集群新能源经柔直孤岛送出换流站的功率越限控制研究

王晖,彭依,杨立敏,张健,李文锋,郭贤珊

(1. 中国电力科学研究院有限公司,北京 100192；2. 华北电力大学电气与 电子工程学院,北京 102206；3. 国家电网有限公司,北京100031)

0 引言

利用化石燃料产生电能带来的环境问题愈发严重,化石燃料作为非可再生能源消耗过多,促使风力发电和光伏发电技术快速发展,新能源装机大幅增加。截至2019年底,全国风电累计装机容量2.1亿kW、光伏发电累计装机达到2.04亿kW,占全网电源总装机的20%左右。可以预见,更多地区新能源发电渗透率将有所提高,可能达到80%甚至更高。大规模的新能源集中送出面临很多问题,目前,“弃风”、“弃光”现象亟待解决[1—6]。

大规模新能源场站通常处在电网末端,为了更好地消纳新能源,充分实现大规模新能源的集中送出,柔性直流输电技术成为输送电能的理想选择之一[7—10]。我国三北地区具有丰富的风能及太阳能资源,张北地区现已建立世界首个柔性直流电网工程[11—14]来输送新能源电力。

由于高电压等级模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)换流站的经济性问题和风光同时性分析[15—18],张北柔直电网项目中送端孤岛换流站的设计容量小于所配套的新能源场站的装机容量,在极端天气下,可能会出现短时换流器功率越限,引起换流器过流。因此,为了确保电网的安全稳定运行,同时保护造价较高的柔直换流器,设计了一套控制系统来确保换流器在任何时间都不会出现过流问题。

文中介绍了孤岛换流站的功率越限快速控制系统,分为功率越限回降控制系统和紧急虚拟频率控制系统。结合工程应用实际,设计了关键控制参数与控制策略,有效避免功率越限发生,旨在避免清洁能源功率波动,确保换流器及电网安全,降低对换流器在内的重要设备的损害,同时减少稳控系统的切机次数。

1 张北地区柔性直流电网结构及新能源波动性分析

1.1张北地区柔性直流电网结构

张北地区柔性直流电网结构如图1所示。张北地区规划建设一个±500 kV多端柔性直流电网,包括张北、康保、丰宁、北京4个换流站,张北、北京换流站容量为3 000 MW,康保、丰宁换流站容量为1 500 MW。该网配置直流断路器、直流线路快速保护装置等关键设备,构建输送大规模风电、光伏、抽水蓄能电站等多种能源的四端环形柔性直流电网。其中,张北、康保换流站连接纯新能源场站只包括风电场和光伏场,丰宁换流站连接抽水蓄能电站。

图1 张北柔性直流电网结构示意Fig.1 Schematic diagram of DC grid using VSC-HVDC in Zhangbei

在柔性直流输电孤岛送出大规模新能源的控制类似于海上风电情形[19—20]。张北、康保换流站为纯新能源送出端,新能源送出端换流站控制采用向无源电网送电的控制策略,为新能源机组提供稳定电压,采用定交流电压和定频率控制[21—25]。北京换流站作为受端换流站,与大电网相连,采取定有功功率和无功功率控制。丰宁换流站作为调压站,采用定直流电压和定无功功率控制。

1.2 张北地区新能源短时波动性分析

张北、康保送端换流站的额定容量分别为1 500 MW,3 000 MW,而2个送端的新能源初步规划容量分别为2 250 MW,4 500 MW。由于MMC换流器不具备过流能力,为保证功率不越限,功率越限进行有功功率预控,需分析短时间新能源波动。

由于张北、康保区域汇集的风电装机较光伏装机容量占比较大,文中以该区域风电波动特性为例进行分析。因功率越限涉及安全,综合分析能反映波动量的方法[26—29],选取每一时刻在某一时间尺度(如调度间隔15 min,1 h)内发生的最大波动进行概率统计。假设风电功率序列的时间间隔为T,则有：

(1)

式中：Pt1为该时段功率最大值；Pt2为该时段功率最小值；ΔPt,t+T为该时段的功率波动最大值；PN为额定功率。

通过短时功率波动数据分析可知,1 min间隔风电的绝对波动分布概率密度曲线如图2所示。其中,P为装机容量,最大波动速度为31.83%P/min,但总体都比较小,有99%以上概率的波动速度都在2.11%P/min以内。以下计算中新能源波动功率最快上升速度Vup_max设定为30%P/min。

