計及新能源發(fā)電的區(qū)域電網(wǎng)無功電壓實(shí)時控制實(shí)現(xiàn)方法

中國石油集團(tuán)電能有限公司 張建國 常 倩

電網(wǎng)無功的平衡性對于電壓的質(zhì)量來說會產(chǎn)生很大的影響，除了發(fā)電側(cè)無功調(diào)節(jié)以外，一般來說地區(qū)電網(wǎng)使用的都是人工調(diào)節(jié)的辦法，自從變電站綜合自動化技術(shù)發(fā)展起來之后，站內(nèi)VQC 能夠有效地實(shí)現(xiàn)自動化的控制，實(shí)施站內(nèi)的無功平衡，后來EMS 系統(tǒng)的不斷的發(fā)展，也使我們可以通過主站AVC 系統(tǒng)來完成各地區(qū)的電壓的自動控制，針對于現(xiàn)在的使用情況來看[1]，這個技術(shù)已經(jīng)在各省市得到了非常好的使用，現(xiàn)在的新能源發(fā)電的接入規(guī)模越來越大，區(qū)域電網(wǎng)的平衡穩(wěn)定性也受到了一定的影響，新能源發(fā)電存在著不穩(wěn)定性，所以說無功控制也會變得更加的復(fù)雜以及困難，因此針對其進(jìn)行研究是具有非常明顯的現(xiàn)實(shí)意義的[2]。

1 AVC 結(jié)構(gòu)的介紹

AVC 系統(tǒng)能夠通過針對于各個節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)的采集，進(jìn)行全網(wǎng)的實(shí)時數(shù)據(jù)分析，能夠保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，并且在這樣的前提之下還可以以關(guān)口功率因素作為整體的約束條件，以全網(wǎng)的功率損耗最小，作為發(fā)展的目標(biāo)，針對于自動調(diào)節(jié)以及無功設(shè)備進(jìn)行自動投切，能夠有效地實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的無功控制[3]。

我國目前的AVC 系統(tǒng)一般采取的都是兩級或者是三級控制，主要是由省AVC 系統(tǒng)跟市級或者是地區(qū)的AVC 子站來共同構(gòu)成的，地區(qū)的AVC 主系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)的是各個節(jié)點(diǎn)的電壓優(yōu)化控制，同時也可以接受來自上級系統(tǒng)所發(fā)出來的信息，在AVC閉環(huán)系統(tǒng)當(dāng)中，變電站是不設(shè)置子系統(tǒng)的。主變檔位無功設(shè)備直接受AVC 系統(tǒng)的控制來進(jìn)行電壓調(diào)整，接入地區(qū)的電網(wǎng)的風(fēng)電場以及光伏電站都配置了相應(yīng)的AVC 子系統(tǒng)，能夠有效地實(shí)現(xiàn)電壓的綜合控制。但是就目前來看，國內(nèi)有大部分的風(fēng)電場以及光伏電廠，并未參與到整體的全網(wǎng)調(diào)壓當(dāng)中，所以說其控制目標(biāo)可能跟AVC 系統(tǒng)存在著一定的沖突性，這也就導(dǎo)致在進(jìn)行調(diào)壓的時候，可能出現(xiàn)了相互矛盾的情況，最終影響電壓的無功優(yōu)化。

2 新能源電站的無功建模介紹

2.1 發(fā)電站的接入系統(tǒng)研究

線路、升壓變壓器以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)，風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)等，共同構(gòu)成了風(fēng)力發(fā)電站的主要部分，并網(wǎng)型光伏電站所依靠的是線路來進(jìn)行連接，將光伏陣列逆變器并到網(wǎng)點(diǎn)，然后再由線路接入到變電站當(dāng)中。

可以說，無論是風(fēng)力電站還是光伏電站，都屬于PQ 型的電源節(jié)點(diǎn)，如果考慮到電功率的全額送出，可以將其等效成有功電源。加一個可調(diào)節(jié)的無功電源，新能源發(fā)電站的送出線路，一般來說都是以專線的形式接入到變電站當(dāng)中的。接入的母線除了需要連接新能源電站以外，還需要連接多條線路。

