山西風(fēng)電場與光伏電站集群控制系統(tǒng)研究與開發(fā)*

李潞洋

(山西省自動(dòng)化研究所，山西 太原 030012)

0 前言

日前山西省風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電已累計(jì)達(dá)538億kWh[1]。以風(fēng)電和光伏為代表的新能源正逐步成為我國重要的能源資源，在滿足能源需求、改善能源結(jié)構(gòu)、減少環(huán)境污染、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展等方面發(fā)揮著重要作用。

新能源大規(guī)模集中并網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)新能源大規(guī)模開發(fā)利用的重要途徑。由于風(fēng)能和太陽能等新能源具有出力不穩(wěn)定、低能量密度的特點(diǎn),因此在開發(fā)利用新能源時(shí),必須考慮其整體波動(dòng)性對(duì)系統(tǒng)的影響[2]。盡管新能源的大規(guī)模發(fā)展是大勢所趨，但風(fēng)電和光伏等間歇性新能源規(guī)模化發(fā)展面臨三大技術(shù)難題：一是具有隨機(jī)性、波動(dòng)性和間歇性，發(fā)電特性有待改善；二是難以有效預(yù)測、調(diào)度和控制，源網(wǎng)協(xié)調(diào)性能有待提高；三是資源的地域特征明顯，與需求呈逆向分布，資源有效配置問題有待解決。這三大難題成為了制約我國新能源發(fā)展的瓶頸，如果不能得到有效解決，會(huì)嚴(yán)重影響我國新能源發(fā)展目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于大規(guī)模新能源接入的地區(qū),在風(fēng)電場之間、光伏電站之間存在發(fā)電量的相關(guān)性,同時(shí)風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電之間也存在一定的相關(guān)性[3]。項(xiàng)目通過深入研究大規(guī)模新能源集群控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)、大型風(fēng)電場智能化運(yùn)行維護(hù)系統(tǒng)研究及示范、分布式發(fā)電及微電網(wǎng)控制關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)我省大規(guī)模風(fēng)電場、光伏電站集群控制和并網(wǎng)技術(shù)的突破，建成我省大型風(fēng)電基地、大型光伏發(fā)電基地的集群控制平臺(tái)示范工程和微電網(wǎng)示范工程，解決了我省大規(guī)模新能源發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)難題，帶動(dòng)智能電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1 各級(jí)主體控制有功協(xié)調(diào)分配策略

根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行方式特點(diǎn)以及風(fēng)(光)場站特性，實(shí)現(xiàn)風(fēng)(光)場站有功功率控制的多模式化，風(fēng)(光)各種控制模式可以根據(jù)電網(wǎng)實(shí)際需求人工在線進(jìn)行切換。具體模式包括：

1) 跟蹤斷面控制模式：根據(jù)風(fēng)(光)電斷面功率實(shí)時(shí)值和控制值的偏差，自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)(光)電，在防止斷面功率越限的前提下，最大程度利用風(fēng)(光)電。

2) 跟蹤計(jì)劃控制模式：通過主站自動(dòng)下發(fā)指令，使新能源電場跟蹤發(fā)電計(jì)劃曲線運(yùn)行。

3) 人工控制模式：按照人工指令進(jìn)行定功率控制，指令是指調(diào)控人員根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)際情況人為設(shè)定的指令，一般可維持較長時(shí)間不變。

全面考慮在電網(wǎng)電壓無功優(yōu)化中參與的各種設(shè)備及其控制特性，包括常規(guī)水火電廠的連續(xù)可調(diào)機(jī)組無功出力、離散控制的變電站電容電抗器和變壓器抽頭以及具有小容量、間歇性特點(diǎn)的風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電出力，分析研究了以連續(xù)可調(diào)的常規(guī)機(jī)組來平抑和控制負(fù)荷電壓波動(dòng)，以離散控制的電容電抗器和變壓器抽頭來應(yīng)對(duì)負(fù)荷的峰谷變化趨勢，而新能源發(fā)電則是充分發(fā)揮其可調(diào)節(jié)能力并通過調(diào)節(jié)其動(dòng)態(tài)無功儲(chǔ)備及利用常規(guī)機(jī)組無功來消除間歇性沖擊的控制分配策略。

2 區(qū)域電壓優(yōu)化控制模型

通過研究風(fēng)電、光伏等新能源場站的運(yùn)行特性和控制方式，我們?cè)O(shè)計(jì)并建立了適應(yīng)風(fēng)電、光伏場站分散性、間歇性等特征的控制模型；建立起全網(wǎng)無功電壓優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，控制變量包括了常規(guī)水火電廠無功出力、變電站電容電抗器等離散設(shè)備，并納入風(fēng)電、光伏場站的電壓、無功等作為控制約束變量，在優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)中，包括電壓合格、無功潮流優(yōu)化、減少控制調(diào)節(jié)量和考慮系統(tǒng)控制安全等優(yōu)化目標(biāo)。

3 面向集群系統(tǒng)的緊急控制及安全校正控制策略

面向集群系統(tǒng)的有功緊急控制及安全校正控制策略主要包括集群系統(tǒng)(斷面)的分區(qū)控制和分層次嵌套控制。

分區(qū)控制：斷面既可以是電網(wǎng)實(shí)際斷面，也可以是調(diào)度定義的虛擬斷面(如全網(wǎng)風(fēng)電總出力、各風(fēng)區(qū)總出力、全網(wǎng)光伏總出力、各光區(qū)總出力)。電場功率控制功能模塊自動(dòng)將斷面控制偏差按照給定的電場功率分配策略分配給各個(gè)參與調(diào)整的電場，將參與斷面控制分配得到的分配量對(duì)參與調(diào)整電場原計(jì)劃進(jìn)行修正得到控制目標(biāo)后，再將其發(fā)送至各個(gè)電場。

