大型风燃协调等效电厂的自动发电控制策略研究

李中豪，黄屹俊，张沛超，季珉杰，方 陈



大型风燃协调等效电厂的自动发电控制策略研究

李中豪1，黄屹俊1，张沛超1，季珉杰1，方 陈2

(1.上海交通大学电子信息与电气工程学院, 上海 200240；2.国网上海电力公司电力科学研究院, 上海 200437)

以崇明岛智能电网为例，提出了风燃协调等效电厂(wind-gas coordinating equivalent power plant, WGPP)的概念。通过风力发电系统与燃气-蒸汽联合循环机组(CCPP)的互补运行，实现提高并网功率的可控和可调性，以及风燃联合发电作为一个等效电厂参与系统的调度运行等目标。针对WGPP的调度目标以及接入系统规模的不同，提出了两种不同的WGPP调度模式：跟踪调度曲线模式和CPS控制模式。为了充分利用WGPP中CCPP机组出力调节速度快的特点，对基于传统比例积分原理的自动发电控制算法进行了改进。最后，分别以现场实测数据以及四种风电功率事件为例，RTDS仿真验证了两种WGPP调度模式的可行性。

风力发电；燃气-蒸汽联合循环机组；比例积分控制；自动发电控制；控制性能指标

0 引言

风电以其资源丰富、分布广泛、清洁环保等特点在世界范围内得到了迅猛的发展。然而，随着电网中风电渗透率的不断提高，风电的波动性、随机性给电网运行带来的不利影响日趋严重[1-2]。目前解决风电功率波动性的方法主要有两类：一是控制风机的运行状态以平滑其输出[3]，但是这种方法需要损失一部分风能，且在风功率波动较大时的平滑效果有限；二是利用可控电源或储能设备与风电构成互补[1,4]，其中，由于储能的安装成本依旧很高，这使得大型的风储协调在现阶段仍不具有经济性。针对风电存在的间断性、反调峰等问题，文献[5]采用风火电“打捆”外送的有功协调控制策略，实现风电外送断面不越稳定限额、减小线路功率波动、优先利用风能资源以及充分利用输电通道等目标；文献[6]提出了包含风火协调层在内的多时空尺度分层协调优化运行体系，使联络线交换功率特性满足外部调度运行需求。然而，由于常规火电机组有功功率调节速度有限，当风电功率波动较大时，仅利用风火打捆难以维持联络线交换功率的稳定[7]。此时，如能利用一种调节性能更优且清洁的可控电源与风电场互动，则可以构成风电功率稳定送出的理想方案。

燃气-蒸汽联合循环电厂(Gas-Steam Combined Cycle Power Plant, CCPP)具有高效率、低污染、低水耗、启动快、大容量等特点。CCPP机组由燃气轮机、蒸汽机、余热锅炉以及发电机等四部分组成，其机组效率可以达到60%左右[8]，明显高于常规燃煤机组。除了具有效率高、环境污染少等优点，CCPP机组还具有优良的负荷调节性能，其理论变负荷速率可以达到10%MCR/min(MCR，最大连续出力)，在实际应用中可以达到5%MCR/min，远优于常规燃煤机组2%MCR/min的调节特性，仅次于水电机组[8]。在未来智能电网中，这种调节能力对于平滑风能等可再生能源的波动性具有重要作用。

从国家层面上，加强天然气的开采与应用、发展绿色低碳技术和循环技术已成为我国的重要国策。预计到2020年，我国天然气工业可以为1.6亿kW的CCPP机组提供足够的燃料[9]。发展联合循环对于调整国家能源结构有着非常重要的意义。

在这样的背景下，本文以上海崇明岛智能电网示范工程为例，提出了风燃协调等效电厂(Wind-Gas Coordinating Equivalent Power Plant, WGPP)的概念；针对不同的控制目标，提出了两种适用于WGPP的自动发电控制(AGC)模式，并分别定义了控制效果的评价指标；为了改善WGPP跟踪调度曲线的能力，本文还对AGC算法中的比例积分(PI)环节进行了改进。

