新能源并網(wǎng)功率智能控制系統(tǒng)的設計范文

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摘要:分析了當前新能源并網(wǎng)功率控制中仍存在的問題,介紹了新能源并網(wǎng)功率智能控制系統(tǒng)的功能設計與控制策略。提出新能源電站靈敏度在線計算方法。首先,根據(jù)新能源電站并網(wǎng)網(wǎng)絡確定狀態(tài)估計等效設備,再基于電網(wǎng)實時運行方式計算等效設備的靈敏度并轉換為新能源電站靈敏度,據(jù)此確定參與斷面控制的場站/機組及其功率調(diào)整量,解決了復雜斷面結構下的風火協(xié)調(diào)控制問題。新能源參與調(diào)峰控制時,跟蹤火電機組負備用并考慮機組調(diào)節(jié)速率,同時實時監(jiān)視區(qū)域控制偏差,一旦出現(xiàn)異常則及時調(diào)整正在執(zhí)行的指令,保障自動發(fā)電控制考核指標滿足要求;綜合新能源電站的發(fā)電能力、裝機容量及電網(wǎng)接納空間確定控制序列并動態(tài)更新,最大化利用接納空間的同時實現(xiàn)資源優(yōu)先與兼顧公平的站間控制。結合山西電網(wǎng)實例證明系統(tǒng)在保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行、提升新能源消納及促進新能源電站公平調(diào)度方面的有效性。

關鍵詞:新能源;功率控制;靈敏度;區(qū)域控制偏差;自動調(diào)峰;資源優(yōu)先

0引言

近年來中國新能源發(fā)展迅猛,預計到2030年其發(fā)電量占比將達30%以上[1]。大規(guī)模新能源集中并網(wǎng)給電網(wǎng)調(diào)度運行控制帶來了大量問題與挑戰(zhàn)[2-7]。圍繞新能源并網(wǎng)功率控制問題國內(nèi)外學者開展了大量研究。文獻[8]提出利用智能電網(wǎng)先進的信息與通訊技術,統(tǒng)一考慮常規(guī)電源、新能源、負荷、儲能以及市場與環(huán)境因素給出一體化控制方案;文獻[9]考慮新能源的不確定性提出了電網(wǎng)實時可調(diào)度性的概念,并提供了一種封閉多面體的模型及求解算法;文獻[10]考慮新能源功率波動性,提出在5~15min內(nèi)快速重新評估場站的參與因子,以提高實時調(diào)度精度;文獻[11]設計了包含單個場站、本區(qū)域場站、跨區(qū)域場站、全網(wǎng)共4層結構的大型風光集群控制系統(tǒng),并在甘肅酒泉千萬千瓦級風光基地實現(xiàn)應用;文獻[12-14]介紹了京津唐、吉林、新疆電網(wǎng)風電控制系統(tǒng)的設計與控制策略;文獻[15-16]提出了通過擴展傳統(tǒng)自動發(fā)電控制(AGC)系統(tǒng)功能實現(xiàn)大規(guī)模風電并網(wǎng)控制的思路;文獻[17-18]闡述了針對多級串聯(lián)斷面的風電場控制策略;文獻[19]提出了考慮發(fā)電交易權的可再生能源實時控制方法;文獻[20]提出了考慮調(diào)峰約束與發(fā)電優(yōu)先級的風電有功控制策略;文獻[21-22]提出將風電場超短期功率預測值作為下一時刻的發(fā)電能力,然而調(diào)控中心和風電場站端的預測數(shù)據(jù)均存在預測精度較差、數(shù)據(jù)周期大于實時控制周期等問題,仍不適合直接應用在實時調(diào)控環(huán)節(jié)。結合已有成果及各地新能源并網(wǎng)功率調(diào)控的實踐,本文提出的方法和開發(fā)的系統(tǒng)將在以下方面實現(xiàn)提升。1)針對已有系統(tǒng)普遍采用的離線靈敏度僅適用于單一運行方式下的斷面控制,本文提出基于電網(wǎng)實時運行方式在線計算狀態(tài)估計等效設備的靈敏度,進而折算出新能源電站靈敏度的方法,可以自動篩選斷面控制對象并準確計算控制量,有效解決復雜斷面結構、運行方式變化等條件下的風火協(xié)調(diào)控制問題。2)針對已有文獻尚未深入研究新能源參與電網(wǎng)調(diào)峰時與區(qū)域聯(lián)絡線功率偏差的協(xié)調(diào)配合策略,本文提出在新能源協(xié)調(diào)火電機組進行調(diào)峰控制或者恢復自由發(fā)電過程中,結合區(qū)域控制偏差(ACE)的實際狀態(tài),對控制過程進行及時干預和調(diào)整,更好的保障電網(wǎng)AGC考核指標滿足運行要求。3)近年來,嚴重的棄風棄光問題促使電力調(diào)度機構對三公調(diào)度的認識由傳統(tǒng)的短時指令分配公平轉向場站長期發(fā)電量公平。對此,本文提出資源優(yōu)先與兼顧公平的策略,在非自由發(fā)電時段按照電網(wǎng)接納能力與場站裝機容量形成各站的標桿計劃作為公平依據(jù),再結合場站發(fā)電能力制定實發(fā)命令,通過場站間實時差異化控制,促進長時段的電量公平。4)為支撐調(diào)度機構、發(fā)電集團及其他監(jiān)管部門提供對新能源調(diào)管信息的查閱與分析、支撐各類市場交易,本文所研發(fā)的系統(tǒng)整合各類分散的外部系統(tǒng)數(shù)據(jù),并提供更豐富的信息展示與平臺,對新能源實時平衡能力監(jiān)視、棄風棄光精細化管理、市場交易結算等提供統(tǒng)一、精確的數(shù)據(jù)支持。

