)[2-3]。

目前，在風(fēng)力發(fā)電站功率控制方面已有較多研究成果，大致可分為比例分配法和優(yōu)化分配法2類[4-5]。雙饋風(fēng)電場具有頻偏特性[6]，文獻(xiàn)[7]以雙饋風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行特性為基礎(chǔ)，提出了根據(jù)發(fā)電單元最大可用功率的風(fēng)電場功率分配方法。文獻(xiàn)[8-9]采用優(yōu)化分配方法，設(shè)定不同的優(yōu)化目標(biāo)構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)實(shí)現(xiàn)功率控制目標(biāo)的分解。文獻(xiàn)[10]提出了一種以風(fēng)電場為對象的機(jī)組組合優(yōu)化模型；文獻(xiàn)[11]提出了風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)電機(jī)組的功率分配優(yōu)化模型；文獻(xiàn)[12]在文獻(xiàn)[11]基礎(chǔ)上引入模型預(yù)測控制和頻率約束對優(yōu)化模型進(jìn)行完善。文獻(xiàn)[13]重點(diǎn)考慮了調(diào)峰約束對優(yōu)化模型的影響；文獻(xiàn)[14]基于相鄰調(diào)控周期風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的變化情況提出基于風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)分類模型，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場功率的平滑輸出。文獻(xiàn)[15-16]介紹了風(fēng)力發(fā)電功率控制系統(tǒng)的研發(fā)及其在實(shí)際工程中的應(yīng)用。文獻(xiàn)[17-18]設(shè)計(jì)了適應(yīng)大型風(fēng)力發(fā)電基地的功率控制體系，文獻(xiàn)[19]開發(fā)了適應(yīng)大型風(fēng)力發(fā)電基地的新能源功率控制系統(tǒng)，根據(jù)風(fēng)功率預(yù)測和電網(wǎng)下發(fā)的發(fā)電指令，以斷面及線路穩(wěn)定約束來對基地內(nèi)的風(fēng)電場發(fā)電功率進(jìn)行分解。

以上的研究將風(fēng)電預(yù)測功率認(rèn)為是相對確定的。然而，風(fēng)力資源自身具有隨機(jī)波動性，預(yù)測功率也存在固有的誤差，對風(fēng)力發(fā)電站有功功率的準(zhǔn)確控制提出了挑戰(zhàn)。因此，在制定風(fēng)力發(fā)電功率優(yōu)化控制時(shí)需要合理的考慮預(yù)測誤差[20-23]。實(shí)際運(yùn)行過程中，由于空間相對分散及技術(shù)差異不同的風(fēng)力發(fā)電站運(yùn)行特性差異顯著，誤差分布特性不同[24-25]，準(zhǔn)確掌握新能源的運(yùn)行特性和功率預(yù)測誤差分布特性對于提高新能源功率控制水平有重要意義。

據(jù)此，本文考慮不同新能源電站功率預(yù)測誤差的差異，對風(fēng)電有功功率控制進(jìn)行優(yōu)化。首先采集風(fēng)電功率預(yù)測數(shù)據(jù)和實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上對不同位置的風(fēng)電場功率預(yù)測誤差分布特性及其對有功功率控制的影響進(jìn)行分析，基于不同誤差分布特性對風(fēng)電場有功功率控制進(jìn)行整合優(yōu)化。同時(shí)結(jié)合實(shí)際場景設(shè)計(jì)用于方法驗(yàn)證的案例，證明了方法的有效性。

1 風(fēng)電功率預(yù)測誤差分析

1.1 功率預(yù)測誤差分布

根據(jù)風(fēng)力發(fā)電站的預(yù)測功率Pf與實(shí)際功率Pa，可以計(jì)算得到預(yù)測功率的絕對誤差?？紤]到風(fēng)電場出力較小時(shí)，較小的絕對誤差可能造成較大的相對誤差，不便進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，故取風(fēng)電場額定功率Pwf為基準(zhǔn)值來計(jì)算風(fēng)電場的相對誤差e，即

(1)

通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的假設(shè)檢驗(yàn)方法和χ2檢驗(yàn)法驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)量測試值落在接受域中，故風(fēng)電場預(yù)測功率誤差服從正態(tài)分布。

1.2 功率預(yù)測誤差置信評估模型

近年，越來越多的學(xué)者專家將分位數(shù)回歸法和風(fēng)險(xiǎn)評估相結(jié)合應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電預(yù)測領(lǐng)域[26-27]。

分布函數(shù)F(y)=P(Y≤y)可以用于描述隨機(jī)變量Y的性質(zhì)，F(xiàn)(y)的τ分位數(shù)函數(shù)定義為

Q(τ)=inf{y:F(y)≥τ},0<τ<1

(2)

