新能源場站調(diào)頻調(diào)壓優(yōu)化控制應(yīng)用

王剛

（新華水力發(fā)電有限公司 北京市 100071）

習(xí)近平總書記在2020年9月22日在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上指出，“中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”。緊接著在2021年3月15日中央財經(jīng)委員會第九次會議上又指出，“要構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系，控制化石能源總量，著力提高利用效能，實施可再生能源替代行動，深化電力體制改革，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”。構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，是實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和最主要舉措之一，同時也意味著風(fēng)電和光伏將是未來電力系統(tǒng)的主體，煤電降成了輔助性能源。

隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的快速提升與發(fā)展，新能源在我國能源轉(zhuǎn)型過程中得以快速發(fā)展，在電力系統(tǒng)當(dāng)中逐漸占據(jù)了主體地位，對電網(wǎng)的影響也就越來越大。針對這一問題，未來如何使用調(diào)頻調(diào)壓優(yōu)化控制方式來對新能源場站生產(chǎn)的問題進(jìn)行調(diào)控就顯得非常重要與關(guān)鍵。本文將會針對于我國現(xiàn)有的新能源場站調(diào)頻調(diào)壓實際情況進(jìn)行分析，討論其中存在的問題以及提升的具體方式，目的在于能夠?qū)栴}進(jìn)行匯總處理，給與同行業(yè)相關(guān)人員一定的參考價值。

1 調(diào)頻調(diào)壓控制系統(tǒng)的主要內(nèi)容與主要功能

1.1 調(diào)頻調(diào)壓控制系統(tǒng)的主要內(nèi)容

調(diào)頻調(diào)壓控制系統(tǒng)作為有功控制、無功控制、電壓控制等自動控制系統(tǒng)的簡稱，調(diào)頻調(diào)壓控制在光伏電站調(diào)頻調(diào)壓控制過程中發(fā)揮出了非常重要的作用與意義。可以說這種控制系統(tǒng)具體來說應(yīng)用在了兆瓦級及以上光伏電站當(dāng)中。使用這種技術(shù)，就可以對并網(wǎng)點電壓、頻率進(jìn)行實時監(jiān)測，實現(xiàn)對于有功與無功之間的自動控制過程。調(diào)頻調(diào)壓控制系統(tǒng)的主要意義就是在控制的過程中來對儲能電站實際功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時這一系統(tǒng)的存在還能夠?qū)崿F(xiàn)電站控制點之間的電壓動態(tài)連續(xù)控制以及無功功率之間的動態(tài)平衡。調(diào)頻調(diào)壓控制系統(tǒng)的存在讓光伏電站擁有了更好的發(fā)展方向，具體來說就是使用這一控制系統(tǒng)來進(jìn)行控制，能夠在最大程度上降低光伏電站無功功率補償裝置的投入與實際使用，降低無功補償裝置帶來的消耗與磨損，盡量降低用電產(chǎn)生的成本，這在很多時候能夠更好的提升光伏電站整體發(fā)電效率以及經(jīng)濟(jì)水平。

