集群新能源經(jīng)柔直孤島送出換流站的功率越限控制研究

王暉,彭依,楊立敏,張健,李文鋒,郭賢珊

(1. 中國電力科學研究院有限公司,北京 100192；2. 華北電力大學電氣與 電子工程學院,北京 102206；3. 國家電網(wǎng)有限公司,北京100031)

0 引言

利用化石燃料產(chǎn)生電能帶來的環(huán)境問題愈發(fā)嚴重,化石燃料作為非可再生能源消耗過多,促使風力發(fā)電和光伏發(fā)電技術(shù)快速發(fā)展,新能源裝機大幅增加。截至2019年底,全國風電累計裝機容量2.1億kW、光伏發(fā)電累計裝機達到2.04億kW,占全網(wǎng)電源總裝機的20%左右?？梢灶A見,更多地區(qū)新能源發(fā)電滲透率將有所提高,可能達到80%甚至更高。大規(guī)模的新能源集中送出面臨很多問題,目前,“棄風”、“棄光”現(xiàn)象亟待解決[1—6]。

大規(guī)模新能源場站通常處在電網(wǎng)末端,為了更好地消納新能源,充分實現(xiàn)大規(guī)模新能源的集中送出,柔性直流輸電技術(shù)成為輸送電能的理想選擇之一[7—10]。我國三北地區(qū)具有豐富的風能及太陽能資源,張北地區(qū)現(xiàn)已建立世界首個柔性直流電網(wǎng)工程[11—14]來輸送新能源電力。

由于高電壓等級模塊化多電平換流器(modular multilevel converter,MMC)換流站的經(jīng)濟性問題和風光同時性分析[15—18],張北柔直電網(wǎng)項目中送端孤島換流站的設(shè)計容量小于所配套的新能源場站的裝機容量,在極端天氣下,可能會出現(xiàn)短時換流器功率越限,引起換流器過流。因此,為了確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行,同時保護造價較高的柔直換流器,設(shè)計了一套控制系統(tǒng)來確保換流器在任何時間都不會出現(xiàn)過流問題。

文中介紹了孤島換流站的功率越限快速控制系統(tǒng),分為功率越限回降控制系統(tǒng)和緊急虛擬頻率控制系統(tǒng)。結(jié)合工程應(yīng)用實際,設(shè)計了關(guān)鍵控制參數(shù)與控制策略,有效避免功率越限發(fā)生,旨在避免清潔能源功率波動,確保換流器及電網(wǎng)安全,降低對換流器在內(nèi)的重要設(shè)備的損害,同時減少穩(wěn)控系統(tǒng)的切機次數(shù)。

1 張北地區(qū)柔性直流電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及新能源波動性分析

1.1張北地區(qū)柔性直流電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

張北地區(qū)柔性直流電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。張北地區(qū)規(guī)劃建設(shè)一個±500 kV多端柔性直流電網(wǎng),包括張北、康保、豐寧、北京4個換流站,張北、北京換流站容量為3 000 MW,康保、豐寧換流站容量為1 500 MW。該網(wǎng)配置直流斷路器、直流線路快速保護裝置等關(guān)鍵設(shè)備,構(gòu)建輸送大規(guī)模風電、光伏、抽水蓄能電站等多種能源的四端環(huán)形柔性直流電網(wǎng)。其中,張北、康保換流站連接純新能源場站只包括風電場和光伏場,豐寧換流站連接抽水蓄能電站。

圖1 張北柔性直流電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of DC grid using VSC-HVDC in Zhangbei

在柔性直流輸電孤島送出大規(guī)模新能源的控制類似于海上風電情形[19—20]。張北、康保換流站為純新能源送出端,新能源送出端換流站控制采用向無源電網(wǎng)送電的控制策略,為新能源機組提供穩(wěn)定電壓,采用定交流電壓和定頻率控制[21—25]。北京換流站作為受端換流站,與大電網(wǎng)相連,采取定有功功率和無功功率控制。豐寧換流站作為調(diào)壓站,采用定直流電壓和定無功功率控制。

1.2 張北地區(qū)新能源短時波動性分析

張北、康保送端換流站的額定容量分別為1 500 MW,3 000 MW,而2個送端的新能源初步規(guī)劃容量分別為2 250 MW,4 500 MW。由于MMC換流器不具備過流能力,為保證功率不越限,功率越限進行有功功率預控,需分析短時間新能源波動。

