適應(yīng)新能源并網(wǎng)的自動(dòng)發(fā)電控制技術(shù)分析

朱莉 代薇

摘要：目前，我國是社會(huì)主義經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的新時(shí)期，隨著新能源應(yīng)用技術(shù)的提高，光伏和風(fēng)電等新能源的并網(wǎng)容量在逐年提高，對(duì)傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)造成了較大的沖擊，也為傳統(tǒng)電力系統(tǒng)和能源變革帶來了新的機(jī)遇。本文主要側(cè)重于分析新能源并網(wǎng)后，系統(tǒng)的自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)的具體控制方法和控制原理，并介紹了相關(guān)的應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：新能源并網(wǎng);自動(dòng)發(fā)電;控制技術(shù)

引言

電網(wǎng)頻率是衡量電能質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。當(dāng)頻率產(chǎn)生較大的波動(dòng)時(shí)不但會(huì)威脅電力系統(tǒng)的安全也會(huì)給發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行帶來挑戰(zhàn)。以往的頻率調(diào)節(jié)通常需要由人工調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)或者由特定的調(diào)頻電廠來維持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定。然而隨著互聯(lián)電力系統(tǒng)的發(fā)展，電力系統(tǒng)的規(guī)模也日漸擴(kuò)大，傳統(tǒng)的人工調(diào)頻方式己經(jīng)不能滿足現(xiàn)代電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的需求。所以，自動(dòng)發(fā)電控制（AutomaticGnenrationControl，AGC）成為了適應(yīng)電網(wǎng)發(fā)展的必要手段，對(duì)自動(dòng)發(fā)電控制技術(shù)的研究也日漸重要和迫切。自動(dòng)發(fā)電控制是一種閉環(huán)的反饋控制，它能夠根據(jù)負(fù)荷擾動(dòng)情況調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)組的輸出功率，使其能夠跟隨負(fù)荷擾動(dòng)的變化，從而穩(wěn)定電力系統(tǒng)頻率。自動(dòng)發(fā)電控制的主要作用可以分為三個(gè)方面：維持頻率偏差在允許的范圍內(nèi)（50士0.1Hz），維持電力系統(tǒng)各區(qū)域之間的聯(lián)絡(luò)線交換功率在計(jì)劃值，對(duì)負(fù)荷實(shí)現(xiàn)在線經(jīng)濟(jì)負(fù)荷分配。

1自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)的基本原理

從電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化開始，電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化的不但包括能量管理系統(tǒng)（EMS），配電管理系統(tǒng)（DMS）和電能量自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)、調(diào)度自動(dòng)化等內(nèi)容，而且還需要相關(guān)的市場(chǎng)技術(shù)支持系統(tǒng)的配合。自動(dòng)發(fā)電控制（AutomaticGenerationControl，AGC）是能量管理系統(tǒng)中的重要組成部分。自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)可以很大的提高系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性，無差調(diào)節(jié)，即當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷或機(jī)組輸出發(fā)生波動(dòng)后，系統(tǒng)的頻率偏離額定值，AGC給調(diào)頻機(jī)組下達(dá)指令，使系統(tǒng)再次達(dá)到頻率穩(wěn)態(tài)，頻率恢復(fù)額定值，偏差變化到零。AGC系統(tǒng)主要工作是電力系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)和負(fù)荷分配，以及與相鄰電力系統(tǒng)之間按規(guī)定進(jìn)行功率交換。電力系統(tǒng)的供電頻率是系統(tǒng)正常運(yùn)行的主要參數(shù)。區(qū)域內(nèi)發(fā)電機(jī)組的輸出功率與電力負(fù)荷的功率消耗相平衡時(shí)，供電頻率保持不變;若機(jī)組輸出功率與電網(wǎng)負(fù)荷不一致時(shí)，即失去供需平衡，頻率就會(huì)產(chǎn)生與額定值的偏差，不再保持恒定，偏離過大時(shí)會(huì)出現(xiàn)安全問題情況。電力系統(tǒng)的負(fù)荷是不可控制的，這種情況會(huì)引起系統(tǒng)負(fù)荷的供需不平衡，導(dǎo)致頻率偏差的出現(xiàn)。要確保電能的質(zhì)量，就必須對(duì)電力系統(tǒng)頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)節(jié)。當(dāng)頻率偏差過大的時(shí)候，改變調(diào)頻機(jī)組的輸出使供需達(dá)到新的平衡，從而使系統(tǒng)頻率保持在額定值附近。

