浅谈风电的机组组合旋转备用配置郭天军

郭天军

国家电投集团内蒙古新能源有限公司内蒙古010090

摘要：文章将风电计入安全约束机组组合问题中，并对风电出力做出取舍，实现动态经济调度。

关键词：风电场；机组组合；风电模型；网络安全约束；旋转备用装置

1技术背景

随着能源问题在全球经济的大背景下日益凸显，人们意识到能源是人类生存和整个社会发展的重要物质基础。但是现如今，传统能源（煤、石油）已经不能满足经济以及可持续发展大背景下的的需求，因此为了解决能源缺乏以及环境恶化等问题，各国正在积极探索和鼓励可再生能源的发展。到目前为止，我国部分地区的风电并网比例已经超过了20%（内蒙古东部电网装机比例超过30%）。在未来的几年内，根据我国对于新能源发电计划的政策扶持，我国的风电总装机容量将迅速且持续的增长。

1.1技术含义

机组组合作为调度阶段措施之一，是电力系统规划以及运行的重要研究课题，其主要任务是在以日、周、年为周期的时间段内，以已有的负荷预测为基准，同时以总成本最低为目标来安排各个时间段内各机组的启停计划和出力的大小。机组组合问题对于电力系统的可靠性、安全性、经济性都具有十分重要的意义。在机组组合计划阶段，需要考虑多种系统约束和单机约束，其中包括：功率平衡、备用需求、网络安全约束、机组出力上下限、机组爬坡率限制等，同时还需能保证整体电网的安全以及可靠性，使其策略合理可行。良好的组合策略可以有效的降低能源消耗，提高发电机组的运行效率和可靠性，并延长机组的使用寿命，其所产生的直接和间接的经济效益巨大。

1.2技术关键

由于风力发电的部分缺点是具有随机性、波动性、间歇性，并且精准预测风电功率难度较大。因此大规模风电并网对于电力系统的影响，包括制定发电计划和机组组合策略等一系列关键措施都带来了很多障碍。为解决大规模风电并网对于机组组合问题的各种不利影响，必须在传统的机组组合数学模型以及解决方法基础之上继续探索，对风电并网以后的机组组合情况进行改进与创新，可以从以下几个角度考虑改进的方法：

（1）由于风电的不确定性较大，所以需要在较为准确预测风电功率的基础上，通过仿真实验建立可以真实描述风功率随机波动的数学模型，为系统调度规划以及机组组合策略制定提供理论基础；

（2）考虑到风功率波动在原有机组组合基础上增加了部分约束条件，所以整体系统的运行费用C也会相应提高。因此需要在大规模风电并网所产生的额外成本与风电并网对于常规能源所造成的环境污染的改善，这二者之间找到最优方案，取得环境与经济效益的共赢。

（3）由于目前风功率预测与实际值存在较大误差，所以需要在传统旋转备用基础上增设下旋转备用，比如：

表示t时刻出力的最小值，表示t时刻的下旋转备用容量

目的是防止当系统负荷较低时，风功率的激增导致风机强制脱网所带来的危害。因此需要增加额外的下旋转备用来保证电力系统的稳定性和可靠性。这也是目前研究含风电机组组合的难题之一。

2我国大型风电机组技术发展情况

2.1水平轴风电机组是主流

水平轴风电机组的应用已近100年。由于水平轴风电机组的风轮具有风能转换效率高、传动轴较短、控制和制动技术成熟、制造成本较低、并网技术可靠等优点，近年来大型并网水平轴风电机组得到快速发展，使大型双馈式和直驱永磁式等水平轴风电机组成为国内大型风电场建设所需的主流机型，并在国内风电场建设中占到100%的市场份额。

2.2垂直轴风电机组有所发展

大型垂直轴风电机组因具有全风向对风、变速装置及发电机可置于风轮下方或地面等优点。近年来相关研究和开发也在不断进行并取得一定进展，单机试验示范正在进行，在美国已有大型垂直轴风电机组在风电场运行，但在我国还无垂直轴风电机组产品在风电场成功应用的先例。

2.3风电机组单机容量持续增大

近年来，国内风电市场中风电机组的单机容量持续增大，2012年新安装机组的平均单机容量达1.65MW，2013年为1.73MW。2013年我国风电场安装的最大风电机组为6MW。随着单机容量不断增大和利用效率的提高，国内主流机型已从2005年的750～850kW增加到2014年的1.5～2.5MW。近年来，海上风电场的开发进一步加快了大容量风电机组的发展。我国华锐风电的3MW海上风电机组已在海上风电场批量应用。3.6、4、5、5.5、6和6.5MW的海上风电机组已陆续下线或投入试运行。目前，华锐、金风、联合动力、湖南湘电、重庆海装、东方汽轮机、广东明阳和太原重工等公司都已研制出5～6.5MW的大容量海上风电机组产品。

2.4变桨变速功率调节技术得到全面应用

由于变桨距功率调节方式具有载荷控制平稳、安全高效等优点，近年在大型风电机组上得到广泛应用。结合变桨距技术的应用及电力电子技术的发展，大多数风电机组制造厂商采用了变速恒频技术，并开发出变桨变速风电机组，在风能转换效率上有了进一步完善和提高。从2012年起，国内定桨距并网风电机组已停止生产，在全国安装的风电机组全部采用了变桨变速恒频技术。2MW以上的风电机组大多采用3个独立的电控调桨机构，通过3组变速电机和减速箱对桨叶分别进行闭环控制。

3国内外研究现状

机组组合优化问题一直是国内外电力系统研究中的热点。多年来，研究学者对机组组合的模型及求解方法进行了各种各样的探索，所提出的数学模型对于待解决问题都各有侧重，也可以满足不同系统的运行要求。机组组合问题从数学角度来讲，属于一个高维、非凸、离散、非线性的混合整数规划问题，含有大量的离散变量和连续变量。从理论角度，很难在一定时间内找出全局最优解。可由于解决此问题所能带来的直接和间接的巨大经济效益，因此也激励着国内外电力研究学者对此问题进行深入的探究，目前为止解决方法含有；数学规划法、人工智能优化法等。

随着风电并网造成不确定性的增加，近年来国内外对风速及风电功率预测也开展了大量的研究。但是由于目前尚未掌握先进的技术手段，所以中、短期风电预测结果误差还是远远大于负荷预测。在含大规模风电并网的电力系统中，由于风能的随机性、波动性、间歇性的缺点，造成风电出力及波动的不确定性一直是制定机组组合策略环节所面对的最为复杂和关键的问题。到目前为止，大量的研究学者在含风电系统短期机组组合问题上开展研究，希望可以解决风电功率预测过程中的不确定因素，提升风电并网的所带来的经济效益，达到所需的调度成本最低的目标，目前己取得了一定的研究成果，但是仍然需要进一步的探索。

4结语

本文研究了含风电场的机组组合问题。在模型建立中，引入以风电出力的区域为置信区间，在运行费用函数中引入惩罚量体现切风带来的损失。

参考文献

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