由于張北、康保區(qū)域匯集的風電裝機較光伏裝機容量占比較大,文中以該區(qū)域風電波動特性為例進行分析。因功率越限涉及安全,綜合分析能反映波動量的方法[26—29],選取每一時刻在某一時間尺度(如調(diào)度間隔15 min,1 h)內(nèi)發(fā)生的最大波動進行概率統(tǒng)計。假設(shè)風電功率序列的時間間隔為T,則有：

(1)

式中：Pt1為該時段功率最大值；Pt2為該時段功率最小值；ΔPt,t+T為該時段的功率波動最大值；PN為額定功率。

通過短時功率波動數(shù)據(jù)分析可知,1 min間隔風電的絕對波動分布概率密度曲線如圖2所示。其中,P為裝機容量,最大波動速度為31.83%P/min,但總體都比較小,有99%以上概率的波動速度都在2.11%P/min以內(nèi)。以下計算中新能源波動功率最快上升速度Vup_max設(shè)定為30%P/min。

圖2 1 min間隔風電的絕對波動分布概率密度曲線Fig.2 Distribution probability density curve of absolute fluctuation of wind power in one minute

2 功率越限快速控制系統(tǒng)

功率越限快速控制系統(tǒng)的設(shè)計分為功率越限回降控制系統(tǒng)和緊急虛擬頻率控制系統(tǒng)。緊急虛擬頻率控制系統(tǒng)作為功率越限回降控制系統(tǒng)在通信中斷時的備用。

功率越限回降控制系統(tǒng)是根據(jù)1.2節(jié)中新能源波動特性分析,考慮新能源發(fā)電的有功功率以最快波動速度向上爬坡工況,進行有功功率預控。對每次調(diào)節(jié)中功率調(diào)節(jié)速度最快的一些新能源電站分輪次發(fā)送功率回降指令,使總的下調(diào)功率在速度上比最快爬坡速度更快,從而保證換流站總功率始終不超過其額定容量。功率越限回降控制系統(tǒng)通過快速回降新能源出力的方式代替穩(wěn)控系統(tǒng),主要以“切機”、減少“切機”量甚至不“切機”來避免換流器功率越限,從而提高系統(tǒng)的安全性,同時減少新能源切機再開機損失的時間和電量。

2.1 功率越限回降控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

功率越限回降控制系統(tǒng)包含有功快速控制主站與新能源執(zhí)行子站,如圖3所示。

圖3 功率越限回降控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Configuration of the off-limit power fast control system

其中ΔP為指令下發(fā)需要回降的功率。張北、康保站有功快速控制主站,主站涵蓋兩部分功能：一是功能控制模塊,二是指令分配模塊。主站的指令分配模塊用以接收功能控制模塊的命令,并計算控制量的分解結(jié)果,將指令下發(fā)到執(zhí)行子站。

在新能源場站部署執(zhí)行子站接收主站功率回降命令,并分配給風機主控/光伏逆變器,同時將站內(nèi)當前功率、最大功率上送至有功快速控制主站。

風電/光伏場站功率控制裝置接收執(zhí)行子站調(diào)節(jié)功率值并分發(fā)給新能源控制器,風機變流器/光伏逆變器接收指令并控制。

2.2 新能源執(zhí)行站的功率快速調(diào)節(jié)控制

對于風電場來說,風機存在旋轉(zhuǎn)元件,因此風電場執(zhí)行子站控制器指令不能直接發(fā)送至風機變流器,而是快速發(fā)送至風機主控。另外,由于風機降功率時轉(zhuǎn)速會快速升高,因此需要加入轉(zhuǎn)速保護邏輯。圖4為優(yōu)化后某地區(qū)風電場功率快速調(diào)節(jié)試驗結(jié)果,功率下降5%P的速度為660 ms,在700 ms的目標以內(nèi)。

圖4 風電場功率快速調(diào)節(jié)試驗結(jié)果Fig.4 The experimental result of the wind farm on fast power regulation

光伏電站協(xié)調(diào)控制器可直接向各逆變器單元高速群發(fā)功率調(diào)節(jié)指令,逆變器的控制單元接收到指令后,將其有功、無功功率設(shè)定值經(jīng)過功率環(huán)調(diào)節(jié)后輸出為控制系統(tǒng)接收的指令,限制或放開逆變器的功率輸出[30—31]。當光伏電站以最大功率運行時,將控制方式改為定功率運行,快速回降整站功率。因光伏電站無旋轉(zhuǎn)元件,有功回降速度相對較快。圖5為光伏電站功率快速回降調(diào)節(jié)試驗結(jié)果,可見光伏電站有功功率可在30 ms內(nèi)完成功率回降。

