適應新能源并網(wǎng)的自動發(fā)電控制技術分析

張鴿

（國電建投內蒙古能源有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017209）

根據(jù)電力消耗的實際情況，電力系統(tǒng)的負荷不斷變化。因此獨立的電力系統(tǒng)可以調整供電和需求的平衡，使系統(tǒng)頻率保持在合理范圍內，以確?？刂葡到y(tǒng)適合的功率質量。為了確保電力網(wǎng)的實時平衡，需要生成控制系統(tǒng)以通過負荷的變化來實現(xiàn)電力系統(tǒng)安全可靠。

1 自動發(fā)電控制

1.1 背景及原理

現(xiàn)在電網(wǎng)規(guī)模越來越大，其安全性越來越重要，電網(wǎng)運行中最重要的任務是將安全可靠的電壓和頻率分配給各電力設備，保證工作電力的平衡，應對電力網(wǎng)所需要的負荷正在不斷變化的情況。新能源發(fā)電整個控制系統(tǒng)是時間變化系統(tǒng)，不能保持頻率恒定。通常，頻率變化限制在小范圍內。為了不讓實際的工作頻率超出這個范圍，需要實時調整有源電源的輸出負荷。一般導入自動發(fā)電控制，即使在負荷變動時也能維持電力的平衡［1］。

隨著電力系統(tǒng)的不斷擴大，單一的電力系統(tǒng)無法適應電力網(wǎng)整體的發(fā)展。這需要主電力網(wǎng)，特別是相鄰電力系統(tǒng)之間的相互連接。在煤炭資源和能源消耗分布不平衡，引起不平衡的情況下，主電網(wǎng)之間的相互連接是更加必要的，這樣的相互連接會給雙方提供高水平的安全保障，從而帶來巨大的經(jīng)濟效果，因此研究廣域連接的新能源發(fā)電AGC具有更現(xiàn)實的意義。由于多域互連的延遲和各種約束非線性增加了控制難度，如果出現(xiàn)問題后再進行改進將無法彌補損失，因此需要找到適當?shù)目刂品椒▉肀ＷC安全運行［2］。

1.2 智能控制算法應用

自動發(fā)電控制從微處理器模式到當前的自適應自調整模式，實現(xiàn)了技術的不斷發(fā)展。使用PI控制進行自動控制，逐漸實現(xiàn)了合理地控制模式以及網(wǎng)絡構建。傳統(tǒng)的PI控制結構具有簡單而獨特的特征，廣泛應用于自動控制區(qū)域，單步控制方式采用基于局部控制偏置的PI控制裝置［3］。控制電源分別構成了控制器的一部分，這個PI控制器作為構成部分被廣泛使用。

AGC控制系統(tǒng)在當前電力網(wǎng)的擴充，特別是新能源網(wǎng)絡容量方面有重要的應用。由于風力發(fā)電比太陽能發(fā)電具有更大的不確定性，所以在風力發(fā)電與網(wǎng)絡連接后，對自動發(fā)電控制系統(tǒng)的需求增加，只有具備自動發(fā)電控制系統(tǒng)的風電場大規(guī)模集成。太陽能出力特性比較穩(wěn)定，沒有風電那樣的尖峰或鋸齒狀出力曲線，一般安裝規(guī)模較大的太陽能電站可根據(jù)實際情況，選擇是否安裝自動發(fā)電控制系統(tǒng)的容量、自動發(fā)電控制系統(tǒng)的構成，也需要保證電力網(wǎng)的運行穩(wěn)定性。

2 控制技術

2.1 電力電子技術

AGC系統(tǒng)就是發(fā)電自動控制系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)發(fā)電頻率與功率的自動調整，在新能源發(fā)電過程中具有重要地位［4］。經(jīng)過近幾年的發(fā)展，現(xiàn)在的電網(wǎng)已經(jīng)成為幾個相鄰電網(wǎng)連接的區(qū)域。改變了原來的運行狀況。如果一個地區(qū)的發(fā)電和負荷不平衡的話，其他地區(qū)可以通過地區(qū)間通信進行通信。但是，這也造成了電力網(wǎng)之間連接線的交換功率的變動，并行變動的容量與系統(tǒng)容量成比例，隨著是正向相關，隨著其中一個的增加而增加，特別嚴重的情況下，會引起連接線的過載。因此，如果電力系統(tǒng)管理不當，會產(chǎn)生很多不利因素，無法保障系統(tǒng)的安全。

