大規(guī)模間歇性新能源并網(wǎng)控制技術(shù)研究

內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司鄂爾多斯電業(yè)局 胡 軍

近年隨著國(guó)內(nèi)光伏電站以及風(fēng)力電站的快速發(fā)展，全國(guó)范圍內(nèi)的風(fēng)電并網(wǎng)容量飛速增長(zhǎng)，成為水電和火電后的第三發(fā)電源。但同樣也面臨著各種各樣的問(wèn)題，如新能源和負(fù)荷呈現(xiàn)出逆向分布特征，“十二五”期間在黑龍江、江蘇、甘肅、蒙西、新疆、山東、吉林、蒙東、河北等地建設(shè)九大風(fēng)電基地，除江蘇和山東省之外，剩余的七個(gè)基地為三北區(qū)域，電網(wǎng)存在較為嚴(yán)重的棄光和棄風(fēng)現(xiàn)象。結(jié)合相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析，全國(guó)棄風(fēng)限電所形成的電量損失達(dá)到16231GWh。為此需要結(jié)合當(dāng)下新能源發(fā)展現(xiàn)狀，積極研究有效的新能源并網(wǎng)控制技術(shù)，有效改善上述問(wèn)題[1]。

1 大規(guī)模間歇性新能源并網(wǎng)運(yùn)行協(xié)調(diào)控制

1.1 光伏電站和風(fēng)電場(chǎng)集群有功控制

大規(guī)模新能源在并網(wǎng)過(guò)程中容易出現(xiàn)各種問(wèn)題，從而對(duì)新能源的利用發(fā)展形成一定限制。針對(duì)大規(guī)模新能源的并網(wǎng)控制技術(shù)能幫助有效改善電網(wǎng)消納和新能源發(fā)電之間的矛盾。針對(duì)光伏電站以及風(fēng)電場(chǎng)的集群有功控制主要是以電網(wǎng)安全約束為基礎(chǔ)，針對(duì)光伏電站群和風(fēng)電場(chǎng)實(shí)施有效控制，發(fā)揮電網(wǎng)對(duì)于光伏和風(fēng)電的接納能力，促進(jìn)集群運(yùn)行經(jīng)濟(jì)化發(fā)展，徹底改善光伏、風(fēng)電分散控制所造成的協(xié)調(diào)困難和資源浪費(fèi)問(wèn)題，進(jìn)一步提升光伏和風(fēng)電利用率。當(dāng)下我國(guó)針對(duì)光伏電站群和風(fēng)電場(chǎng)實(shí)施了大量的有功控制工作，并獲得了眾多具備實(shí)效性的研究成果[2]。

國(guó)網(wǎng)電力研究院所在實(shí)施相關(guān)研究過(guò)程中，進(jìn)一步發(fā)展誕生了智能化控制措施，從而促進(jìn)風(fēng)電場(chǎng)以及光伏電站之間的有功控制，同時(shí)也得到大量研究成果。率先針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際狀況進(jìn)行深入調(diào)查，從而進(jìn)一步掌握其中的資源分布狀況，了解資源分布差異，聯(lián)系風(fēng)向互補(bǔ)性特征，針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)施有效控制，并針對(duì)智能化的有功控制提出相應(yīng)的控制結(jié)構(gòu)框架以及對(duì)應(yīng)的控制方案，促進(jìn)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)相關(guān)控制過(guò)程實(shí)現(xiàn)全面優(yōu)化，提高電站內(nèi)部的風(fēng)力效果。以四層框架為基礎(chǔ)，合理進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)工作，最終形成智能化的有功控制系統(tǒng)，將其融入到風(fēng)電場(chǎng)中進(jìn)行實(shí)踐操作，可幫助某些管理規(guī)模較大的電站實(shí)施有效管理，徹底改善電站中的安全用電問(wèn)題。

國(guó)網(wǎng)研究學(xué)院以及著名的清華大學(xué)也針對(duì)電網(wǎng)控制提出了有效的協(xié)調(diào)控制技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)多時(shí)間維度管理，幫助強(qiáng)化電網(wǎng)對(duì)于新能源的消納能力。而某一地區(qū)電網(wǎng)聯(lián)系自身實(shí)際狀況進(jìn)行了深入探索，同時(shí)聯(lián)系風(fēng)電功率相關(guān)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)、省間聯(lián)絡(luò)線規(guī)劃以及電網(wǎng)預(yù)測(cè)負(fù)荷數(shù)據(jù)，考慮不同風(fēng)電場(chǎng)形成的有功出力對(duì)電網(wǎng)安全約束的敏感度，合理設(shè)計(jì)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電方案。