2.2 AVC 控制模型的建立

2.2.1 控制參數(shù)選擇

例如光伏發(fā)電站在進(jìn)行電能的傳輸?shù)臅r候，主要會經(jīng)過會及電路以及兩級升壓變壓器跟送出線路，每一個環(huán)節(jié)基本上都要消耗無功，逆變器能夠發(fā)出無功，而且可以調(diào)節(jié)升壓變電站，針對于檔位進(jìn)行分接開關(guān)，除了日常的功率損耗以外，電能在傳輸時也會產(chǎn)生壓降。

光伏電站的各個節(jié)點(diǎn)受發(fā)電功率以及參數(shù)影響的前提是PCC 母線電壓一定，在不棄光條件下發(fā)電功率p 無法調(diào)節(jié)，參數(shù)也屬于常量，只有調(diào)節(jié)q 才能夠影響到母線電壓。通過調(diào)節(jié)升壓，變分接開關(guān)檔位，能夠影響逆變器的輸出電壓。

2.2.2 控制模型

區(qū)域AVC 主系統(tǒng)的一個最為重要的控制對象就是光伏電站，因此必須要在系統(tǒng)當(dāng)中完成建模，首先光伏電站內(nèi)部有AVC 子站，針對于站內(nèi)的無功電壓進(jìn)行了有效控制，所以說區(qū)域AVC 系統(tǒng)并不是針對于電站當(dāng)中的逆變器或者是SVG 進(jìn)行控制的，而是針對于光伏電站的AVC 系統(tǒng)進(jìn)行控制，再由AVC 子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)針對于設(shè)定值以及各個設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以說以此就能夠確定光伏電站的AVC 子系統(tǒng)的模型參數(shù)。

3 基于新能源場站控制的AVC 優(yōu)化升級

3.1 概述

電壓是電能質(zhì)量的一個非常重要的指標(biāo)之一，電壓的質(zhì)量對于整個電力系統(tǒng)在運(yùn)行過程當(dāng)中的安全性，以及保證用戶的使用和產(chǎn)品的質(zhì)量，都有著非常重要的影響，電力系統(tǒng)的無功補(bǔ)償以及無功平衡是保障電壓質(zhì)量的最為基本的條件，有效的電壓控制以及合理的無功補(bǔ)償，不僅能夠保證整體的電壓質(zhì)量，同時還可以提升整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，能夠充分的發(fā)揮出經(jīng)濟(jì)效益。

無功電壓優(yōu)化控制主要包括兩個方面的內(nèi)容，分別為規(guī)劃配置以及運(yùn)行控制。在我國的電網(wǎng)地區(qū)當(dāng)中，參與無功電壓控制的設(shè)備主要包括并聯(lián)電容器以及變壓器有載分接頭，地區(qū)電網(wǎng)進(jìn)行無功電壓優(yōu)化的時候，需要通過某種優(yōu)化方法，利用最小的成本達(dá)到最優(yōu)的結(jié)果，使整體的電網(wǎng)處在一個安全優(yōu)質(zhì)的運(yùn)行狀態(tài)下。

3.2 系統(tǒng)控制模塊

3.2.1 基于軟分區(qū)的三級電壓控制模式

三級控制模塊：三級控制就屬于站在全局的角度上來看待整體的優(yōu)化計算，針對于電網(wǎng)進(jìn)行無功電壓的全體優(yōu)化，計算出區(qū)域當(dāng)中的EMS 模型所建立的區(qū)域模型。全局無功優(yōu)化采取的是全網(wǎng)最優(yōu)潮流計算，以地區(qū)電壓的變電站作為主要的調(diào)節(jié)方法，以母線電壓作為最為重要的約束條件，然后計算出全網(wǎng)網(wǎng)損最小的運(yùn)營方式，用最優(yōu)潮流計算的方法計算出優(yōu)化目標(biāo)值，所計算出來的值，能夠保證電壓考核在限值以內(nèi)，同時也可以滿足無功分布的需求，能夠真正的實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)損的目標(biāo)[4]。