1.2 調(diào)頻調(diào)壓控制系統(tǒng)的主要功能

調(diào)頻調(diào)壓控制系統(tǒng)相比較于傳統(tǒng)的控制方式，有著非常多的優(yōu)點，同時功能也更加多樣化。首先就是調(diào)頻調(diào)壓控制系統(tǒng)可以根據(jù)實際工作環(huán)境和實際狀態(tài)選擇恰當(dāng)?shù)碾妷嚎刂颇Ｊ剑瑫r也能夠控制功率、無功功率、一次調(diào)頻、二次調(diào)頻等內(nèi)容。其次則是調(diào)頻調(diào)壓控制系統(tǒng)可以根據(jù)調(diào)度AVC/AGC 等實際要求，實現(xiàn)對于光伏電站的電壓有效控制。調(diào)頻調(diào)壓控制系統(tǒng)在實際控制的過程中，一旦系統(tǒng)頻率出現(xiàn)了一定的偏移，那么調(diào)頻調(diào)壓控制系統(tǒng)就可以根據(jù)之前設(shè)定好的曲線完成調(diào)頻響應(yīng)。調(diào)頻調(diào)壓控制系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了頻率的主動上升，那么調(diào)頻調(diào)壓控制系統(tǒng)就可以自動進(jìn)行有功輸出的降低。而如果頻率出現(xiàn)了相反的狀態(tài)，也就是頻率正處于下降，那么調(diào)頻調(diào)壓控制系統(tǒng)可以在限定功率的狀態(tài)下來通過自身調(diào)節(jié)實現(xiàn)功率的提升。最后則是調(diào)頻調(diào)壓控制系統(tǒng)可以對控制光伏電站內(nèi)部的所有逆變器來進(jìn)行集中控制，提升控制效率。

1.3 調(diào)頻調(diào)壓控制系統(tǒng)主要技術(shù)特點

1.3.1 并網(wǎng)點數(shù)據(jù)高精度實時采集運算

調(diào)頻調(diào)壓控制系統(tǒng)使用之后，可以對并網(wǎng)點的CT 和PT 信號進(jìn)行模擬量采集，從而計算并網(wǎng)點的實際電壓、電流、功率、無功功率、功率因數(shù)、頻率、零序分量、負(fù)序分量、不平衡電壓等內(nèi)容。可以說調(diào)頻調(diào)壓控制系統(tǒng)實際使用的過程中，能夠?qū)Σ杉瘮?shù)據(jù)、計算數(shù)據(jù)、策略數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲控制，實現(xiàn)進(jìn)一步的加強與提升。

1.3.2 控制點靈活選擇

表1：并網(wǎng)點恒電壓連續(xù)運行范圍測試數(shù)據(jù)

表2：并網(wǎng)點有功功率控制性能試驗數(shù)據(jù)

未來可以根據(jù)不同風(fēng)電場的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來選擇合適的控制點位置，從而更好的滿足電網(wǎng)以及用戶的實際需求，具體來說分為兩側(cè)，分別是高壓側(cè)和低壓側(cè)。兩者控制點各有各的好處，能夠滿足電網(wǎng)對于風(fēng)電場調(diào)頻和調(diào)壓功能的實際需求。錄波功能可以根據(jù)用戶對于所有的電氣量進(jìn)行錄波，這能夠更加輕松的開展故障分析工作。

1.3.3 智能分配策略控制

頻率快速響應(yīng)控制方案已經(jīng)考慮了每臺風(fēng)機、逆變器的實際運行情況，從而根據(jù)場站的整體情況來分配最好的控制策略。智能分配還需要搭配對應(yīng)的計算機來承擔(dān)計算任務(wù)，保證數(shù)據(jù)的計算不會出現(xiàn)錯誤，同時也能夠保證數(shù)據(jù)的計算效率。

綜上，本文研究基于環(huán)境規(guī)制視角，以農(nóng)村化學(xué)品企業(yè)作為研究對象，以環(huán)保部在《化學(xué)品環(huán)境風(fēng)險防控“十二五”規(guī)劃》中重點提及的化學(xué)品污染重點防控產(chǎn)業(yè)為研究范圍，利用2002—2011年農(nóng)村工業(yè)企業(yè)數(shù)據(jù)實證分析環(huán)境規(guī)制因素是否對中國農(nóng)村化學(xué)品企業(yè)發(fā)展存在“污染天堂效應(yīng)”，本文得出的結(jié)論如下：

1.3.4 快速可靠的場站通訊解決方案

這一系統(tǒng)使用了直接與單臺逆變器進(jìn)行通訊的方式，站在接口的角度來直接通過光纖方式傳輸?shù)胶诵姆?wù)器位置，這極大的提升了通訊的效率以及質(zhì)量。對于通訊接口數(shù)量不足的場站來說，可以通過獨創(chuàng)的一轉(zhuǎn)二方式來解決問題，從而滿足快速計算響應(yīng)的實際需求。

