西藏電網(wǎng)考慮光伏接入的有功控制系統(tǒng)設(shè)計

姚格平，徐瑞，董衛(wèi)國，徐帆

（1. 國網(wǎng)西藏電力有限公司，西藏自治區(qū)拉薩 850000；2. 國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 210061）

西藏作為世界上太陽能資源最豐富的地區(qū)之一，近年來加大了對太陽能光伏資源的開發(fā)力度，羊八井、日喀則和阿里等光伏電站的陸續(xù)并網(wǎng)發(fā)電，一定程度上緩解了地區(qū)能源供需中的突出問題。

隨著光伏和地?zé)岚l(fā)電等清潔能源發(fā)電規(guī)?；⒕W(wǎng)，光伏出力的間歇性、波動性和日內(nèi)“正調(diào)峰”特性，對原有的電網(wǎng)調(diào)度運行方式將產(chǎn)生較大的影響[1-2]，加之西藏地區(qū)負(fù)荷以生活用電負(fù)荷為主，電網(wǎng)調(diào)頻和調(diào)峰需求將更加迫切，因此，有必要開展適應(yīng)西藏電網(wǎng)光伏接入的調(diào)度優(yōu)化方法和有功控制技術(shù)研究，進(jìn)而建立考慮光伏的電網(wǎng)有功控制系統(tǒng)，在滿足電網(wǎng)運行控制需求下實現(xiàn)清潔能源的有效消納。

目前，光伏并網(wǎng)后運行控制相關(guān)技術(shù)的研究已經(jīng)開展并取得了成果。文獻(xiàn)[3]提出了大型光伏電站低碳調(diào)度方法，具有最大功率點跟蹤、無功及諧波電流補(bǔ)償和有功控制相結(jié)合的逆變器的多模式控制策略。文獻(xiàn)[4]提出了一種光伏發(fā)電系統(tǒng)與可投切負(fù)荷協(xié)調(diào)控制策略，使用基于二次插值算法的功率控制策略，使總體輸出具有與傳統(tǒng)儲能設(shè)備類似的外特性，實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)凈出力的靈活控制。文獻(xiàn)[5]提出了一種高可再生能源滲透率下考慮預(yù)測誤差的微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，由日前計劃和實時調(diào)度兩層構(gòu)成，實時調(diào)度層根據(jù)預(yù)測誤差進(jìn)修正計劃進(jìn)行電壓和潮流優(yōu)化。文獻(xiàn)[6]風(fēng)光儲聯(lián)合發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)利用儲能系統(tǒng)改善風(fēng)電和光伏出力的平滑性，通過風(fēng)電、光伏和儲能之間協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)多源優(yōu)化互補(bǔ)。上述研究在光伏電站調(diào)度控制策略、系統(tǒng)設(shè)計上有所突破，尚缺少對光伏接入后電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度方法，以及常規(guī)能源與光伏資源協(xié)調(diào)控制相關(guān)內(nèi)容的研究。

在光伏等間歇性電源滲透率不斷增加的背景下，本文結(jié)合西藏電網(wǎng)電源、負(fù)荷特點，闡述考慮光伏接入的有功控制系統(tǒng)架構(gòu)和功能設(shè)計，并提出適應(yīng)光伏接入的調(diào)度計劃模型和多源協(xié)調(diào)控制方法。

1 系統(tǒng)體系架構(gòu)

考慮光伏接入的有功控制系統(tǒng)，建立在智能電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺（D5000）之上，實現(xiàn)光伏與常規(guī)能源運行控制各項應(yīng)用功能。有功控制系統(tǒng)集成了數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視、負(fù)荷和功率預(yù)測、多周期調(diào)度計劃編制和自動發(fā)電控制等各項功能，如圖1所示。

圖1 有功控制系統(tǒng)各功能模塊關(guān)系框圖Fig. 1 Relationship among the function blocks of the active power control system

實時監(jiān)視與預(yù)警類應(yīng)用，由網(wǎng)絡(luò)分析、電網(wǎng)實時監(jiān)控和自動發(fā)電控制組成。完成對省網(wǎng)內(nèi)電源、負(fù)荷、廠站和線路數(shù)據(jù)采集監(jiān)視、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ徒⒑瓦\行統(tǒng)計分析，以及常規(guī)能源和光伏的有功控制決策和閉環(huán)控制功能。光伏AGC和常規(guī)AGC構(gòu)成了自動發(fā)電控制應(yīng)用的功能模塊，光伏AGC支持主站對光伏廠站的功率控制，也支持與常規(guī)AGC協(xié)同參與全網(wǎng)調(diào)頻調(diào)峰控制功能。