把全局無功優(yōu)化作為整體的控制的標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)會在電網(wǎng)運(yùn)行的時候，針對于地區(qū)電壓進(jìn)行分區(qū)的控制，因?yàn)榈貐^(qū)的電網(wǎng)一般來說都是以輻射狀來運(yùn)行的，都是由高壓220kV 變電站來帶動低壓110kV 或者是35kV 變電站的，因此電網(wǎng)有人非常明顯的分區(qū)性，每一個區(qū)域的設(shè)備都具有一定的強(qiáng)耦合性，而區(qū)域跟區(qū)域之間的設(shè)備則存在著松耦合性，這種分區(qū)的思想是非常符合電網(wǎng)發(fā)展的原則的，同時這種分區(qū)也是系統(tǒng)自動完成的，可以依據(jù)電網(wǎng)的具體的運(yùn)行方式來進(jìn)行分區(qū)的生成，這樣能夠更好的適應(yīng)未來的發(fā)展。

二級控制模塊：二級控制則指的是每一個分區(qū)當(dāng)中需要進(jìn)行區(qū)域型的控制，每一個分區(qū)都對應(yīng)著相應(yīng)的變電站，以全局優(yōu)化作為主要的目標(biāo)，針對于每一個區(qū)域進(jìn)行分別的控制，目標(biāo)是一樣的，如果分區(qū)內(nèi)部有地調(diào)直接調(diào)度水電廠或者是地區(qū)火電廠等，還需要地調(diào)AVC 分區(qū)考慮針對于電場的控制電廠控制，一般來說是在電廠建設(shè)AVC 子站，然后把全局無功優(yōu)化計算的母線控制電壓發(fā)送到子站當(dāng)中進(jìn)行控制，同時由于電廠處在分區(qū)當(dāng)中，因此需要對電廠進(jìn)行控制的時候，考慮到分區(qū)的變電站之間的協(xié)調(diào)性，在時序上有效地實(shí)現(xiàn)電廠跟變電站之間的配合，實(shí)現(xiàn)無功的合理分布。

一級控制模塊：一般來說，電廠的當(dāng)?shù)乜刂剖怯蓪ｉT的電廠子站來完成的，也可以在電廠的DCS系統(tǒng)當(dāng)中增加子站的功能來實(shí)現(xiàn)地調(diào)，AVC 主站主要是根據(jù)二級計算的結(jié)果向電廠發(fā)送高壓電壓的控制目標(biāo)以及相應(yīng)的無功控制指令，電廠子站在接收到相應(yīng)的指令之后，會根據(jù)各個子系統(tǒng)的運(yùn)營狀況，計算生成各臺發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)指令，使得無功或者是電壓追隨網(wǎng)調(diào)AVC 下發(fā)指令。

3.3 新能源電廠控制

對于地區(qū)的電網(wǎng)來說，有一部分是掛接在110kV 電網(wǎng)的電廠能夠進(jìn)行統(tǒng)一控制的，可能包括小水電以及小火電，或者是新能源，風(fēng)力發(fā)電廠等，這一部分電廠也是非常重要的無功資源。在運(yùn)行的情況下，可以接入地調(diào)AVC 系統(tǒng)來對其進(jìn)行統(tǒng)一的控制，在對于電廠發(fā)電機(jī)進(jìn)行控制的時候，主要策略包括以下幾點(diǎn)。第一點(diǎn)是要站在全局優(yōu)化的層面上來看，把發(fā)電機(jī)跟電容以及電抗等無功源進(jìn)行綜合性的考慮，在最優(yōu)潮流中進(jìn)行統(tǒng)一的計算全局優(yōu)化可以給電廠母線的控制目標(biāo)值，將該值下發(fā)到電廠AVC 子站當(dāng)中，并且對于電壓進(jìn)行控制，從全局優(yōu)化的角度出發(fā)，能夠保障電廠和變電站之間的控制，是有協(xié)調(diào)性的。第二點(diǎn)，如果全局優(yōu)化不能夠用的話，可以采取備用的默認(rèn)運(yùn)行曲線的方法，針對于電場的高壓側(cè)電壓進(jìn)行實(shí)時的控制，但是在進(jìn)行控制的時候，必須要在分區(qū)控制當(dāng)中考慮到電廠以及變電站之間的協(xié)調(diào)性。