1.3.5 硬件平臺

硬件方面，使用了高性能的處理模塊、組件、人機界面，從而實現(xiàn)了高性能、高可靠性、免風(fēng)扇、低功耗的整機一體化工業(yè)設(shè)計，這極大提升了系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性，而高精度的計算模塊在很多時候也增加了控制策略的可靠水平。

1.3.6 軟件平臺

針對于先進(jìn)的多任務(wù)操作系統(tǒng)平臺，將軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化之后，能夠極大的提升軟件系統(tǒng)整體可靠性，讓整個系統(tǒng)都能夠擁有優(yōu)越的性能水平。

1.3.7 安裝與維護(hù)

在柜內(nèi)走線的過程中，需要注意強弱電的分離，安裝獨立的電源回路、輸入輸出信號進(jìn)行電氣隔離，合理設(shè)置機柜，保證系統(tǒng)無需進(jìn)行維護(hù)。

1.4 調(diào)頻調(diào)壓控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

調(diào)頻調(diào)壓控制系統(tǒng)擁有非常多的環(huán)節(jié)以及部分，這些環(huán)節(jié)和部分溝通構(gòu)成了這一系統(tǒng)。比如說在這一系統(tǒng)當(dāng)中有：SCADA 系統(tǒng)、核心優(yōu)化控制系統(tǒng)、接口通訊模塊系統(tǒng)等等，圖1 為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。

圖1：調(diào)頻調(diào)壓控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2 調(diào)頻調(diào)壓控制系統(tǒng)在新能源場站應(yīng)用現(xiàn)狀

在實際應(yīng)用的過程中可以發(fā)現(xiàn)，很多時候光伏、風(fēng)機等新能源場站擁有較強的間接性與隨機性，也就是在實際使用的過程中需要考慮非常多的變量帶來的影響。在這一過程中，新能源場站發(fā)電出力的變化情況對于電網(wǎng)來說有著非常大的影響與阻礙，并且這一影響很多時候不可避免。那么在這一過程中，如何使用合適的方式進(jìn)行調(diào)頻調(diào)壓的可控變化就成為了非常重要的工作內(nèi)容與工作主題。調(diào)頻調(diào)壓控制技術(shù)可以對無功電壓、有功電壓都進(jìn)行管理與控制，而調(diào)頻調(diào)壓控制技術(shù)未來使用過程中的好處則是通過調(diào)頻調(diào)壓控制系統(tǒng)能夠?qū)ξ覈男履茉窗l(fā)電電壓控制情況進(jìn)行管理。

2.1 對無功電壓控制的應(yīng)用情況

為了更好的保證電力用戶用電安全性與經(jīng)濟(jì)性，那么就需要使用合適的方式來使用電力系統(tǒng)對電力進(jìn)行控制與調(diào)度，從而達(dá)成追求的目標(biāo)。在這一目標(biāo)的幫助以及影響下，未來做好新能源場站的調(diào)頻調(diào)壓控制就顯得非常重要，成為了非常關(guān)鍵的工作內(nèi)容。而在當(dāng)下，我國的新能源場站電壓控制主要的控制方式就是使用AVC控制系統(tǒng)，這種控制方式很多時候存在一定的弊端與影響，首先就是電壓調(diào)節(jié)起來較為粗獷。這種粗獷的電壓調(diào)節(jié)方式很多時候容易導(dǎo)致場站的發(fā)電設(shè)備運行受到一定的影響與阻礙，甚至出現(xiàn)損壞。如果沒有充分發(fā)揮出逆變器或者風(fēng)機的本身無功容量，那么非常容易導(dǎo)致新能源場站的無功容量出現(xiàn)重復(fù)配置，進(jìn)而增加成本，具體來說缺陷主要包括以下部分：

