考慮受端電網運行安全的臺風條件下海上風電場協調運行策略

謝善益，楊強，謝恩彥，仲衛，周剛

（1.廣東電網有限責任公司電力科學研究院，廣州 510080；2.國電南瑞南京控制系統有限公司，南京 215200）

0 引言

近年來，海上風電由于具有利用率高、安全、穩定等特點發展迅速［1］。與陸上風力發電相比，海上風力發電更容易受到臺風的影響，造成風電爬坡事件，嚴重威脅受端電網的安全穩定運行［2］。對于基于火電機組的傳統電力系統，由于爬坡率的限制，大多數系統無法應對風力發電爬坡事件［3］，使得電力供需平衡更加困難。

目前對風電爬坡事件的研究主要集中在3個方面：風電爬坡預測與識別［4-8］、風電場爬坡控制和儲能系統爬坡控制。利用數據建模［9-12］和場景分析對風電爬坡事件進行建模是近年來的研究熱點［13-17］，這些研究主要集中在有效預測風電爬坡事件的發生。利用風電場的功率控制抑制風電功率上升，在實踐中取得了良好的效果［18-19］。綜合考慮爬坡率和棄風量，限制高爬坡率階段風電的爬坡率，提高低爬坡率階段風電的適應性，降低風電波動對受端電網的影響，這種方法的調節能力受到風電場自身狀態及其當前有功功率控制能力的限制。因此，上述方法在某些極端情況下可能無法有效控制風電爬坡問題。風電與儲能聯合優化也是一種有效解決風電爬坡事件的重要手段［20-22］，該方法利用爬坡功率和爬坡率的閾值對風電爬坡事件進行定量分析，以優化棄風和儲能協調運行。以上研究提出了利用儲能系統解決風電爬坡事件的措施，重點關注風電場側爬坡控制，但忽略了電力系統運行狀態的變化。因此，當電力系統運行狀態發生變化時，爬坡功率和爬坡率的固定閾值可能無法給出合理的解釋。

基于此，本文深入分析了臺風條件下海上風電的輸出特性，從海上風電場的角度出發，考慮到受端電網的運行安全需求，針對極端天氣條件下發生海上風電場風力下降突發事件，提出了一種考慮受端電網運行安全需求的臺風條件下含儲能海上風電場協調運行策略，以優化臺風來襲期間海上風力發電機組和儲能系統間的協調出力，有效控制風電爬坡事件，從而最小化海上風電棄風量和運行成本，并實現海上風電場的友好接入要求。

1 臺風條件下海上風電對受端電網的影響

圖1為含儲能系統海上風電場接入電網的示意圖。由圖1可知，海上風電場的出力情況對受端電網的運行影響較大，特別是臺風期間。而臺風對海上風電場的影響主要集中在海上風電場達到截止風速后短時間內大規模跳閘引起的風電爬坡事件，從而造成受端電網嚴重供需失衡。圖2所示為臺風條件下海上風電對受端電網的影響。

圖1 含儲能系統的海上風電場接入電網示意圖Fig.1 Schematic of offshore wind farm with energy storage system connected to power grid

圖2 臺風條件下海上風電對受端電網的影響Fig.2 Schematic diagram of the influence of offshore wind power on the receiving power grid under typhoon conditions

由圖2可知，臺風來襲時（t0—t1），海上風電輸出達到最大功率，保持一段時間后，t2時刻達到截止風速，海上風電在短時間內迅速退出，直至t3。在t0—t1期間，受端電網可通過調節傳統發電機的輸出功率來應對海上風電輸出功率的增加，維持供需平衡。然而，海上風電在t2—t3短時間內停止運行。受端電網由于傳統發電機組爬坡率的限制，其有功輸出無法在短時間內快速增加，難以保證系統有功的平衡。因此，受端電網會通過損失負荷來解決電力短缺。實際上，在t2—t3時段，受端電網的發電機具有足夠的調峰能力，其失負荷是由于機組爬坡率的限制造成的。因此，為了有足夠的時間允許受端電網的調峰能力來減少有功不足，可考慮在海上風電達到截止風速之前，海上風電機組有序退出。此外，海上風電場的儲能系統具有快速響應能力，在發生有功不足時，可快速放電以降低系統中顯著的負載損失。這既降低了臺風條件下海上風電脫網對受端電網的不利影響，保證了受端電力系統的安全運行，又最小化了海上風電的運行成本［23-24］。

1.1 傳統發電機的調節能力

圖3展示了傳統發電機的調節能力，其由發電機的額定容量和爬坡率限制所決定。

圖3 傳統發電機的調節能力Fig.3 The regulation capability of the generator

圖3中，t1—t2為啟動階段，在此階段發電機不具備調節能力，只能按斜坡速率RD1啟動。同樣，t4—t5為停機階段，此時發電機也不具備調節能力。而在t2—t4運行階段，發電機可以在abcd區域的任意一點運行。但發電機的輸出調節受到坡度率和額定容量的限制，可以表示為：