在進行系統(tǒng)控制過程中有多種方法，首先是利用區(qū)域控制偏差，根據(jù)電網(wǎng)實際負載與頻率的差異表示負荷平衡狀態(tài)，然后繼續(xù)地區(qū)供電的平衡與調整［5］。偏差出現(xiàn)的原因主要有設計過程中的偏差，以及并網(wǎng)運行過程中的頻率偏差和功率偏差等影響。通過負載頻率控制進行調整，滿足在用戶用電變化的情況下本地負荷的穩(wěn)定。

由于新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的要求與傳統(tǒng)發(fā)電不完全相同，對于輸出負荷存在特殊要求，因此在進行設計與控制過程中應該考慮各種設備的運行特點以及功能，合理利用設備來進行系統(tǒng)穩(wěn)定性提升，并保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，接下來對一些主要設備進行介紹分析。

（1）并網(wǎng)逆變器

以往的逆變轉換器具有響應速度快、慣性小、過電流能力弱等特點。由于新能源發(fā)電單元的輸出負荷必須通過電力電子轉換器并入電網(wǎng)，逆變器不僅可以適應以往的逆變器功能，還可以適應復雜多樣的輸出。因此，網(wǎng)絡逆變器容量的提高是將新能源網(wǎng)絡化的核心技術，太陽能發(fā)電逆變控制框圖如圖1所示。

圖1 太陽能發(fā)電逆變控制框圖

（2）靜態(tài)開關

靜態(tài)開關是一種控制節(jié)點，能夠將主網(wǎng)絡與微網(wǎng)絡的運行故障分離，這種開關一般設計于網(wǎng)絡節(jié)點位置，這樣在故障發(fā)生時，能夠在連接點產(chǎn)生作用，實現(xiàn)微網(wǎng)格單獨運行，避免了整體波動帶來的影響［6］。新能源發(fā)電過程中需要能夠有效地應對負荷以及頻率的變化，通過靜態(tài)開關控制能夠有效進行轉換過程，實現(xiàn)關鍵控制。

（3）電能質量控制裝置

由于風力能源和太陽能發(fā)電的隨機性和可變性，如果同時發(fā)電大量新能源，會影響整個系統(tǒng)電壓、頻率等基本指標的穩(wěn)定性。不利于電網(wǎng)的穩(wěn)定性。微網(wǎng)格中單相分布電源的大量存在增加了配電系統(tǒng)的三相失衡程度，電子負荷容易受到瞬態(tài)、掉落、諧波、突發(fā)等干擾的影響。所以為了實現(xiàn)發(fā)電的穩(wěn)定以及質量，應該對質量控制裝置進行研究，以供電平衡和穩(wěn)定為控制目標。

2.2 微電網(wǎng)技術

微網(wǎng)格是通過發(fā)電單元和其對應的電力電子設備來配置的，可以解決分布電源的大規(guī)模網(wǎng)絡運營問題。如果發(fā)電有大量的新能源提供，提高包含新能源的微網(wǎng)格的控制能力是很重要的。

大電網(wǎng)故障的話，新能源網(wǎng)絡和分布式發(fā)電的主要區(qū)別之一是微網(wǎng)格與大型電力網(wǎng)并行分離運行，大電力網(wǎng)發(fā)生故障時獨立運行。兩個運行狀態(tài)之間的過渡過程是對大規(guī)模電網(wǎng)的攝動，對大規(guī)模電網(wǎng)的穩(wěn)定運行產(chǎn)生一定影響，需要改善微網(wǎng)格的結構和構成參數(shù)，改善控制戰(zhàn)略，排除對大規(guī)模電網(wǎng)的影響。

先進的能源管理和優(yōu)化運行先進的能源管理是微電網(wǎng)的關鍵組成部分，通過分布式設備和負載的靈活調度，實現(xiàn)基于能源需求、市場信息、運行限制的快速決策和系統(tǒng)優(yōu)化。微網(wǎng)與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡之間不同之處在于熱電匹配，微網(wǎng)通過負載設計實現(xiàn)了與熱電的耦合，這樣就導致微網(wǎng)可以與電網(wǎng)自由交換能量，微網(wǎng)EMS可以提供高質量的電力以犧牲非關鍵負載或延遲響應分層服務，這樣就能夠在特殊情況下付出可以接受的代價來保護關鍵負載。