圖5 光伏電廠功率快速調(diào)節(jié)試驗結(jié)果Fig.5 The experimental result of the photovoltaic power plant on fast power regulation

2.3 功率越限回降控制系統(tǒng)策略及參數(shù)設(shè)定

2.3.1 設(shè)計原理及參數(shù)設(shè)定

對于風電場和光伏電站,風機存在旋轉(zhuǎn)原件,控制較為復雜,需要的最短調(diào)節(jié)延時也相對較長。以目前速度最快的某廠家風機試驗為例,以優(yōu)化后的結(jié)果為標準,從風電場接收到功率調(diào)節(jié)指令到調(diào)節(jié)基本完成需要100+100+500=700 ms。功率越限回降控制系統(tǒng)主站包括功能控制模塊和指令分配模塊,這2個模塊的計算延時記為50 ms,與風場執(zhí)行站的通信延時記為50 ms,加上風場延時700 ms,總延時為800 ms。以康保站為例,若以換流站額定容量1 500 MW為功率越限控制閾值,則功率越限后,由于延時仍未進行調(diào)節(jié),功率繼續(xù)增加,會造成更大幅度的功率越限。

功率越限回降控制系統(tǒng)閾值設(shè)定見圖6,根據(jù)新能源波動特性分析,考慮新能源場站功率爬坡情況,以新能源波動功率最快上升速度Vup_max為30%×P/min,考慮到控制時限800 ms,包括系統(tǒng)的控制延時Δtcntrl_sys和新能源場站控制延時ΔtNewEnergyFarm,可以計算出功率越限回降控制系統(tǒng)理論閾值Pth_theory,即可保證換流站的總功率達到換流站功率限值PMMC_limit剛好不越限。

圖6 功率越限回降控制系統(tǒng)閾值設(shè)定Fig.6 The threshold setting of the off-limit power fast control system

以康保站為例,功率越限回降控制系統(tǒng)理論閾值為1 494 MW。工程上,通常考慮留有一定的裕量,故功率越限回降控制系統(tǒng)實際閾值應(yīng)留有裕量ΔPth,以保證工程上實現(xiàn)功率不越限,即：

Pth_real=Pth_theory-ΔPth

(2)

在功率越限回降控制系統(tǒng)實際閾值的整定中,主要考慮兩方面的因素：功率測量誤差ΔPth_err和控制過程中的產(chǎn)生誤差ΔPth_controller。實際閾值Pth_real中所留裕量ΔPth為兩者之和,如式(3)所示。

ΔPth=ΔPth_err+ΔPth_controller

(3)

所留裕量中ΔPth_err為考慮功率測量誤差時所留裕量,由MMC容量即輸出新能源場站的最大功率乘以誤差的系數(shù)εPowerM,通常為0.5%,即：

ΔPth_err=PMMC_rate×εPowerM

(4)

所留裕量中ΔPth_contoller是將5個新能源場站控制周期(即5Tc)內(nèi)以最快速度Vup_max上升的功率作為整定裕量,如式(5)所示。

ΔPth_controller=5TcVup_max/60

(5)

為保證功率越限回降控制系統(tǒng)的有效性以及快速性,新能源場站控制周期Tc的整定原則為：通過響應(yīng)速度較快的5個新能源場站的響應(yīng)時間確定控制周期。根據(jù)已有現(xiàn)場實測數(shù)據(jù),暫定Tc=300 ms。張北、康保站情況相同,可采用相同控制策略。張北、康保站功率越限回降控制系統(tǒng)空置策略的關(guān)鍵參數(shù)匯總?cè)绫?、表2所示。

表1 張北站功率越限回降控制系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù) (按現(xiàn)規(guī)劃的新能源容量計算)Table 1 Key parameters of the off-limit power fast control system of Zhangbei station(according to the present planning volume of the new energy station)

表2 康保站功率越限回降控制系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù) (按現(xiàn)規(guī)劃的新能源容量計算)Table 2 Key parameters of the off-limit power fast control system of Kangbao station(according to the present planning volume of the new energy station)