1 崇明岛风燃协调等效电厂(WGPP)

本文将WGPP定义为：将某区域内的所有风电场、燃气电厂以及本地负荷聚合为一个等效电厂，通过风、燃两种清洁能源的协调运行，达到减少风电功率波动、提高能源利用效率的目的，并使之作为一个整体参与电网的调度与运行，实现可再生能源的拟常规电源调度。

由上述定义可见，WGPP与风火打捆既有相似的技术需求，如减少线路功率波动，又有其特有的内涵。下面以图1所示的崇明岛WGPP为例，说明WGPP的技术特征。

(1) WGPP本身由电源和负荷构成，其所在电网具有相对独立性，并在整体上通过对外联络线接入大电网。以崇明岛为例，崇明电网属于海岛电网，地理位置相对独立。崇明岛风力资源丰富，目前已有两座大型风电场投运。至2015年底，大型风电场将达四座，总装机容量为203 MW。崇明岛电网通过220 kV联络线分别接入上海和江苏电网。

(2) 在WGPP中，可控电源采用CCPP机组。较之常规燃煤机组，CCPP机组具有更好的负荷调节能力和更为灵活的运行方式，从而增强了平抑风电功率波动的能力。崇明岛规划为两套CCPP机组，目前已建成一套。该机组额定功率为400 MW。在冬季工况下，其AGC投用上下限分别为400 MW和230 MW[10]；对于夏季工况，根据制造厂提供的环境温度对出力的修正曲线估算，可取上限为365 MW，下限为210 MW。

(3) WGPP的能量管理模块位于电源和电网之间，充当代理的角色，使WGPP作为一个整体参与电网的调度运行。站在电网角度，WGPP能量管理模块的存在有效减少了控制变元的数量、降低了调度的复杂性。上述模块既可以独立存在，也可以嵌入到上级电网的能量管理系统中。

值得说明的是，WGPP与近年备受关注的虚拟发电厂(Virtual Power Plant, VPP)概念是存在区别的。由VPP概念提出的背景可知，对VPP的研究主要源于大量小型分布式发电单元的集成以及需求侧响应的智能决策等需求[11]，而本文的WGPP则针对高电压等级的规模化新能源接入问题。但WGPP与VPP也存在某些相似之处，如都是将多个发电单元聚合成类似于单一电厂的整体。此外，可以将WGPP与其区域内的配电网、微电网层面的VPP相协调，构成分层的能量管理体系，从而可以利用区域内的风光互补以进一步提高可再生能源调度的计划性，以及通过需求响应优化负荷曲线，提高WGPP的可调度性。

图1 崇明岛风燃等效电厂结构示意图

2 WGPP的调度模式

2.1 调度模式

WGPP对外以一个电厂的形式参与系统运行，主要存在两个控制目标，分别为控制对外联络线的功率以及对系统频率给予支持。前者是将WGPP视为一个常规电厂，后者是将其视为一个控制区域。由此，本文提出对WGPP的两种调度模式。

(1) 跟踪调度曲线模式。当WGPP接入到大系统时，系统频率较为稳定，WGPP可以选择跟踪调度曲线的调度模式。这时，将WGPP视为一个常规电厂。WGPP应使其对外联络线的总出力跟踪调度曲线，以偏差最小为控制目标。对于风电和负荷预测的偏差部分，WGPP利用CCPP机组出力快速调节的能力，对WGPP的整体出力进行调整。

(2) CPS控制模式。如果WGPP接入到一个较小系统时，WGPP在跟踪调度曲线的同时，还应具有对系统频率的支撑作用，即当系统频率处于低位时，WGPP应增加出力，反之则应减少出力。为此，控制方式应采用联络线功率频率偏差控制(Tie-line load and frequency Bias Control, TBC)。