4 新能源電廠的控制

AVC 主站可以針對于新能源電站的無功電壓進(jìn)行控制，這和變電站的無功控制其實(shí)有著一定的區(qū)別，新能源電站的AVC 子系統(tǒng)除了能夠?qū)χ髯兎纸娱_關(guān)進(jìn)行控制以外，還需要對于SVG 以及各個發(fā)電逆變單元進(jìn)行調(diào)節(jié)，這些連續(xù)調(diào)節(jié)的設(shè)備是不能夠跳過電站進(jìn)行運(yùn)行的，AVC 子系統(tǒng)可以直接接到主站區(qū)域，AVC 主站則通過電站下發(fā)指令，再由AVC 子站依據(jù)具體的情況，對于各個對象進(jìn)行調(diào)節(jié)以及分配并且實(shí)現(xiàn)實(shí)時的調(diào)控，這樣就能夠有效的完成信息的交互。

在進(jìn)行電廠子站的信息交互的時候，一次設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)主要包括以下幾點(diǎn)。①母線：10kV 以上母線電壓。②線路：線路有功以及無功符號流出母線為正。③主變：二側(cè)以及三側(cè)有功，無功符號流入主變?yōu)檎?。④發(fā)電機(jī)：有功，無功符號，流出發(fā)電機(jī)為正。⑤等值開關(guān)：有功，無功符號，流出母線為正。⑥開關(guān)：10kV 以上短路器位置。⑦刀閘：10kV 以上非接地刀閘的刀閘位置。具體的上行通道以及下行通道的傳送指令以及內(nèi)容如表1和表2所示。

表1 上行通道傳送內(nèi)容

表2 下行通道傳送指令

除此之外，也可以利用主站SCADA 系統(tǒng)，核電站運(yùn)動裝置進(jìn)行通信鏈路的建立，然后下發(fā)調(diào)節(jié)指令以及接觸狀態(tài)信息，利用系統(tǒng)能夠使AVC 主站獲取新能源的狀態(tài)，并且針對于各個電站進(jìn)行統(tǒng)一的指令下發(fā)，然后再將其交給SCADA 系統(tǒng)，由SCADA 系統(tǒng)利用跟新能源站之間的連接進(jìn)行命令遙控。除此之外，也可以進(jìn)行遙控指令，下發(fā)電站側(cè)遠(yuǎn)動裝置接收到調(diào)節(jié)目標(biāo)之后，通過監(jiān)控系統(tǒng)把目標(biāo)發(fā)送給AVC 子站，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

5 大規(guī)模新能源電廠的功率協(xié)調(diào)控制

5.1 系統(tǒng)建設(shè)背景

大規(guī)模的新能源具有非常明顯的間歇性以及波動性，依靠現(xiàn)有的電網(wǎng)調(diào)度以及控制技術(shù)，很難真正地對其進(jìn)行消納，因?yàn)檎{(diào)峰能力不足以及局部電網(wǎng)比較弱的情況，所以說很容易就會限制到新能源電廠的發(fā)展，也對其發(fā)展造成了很大的損失，如何完成高效的新能源電廠的接入，也成為了電網(wǎng)發(fā)展過程當(dāng)中的一個新的挑戰(zhàn)，如果沒有新能源電廠調(diào)度策略，將會對電力系統(tǒng)的安全跟可靠性造成非常嚴(yán)重的傷害，所以研究可以容納大規(guī)模新能源電廠的電網(wǎng)滾動超前協(xié)調(diào)技術(shù)，重點(diǎn)圍繞著多時間尺度協(xié)調(diào)進(jìn)行研究以及探尋，解決相關(guān)的實(shí)際問題，是非常的重要的。提出并且研究基于預(yù)測的時序遞進(jìn)以及多時間尺度協(xié)調(diào)的辦法，對于新能源電廠的發(fā)展以及優(yōu)化有著非常大的幫助，能夠更好的逐級的去消除風(fēng)力發(fā)電所帶來的偏差，以及負(fù)荷預(yù)測所帶來的偏差。并且以此作為基礎(chǔ)，開發(fā)出容納大規(guī)模新能源電廠的協(xié)同系統(tǒng)，這是非常具有現(xiàn)實(shí)意義的研究[5]。