調(diào)度計劃類應(yīng)用包括預(yù)測和發(fā)電計劃兩個部分。預(yù)測部分在系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測和母線負(fù)荷預(yù)測基礎(chǔ)上，增加光伏功率預(yù)測，為發(fā)電計劃編制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。發(fā)電計劃部分根據(jù)預(yù)測數(shù)據(jù)、聯(lián)絡(luò)線受電計劃和檢修計劃制定未來1 d的日前發(fā)電計劃，并實時獲取超短期負(fù)荷和光伏功率預(yù)測和電網(wǎng)實時工況，用于制定實時滾動計劃。日前計劃和實時發(fā)電計劃提供給自動發(fā)電控制功能模塊，作為有功控制的決策依據(jù)。

安全校核類應(yīng)用，由潮流分析、靈敏度分析和靜態(tài)安全分析子功能模塊構(gòu)成。該應(yīng)用對日前和實時發(fā)電計劃進(jìn)行安全斷面潮流分析，為計劃修正和優(yōu)化提供支持，同時在輸電斷面重載或越限發(fā)生時，為預(yù)防重載或解除越限提供控制決策依據(jù)。

2 光伏有功控制功能設(shè)計

西藏電網(wǎng)電源構(gòu)成中水電和抽蓄機(jī)組占據(jù)較大比重，這部分機(jī)組具有啟閉靈活、并網(wǎng)時間快的特點，適用于承擔(dān)調(diào)頻調(diào)峰任務(wù)。光伏具有晝夜日規(guī)律特征，可充分發(fā)揮水庫日調(diào)節(jié)特性與光伏電站互補(bǔ)運行，而針對調(diào)節(jié)性能好的水庫除日調(diào)節(jié)外，還可在更長的尺度范圍考慮季節(jié)性補(bǔ)償，與火電等其他電源實現(xiàn)互濟(jì)運行。多源互濟(jì)協(xié)調(diào)控制，在電網(wǎng)實時控制時間尺度范圍內(nèi)，將光伏有功控制納入電網(wǎng)有功控制體系，作為電網(wǎng)輔助調(diào)節(jié)控制手段，輔助參與電網(wǎng)調(diào)頻、調(diào)峰控制。

2.1 有功控制架構(gòu)

光伏有功控制由電網(wǎng)側(cè)調(diào)度控制主站和光伏控制子站兩層控制架構(gòu)構(gòu)成。電網(wǎng)側(cè)調(diào)度控制主站配置在省級電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)，下發(fā)有功控制遙調(diào)指令到光伏電站，光伏電站側(cè)通過廠站側(cè)監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對每臺光伏組件的底層控制。光伏控制子站上送包括全站實時出力、當(dāng)前調(diào)節(jié)上下限、遠(yuǎn)方控制投退信號等信息到調(diào)度主站，如圖2所示。

圖2 有功控制系統(tǒng)框架圖Fig. 2 Framework of the PV active power control system

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對并網(wǎng)光伏電站的有功功率控制進(jìn)行了規(guī)定，要求配置有功功率控制系統(tǒng)，具備功率連續(xù)平滑調(diào)節(jié)和緊急功率控制功能[7-10]。具備功率控制功能的光伏電站支持本地和遠(yuǎn)方控制兩種方式，通過逆變器啟停調(diào)節(jié)并網(wǎng)功率。光伏電站有功控制指令經(jīng)有效性校驗和安全性校驗，通過逆變器啟停策略優(yōu)化，避免單臺逆變器頻繁動作，最終輸出站內(nèi)逆變器的啟?？刂浦噶睿M(jìn)而實現(xiàn)對調(diào)度主站有功控制指令的閉環(huán)跟蹤。

2.2 計及光伏的調(diào)度計劃編制

多時間尺度光伏功率預(yù)測可以對光伏未來出力逐級細(xì)化，并在一定程度上可以反映其未來波動趨勢，因此在發(fā)電計劃編制過程中引入光伏功率預(yù)測，建立光伏優(yōu)先消納的多元電源優(yōu)化模型，在多時間尺度范圍內(nèi)實現(xiàn)光伏的合理有效消納[11-12]。

