新能源場站功率控制能力的影響因素分析及提升方法

叢 雨，劉 宇，王立強(qiáng)，原 帥

（內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020）

0 引言

隨著新能源接入內(nèi)蒙古電網(wǎng)規(guī)模的不斷增大，新能源發(fā)電正在由補充性能源向替代性能源轉(zhuǎn)變，系統(tǒng)呈現(xiàn)電力電子化特征。特別是在高比例新能源匯集地區(qū)，輸送線路長、距離常規(guī)電源遠(yuǎn)、電網(wǎng)較弱，電壓變化較大、波動性強(qiáng)，給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行帶來一定風(fēng)險，提高電網(wǎng)對新能源頻率和電壓控制能力的需求不斷增加[1-2]。目前，新能源場站中有功和無功功率通過功率自動控制系統(tǒng)，即自動發(fā)電控制（Automatic Generation Control，AGC）系統(tǒng)和自動電壓控制（Automatic Voltage Control，AVC）系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，對局部電網(wǎng)頻率控制和電壓調(diào)節(jié)起到了關(guān)鍵作用。但現(xiàn)場AGC和AVC系統(tǒng)中對場站機(jī)組控制策略及關(guān)鍵控制參數(shù)的設(shè)置存在一些問題，造成新能源場站功率控制性能不滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[3-4]要求，新能源場站接入電網(wǎng)的頻率和電壓支撐能力受到一定程度的影響[5]。

為提升大規(guī)模新能源并網(wǎng)后對電網(wǎng)頻率和電壓的支撐能力，本文針對新能源場站有功和無功功率控制要求，對現(xiàn)場功率控制能力測試中性能指標(biāo)不滿足要求的原因進(jìn)行分析，從AGC和AVC系統(tǒng)中控制策略及關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置方面，提出優(yōu)化方法和整改措施，提升新能源發(fā)電頻率和電壓的支撐能力。

1 新能源場站功率控制能力技術(shù)要求

1.1 有功功率變化率要求

新能源場站向電力系統(tǒng)輸送有功功率受天氣影響較大，場站的有功功率存在短時間內(nèi)波動巨大的可能性，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性，因此需要將新能源場站的有功功率變化率限制在合理的范圍內(nèi)[6]。有功功率變化率包括1 min有功功率變化和10 min有功功率變化，國家標(biāo)準(zhǔn)[3-4]要求的最大限值如表1所示。

表1 正常運行時新能源場站有功功率變化最大限值Tab.1 Maximum limit of active power change of new energy stations during normal operation

上述要求適用于風(fēng)電場的正常停機(jī)，但也允許出現(xiàn)因風(fēng)速降低、風(fēng)速過大（超出切除風(fēng)速）以及太陽能輻照度降低而造成的場站功率變化率超出限值的情況。

1.2 有功功率控制能力要求

為了保持電力系統(tǒng)的功率平衡，電力調(diào)度機(jī)構(gòu)會根據(jù)情況實時下發(fā)并調(diào)節(jié)新能源場站的有功功率出力指令，這就要求新能源場站配置的有功功率控制系統(tǒng)能夠及時、準(zhǔn)確地執(zhí)行調(diào)度指令，以保證系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性，防止出現(xiàn)輸電線路過載等危及系統(tǒng)安全穩(wěn)定的情況[7-8]。新能源場站有功功率控制能力主要根據(jù)其執(zhí)行調(diào)度指令的精度、響應(yīng)時間及調(diào)節(jié)時間等指標(biāo)來評估。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[3-4]要求的上述指標(biāo)最大限值如表2所示。

表2 新能源場站有功功率控制指標(biāo)最大限值Tab.2 Maximum limit of active power control indexes of new energy stations

