考虑风电参与调频的系统备用容量优化问题研究
摘 要：风力发电参与电力系统调频的议题逐步引起人们重视。本文在考虑变速风电机组以降载运行 方式参与系统调频的基础上，提出
了一种综合考虑系统备用和运行成本的优化模型，同时提出一种风 电场参与系统调频的简单调度流程，并采用 5机 11节点算例验证了模型的可行性。
关键
风力发电；调频备用；优化
Frequency Regulation Capacity Optimization Model Considering De-loading Wind Farm Integration
Abstract: The potential of wind power generator ' s providing frequency support is gradually attracting world-wide attention. In this paper, a de-loading operation model for wind power generator is introduced so that it can participate in frequency regulation. Then a frequency regulation capacity optimization model is proposed that can consider
both the system operation cost and frequency regulation cost. A modified five-machine system is used to validate the proposed model.
Keywords: wind power; frequency regulation capacity; optimization
1 引言
随着技术的发展， 以风力发电为首的众多形式的新 能源发电技术为电力系统注入新的活力。 目前， 风力发 电不但保持较高的增长速度， 而且总的装机容量已初具 规模。风力发电的角色已由技术改革先驱变为电力系统 的重要参与者， 相应地， 调度部门对风电接入和运行提 出新的要求。
目前，有些国家不仅要求风电机组完成发电任务， 而且要能够像传统机组那样提供诸如调频等辅助服务 以保证整个系统的安全、可靠和高效运行
[1, 2]
参与系统频率调节的系统成 本的优化模型， 其中在模型中引入风机降载比， 在考虑 系统运行约束条件的基础上研究了风电机组参与系统 频率调节时调频容量对系统优化结果的影响。
2 风机降载运行 变速风机参与系统频率调节有两种方式：
惯性控制 和降载运行( De-loading Operation ) [3, 4, 7-9] 。惯性控制 是在风机控制回路中增加惯性辅助控制回路， 利用风机 转子中储存的动能来提供额外的功率支持， 这种方式只 能为系统提供持续数秒钟短期支持； 降载运行是指风力 发电机没有工作在当前风速下的最大出力点， 当电力系 统出现频率偏差时， 风力发电机的出力有上调和下调的 空间。
通过风机变桨控制及电力电子变换器控制可使双 馈风机实行降载运行，如图 1 所示：
。文献 [1, 3] 中提及了英国、 德国、
丹麦欧洲国家对风电提供调频 服务的一些要求与规范。
风电机组的参与会缓解传统机组的成本和碳排放 压力， 有利于电力系统的清洁共建和经济运行。 风力发 电机参与系统频率调节涉及到三个层面： 系统层面、 风 电场层面、 风机层面。 系统层面主要是指风电场在提供 频率调节这一辅助服务时与传统机组之间的配合； 风电 场层面主要是指风电场内部各风机之间的 “任务”分配， 这是因为风电场内各风机的时空位置不同使得运行状 态有差异，风机层面主要是指风机的运行控制。
随着电力电子技术的发展以及新的控制策略的提 出[1, 3-6] ，风机层面在技术上能提供与传统机组类似调频 服务已初现端倪。文献 [4] 给出了一种双馈风机降载运 行状态下参与系统频率调节的控制策略。文献 [5] 提出 了一种控制策略在风机降载运行的情况下向电网提供 一次频率支持， 该策略不仅能改善系统频率响应， 而且 能够在风速变化较大的情况下平滑风电场出力。 文献 [6] 提出了一种增加风机辅助控制回路以提供短期频率支 持的控制策略。
考虑到风电能够提供调频辅助服务是未来的发展 趋势，在系统调度层面上考虑其与传统机组之间的调频 容量协调优化成为值得研究的问题。 本文提出了一种考 虑变速风力机组降载运行
图1 DFIG降载运行特性曲线 风机工作在降载运行状态， 留有功率裕度， 在系统
频率发生波动时，能迅速增加或降低输出功率，参与系
统频
率调节。本文定义某一风速下风机降载比：
min
di (1) i max
P
wi
其中：Pd’wi为某风速下风机实现降载运行时的输岀功 率，
P
wmax为某风速下风机所能发岀的最大功率。 di,min^d i 兰 d i , m ，x d i,min i ,max 中允许的最小、最大降载比值。最大降载比能够反映风 机功率
调节能力。降载比越大，意味着风机的调节范围 越小。
3 优化模型
3.1 目标函数 以系统运行成本最小为目标函数： min
Cg
Cw C
⑵
其中， Cg为传统机组发电成本， Cw为弃风惩罚成本，
O 为传统机组提供备用容量成本。 NG
Cg ^(aP/^Pgi 七 J i 士
Nw Cw ；(PmaX -Pwi)
i生
NG C「YR i 土
(5)
其中：NG表示传统发电机数目， Nw表示风电场
数目； a，b，c分别为传统机组i的发电费用系数，Pgi为 传统机组 i的岀力； ￡为风场i弃风惩罚成本系数 ($/WM)，Pmax为某风速下风场i最大岀力， Pwi为风场
实际岀力；［为传统机组
i备用成本系数($/WM)， 为传统R 机组i提供的备用容量，包含上调容量和下调容 量两部分。 3.2约束条件
传统约束:
Vj
min
_Vjmax
, i =1,..., NB
⑺
pmin
沁虫 FT，i =1,…,NG
