层次化结构的新能源网源储运行控制关键技术研究

吴婧妤，吴 爽，王丙文，黄素娟，叶鹏飞

（国网电力科学研究院 江苏 南京 211106）

层次化结构的新能源网源储运行控制关键技术研究

吴婧妤，吴 爽，王丙文，黄素娟，叶鹏飞

（国网电力科学研究院 江苏 南京 211106）

针对现有新能源电站稳定运行控制难、配电网协调控制灵活性较差以及发电利用效率低等问题，提出了新能源电站保护控制层、配电网调度控制层和新能源电站并网接入层的层次化结构研究模式和整体解决方案。在上述三层结构的基础上，深入研究基于功率频谱在线分析的新能源分布式电源功率波动平抑、基于给定调度关口功率的分布式电源最优控制等各类关键技术，实现在保证配网安全稳定运行和新能源电站最佳角度同期并网的前提下，提高新能源电站供电可靠性以及新能源接入以后电能质量。

新能源；分层分级；协调控制；并网接入

随着我国经济的飞速增长，对电力的需求也与日俱增，而我国以火力发电为主，在环境问题上需耗费大量人力、物力和财力，新能源的大力推广是推进能源生产和利用方式变革，提高能源利用效率，促进节能减排的必然要求。天然气、太阳能、生物质能、氢能、风能、水能、微型燃气轮机等，这些新能源发电以其灵活、环保等优势，正在逐渐赢得广大市场。但与此同时，在新能源大规模的应用中，也产生了一些负面影响。对于电力系统而言，新能源发电系统属于不可控发电单元，需要通过合理方式来控制，以最大限度的减少对电网的冲击。同时，大量的新能源发电电源也给电力系统的实时调度、保护、电网稳定性带来一些新的问题[1]。

针对现有新能源电站稳定运行控制难、新能源发电接入后配电网协调控制灵活性较差以及新能源发电利用效率低等问题，研究新能源电站不同层面的稳态、动态、暂态特性，寻求新能源电站建设中的运行控制、配电网的协调控制以及并网接入等方面的解决方案。在新能源电站保护控制层面，提出新能源功率波动平抑控制技术以及储能相关的应用技术；在配电网的协调控制层面，提出基于给定调度关口功率的分布式电源最优控制技术和分层分级分布式电源联动协调控制技术和等一系列技术，提高新能源发电调度控制的实时性和经济性；在新能源电站并网接入层面，提出了基于goose通信的多储能逆变器并联技术、基于高精度量测技术的三相平衡同期并网技术，确保新能源发电的安全可靠运行，在保证配网安全稳定运行的前提下，使新能源发电的整体出力最大。

1 层次化结构的新能源网源储运行控制体系结构

新能源的大力推广是推进能源变革，促进节能减排的必然要求，然而新能源的波动性、间歇性、随机性，带来了适应新能源特征的保护、安全稳定控制、平滑接入、优化调控管理及研究储能在新能源领域应用等一系列新课题[2]。从新能源站运行控制及储能、新能源接入控制、新能源调度控制3个层次，深入研究新能源电站接入配电网后的各类关键技术。层次化结构的新能源网源储体系结构如图1所示。

图1 层次化结构的新能源网源储体系结构

2 层次化结构的新能源网源储关键技术

2.1 新能源站运行控制及储能层关键技术

新能源站运行及储能控制层主要负责新能源电站的继电保护、测量控制，在新能源电站主动离网和被动离网时，实现电站的平滑切换，对离网后电站的功率、负荷稳定进行协调控制，保证电站的稳定运行。该层主要研究的关键技术有：新能源功率波动平抑控制技术、储能相关的应用技术。

2.1.1 新能源功率波动平抑控制技术

新能源功率波动平抑控制技术主要用于平滑风机、光伏的功率波动，消除其由于功率波动对电网造成的冲击[3]。

基于功率频谱在线分析的新能源功率波动平抑技术，通过在新能源电站稳定协调控制装置中对新能源功率频谱进行在线分析，根据频谱分析结果以及当前储能单元的出力特性，对功率波动平抑滤波参数进行实时修正，实现新能源电站中多种分布式电源功率波动的最优平抑控制，减少新能源配电站系统功率波动，提高了新能源站的电能质量。