2適應(yīng)新能源并網(wǎng)的自動(dòng)發(fā)電控制技術(shù)

2.1產(chǎn)生系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的原因

發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要的影響。電力系統(tǒng)的功率平衡是電力系統(tǒng)穩(wěn)定的，而系統(tǒng)要保證功率平衡，必須采用自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)。尤其是當(dāng)?shù)貐^(qū)電網(wǎng)中接入了新能源之后，自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)將發(fā)揮更加重要的作用。因?yàn)樾履茉吹陌l(fā)電出力是具有隨機(jī)性和波動(dòng)性，根據(jù)風(fēng)速或太陽光照強(qiáng)度的變化而實(shí)時(shí)變化，故需要采用自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)跟隨新能源發(fā)電機(jī)組出力的變化，這樣可以平衡電力系統(tǒng)中電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)之間的波動(dòng)。

2.2含新能源的AGC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

隨著能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和電網(wǎng)中新能源滲透率的提高，電力系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)也日益復(fù)雜。以往在研究含新能源的自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)時(shí)，通常是將新能源發(fā)電部分作為系統(tǒng)的擾動(dòng)，但作為擾動(dòng)的前提是新能源機(jī)組的裝機(jī)容量較小。然而在新能源發(fā)電迅速發(fā)展的今天，其裝機(jī)總?cè)萘考壕咭欢ㄒ?guī)模，應(yīng)對(duì)含有大規(guī)模新能源發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)進(jìn)行深入研究?？紤]到光伏發(fā)電機(jī)組的總裝機(jī)容量與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組相比一般較小，本文則只討論風(fēng)電機(jī)組的不同介入形式，研究了兩種風(fēng)電機(jī)組并入自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

2.3微網(wǎng)技術(shù)

通過發(fā)電機(jī)組和相應(yīng)電力電子設(shè)備能夠構(gòu)建出一個(gè)微電網(wǎng)，從而解決分布式電源大規(guī)模并網(wǎng)運(yùn)行的問題。對(duì)于風(fēng)電、太陽能光伏發(fā)電這種自身隨機(jī)性較大的新能源發(fā)電，提高含有新能源的微網(wǎng)控制能力是勢(shì)在必行的。這是新能源并網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。（1）微網(wǎng)中多個(gè)微電源之間的協(xié)調(diào)控制問題。在微網(wǎng)系統(tǒng)中，可能含有多個(gè)微電源，這些電源的外特性、時(shí)間常數(shù)和組成環(huán)節(jié)等各不相同，如何保持微電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)電壓的穩(wěn)定性與系統(tǒng)的平穩(wěn)性和可靠性，減小微電網(wǎng)對(duì)大電網(wǎng)的沖擊，都需要進(jìn)一步的探討和研究。（2）并網(wǎng)與獨(dú)立運(yùn)行兩種運(yùn)行狀態(tài)切換所造成的影響。在大電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，分布式電源必須立即退出運(yùn)行。微電網(wǎng)與分布式發(fā)電一個(gè)主要區(qū)別就是微電網(wǎng)既可與大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可以在大電網(wǎng)故障情況下切斷與大電網(wǎng)的聯(lián)接而獨(dú)立運(yùn)行。兩種運(yùn)行狀態(tài)的切換過程對(duì)大電網(wǎng)而言就是一種擾動(dòng)，對(duì)大電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行有一定的影響，必須改進(jìn)微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)與配置參數(shù)，改進(jìn)控制策略，消除對(duì)大電網(wǎng)的影響。高級(jí)能量管理與優(yōu)化運(yùn)行高級(jí)能量管理是微網(wǎng)的核心組成部分，能夠根據(jù)能源需求、市場(chǎng)信息和運(yùn)行約束等條件迅速做出決策，通過對(duì)分布式設(shè)備和負(fù)荷的靈活調(diào)度來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)化運(yùn)行。微網(wǎng)EMS與傳統(tǒng)EMS的關(guān)鍵區(qū)別在于：C1）微網(wǎng)內(nèi)集成熱負(fù)荷和電負(fù)荷，因此微網(wǎng)EMS需要熱電匹配;C2）能夠自由與電網(wǎng)進(jìn)行能量交換;C3）微網(wǎng)EMS能夠提供分級(jí)服務(wù)，特殊情況下可犧牲非關(guān)鍵負(fù)荷或延遲對(duì)其需求響應(yīng)，為關(guān)鍵負(fù)荷提供優(yōu)質(zhì)電力保障。

