风电与火电联合发电控制系统研究

刘洪斌 王振霞 费伟东 李海林 颜丙清

（1. 国电双鸭山发电有限公司，黑龙江 双鸭山 155100；2. 北京四方继保自动化股份有限公司，北京 100084）

随着我国大规模的风电场集中建设，风力发电场装机容量不断增加，风力发电在电网中所占比重越来越大。由于风力发电出力具有随机性、间歇性、不可控性等特点，这给电网的安全调度带来很多问题[1-4]，很多电网公司不得不放弃风电。现有的调频调峰电源容量可能无法满足大容量风电接入后的调频调峰要求，为了保证风电接入后系统的安全稳定运行，需要配套增加一定的调频调峰电源。

文献[6-7]指出火电机组可以满足大容量风电加入后的调频调峰需求，因此可考虑为大型风电场群配套一定的火电机组作为调频调峰电源，将火电与风电打捆送出。这样不仅可以提高风电并网运行后电网的可靠性，而且可以提高外送线路的利用率，降低大容量风电外送的输电成本。但是文献中并没有给出风电与火电如何协调发电，提高风力发电的利用率，提高发电厂的经济效益等问题。

文献[8-12]对大规模风电并网后的经济调度提出了一系列的措施，但是这些文献仅仅考虑了纯风电送出，并没有对风电与火电联合发电的情况进行更深的研究。

鉴于以上问题，国电双鸭山发电有限公司（以下简称双鸭山公司）提出了“厂级风火打捆”的设想：即风电场直接接入双鸭山公司（火电厂）220kV升压站；利用纯凝火电机组的调峰能力来平抑风电功率的随机性，提高风电场的利用率，保证厂级并网点功率的平稳性，最终实现“风电与火电联合调整、无弃风绿色环保”的风力发电。

本文提出了一种风电与火电联合发电送出时控制系统结构，并且详细描述了如何在风电与火电之间合理进行有功功率分配的策略，综合考虑了风电与火电机组的运行特性，在最大化风电送出的同时，使得发电厂的经济效益达到最佳。

1 风电-火电联合发电控制系统结构

黑龙江省调将双鸭山电厂的#1、#2机组火电和风电等效为一个大的电源系统，下发一个总的调度指令，由联合发电优化控制系统实现厂内两台火电机组及风电机群间的功率分配及厂级有功功率的闭环控制。

图1 双鸭山发电公司风电-火电连接简图

联合发电优化控制系统由总协调控制器、风电协调控制器、风电执行器、机组执行器、运行工作站组成。系统构成示意如图2所示。

图2 联合发电控制系统构成示意图

1.1 运行工作站

运行工作站一般放置于控制室，作为人机界面，实现控制模式的切换操作、信息显示、目标参数设置、数据统计以及历史记录等功能。

1.2 总协调控制器

总协调控制器的作用是进行风电功率与火电功率优化分配，按照设定的原则在风电机组与火电机组间进行功率指令的优化分配和协调控制。

通过通信的方式与调度、火电机组执行器、风电机组执行器、NCS升压站进行数据交换，获得功率优化分配算法所需数据，经过优化控制算法并结合约束条件形成风电厂与火电机组的功率指令，并将指令下发给风电执行器由于火电机组执行器。

1.3 风电执行器

风电执行器通过通信方式和风电机群监控系统、升压站监控系统、风功率预测系统及总协调控制器交换数据信息，为风电协调控制器提供基础的数据信息并下发风电机群的调控指令。

1.4 风电协调控制器

当风电执行器接收到总协调控制器的风电场功率指令时，风电协调控制器完成风电功率指令在不同的风电机群间或者是风电机组之间的功率分配工作。

1.5 火电机组执行器

火电机组执行器负责与对应的机组 DCS系统通讯或者是通过硬接线的方式采集机组的相关信息，将信息数据传递给功率优化控制器进行功率分配，并接收功率优化控制器下发的机组有功指令，将有功指令下达给机组DCS系统。

2 风电-火电联合发电控制策略

2.1 总协调有功分配策略——风电最大出力控制法

在双鸭山电厂将#1火电机组、#2火电机组及风电场看做一个电源整体，根据风电出力变化调整火电出力变化，从而控制区域内发电机组的总出力变化。在风速增长过程中，风电出力的整体变化率可能大于参与调节的火电机组出力的整体变化率，这样可能导致在风速较大阶段风火电“打捆”外送断面超限额运行。此时，风电也必须限制发电，不能按照最大出力运行。

