一种风电场有功功率变化率控制方法及系统与流程

本发明涉及风电技术领域，尤其涉及一种风电场有功功率变化率控制方法及系统。

背景技术：

近年来我国风力发电发展迅猛，由于大规模风电接入电网，风电的波动性和随机性已经给电网的稳定运行带来了前所未有的挑战，尤其是风电功率短时间、大幅度的波动将给电网带来巨大冲击，对电网的调频能力尤其是快速调频能力提出了更高要求。《GB/T19963-2011风电场接入电力系统技术规定》对正常运行情况下风电场有功功率1min有功功率变化和10min有功功率变化限值提出了具体要求，因此有必要在国家标准规定基础上研究风电场有功功率变化的控制方法，保证电网的安全稳定运行。

常规的风电控制方法都是基于风电场当前工况，没有利用功率预测结果，因而要实现风电场有功功率变化率控制，一般是在当前功率基础上加上一个既满足1min有功功率变化限值又满足10min有功功率变化限值的固定限值进行控制，这样势必造成每一控制周期都对风电场下发控制指令进行控制，给风电场造成了不必要的发电量损失。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：目前的现有技术是在当前功率基础上加上一个既满足1分钟的有功功率变化限值又满足10分钟的有功功率变化限值的固定限值进行控制，这样会使得每一控制周期都得对风电场下发控制指令进行控制，给风电场造成发电量损失。

为解决上面的技术问题，本发明提供了一种风电场有功功率变化率控制方法，该方法包括如下步骤：

S1，读取风电场装机容量，计算风电场1分钟功率变化率限值和10分钟功率变化率限值，同时清空任一时间点10分钟后功率变化率越限过程链表中的记录；

S2，读取当前时间点及之前的风电场所有风电机组的平均风速或测风塔风速的1分钟时间间隔历史数据，作为预测输入样本数据，同时构造支持向量回归预测模型，所述模型根据预测输入样本数据预测当前时间点1分钟后和10分钟后风电场风速；

S3，读取当前时间点及之前的风电场所有风电机组的平均风速或测风塔风速的10分钟平均值和风电场有功功率的10分钟平均值的历史数据，根据所述的历史数据计算风电场统计风速-功率曲线；

S4，根据S2中的预测风速以及S3中的风电场统计风速-功率曲线，计算风电场当前时间点1分钟后和10分钟后的预测功率；

S5，根据风电场当前功率、S4中的预测功率以及S1中的1分钟功率变化率限值和10分钟功率变化率限值，计算1分钟功率变化率和10分钟功率变化率，并判断该功率变化率是否越限，对风电场有功功率变化率进行控制，最后返回到S2。

进一步地，所述S5中的判断该功率变化率是否越限，如果越限，则计算变化率不越限情况下当前时间点1分钟后的风电场功率的控制目标值；如果不越限，则对当前时间点1分钟后的风电场功率不进行控制，设置为自由发电状态。

进一步地，所述S3中还包括：

S31，读取风电场中所有风电机组的平均风速或测风塔风速的在任一个10分钟时间段内的平均值和风电场的有功功率在任一个10分钟时间段内的平均值的历史数据；

S32,将风速数据在0-30m/s范围内平均分成多个区间，统计每一个风速区间内的平均风速和平均功率，生成风电场统计风速-功率曲线。

进一步地，所述S4中还包括：

S41，根据预测当前时间点在1分钟后的风速所在的风速区间，在S32中的风电场风速-功率曲线中查找与该风速区间对应的平均功率作为该时间点在1分钟后的预测功率；

S42，根据预测当前时间点在10分钟后的风速所在的风速区间，在S32中风电场风速-功率曲线中查找与该风速区间对应的平均功率作为该时间点在10分钟后的预测功率。

进一步地，所述S5中还包括：

S51，读取风电场当前时间点的功率以及该时间点1分钟后和10分钟后的预测功率；

S52，在任一时间点10分钟后功率变化率越限过程链表中删除越限时刻小于或等于当前时间点的10分钟后功率变化率越限过程；

S53，计算当前时间点1分钟后和10分钟后功率变化率，设置功率变化率越限标志为不越限；

S54，如果当前时间点10分钟后的功率变化率不越限，则执行S55；否则,将该时间点对应的10分钟后变化率越限过程存入任一时间点10分钟后功率变化率越限过程链表中，设置功率变化率越限标志为10分钟后越限，转入步骤S56；