(8) Qm、Qg ggmax
, i=1,…,NG
(9) S’” ^Sj zS」max
, i,j =1,…，NB,i = j
(10)
其中：NB表示节点数；Road和Qioad分别为负荷的有功 和无功功率；Sj为线路传输功率；式(6)?(10)分别为 潮流方程、节点电压约束、传统机组有功岀力和无功岀 力约束、线路潮流约束。文中假设，所有风电场通过无 功控制或者补偿的方式实现定功率因数运行，
故可将风
电场视为PQ节点，本文设定两风电场的功率因数均为 0.95。当风场以其它方式运行时上述模型只要稍作修改
同样适用。
风机岀力约束：
?PT MPwiMPT i =1,…,Nw
(11)
备用容量约束：
NG
NW
7 P
up,i 7W
up,i =FUp i 土
N
i 土
G(12)
.匚 Pdown,i ■ .J ^WNdown,i
W 二 Pdown i 土
i 2
其中：Pup,i , Pdown,i分别为第i台传统机组提供的上 调、下调备用容量，
Wup,i ,Wdown,i分别为风场i所提供的
上调、下调备用容量；Rp , Pdown分别系统运行所需的总 的上调、下调备用容量。
机组最大技术出力 调频上限 运行点
调频下限
机组最小技术出力
图2调频容量约束示意图
如图2所示，传统机组所能提供的调频容量受当前 运行状态的限制，本文借鉴文献［10］中提到的调频容量 约束：
0乞鮎乞min{Pumax -卩『讥卩,山=1,…,W
p,
p,
gmax p,
(13)
0 - Pdown,i —min{Pgi-PdZ,i ,TVdown,i}
其中，
Pip,i
, Pdown,i 分别为传统机组所能提供岀力的 上下
限，Vup,i ,Vdown,i分别为传统机组i的上调和下调速度
(WM/min)，T为调度时段间隔时间，本文中取
15min。
借鉴传统机组的调频容量约束，我们可以写岀风电机组 的调频容
量约束：
^W!p,i
min{PT - 巳，讥卩」} i =1,…，肌
min
(14)
0 二Wiown,i 二 min{Pwi-^i ,Tudown,i}
类似地，pwmax,即 分别为风电机组所能提供岀力 的上下限，其中Pj'等于di PT , UUp,i ,Udown,i分别为风 电机组i上调和下调速度（WM/min） O风力发电机调节速 度快，本文认为在调度时段内总有：
本文的研究内容如流程图虚线框中所示。 需要说明 的是，因涉及风电机组控制问题， 应采用超短期风力预 测，故优化调度时间尺度应取事前 15分钟。
pr -Pwi兰％山=1,…,肌 HWi -dipWi
max .
4算例
(15)
— tUdown, i
：
4.1算例介绍
我们使用如图4所示的5机11节点来测试本文提 岀的模型，系统中含 2个风电场、3个火电机组。系统 的节点数据、
故风电机组的调频容量约束可简化成
0 EWp,i zPT —Pwi,i =1,…，Nw
^ ax (16) 线路数据、费用数据分别在表 表3给岀，其中对应的功率基准值为 准值为220KV O 1、表2和 100WM，电压基 为了使风电场最大程度参与调频： Zp,i =PT —Pvi,i=1,…,Nw ^^own ,i = Rvi max _ d (17) W2 i Rvi 上述优化模型（2）?（17）中，待求解的变量包括各 发电机组的发电功率以及各发电机组的上调、下调容 量。优化模型将降载运行风电机组引入到系统调频中 来，考虑了节点电压约束、潮流约束、机组调频出力约 束以及备用容量约束，是一个复杂的非线性优化模型。 下文中将通过 AMPL优化软件求解以上模型并得到风电 机组参与提供系统调频备用容量时的系统优化运行工 图4 5机11节点算例 3.3风电场参与调频调度流程 节点号 表1系统节点参数（标幺值） 节点注入功率 V 1.05 --- --- --- P --- 2.5** 2** -2.4 Q --- 2 1.3 -1.2 节点号 6 8 10 11 节点注入功率 V --- --- --- --- P -2 -1.7 0.72** 0.72** 0.95 Q -1 -0.8 --- --- 1* 2 3 5 平衡节点；**各机组额定出力；风电场功率因数为 表2线路参数（标幺值） 起 终 4 4 6 9 9 1 R 0 参数 X 0.057 0.18 P0.4 0.058 C 0 0.158 0.358 0 变 比 起 终 1.05 7 --- --- --- --- 2 R 0 0 0 参数 X 0.062 0.057 0.057 0.2 --- 变 比 C 0 0 0 0.176 --- 1.05 1.05 1.05 --- --- --- 6 0.01 9 0.039 3 7 11 4 10 4 0 1.05 5 7 0.01 5 0.01 0.15 0.306 8 0.012 8 0.25 0.209 7 0.009 P 0.2 0.149 - --- --- 图3风电场参与系统调频调度流程图 表3发电机各费用系数 发电 机 a 常规机组成本 b c 弃风成本 备用成本 针对上述调度模型，本文提出一种风电场参与系统 调频的调度流程，如图 3所示。调度步骤大致如下： P$/MW） W$/MW） --- — --- 180 171 202 232 216 _ --- 降载比d --- — --- 0.8 0.8 1） 首先，根据风速预测结果以及风机特性等因素 得到风 机最大降载比，确定风电场在调度时段内是否有 能力参与调频。 G1 180.235 312.654 1900.578 G2 50.439 200.434 1200.648 G3 200.550 500.746 1857.201 W1 W2 --- _ --- _ --- 2） 其次，综合风速以及系统运行状态等因素对系 统进行 评估，确定调度时段内系统是否对风机参与调频 有要求。 3） 最后，根据1） 2）结果选择相应的调度方案。
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