在调度曲线的制定上，系统调度也将WGPP视为一个等效电厂。具体方法为：WGPP根据区域内CCPP机组检修计划、风功率预测数据以及超短期负荷预测数据等信息，形成日前的发电能力曲线并上报给系统调度，系统调度据此制定WGPP的96点发电计划曲线并下发给WGPP的能量管理模块。

由于崇明岛靠近江苏、上海等大电网，因此崇明岛WGPP采用跟踪调度曲线模式更为合适。

2.2控制效果的评价指标

由上可见，本文利用了传统AGC的控制手段，对WGPP实施控制。这样，在对控制效果进行评价时，也可以参考传统AGC的评价指标。

(1) 出力偏差指标

因为该指标只考虑WGPP出力的偏差情况而不考虑频率的波动，因此，该指标主要应用于跟踪调度曲线模式。此时，将WGPP视为常规电厂，其出力偏差应控制在调度曲线计划值的2%之内。

(2) CPS指标

为评估AGC控制的效果，NERC在1996年提出了CPS(Control Performance Standard)准则[12]。CPS考核标准包括CPS1和CPS2。本文以此评价上述CPS控制模式的控制效果。

CPS1指标可以表述为

(2)

(3)

式中：为区域控制偏差(Area Control Error, ACE)；是距某个目标频率的频率偏差常数，通常取某年基于1 min的平均频率与额定频率的偏差的均方根值。仿真时对控制区域的评估考核，采用10 min的CPS1作为评估依据。

CPS2可表述为：如果控制区域在每个10 min间隔内的平均值小于某个事先确定的常数10，则该10 min的CPS2指标合格，如式(4)所示[12]。

本文采用如下CPS考核标准[12]：当时，说明在该时间段内对互联电网的频率质量有帮助，此时为任意值考核均合格；当时，CPS考核不合格；当时，若合格，则CPS考核合格。

根据上述对CPS指标的分析，在CPS控制模式下，应尽量满足的考核要求。为此，在计算时，应该将控制频率偏差系数取得偏大，这样，在AGC控制的稳态效果中，的计算值会逐渐趋向于零，而的实际值恰好与系统频率的偏差量符号相反，从而获得较高的CPS1指标。

3  CCPP机组的AGC控制算法

本文假定风电功率被全额消纳，不考虑风电场的自动有功控制。这样，WGPP中具有AGC功能的电源仅有CCPP机组。WGPP的由交换功率偏差和系统频率偏差共同构成，如式(5)。

式中：P、f分别为WGPP实际联络线功率和系统频率；P、f分别为联络线功率的计划值(调度曲线)和系统额定频率；K为该控制区域频率偏差系数设定值，通常取区域自然频率特性系数，其中，sys为控制区域发电机等值调差系数，l为控制区域负荷因子项。

将计算公式写成变化量形式：

3.1 比例积分(PI)控制

考虑CCPP机组的装机容量以及爬坡率限制，AGC控制框图如图2所示。基点功率每15 min更新一次，AGC指令每6 s执行一次。

图2 CCPP机组AGC算法示意图

对于由负荷及风功率的高频随机变化所造成的ACE波动，AGC不应也无法进行响应，因此，利用低通滤波器对ACE滤波，滤波后得到ACE信号。

CCPP机组的目标出力D共由两部分组成，如式(7)。

式中：B是基点功率；E是调节功率。为了实现ACE的无差调节，需要在低通滤波器后加入PI控制。

(8)

式中：ACE、ACE分别是比例分量与积分分量；P、I分别是PI控制环节的比例系数与积分系数。

B是CCPP机组的基点功率，由实时负荷预测、风电功率预测以及调度曲线决定，，其中，Lpre是实时负荷预测值，wpre是风电功率预测值。目标出力D经过机组出力限制与爬坡率限制，得到最终的AGC信号。