S55,如果当前时间点1分钟后的功率变化率不越限，设置功率变化率标志为不越限，执行S56；否则，设置功率变化率标志为1分钟后越限，执行S56；

S56，在记录的任一时间点10分钟后功率变化率越限过程链表中搜索第一个任一时间点10分钟后功率变化率越限过程，其越限时刻覆盖到当前时间点1分钟后，如果有则按照搜索到的任一时间点10分钟后功率变化率越限过程记录的功率值和越限时刻以及-10分钟后的功率变化率限值来计算当前时间点1分钟后风电场功率的控制目标值，返回S2；否则执行S57；

S57，当功率变化率越限标志为不越限时对当前时间点1分钟后的风电场功率不进行控制，设置为自由发电状态；当功率变化率越限标志为10分钟后越限时，则按照当前时间点的实际功率和10分钟功率变化值限值计算10分钟后风电场功率的控制目标值；当功率变化率越限标志为1分钟后越限时，则按照当前时间点的实际功率和1分钟功率变化值限值计算1分钟后风电场功率的控制目标值，最后返回S2。

进一步地，所述S5中任一时间点10分钟后功率变化率越限过程链表中保存任一时间点10分钟后功率变化率越限过程，所述的过程包括：任一时间点的功率值、该时间点10分钟后功率变化率越限时刻。

进一步地，所述S56中判断任一时间点10分钟后功率变化率越限过程链表中第一个任一时间点10分钟后功率变化率越限过程覆盖到当前时间点1分钟后的判据包括：

t+1≤t₁₀

式中，t₁₀为任一时间点10分钟后功率变化率越限过程记录的越限时刻，以分钟为单位；t为当前时间点，以分钟为单位。

本发明的有益效果：通过结合风电场实时运行数据，基于超前1分钟和超前10分钟的超短期功率预测结果，在风电场实际风况急剧变化导致功率短时间、大幅度波动时，能够将风电场功率变化率限制在国家标准规定的变化率限值以下，降低对电网的冲击，减少对快速调频电源的要求，同时与常规算法相比能够明显减少控制次数，降低风电场发电量损失。

本发明还涉及一种风电场有功功率变化率控制系统，该系统包括：初始化模块、风速预测模块、风速-功率曲线生成模块、功率预测模块和功率控制指令计算模块；

所述初始化模块，用于读取风电场装机容量，计算风电场1分钟功率变化率限值和10分钟功率变化率限值，同时清空任一时间点10分钟后功率变化率越限过程链表中的记录；

所述风速预测模块，用于读取风电场中所有风电机组的平均风速或测风塔风速的历史数据，作为预测输入样本数据，同时构造支持向量回归预测模型，所述模型根据预测输入样本数据预测风电场风速；

所述风速-功率曲线生成模块，用于读取风电场中所有风电机组的平均风速或测风塔风速的平均值和风电场的有功功率的平均值的历史数据，根据所述的历史数据计算风电场统计风速-功率曲线；

所述功率预测模块，用于根据风电场中所有风电机组的平均风速或测风塔风速的平均值和风电场有功功率平均值的历史数据，计算风电场预测功率；

所述控制指令计算模块，用于根据风电场当前功率以及预测功率，计算功率变化率不越限情况下风电场功率的控制目标值。

进一步地，所述初始化模块，用于读取风电场装机容量，计算风电场1分钟功率变化率限值和10分钟功率变化率限值，清空任一时间点10分钟后功率变化率越限过程链表；所述风速预测模块，用于读取风电场所有风电机组平均风速或测风塔风速每1分钟间隔历史数据，作为预测输入样本数据，同时构造支持向量回归预测模型分别预测当前时间点1分钟后和10分钟后的风电场风速；所述风速-功率曲线生成模块，用于读取风电场所有风电机组平均风速或测风塔风速的任一时间点的10分钟平均值和任一时间点的10分钟有功功率平均值的历史数据，计算风电场统计风速-功率曲线。

进一步地，所述功率预测模块，用于根据风电场中所有风电机组的平均风速或测风塔风速的在任一10分钟时间段内的平均值和风电场有功功率在任一10分钟时间段内的平均值的历史数据，计算风电场当前时间点在1分钟后和10分钟后的预测功率；所述控制指令计算模块，用于根据风电场当前功率以及当前时间点1分钟后和10分钟后的预测功率，计算功率变化率不越限情况下当前时间点1分钟后风电场功率的控制目标值。

本发明的有益效果：通过结合风电场实时运行数据，基于超前1分钟和超前10分钟的超短期功率预测结果，在风电场实际风况急剧变化导致功率短时间、大幅度波动时，能够将风电场功率变化率限制在国家标准规定的变化率限值以下，降低对电网的冲击，减少对快速调频电源的要求，同时与常规算法相比能够明显减少控制次数，降低风电场发电量损失。