2.2 火电机组控制思路

1）火电机组控制策略

火电控制通过设定风火电“打捆”外送断面裕度上、下限来起动。若断面裕度低于设定的下限值，则需降低火电出力，若断面裕度高于设定的上限值，则需提升火电出力，如图3所示。

若上下限定值设置不当或调节量不当，则外加风电出力和负荷的变化均有可能造成火电出力不必要的上下调节，因此断面裕度上下限之间要留有合适的区间，区间过小易造成火电频繁调节，区间过大则风火电“打捆”外送通道难以充分利用。另外，断面裕度下限的设定与断面稳定限额之间也要留有合适的区间，区间过大则风火电“打捆”外送通道难以充分利用，区间过小则断面抗意外风险能力降低。在风速增加阶段，断面潮流达到稳定限额前，先达到调节火电限值，此时火电开始下降，提前让出通道给风电，但若风电功率持续增加，且增加速率快于火电下降速率时，即使火电功率提前下降，断面潮流还是会达到稳定限额，到达稳定限额后，由于对风电进行了控制，断面潮流不会超过稳定限额。

图3 火电机组起动控制判断

2）火电机组调节量的计算

若风火电“打捆”外送断面裕度大于设定的上限或小于设定的下限时，需调节火电，火电调节量可用下式表示：

式中，Ptarget为风电火电总得目标有功值；Pall为发电厂当前风电与火电总有功；ΔPw为下个时段风电预计变化量；k为为风电变化量的参与系数；ΔPG为正，代表需要提升火电出力，为负则代表需要降低火电出力。为避免风电预计变化量对火电调控方向的影响，当前断面裕度小于设定的下限时，根据式（1）计算得出的ΔPG若大于0则取0，当前断面裕度大于设定的上限时，若ΔPG小于0，则取0。ΔPw可直接用下个时段风电功率预测值减去风电当前出力得到。

k由人工设定，取值范围为 0～1.0，可根据实际ΔPw的准确程度来调整。

2.3 火电机组间有功分配方法

1）方法一

当根据总协调控制器的有功分配策略得出火电的变化量之后，根据当前火电机组的出力与变化量做代数和之后，得出火电机组的目标有功值指令。实发有功功率低于火电机组的目标值，即要求火电机组增加有功功率。调节有功功率的大小根据火电机组的有功可增加裕量大小进行分配。各个参与控制的发电机分配的有功增量为

如果实发有功功率高于系统给定的目标值, 即要求风火打捆的机组减少有功功率，其减少值也应根据各风电机群及火电机组有功可减小裕量大小进行分配。其分配的有功增量为

式中，Ptarget_H为火电机组目标有功值；PH_all为火电机组实发有功值；Pjmax为第j台火电机组有功上限；Pjmin为第j台火电机组有功下限；Pj为第j台火电机组实发有功功率。

2）方法二

采用按比例分配的算法，有功指令的表达式为

2.4 电场间有功自动分配

当通过总协调有功分配策略完成发电厂内的有功功率分配后，风电场的有功功率目标值是已知的，功率变化需要在不同的风电场间进行功率分配，风电场间的有功分配方法与火电机组间的有功分配方法相同。此时如果没有风电机群的管理，需要对风电机群内的风电机组进行功率分配。

1）风电机群间功率分配算法

如果风电场中有几个不同的风电机群，首先需要对机群进行功率第一次粗分配，粗分配使用的分配策略为相似裕度法。如下式：

2）风电机群内有功分配

风电机群内部的有功分配算法分为三种：循环队列法，效率优先算法，相似裕度算法三种。

（1）循环队列算法

采用循环队列调节顺序来实现控制量在不同风机之间的公平分配。首先将所有的机组按照编号排队 1-n，队首的风机优先被控制，受控后该风机被移至队尾，依次类推。考虑到控制出力太低的风机没有实际意义，如果某受控风机负荷率很低，允许跳过该风机，但仍将保留在队首，以待下一轮控制时根据当时风机负荷率优先选择控制。利用循环队列的队形记忆和循环特性，可以做到长期运行之后实现控制量在各风机间合理分配。直到功率输出在调节范围内为止。

（2）效率优先算法

针对不同类型的风机群，各设置标准机一台，标准机不允许停机，作为历史数据参考值。对于调节性能差的风机，有功功率调整为0或者直接停机。

综合衡量风电机组的健康状况，及累积运行时间，按照健康指数iλ将所有的风机排队，健康状况低，运行时间短的风机设为效率低的机组，健康指数高的设为效率高的机组，对于效率高的机组优先控制，如果需要启机的情况下，优先起动效率高的机组。需要停机的情况下，优先停止效率低的机组。