1控制系統(tǒng)總體介紹

1.1控制目標與現(xiàn)有新能源并網(wǎng)功率控制類系統(tǒng)相比,本系統(tǒng)同樣以新能源最大化發(fā)電為目標,但在控制模型和約束條件中重點考慮以下問題。1)保障輸電斷面安全。以在線靈敏度為依據(jù)開展簡單樹狀嵌套斷面、復雜環(huán)網(wǎng)嵌套斷面以及各類臨時運行方式下的風火協(xié)調(diào)、新能源站間協(xié)調(diào)控制,提高系統(tǒng)適應性與控制精度。2)保證電網(wǎng)調(diào)峰約束。協(xié)調(diào)常規(guī)機組實現(xiàn)新能源優(yōu)先發(fā)電,同時兼顧區(qū)域控制偏差的變化對新能源功率進行動態(tài)調(diào)整,不影響電網(wǎng)AGC考核指標。3)最大化利用電網(wǎng)新能源消納能力與斷面輸送能力,減少棄風電力。4)促進新能源電站保障性電量收購目標、市場交易目標、現(xiàn)貨交易目標等得以完成。

1.2功能架構新能源并網(wǎng)功率智能控制系統(tǒng)由外部信息綜合處理子系統(tǒng)、新能源實時控制子系統(tǒng)、運行分析評價子系統(tǒng)3部分組成。

2多源信息處理與運行信息展示

2.1外部信息綜合處理外部信息綜合處理子系統(tǒng)整合各分散的自動化系統(tǒng),通過設計靈活的數(shù)據(jù)接入、信息處理與推送模塊,既可以利用標準化接口獲取平臺模型與實時數(shù)據(jù),又可以適應外部系統(tǒng)規(guī)范,對不同廠家、不同格式、不同模型的外部數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理,并轉化成由本系統(tǒng)模型和數(shù)據(jù)結構統(tǒng)一描述的信息;同時提供信息與推送相關服務,支撐其他新能源類應用功能的建設,具有良好的開放性和可擴展性。

2.2運行信息展示系統(tǒng)定周期計算新能源送出斷面的安全穩(wěn)定裕度及電網(wǎng)調(diào)峰能力,將裕度最低的斷面滾動至界面前端,給出預警提示;展示電網(wǎng)正負備用、區(qū)域控制偏差以及考慮調(diào)峰約束的新能源接納能力;以曲線、表格、文字等形式展示新能源發(fā)電運行信息,內(nèi)容詳見附錄A表A1。

