复杂电网条件下的集中式新能源发电主动控制探讨

张 义，马 军，王 运，蒙 飞，彭佩佩

（1.国家电网有限公司，北京 100031；2.国网宁夏电力有限公司，银川 750001；3.中国电力科学研究院有限公司，南京 210003）

0 引言

新能源持续快速发展，在电网中的占比日益提高，部分地区新能源装机规模超过了电网的承载能力，给电网安全稳定运行带来风险[1-2]。截至2020 年底，我国风电装机280 GW、光伏发电装机250 GW[3]。由于风电、光伏发电均通过电力电子接口设备并网，存在等效转动惯量小、一次调频能力不足、电压调节能力有限、频率/电压耐受能力不足、易引发次同步谐波等特性，导致新能源高占比电网发生连锁故障的风险增加、局部电网新能源消纳问题突出[1-2]。

近年来，能源监管部门、电网公司和发电企业多方共同努力，通过政策引导、提高常规电源调节能力、加强跨区跨省输电通道建设、推进“电能替代”等多措并举，促进新能源充分消纳。国内一些高校、电力科研机构和设备生产企业也广泛开展新能源发电控制技术研究，提升新能源电站对电网的支撑能力，使其更好地适应新能源并网技术要求[4-5]，并取得了一些有益成果。

文献[6]提出了含“发电单元-场站执行子站-集群控制主站-调度中心站”的新能源发电并网集群协调控制框架，从时间、空间和功能3 个维度明确了集群协调控制的原则。文献[7-9]考虑场站间的协调、风电火电打捆外送等因素，提出风光发电集群有功控制策略，开发控制系统，并在甘肃、吉林、宁夏等省取得应用成果[9-11]；文献[12-13]考虑不同无功源的特点，提出风电集群无功电压控制策略。集群协调可以改善新能源发电调控特性，但仍需提升场站和发电单元的电网适应性和控制能力来增加集群协调控制的灵活性。

对于场站，主要通过设备协调、优化分配等手段改善场站对调度指令的响应和执行性能。考虑预测数据和设备运行约束[14-15]，根据运行状态[16]、调节性能[17-18]、风速和功率变化趋势[19-20]等对机组分类并优化功率分配，提升场站跟踪有功控制指令的性能；以电压稳定性、无功裕度为目标[21]，协调发电单元、动态无功补偿设备[21-22]，利用无功灵敏度[23]、同调分群[24]、分阶段优化[22]和模型预测理论[25]等方法优化无功分配，提升场站执行无功电压控制指令的能力。

对于发电单元，主要通过虚拟同步等新技术挖掘风电机组和光伏逆变器的潜力，使其具备参与电网电压、频率调节的能力[26-27]，并在故障期间提供支撑[28-29]，在张北风光储示范电站已经开展了风电和光伏虚拟同步机的示范工程[30-31]。

在特高压交/直流输电、高比例新能源快速发展的背景下，受电源构成、电网结构和负荷特性等因素影响，不同区域电网的特性日趋复杂、差异日渐显著，按照统一并网标准[4-5]的要求提升新能源发电的响应能力已无法完全满足需求，要求新能源发电能够主动适应不同电网调控需求并具备相应的控制和支撑能力。

本文针对上述问题开展研究，在分析不同电网特性对集中式新能源发电控制需求差异的基础上，讨论主动适应复杂电网条件的集中式新能源发电主动控制内涵及要素，构建系统化的研究框架，对相应的关键技术进行讨论并提出展望。

1 主动控制的内涵与外延

通过对不同的对象设计控制器实现期望的对象输出特性，是人们主动改造自然的一部分，本质上来讲，人为设计的控制系统都内含了主动控制的成分。从细分的角度看，主动控制是相对被动控制提出的。经典的基于误差驱动的闭环反馈控制是从计划输出中发现偏差，通过分析偏差发生的原因，研究纠偏措施，以实现期望的计划控制输出，这种经典的闭环反馈控制是偏差发生以后人们被迫采取的控制，一般认为这是被动控制。主动控制则是人们通过预先分析控制对象和控制系统中可能存在导致控制目标出现偏差的各种风险或扰动因素，在此基础上主动采取针对性的预防控制措施，以减少或消除可能出现的目标偏差。因此，主动控制直观上包含面向未来或事前的预测与估计，被动控制则是面向当下的事中或事后控制。在实际工程应用中，一般会同时包含主动控制与被动控制，如前馈与反馈控制相结合的控制结构，既能发挥前馈控制对扰动的补偿作用，又能保留反馈控制对偏差的控制作用。