图2 1 min间隔风电的绝对波动分布概率密度曲线Fig.2 Distribution probability density curve of absolute fluctuation of wind power in one minute

2 功率越限快速控制系统

功率越限快速控制系统的设计分为功率越限回降控制系统和紧急虚拟频率控制系统。紧急虚拟频率控制系统作为功率越限回降控制系统在通信中断时的备用。

功率越限回降控制系统是根据1.2节中新能源波动特性分析,考虑新能源发电的有功功率以最快波动速度向上爬坡工况,进行有功功率预控。对每次调节中功率调节速度最快的一些新能源电站分轮次发送功率回降指令,使总的下调功率在速度上比最快爬坡速度更快,从而保证换流站总功率始终不超过其额定容量。功率越限回降控制系统通过快速回降新能源出力的方式代替稳控系统,主要以“切机”、减少“切机”量甚至不“切机”来避免换流器功率越限,从而提高系统的安全性,同时减少新能源切机再开机损失的时间和电量。

2.1 功率越限回降控制系统结构

功率越限回降控制系统包含有功快速控制主站与新能源执行子站,如图3所示。

图3 功率越限回降控制系统结构Fig.3 Configuration of the off-limit power fast control system

其中ΔP为指令下发需要回降的功率。张北、康保站有功快速控制主站,主站涵盖两部分功能：一是功能控制模块,二是指令分配模块。主站的指令分配模块用以接收功能控制模块的命令,并计算控制量的分解结果,将指令下发到执行子站。

在新能源场站部署执行子站接收主站功率回降命令,并分配给风机主控/光伏逆变器,同时将站内当前功率、最大功率上送至有功快速控制主站。

风电/光伏场站功率控制装置接收执行子站调节功率值并分发给新能源控制器,风机变流器/光伏逆变器接收指令并控制。

2.2 新能源执行站的功率快速调节控制

对于风电场来说,风机存在旋转元件,因此风电场执行子站控制器指令不能直接发送至风机变流器,而是快速发送至风机主控。另外,由于风机降功率时转速会快速升高,因此需要加入转速保护逻辑。图4为优化后某地区风电场功率快速调节试验结果,功率下降5%P的速度为660 ms,在700 ms的目标以内。

图4 风电场功率快速调节试验结果Fig.4 The experimental result of the wind farm on fast power regulation

光伏电站协调控制器可直接向各逆变器单元高速群发功率调节指令,逆变器的控制单元接收到指令后,将其有功、无功功率设定值经过功率环调节后输出为控制系统接收的指令,限制或放开逆变器的功率输出[30—31]。当光伏电站以最大功率运行时,将控制方式改为定功率运行,快速回降整站功率。因光伏电站无旋转元件,有功回降速度相对较快。图5为光伏电站功率快速回降调节试验结果,可见光伏电站有功功率可在30 ms内完成功率回降。

图5 光伏电厂功率快速调节试验结果Fig.5 The experimental result of the photovoltaic power plant on fast power regulation

2.3 功率越限回降控制系统策略及参数设定

2.3.1 设计原理及参数设定

对于风电场和光伏电站,风机存在旋转原件,控制较为复杂,需要的最短调节延时也相对较长。以目前速度最快的某厂家风机试验为例,以优化后的结果为标准,从风电场接收到功率调节指令到调节基本完成需要100+100+500=700 ms。功率越限回降控制系统主站包括功能控制模块和指令分配模块,这2个模块的计算延时记为50 ms,与风场执行站的通信延时记为50 ms,加上风场延时700 ms,总延时为800 ms。以康保站为例,若以换流站额定容量1 500 MW为功率越限控制阈值,则功率越限后,由于延时仍未进行调节,功率继续增加,会造成更大幅度的功率越限。

功率越限回降控制系统阈值设定见图6,根据新能源波动特性分析,考虑新能源场站功率爬坡情况,以新能源波动功率最快上升速度Vup_max为30%×P/min,考虑到控制时限800 ms,包括系统的控制延时Δtcntrl_sys和新能源场站控制延时ΔtNewEnergyFarm,可以计算出功率越限回降控制系统理论阈值Pth_theory,即可保证换流站的总功率达到换流站功率限值PMMC_limit刚好不越限。

图6 功率越限回降控制系统阈值设定Fig.6 The threshold setting of the off-limit power fast control system