附图说明

图1为本发明的一种风电场有功功率变化率控制方法的流程图；

图2为本发明的一种风电场有功功率变化率控制方法示意图；

图3为本发明的一种风电场有功功率变化率控制系统示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，一种风电场有功功率变化率控制方法，该控制方法包括如下步骤：S1，读取风电场装机容量，计算风电场1分钟功率变化率限值和10分钟功率变化率限值，同时清空任一时间点10分钟后功率变化率越限过程链表中的记录；

S2，读取当前时间点及之前的风电场所有风电机组的平均风速或测风塔风速的1分钟时间间隔历史数据，作为预测输入样本数据，同时构造支持向量回归预测模型，所述模型根据预测输入样本数据预测当前时间点1分钟后和10分钟后风电场风速；

S3，读取当前时间点及之前的风电场所有风电机组的平均风速或测风塔风速的10分钟平均值和风电场有功功率的10分钟平均值的历史数据，根据所述的历史数据计算风电场统计风速-功率曲线，其中包括：读取风电场中所有风电机组的平均风速或测风塔风速的在任一个10分钟时间段内的平均值和风电场的有功功率在任一个10分钟时间段内的平均值的历史数据；

S32,将风速数据在0-30m/s范围内平均分成多个区间，统计每一个风速区间内的平均风速和平均功率，生成风电场统计风速-功率曲线。

S4，根据S2中的预测风速以及S3中的风电场统计风速-功率曲线，计算风电场当前时间点1分钟后和10分钟后的预测功率，其中包括：S41，根据预测当前时间点在1分钟后的风速所在的风速区间，在S32中的风电场风速-功率曲线中查找与该风速区间对应的平均功率作为该时间点在1分钟后的预测功率；

S42，根据预测当前时间点在10分钟后的风速所在的风速区间，在S32中风电场风速-功率曲线中查找与该风速区间对应的平均功率作为该时间点在10分钟后的预测功率。

S5，根据风电场当前功率、S4中的预测功率以及S1中的1分钟功率变化率限值和10分钟功率变化率限值，计算1分钟功率变化率和10分钟功率变化率，并判断该功率变化率是否越限，其中判断该功率变化率是否越限，如果越限，则计算变化率不越限情况下当前时间点1分钟后的风电场功率的控制目标值；如果不越限，则对当前时间点1分钟后的风电场功率不进行控制，设置为自由发电状态，最后返回到S2。

其中S5中具体步骤为：

S51，读取风电场当前时间点的功率以及该时间点1分钟后和10分钟后的预测功率；

S52，在任一时间点10分钟后功率变化率越限过程链表中删除越限时刻小于或等于当前时间点的10分钟后功率变化率越限过程；

S53，计算当前时间点1分钟后和10分钟后功率变化率，设置功率变化率越限标志为不越限；

S54，如果当前时间点10分钟后的功率变化率不越限，则执行S55；否则,将该时间点对应的10分钟后变化率越限过程存入任一时间点10分钟后功率变化率越限过程链表中，设置功率变化率越限标志为10分钟后越限，转入步骤S56；

S55,如果当前时间点1分钟后的功率变化率不越限，设置功率变化率标志为不越限，执行S56；否则，设置功率变化率标志为1分钟后越限，执行S56；

S56，在记录的任一时间点10分钟后功率变化率越限过程链表中搜索第一个任一时间点10分钟后功率变化率越限过程，其越限时刻覆盖到当前时间点1分钟后，如果有则按照搜索到的任一时间点10分钟后功率变化率越限过程记录的功率值和越限时刻以及-10分钟后的功率变化率限值来计算当前时间点1分钟后风电场功率的控制目标值，返回S2；否则执行S57，其中判断任一时间点10分钟后功率变化率越限过程链表中第一个任一时间点10分钟后功率变化率越限过程覆盖到当前时间点1分钟后的判据包括：

t+1≤t₁₀

式中，t₁₀为任一时间点10分钟后功率变化率越限过程记录的越限时刻，以分钟为单位；t为当前时间点，以分钟为单位。

S57，当功率变化率越限标志为不越限时对当前时间点1分钟后的风电场功率不进行控制，设置为自由发电状态；当功率变化率越限标志为10分钟后越限时，则按照当前时间点的实际功率和10分钟功率变化值限值计算10分钟后风电场功率的控制目标值；当功率变化率越限标志为1分钟后越限时，则按照当前时间点的实际功率和1分钟功率变化值限值计算1分钟后风电场功率的控制目标值，最后返回S2。

上述S5中的任一时间点10分钟后功率变化率越限过程链表中保存任一时间点10分钟后功率变化率越限过程，所述的过程包括：任一时间点的功率值、该时间点10分钟后功率变化率越限时刻。