2.4控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的應(yīng)用

在實(shí)際應(yīng)用中，AGC的控制對(duì)象是電廠控制器，通過調(diào)度主站下發(fā)具體的自動(dòng)發(fā)電控制命令，電廠中的控制器接收到控制指令之后，就可以對(duì)發(fā)電機(jī)組的出力進(jìn)行調(diào)節(jié)。在調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)組有功功率的同時(shí)，也需要對(duì)發(fā)電機(jī)組的無功功率進(jìn)行同步調(diào)節(jié)，保證發(fā)電機(jī)組的安全并網(wǎng)運(yùn)行。電網(wǎng)調(diào)度員也需要掌握AGC系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)的變化情況，從而迅速、準(zhǔn)確地做出決策。若電網(wǎng)中只有常規(guī)機(jī)組并網(wǎng)，由于常規(guī)火電、水電等機(jī)組的出力較為穩(wěn)定，AGC控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)壓力較小，但為應(yīng)對(duì)負(fù)荷的波動(dòng)，一次調(diào)頻依然較為頻繁，自動(dòng)發(fā)電控制技術(shù)是保證電力系統(tǒng)中電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)功率平衡不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)保證電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行具有重要作用。

結(jié)語

對(duì)于含有風(fēng)電等新能源的AGC系統(tǒng)來說，原有的AGC模型己經(jīng)不能滿足原有的控制要求了。由于互聯(lián)區(qū)域的增多，系統(tǒng)模型的復(fù)雜度增加，系統(tǒng)禍合性的增加，新能源并網(wǎng)所帶來的功率波動(dòng)和區(qū)域內(nèi)的負(fù)荷擾動(dòng)等因素，將引起整個(gè)電網(wǎng)的頻率波動(dòng)。對(duì)于風(fēng)電作為負(fù)荷擾動(dòng)加入到火電機(jī)組區(qū)域的自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率的波動(dòng)將全部由該區(qū)域內(nèi)的火電機(jī)組進(jìn)行協(xié)調(diào)，這就需要區(qū)域內(nèi)的火電機(jī)組能夠快速響應(yīng)負(fù)荷變化，由于火電機(jī)組自身的負(fù)荷變化的物理限制特性，導(dǎo)致并網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量不能太大，否則火電機(jī)組將跟不上區(qū)域負(fù)荷的變化，這就是一種風(fēng)電并網(wǎng)模式的缺點(diǎn)。另一方面，為了保證區(qū)域發(fā)電負(fù)荷恒定，區(qū)域內(nèi)的火力發(fā)電機(jī)組持續(xù)性的變動(dòng)輸出負(fù)荷，既不利于能源的高效利用，又不利于機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。所以改進(jìn)新能源并網(wǎng)的方式是很有必要的。

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