2.2.1 光伏有功控制數(shù)據(jù)流程

光伏有功控制軟件數(shù)據(jù)流程，是由日前發(fā)電計劃、實時滾動計劃和自動發(fā)電控制構(gòu)成多時間尺度有功閉環(huán)控制體系，如圖3所示。

圖3 光伏有功控制數(shù)據(jù)流程Fig. 3 Flow of the PV active power control

調(diào)度計劃功能模塊獲取短期光伏功率預(yù)測和負(fù)荷預(yù)測，結(jié)合交換計劃和檢修計劃等數(shù)據(jù)，制定光伏電站和常規(guī)機(jī)組的日前發(fā)電計劃和日內(nèi)發(fā)電計劃。實時滾動計劃基于超短期光伏功率預(yù)測、負(fù)荷預(yù)測數(shù)據(jù)和電網(wǎng)運行工況，對日內(nèi)發(fā)電計劃修正得到實時滾動計劃，并提供給新能源控制和自動發(fā)電控制（AGC，Automatic Generation Control）模塊。新能源控制和AGC基于電網(wǎng)有功“平衡控制”和“安全控制”需求，形成有功控制指令，分別下發(fā)給可控光伏電站和AGC機(jī)組。不可控光伏電站和非AGC機(jī)組則以跟蹤實時滾動計劃的方式參與不平衡量超前控制。

2.2.2 計及光伏的調(diào)度優(yōu)化模型

受光伏功率預(yù)測精度的限制，直接使用預(yù)測結(jié)果無法有效跟蹤系統(tǒng)等效負(fù)荷（考慮光伏波動）功率波動。因此，在機(jī)組組合優(yōu)化和計劃編制中，考慮預(yù)測偏差因素影響，形成了計及預(yù)測不確定性的備用約束條件，建立起光伏發(fā)電優(yōu)先接納的多元電源發(fā)電計劃模型，從而對新能源與常規(guī)能源共同優(yōu)化，據(jù)此制定日前、日內(nèi)、實時遞進(jìn)和滾動計劃。

為保證光伏發(fā)電優(yōu)先接納，引入光伏降出力懲罰因子，如圖4所示，隨著光伏出力削減量的增加，懲罰因子也會增加。

圖4 光伏降出力分段懲罰因子Fig. 4 The piecewise penalty factor of solar curtailment

目標(biāo)函數(shù)為調(diào)度周期內(nèi)系統(tǒng)總成本（煤耗）最低，由于光伏發(fā)電成本為零，僅在發(fā)生光伏降出力時考慮虛擬懲罰成本，因此系統(tǒng)實際成本為常規(guī)火電機(jī)組發(fā)電成本，優(yōu)化目標(biāo)為：

式中，T為系統(tǒng)調(diào)度周期所含時段數(shù)；N為系統(tǒng)中參與調(diào)度的常規(guī)火電機(jī)組數(shù)；Ci，t為常規(guī)發(fā)電機(jī)組i在t時段的發(fā)電成本；W為系統(tǒng)中光伏機(jī)組數(shù)；δw，t為光伏機(jī)組w在t時段的降出力懲罰成本。

引入光伏降出力分段懲罰因子后，降出力成本可表示為：

式中，S為分段懲罰函數(shù)總段數(shù)；λw，s為光伏機(jī)組w在其分段函數(shù)第s段的懲罰因子，該因子一般較大，以達(dá)到抑制光伏降出力的效果；Δpw，s，t為光伏機(jī)組w在t時段在分段函數(shù)第s段上的變化量，為非負(fù)值。

光伏機(jī)組功率下降值采用分段累加表達(dá)：

式中，pdropw，t為光伏機(jī)組w在t時段的降出力值；PΔw，s，t為分段函數(shù)中各分段區(qū)間的終點功率。

由此可知，光伏機(jī)組出力為：式中，pw，t為光伏機(jī)組w在t時段的出力；為光伏機(jī)組w在t時段的預(yù)測出力。

光伏機(jī)組并網(wǎng)后，系統(tǒng)負(fù)荷平衡約束為：

式中，pi，t為常規(guī)火電機(jī)組i在t時段的出力；PLt為t時段的系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測值。