3.2 改进型PI控制

相比于常规火电机组，CCPP机组具有出力调节快的特点，因此WGPP的出力可以跟踪变化幅度更大的调度曲线。这需要对PI算法进行改进。

每隔15 min，当调度曲线发生较大突变时，由基点功率B的计算式可知，B也会随之突变，但是由于存在对AGC信号的爬坡率限制，AGC信号并不会发生突变。此时，由PI闭环控制得到的调节功率E的变化是没有意义的。为了避免对E中的积分项进行无意义的积累，此时对CCPP机组的出力进行开环控制，E维持在每个15 min开始时刻的值，目标出力，直到以下任意一种情况出现：

(1) 基点功率的突变方向与调度曲线的突变方向相反。这时仅仅依靠开环控制调节AGC信号不仅不能使置零，相反会使其绝对值增大。

(2) CCPP机组的出力达到开环控制目标出力D附近的阈值。这时仅仅依靠开环控制不能以最大爬坡率给出AGC信号。

当以上三种情况中的任意一种出现时，应立即恢复闭环控制。

4 仿真结果

本文根据崇明岛电网的现状，利用RTDS对WGPP的调度模式以及控制效果进行仿真验证。所仿真的WGPP中包含一套CCPP机组、两座风电场以及本地负荷。CCPP机组模型参考文献[13]，其额定功率为400 MW。两座风电场的装机分别为60 MW和48 MW。仿真参数，，，，。

4.1 实测数据仿真

首先利用现场实测数据进行验证。选取了2014年3月1日上午11点10分~12点5分的崇明岛风电功率及负荷数据，时间分辨率为1 min。在这段时间内，风功率和负荷分别持续上升和持续下降，如图3、图4所示，联络线交换功率曲线如图5所示。

图3 风电场功率曲线

图4 崇明岛负荷曲线

A、跟踪调度曲线模式

由于CCPP机组出力调节速度快，可以有效地平抑由风功率与本地负荷造成的波动，因此，在跟踪调度曲线模式下，采用两种PI控制方法在稳态过程中都可以得到较好的平抑效果，但是采用传统PI控制方法的WGPP联络线功率在稳态时存在较大的控制偏差。相比之下，采用改进PI控制得到的联络线交换功率具有更好的跟踪效果。这一点也可以从图6的统计指标中得到。

从概率特性可以看出，采用改进PI控制方法时，联络线交换功率偏差在2%以内的概率接近90%，明显优于传统PI控制。这是因为在爬坡率限制的影响下，PI调节的动态过程较长，调节功率的积分项在这个过程中会产生一个绝对值较大的累计量，进入稳态后，这个累计量需要很长的时间才能得到消化。而改进后的PI控制，其调节功率在动态过程中保持不变。

B、CPS控制模式

下面假设WGPP接入一个规模较小的系统，其系统频率存在波动，波动周期是5 min，幅值为0.02 Hz。此时对WGPP采用CPS控制模式。采用两种不同的PI控制方法，其联络线交换功率的时域曲线如图7所示。

从图7可以看出，在两种PI控制方法下，联络线交换功率都呈现出相对频率波动能够反向变化的现象，这一点体现了WGPP出力对系统频率的支撑作用。但利用改进型PI控制方法，联络线交换功率跟踪调度曲线效果明显更好。这段WGPP运行过程中的CPS指标如表1和图8所示。

表1 两种控制方法CPS1指标比较

4.2风电功率突变事件仿真

下面进一步验证当发生风功率突变事件时，WGPP的控制效果。因为风功率突变事件持续时间一般较短，而在短时间内进行CPS考核是没有意义的，因此本节仅验证跟踪调度曲线的控制模式。

在分钟级的时间尺度内，风电功率W可分解为三部分：移动平均值a，快速波动分量tu以及突变事件r，即

式中：a在分钟级时间尺度内变化平缓，可近似看作恒值；tu是风电功率的高频分量，由风的湍流产生，对系统的影响很小，可忽略不计[14]；r由风速突变引起，可归纳为4种事件：突降、突升、先降后升与先升后降，如图9所示。