1.2 大規(guī)模新能源無(wú)功電壓控制

大規(guī)模新能源背景下，基地中的無(wú)功電壓主要是根據(jù)就地平衡和分層分區(qū)基礎(chǔ)原則進(jìn)行控制，對(duì)大規(guī)模新能源基地內(nèi)不同類型無(wú)功設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，結(jié)合不同類型設(shè)備相關(guān)性能差異，對(duì)區(qū)域中不同節(jié)點(diǎn)電壓進(jìn)行有效控制，確保相關(guān)數(shù)值維持在規(guī)定范圍中，維護(hù)區(qū)域電網(wǎng)的運(yùn)行安全。大規(guī)模新能源開(kāi)發(fā)應(yīng)用中普遍存在無(wú)功電壓控制問(wèn)題，而各個(gè)研究院所和高校也針對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了深入研究，并獲得了較多的研究成果。

如國(guó)網(wǎng)電力研究院所、清華大學(xué)、華北電力大學(xué)以及天津大學(xué)等針對(duì)新能源場(chǎng)站提出無(wú)功電壓的協(xié)調(diào)控制措施，新能源場(chǎng)站中在針對(duì)無(wú)功電壓進(jìn)行協(xié)調(diào)控制過(guò)程中，是以無(wú)功設(shè)備對(duì)應(yīng)無(wú)功以及風(fēng)電機(jī)組、光伏逆變器的運(yùn)行特征為基礎(chǔ)，在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中應(yīng)按照AVC 合理設(shè)計(jì)相似性控制系統(tǒng)，同時(shí)針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)多種無(wú)功設(shè)備實(shí)施有效的協(xié)調(diào)控制，使新能源場(chǎng)站內(nèi)相關(guān)電壓流出實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)展，保證端口電壓運(yùn)行的安全性。

除可采取上述措施外，相關(guān)研究領(lǐng)域在對(duì)新能源場(chǎng)群進(jìn)行控制研究中提出其他控制方法，即無(wú)功電壓控制，在新能源場(chǎng)站中把集中升壓站作為其中的控制中樞以及控制核心，把升壓高壓側(cè)對(duì)應(yīng)電壓值當(dāng)成約束條件，針對(duì)變電站及其新能源場(chǎng)站連接的無(wú)功調(diào)節(jié)設(shè)備出力進(jìn)行合理協(xié)調(diào)，確保相關(guān)區(qū)域內(nèi)的運(yùn)行電壓穩(wěn)定性。借助功率預(yù)測(cè)下的無(wú)功電壓控制手段，可在控制策略中融入預(yù)測(cè)結(jié)果，在多時(shí)間尺度中，聯(lián)系多樣無(wú)功設(shè)備響應(yīng)時(shí)間，結(jié)合具有較大規(guī)模的靜態(tài)協(xié)調(diào)控制裝置，針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)施大范圍的控制工作，保證其中無(wú)功電壓的正常輸出，同時(shí)對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)相關(guān)設(shè)備運(yùn)行中所形成的各種小幅度波動(dòng)實(shí)施有效的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制，在處于暫態(tài)運(yùn)行條件下為電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠電壓支持。

此外為預(yù)防新能源場(chǎng)站內(nèi)部風(fēng)機(jī)運(yùn)行中產(chǎn)生脫網(wǎng)和連鎖等問(wèn)題，可針對(duì)無(wú)功電壓深入研究有效的預(yù)防控制手段，結(jié)合無(wú)功優(yōu)化措施可以保證系統(tǒng)無(wú)功充足性，并進(jìn)行合理布局，對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)為了保證其安全運(yùn)行，需形成有效安全管理約束，創(chuàng)建無(wú)功模型，明確樹(shù)立管理目標(biāo)，降低系統(tǒng)網(wǎng)損，擴(kuò)展風(fēng)電安全容量，同時(shí)利用分解算法實(shí)施模型優(yōu)化，確保系統(tǒng)于正常條件下和N-1網(wǎng)脫離連接后能夠始終維持安全運(yùn)行。盡管大規(guī)模新能源在無(wú)功電壓控制方面獲得了大量研究成果，但卻沒(méi)有在實(shí)際生產(chǎn)中廣泛推廣開(kāi)來(lái)[3]。