1）根据当前新能源电站运行状态给定滤波参数λ初值；

2）计算当前平抑参数下所需储能△Pb；

3）根据当前功率波动变化量△Pb和变化率△Pbr判断是否需要对平抑参数进行修正；

4）根据储能装置当前可发出功率Pb与所需功率△Pb判断是否满足给定的平抑精度Pbset要求；

5）根据步骤3）和步骤4）判断结果修正平抑参数，对于充放电特性不同的储能装置，选择不同的修正速度；

6）根据最终修正的平抑参数输出平抑控制指令△Pb，更新储能装置状态。

2.1.2 储能装置并网/离网模式无缝切换

在电网故障时刻，储能装置由并网状态切换为离网状态，维持新能源电站内装置、设备的正常运行；当电网恢复后，储能装置由离网状态切换为并网状态，接收综控的各项指令，同时按照电池管理设备的要求对蓄电池进行充放电控制。储能并网/离网模式切换技术应避免可能出现的电流、电压过冲，做到无扰切换。

1）并网运行模式：

配电网提供新能源电站内的电压及频率支撑，储能控制器采用P/Q控制，以使储能单元处于适宜的荷电状态和良好的功率调节能力，或根据系统的需要向配电网吸收或输出一定的有功/无功功率，实现微网与配电网公共连接点PCC功率潮流的相对稳定。

2）离网模式：

采用V/f控制方法，建立并维持系统的电压与频率，储能的输出电压及相位取自系统的预设值，经滤波电容电压环、滤波电感电流环双环控制后产生储能控制器的PWM信号。

3）离网/并网模式无缝切换：

新能源电站离网运行时，当接收到并网调度指令，电站将切换至并网运行模式，快速准确的电网状态检测以及电压同步控制可以减少并网冲击，实现模式的平稳切换。新能源电站并网运行时，当计划检修或配电网出现故障时，电站将切换至离网运行模式，储能的快速控制可以缩短系统电压及频率的过渡时间，实现模式的灵活切换。新能源电站运行模式切换时，储能控制策略相应改变，其建立的V/f与PQ控制环节如图2所示。当采用PQ控制时，储能控制器采用三环控制方式，利用功率控制环，并网电感电流，产生滤波电容电压环的d-q轴分量参考值Vdref、Vqref，并引入电压前馈提高控制系统的抗扰动能力。当采用V/f控制时，Vdref、Vqref值由储能控制器直接给定。Vdref、Vqref经滤波电容电压环、滤波电感电流环产生储能控制器的PWM信号。

图2 储能控制器运行模式控制图

在微网从并网运行切换至离网运行模式过程中，储能控制器及时从三环控制方式切换至双环工作方式。由于滤波电容电压环和滤波电感电流环在两种工作模式中保持不变，因而能够确保系统在模式转换过程中的平滑和快速。

2.2 配网调度控制层关键技术研究

配网调控层主要研究新能源电源发电特性，根据区域电网的特点、网架结构、通信方式等约束条件，建立新能源电源管理优化模式，建设新能源电源调控综合应用系统，实现运行状态监视、协调控制及群控、数据挖掘及统计分析、出力调节及控制方式等高级应用功能。通过对基于给定调度关口功率的分布式电源最优控制技术和分层分级新能源电源联动协调控制技术的研究，对分布式电源并网进行控制和管理，实现分布式电源与配电网的安全协调运行。

2.2.1 基于给定调度关口功率的电源最优控制技术

新能源电源作为一种清洁能源应用越来越受到重视，但是其具有间歇不易控特性，导致电网不能像火力发电那样直接通过AGC实现机组的出力控制，目前电网企业对新能源电源的调度是给定其关口功率，让其自己协调控制其内部的发电出力，实现新能源电源的总出力满足给定关口功率范围[4-6]。