由式(2)可知，小于分位數(shù)函數(shù)Q(τ)的變量比例為τ，大于分位數(shù)函數(shù)Q(τ)的變量比例為(1-τ)。定義檢驗(yàn)函數(shù)為

ρ(u)=τuf(u)+(τ-1)uf(u)

(3)

式中：當(dāng)u≥0時(shí)，f(u)=0；當(dāng)u<0時(shí)，f(u)=1。

設(shè)u=y-δ，對上式的左右兩邊取期望后再對δ求導(dǎo)：

(4)

1.3 功率預(yù)測置信評估

給定分位數(shù)(τ1,τ2,…,τn)建立風(fēng)電預(yù)測功率的分位回歸模型，再結(jié)合風(fēng)電功率誤差的概率分布和置信水平即可得到風(fēng)電功率預(yù)測誤差的置信區(qū)間，進(jìn)而得到風(fēng)電預(yù)測功率的置信區(qū)間。由于功率預(yù)測模型及相關(guān)影響因素的不同，一段時(shí)間內(nèi)不同風(fēng)電場的預(yù)測誤差分布呈現(xiàn)明顯的不對稱性。其中，部分風(fēng)電場的預(yù)測功率與置信區(qū)間下邊界十分接近，表明該風(fēng)電場實(shí)際可發(fā)功率大于預(yù)測功率的概率較大，具有相似置信區(qū)間的風(fēng)電場記為Ω+；部分風(fēng)電場的預(yù)測功率與置信區(qū)間的上邊界十分接近，表明該風(fēng)電場實(shí)際可發(fā)功率小于預(yù)測功率的概率較大，具有相似置信區(qū)間的風(fēng)電場記為Ω-。

2 功率預(yù)測誤差對有功控制的影響

通常在風(fēng)電場預(yù)測功率大于發(fā)電計(jì)劃時(shí)，才對風(fēng)電場有功功率進(jìn)行控制。風(fēng)電場i的有功控制需求ΔPi由預(yù)測功率和發(fā)電計(jì)劃確定:

ΔPi=Pd,i-Pf,i

(5)

式中：Pd,i和Pf,i分別為風(fēng)電場i的發(fā)電計(jì)劃和預(yù)測功率。

在實(shí)施風(fēng)電場有功控制時(shí)，Ω+類風(fēng)電場承擔(dān)的有功調(diào)節(jié)量為ΔP+，Ω-類風(fēng)電場承擔(dān)的有功調(diào)節(jié)量為ΔP-。

Ω+類風(fēng)電場i的輸出功率Pi+應(yīng)為

(6)

式中：Pf,i+和PN,i+分別為Ω+類風(fēng)電場i的預(yù)測功率和裝機(jī)容量。

Ω-類風(fēng)電場i的輸出功率Pi-應(yīng)為

(7)

式中：Pf,i-和PN,i-分別為Ω-類風(fēng)電場j的預(yù)測功率和裝機(jī)容量。

在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，Ω+類風(fēng)電場的輸出功率大概率能夠滿足控制目標(biāo)，而Ω-類風(fēng)電場的輸出功率大概率低于控制目標(biāo)，將會導(dǎo)致風(fēng)電場群的有功功率控制無法滿足調(diào)度指令。

3 風(fēng)電有功控制策略

3.1 基本流程

本文根據(jù)歷史功率預(yù)測誤差數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析誤差分布特性，采用1.2節(jié)的方法建立預(yù)測功率的置信評估模型；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合超短期功率預(yù)測數(shù)據(jù)，給定期望的置信水平評估各風(fēng)電場的預(yù)測功率置信區(qū)間，將預(yù)測功率曲線修正為預(yù)測功率帶，則風(fēng)電場的出力應(yīng)處于該預(yù)測功率帶內(nèi)。為了盡可能降低由于風(fēng)電功率預(yù)測誤差引起的控制誤差而導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失，將評估得到的預(yù)測功率置信區(qū)間作為約束，從而給出有功控制模型將超短期功率預(yù)測數(shù)據(jù)和調(diào)度指令作為輸入，通過優(yōu)化得到各風(fēng)電場的有功控制指令。具體流程如圖1所示。

圖 1 風(fēng)電有功控制流程

3.2 風(fēng)電有功控制模型

根據(jù)風(fēng)電功率預(yù)測誤差分布特性可以分析計(jì)算得到不同風(fēng)電場的功率預(yù)測誤差期望，進(jìn)而得到功率預(yù)測期望PE,i為

(8)