1.3 大規(guī)模新能源在線安全預(yù)警和穩(wěn)定控制決策

在線控制決策以及穩(wěn)定安全預(yù)警屬于智能化調(diào)度系統(tǒng)內(nèi)的核心功能模塊，并在近年發(fā)展中得到了廣泛應(yīng)用。在大規(guī)模新能源順利接入后，應(yīng)該在動(dòng)態(tài)、暫態(tài)和靜態(tài)穩(wěn)定評(píng)估程序內(nèi)融入動(dòng)態(tài)模型和風(fēng)光靜態(tài)，針對(duì)光伏發(fā)電以及風(fēng)電等實(shí)施動(dòng)態(tài)等值，把候選控制策略集中融入到電站內(nèi)，同時(shí)聯(lián)系電站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)優(yōu)化計(jì)算，結(jié)合操作實(shí)踐中所產(chǎn)生某種風(fēng)電波動(dòng)對(duì)于設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性的威脅進(jìn)行綜合考慮。

部分省調(diào)側(cè)相關(guān)電網(wǎng)通常尚未全面進(jìn)行建模處理，導(dǎo)致最終穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確度不夠，為此應(yīng)該借助SCADA 信息對(duì)設(shè)備典型離線數(shù)據(jù)以及信息采集進(jìn)行合理控制，通過(guò)采用規(guī)劃算法，幫助新能源內(nèi)主網(wǎng)絡(luò)和中低壓網(wǎng)絡(luò)間的順利連接，提升電網(wǎng)評(píng)估準(zhǔn)確性。國(guó)網(wǎng)研究中，把超短期的風(fēng)功率計(jì)算方法進(jìn)一步融入到安全控制系統(tǒng)內(nèi)，提出安全控制系統(tǒng)在針對(duì)短期風(fēng)功率進(jìn)行預(yù)測(cè)過(guò)程中，需進(jìn)一步滿足時(shí)間和技術(shù)等方面提出來(lái)的技術(shù)條件。

大規(guī)模新能源正式投入運(yùn)行后，導(dǎo)致電網(wǎng)運(yùn)行中的安全隱患增加，無(wú)法對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行有效控制和準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，而以往是根據(jù)基礎(chǔ)準(zhǔn)確對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行控制，無(wú)法對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性和安全性進(jìn)行合理協(xié)調(diào)，為此需要在穩(wěn)定綜合防控工程基礎(chǔ)上在線評(píng)估電網(wǎng)運(yùn)行的安全狀態(tài)。

1.4 常規(guī)電源和新能源協(xié)調(diào)控制

為更好迎合新能源波動(dòng)性，使得火電機(jī)組工作點(diǎn)原理最佳煤耗點(diǎn)不得以經(jīng)常進(jìn)行機(jī)組的啟停操作，使新能源對(duì)應(yīng)環(huán)保效益部分被抵消，在極端狀況下反而起到了反效果。此外，進(jìn)行利益分配過(guò)程中，為了更好消納新能源，火電機(jī)組對(duì)出力狀態(tài)和啟停狀態(tài)進(jìn)行頻繁調(diào)整，在某種程度上對(duì)火電機(jī)組利益造成了直接損害，假如缺少有效的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償方案以及利潤(rùn)分配方案，便會(huì)使火電機(jī)組喪失協(xié)調(diào)控制的參與意愿。由此推斷，常規(guī)電源和新能源協(xié)調(diào)控制目標(biāo)并非是單一性最大化新能源處理，還需結(jié)合其他因素進(jìn)行綜合考慮。