3適應復雜斷面結構的風火協(xié)調(diào)控制

3.1新能源電站在線靈敏度計算已有的新能源功率控制系統(tǒng)通常根據(jù)指定的斷面—場站關聯(lián)關系開展控制,場站靈敏度一般取1.0或按離線典型方式計算結果配置。當出現(xiàn)環(huán)網(wǎng)等更加復雜的斷面結構時,離線靈敏度配置十分繁瑣且不能適應電網(wǎng)運行方式的變化。因此,必須研究新能源電站在線靈敏度的計算方法。目前,新能源電站參與在線狀態(tài)估計的程度較低。通常,經(jīng)220kV及以上電壓等級線路/變壓器直接并網(wǎng)的新能源電站會作為獨立廠站建模,而其他新能源電站則被等值為負荷或變壓器終端。對此,本系統(tǒng)中結合新能源電站的離線并網(wǎng)網(wǎng)絡模型與調(diào)度側在線狀態(tài)估計模型,通過增設新能源電站與在線狀態(tài)估計設備關聯(lián)關系,用狀態(tài)估計設備的靈敏度代替或折算出新能源電站靈敏度。具體實現(xiàn)流程如圖2所示。其中,步驟③所述的新能源電站與狀態(tài)估計等效設備的靈敏度關系,是考慮了新能源電站通過多級低壓網(wǎng)絡逐步并入220kV網(wǎng)絡而非直接接入時所產(chǎn)生的靈敏度損耗。。

3.2斷面約束下的風火協(xié)調(diào)控制將斷面運行狀態(tài)分為安全區(qū)、預警區(qū)、緊急區(qū),各區(qū)間定義及風火協(xié)調(diào)策略如下。1)斷面潮流小于預警限時為安全區(qū),此時新能源保持自由發(fā)電狀態(tài),火電機組按發(fā)電計劃運行。2)斷面潮流大于預警限且小于緊急限時為預警區(qū),此時系統(tǒng)啟動控制。由于斷面未實際越限,且火電機組可能存在下調(diào)空間,因此系統(tǒng)給出的新能源電站指令相對其出力會有一定上浮,不會實際限電,但不允許其出力超過指令;同時要求火電機組逐步下調(diào)出力。3)斷面潮流大于緊急限時為緊急區(qū),此時根據(jù)斷面越限程度降低新能源出力,火電機組保持最小出力運行。

4考慮區(qū)域控制偏差的新能源自動調(diào)峰

4.1控制策略設計在國內(nèi)特有的多級調(diào)度模式中,為保障互聯(lián)大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行,各區(qū)域電網(wǎng)必須將系統(tǒng)內(nèi)部功率擾動控制在合格范圍,而大規(guī)模間歇式新能源并網(wǎng)無疑增加了控制的難度。華中和華北電網(wǎng)經(jīng)1000kV長治—南陽—荊門特高壓交流通道聯(lián)網(wǎng)后,互聯(lián)電網(wǎng)中任何地方發(fā)生的有功擾動都對聯(lián)絡線輸送功率產(chǎn)生影響[23-24],從而導致特高壓聯(lián)絡線功率在計劃值的基礎上產(chǎn)生大范圍的波動,加劇山西電網(wǎng)聯(lián)絡線控制的難度[25]。文獻[26]提出根據(jù)火電機組負備用和聯(lián)絡線功率偏差計算電網(wǎng)的新能源接納能力。在此基礎上,本文進一步提出了考慮區(qū)域控制偏差的新能源自動調(diào)峰控制策略,具體如下。1)ACE位于死區(qū)或正常區(qū)①若電網(wǎng)負備用高于限值,保障新能源優(yōu)先發(fā)電。②調(diào)節(jié)速率控制:新能源控制指令增減幅度考慮火電機組調(diào)節(jié)速率及聯(lián)絡線允許的功率偏差范圍,防止新能源出力調(diào)節(jié)過快造成聯(lián)絡線功率大幅波動。2)ACE位于次緊急區(qū)或緊急區(qū)①指令閉鎖策略:在任何情況下,當區(qū)域控制偏差過大時,新能源控制指令調(diào)節(jié)方向不得與AGC調(diào)節(jié)方向相反,防止惡化AGC指標。②緊急狀態(tài)同向調(diào)節(jié):當區(qū)域控制偏差高于系統(tǒng)設定的門檻值(高于ACE緊急區(qū)門檻)時,若考慮火電機組調(diào)節(jié)速率后的可調(diào)量不滿足控制需求,系統(tǒng)自動觸發(fā)一輪計算,新能源進行同向緊急補充調(diào)節(jié),優(yōu)先幫助電網(wǎng)平抑區(qū)域控制偏差。③出力保持:恢復自由發(fā)電過程中跟蹤ACE及ACE十分鐘平均值(以下簡稱EACE,10min),一旦出現(xiàn)緊急情況,暫停增加新能源出力,但最終保證新能源進入自由發(fā)電狀態(tài)。