1) 正常區(qū)，將斷面調(diào)節(jié)量分配給斷面下的新能源電場機(jī)組。

2) 緊急區(qū)，將斷面下的新能源電場目標(biāo)值限制在當(dāng)前出力，防止斷面越限。

3) 越限區(qū)，將斷面越限需要下調(diào)的調(diào)節(jié)量分配給斷面下的新能源機(jī)組。

分層次嵌套控制：一個(gè)新能源電場可同時(shí)對(duì)多個(gè)斷面進(jìn)行有功控制，同時(shí)滿足多個(gè)斷面的安全約束。當(dāng)?shù)讓訑嗝媸芟?，而全網(wǎng)對(duì)風(fēng)(光)電還有接納空間時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將該斷面受限出力轉(zhuǎn)移給全網(wǎng)其它有送出空間的斷面，避免不必要的棄風(fēng)(光)，同時(shí)保證各層斷面都在安全限值內(nèi)運(yùn)行。系統(tǒng)在一個(gè)控制周期內(nèi)，會(huì)對(duì)各風(fēng)(光)場的指令進(jìn)行多次計(jì)算，保證新能源電場最終的指令值既能滿足所有相關(guān)斷面的安全約束，又能避免新能源電場不必要的棄風(fēng)(光)，提升全網(wǎng)對(duì)風(fēng)(光)電的接納能力。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)集群系統(tǒng)無功的緊急控制及安全校正控制，充分考慮緊急運(yùn)行狀態(tài)的特點(diǎn)，對(duì)緊急狀態(tài)下可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)跳變和估計(jì)結(jié)果不收斂采用靈敏度方法，并用以電壓校正為目標(biāo)的替代目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行控制；為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功儲(chǔ)備最大化，在優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)中加入提高風(fēng)電、光伏發(fā)電率和接納能力、改善其動(dòng)態(tài)無功儲(chǔ)備和提高控制穩(wěn)定性的目標(biāo)，并通過研究采用適合大規(guī)模非線性多時(shí)段混合整數(shù)優(yōu)化問題的分解協(xié)調(diào)計(jì)算方法來得到控制策略。

4 集群控制系統(tǒng)有功協(xié)調(diào)控制、無功電壓控制軟件開發(fā)

集群控制系統(tǒng)有功協(xié)調(diào)控制軟件包括監(jiān)視控制、統(tǒng)計(jì)考核和數(shù)據(jù)接口三大類功能模塊。其中監(jiān)視控制類模塊包含數(shù)據(jù)采集、協(xié)調(diào)控制、斷面控制、功率分配和人機(jī)操作等模塊；統(tǒng)計(jì)考核類模塊包含機(jī)組考核、歷史查詢、操作記錄等模塊；數(shù)據(jù)接口類模塊包含常規(guī)AGC、風(fēng)電預(yù)測、負(fù)荷預(yù)測、發(fā)電計(jì)劃等模塊。

無功電壓控制軟件開發(fā)包括了無功電壓控制核心算法和系統(tǒng)運(yùn)行驅(qū)動(dòng)程序，核心算法部分開發(fā)包括了以區(qū)域電壓優(yōu)化控制模型為基礎(chǔ)的優(yōu)化求解算法，算法采用的是非線性多時(shí)段混合整數(shù)優(yōu)化計(jì)算方法，計(jì)算數(shù)據(jù)讀取接口則包括了全網(wǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)、控制設(shè)備運(yùn)行和控制采集數(shù)據(jù)、計(jì)算限值和預(yù)測數(shù)據(jù)等；而系統(tǒng)運(yùn)行驅(qū)動(dòng)程序則包括了應(yīng)用注冊(cè)和運(yùn)行驅(qū)動(dòng)、電網(wǎng)運(yùn)行控制數(shù)據(jù)采集、算法計(jì)算數(shù)據(jù)輸出和計(jì)算結(jié)果輸入、控制命令下發(fā)和驗(yàn)證、歷史記錄和統(tǒng)計(jì)等模塊。

5 系統(tǒng)控制效果

某風(fēng)電場站集群的功率如圖1，圖2所示，直線表示調(diào)度給定的限值，曲線表示風(fēng)電場集群的實(shí)際功率。

圖1 未采用集群控制系統(tǒng)前功率實(shí)時(shí)曲線

圖2 采用集群控制系統(tǒng)后功率實(shí)時(shí)曲線

未采用集群控制系統(tǒng)前，依靠人工調(diào)度，新能源集群的功率無法得到充分利用(接近上圖中的直線所表示的限值)且波動(dòng)較大。

采用集群控制系統(tǒng)后，依靠自動(dòng)控制，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)集群各場站的功率，使集群的功率得到充分利用且運(yùn)行平穩(wěn)。

[1] 山西新能源發(fā)電已突破500億kWh[J].能源與環(huán)境,2017(6):111.

[2] 王光輝.風(fēng)電光伏聯(lián)合系統(tǒng)光伏發(fā)電規(guī)劃方法[J].黑龍江科技信息,2017(4):134-136.

[3] 李軒,張家安,吳林林,等.可再生能源匯集地區(qū)風(fēng)電與光伏發(fā)電的綜合容量可信度評(píng)估[J].太陽能學(xué)報(bào),2017,38(3):707-714.