作为新能源电源，其发电组件数目比较多，每个发电组件的发电效率和发电成本可能都存在差异，考虑发电组件的运行状况以及检修计划，以及输送到电网的线路损耗，可以形成不同的调度控制策略[7-8]。因此，需要从众多的调度控制策略中寻找到最优控制，从而实现效益最大化。构造最优控制的目标函数，以单位发电成本最小为目标，辅以发电组件最少、网络损耗最低以及无功补偿等辅助装置的投切数最少，借助生产管理系统的设备发电成本、检修计划等以及气象系统的气象预报，结合当前发电组件工况，利用潮流分析和无功优化等高级应用校核，得到目标函数的最优可行解。具体实现框图如图3所示。

2.2.2 分层分级新能源电源联动协调控制技术

图3 分布式电源最优控制图

配网中接入光伏等新能源，对配网中各个节点的电压产生了一定的抬升作用，随着新能源接入容量的不断提高，甚至会出现配网潮流反送，线路末端电压幅值高于首端电压幅值的情况出现[6]。为保障配网电能质量，维持配网电压水平在合理的范围内，需要适当减少配网中光伏发电等新能源的出力或者增加额外的无功补偿装置，这势必会限制配网中分布式电源渗透率的进一步提高[9-11]。

针对以上问题，提出了分层分级分布式电源联动协调控制技术。把新能源电源需要控制的数量按照数据类型进行分层，建立同层之间和不同层之间控制量的联动协调策略。同时，控制量隶属于具体的新能源发电设备，建立设备之间的联动协调策略。此外，不同种类的设备存在包含关系，如风电场中集电线路下包含多台发电风机和箱变，倘若控制上层设备，需要同时对该设备下的其它设备进行联动控制[12-13]。在控制策略生成过程中，需要优化控制流程，简化控制过程，达到协调控制。具体实现框图如图4所示。

图4 新能源分层分级协调控制流程

考虑到配网运行时，整个系统的有功、无功与节点电压不解耦的实际情况，采取有功-无功协调控制策略优化配网中各个分布式电源及无功补偿装置的出力。具体的说，即是当配网中出现节点电压越限时（节点电压过高或者过低），优先利用光伏逆变器剩余容量及无功补偿装置对电压越限点进行补偿，使得节点电压恢复至合理的运行范围，若此操作不能使得电压恢复至合理的范围，再考虑适当减少光伏出力并同时利用光伏逆变器剩余容量及无功补偿装置的补偿作用，使得配网电压水平维持在合理的运行限制内，保障配网安全稳定运行。协调优化控制技术适应网络拓扑结构和潮流变化，可在毫秒级内输出控制策略，在1秒内完成控制策略命令下发，保证配电网安全稳定运行的基础上，提高电压合格率和光伏等新能源出力最大化。图5为新能源电源联动协调控制示意图。

图5 新能源电源联动协调控制示意图

2.3 新能源电站接入层关键技术研究

分布式新能源接入层包含光伏、风力发电、储能、柴油发电等多种形式的分布式电源并网接入装置以及并网接口控制技术，其中针对储能装置研制及控制策略研究是接入层的关键技术之一。通过对储能装置的同期并网技术、基于goose通信的多储能逆变器并联技术的研究，使新能源接入满足新能源电站主动/被动离网及平滑切换控制策略的需求，以提高电网的供电质量和经济效益。

2.3.1 基于三相平衡的同期并网技术

传统电网在同期并网时，若两侧电网出现压差，角差等因素不满足同期条件，一般会采用直接闭锁的形式。而在新能源电站的同期并网过程中，往往需要发电单元进行实时调节来完成并网。对于系统侧各相电压参数以及当前调节状态，并网设备可以通过网络发送给发电单元，从而完成同期调节。通过网络的实时传输，可依据现场实际接线方进行灵活配置，提高了同期调节的实时性，同时也减少了传统信号继电器使用成本和电缆的铺设成本[14-15]。

针对新能源电站电力电子设备多，谐波污染大，三相负荷不平衡及新能源电站两侧互感器不一致、断路器合闸时间长，导致并网时会对新能源电站和电网产生很大冲击的特点[16]，对现有检同期并网技术进行了改进，实现了自动幅值补偿技术、自动相角补偿技术、导前时间补偿技术及采用电能质量检测技术、三相电压不平衡判断技术，当电能质量不合格时不允许同期并网，三相电压不平衡时执行三相检同期流程，三相电压平衡时执行单相检同期流程。