如图3所示，一种风电场有功功率变化率控制系统，该系统包括：初始化模块、风速预测模块、风速-功率曲线生成模块、功率预测模块和功率控制指令计算模块；

初始化模块，用于读取风电场装机容量，清空任一时间点在10分钟后的功率变化率越限过程链表；

风速预测模块，用于读取风电场所有风电机组平均风速或测风塔风速每1分钟间隔历史数据，作为预测输入样本数据，同时构造支持向量回归预测模型分别预测任一时间点在1分钟和10分钟后的风电场风速；

风速-功率曲线生成模块，用于读取风电场所有风电机组平均风速或测风塔风速的任一时间点在10分钟平均值和任一时间点在10分钟有功功率平均值的历史数据，计算风电场统计风速-功率曲线；

功率预测模块，用于根据风电场中所有风电机组的平均风速或测风塔风速的在任一10分钟时间段内的平均值和风电场有功功率在任一10分钟时间段内的平均值的历史数据，计算风电场任一时间点在1分钟后和10分钟后的预测功率；

控制指令计算模块，用于根据风电场当前功率以及任一时间点在1分钟后和10分钟后的预测功率，计算任一时间点在1分钟后功率变化率不越限情况下风电场功率的控制目标值。

实施例

S1，读取风电场装机容量P_rate，计算风电场1分钟功率变化率限值和10分钟功率变化率限值，同时清空任一时间点10分钟后功率变化率越限过程链表中的记录；1分钟功率变化率限值P_L1计算公式如下，

10分钟功率变化率限值P_L10计算公式如下，

S2，读取当前时间点及以前的风电场中所有风电机组的平均风速或测风塔风速的1分钟时间间隔历史数据，作为预测输入样本数据，同时构造支持向量回归预测模型，所述模型根据预测输入样本数据预测风电场风速；其中支持向量回归预测模型核函数采用径向基(Radial Basis function，RBF)核函数。

S3，读取当前时间点及以前的风电场所有风电机组的平均风速或测风塔风速的平均值和风电场的有功功率的平均值的历史数据，根据所述的历史数据计算风电场统计风速-功率曲线；

S31，读取风电场中所有风电机组的平均风速或测风塔风速的在任一个10分钟时间段内的平均值和风电场的有功功率在任一个10分钟时间段内的平均值的历史数据。

S32,将风速数据在0-30m/s范围内按0.5m/s的区间分段，统计每一个风速区间内的平均风速和平均功率，生成风电场统计风速-功率曲线。每个风速区间所对应的平均风速和平均功率根据以下公式计算：

式中：P_i为第i个风速区间的平均功率；

V_i为第i个风速区间的平均风速；

P_i,j为第i个风速区间第j个10分钟平均功率；

V_i,j为第i个风速区间第j个10分钟平均风速；

N_i为第i个风速区间的风速-功率数据对数。

S4，根据S2中的预测风速以及S3中的风电场统计风速-功率曲线，计算风电场当前时间点1分钟后的预测功率P_p1和10分钟后的预测功率；

S41，根据预测当前时间点在1分钟后的风速所在的风速区间，在S32中的风电场风速-功率曲线中查找与该风速区间对应的平均功率作为该时间点在1分钟后的预测功率P_p1。

S42，根据预测当前时间点在10分钟后的风速所在的风速区间，在S32中风电场风速-功率曲线中查找与该风速区间对应的平均功率作为该时间点在10分钟后的预测功率P_p10。

如图2所示，S5，根据风电场当前功率P_r、S4中的预测功率P_p1和P_p10以及S1中的1分钟功率变化率限值P_L1和10分钟功率变化率限值P_L10，计算1分钟功率变化率r₁和10分钟功率变化率r₁₀，并判断该功率变化率是否越限，对风电场有功功率变化率进行控制，最后返回到S2。其中具体的步骤如下：

S51，读取风电场当前时间点的功率P_r以及该时间点1分钟后的预测功率P_p1和10分钟后的预测功率P_p10；

S52，在任一时间点10分钟后功率变化率越限过程链表中删除越限时刻t₁₀≤当前时间点t的在10分钟后功率变化率越限过程；

S53，计算当前时间点1分钟后功率变化率r₁和10分钟后功率变化率r₁₀；当前时间点1分钟后功率变化率r₁计算公式如下，

r₁＝|P_p1-P_r|

当前时间点10分钟后功率变化率计算公式如下，

r₁₀＝|P_p10-P_r|

S54，如果当前时间点10分钟后的功率变化率r₁₀不越限即r₁₀≤P_L10，则执行S55；否则(即r₁₀＞P_L10),将该时间点对应的的10分钟后功率变化率越限过程存入任一时间点10分钟后功率变化率越限过程链表中，设置功率变化率标志为1分钟后越限，执行S56；