1.3 無功功率控制能力要求

新能源場站一般處于電網(wǎng)末端且會吸收大量無功功率，大規(guī)模接入易造成整個系統(tǒng)的電壓超出安全范圍，甚至導(dǎo)致電壓崩潰，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，新能源場站均應(yīng)配置無功電壓控制系統(tǒng)，保證正常運行時并網(wǎng)點的電壓符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[3-4]的要求，且無功電壓控制系統(tǒng)應(yīng)能嚴(yán)格執(zhí)行電力調(diào)度機(jī)構(gòu)下達(dá)的電壓或無功指令，以實現(xiàn)合理的系統(tǒng)無功電壓分布[9-13]。新能源場站無功功率控制能力主要根據(jù)其執(zhí)行調(diào)度指令的精度及響應(yīng)時間等指標(biāo)來評估。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[3-4]要求的各指標(biāo)最大限值如表3所示。

表3 新能源場站無功功率控制指標(biāo)最大限值Tab.3 Maximum limit of reactive power control indexes of new energy stations

2 新能源場站功率控制能力影響因素分析

2.1 功率變化率影響分析

新能源場站的有功功率變化率主要與場站AGC系統(tǒng)中設(shè)置的功率變化速率有關(guān)。部分新能源場站AGC系統(tǒng)未按照表1要求設(shè)置正常啟機(jī)、停機(jī)及運行過程中的變化率限值，新能源場站有功功率變化快，存在越限問題；AGC未對調(diào)度有功功率指令和正常運行兩種方式下的功率變化率進(jìn)行區(qū)分，AGC在接受調(diào)度指令后仍按照功率變化率要求調(diào)節(jié)有功功率輸出，造成有功功率控制調(diào)節(jié)時間不滿足要求。

某110 kV光伏電站裝機(jī)容量100 MW，按照國家標(biāo)準(zhǔn)[3]要求，在光伏電站啟動、停機(jī)過程中，1 min有功功率變化率不應(yīng)超過裝機(jī)容量的10%，即功率變化不超過10 MW/min。如圖1所示，現(xiàn)場AGC系統(tǒng)中啟機(jī)有功功率變化參數(shù)設(shè)置為每30 s功率變化15 MW，停機(jī)有功功率變化參數(shù)設(shè)置為每30 s功率變化10 MW，啟機(jī)測試的1 min有功功率變化最大值為33.3 MW，停機(jī)測試的1 min有功功率變化最大值為20.6 MW，均遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)要求的10 MW限值，光伏電站啟、停機(jī)功率快速變化對局部系統(tǒng)的有功和無功功率平衡造成不利影響。

圖1 啟、停機(jī)過程中有功功率變化曲線Fig.1 Active power variation curve during startup and shutdown

2.2 有功功率控制能力影響分析

新能源場站有功功率控制能力與AGC系統(tǒng)中設(shè)置的有功功率調(diào)節(jié)速率、調(diào)節(jié)死區(qū)、新能源機(jī)組有功控制能力及控制策略有關(guān)。風(fēng)電場AGC調(diào)節(jié)系統(tǒng)中上調(diào)和下調(diào)速率若按照“每分鐘小于場站裝機(jī)容量的10%”進(jìn)行調(diào)節(jié)步長設(shè)置，調(diào)節(jié)時間將不滿足要求，光伏電站的下調(diào)速率與風(fēng)電場一致，上調(diào)速率應(yīng)滿足“場站裝機(jī)容量的20%~100%”可調(diào)節(jié)、不限制速率。風(fēng)電場有功功率調(diào)節(jié)死區(qū)若沒有根據(jù)場站容量的0.5%進(jìn)行設(shè)置，裝機(jī)容量小的風(fēng)電場站有功功率調(diào)節(jié)精度將不滿足要求。部分風(fēng)電場有功控制策略不合理，通過啟、停機(jī)調(diào)節(jié)有功功率，功率下調(diào)則部分機(jī)組停機(jī)，若再上調(diào)時停機(jī)機(jī)組不能及時啟動，則會發(fā)生有功功率不能調(diào)節(jié)到目標(biāo)值，響應(yīng)時間、調(diào)節(jié)時間不滿足要求的情況；部分新能源場站風(fēng)電和光伏發(fā)電能量管理平臺對機(jī)組有功功率的控制精度偏低，造成AGC指令下達(dá)后，場站有功功率不能調(diào)節(jié)到目標(biāo)值。

