山西风电场与光伏电站集群控制系统研究与开发*

李潞洋

(山西省自动化研究所，山西 太原 030012)

0 前言

日前山西省风电、光伏等新能源发电已累计达538亿kWh[1]。以风电和光伏为代表的新能源正逐步成为我国重要的能源资源，在满足能源需求、改善能源结构、减少环境污染、保护生态环境、促进经济社会发展等方面发挥着重要作用。

新能源大规模集中并网是实现新能源大规模开发利用的重要途径。由于风能和太阳能等新能源具有出力不稳定、低能量密度的特点,因此在开发利用新能源时,必须考虑其整体波动性对系统的影响[2]。尽管新能源的大规模发展是大势所趋，但风电和光伏等间歇性新能源规模化发展面临三大技术难题：一是具有随机性、波动性和间歇性，发电特性有待改善；二是难以有效预测、调度和控制，源网协调性能有待提高；三是资源的地域特征明显，与需求呈逆向分布，资源有效配置问题有待解决。这三大难题成为了制约我国新能源发展的瓶颈，如果不能得到有效解决，会严重影响我国新能源发展目标的实现。

对于大规模新能源接入的地区,在风电场之间、光伏电站之间存在发电量的相关性,同时风力发电与光伏发电之间也存在一定的相关性[3]。项目通过深入研究大规模新能源集群控制系统关键技术、大型风电场智能化运行维护系统研究及示范、分布式发电及微电网控制关键技术，实现我省大规模风电场、光伏电站集群控制和并网技术的突破，建成我省大型风电基地、大型光伏发电基地的集群控制平台示范工程和微电网示范工程，解决了我省大规模新能源发电并网技术难题，带动智能电网产业的发展。

1 各级主体控制有功协调分配策略

根据电网运行方式特点以及风(光)场站特性，实现风(光)场站有功功率控制的多模式化，风(光)各种控制模式可以根据电网实际需求人工在线进行切换。具体模式包括：

1) 跟踪断面控制模式：根据风(光)电断面功率实时值和控制值的偏差，自动调节风(光)电，在防止断面功率越限的前提下，最大程度利用风(光)电。

2) 跟踪计划控制模式：通过主站自动下发指令，使新能源电场跟踪发电计划曲线运行。

3) 人工控制模式：按照人工指令进行定功率控制，指令是指调控人员根据电网的实际情况人为设定的指令，一般可维持较长时间不变。

全面考虑在电网电压无功优化中参与的各种设备及其控制特性，包括常规水火电厂的连续可调机组无功出力、离散控制的变电站电容电抗器和变压器抽头以及具有小容量、间歇性特点的风电、光伏等新能源发电出力，分析研究了以连续可调的常规机组来平抑和控制负荷电压波动，以离散控制的电容电抗器和变压器抽头来应对负荷的峰谷变化趋势，而新能源发电则是充分发挥其可调节能力并通过调节其动态无功储备及利用常规机组无功来消除间歇性冲击的控制分配策略。

2 区域电压优化控制模型

通过研究风电、光伏等新能源场站的运行特性和控制方式，我们设计并建立了适应风电、光伏场站分散性、间歇性等特征的控制模型；建立起全网无功电压优化数学模型，控制变量包括了常规水火电厂无功出力、变电站电容电抗器等离散设备，并纳入风电、光伏场站的电压、无功等作为控制约束变量，在优化目标函数中，包括电压合格、无功潮流优化、减少控制调节量和考虑系统控制安全等优化目标。

3 面向集群系统的紧急控制及安全校正控制策略

面向集群系统的有功紧急控制及安全校正控制策略主要包括集群系统(断面)的分区控制和分层次嵌套控制。

分区控制：断面既可以是电网实际断面，也可以是调度定义的虚拟断面(如全网风电总出力、各风区总出力、全网光伏总出力、各光区总出力)。电场功率控制功能模块自动将断面控制偏差按照给定的电场功率分配策略分配给各个参与调整的电场，将参与断面控制分配得到的分配量对参与调整电场原计划进行修正得到控制目标后，再将其发送至各个电场。

1) 正常区，将断面调节量分配给断面下的新能源电场机组。

2) 紧急区，将断面下的新能源电场目标值限制在当前出力，防止断面越限。

3) 越限区，将断面越限需要下调的调节量分配给断面下的新能源机组。

分层次嵌套控制：一个新能源电场可同时对多个断面进行有功控制，同时满足多个断面的安全约束。当底层断面受限，而全网对风(光)电还有接纳空间时，系统会将该断面受限出力转移给全网其它有送出空间的断面，避免不必要的弃风(光)，同时保证各层断面都在安全限值内运行。系统在一个控制周期内，会对各风(光)场的指令进行多次计算，保证新能源电场最终的指令值既能满足所有相关断面的安全约束，又能避免新能源电场不必要的弃风(光)，提升全网对风(光)电的接纳能力。

为了实现对集群系统无功的紧急控制及安全校正控制，充分考虑紧急运行状态的特点，对紧急状态下可能出现的数据跳变和估计结果不收敛采用灵敏度方法，并用以电压校正为目标的替代目标函数进行控制；为了实现动态无功储备最大化，在优化目标函数中加入提高风电、光伏发电率和接纳能力、改善其动态无功储备和提高控制稳定性的目标，并通过研究采用适合大规模非线性多时段混合整数优化问题的分解协调计算方法来得到控制策略。

4 集群控制系统有功协调控制、无功电压控制软件开发

集群控制系统有功协调控制软件包括监视控制、统计考核和数据接口三大类功能模块。其中监视控制类模块包含数据采集、协调控制、断面控制、功率分配和人机操作等模块；统计考核类模块包含机组考核、历史查询、操作记录等模块；数据接口类模块包含常规AGC、风电预测、负荷预测、发电计划等模块。

无功电压控制软件开发包括了无功电压控制核心算法和系统运行驱动程序，核心算法部分开发包括了以区域电压优化控制模型为基础的优化求解算法，算法采用的是非线性多时段混合整数优化计算方法，计算数据读取接口则包括了全网状态数据、控制设备运行和控制采集数据、计算限值和预测数据等；而系统运行驱动程序则包括了应用注册和运行驱动、电网运行控制数据采集、算法计算数据输出和计算结果输入、控制命令下发和验证、历史记录和统计等模块。

5 系统控制效果

某风电场站集群的功率如图1，图2所示，直线表示调度给定的限值，曲线表示风电场集群的实际功率。

图1 未采用集群控制系统前功率实时曲线

图2 采用集群控制系统后功率实时曲线

未采用集群控制系统前，依靠人工调度，新能源集群的功率无法得到充分利用(接近上图中的直线所表示的限值)且波动较大。

采用集群控制系统后，依靠自动控制，实时调节集群各场站的功率，使集群的功率得到充分利用且运行平稳。

[1] 山西新能源发电已突破500亿kWh[J].能源与环境,2017(6):111.

[2] 王光辉.风电光伏联合系统光伏发电规划方法[J].黑龙江科技信息,2017(4):134-136.

[3] 李轩,张家安,吴林林,等.可再生能源汇集地区风电与光伏发电的综合容量可信度评估[J].太阳能学报,2017,38(3):707-714.