支撐電網(wǎng)黑啟動的“風(fēng)光儲”電站調(diào)控策略研究

顏庭煜

（國華能源投資有限公司廣西分公司，廣西欽州 535000）

隨著電力系統(tǒng)逐步進入大電網(wǎng)、高電壓和大機組時代，社會發(fā)展對電力資源的依賴性逐步加強，高風(fēng)險的災(zāi)害和人為的誤操作可能導(dǎo)致電網(wǎng)大停電事故頻發(fā)。黑啟動指系統(tǒng)因上述原因癱瘓后，不通過其他系統(tǒng)幫助，通過本地系統(tǒng)中具有自啟動能力的機組，如啟動速度快、方便的抽水蓄能電站，經(jīng)過輸電線路帶動無自啟動能力的機組，逐步恢復(fù)系統(tǒng)發(fā)電?？紤]國內(nèi)許多大中城市因地理環(huán)境限制，周圍缺少能作為黑啟動電源的水電廠或抽水蓄能電站，需要在這些地區(qū)制定合理的應(yīng)急與恢復(fù)措施，尋找能利用的黑啟動電源，降低大停電事故造成的損失，保護區(qū)域居民的生活安全。

1 支撐電網(wǎng)黑啟動風(fēng)光儲新能源電站概述

在支撐電網(wǎng)黑啟動風(fēng)光儲新能源電站發(fā)展過程中，其系統(tǒng)主要由儲能系統(tǒng)、風(fēng)電機組、光伏電池、系統(tǒng)內(nèi)部負荷和被啟動電廠的廠用異步電動機等組成，儲能配置在風(fēng)電、光伏的并網(wǎng)母線處。

2 風(fēng)光儲新能源電站協(xié)調(diào)控制模型分析

2.1 陣列建模

分析電站協(xié)調(diào)控制模型時，陣列建模屬于經(jīng)常應(yīng)用的模型結(jié)構(gòu)，基于以往實踐經(jīng)驗可以了解，電站光伏陣列的輸出功率直接受到外界環(huán)境的影響，并且在穩(wěn)定的光照與溫度條件下，陣列的輸出功率和系統(tǒng)的端電壓/電流呈現(xiàn)出非常明顯的非線性關(guān)系。對此需要系統(tǒng)需要對運行功率進行跟蹤，同時也需要對陣列點進行實時控制，確保系統(tǒng)在工作期間，可以維持在最大功率附近，對穩(wěn)定系統(tǒng)運行效率具有積極的促進意義。從目前的發(fā)展情況來看，所應(yīng)用到的直達功率控制手段有恒定電壓法、電導(dǎo)增量法和擾動觀測法。以恒定電壓法為例，該方法在應(yīng)用中，將最大功率點設(shè)置在某個電壓值附近，將系統(tǒng)的運行過程（MPPT）簡化成固定電壓運行模式，保持電壓系統(tǒng)運行過程的穩(wěn)定性。

2.2 并網(wǎng)逆變器建模

分析電站協(xié)調(diào)控制模型時，并網(wǎng)逆變器建模也屬于經(jīng)常應(yīng)用到的模型結(jié)構(gòu)，基于以往實踐經(jīng)驗可以了解，在并網(wǎng)逆變器運行過程中，其運行過程中所產(chǎn)生的有功功率，只與d軸電流之間存在關(guān)聯(lián)，在穩(wěn)定的d軸電流條件下，電網(wǎng)的輸出功率和系統(tǒng)電流呈現(xiàn)出非常明顯的非線性關(guān)系。對此需要系統(tǒng)需要對并網(wǎng)逆變器運行狀態(tài)進行監(jiān)督和跟蹤，同時也需要對q軸電流進行實時控制，確保系統(tǒng)在工作期間，可以維持在最大功率附近，對穩(wěn)定系統(tǒng)運行效率具有重要作用。從目前的發(fā)展情況來看，所應(yīng)用到的建模方法主要以電網(wǎng)電壓定向控制法為主，在該方法的應(yīng)用中，將并網(wǎng)逆變器工作狀態(tài)下的d軸電流和q軸電流控制在某個應(yīng)用范圍內(nèi)，將系統(tǒng)運行達到MPPT狀態(tài)后，一直保持該狀態(tài)下的相關(guān)內(nèi)容，保持系統(tǒng)運行過程的穩(wěn)定性[1]。