2.3.2 實現(xiàn)過程

本計劃第二天清晨永遠離開秦川，可是現(xiàn)在，艾莉突然想在這里多住幾天。很顯然女人不過將她當成一個試圖混進豪宅的女孩——煮咖啡，煮牛奶，洗刷餐具，洗刷馬桶，拿不菲的薪水，住豪華的房子……然后，趁女主人不注意，與男主人調(diào)情或者偷情——艾莉相信這樣的生活對很多年輕并且貧困的女孩極具吸引力?，F(xiàn)在她必須讓女人相信她是秦川買來的充氣娃娃——工廠出來的產(chǎn)品，供男人發(fā)泄性欲的玩具。她對他們的生活不會造成絲毫影響。

功率越限回降控制系統(tǒng)在每一個新能源場站控制周期Tc中發(fā)出一次功率回降指令ΔP,確保換流站的總功率不會越限,如圖7所示。新能源場站出力下調(diào)值ΔP應(yīng)滿足在一個控制周期Tc內(nèi),不小于新能源場站以最快速度Vup_max上升的功率,如式(6)所示?？紤]惡劣工況,ΔP暫定10 MW。

圖7 功率越限回降控制系統(tǒng)邏輯流程Fig.7 Logic flow chart for off-limit power fast control system

(6)

當測量到受控斷面有功功率超過系統(tǒng)實際閾值Pth_real時,系統(tǒng)啟動功率越限回降控制邏輯,將控制使能標志位置1,并將新能源場站出力下調(diào)ΔP。在功率越限回降控制系統(tǒng)使能過程中,如果功率再次越限,則繼續(xù)將新能源場站出力下調(diào)ΔP。為了防止系統(tǒng)超調(diào),不利于新能源的消納,系統(tǒng)設(shè)置控制邏輯返回閾值Pth_return,取實際閾值。

Pth_real連續(xù)下調(diào)2次ΔP的功率,如式(7)所示。

ΔPth_return=Pth_real-2ΔP

(7)

如果功率低于控制邏輯返回閾值Pth_return,則將新能源場站出力上調(diào)ΔP；如果受控斷面有功功率介于功率越限回降控制系統(tǒng)啟動實際閾值Pth_real和返回閾值Pth_return之間,則功率越限回降系統(tǒng)不對新能源場站出力控制。當受控斷面有功功率低于閾值Pth_real且累積降功率ΔPtotal重新歸零時,將控制使能標志位置0,并退出功率越限回降控制邏輯。功率越限回降控制過程示意如圖8所示。

圖8 功率越限回降控制過程示意Fig.8 Schematic diagram of off-limit power fast control system control process

2.3.3 新能源執(zhí)行站調(diào)用原則

2.4 緊急虛擬頻率控制系統(tǒng)的控制策略

送端孤島換流站的控制采用定交流電壓和定頻率控制。廣域聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)[25]可以根據(jù)功率的變化量計算出虛擬頻率,新能源控制主站采用虛擬頻率,使新能源交流電網(wǎng)頻率發(fā)生變化,進行一次調(diào)頻。

當功率越限快速控制主站通信出現(xiàn)問題時,虛擬頻率控制及風機一次調(diào)頻控制可以作為功率越限回降控制系統(tǒng)的備用控制,稱為緊急虛擬頻率控制系統(tǒng)。控制邏輯為：當換流站總有功功率達到設(shè)定閾值時,立即將虛擬頻率控制中的頻率設(shè)定值設(shè)為新能源允許的最高連續(xù)運行頻率(暫定為51 Hz)；速率限制應(yīng)設(shè)為避免出現(xiàn)系統(tǒng)不穩(wěn)定的最快頻率上升速度(根據(jù)電磁暫態(tài)仿真結(jié)果暫設(shè)為0.04 Hz/s)。當緊急虛擬頻率控制系統(tǒng)啟動時,執(zhí)行站測量孤島送出系統(tǒng)的電網(wǎng)頻率,并進行一次調(diào)頻控制,進行無通信狀態(tài)的功率回降調(diào)節(jié)?？紤]張北、康保換流站單雙極運行、測量死區(qū)、新能源調(diào)頻死區(qū)及新能源一次調(diào)頻的場站配置比例(配置一次調(diào)頻的場站總?cè)萘空夹履茉纯傃b機容量的1/3考慮)后,雙極運行時康保換流站最大安全運行功率閾值為1 400 MW,單極運行時為650 MW；雙極張北換流站最大安全運行功率閾值2 850 MW,單極運行時為1 350 MW。

3 仿真算例

為了驗證所提功率越限快速控制策略的有效性,基于PSCAD/EMTDC仿真平臺搭建了張北、康保的主站以及執(zhí)行站控制器的仿真模型。仿真參數(shù)如表1、表2所示。