調(diào)度計劃模型中的其他約束如火電機(jī)組出力上下限約束、機(jī)組爬坡/滑坡率約束、支路及輸電斷面極限約束等，多篇文獻(xiàn)均有詳細(xì)闡述[13-14]，此處不在贅述。其中，考慮大規(guī)模光伏等新能源預(yù)測不確定性的系統(tǒng)備用容量設(shè)置，采用文獻(xiàn)[15]中的方法。

2.3 適應(yīng)光伏接入的多源協(xié)調(diào)控制策略

西藏電網(wǎng)水電資源較為豐富，水電的優(yōu)良調(diào)節(jié)特性為光伏資源消納提供了有利條件。未來隨著光伏滲透率的增加，光伏出力波動和峰谷效應(yīng)愈加凸顯，多源互補(bǔ)協(xié)調(diào)控制需求將更加迫切。多源協(xié)調(diào)控制策略屬于電網(wǎng)實時控制環(huán)節(jié)，在該時間尺度范圍內(nèi)優(yōu)化協(xié)調(diào)光伏與常規(guī)能源機(jī)組出力，以實現(xiàn)電網(wǎng)平衡控制與光伏最大化利用兩者的兼顧[16-17]。

2.3.1 光伏電站有功控制模式

光伏輔助參與電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻控制，采用與常規(guī)能源機(jī)組相類似的有功控制模式。光伏電站有功控制模式由基點功率模式和調(diào)節(jié)功率模式組成，結(jié)合光伏資源特性，基點功率模式，在自動控制模式（AUTO）、計劃跟蹤模式（SCHE）、人工設(shè)點模式（BASE）的基礎(chǔ)上[15]，增加最大功率模式（MPPT）。MPPT基點功率取最大出力，保證光伏電站自由發(fā)電保證最大功率輸出。調(diào)節(jié)功率模式根據(jù)區(qū)域控制偏差（ACE，Area Control Error）所處控制區(qū)設(shè)置為：不調(diào)節(jié)（O）、調(diào)節(jié)（R）、輔助（A）、緊急（E）[18]。

在光伏電站控制模式配置中，采用以下幾種控制模式，如表1所示。

表1 光伏電站有功控制模式Tab. 1 PV station’s active power control mode

在光伏滲透率較小的電網(wǎng)，光伏電站以MPPTO為主。計及光伏的發(fā)電計劃，在日前和實時發(fā)電計劃中考慮了電網(wǎng)平衡約束，隨著地區(qū)電網(wǎng)光伏滲透率的增加，建議采用SCHEO/SCHEE和AUTOE兩種模式應(yīng)對電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻難題，可保證光伏的并網(wǎng)電量，并在必要時參與電網(wǎng)有功調(diào)節(jié)。

2.3.2 計及光伏的多源協(xié)調(diào)控制策略

光伏電站控制模式的配置方案，體現(xiàn)了光伏在電網(wǎng)擾動調(diào)節(jié)中的介入時機(jī)，因此光伏與常規(guī)能源在ACE控制區(qū)的動作區(qū)間分布如圖5所示。

圖5 常規(guī)能源與光伏的ACE動作區(qū)間Fig. 5 ACE Regulation Zone of Traditional Source and PV

AUTOE、SCHEE、MPPTE模式的光伏電站，僅在ACE處于緊急區(qū)時，與網(wǎng)內(nèi)常規(guī)能源參與區(qū)域總調(diào)節(jié)功率（ARR，Area Required Regulation）的分配。

式中，PARR為區(qū)域總調(diào)節(jié)功率；PPV，Group為光伏承擔(dān)的調(diào)節(jié)功率；PTS，Group為常規(guī)能源承擔(dān)的調(diào)節(jié)功率。

常規(guī)AGC一般采用比例分擔(dān)和優(yōu)先級排序兩種分配策略，將調(diào)節(jié)功率需求在機(jī)組之間進(jìn)行分配?？紤]光伏后，單一的比例分擔(dān)策略顯然無法適應(yīng)；優(yōu)先級排序控制策略可以實現(xiàn)電網(wǎng)存在加出力調(diào)整需求時優(yōu)先調(diào)整光伏，存在減出力調(diào)整需求時優(yōu)先調(diào)整常規(guī)機(jī)組，但光伏增出力的不確定性可能會對區(qū)域整體控制效果造成不利影響。