2.3 電站等效建模

除了前兩種提到的建模類型，在分析電站協(xié)調(diào)控制模型時，電站等效建模也屬于經(jīng)常應(yīng)用到的模型結(jié)構(gòu)，基于以往實踐經(jīng)驗可以了解，在電站系統(tǒng)運行過程中，其運行過程中所產(chǎn)生的有功功率，和高頻的開關(guān)器件之間存在關(guān)聯(lián)，在受控電壓源系統(tǒng)影響下，電網(wǎng)的輸出功率和系統(tǒng)運行電流呈現(xiàn)出非線性關(guān)系。對此需要系統(tǒng)需要對電站工作狀態(tài)進行監(jiān)督和跟蹤，同時也需要對開關(guān)器件的工作狀態(tài)進行實時控制，確保系統(tǒng)在工作期間，可以維持穩(wěn)定的工作狀態(tài)，確保系統(tǒng)輸出功率的穩(wěn)定性。從目前的發(fā)展情況來看，應(yīng)用的建模方法采用受控電壓源替代開關(guān)器件，采集相關(guān)數(shù)據(jù)信息后，利用平衡關(guān)系來完成參數(shù)計算，將該參數(shù)作為系統(tǒng)運行參數(shù)的控制條件，以此來保持系統(tǒng)運行過程的穩(wěn)定性。

3 風(fēng)光儲新能源電站協(xié)調(diào)控制要點

3.1 儲能系統(tǒng)控制

在系統(tǒng)協(xié)調(diào)過程中，需要加強儲能系統(tǒng)控制工作，在新能源電站處于自啟動狀態(tài)時，設(shè)置好的儲能系統(tǒng)，也可以為風(fēng)電網(wǎng)絡(luò)、光伏并網(wǎng)提供非常穩(wěn)定的運行電壓，母線電壓會初始狀態(tài)的0開始調(diào)增，一直到額定電壓數(shù)值后，保持頻率電壓不變，此時存儲系統(tǒng)便可以利用控制系統(tǒng)來進行系統(tǒng)調(diào)配。在初始狀態(tài)下的頻率輸入值設(shè)置為1，電壓輸入值設(shè)置為1，在系統(tǒng)控制系統(tǒng)中，V0表示該存儲系統(tǒng)運行狀態(tài)下，端口位置處的電壓數(shù)值；Vod表示存儲系統(tǒng)中電壓數(shù)值在d軸上的數(shù)值分量；Voq表示存儲系統(tǒng)中電壓數(shù)值在q軸上的數(shù)值分量；Vbref表示存儲系統(tǒng)中位于端口的電壓輸入值，常取數(shù)值為1；fbref表示存儲系統(tǒng)中位于端口的電壓頻率輸入值，常取數(shù)值為1；θb表示存儲系統(tǒng)中位于端口電壓和標(biāo)準(zhǔn)位置之間的相角。根據(jù)相互之間關(guān)聯(lián)性調(diào)整儲能系統(tǒng)的控制參數(shù)，提高數(shù)據(jù)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性[2]。

3.2 風(fēng)電機組控制

在系統(tǒng)協(xié)調(diào)過程中，需要加強風(fēng)電機組控制工作，在新能源電站處于自啟動狀態(tài)時，設(shè)置好的風(fēng)電機組系統(tǒng)會自動啟動，為并網(wǎng)提供非常穩(wěn)定的運行電壓。母線電壓會在風(fēng)電機組的運行情況下，從初始狀態(tài)的0開始調(diào)增，一直到額定電壓數(shù)值后，保持頻率電壓不變，為系統(tǒng)穩(wěn)定運行奠定基礎(chǔ)。在系統(tǒng)運行過程中，也需要對風(fēng)電機組捕獲的最大風(fēng)能數(shù)值進行采集。

式中：k——風(fēng)電機運行過程中，風(fēng)能的轉(zhuǎn)換效率系數(shù)；λ——風(fēng)機運行過程的速度比；A——風(fēng)電機系統(tǒng)中葉片單位時間內(nèi)能夠掃掠的面積；ρ——該地區(qū)的空氣密度；β——風(fēng)機葉片的角度值；vm——當(dāng)?shù)氐倪\行風(fēng)速；ωr——風(fēng)力系統(tǒng)運行過程的轉(zhuǎn)子運行速度。

3.3 光伏電源控制

除了上述需要控制的內(nèi)容外，在系統(tǒng)協(xié)調(diào)過程中，還需要加強光伏電源控制工作，在新能源電站處于自啟動狀態(tài)時，光伏電源的輸出功率直接受到外界環(huán)境的影響，并且在穩(wěn)定的光照與溫度條件下，輸出功率和系統(tǒng)的端電壓/電流呈現(xiàn)出非線性關(guān)系。在系統(tǒng)控制過程中，需要采用可靠策略來完成運行功率的跟蹤工作，同時也需要加強系統(tǒng)運行過程的實時控制，提升系統(tǒng)工作狀態(tài)的穩(wěn)定性。從目前的發(fā)展情況來看，在機組運行過程中，需要將其從初始狀態(tài)的“0”數(shù)值開始調(diào)增，一直到額定電壓數(shù)值后，維持該數(shù)值保持不變，對電源的運行功率進行有效處理，保持系統(tǒng)運行過程的穩(wěn)定性。