基于三相平衡的同期并网技术流程如图6所示。

图6 基于三相平衡的同期并网流程图

通过以上技术，实现了新能源电站在最佳角度同期平滑并网，使得并网对电网系统及新能源电站电力设备冲击最小，延长了电力设备的使用寿命，提高电网稳定性，具有良好的应用前景。

2.3.2 基于goose通信的多储能逆变器并联技术

逆变器并联运行可使逆变器电源系统的设计、制造实现模块化，扩充系统容量或提高系统冗余度。逆变器并联系统输出电压频率和相位需要严格同步。由于逆变器之间很小的连接阻抗也会使并联运行的逆变电输出有功功率严重不平衡，严重影响电网频率稳定及网内负载的稳定运行；若并联逆变器输出电压所含谐波分量存在较大差异，此时各并联单元之间就会存在谐波环流。此外，大量的逆变器并联于电网公共端，加上站内其他的发电设备各自输出阻抗参数不同，容易引起复杂的谐振现象。

基于goose通信的多储能逆变器并联技术采用与传统发电机相似的频率一次下垂特性曲线（Droop Character）作为逆变器的控制方式，即分别通过P/f下垂控制和Q/V下垂控制来获取稳定的频率和电压，这种控制方法由新能源电站综控系统通过goose通信向储能装置发送有功功率和无功功率指令，无需各机组间的通信协调，实现了逆变器即联即用和对等控制的目标，保证了孤岛下电站内电力平衡和频率的统一。图7为储能逆变器下垂控制框图。

图7 储能逆变器下垂控制框图

图7中功率计算由传统的一阶滤波改用二阶滤波，提高了系统的可控性及其动态性能，此外，通过增加虚拟高频阻尼抑制谐波环流，在不影响储能逆变器静态输出特性条件下，提高逆变器在主要谐波频率段的输出阻抗，从而抑制逆变器谐波电流产生，改善非线性和不对称负载引起的电流THD过大的问题。为了有效抑制大量的储能逆变器并联于电网公共端可能引发的谐振，储能逆变器采用有源阻尼控制策略。从离散控制的角度分析谐振机理，即控制器运算时间带来的滞后影响了系统相频特性，使其不满足奈奎斯特稳定判据而失稳。

3 结 论

随着对新能源电站接入研究的深入及其应用范围的扩大，对新能源电能质量的关注也越来越多。通过对新能源网、源、储不同层面进行深入研究，针对新能源站运行控制、储能控制、平滑接入、优化调控不同层面的特点提出了多项关键技术，提出了整体解决方案，立足在不改变现有配电网格局的基础上，实现大规模新能源接入的“即插即用”和就地消纳、安全稳定运行，促进节能减排，对我国新能源技术领域的积极健康发展具有重要意义。

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Key researches on operation of net-source-reservoir with hierarchical new energy

WU Jing-yu，WU Shuang，WANG Bing-wen，HUANG Su-juan，YE Peng-fei
（NARI Group Corporation.State Grid Electric Power Research Institute，Nanjing 211106，China）

For existing problems of stable operation for new energy power station，weak flexibility for network distribution and coordination and low utilization efficiency of new energy power generation，a hierarchical research model including protection control layer and grid access layer in new energy power station and coordination layer of power distribution network is proposed，which aim at solving the operation mechanism，coordination and grid access problems as a whole.Based on the above three layers structure mode，a series of technology is proposed，which including power fluctuations smoothing in new energy distribution based on the analysis of power spectrum online，optimal control of distributed power supply based on a given scheduling threshold power.On the guarantee of the synchronized gridconnectionand safe of stable operation of distribution network，the power supply reliability and power quality of new energy power station are improved.

new energy sources；hierarchical；coordination control；grid access

TN87

A

1674－6236（2017）10-0091-06

2016-04-14稿件编号：201604143

国网科技项目（DN150013）

吴婧妤（1985—），女，江苏南京人，硕士，工程师。研究方向：新能源与微电网。