首先新能源發(fā)電技術(shù)當(dāng)下的電壓合格率比較低，很難實現(xiàn)在根本上滿足用戶需求的要求，尤其是一些用戶對于輸電有著較高的質(zhì)量要求。其次則是新能源當(dāng)下還存在一個比較不合理的現(xiàn)象，那就是在很大程度上導(dǎo)致我國的電網(wǎng)運行狀態(tài)與運行安全受到了影響。同時新能源發(fā)電并不穩(wěn)定，這在某種程度上來說我國的電網(wǎng)系統(tǒng)也因此而受到了損失，這將會影響新能源場站對于調(diào)頻調(diào)壓的無功控制以及各個環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)管理。最后則是由于無功電壓具有較強的非線性關(guān)系，再加上控制設(shè)備有著不同的特點，這在很多時候?qū)е抡{(diào)壓的難度提升。

無功電壓調(diào)節(jié)精度和控制響應(yīng)時間情況如圖2。

圖2：并網(wǎng)點恒電壓目標(biāo)值37kV 響應(yīng)波形

恒電壓調(diào)節(jié)：

注：圖2 中藍(lán)色曲線為35kV 母線電壓Ua1，棕色曲線為35kV并網(wǎng)線路總無功功率Q3，紫色曲線為35kV 并網(wǎng)線路電流，紅色曲線為35kV 并網(wǎng)線路總有功功率，兩條綠色豎線中第一條豎線為調(diào)度下發(fā)指令時間，第二條豎線為并網(wǎng)點無功功率實際輸出達(dá)到變化量（目標(biāo)值與初始值之差）90%的時間。

全站有功可調(diào)容量16MWp，從表1 中數(shù)據(jù)可以看出，并網(wǎng)點電壓目標(biāo)值為37kV 時，并網(wǎng)點電壓實際值為37.13kV，誤差為0.13kV，控制系統(tǒng)響應(yīng)時間為7.74s；并網(wǎng)點電壓目標(biāo)值為38kV時，并網(wǎng)點電壓實際值為38.01kV，誤差為0.01kV，控制系統(tǒng)響應(yīng)時間為5.71s。以上試驗控制系統(tǒng)響應(yīng)時間均小于10s，誤差均小于0.175kV（標(biāo)稱電壓的0.5%）。滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T29321-2012 的要求。

2.2 對有功頻率控制的應(yīng)用情況

根據(jù)新能源在調(diào)頻調(diào)壓控制系統(tǒng)當(dāng)中的參與程度進(jìn)行由高到低的分析之后，可以針對于系統(tǒng)AGC 與新能源的關(guān)系分為三個層次。首先第一層次是高層次，AGC 在很多時候可以針對于新能源出力進(jìn)行調(diào)控，保證新能源處于可以操作以及可以控制的范圍當(dāng)中，實現(xiàn)對常規(guī)電廠一樣的響應(yīng)系統(tǒng)調(diào)頻以及調(diào)峰工作處理。其次第二層次為中層次，AGC 考慮到了新能源處理的預(yù)測值，能夠?qū)⒇?fù)荷預(yù)測和新能源預(yù)測的不確定性進(jìn)行結(jié)合，通過發(fā)電來進(jìn)行計劃與安排。這種方式在很多歐美國家得到了使用與落實，但是由于需要考慮到電網(wǎng)發(fā)電和使用的實際原則，依舊不能夠影響新能源的實際使用。最后則是第三個層次，低層次。這一層次當(dāng)中，發(fā)電工作被安排在新能源自發(fā)電之外，同時也被排除在AGC 之外，將發(fā)電工作設(shè)定為負(fù)荷工作，在出力的過程中，整體不確定因素主要的補償方式就是依靠系統(tǒng)的熱備用容量來進(jìn)行。在這一過程中，這種方式可以有效的抑制有效功率輸出波動，從而更好的保證電網(wǎng)內(nèi)部實現(xiàn)有功之間的平衡。有功頻率控制調(diào)節(jié)精度和響應(yīng)時間情況如圖3。