4 風(fēng)光儲新能源電站協(xié)調(diào)控制策略分析

4.1 慣性響應(yīng)控制策略

在控制策略的設(shè)計過程中，經(jīng)常使用到的控制方法是慣性響應(yīng)控制策略，系統(tǒng)出現(xiàn)斷電故障之后，可以在短暫時間內(nèi)提供一些慣性支撐，該策略主要針對電力系統(tǒng)中的儲能系統(tǒng)。在系統(tǒng)常規(guī)運行狀態(tài)下，儲能設(shè)備會一直處于供能狀態(tài)，可以為系統(tǒng)提供持續(xù)的有功功率。

系統(tǒng)在運行中還會利用虛擬同步系統(tǒng)來輔助工作推進。在此過程中，如果出現(xiàn)頻率波動的情況，會出現(xiàn)輸出電壓相角差的情況，對此可以借助慣性策略完成功率調(diào)整，提升系統(tǒng)斷電故障出現(xiàn)后暫態(tài)過程的穩(wěn)定性和平滑性，提高系統(tǒng)工作頻率的穩(wěn)定性。

4.2 一次調(diào)頻時序控制策略

在控制策略的設(shè)計過程中，一次調(diào)頻時序控制策略屬于經(jīng)常使用到的控制方法，系統(tǒng)出現(xiàn)頻率變化較大的情況時，可以對電網(wǎng)的運行狀態(tài)進行一次調(diào)試，使系統(tǒng)可以恢復(fù)正常的工作狀態(tài)，保持最大功率狀態(tài)的順利輸出。

系統(tǒng)在運行中還會基于相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，繪制特定的功率曲線，在運行過程中，通過調(diào)整減載運行過程中的控制邏輯，完成對系統(tǒng)運行過程的監(jiān)督，頻率過大時，可以及時調(diào)整電機的工作狀態(tài)，使系統(tǒng)可以保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)，確保系統(tǒng)故障后暫態(tài)過程的穩(wěn)定性和平滑性。

4.3 后備控制策略

在控制策略的設(shè)計過程中，后備控制策略屬于經(jīng)常使用到的控制方法，系統(tǒng)出現(xiàn)頻率擾動情況較大的情況時，后備控制系統(tǒng)會做出調(diào)試動作，使系統(tǒng)可以恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)，保持最大功率狀態(tài)的穩(wěn)定輸出。

在系統(tǒng)運行過程中，為了確保電力系統(tǒng)工作狀態(tài)的平衡性，會利用儲能設(shè)備來完成系統(tǒng)缺失項補償，利用虛擬同步系統(tǒng)輔助系統(tǒng)功率的穩(wěn)定輸出。但是系統(tǒng)在常規(guī)狀態(tài)下并不會進行工作，只有系統(tǒng)頻率超過穩(wěn)定值后，會對其進行緊急控制，確保系統(tǒng)運行狀態(tài)的穩(wěn)定性。

4.4 協(xié)調(diào)控制架構(gòu)

除了前三種調(diào)控策略，在控制策略的設(shè)計過程中，協(xié)調(diào)控制架構(gòu)也屬于經(jīng)常使用到的控制方法，系統(tǒng)在運行控制過程中，會采用集中控制模式，如果系統(tǒng)運行時出現(xiàn)頻率擾動情況較大的情況，集中控制系統(tǒng)會做出相應(yīng)的反饋動作，使系統(tǒng)可以維持協(xié)調(diào)平衡的狀態(tài)，并且可以保持最大功率狀態(tài)進行電壓/電流輸出。在協(xié)調(diào)控制架構(gòu)運行過程中，具有預(yù)測功能，可以對系統(tǒng)運行過程進行預(yù)測，針對潛在故障內(nèi)容進行及時處理，確保系統(tǒng)運行狀態(tài)的穩(wěn)定性，提高擬定控制策略的應(yīng)用效果[3]。

5 結(jié)語

綜上所述，在風(fēng)光儲新能源電站運行過程中，需要采用可靠措施完成系統(tǒng)運行過程的協(xié)調(diào)控制，使其可以維持穩(wěn)定的運行狀態(tài)。支撐電網(wǎng)黑啟動歐式的使用，也能夠降低斷電故障造成的負面影響，為地方居民提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。