4.2運行實例以某夜間風電調(diào)峰控制為例。22:00后電網(wǎng)負備用走低,至23:40僅為508MW,已低于限值1000MW達20min,系統(tǒng)由自由發(fā)電轉入風電自動調(diào)峰控制,下發(fā)限風指令。25min后,風電出力降低1000MW,同時,負備用恢復至1000MW。

5資源優(yōu)先和兼顧公平的新能源站間分配策略

5.1裝機公平與資源優(yōu)先不考慮市場因素時,場站要求在受控時段其發(fā)電指令與同裝機容量者一致,以體現(xiàn)公平性。由于新能源實時發(fā)電能力存在差異,如果簡單的按照裝機容量給出發(fā)電指令,那么發(fā)電能力不足的場站會浪費較大的指令空間、發(fā)電能力好的場站反而受限,造成新能源總體接納空間浪費。

5.2根據(jù)實時發(fā)電能力動態(tài)更新控制序列由于等效負載率高的場站占用了低者的發(fā)電空間,因此,當需要降低新能源出力時,優(yōu)先選擇這部分場站。具體為:根據(jù)場站等效負載率從高到低排序,按照“最小過控”原則,排序在前的場站指令降低,使其等效負載率與排序次之的場站一致。如此逐個向下滾動,直至出力降低總量首次等于或超過新能源出力需降總量,停止計算。沿用4.2節(jié)案例,首輪控制啟動后,全網(wǎng)需降風電264MW,等效負載率大于1.39的25個風電場需要參與限電。附錄A表A5為排序前10的風電場控制結果。持續(xù)控制過程中,系統(tǒng)跟蹤各場站的實時發(fā)電能力并動態(tài)更新限電控制序列。對出力自然下降的場站逐步放開控制,轉而控制出力增長達到較高水平的場站。附錄A表A6為1h后的限電序列,原受限最嚴重的靳家洼風電場的限電順序降至第10位,實時受限電力由21MW降至8MW。

5.3長時段調(diào)控效果分析圖5為7h限風期內(nèi)同地區(qū)同裝機容量的兩個風電場的運行曲線。限電初期,兩者發(fā)電能力相近,限電序列、限電指令基本一致;凌晨01:00以后,風電場1發(fā)電能力下滑,剩余發(fā)電空間一部分為該站預留,保證其不限風,另一部分轉移給風電場2,使風電場2的出力得以上漲;02:00后,風電場1的風況變好,兩個場站的發(fā)電指令再次接近一致。可見,該策略可以促進資源與裝機相同的新能源電站發(fā)電量接近,真正實現(xiàn)公平調(diào)控。

6結語

本文介紹了新能源并網(wǎng)功率智能控制系統(tǒng)的總體架構、控制策略與應用實踐。系統(tǒng)實現(xiàn)了新能源電站靈敏度在線計算,可根據(jù)實際運行方式自動篩選斷面控制對象;準確計算場站/機組的功率控制量,快速消除斷面越限;斷面裕度恢復時又能及時增加新能源電站指令,減小限電量;開展新能源自動調(diào)峰時,一方面根據(jù)電網(wǎng)負備用裕度及火電機組調(diào)節(jié)速率確定新能源功率調(diào)整量,另一方面根據(jù)區(qū)域控制偏差對指令及時干預和調(diào)整,不影響甚至可改善AGC考核指標;資源優(yōu)先與兼顧公平的分配策略在實時調(diào)控層面通過站間精細控制提升新能源總體接納水平,在長時間尺度層面則促進了發(fā)電量公平、利用小時數(shù)公平。山西電網(wǎng)的運行實例證明了系統(tǒng)的控制效果。隨著2018年山西電網(wǎng)南部地區(qū)百萬千瓦光伏集中并網(wǎng)、市場交易深入開展等新情況的出現(xiàn),適應市場環(huán)境的超大規(guī)模新能源實時調(diào)控優(yōu)化方案仍亟待研究與探索。

作者：段慧1；朱燕芳2；汪馬翔1；徐泰山1；趙李宏2,楊大春2 單位：1.南瑞集團(國網(wǎng)電力科學研究院)有限公司,2.國網(wǎng)山西省電力有限公司電力調(diào)度控制中心