如圖2所示，某110 kV風(fēng)電場裝機(jī)容量50 MW，風(fēng)電場有功功率下調(diào)至額定裝機(jī)容量的20%時，風(fēng)電能量管理平臺對機(jī)組功率調(diào)節(jié)分配不均，造成多臺機(jī)組停機(jī)；在上調(diào)過程中，從額定裝機(jī)容量的60%調(diào)節(jié)到80%的測試中，由于風(fēng)電機(jī)組啟機(jī)時間過長，控制系統(tǒng)響應(yīng)時間達(dá)284 s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出30 s的允許值。

圖2 風(fēng)電場有功控制測試功率變化曲線Fig.2 Power variation curve of wind farm active power control test

如圖3所示，某110 kV光伏電站裝機(jī)容量為100 MW，有功功率從額定裝機(jī)容量的20%上調(diào)至80%測試過程中，由于AGC設(shè)置不合理，有功功率調(diào)節(jié)時間達(dá)267 s，遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)[3]要求的120 s。

圖3 光伏電站有功控制上調(diào)有功功率變化曲線Fig.3 Active power variation curve of photovoltaic power station with active power control up regulation

2.3 無功控制能力影響分析

新能源場站無功功率控制能力與AVC系統(tǒng)的無功功率調(diào)節(jié)步長，以及新能源機(jī)組無功補償、無功控制能力及協(xié)調(diào)控制策略有關(guān)。若AVC系統(tǒng)中無功調(diào)節(jié)步長設(shè)置小，無功功率控制需要經(jīng)過多次設(shè)置調(diào)節(jié)步長才能調(diào)節(jié)到位，響應(yīng)時間不能滿足要求，電壓調(diào)節(jié)速率受限。AVC系統(tǒng)對新能源單機(jī)無功功率控制中功率因數(shù)調(diào)節(jié)范圍的設(shè)置若不滿足±0.95的要求，則新能源無功出力受限，整站無功功率和電壓調(diào)節(jié)范圍受限。新能源場站機(jī)組多，常存在無功功率協(xié)調(diào)控制時間長、控制精度不滿足要求的情況；有些新能源場站無功功率/電壓控制沒有優(yōu)先于新能源機(jī)組進(jìn)行調(diào)節(jié)，無功功率補償裝置協(xié)調(diào)控制策略有待優(yōu)化。

如圖4所示，某110 kV光伏電站裝機(jī)容量為100 MW，AVC系統(tǒng)設(shè)置的無功功率單次調(diào)節(jié)步長為8 Mvar，無功功率從容性7.5 Mvar下調(diào)至感性20 Mvar，無功功率響應(yīng)時間為107 s；無功功率從感性20 Mvar上調(diào)至0 Mvar，無功功率響應(yīng)時間76 s，超過了標(biāo)準(zhǔn)要求（10 s）[3]。

圖4 光伏電站無功控制調(diào)節(jié)無功功率變化曲線Fig.4 Variation curve of reactive power control and regulation of photovoltaic power station

如圖5所示，某220 kV風(fēng)電場裝機(jī)容量100 MW，AVC系統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組功率因數(shù)設(shè)置為±0.98范圍內(nèi)可調(diào)，新能源無功功率調(diào)節(jié)容量范圍不滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[4]。

圖5 AVC系統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組可調(diào)功率因數(shù)參數(shù)設(shè)置畫面截圖Fig.5 Screenshot of AVC system wind turbine adjustable power factor parameter setting