S55,如果当前时间点1分钟后的功率变化率r₁不越限即r₁≤P_L1，设置功率变化率标志为不越限，执行S56；否则(即r₁＞P_L1)，设置功率变化率标志为1分钟后越限，执行S56；

S56，在记录的任一时间点10分钟后功率变化率越限过程链表中搜索第一个任一时间点10分钟后功率变化率越限过程，其越限时刻覆盖到当前时间点1分钟后，如果有则按照搜索到的任一时间点10分钟后功率变化率越限过程记录的功率值和越限时刻、当前时间点实际功率值P_r以及10分钟后的功率变化率限值P_L10来计算当前时间点1分钟后风电场功率的控制目标值P_t，返回S2；否则执行S57；其中还包括：按照搜索到的任一时间点10分钟后功率变化率越限过程记录的功率值和越限时刻、当前时间点实际功率值P_r以及10分钟后的功率变化率限值P_L10来计算当前时间点1分钟后风电场功率的控制目标值P_t的公式如下，

式中t₁₀为搜索到的任一时间点10分钟后的功率变化率越限过程记录的越限时刻，以分钟为单位；t为当前时间点，以分钟为单位；P_r10为搜索到的任一时间点在10分钟后的变化越限过程记录的当时功率值。

S57，当功率变化率越限标志为不越限时对当前时间点1分钟后的风电场功率不进行控制，设置为自由发电状态；当功率变化率越限标志为10分钟后越限时，则按照当前时间点的实际功率P_r和10分钟功率变化值限值P_L10计算10分钟后风电场功率的控制目标值P_t；当功率变化率越限标志为1分钟后越限时，则按照当前时间点的实际功率P_r和1分钟功率变化值限值计算1分钟后风电场功率的控制目标值，最后返回S2。按照当前时间点的实际功率P_r和10分钟功率变化率限值P_L10计算当前时间点1分钟后的风电场功率的控制目标值P_t的公式如下，

按照当前时间点的实际功率P_r和1分钟功率变化率限值P_L1计算当前时间点1分钟后的风电场功率的控制目标值P_t的公式如下，

另外还有对于上述S56中在任一时间点10分钟后功率变化率越限过程链表搜索第一个任一时间点10分钟后功率变化率越限过程覆盖到当前时间点1分钟后的判据包括：

t+1≤t₁₀

式中，t₁₀为任一时间点10分钟后功率变化率越限过程记录的越限时刻，以分钟为单位；t为当前时间点，以分钟为单位。

下面是具体的例子

假设8:00系统初始化开始运行，读入风电场装机容量为60MW，计算1分钟功率变化率限值为6MW，10分钟功率变化率限值为20MW，清空任一时间点10分钟后功率变化率越限过程链表(以下简称为10分钟越限链表)，实际计算过程如下：

8:00的功率实际值是18MW，8:01(1分钟后)的预测功率是20MW，8:10(10分钟后)的预测功率为35MW，则设置功率变化率标志为不越限，则对8:01的风电场功率不进行控制，设置为自由发电状态。

8:01的功率实际值是20MW，8:02(1分钟后)的预测功率是28MW，8:11(10分钟后)的预测功率为38MW，则设置功率变化率标志为1分钟后越限，由于10分钟越限过程链表为空，则按1分钟功率变化率限值6MW计算8:02的控制目标值为20+6＝26MW。

8:02的功率实际值是24MW，8:03(1分钟后)的预测功率是32MW，8:12(10分钟后)的预测功率为46MW，则设置功率变化率标志为10分钟后越限，则将(8:02,8:12,24MW)存入10分钟越限过程链表中，并按10分钟越限过程(8:02,8:12,24MW)以及10分钟功率变化率限值20MW计算8:02的控制目标值为24+(20-|24-24|)/10＝26MW。(这是因为10分钟功率变化率限值20MW折算为1分钟功率变化率2MW小于1分钟功率变化率限值6MW)。

8:03的功率实际值是25MW，8:04(1分钟后)的预测功率是32MW，8:13(10分钟后)的预测功率为44MW，则设置功率变化率标志为1分钟后越限，搜索10分钟越限过程链表中10分钟越限过程(8:02,8:12,24MW)覆盖到8:04，则按10分钟越限过程(8:02,8:12,24MW)以及10分钟功率变化率限值20MW计算8:04的控制目标值为25+(20-|25-24|)/9＝27.11MW。

在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。