圖3：并網(wǎng)點有功功率目標(biāo)值1MW 波形圖

注：圖3 中藍(lán)色曲線為35kV 母線電壓Ua1，棕色曲線為35kV并網(wǎng)線路總無功功率，紅色曲線為35kV 并網(wǎng)線路總有功功率，紫色曲線為35kV 并網(wǎng)線路電流。

從表2 中數(shù)據(jù)可以看出，并網(wǎng)點有功功率運行范圍試驗操作中，有功功率初始值為9.28MW，給定值為6MW，有功功率實際值為6MW，響應(yīng)時間為9.18s；有功功率初始值為6MW，給定值為1MW，有功功率實際值為1MW，響應(yīng)時間為8.82s。并網(wǎng)點有功功率調(diào)節(jié)的精度和控制系統(tǒng)響應(yīng)時間均能滿足電網(wǎng)需求。AGC調(diào)節(jié)時，系統(tǒng)處于恒無功模式，母線電壓和無功功率均無明顯波動。

3 調(diào)頻調(diào)壓控制系統(tǒng)在新能源場站頻率快速控制方面的對策討論與分析

首先，第一步驟就是將現(xiàn)有的調(diào)頻調(diào)壓控制系統(tǒng)進(jìn)行完善與加強，這一系統(tǒng)對于新能源的發(fā)電工作來說有著非常重要的意義和作用，可以說這一系統(tǒng)屬于關(guān)鍵，也屬于基礎(chǔ)的核心。因此，未來在實際開展調(diào)頻調(diào)壓控制的過程中需要根據(jù)不同新能源場站來選擇合適的調(diào)頻調(diào)壓控制方式，根據(jù)實際情況來對調(diào)頻調(diào)壓控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)與處理。其次則是需要進(jìn)一步做好新能源發(fā)電過程中的有效功率控制與處理，在實際應(yīng)用的過程中可以根據(jù)分級處理的方式來進(jìn)行調(diào)頻，實現(xiàn)整體過程中的調(diào)頻加強。比如說調(diào)頻工作可以根據(jù)實際情況來分為一次調(diào)頻控制、二次調(diào)頻控制、三次調(diào)頻控制三種方式。最后則是可以進(jìn)一步提升調(diào)頻調(diào)壓控制系統(tǒng)工作人員的實際工作素養(yǎng)。調(diào)頻調(diào)壓控制系統(tǒng)需要系統(tǒng)人員具體有非常好的工作素養(yǎng)與工作經(jīng)驗，掌握了基礎(chǔ)技能之后才能夠做好基本工作，只有做好了基本工作，才能夠在今后越發(fā)復(fù)雜的電網(wǎng)變化當(dāng)中及時調(diào)整調(diào)頻調(diào)壓控制系統(tǒng)，適應(yīng)越來越復(fù)雜的變化狀態(tài)。

4 結(jié)束語

總而言之，風(fēng)電和光伏等新能源在發(fā)電方面已經(jīng)證明了其可應(yīng)用性和實際效果，而新能源除了發(fā)電之外，還需要對發(fā)電功率進(jìn)行自動控制，實現(xiàn)更好的管理與提升。除此之外，在這一過程當(dāng)中，新能源需要建立更加有效的發(fā)電自動控制方式，這種發(fā)電自動控制方式一方面能夠開拓電網(wǎng)的接入，接收新能源的實際能力，另一方面還能夠打破傳統(tǒng)化石能源發(fā)電產(chǎn)生的一些問題和影響。可以說這種發(fā)電自動控制方式是一種雙贏的措施，屬于未來電力行業(yè)發(fā)展的主要方向。