式中：Pmax和Pmin分別為傳統發電機組的最大和最小輸出功率；RD2和RD3為傳統發電機組的爬坡率；Pt和Pt-1分別為t時刻和t-1時刻發電機的輸出功率。

由于臺風來襲時，海上風電會在短時間內大規模跳閘，導致短時間內出現大量電力短缺，因此，需要增加每臺發電機的出力以平抑系統有功不足。本文僅研究機組運行期間的調節能力。系統中火電機組爬坡率一般為每分鐘額定容量的2%～5%，水電機組速度較快，可達到每分鐘額定容量的50%～100%。但由于火電機組在電力系統中所占比例較大，系統的調節能力可能會受到火電機組坡度率的限制。

1.2 儲能的響應能力

海上風電的儲能系統通常與其集電系統配置在一起，并經變流器接入受端電網。因此，儲能系統的響應調節能力很強。在海上風機有序退出過程中，儲能可實時跟隨傳統發電機組的輸出特性，填補功率缺額，從而保證受端電網的功率平衡，故儲能系統可建模為：

式中：和分別為儲能系統在t時刻的充、放電功率；和分別為儲能系統的最大充、放電功率；和分別為儲能系統t時刻和t-1時刻的荷電狀態；和分別為儲能系統荷電最小、最大值；ΩESS為儲能系統的充、放電效率。

2 臺風條件下海上風電功率輸出特性

本章旨在分析臺風期間某海上風電場的風速特性，進而研究海上風電輸出特性。

2.1 風速特性

由于Rankine漩渦模型對臺風具有精確的模擬結果，且計算效率較高［25］。基于此，本文采用Rankine渦場模型對臺風進行建模，模型可以表示為：

式中：vi為位置i的風速；vmax為臺風的最大風速；ri為位置i到臺風中心的距離；Rmax為臺風的最大風速半徑。

此外，ri可以表示為［26］：

式中：（x，y）和（a，b）分別為位置i和臺風中心的經緯度坐標（東經為正，北緯為正）；R為地球半徑，即6 371 km。

同時，臺風的最大風速半徑Rmax可由式（9）計算［26］：

式中：Pc為臺風中心周圍的氣壓；k為模型系數，該系數取值為0.769［27］。

根據我國沿海臺風歷史數據及相關海上風電場運行數據可知，當臺風接近海上風電場時，風電場附近的風速將在很短時間內迅速增大；到達截止風速時，風電場中相應風機停止，海上風電的有功輸出驟降［28］。因此，本文采用Rankine漩渦模型，可以得到我國某沿海區域3個海上風電場的風速圖，如圖4所示，可以看出3個區域的風速將同時達到截止風速。

圖4 臺風條件下3個區域海上風電的風速特性Fig.4 Wind speed characteristic in a typhoon condition

2.2 海上風電的輸出特性

臺風對海上風電場風速影響較大，進而影響其輸出特性，可建模為：

式中：ρ為空氣密度；Cp為氣動性能函數，與風機的葉尖速比和槳距角有關；r為葉片半徑；vwind為風速；vin、vrate、vout分別為切入風速、額定風速和截止風速；Prate為風力發電機的額定輸出功率。

在此基礎上，可獲得的海上風電在臺風條件下的輸出特性，如圖5所示。

圖5 臺風條件下海上風電的輸出曲線Fig.5 Output curve of offshore wind power under typhoon conditions

由圖5可知，海上風電輸出功率在25 min內從額定值降至零。這表明如何在小時間尺度上應對大電量短缺的問題，可通過在臺風期間安排海上風電場有序退出和控制儲能系統有功輸出，從而延長海上風電場退出時間、降低電力變化率來解決。然而，海上風電場過早棄風會造成巨大的經濟損失，同時，電網的運行安全無法得到充分保障。

3 臺風條件下含儲能海上風電場協調運行模型

臺風來臨時，短期內會有大量的風機脫網。然而，傳統發電機組的爬坡率有限，難以立即彌補系統的大功率不足［29］。因此，海上風電機組與儲能系統的協調運行可以避免系統短期內出現較大的缺電，造成受端電網的較大負荷損失，同時也可以提升風電場的自身經濟效益。

3.1 目標函數

臺風條件下含儲能海上風電場協調運行的目標是計及受端電網運行安全需求，優化臺風來襲期間海上風電的輸出，使其運行成本和受端電網失負荷均最小化。其目標函數可以表示為：

式中：Cw、Cess、Cl分別為棄風成本系數、儲能充放電損耗成本系數和受端電網負荷損失成本系數；Pw，loss，t為t時刻海上風電場棄風功率；Pess，t為t時刻儲能輸出功率；Ploss，t為受端電網損失功率；T為總調度時間。