图9 风功率突变事件示意图

Fig. 9 Schematic view of wind power events

对崇明岛WGPP中48 MW风电场进行风电功率突变事件仿真。仿真初始条件为：系统频率不波动，且联络线实际功率已完成对计划值的跟踪。仿真过程中，调度曲线计划值不变、全岛负荷不变，另一座60 MW风电场的功率恒定为17.15 MW。

根据参考文献[14]设定48 MW风电场的突变事件参数，如表2所示。

表2 48 MW风电场的突变事件参数

在上述4类风电功率突变事件下，WGPP联络线实际功率相对于计划值的偏差、AGC信号和CCPP机组出力的仿真结果如图10和图11所示。

由仿真结果可见，在4种风电功率突变情况下，CCPP机组的出力能够跟踪AGC信号，与风电功率的突变互补。WGPP的联络线功率能够跟踪调度曲线，出力偏差始终在2%以下，满足控制要求。

图10 联络线功率偏差

图11 AGC信号和CCPP机组出力

5 结语

(1) 本文以崇明岛智能电网为应用实例，提出了风燃协调等效电厂的概念。该等效电厂通过风、燃两种清洁能源的协调运行，实现可再生能源的平稳送出，并作为一个整体参与电网的调度运行。

(2) 针对WGPP不同的控制目标，本文提出了跟踪调度曲线以及CPS等两种AGC控制模式。以崇明岛电网为实例的仿真验证表明，上述控制模式可以实现可再生能源的拟常规电源调度。

(3) 本文对AGC算法中的PI控制进行了改进。仿真结果表明，在调度曲线存在较大幅度变化时，改进方法具有更好的跟踪性能。

(4) 本文提出的改进型PI控制可以针对不同的风电功率突变场景实现AGC信号的快速准确响应，从而使得WGPP在跟踪调度曲线模式下，其并网功率满足调度目标。

随着风力发电和燃气发电在我国的快速发展，本文提出的WGPP的调度模式可以在源端提高可再生能源的可调度性，在网端降低控制系统的维度，具有一定的示范推广价值。

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(编辑 周金梅)

A study about the automatic generation control strategy of large scale wind-gas coordinating equivalent power plant

LI Zhonghao1, HUANG Yijun1, ZHANG Peichao1, JI Minjie1, FANG Chen2

(1. Department of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2. State Grid Electric Power Research Institute, SMEPC, Shanghai 200437, China)

Taking the power system of Chongming Island as an example, a concept of wind-gas coordinating equivalent power plant (WGPP) is proposed. This concept applies the method of integrating the wind farm and gas-steam combined cycle power plant (CCPP), which makes the grid-connected power controllable, and make WGPP participate in the system schedule as an equivalent power plant. Then, according to different scheduling targets and connected systems’ scales, two different scheduling modes are proposed: scheduling track mode and CPS control mode. In order to take full advantage of CCPP’s performance characteristics, the automatic generation control (AGC) algorithm based on traditional PI principle is modified. Finally, the RTDS simulation results using field test data and four types of wind events validate the feasibility of the two different scheduling modes.

This work is supported by National Science and Technology Support Program of China (No. 2013BAA01B04).

wind farm; gas-steam combined cycle units; proportional plus integral controller; automatic generation control; control performance standard

10.7667/PSPC150667

国家科技支撑计划课题(2013BAA01B04)；国家电网公司科技项目(520940140021)

2015-04-21；

2015-08-02

李中豪(1991-)，男，硕士研究生，主要研究方向为电力系统仿真、分布式发电；E-mail: zhonghao0303@163.com

黄屹俊(1987-)，男，硕士研究生，主要研究方向为电力系统仿真、电力系统保护与控制；

张沛超(1970-)，男，博士，副教授，主要研究方向为电力系统保护与控制、智能变电站、电力系统仿真。