3.1 功率越限回降控制系統(tǒng)仿真

康保站雙極運行時,初始功率為1 435 MW。每個新能源場站(執(zhí)行站)的有功功率在0～10 s以新能源總功率的30%P/min,0.482 1 MW/s的速度上升,即Vup_max為405 MW/min；在10～15 s功率保持不變；在15～30 s有功功率以-0.482 1 MW/s的速度下降。如果不具備功率越限回降控制功能,在t為9.6 s時,受控斷面總有功功率達到MMC的額定容量,如果功率繼續(xù)增加,將威脅柔性直流輸電系統(tǒng)的安全運行,如圖9所示。

圖9 不具備功率越限回降控制功能且 雙極運行時康保站仿真結(jié)果Fig.9 The simulation results of Kangbao station in bipolar operation without power off-limit fallback control function

當受控斷面總有功功率超過功率越限回降控制系統(tǒng)實際閾值1 477.0 MW時,啟動有功功率越限回降?？当Ｕ居泄β试较藁亟悼刂撇呗缘姆抡娼Y(jié)果如圖10和圖11所示。

圖10 雙極運行時康保站功率越限 回降控制主站仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results of the control master station of Kangbao station during bipolar operation

圖11 雙極運行時康保站功率越限 回降控制執(zhí)行站仿真結(jié)果Fig.11 Simulation results of Kangbao station off-limit power fast control in bipolar mode of the renewable energy actuator

控制邏輯將控制標志位置1。在場站最大輸出功率增加的過程中,所提控制策略輸出的累積降功率值不斷增加,新能源場站的實際總新能源輸出功率最大不超過1 480 MW。當最大輸出功率保持不變時,所提控制策略輸出的降功率指令為零。在最大輸出功率下降過程中,當總輸出功率小于返回閾值1 457 MW時,所提控制策略開始回調(diào)功率,累積降功率值變小。當累積降功率值降為零時,將控制標志位置0,退出功率越限回降控制邏輯。此后,新能源場站的實際總輸出功率跟隨其最大輸出功率?？当Ｕ卷憫?yīng)速度最快的5個執(zhí)行站的響應(yīng)時間分別設(shè)置為200 ms,250 ms,300 ms,350 ms,360 ms。從圖11中5個執(zhí)行站的仿真波形可以看出,采用控制策略,各執(zhí)行站均能夠正確動作。

3.2 緊急虛擬頻率控制仿真

圖12為不具備緊急虛擬頻率控制系統(tǒng)的仿真效果圖、圖13為緊急虛擬頻率控制系統(tǒng)的仿真效果圖。

圖12 不具備緊急虛擬頻率控制系統(tǒng)仿真結(jié)果Fig.12 Simulation results without emergency virtual frequency control

圖13 緊急虛擬頻率控制系統(tǒng)仿真結(jié)果Fig.13 Simulation results with emergency virtual frequency control

康保換流站匯集的新能源有750 MW裝機容量的電站配置了一次調(diào)頻,另外1 500 MW裝機容量的電站沒有配置并且以30%P/min的極限速度增加功率。

當無源電網(wǎng)功率越限快速控制通信出現(xiàn)問題時,在沒有緊急虛擬頻率控制系統(tǒng)的情況下,康保站換流站將在26 s時超過1 500 MW的額定容量從而過流閉鎖,在有緊急虛擬頻率控制系統(tǒng)的情況下,換流站的總功率在1 450 MW附近達到峰值并開始下降,從而有效避免過流閉鎖。

4 結(jié)論

文中針對張北地區(qū)大規(guī)模新能源發(fā)電經(jīng)柔直換流站孤島送出系統(tǒng),設(shè)計了廣域聯(lián)合發(fā)電的功率越限快速控制系統(tǒng),得到以下幾點結(jié)論：

(1) 分析了該區(qū)域的新能源波動特點,新能源功率最大波動速度約為30%P/min,99%以上概率的波動速度都在2.11%P/min以內(nèi)。

(2) 通過分析該區(qū)域新能源波動特點、新能源執(zhí)行站控制能力、通信延時等,設(shè)計了功率越限快速控制的策略及控制關(guān)鍵參數(shù)。

(3) 緊急虛擬頻率系統(tǒng)可作為功率越限快速控制設(shè)備通信中斷的備用。通過仿真實驗驗證,可有效避免過流閉鎖。

(4) 純新能源無源電網(wǎng)增加功率越限回降控制后,通過仿真實驗對比驗證,可有效避免無源電網(wǎng)換流站總功率波動越限的情況發(fā)生。