如圖6所示，某110 kV風(fēng)電場裝機(jī)容量為100 MW，AVC優(yōu)先風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行無功調(diào)節(jié)，無功功率從感性7 Mvar上調(diào)至容性5 Mvar，無功功率無法控制到目標(biāo)值，控制精度為13%，超過了標(biāo)準(zhǔn)要求（5%）[4]。

圖6 風(fēng)電場無功控制調(diào)節(jié)無功功率變化曲線Fig.6 Reactive power variation curve of wind farm reactive power control regulation

3 新能源場站功率控制能力提升措施

3.1 功率控制能力測試與驗證

按照GB/T 19963—2021《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》和GB/T 19964—2012《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》，新能源場站并網(wǎng)運行后應(yīng)盡快開展功率控制能力測試，以驗證其性能是否滿足要求。新能源場站擴(kuò)建或改建風(fēng)電機(jī)組、光伏逆變器及無功補償裝置等影響功率控制能力的關(guān)鍵設(shè)備后，應(yīng)重新開展功率控制能力測試進(jìn)行性能驗證。AGC和AVC系統(tǒng)調(diào)試過程中，如風(fēng)電機(jī)組、光伏逆變器及無功補償設(shè)備性能不滿足要求，應(yīng)通過改造設(shè)備提升性能，優(yōu)化控制策略，保障新能源場站整站功率控制能力滿足控制要求。

3.2 有功功率控制能力提升

3.2.1 AGC系統(tǒng)調(diào)節(jié)死區(qū)設(shè)置

AGC有功功率控制死區(qū)應(yīng)按照風(fēng)電場裝機(jī)容量的0.5%進(jìn)行設(shè)置，風(fēng)電場應(yīng)對AGC系統(tǒng)進(jìn)行核查，不滿足要求需修改調(diào)節(jié)死區(qū)設(shè)置值。風(fēng)電場能量管理平臺死區(qū)控制不滿足AGC指令，應(yīng)調(diào)整整站風(fēng)電機(jī)組有功控制策略，保證整站功率控制調(diào)節(jié)死區(qū)符合要求，改造后還需對AGC系統(tǒng)控制死區(qū)進(jìn)行測試驗證；光伏電站的功率調(diào)節(jié)死區(qū)在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中未作要求，可參考光伏電站功率控制精度不小于1%的要求，AGC系統(tǒng)有功功率調(diào)節(jié)死區(qū)設(shè)置值不小于光伏電站裝機(jī)容量的1%。

3.2.2 AGC系統(tǒng)有功功率調(diào)節(jié)速率設(shè)置

風(fēng)電場在有功功率設(shè)定值控制模式下，功率控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)額定有功功率的20%時應(yīng)在120 s內(nèi)完成，現(xiàn)場AGC調(diào)節(jié)系統(tǒng)上調(diào)和下調(diào)速率按照“每分鐘大于場站裝機(jī)容量的10%”設(shè)置調(diào)節(jié)步長；光伏電站AGC調(diào)節(jié)系統(tǒng)下調(diào)速率亦按照“每分鐘大于場站裝機(jī)容量的10%”設(shè)置調(diào)節(jié)步長，上調(diào)不應(yīng)限制調(diào)節(jié)速度，裝機(jī)容量的20%至100%調(diào)節(jié)需滿足120 s內(nèi)完成調(diào)節(jié)的需要；風(fēng)電能量管理平臺若采用通過啟、停機(jī)控制有功功率的方式，應(yīng)采用變槳控制調(diào)節(jié)時間。

3.2.3 有功功率控制精度

新能源場站有功功率控制精度不滿足要求時，首先應(yīng)對風(fēng)電機(jī)組、逆變器單機(jī)有功功率控制的精度進(jìn)行測試評估；若單機(jī)不滿足要求，應(yīng)聯(lián)系設(shè)備制造廠家改善單機(jī)設(shè)備控制精度；其次，風(fēng)電有功功率控制的方式應(yīng)調(diào)整為變槳控制，通過優(yōu)化控制策略提升整站控制精度。