式中：Pf,i為風(fēng)電場i的預(yù)測功率；Fi(e)為風(fēng)電場i的功率預(yù)測誤差概率分布函數(shù)。

風(fēng)電場有功功率與預(yù)測功率的差值最小作為目標(biāo)，目標(biāo)函數(shù)為

minf=|∑(Pi-PE，i)|

(9)

約束條件為

(10)

式中：Pi為風(fēng)電場i的輸出功率指令。

第一個(gè)約束要求所有風(fēng)電場的有功功率需要與發(fā)電計(jì)劃保持一致；第二個(gè)約束為風(fēng)電場運(yùn)行約束。

4 算例分析

4.1 算例概述

本文以國內(nèi)某省風(fēng)電基地內(nèi)5個(gè)風(fēng)電場(總裝機(jī)容量1 104 MW)2011年1—7月的預(yù)測功率和理論還原后的實(shí)測功率數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對比驗(yàn)證本文方法的控制效果。其中，將部分?jǐn)?shù)據(jù)用于分析風(fēng)電場的預(yù)測功率分布特性，將剩余的數(shù)據(jù)用于對比驗(yàn)證所提策略的效果。圖2為風(fēng)電場的預(yù)測功率、實(shí)測功率和發(fā)電指令。

圖 2 風(fēng)電和調(diào)度數(shù)據(jù)

5個(gè)風(fēng)電場的裝機(jī)容量分別為1#風(fēng)電場201 MW，2#風(fēng)電場201 MW，3#風(fēng)電場300 MW，4#風(fēng)電場201 MW，5#風(fēng)電場201 MW。圖3給出部分風(fēng)電場當(dāng)日對應(yīng)時(shí)段內(nèi)的預(yù)測功率和理論還原后的實(shí)測功率。

(a) 1#風(fēng)電場

從圖3可以看出，1#風(fēng)電場的實(shí)測功率與預(yù)測功率較為接近，2#風(fēng)電場的實(shí)際發(fā)電能力優(yōu)于預(yù)測功率，4#風(fēng)電場的實(shí)際發(fā)電能力低于預(yù)測功率。進(jìn)一步設(shè)置信水平為0.95，提取各風(fēng)電場預(yù)測功率的置信區(qū)間，可知風(fēng)電場1#的正負(fù)誤差區(qū)間較為對稱，2#風(fēng)電場呈現(xiàn)正誤差特性，4#風(fēng)電場呈現(xiàn)負(fù)誤差特性。在此邊界下，本算例將所提優(yōu)化算法與容量比例分配方法進(jìn)行對比，分析其控制效果。

4.2 考慮功率預(yù)測誤差后的控制效果分析

本文所提方法的控制效果與傳統(tǒng)容量比例分配方法的控制效果對比如圖4所示。圖5為部分風(fēng)電場的有功控制目標(biāo)與理論還原功率。

(a) 實(shí)際控制效果

(a) 1#風(fēng)電場

從圖4可以看出，本文方法得到的控制目標(biāo)更準(zhǔn)確，整體控制偏差顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的容量比例分配方法。此外，相比于現(xiàn)有考慮誤差的控制方法，本文通過歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)正負(fù)誤差特性對風(fēng)電場分類，分析風(fēng)電場預(yù)測功率的置信度；應(yīng)用時(shí)，以風(fēng)電場預(yù)測功率為輸入，評估預(yù)測功率的置信區(qū)間及期望功率，優(yōu)化生成風(fēng)電場的功率控制指令。

從圖5可以看出，由于風(fēng)電場4#呈現(xiàn)負(fù)誤差特性，無法滿足控制目標(biāo)的概率大，將其可能產(chǎn)生的功率缺額轉(zhuǎn)移至風(fēng)電場1#和2#。圖5(a)～(c)給出了風(fēng)電場1#、2#和4#的控制目標(biāo)值，可見3個(gè)風(fēng)電場的控制目標(biāo)優(yōu)于容量比例方法的控制目標(biāo)，經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，控制偏差可減小10%，且采用容量比例方法無法滿足發(fā)電計(jì)劃。

5 結(jié) 語

不同風(fēng)力發(fā)電站功率預(yù)測誤差分布特性存在差異，需充分考慮其差異優(yōu)化完善風(fēng)電場有功功率控制。通過對風(fēng)電場歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，提取風(fēng)電場預(yù)測誤差分布特性并對風(fēng)電場的有功控制進(jìn)行合理優(yōu)化。該方法能夠有效降低新能源功率預(yù)測誤差對功率控制的影響，提高了風(fēng)電有功控制的合理性和準(zhǔn)確性。