5.2 發(fā)電態(tài)勢分析

如果想要實(shí)現(xiàn)多時間尺度協(xié)調(diào)的有功功率控制的話，那么我們首先必須要意識到下一時刻或者說總斷時的發(fā)電量需求到底是多少，通過針對于發(fā)電的態(tài)勢進(jìn)行詳細(xì)的分析，就能夠給予這個問題詳細(xì)的解決方法。電力系統(tǒng)的態(tài)勢分析的含義其實(shí)指的就是分析電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)以及未來的發(fā)展趨勢。一般的文獻(xiàn)當(dāng)中，并不會對總發(fā)電需求進(jìn)行預(yù)測，往往會使用傳統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測的結(jié)果，來代替總發(fā)電需求的預(yù)測，傳統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測的原始數(shù)據(jù)指的就是變電站所采集的負(fù)荷的和，但是發(fā)電跟負(fù)荷之間其實(shí)還存在著一定的偏差，這主要包括王損以及頻率偏差等等。在做調(diào)度的時候，這種偏差對于最終的控制的效果影響是非常的大的。因此從基本的預(yù)測數(shù)據(jù)出發(fā)進(jìn)行研究，非常的有必要。

擴(kuò)展短期負(fù)荷的預(yù)測，就是一個非常好的分析發(fā)電態(tài)勢的方法。滾動計劃環(huán)節(jié)需要監(jiān)視當(dāng)日的發(fā)電具體情況，在原計劃跟實(shí)際負(fù)荷出現(xiàn)嚴(yán)重的偏離的情況下，需要及時的完成該日剩余時段的負(fù)荷的重新預(yù)測以及調(diào)整。常規(guī)的，短期的負(fù)荷預(yù)測的辦法，就是每天某一時刻，比方說是上午11點(diǎn)來預(yù)測第二日或者是以后的每一天的全天96點(diǎn)的負(fù)荷值。當(dāng)天所余下的小時的負(fù)荷是不做預(yù)測，得等到第二天，例如上午10點(diǎn)，由于0～10點(diǎn)的負(fù)荷我們已經(jīng)知曉，所以猜想，如果利用這個部分已經(jīng)知道的信息就能夠預(yù)測當(dāng)天余下點(diǎn)的負(fù)荷，這樣所測量出來的值，肯定會比昨天所做的測量值更加準(zhǔn)確，這就是擴(kuò)展短期負(fù)荷預(yù)測方法。

擴(kuò)展短期預(yù)測以及短期負(fù)荷預(yù)測的主要應(yīng)用，其實(shí)都是為了去制定一個日負(fù)荷計劃。這二者之間的概念以及原理都有著非常明顯的相似之處，可以認(rèn)為擴(kuò)展短期負(fù)荷預(yù)測是短期負(fù)荷預(yù)測在周期上面的一個擴(kuò)展。這也是其命名的主要原因之一，當(dāng)然它們在應(yīng)用的過程當(dāng)中，方式是不一樣的，所以說它們的實(shí)現(xiàn)方式必然也會存在著一定的差異性，如表3所示，就對照了這二者之間的主要差異。

表3 擴(kuò)展短期預(yù)測及短期負(fù)荷預(yù)測對比

值得去強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，擴(kuò)展短期負(fù)荷預(yù)測，不但使用到了歷史信息，同時還能夠得到當(dāng)日最新的負(fù)荷，氣象以及相關(guān)的計劃信息，因此可以更好的提升預(yù)測的精度。

在本文中，主要針對于傳統(tǒng)的AVC 控制進(jìn)行了相應(yīng)的研究，并且在此基礎(chǔ)之上，建立了新能源發(fā)電的無功電壓控制模型，有效地優(yōu)化了策略控制方案，實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)的工程提供一定的幫助。