3.2 約束條件

1）有功功率平衡約束

式中：Pload，t為t時刻受端電網的負荷量；Pg，t為t時刻受端電網的傳統發電機輸出功率；Pw，t為t時刻海上風電的輸出功率。

2）受端電網的發電機輸出約束

式中：Pg，min和Pg，max分別為傳統發電機的最小輸出和最大輸出量；和分別為傳統發電機在t時刻的正、負備用容量。

3）傳統發電機爬坡率約束

式中：Rd，t和Ru，t分別為發電機在t時刻的上、下爬坡率；Pg，t和Pg，t-1分別為發電機在t時刻和t-1時刻的輸出功率；Δt為時間間隔。

4）發電機備用約束

發電機備用約束中包含備用容量約束和備用響應率約束，可表示為：

式中：和為系統所需的預留容量。

此外，備用響應率也取決于傳統發電機組的爬坡率。

5）棄風約束

式中：Pwind為一個風力發電機的額定容量；Psum，wind為總風能裝機容量；Nw，loss，t和Nsum，wind分別為在t時刻放棄風力渦輪機的數量和風力渦輪機的總數；Tn為海上風電場的截止風速。

6）負荷損失約束

式中：Dn，t為第n節點在t時刻所連接負載的額定容量。

3.3 模型求解方法

圖6所示為本文所提協調運行策略流程。

圖6 協調運行策略流程Fig.6 Overall framework of the proposed strategy

該策略的目標是在極端天氣引起的風電功率下降事件發生時，減少棄風量，使系統運行成本最小化。當存在臺風極端天氣時，利用氣象站資料建立臺風模型，并分析海上風電輸出特性，計算海上風電功率下降數據。在獲取風電下降數據后，通過確定棄風量和儲能充放電量，求得海上風電運行成本和對受端電網影響的最小值。

本文利用MATLAB優化工具箱yalmip，并調用Gurobi求解器，對上述優化模型進行求解。得到的結果代表了臺風來襲期間海上風電的有序棄風和儲能充放策略，為海上風電運營商提供有效的輸出參考。

4 算例分析

為了驗證所提方法的有效性，以含儲能系統的1 100 MW某海上風電場接入IEEE 24節點電力系統為例，其中，儲能系統容量為550 MW，IEEE 24節點電力系統包含24個節點和38條傳輸線路，系統總負荷為2 850 MW，發電機最大出力為3 450 MW，海上風電接入節點為19。棄風成本為132.3元/MWh，為了使受端電網負載損失的概率最小，負載損失成本設置為6 300 元/MWh。傳統發電機的爬坡率為6.6 MW/min，儲能系統的充放電成本為82.9元/MWh。

4.1 協調運行策略

圖7和圖8分別為通過所提模型得到的海上風電有序棄風和儲能充放電策略。其中，該海上風電場受臺風影響時間為30 min，持續時間為26 min。19 min時風機啟動退出，受端電網系統未發生明顯負荷損失。圖9所示為受端電網發電機組的輸出功率曲線。

圖7 海上風電有序棄風策略Fig.7 Orderly curtailment strategy for offshore wind power

圖8 海上風電場儲能系統的充放電功率曲線Fig.8 Charging and discharging power of offshore wind farm energy storage system

圖9 受端電網發電機組的輸出功率曲線Fig.9 Output diagram of the receiving grid generator set

由于風電機組計劃退出，在臺風來臨時，傳統發電機組會減少出力，海上風電場輸出猛增。當風機逐漸退出時，傳統發電機組增加輸出，以彌補風機退出引起的短期電力不足，此外，儲能系統實時彌補海上風電場棄風量與傳統發電機組增量之間的差額，維持受端電網有功實時平衡。

4.2 有效性分析

為了全面檢驗所提出策略的有效性，可考慮以下3種運行策略，圖10為3種策略下海上風電場的棄風策略比較。

圖10 3種海上風電運行策略的比較Fig.10 A comparison of three exit strategies for offshore wind power

1）策略1：當達到截止風速時，海上風機自然退出。

2）策略2：海上風機比自然退出提前30 min開始退出（每分鐘退出的風力渦輪機數量相同）。

3）策略3（本文所提策略）：綜合考慮棄風成本、儲能系統輸出成本和負荷損失成本，對風電機組有序棄風和儲能輸出進行優化，提前釋放發電機的調節能力。

表1所示為3種策略下風電機組的調度結果。策略1不能保證電力系統運行的安全穩定，因為在44～68 min內出現了較大的負荷損失。策略2可以避免負載損失，但具有較高的運行成本，這意味著如果海上風電機組不提前退出，系統將發生負荷損失，而沒有優化的風電機組退出，則難以保證受端電網的運行安全需求。策略3可以在保證受端電網運行安全穩定的前提下，提高海上風電場的經濟性。

表1 不同策略下的調度結果Table 1 Scheduling results under different policies

5 結論

本文提出了一種考慮電網運行安全需求的含儲能系統海上風電場協調運行策略。通過研究，可得出以下結論：

1）臺風造成的海上風電爬坡事件可能嚴重威脅受端電網的安全穩定運行。

2）提出的海上風電場協調運行策略能夠有效利用儲能系統的實時調節能力，避免短暫、嚴重的風電斜坡事件對受端電網供需平衡的影響。

3）該策略在保證受端電網安全穩定運行的同時，最大限度地降低了海上風電場的運行成本。