以康保站为例,功率越限回降控制系统理论阈值为1 494 MW。工程上,通常考虑留有一定的裕量,故功率越限回降控制系统实际阈值应留有裕量ΔPth,以保证工程上实现功率不越限,即：

Pth_real=Pth_theory-ΔPth

(2)

在功率越限回降控制系统实际阈值的整定中,主要考虑两方面的因素：功率测量误差ΔPth_err和控制过程中的产生误差ΔPth_controller。实际阈值Pth_real中所留裕量ΔPth为两者之和,如式(3)所示。

ΔPth=ΔPth_err+ΔPth_controller

(3)

所留裕量中ΔPth_err为考虑功率测量误差时所留裕量,由MMC容量即输出新能源场站的最大功率乘以误差的系数εPowerM,通常为0.5%,即：

ΔPth_err=PMMC_rate×εPowerM

(4)

所留裕量中ΔPth_contoller是将5个新能源场站控制周期(即5Tc)内以最快速度Vup_max上升的功率作为整定裕量,如式(5)所示。

ΔPth_controller=5TcVup_max/60

(5)

为保证功率越限回降控制系统的有效性以及快速性,新能源场站控制周期Tc的整定原则为：通过响应速度较快的5个新能源场站的响应时间确定控制周期。根据已有现场实测数据,暂定Tc=300 ms。张北、康保站情况相同,可采用相同控制策略。张北、康保站功率越限回降控制系统空置策略的关键参数汇总如表1、表2所示。

表1 张北站功率越限回降控制系统的关键参数 (按现规划的新能源容量计算)Table 1 Key parameters of the off-limit power fast control system of Zhangbei station(according to the present planning volume of the new energy station)

表2 康保站功率越限回降控制系统的关键参数 (按现规划的新能源容量计算)Table 2 Key parameters of the off-limit power fast control system of Kangbao station(according to the present planning volume of the new energy station)

2.3.2 实现过程

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功率越限回降控制系统在每一个新能源场站控制周期Tc中发出一次功率回降指令ΔP,确保换流站的总功率不会越限,如图7所示。新能源场站出力下调值ΔP应满足在一个控制周期Tc内,不小于新能源场站以最快速度Vup_max上升的功率,如式(6)所示。考虑恶劣工况,ΔP暂定10 MW。

图7 功率越限回降控制系统逻辑流程Fig.7 Logic flow chart for off-limit power fast control system

(6)

当测量到受控断面有功功率超过系统实际阈值Pth_real时,系统启动功率越限回降控制逻辑,将控制使能标志位置1,并将新能源场站出力下调ΔP。在功率越限回降控制系统使能过程中,如果功率再次越限,则继续将新能源场站出力下调ΔP。为了防止系统超调,不利于新能源的消纳,系统设置控制逻辑返回阈值Pth_return,取实际阈值。

Pth_real连续下调2次ΔP的功率,如式(7)所示。

ΔPth_return=Pth_real-2ΔP

(7)

如果功率低于控制逻辑返回阈值Pth_return,则将新能源场站出力上调ΔP；如果受控断面有功功率介于功率越限回降控制系统启动实际阈值Pth_real和返回阈值Pth_return之间,则功率越限回降系统不对新能源场站出力控制。当受控断面有功功率低于阈值Pth_real且累积降功率ΔPtotal重新归零时,将控制使能标志位置0,并退出功率越限回降控制逻辑。功率越限回降控制过程示意如图8所示。

图8 功率越限回降控制过程示意Fig.8 Schematic diagram of off-limit power fast control system control process

2.3.3 新能源执行站调用原则

2.4 紧急虚拟频率控制系统的控制策略

送端孤岛换流站的控制采用定交流电压和定频率控制。广域联合发电系统[25]可以根据功率的变化量计算出虚拟频率,新能源控制主站采用虚拟频率,使新能源交流电网频率发生变化,进行一次调频。

当功率越限快速控制主站通信出现问题时,虚拟频率控制及风机一次调频控制可以作为功率越限回降控制系统的备用控制,称为紧急虚拟频率控制系统。控制逻辑为：当换流站总有功功率达到设定阈值时,立即将虚拟频率控制中的频率设定值设为新能源允许的最高连续运行频率(暂定为51 Hz)；速率限制应设为避免出现系统不稳定的最快频率上升速度(根据电磁暂态仿真结果暂设为0.04 Hz/s)。当紧急虚拟频率控制系统启动时,执行站测量孤岛送出系统的电网频率,并进行一次调频控制,进行无通信状态的功率回降调节。考虑张北、康保换流站单双极运行、测量死区、新能源调频死区及新能源一次调频的场站配置比例(配置一次调频的场站总容量占新能源总装机容量的1/3考虑)后,双极运行时康保换流站最大安全运行功率阈值为1 400 MW,单极运行时为650 MW；双极张北换流站最大安全运行功率阈值2 850 MW,单极运行时为1 350 MW。