具体到不同的行业和控制对象，主动控制外延的定义和理解各不相同，一般会包括相应的对象定语，如主动噪声控制[32]、主动容错控制[33]、主动阻尼控制[34]、主动频率控制[35]、结构主动控制[36]、自抗扰控制[37]等。主动控制在不同行业和控制对象中有一大类是一种“有源控制”的含义，如主动噪声控制是相对隔音降噪等传统被动降噪手段，采用声波叠加原理，针对噪声信号源（主波）主动产生一个与其幅度相同、相位相反的参考源（次波），将噪声中和，实现降噪目的。类似的具有“有源控制”含义的主动控制还包括主动振动控制、结构主动控制和主动电力滤波控制等。另外一个大类具有“预测控制”的含义，如主动容错控制是相对传统系统中驱动器或传感器故障后进行被动容错控制，增加故障监测和诊断机制，通过预测和估计，根据系统状态基于可重构控制器主动选择合适的预设控制方案。各行各业主动控制的外延理解不一而足，在此不作赘述。

具体到电力系统，人们提及主动控制的概念往往也是结合到具体对象的，如主动频率控制、主动电压控制、主动阻尼控制等。针对电力系统的频率控制，文献[35]对被动频率控制和主动频率进行阐述：传统的方式是依据本地频率偏差由加装了调速器的发电机组分散控制，由于控制方式是频率出现偏差后才开始实施的，因此可以认为是一种被动频率控制；而基于PMU（同步相量测量单元）的WAMS（广域测量系统），可依据扰动信息，按照制定好的控制参数实现集中方式的主动频率控制，实现所有机组频率响应的同步控制。这种主动频率控制的理解与前述主动容错控制的理解具有类似的“预测控制”含义。而在电力系统中主动阻尼控制有时则就是指针对特定电力装置的一种具体的附加控制[38]，电力系统主动解列控制则是针对具体一种控制手段而言[39]。当然，电力系统中很多控制虽然没有冠以“主动”的定语，但实际上是主动控制，如现行的调度控制体系，其中包含了基于滚动预测估计的控制思想。可以认为，在电力系统智能化进程中，越来越多的控制技术已经有足够的信息用以事前预测和估计控制对象可能存在控制风险和偏差，从而保证了主动控制技术可以在电力系统各个控制层面上不断得到深化和推广应用。

2 集中式新能源发电主动控制框架

2.1 集中式新能源发电主动控制的要素

电力系统的控制本质上是要实现系统的源荷实时匹配，源侧的大规模新能源接入和荷侧的多样化用能需求加剧了这一问题的复杂性。系统控制的目的就是要实现这种复杂电网条件下源荷的可靠匹配。调度层面上首先包含着负荷和不确定新能源发电的预测技术，复杂电网条件下的集中式新能源调度控制体系层面本身属于主动控制；因此，对新能源发电预测精度的不断提升是新能源发电主动控制的必要条件。除去新能源发电的预测技术，下面从控制需求、控制资源、控制策略和通信保障等几个方面阐述新能源发电主动控制的要素。

（1）控制需求。新能源发电的控制要和电网的控制需求相适应。在某些新能源渗透率不高的电网，追求新能源发电的主动控制则会牺牲新能源的利用和消纳，仍可采用传统控制方式。而在新能源渗透率较高的电网，新能源发电主动参与电网控制的需求已经非常紧迫。从控制功能上看，新能源参与电网控制的需求主要包括有功功率控制与频率调节、无功功率控制与电压调节、暂态支撑[6]。不同的电网环境和发展阶段，对新能源发电主动控制的需求定位不尽相同。

（2）控制资源。在确定新能源发电主动控制的需求后需要落实具体的控制对象，明确控制对象必需的控制资源以及控制资源的特征。例如，对于风光电站集中并网的主动有功功率与频率调节控制，控制对象涉及到集群、场站、机组/组件，不同层级控制对象所能提供的有功减载水平和/或配备储能的可控资源，不同可控资源、不同时间尺度的灵活调用特征。

（3）控制策略。新能源发电对控制资源的控制手段、所采用的具体控制策略应能体现新能源发电控制是否属于狭义上的主动控制范畴。判断的标准是控制策略是在误差发生后采用的当下和事后纠偏控制策略，还是包含了面向未来预测与估计的事前预防性纠偏控制策略。例如，采用离线分析、在线应用的主动频率响应控制方式[37]包含广义的事前预测，是新能源发电主动控制；基于模型预测控制的大规模可再生能源自动发电控制是新能源发电主动控制[40]。

（4）通信保障。控制策略的实现依赖于各种控制信息的采集和交互。在复杂电网环境下实现新能源的主动控制不仅需要采集本地信息也需要采集广域信息，高效实时的信息交互网络是实现上述信息采集和交互的根本保障[41]。传统的新能源发电控制往往只需要采集本地信息，因此对通信条件要求不高。复杂电网环境下新能源发电的主动控制涉及到集群、场站、机组/组件等不同层级的控制对象，需要不同程度的本地和外地信息实时采集和交互，对通信保障提出了更高的要求。