多時(shí)間尺度的火電和風(fēng)電協(xié)調(diào)控制，具體把控制細(xì)分為五種層次，分別是實(shí)時(shí)調(diào)度控制、實(shí)時(shí)計(jì)劃設(shè)計(jì)、滾動(dòng)計(jì)劃編制、日前計(jì)劃設(shè)計(jì)以及機(jī)組組合確定，幫助有效消除風(fēng)力發(fā)電對(duì)應(yīng)預(yù)測(cè)偏差，有效改善未來(lái)日前、七天、日內(nèi)風(fēng)電有功出力以及燃煤火電機(jī)組兩者協(xié)調(diào)控制問(wèn)題。我國(guó)風(fēng)能源以及負(fù)荷中心相關(guān)逆向分布特征客觀層面形成具有集群風(fēng)電多電源聯(lián)運(yùn)源系統(tǒng)，在源端發(fā)電單元和調(diào)度中心間創(chuàng)建有功優(yōu)化運(yùn)行層，協(xié)調(diào)控制局部分散火電機(jī)組和風(fēng)電場(chǎng)，提升源端電力控制準(zhǔn)確性與靈活性。

1.5 儲(chǔ)能和新能源協(xié)調(diào)控制

由于在應(yīng)用新能源的過(guò)程中，因?yàn)槭状螒?yīng)用對(duì)于各種影響因素考慮不夠充分，影響新能源的運(yùn)行效率，無(wú)法如同常規(guī)電源在電網(wǎng)控制調(diào)度中進(jìn)行直接參與，限制了新能源的進(jìn)一步發(fā)展。針對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行深入研究發(fā)展，為促進(jìn)新能源大規(guī)模應(yīng)用實(shí)現(xiàn)全面并網(wǎng)控制提供了全新發(fā)展思路。在新時(shí)期針對(duì)新能源研究并網(wǎng)控制過(guò)程中擁有全新思路。針對(duì)新能源并網(wǎng)問(wèn)題進(jìn)行研究中，在儲(chǔ)能方面需將關(guān)注重點(diǎn)放到新能源均勻出力、電力爬坡率、計(jì)劃跟蹤、調(diào)頻、調(diào)峰、儲(chǔ)能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)廣域協(xié)調(diào)控制等層面[4]。

通過(guò)蓄電池和超級(jí)電容兩者聯(lián)合的混合儲(chǔ)能方式，可對(duì)不同運(yùn)行周期內(nèi)新能源輸出不同功率所產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)波動(dòng)實(shí)施合理控制。同時(shí)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)出力數(shù)據(jù)實(shí)施合理統(tǒng)計(jì)，最終得到風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)不同電力的時(shí)域分布規(guī)律，聯(lián)系整體儲(chǔ)能規(guī)模，對(duì)風(fēng)電出力進(jìn)行合理控制。考慮到風(fēng)電功率差異對(duì)于儲(chǔ)能的影響，包括對(duì)沖放電的阻礙，并形成有效的超前控制，保證風(fēng)電短期功率波動(dòng)的穩(wěn)定性。部分研究提出風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合策略，控制風(fēng)電爬坡率，保證滿足我國(guó)風(fēng)電并網(wǎng)的有功功率控制要求。此外，新能源大范圍利用以及儲(chǔ)能聯(lián)合系統(tǒng)在實(shí)施協(xié)調(diào)控制方面，基于風(fēng)險(xiǎn)約束提出協(xié)調(diào)控制策略，促進(jìn)常規(guī)機(jī)組、風(fēng)電以及儲(chǔ)能之間實(shí)現(xiàn)廣域協(xié)調(diào)，形成分散控制和協(xié)調(diào)控制的組合控制手段。

2 結(jié)語(yǔ)

大規(guī)模間歇性新能源的并網(wǎng)協(xié)調(diào)控制在技術(shù)層面上幫助改善了電網(wǎng)消納和新能源發(fā)電兩者的矛盾。但隨著新能源發(fā)展速度不斷加快，需要采取有效措施進(jìn)一步提升電網(wǎng)消納能力，為新能源的有效應(yīng)用提供基礎(chǔ)載體。針對(duì)新能源相關(guān)并網(wǎng)控制技術(shù)實(shí)施深入研究，促進(jìn)其朝著智能化趨勢(shì)不斷發(fā)展，而相關(guān)科研院所、電網(wǎng)企業(yè)、無(wú)功補(bǔ)償廠商、風(fēng)機(jī)設(shè)備企業(yè)、新能源站等科研人員需要加大研究力度。