3 仿真算例

为了验证所提功率越限快速控制策略的有效性,基于PSCAD/EMTDC仿真平台搭建了张北、康保的主站以及执行站控制器的仿真模型。仿真参数如表1、表2所示。

3.1 功率越限回降控制系统仿真

康保站双极运行时,初始功率为1 435 MW。每个新能源场站(执行站)的有功功率在0～10 s以新能源总功率的30%P/min,0.482 1 MW/s的速度上升,即Vup_max为405 MW/min；在10～15 s功率保持不变；在15～30 s有功功率以-0.482 1 MW/s的速度下降。如果不具备功率越限回降控制功能,在t为9.6 s时,受控断面总有功功率达到MMC的额定容量,如果功率继续增加,将威胁柔性直流输电系统的安全运行,如图9所示。

图9 不具备功率越限回降控制功能且 双极运行时康保站仿真结果Fig.9 The simulation results of Kangbao station in bipolar operation without power off-limit fallback control function

当受控断面总有功功率超过功率越限回降控制系统实际阈值1 477.0 MW时,启动有功功率越限回降。康保站有功功率越限回降控制策略的仿真结果如图10和图11所示。

图10 双极运行时康保站功率越限 回降控制主站仿真结果Fig.10 Simulation results of the control master station of Kangbao station during bipolar operation

图11 双极运行时康保站功率越限 回降控制执行站仿真结果Fig.11 Simulation results of Kangbao station off-limit power fast control in bipolar mode of the renewable energy actuator

控制逻辑将控制标志位置1。在场站最大输出功率增加的过程中,所提控制策略输出的累积降功率值不断增加,新能源场站的实际总新能源输出功率最大不超过1 480 MW。当最大输出功率保持不变时,所提控制策略输出的降功率指令为零。在最大输出功率下降过程中,当总输出功率小于返回阈值1 457 MW时,所提控制策略开始回调功率,累积降功率值变小。当累积降功率值降为零时,将控制标志位置0,退出功率越限回降控制逻辑。此后,新能源场站的实际总输出功率跟随其最大输出功率。康保站响应速度最快的5个执行站的响应时间分别设置为200 ms,250 ms,300 ms,350 ms,360 ms。从图11中5个执行站的仿真波形可以看出,采用控制策略,各执行站均能够正确动作。

3.2 紧急虚拟频率控制仿真

图12为不具备紧急虚拟频率控制系统的仿真效果图、图13为紧急虚拟频率控制系统的仿真效果图。

图12 不具备紧急虚拟频率控制系统仿真结果Fig.12 Simulation results without emergency virtual frequency control

图13 紧急虚拟频率控制系统仿真结果Fig.13 Simulation results with emergency virtual frequency control

康保换流站汇集的新能源有750 MW装机容量的电站配置了一次调频,另外1 500 MW装机容量的电站没有配置并且以30%P/min的极限速度增加功率。

当无源电网功率越限快速控制通信出现问题时,在没有紧急虚拟频率控制系统的情况下,康保站换流站将在26 s时超过1 500 MW的额定容量从而过流闭锁,在有紧急虚拟频率控制系统的情况下,换流站的总功率在1 450 MW附近达到峰值并开始下降,从而有效避免过流闭锁。

4 结论

文中针对张北地区大规模新能源发电经柔直换流站孤岛送出系统,设计了广域联合发电的功率越限快速控制系统,得到以下几点结论：

(1) 分析了该区域的新能源波动特点,新能源功率最大波动速度约为30%P/min,99%以上概率的波动速度都在2.11%P/min以内。

(2) 通过分析该区域新能源波动特点、新能源执行站控制能力、通信延时等,设计了功率越限快速控制的策略及控制关键参数。

(3) 紧急虚拟频率系统可作为功率越限快速控制设备通信中断的备用。通过仿真实验验证,可有效避免过流闭锁。

(4) 纯新能源无源电网增加功率越限回降控制后,通过仿真实验对比验证,可有效避免无源电网换流站总功率波动越限的情况发生。