健康指数：

式中，Tfi为机组累积故障时间；Tyi为机组累积运行时间；Tai为机组累积参加有功优化控制时间；fdzi为机组的动作正确率。

（3）相似裕度算法

要增加各机组的有功时，调节有功功率的大小根据各发电机的有功可增加裕量大小进行分配。各个参与控制的发电机分配的有功增量为

要减少各机组有功时，其减少值根据各风电机组的有功可减小裕量大小进行分配。其分配的有功增量为

式中，Ptarget_F为风电场全场目标有功；PF_all为风电场全场实发有功；Pjmax为第j台风电机组有功上限；Pjmin为第j台风电机组有功下限；Pj为第j台风电机组实发有功。

2.5 约束条件

为了保证机组安全、稳定运行，有功功率分配时还必须考虑以下因素。

1）发电机机端电压约束：发电机机端电压过高或过低，都会影响机组的稳定运行；

2）有功功率上下限约束；

3）风电机群是否限制功率运行；

4）考虑火电机组最小出力情况下的稳定运行。

3 结论

本文在综合考虑了风力发电与火力发电的特性的基础上，提出了厂级风电与火电联合发电外送的控制系统结构及控制策略，采用风电功率最大控制法实时协调全电厂内的风电与火电的出力情况，保证全厂功率控制满足调度需求，并且可以极大的提高发电厂的经济效益。本文提出的联合发电控制系统结构及风电与火电之间功率分配策略对于提高风电送出具有一定的参考意义。

[1] 华文, 徐政. 风电火电打捆送出时的输电容量优化方法[J]. 电力系统保护与控制, 2012, 40(8): 121-125,130.

[2] 肖创英, 汪宁渤, 丁坤, 等. 甘肃酒泉风电功率调节方式的研究[J]. 中国电机工程学报, 2010, 30(10):1-7.

[3] 李付强, 王彬, 涂少良, 等. 京津唐电网风力发电并网调峰特性分析[J]. 电网技术, 2009, 33(18):128-132.

[4] 穆钢, 崔杨, 严干贵. 确定风电场群功率汇聚外送输电容量的静态综合优化方法[J]. 中国电机工程学报, 2011, 35(1): 15-19.

[5] 艾欣, 刘晓. 基于可信性理论的含风电场电力系统动态经济调度[J]. 中国电机工程学报, 2011, 31(z1):12-18.

[6] 王芝茗, 苏安龙, 鲁顺. 基于电力平衡的辽宁电网接纳风电能力分析[J]. 电力系统自动化, 2010, 34(3):86-90.

[7] 肖创英, 汪宁渤, 陟晶, 等. 甘肃酒泉风电出力特性分析[J]. 电力系统自动化, 2010, 34（17）: 64-67.

[8] 陈振寰, 陈永华, 行舟, 等. 大型集群风电有功智能控制系统控制策略（二）风火电“打捆”外送协调控制[J]. 电力系统自动化, 2011, 35(21): 12-15.

[9] 薛志英, 周明, 李庚银. 大规模风电接入电力系统备用决策评述[J]. 电力系统保护与控制, 2013, 41(4):148-155.

[10] 龙军, 莫群芳, 曾建. 基于随机规划的含风电场的电力系统节能优化调度策略[J]. 电网技术, 2011,35(9): 133-138.

[11] 王开艳, 罗先觉, 吴玲, 等. 清洁能源优先的风-水-火电力系统联合优化调度[J]. 中国电机工程学报,2013, 33(13): 27-35.

[12] 孙元章, 吴俊, 李国杰, 等. 基于风速预测和随机规划的含风电场电力系统动态经济调度[J]. 中国电机工程学报, 2009, 29(4): 41-47.

[13] 华文, 徐政, 李慧杰, 等. 大容量风电远距离送出的经济性研究[J]. 电气技术, 2010(8): 33-37.

[14] Restrepoj E, Galiana F D. Assessing the yearly impact of wind power through a new hybrid deterministic/stochastic unit commitment[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 26(1): 401-410.

[15] 王彩霞, 乔颖, 鲁宗相, 等. 低碳经济下风火互济系统日前发电计划模式分析[J]. 电力系统自动化,2011, 35（22）: 111-117.

[16] 周任军, 姚龙华, 童小娇, 等. 采用条件风险方法的含风电系统安全经济调度[J]. 中国电机工程学报,2012, 32(1): 56-63, 18.