3.2.4 有功功率變化率

新能源場站有功功率變化率不滿足要求時，首先應(yīng)對風(fēng)電和光伏發(fā)電能量管理平臺接受的AGC指令進(jìn)行區(qū)分，如AGC無調(diào)度指令控制，新能源并網(wǎng)啟動和停機(jī)設(shè)置的變化率應(yīng)滿足1.1節(jié)中的要求；如AGC受調(diào)度指令控制，新能源并網(wǎng)啟動和停機(jī)應(yīng)按照系統(tǒng)設(shè)置的有功功率調(diào)節(jié)速率進(jìn)行控制；其次，風(fēng)電場應(yīng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[4]要求按照容量范圍進(jìn)行有功功率變化率的準(zhǔn)確設(shè)置，以滿足整站功率變化率要求。

3.3 無功功率控制能力提升

3.3.1 AVC系統(tǒng)新能源無功功率輸出能力設(shè)置

新能源場站AVC系統(tǒng)控制中，無功功率調(diào)節(jié)和電壓控制應(yīng)采用優(yōu)先調(diào)用新能源無功功率的控制策略；風(fēng)電機(jī)組和光伏逆變器的功率因數(shù)調(diào)節(jié)范圍應(yīng)滿足±0.95連續(xù)可調(diào)，且在AVC系統(tǒng)中正確設(shè)置；機(jī)組無功出力不滿足要求時，應(yīng)通過廠家改造并進(jìn)行現(xiàn)場測試驗證，保證場站并網(wǎng)點電壓的調(diào)節(jié)需要。

3.3.2 AVC系統(tǒng)無功功率調(diào)節(jié)速率設(shè)置

若AVC系統(tǒng)中單次無功功率調(diào)節(jié)步長設(shè)置較小，應(yīng)對新能源場站無功功率調(diào)節(jié)步長進(jìn)行合理設(shè)置，以滿足調(diào)度對電壓指令的響應(yīng)時間和調(diào)節(jié)范圍要求。

3.3.3 無功功率控制精度

風(fēng)電機(jī)組、光伏逆變器及無功補償裝置無功功率控制響應(yīng)速率和精度不滿足要求時，應(yīng)對設(shè)備進(jìn)行升級改造，整改完成后需測試驗證調(diào)節(jié)能力。整站無功功率調(diào)節(jié)受控機(jī)組多，為保證整站無功功率調(diào)節(jié)速度和精度，多機(jī)組無功功率控制應(yīng)保證每臺機(jī)組的無功功率輸出比例與輸出方向均一致，不應(yīng)出現(xiàn)無功對沖、振蕩情況。AVC系統(tǒng)的無功控制死區(qū)應(yīng)小于機(jī)組額定容量的5%，且盡量小，以保證整站的無功輸出精度滿足要求。

4 結(jié)語

新能源場站的有功和無功功率控制能力對新能源參與電力系統(tǒng)調(diào)頻、調(diào)峰、無功調(diào)節(jié)及電壓控制等性能有明顯影響。本文根據(jù)新能源場站接入電網(wǎng)有功、無功功率控制要求，對風(fēng)電場和光伏電站功率控制能力測試中發(fā)現(xiàn)的典型超標(biāo)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場運行工況進(jìn)行了分析，研究了影響新能源場站功率變化率、有功功率控制、無功功率控制性能的相關(guān)因素；并從新能源場站功率控制系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)速率優(yōu)化、死區(qū)設(shè)置、多機(jī)組有功/無功協(xié)調(diào)控制、機(jī)組無功出力設(shè)置等方面，提出了新能源場站功率控制能力提升措施。該措施能有效提高新能源場站功率控制水平，提升新能源大規(guī)模并網(wǎng)對電網(wǎng)頻率和電壓的支撐能力。