綜合分析比例分擔(dān)和優(yōu)先級排序兩種策略的優(yōu)缺點，形成光伏與常規(guī)電源分組控制的方法：

1）需要增加出力時，若光伏控制組具有上調(diào)空間，則優(yōu)先享有調(diào)節(jié)權(quán)，但考慮光伏出力的不確定性，只能部分優(yōu)先，也就是優(yōu)先將總調(diào)節(jié)功率的一部分（可指定比例因子α，不大于1.0）分配給光伏控制組，剩余部分則分配給常規(guī)電源組；

當(dāng)PARR>0，|ACE|>PE時，

式中，α為光伏承擔(dān)比例因子；Pmax，i為光伏電站或機(jī)組可調(diào)出力上限；Pgen，i為光伏電站或機(jī)組實際出力。

若PARR－PPV，Group>0，

2）需要減少出力時，常規(guī)能源組優(yōu)先減少出力，常規(guī)能源調(diào)節(jié)容量不足部分，再由光伏控制組進(jìn)行調(diào)整。

當(dāng)PARR<0，|ACE|>PE時，

式中，Pmin，i為光伏電站或機(jī)組可調(diào)出力下限。若PARR－PTS，Group<0，）

3 應(yīng)用效果分析

西藏中部電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)主要由常規(guī)水電、抽水蓄能電站、燃油火電機(jī)組、地?zé)犭娬尽⒐夥娬竞推渌娫礃?gòu)成，其中常規(guī)水電機(jī)組裝機(jī)容量269.14 MW，占全網(wǎng)總裝機(jī)容量的38.92%；抽水蓄能機(jī)組裝機(jī)容量90 MW，占13.01%；光伏并網(wǎng)裝機(jī)容量105 MW，占15.18%。研究成果已應(yīng)用于西藏電網(wǎng)，運行狀況良好，圖6、圖7為西藏地區(qū)電網(wǎng)某天負(fù)荷、光伏出力曲線和頻率曲線，圖中看出電網(wǎng)負(fù)荷較為平穩(wěn)，考慮西藏電網(wǎng)與外網(wǎng)直流互聯(lián)，頻率波動僅與本區(qū)有功平衡有關(guān)，頻率波動較大時段集中在光伏出力大發(fā)時段。圖8取相鄰兩天12:00～14:00頻率曲線，對比多源協(xié)調(diào)控制策略投入前后系統(tǒng)頻率情況，可看出多源協(xié)調(diào)控制策略投入后光伏可控并參與ACE調(diào)節(jié)，可優(yōu)化系統(tǒng)調(diào)頻性能。

圖6 西藏電網(wǎng)全網(wǎng)負(fù)荷和光伏出力日曲線Fig. 6 Load and PV output of the Tibet grid in 24 hours

圖9為某光伏電站投入有功控制模式后有功控制指令與其實際出力跟蹤效果，該光伏電站于11時投入AUTOE模式，能有效跟蹤主站下發(fā)的有功調(diào)節(jié)指令，在12:00～13:00限出力時段受日照增強(qiáng)因素影響，降出力調(diào)節(jié)速率較小，指令跟蹤實測平均調(diào)節(jié)速率為0.6 MW/min，約2%裝機(jī)容量/min，調(diào)節(jié)精度90%左右。

圖7 西藏電網(wǎng)頻率日曲線Fig. 7 Frequency of the Tibet grid in 24 hours

圖8 多源協(xié)調(diào)控制策略投入前后系統(tǒng)頻率對比Fig. 8 Comparison of frequency regulating effect before and after the multi-source coordinated control is put into operation

圖9 光伏電站有功控制指令跟蹤效果Fig. 9 PV station active power tracking performance

4 結(jié)語

光伏等間歇性電源消納是一項復(fù)雜課題。本文從考慮光伏接入有功控制系統(tǒng)設(shè)計、計及光伏的調(diào)度計劃編制和多源協(xié)調(diào)控制策略的角度，為西藏電網(wǎng)光伏資源的合理有效消納提供了較為可行的解決方案。

工程實踐中光伏功率控制手段較為單一，隨著光伏功率控制技術(shù)的深入發(fā)展，光伏有功和無功調(diào)節(jié)性能仍有待挖掘，部分地區(qū)間歇性電源滲透率的增加，有待進(jìn)一步開展光伏發(fā)電和常規(guī)電源的在線優(yōu)化調(diào)度控制、計及運行控制風(fēng)險評估的量化分析等相關(guān)技術(shù)的研究。

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