2.2 基本思路

集中式新能源发电应围绕统一控制目标，在电网统一协调下实现主动控制。相比于传统控制方式，主动控制需实现设备、电站（群）和电网各层级之间的信息交互，在电网与电站（群）之间实现协同，在电站和设备层面实现主动，这就要求电网需能实时准确掌握电站和设备的状态和调节能力，电站和设备需能实时准确了解电网的调控需求。为此，需改变现有根据调度要求被动上传设备和电站原始信息的方式。新能源发电需对自身运行状态进行深度分析，主动将电网关注的实时运行状态和调节能力等信息上传给调度部门，支撑电网全局控制优化。在此基础上，结合不同层级的特点，系统性地建立新能源发电主动控制架构。改变现有被动接收调度指令的控制方式，使新能源发电能够结合电网支撑需求和自身运行状态，主动调整控制策略并整定参数，根据电网实时运行状态变化实施控制。

2.3 主动控制框架

新能源电站没有获取和分析广域信息的手段，要按前述思路实现主动控制，必须系统性设计和构建能够实现设备、电站（群）和电网互动、协同的主动控制框架，如图1 所示。框架分为控制对象和时间两个维度，各层级的控制对象既要在不同时间尺度上相互协同，又要结合自身定位和控制特性各司其职。在该框架下，集中式新能源发电应能根据电网运行调控需求实现控制策略和关键参数可调。

图1 主动控制框架

在电网层，主要在小时级至日级时间尺度，由电网调度部门根据新能源和负荷预测信息制定日前计划和运行方式，滚动修正日内计划，并根据运行方式及安全稳定约束确定系统调控需求，结合新能源电站上报的调节能力，制定多场站之间的协调控制策略，分配发电功率，优化整定各场站调频/调压和故障穿越等控制参数，将发电计划和整定后的控制参数下发给新能源场站，使新能源电站控制能够更好地适应电网安全运行需求。若存在新能源发电基地集群控制系统，则由集群控制系统接收电网调度部门下发的计划及相关约束，完成多场站之间的协调，分配发电功率，优化整定各场站调频/调压和故障穿越等控制参数，将发电计划和整定后的控制参数下发给新能源场站。

在场站层，主要在秒级至小时级时间尺度，由新能源电站根据发电指令和功率预测进行功率控制，结合预测功率和设备运行状态实时信息优化调整调频/调压等控制参数，并将调整后的电站及设备控制参数主动上传给电网调度部门，便于电网调度部门及时优化调整多场站之间的协调策略并重新整定其他场站及设备的控制参数。场站级控制策略优化及参数调整的原则为：调节能力充足时，在满足发电指令的条件下主动调整电站运行状态，为应对可能发生的状态变化事件留出调整空间；调节能力不足时，主动向调度部门上报电站运行状态，便于电网中其他调节资源提前准备预留调整空间。

在设备层，主要在毫秒级时间尺度，由新能源发电设备自主感知电网实时运行状态的变化，快速响应向电网提供暂态支撑。设备根据电网暂态支撑需求，优化故障穿越控制策略及参数并上报。

3 集中式新能源发电主动控制技术展望

目前在运的集中式新能源发电均不具有对局部电网运行状态的感知能力，发电运行时的控制策略和参数也均为事先设定，无法随着电网运行状态的变化而自主调节以更好地适应电网需求。为了提升新能源发电主动控制的实用性，需要深入研究新能源电站和电网的运行状态分析感知、新能源发电控制的电网适应性、自适应控制策略及参数优化整定等技术，包括以下几个方面：

（1）从新能源发电设备和电站的海量运行数据中，深入分析挖掘、准确评估设备和电站的实时运行状态和具备的调节能力，具备主动上报新能源电站实时调节能力的条件。

（2）新能源电站缺乏获取电网全局运行信息的手段和条件，但电网调度部门下发的调控需求是根据电网全局信息制定的，可结合调控需求和局部电网运行信息实现电网运行状态变化的分析感知，具备主动感知电网运行状态变化的能力，为控制策略及参数调整提供基础。

（3）在不同电网中，适应电网调控需求的新能源发电关键控制参数不尽相同，需深入分析新能源发电控制与电网稳定运行的交互影响机理，准确掌握不同电网条件下的关键控制参数，定量评估其对电网稳定运行的影响，具备主动识别影响电网稳定的关键参数的能力。

（4）集中式新能源发电控制策略能够根据不同电网条件自适应调整控制策略（包括一次调频、电压调节和故障穿越等），主动根据电网需求整定关键控制参数。

4 结语

相比于被动接收指令的控制方式，通过设备、场站和电网在不同时间尺度的协调，能够根据系统控制目标实现新能源发电主动控制。本文基于实际电网分析了集中式新能源发电主动控制的需求，结合主动控制在其他领域的应用讨论了其内涵及外延，提出了新能源发电主动控制框架，电网与电站（群）、设备之间既在不同时间尺度上相互协同，又结合自身定位和控制特性各司其职。在该框架下，新能源发电与电网能够实现更加友好的交互，电网能够及时准确掌握全局信息并合理制定运行决策，新能源发电能够及时获取电网调控需求并自适应控制策略优化和关键参数可调。随着新能源的进一步发展，需要系统性地实现新能源发电主动控制。