3 系統(tǒng)穩(wěn)定性

3.1 產(chǎn)生穩(wěn)定性影響的原因

在新能源發(fā)電過程中，自動發(fā)電控制系統(tǒng)影響整個系統(tǒng)穩(wěn)定性，因為發(fā)電控制決定整體功率以及頻率的穩(wěn)定，因此需要對自動發(fā)電控制造成的穩(wěn)定性波動進行分析。特別是當新能源連接到當?shù)氐碾娏W(wǎng)時，自動發(fā)電控制系統(tǒng)起到了更重要的作用。新能源有功功率控制系統(tǒng)需要收集電力系統(tǒng)不同部分的運行數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)各日期預測的負載曲線、風能或太陽能的輸出曲線和輸出預測來監(jiān)測這些數(shù)據(jù)信息。針對傳統(tǒng)發(fā)電機等全網(wǎng)曲線計算功率平衡，并根據(jù)實際需要智能控制全網(wǎng)太陽能和風力輸出。

3.2 控制系統(tǒng)穩(wěn)定性

在實際的控制過程中，發(fā)電自動控制主要是控制各種發(fā)電的設備。通過中控進行具體設備的控制，通過指令來調整發(fā)電設備運行狀態(tài)，實現(xiàn)自動控制過程。調整發(fā)電機的運轉率時，必須調整發(fā)電機的運轉率，以保證安全運轉。系統(tǒng)功率方面和負載方面的功率平衡不可或缺的關鍵技術是電力系統(tǒng)安全可靠的動作。為了實現(xiàn)穩(wěn)定控制，可以對不同種類新能源或者多種模式新能源混合發(fā)電的裝置以及發(fā)電環(huán)節(jié)進行模擬構建，進行基本控制模擬分析。將新能源發(fā)電單元作為獨立區(qū)域，構建自動發(fā)電控制系統(tǒng)，分析其控制性能和實時控制效果。

風能和傳統(tǒng)的自來水及電不同，風能是不規(guī)則、變動的能源。所以發(fā)電功率受到風速和風力的影響很大，因此需要進行穩(wěn)定控制，合理控制風力變化過程中整個電網(wǎng)的供電負荷以及頻率波動。以往的風力能源自動發(fā)電控制系統(tǒng)常利用風力能源作為電氣區(qū)域的負荷擾動，形成包含風電和火力的電力區(qū)域，并控制火力裝置的輸出負荷到達該區(qū)域。

當風力發(fā)電并網(wǎng)容量較小時，根據(jù)現(xiàn)有包括風能在內的自動發(fā)電控制系統(tǒng)的結構，可以解決風電并網(wǎng)問題。但當風力發(fā)電并網(wǎng)容量較大時，為了應對風力發(fā)電機出力負荷變化較大，必須對區(qū)域火電機組進行大范圍、連續(xù)性調整。調節(jié)裝置的輸出負載，排除不利于安全運行的因素。如果有風力發(fā)電機，輸出負載變化比較大，可能會引起整個區(qū)域的頻偏波動較大。因此，應調查以風力發(fā)電為獨立區(qū)域的自動發(fā)電控制系統(tǒng)的構造，如果風力發(fā)電機的輸出負荷顯著變化的話，全系統(tǒng)可補償負荷達到目標，應確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，并達到高效節(jié)能的目的。

4 結論

在自動發(fā)電控制系統(tǒng)中，風能作為負荷擾動加到一個單位面積負荷，風電機組輸出功率的所有波動都由該地區(qū)的火力單元調節(jié)。該地區(qū)的火力發(fā)電廠必須對負荷變化做出快速反應，且并網(wǎng)風力發(fā)電機組容量因火力發(fā)電廠本身負荷變化的物理限制而不會很大，否則火力發(fā)電廠機器會跟不上當?shù)刎摵傻淖兓?，這也是風電的網(wǎng)絡模式的缺點。為了保證局部發(fā)電負荷一定，當?shù)氐幕鹆Πl(fā)電站的連續(xù)可變輸出負荷對能源的有效利用不利，也對安全可靠的高運轉不利。未來的研究非常需要提出一種改善新能源并網(wǎng)的新方法。